本發(fā)明屬于功能性水凝膠及其制備和應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種pH與氧化還原雙重響應(yīng)多糖水凝膠及其制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

水凝膠是一類能吸水溶脹但不溶于水的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物。它在水中能夠吸收大量的水分顯著溶脹，并在顯著溶脹之后能夠繼續(xù)保持其原有的結(jié)構(gòu)而不被溶解，廣泛用于生物載藥，細(xì)胞培養(yǎng)、組織工程等領(lǐng)域。環(huán)境刺激響應(yīng)性水凝膠是結(jié)構(gòu)和性質(zhì)可以隨外界環(huán)境改變而變化的一類智能材料，它能夠感知外界刺激的微小變化，如溫度、pH值、離子強度、電場、磁場等，而發(fā)生自身結(jié)構(gòu)或體積的變化。由于刺激響應(yīng)性水凝膠自身優(yōu)良的性能使它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、記憶元件開關(guān)、生物酶固定等方面有廣泛的應(yīng)用前景。目前大部分的刺激響應(yīng)性水凝膠主要是基于合成高分子為原料而制備，合成高分子在制備上受原料和制備工藝的影響，存在制備周期長，可控性差，經(jīng)濟成本高等缺陷。除此以外，合成高分子的生物相容性存在不確定性，在一定程度上限制了水凝膠的應(yīng)用。因此制備多糖類響應(yīng)性水凝膠，近年來受到科研工作者的廣泛關(guān)注。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種pH與氧化還原雙重響應(yīng)多糖水凝膠及其制備和應(yīng)用，該方法綠色環(huán)保，工藝簡單，具有廣闊的市場前景。本發(fā)明利用改性的水溶性纖維素衍生物乙酰乙酸纖維素為原料，在溫和的條件下與胱胺二鹽酸鹽反應(yīng)制備含動態(tài)共價烯胺鍵與二硫鍵的多糖水凝膠，該水凝膠同時具備pH響應(yīng)性和氧化還原響應(yīng)性；由于纖維素良好的生物相容性，所制備的多糖水凝膠在藥物載體釋放領(lǐng)域中具備良好的應(yīng)用前景。

本發(fā)明的一種pH與氧化還原雙重響應(yīng)多糖水凝膠，所述原料組分包括：胱胺二鹽酸鹽溶液和乙酰乙酸纖維素溶液；其中胱胺二鹽酸鹽溶液和乙酰乙酸纖維素溶液的單體摩爾比為5:1-20:1。

所述胱胺二鹽酸鹽溶液的濃度為5-20wt％，胱胺二鹽酸鹽溶液的溶劑為去離子水或pH＝7.4的PBS溶液；乙酰乙酸纖維素溶液的濃度為1-4wt％，乙酰乙酸纖維素溶液的溶劑為去離子水或pH＝7.4的PBS溶液。

胱胺二鹽酸鹽為胱胺二鹽酸鹽、巰基乙胺、3-巰基-1-丙胺，半胱氨酸中的一種或幾種；乙酰乙酸纖維素為乙酰乙酸纖維素、乙酰乙酸甲基纖維素、乙酰乙酸羧甲基纖維、乙酰乙酸羥丙基纖維素、乙酰乙酸淀粉、乙酰乙酸甲基淀粉、乙酰乙酸羧甲基淀粉、乙酰乙酸羥丙基淀粉、乙酰乙酸透明質(zhì)酸、乙酰乙酸環(huán)糊精、乙酰乙酸木質(zhì)素、乙酰乙酸海藻酸鈉、乙酰乙酸葡聚糖中的一種或幾種。

