一种改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶制法及改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶

摘要

本发明涉及抗菌材料技术领域，且公开了一种改性壳聚糖‑聚乙烯醇复合抗菌水凝胶，通过化学键的连接，将壳聚糖和聚乙烯醇有机结合，得到化学水凝胶，以壳聚糖作为交联中心，聚乙烯醇形成复杂的三维化学交联互穿网络，当水凝胶收到较大的外力时，化学交联互穿网络可以缓冲局部应力，并且通过化学键的断裂实现外力能力的耗散，氨基甲酸酯基的键能和稳定性，远大于氢键和静电作用，从而使复合水凝胶具有很强的结构稳定性和机械强度，并且通过在水凝胶分子链中引入抗菌性的季铵盐和胍基基团，显著提高了复合水凝胶的抗菌活性。

说明书

技术领域

本发明涉及抗菌材料技术领域，具体为一种改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶制法及改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶。

背景技术

水凝胶是一种新型功能性材料，具有三维空间网络结构，以及良好的亲水性和吸水性，多种亲水性天然高分子或者合成高分子，可以通过物理或化学交联形成水凝胶，如壳聚糖水凝胶、透明质酸水凝胶、聚丙烯酸水凝胶、聚乙烯醇水凝胶、聚乙二醇水凝胶等，物理水凝胶是通过静电作用、氢键等物理作用力形成的，而化学凝胶是由化学键交联形成的，因此化学水凝胶的结构稳定性和机械性能远比物理水凝胶要好很多。

水凝胶广泛应用在镇痛贴、退热贴、人工软骨、药物载体和生物医疗工程中，因此近年来开发机械性能优异、抗菌活性高的水凝胶材料成为研究热点，聚乙烯醇具有无毒副作用，生物相容性和生物降解性良好，在伤口敷料和药用膜方面具有的广泛应用，但是传统的聚乙烯醇水凝胶为物理水凝胶，机械性能较差，并且抗菌性能较差，阻碍了聚乙烯醇在抗菌材料和生物医疗工程中的进一步发展。

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶制法及应用，解决了传统的聚乙烯醇水凝胶的机械性能和抗菌性能较差的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶，所述改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶的制法如下所示：

(1)向反应瓶中加入蒸馏水和1,4-二氧六环混合溶剂、季铵盐壳聚糖和环氧氯丙烷，加热进行反应，冷却至室温再加入氢氧化钾，进行环化反应，得到环氧化壳聚糖季铵盐。

(2)向反应瓶中加入蒸馏水、环氧化壳聚糖季铵盐和聚六亚甲基双胍盐酸盐，进行加成反应，加入蒸馏水进行离心洗涤，直至上层液澄清，使用蒸馏水和丙酮洗涤下层产物，得到胍基壳聚糖季铵盐。

(3)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂、胍基壳聚糖季铵盐、聚乙烯醇和交联剂，然后进行交联反应，加入蒸馏水进行离心洗涤，直至上层液澄清，使用蒸馏水和乙醇洗涤沉淀产物，并置于透析袋中，透析纯化，得到改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶。

优选的，所述步骤(2)中环氧化壳聚糖季铵盐和聚六亚甲基双胍盐酸盐的质量比为100:2-10。

优选的，所述步骤(2)中加成反应的温度为80-120℃，反应时间为2-6 h。

优选的，所述步骤(3)中交联剂为甲苯二异氰酸酯或异佛尔酮二异氰酸酯。

优选的，所述步骤(3)中胍基壳聚糖季铵盐、聚乙烯醇和交联剂的质量比为3-15:100:0.5-2。

优选的，所述步骤(3)中交联反应的温度为40-80℃，反应时间为6-12 h。

优选的，所述改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶根据该改性壳聚糖- 聚乙烯醇复合抗菌水凝胶制法得到，应用于抗菌材料领域中。

(三)有益的技术效果

与现有技术相比，本发明具备以下化学机理和有益技术效果：

该一种改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶，通过环氧氯丙烷对壳聚糖季铵盐进行环氧化改性，引入环氧基团，而聚六亚甲基双胍盐酸盐中的亚氨基具有很好的化学活性，可以与环氧基团发生加成开环反应，得到胍基壳聚糖季铵盐，壳聚糖具有良好的生物相容性，并且含有丰富的抗菌性的季铵盐基团和胍基基团，使壳聚糖具有优异的抗菌活性，拓宽了壳聚糖在抗菌材料和生物医疗工程中的应用。

