一種制備超高強度明膠或膠原基復(fù)合水凝膠的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)合水凝膠技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種制備超高強度明膠或膠原基復(fù)合水凝膠的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水凝膠是一類具有強親水性，但在水中不能溶解只能發(fā)生溶脹的材料，是自然界普遍存在的一種物質(zhì)形態(tài)。高分子水凝膠是由高分子的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與溶液所組成的多元體系，在水中可保持一定形狀和三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從微觀尺度上看，高分子水凝膠具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于水合作用，高分子鏈中的親水性基團(tuán)將水分子束縛在三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，從而賦予了高分子水凝膠良好的保水性能，同時水難以從水凝膠網(wǎng)絡(luò)中擠壓出來。人體除了牙齒和骨頭以外，都是由生物軟組織構(gòu)成的，研究與生物軟組織的結(jié)構(gòu)和性能相似的高分子水凝膠材料具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。例如，高分子水凝膠在組織工程支架中具有重要的應(yīng)用前景。水凝膠用作組織工程支架材料時，需要能承受足夠的應(yīng)用而不被破壞。然而，大多數(shù)水凝膠都較脆，其斷裂能為10 J/m2左右，而軟骨的斷裂能為1000 J/m2左右，兩者之間尚存在較大差距。近年來，如何提高高分子水凝膠的強度成為許多研究者關(guān)注的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種高強度明膠或膠原基復(fù)合水凝膠的制備方法。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種制備超高強度明膠或膠原基復(fù)合水凝膠的方法，其包括如下步驟:
1)對纖維素進(jìn)行微纖化處理，獲得MFC懸浮液(即微纖化纖維素懸浮液)；
2)用高碘酸鹽對MFC懸浮液進(jìn)行氧化處理，氧化處理結(jié)束后，用去離子水透析1一 3天以去除未反應(yīng)完的高碘酸鹽，獲得雙醛MFC懸浮液；
3)制備雙醛MFC/明膠復(fù)合水凝膠或雙醛MFC/膠原復(fù)合水凝膠:
將雙醛MFC懸浮液與明膠混勻，然后于30 - 50°C、pH 7-9下反應(yīng)1 一 3 h，獲得雙醛MFC/明膠復(fù)合水凝膠；
或者將雙醛MFC懸浮液進(jìn)行冷凍干燥獲得雙醛MFC海綿，然后將雙醛MFC海綿加入到膠原醋酸溶液中，在37°C、pH 7.4的條件下反應(yīng)1 一 3 h，獲得雙醛MFC/膠原復(fù)合水凝膠。
[0005]進(jìn)一步優(yōu)選，步驟1)中，微纖化處理具體為:將纖維素與水按質(zhì)量比(1 - 10):(90 — 99)混合后，加入高壓均質(zhì)機中，于500 — 1500 bar下均質(zhì)10 — 30次，然后離心濃縮，獲得MFC含量為1 一 6wt%的MFC懸浮液。
[0006]步驟2)中，氧化處理具體為:將高碘酸鈉加入到MFC懸浮液中，室溫下避光攪拌36 - 48 h ;其中，MFC懸浮液以MFC干重計，高碘酸鈉與MFC的質(zhì)量比為1 一 9:10。如高碘酸鈉與MFC的質(zhì)量比可以為1:10、3:10、5:10、7:10、9:10等。
[0007]步驟3)中，雙醛MFC懸浮液以雙醛MFC干重計，雙醛MFC添加量占雙醛MFC與明膠或膠原兩者質(zhì)量總和的0.1-40%ο
[0008]上述雙醛MFC/明膠復(fù)合水凝膠與雙醛MFC/膠原復(fù)合水凝膠的制備過程略有不同:
由于明膠可以溶解在溫水中，因此在制備雙醛MFC/明膠復(fù)合水凝膠時，可以將明膠顆粒直接加入到雙醛MFC懸浮液中，使明膠溶解后與雙醛MFC發(fā)生反應(yīng)。但是膠原卻不能溶解在水中，因此是將膠原首先溶解在醋酸溶液中獲得膠原醋酸溶液，再將雙醛MFC懸浮液經(jīng)過冷凍干燥制成雙醛MFC海綿，然后將雙醛MFC海綿加入膠原醋酸溶液中，使雙醛MFC與膠原發(fā)生反應(yīng)。由于膠原超過40°C會發(fā)生變性，失去作為生物材料所必需的生活活性，因此反應(yīng)在37°C進(jìn)行。同樣為了保留膠原的生物活性，反應(yīng)體系的pH限定為7.4。
[0009]MFC懸浮液可以由機械法(如高壓均質(zhì)法、高速研磨法、高速攪拌法等)制備的。雙醛MFC是由微晶纖維素經(jīng)過高壓均質(zhì)的方法(采用的壓力為500 — 1500 bar、均質(zhì)次數(shù)為10 - 30次)先制得直徑為納米級且具有三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的微纖化纖維素MFC (納米纖維素)，然后再用高碘酸鹽對其進(jìn)行氧化，制得雙醛MFC。雙醛MFC與明膠或膠原發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使整個復(fù)合水凝膠體系形成具有巨大網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠。