本發(fā)明的一種pH與氧化還原雙重響應(yīng)多糖水凝膠的制備方法，包括：

在室溫條件下，將胱胺二鹽酸鹽溶液加入到乙酰乙酸纖維素溶液中，振蕩混合均勻，靜置即得雙重響應(yīng)性多糖水凝膠。

所述振蕩混合：在漩渦振蕩器上振蕩混合均勻，靜置時間為10-40min。

得到的雙重響應(yīng)性多糖水凝膠的pH響應(yīng)性測試為：室溫下，向所得水凝膠中加入酸液，輕微振蕩，凝膠會轉(zhuǎn)化為溶膠，再向溶膠中加入堿液可實現(xiàn)溶膠到凝膠的可逆轉(zhuǎn)變；其中酸為鹽酸，硫酸，磷酸中的一種，堿為氫氧化鈉，氫氧化鉀，三乙胺中的一種；酸液濃度為4-12M，堿液濃度為4-12M。

pH響應(yīng)過程中，溫度為10-40℃，凝膠到溶膠的轉(zhuǎn)變時間為5-20min。

得到的雙重響應(yīng)性多糖水凝膠的氧化還原響應(yīng)性測試：室溫下，向所得水凝膠中加入還原劑溶液，輕微振蕩，凝膠會轉(zhuǎn)化為溶膠，再向溶膠中加入氧化劑溶液可實現(xiàn)溶膠到凝膠的可逆轉(zhuǎn)變；其中氧化劑為雙氧水H₂O₂，還原劑為二硫蘇糖醇DTT，谷胱甘肽GSH中的一種，還原劑溶液的濃度為5-20wt％；氧化劑溶液的濃度為5-20wt％。

氧化還原響應(yīng)過程中，溫度為10-40℃，凝膠到溶膠的轉(zhuǎn)變時間為30-120min。

本發(fā)明的一種pH與氧化還原雙重響應(yīng)多糖水凝膠的應(yīng)用，雙重響應(yīng)多糖水凝膠可作為藥物緩釋的載體應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

本發(fā)明通過乙酰乙酸纖維素與胱胺類物質(zhì)反應(yīng)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)制備雙重響應(yīng)性多糖類水凝膠。其中乙酰乙酸纖維素與胱胺二鹽酸鹽在溫和的條件下反應(yīng)，制備了同時含有動態(tài)化學(xué)鍵烯胺鍵和二硫鍵的多糖水凝膠。烯胺鍵和二硫鍵作為動態(tài)化學(xué)鍵分別對酸堿和氧化還原劑具有響應(yīng)性，使該多糖水凝膠在一定條件下可通過調(diào)控pH值和氧化還原劑的濃度實現(xiàn)凝膠到溶膠的可逆轉(zhuǎn)變。同時，纖維素作為天然高分子，同合成高分子相比，具備資源廣泛、價格低廉、生物相容性好、易生物降解等優(yōu)勢。憑借其特有的響應(yīng)性與良好的生物相容性，該多糖水凝膠在藥物載體釋放領(lǐng)域具有一定應(yīng)用前景。

制備雙重響應(yīng)性多糖水凝膠的反應(yīng)方程式：

其中n₁+n₂＝n

有益效果

本發(fā)明提出的雙重響應(yīng)性多糖凝膠制備方法中，乙酰乙酸纖維素溶液與胱胺二鹽酸鹽溶液可在室溫下均勻混合反應(yīng)，制備方法簡單溫和，不需要額外的催化劑和苛刻的化學(xué)條件便可形成水凝膠，該多糖水凝膠同時具備pH與氧化還原雙重響應(yīng)性，可實現(xiàn)凝膠-溶膠的可逆轉(zhuǎn)變。相比單一響應(yīng)性水凝膠藥物釋放具有更廣闊的應(yīng)用前景；

本發(fā)明提出的雙重響應(yīng)性多糖凝膠制備方法中，乙酰乙酸纖維素和胱胺二鹽酸鹽可溶解在PBS(pH＝7.4)溶液中，從而達(dá)到在生理條件下制備多重響應(yīng)性的多糖水凝膠，該多糖水凝膠在PBS(pH＝7.4)溶液中浸漬3d后，其形態(tài)依舊保持不變，說明該凝膠在生理條件下具備良好的穩(wěn)定性；

本發(fā)明提出的響應(yīng)性多糖凝膠制備方法中，原料乙酰乙酸纖維素屬于纖維素的一次衍生物，已實現(xiàn)商品化生產(chǎn)，資源豐富、綠色可降解、具有較好的生物相容性，同時，本發(fā)明提出的基于烯胺鍵與二硫鍵制備響應(yīng)性多糖水凝膠方法，適合大多數(shù)多糖類物質(zhì)及其衍生物，提供了一種制備多重響應(yīng)性多糖水凝膠的新模板，在環(huán)境問題日益突出的情況下，該發(fā)明符合生態(tài)環(huán)保的要求。

附圖說明

圖1為實施例1乙酰乙酸纖維素溶液與胱胺二鹽酸鹽溶液反應(yīng)制備多糖水凝膠的照片；其中圖1a為乙酰乙酸纖維素的水溶液，圖1b為將胱胺二鹽酸鹽溶液加入乙酰乙酸纖維素溶液中混合均勻后制備的水凝膠；

圖2為實施例2制備的多糖水凝膠的pH響應(yīng)性照片；圖2a為用乙酰乙酸纖維素與胱胺二鹽酸鹽制備的水凝膠，圖2b為向凝膠中加入鹽酸溶液后轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z，圖2c為向溶膠中加入等摩爾量的氫氧化鈉溶液后，溶膠又轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，圖2d為向凝膠中加入鹽酸溶液后，凝膠又轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z；

圖3為實施例3制備的多糖水凝膠的氧化還原響應(yīng)性照片；圖3a為用乙酰乙酸纖維素與胱胺二鹽酸鹽制備的水凝膠，圖3b為向凝膠中加入還原劑DTT(二硫蘇糖醇)溶液后轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z，圖3c為向溶膠中加入等摩爾量的雙氧水溶液后，溶膠又轉(zhuǎn)變?yōu)槟z；

圖4為實施例4所制得的多糖水凝膠穩(wěn)定性照片，圖4a為用乙酰乙酸纖維素與胱胺二鹽酸鹽制備的水凝膠，向凝膠中加入適量的PBS溶液進行浸泡，觀察不同時間的水凝膠的形貌24h(圖4b)，48h(圖4c)，72h(圖4d)。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

實施例1

1)用去離子水配制濃度為2wt％的乙酰乙酸木漿纖維素溶液和10wt％的胱胺二鹽酸鹽溶液。室溫下，將0.1965g10wt％的胱胺二鹽酸鹽溶液加入到2g 2wt％的乙酰乙酸纖維素溶液中，在漩渦振蕩器上混合均勻后，靜置40min，形成凝膠(圖1)。

實施例2

1)多重響應(yīng)性多糖水凝膠的制備過程及原料同實施例1

見圖2，實施例1所制得的水凝膠(圖2a)，向凝膠中加入高濃度的鹽酸溶液(8M,100μL)，并在漩渦振蕩器上小幅度震蕩，凝膠在10min內(nèi)變?yōu)槿苣z(圖2b)。然后，向溶膠中加入等摩爾量的氫氧化鈉溶液(8M,100μL)，溶膠在3min內(nèi)又轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀態(tài)(圖2c)，再加入高濃度的鹽酸溶液(8M,100μL)，又轉(zhuǎn)化為溶膠(圖2d)。

實施例3

1)多重響應(yīng)性多糖水凝膠的制備過程及原料同實施例1

見圖3，實施例1中的水凝膠(圖3a)，向凝膠中加入100μL，10wt％DTT溶液，在漩渦振蕩器上輕微振蕩混合均勻，實現(xiàn)從凝膠到溶膠(圖3b)，所需時間為30-60min，之后向所得溶膠中加入等摩爾量的雙氧水溶液(30wt％)，實現(xiàn)從溶膠到凝膠(圖3c)，所需時間為10-30min。

實施例4

1)多重響應(yīng)性多糖水凝膠的制備過程及原料同實施例1

見圖4，實施例1所制得的水凝膠(圖4a)，向凝膠中加入適量的PBS溶液浸泡，觀察不同時間的水凝膠的外觀，24h(圖4b)，48h(圖4c)，72h(圖4d)。