[0010]纖維素是自然界最為豐富的可再生高分子資源，其來源豐富且價格低廉，具有無污染、易生物降解等優(yōu)點。纖維素具有多級的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。一根纖維是由若干根微纖維組成的，一根微纖維又是由若干根纖維素分子鏈平行排列而成。采用適當(dāng)?shù)姆椒?如酸水解法、酶水解法和機械分離法)可以分離出纖維素中的納米級微纖維，其中，機械分離法不引入污染性化學(xué)物質(zhì)，是環(huán)境友好的物理方法。用機械分離法中的高壓均質(zhì)法對纖維素進(jìn)行微纖化，可以制備出直徑在幾十納米，長徑比非常大的微纖化纖維素(也稱為納米纖維素，MFC)，并且這些MFC并不斷裂，而是形成相互連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。巨大的表面積和精細(xì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使納米纖維素可以充分發(fā)揮出纖維素優(yōu)異的力學(xué)性能，使其成為一種優(yōu)良的增強劑。MFC的纖維素分子鏈上有數(shù)量眾多的羥基基團(tuán)，可以方便地對其改性。例如，可以對MFC進(jìn)行氧化，將其中的部分羥基基團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)槿┗鶊F(tuán)，從而制備出具有新的化學(xué)官能團(tuán)的雙醛MFC。[0011 ] 將自身就具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的雙醛MFC與明膠或膠原進(jìn)行復(fù)合，制備雙醛MFC/明膠復(fù)合水凝膠或雙醛MFC/膠原復(fù)合水凝膠，在此過程中，雙醛MFC上的醛基基團(tuán)可以與明膠或膠原分子鏈上的氨基基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使MFC在起到增強劑作用的同時又起到交聯(lián)劑的作用，使整個雙醛MFC/明膠復(fù)合水凝膠或雙醛MFC/膠原復(fù)合水凝膠成為一個巨大的網(wǎng)絡(luò)，從而使明膠基或膠原基復(fù)合水凝膠的機械強度得到極大提高。
[0012]和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明方法中的主要原料(纖維素、明膠和膠原)均來源于天然高分子材料，具有來源廣泛、生物相容性好、可生物降解等優(yōu)點，且制備步驟簡單、無毒無害、安全性高。MFC具有三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)和較高的機械強度，經(jīng)氧化后在納米MFC分子鏈上引入醛基基團(tuán)，醛基與明膠或膠原發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使雙醛MFC既起到增強劑作用又起到交聯(lián)劑作用，使明膠或膠原基復(fù)合水凝膠的機械強度得到大幅度提高。
【附圖說明】
[0013]圖1為不同組成成分的復(fù)合支架材料掃描電鏡圖；圖中，a為純明膠、b為MFC/明膠，C為雙醛MFC/明膠；從圖中可以看出:三者均能形成多孔結(jié)構(gòu)；純明膠中，孔直徑為50 - 200 μ m ;加入MFC和雙醛MFC后，體系中的孔呈扁平狀，直徑減小，孔洞變得密集；
圖2為不同組成成分復(fù)合水凝膠的數(shù)碼照片圖；從圖中可以看出:純明膠水凝膠由于強度較低，從模具中剝離時易發(fā)生破碎，導(dǎo)致凝膠表面出現(xiàn)裂痕;MFC和雙醛MFC的加入使體系彈性增加，脆性減小，因此復(fù)合水凝膠表面光滑，沒有裂痕；
圖3為不同組成成分水凝膠的壓縮強度；
圖4為采用本發(fā)明方法制備的不同雙醛MFC含量的雙醛MFC/明膠基復(fù)合水凝膠的壓縮強度；
圖5為采用本發(fā)明方法制備的不同氧化度的雙醛MFC/明膠基復(fù)合水凝膠的壓縮強度。
【具體實施方式】
[0014]以下結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步地詳細(xì)介紹，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此。
[0015]下述實施例中，所使用的微晶纖維素均經(jīng)以下預(yù)處理:取20 g微晶纖維素、40 gNaOH和340 g水加入燒杯，在60°C水浴下攪拌2 h，目的在于使纖維在NaOH的作用下溶脹、活化，以利于高壓均質(zhì)時纖維素發(fā)生微纖化。堿處理后抽濾，然后用去離子水充分洗滌至中性，懸浮液可用于高壓均質(zhì)。
[0016]實施例1
一種制備超高強度明膠基復(fù)合水凝膠的方法，其包括如下步驟:
1)取20g微晶纖維素，加蒸餾水稀釋至1000 mL，轉(zhuǎn)入到高壓均質(zhì)機中，在1000 bar下均質(zhì)25次，離心，去除部分上清液后，獲得MFC含量為2.56wt%的MFC懸浮液；
2)將8.96 g高碘酸鈉加入到500 g MFC懸浮液中，室溫下避光攪拌36 h，然后用去離子水透析2天，靜置去除部分上層清液后，獲得固含量為3.49 %的雙醛MFC懸浮液；
3)取25.27 g雙醛MFC懸浮液，加入25.61 g蒸餾水以使水的質(zhì)量補足為50 g，在40°C水浴下攪拌均勻；然后加入5 g明膠(以使明膠的質(zhì)量濃度為10%)，在40°C和pH為7.4的條件下攪拌反應(yīng)2 h，采用超聲振蕩器對混合液進(jìn)行排氣泡，然后將混合液倒入模具中，室溫冷卻12 h形成凝膠，獲得雙醛MFC/明膠復(fù)合水凝膠，雙醛MFC的含量為15wt%。