该一种改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶，在交联剂二异氰酸酯的作用下，两个异氰酸酯基团分别与胍基壳聚糖季铵盐的羟基和聚乙烯醇的羟基发生反应，生成氨基甲酸酯基团，从而通过化学键的连接，将壳聚糖和聚乙烯醇有机结合，得到化学水凝胶，以壳聚糖作为交联中心，聚乙烯醇形成复杂的三维化学交联互穿网络，当水凝胶收到较大的外力时，化学交联互穿网络可以缓冲局部应力，并且通过化学键的断裂实现外力能力的耗散，氨基甲酸酯基的键能和稳定性，远大于氢键和静电作用，从而使复合水凝胶具有很强的结构稳定性和机械强度，并且通过在水凝胶分子链中引入抗菌性的季铵盐和胍基基团，显著提高了复合水凝胶的抗菌活性。

具体实施方式

为实现上述目的，本发明提供如下具体实施方式和实施例：一种改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶，制法如下所示：

(1)向反应瓶中加入蒸馏水和1,4-二氧六环混合溶剂、季铵盐壳聚糖和环氧氯丙烷，加热进行反应，冷却至室温再加入氢氧化钾，进行环化反应，得到环氧化壳聚糖季铵盐。

(2)向反应瓶中加入蒸馏水、质量比为100:2-10的环氧化壳聚糖季铵盐和聚六亚甲基双胍盐酸盐，进行加成反应，反应温度为80-120℃，反应时间为2-6h，加入蒸馏水进行离心洗涤，直至上层液澄清，使用蒸馏水和丙酮洗涤下层产物，得到胍基壳聚糖季铵盐。

(3)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂、质量比为3-15:100:0.5-2 的胍基壳聚糖季铵盐、聚乙烯醇和交联剂，其中交联剂为甲苯二异氰酸酯或异佛尔酮二异氰酸酯，然后进行交联反应，交联反应的温度为40-80℃，反应时间为6-12h，加入蒸馏水进行离心洗涤，直至上层液澄清，使用蒸馏水和乙醇洗涤沉淀产物，并置于透析袋中，透析纯化，得到改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶，应用于抗菌材料领域中。

实施例1

(1)向反应瓶中加入蒸馏水和1,4-二氧六环混合溶剂、季铵盐壳聚糖和环氧氯丙烷，加热进行反应，冷却至室温再加入氢氧化钾，进行环化反应，得到环氧化壳聚糖季铵盐。

(2)向反应瓶中加入蒸馏水、质量比为100:2的环氧化壳聚糖季铵盐和聚六亚甲基双胍盐酸盐，进行加成反应，反应温度为80℃，反应时间为2h，加入蒸馏水进行离心洗涤，直至上层液澄清，使用蒸馏水和丙酮洗涤下层产物，得到胍基壳聚糖季铵盐。

(3)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂、质量比为3:100:0.5的胍基壳聚糖季铵盐、聚乙烯醇和交联剂甲苯二异氰酸酯，然后进行交联反应，交联反应的温度为40℃，反应时间为6h，加入蒸馏水进行离心洗涤，直至上层液澄清，使用蒸馏水和乙醇洗涤沉淀产物，并置于透析袋中，透析纯化，得到改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶。

实施例2

(1)向反应瓶中加入蒸馏水和1,4-二氧六环混合溶剂、季铵盐壳聚糖和环氧氯丙烷，加热进行反应，冷却至室温再加入氢氧化钾，进行环化反应，得到环氧化壳聚糖季铵盐。

(2)向反应瓶中加入蒸馏水、质量比为100:5的环氧化壳聚糖季铵盐和聚六亚甲基双胍盐酸盐，进行加成反应，反应温度为100℃，反应时间为4h，加入蒸馏水进行离心洗涤，直至上层液澄清，使用蒸馏水和丙酮洗涤下层产物，得到胍基壳聚糖季铵盐。

(3)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂、质量比为8:100:1的胍基壳聚糖季铵盐、聚乙烯醇和交联剂异佛尔酮二异氰酸酯，然后进行交联反应，交联反应的温度为50℃，反应时间为10h，加入蒸馏水进行离心洗涤，直至上层液澄清，使用蒸馏水和乙醇洗涤沉淀产物，并置于透析袋中，透析纯化，得到改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶。

实施例3

(1)向反应瓶中加入蒸馏水和1,4-二氧六环混合溶剂、季铵盐壳聚糖和环氧氯丙烷，加热进行反应，冷却至室温再加入氢氧化钾，进行环化反应，得到环氧化壳聚糖季铵盐。

(2)向反应瓶中加入蒸馏水、质量比为100:7的环氧化壳聚糖季铵盐和聚六亚甲基双胍盐酸盐，进行加成反应，反应温度为120℃，反应时间为4h，加入蒸馏水进行离心洗涤，直至上层液澄清，使用蒸馏水和丙酮洗涤下层产物，得到胍基壳聚糖季铵盐。

(3)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂、质量比为10:100:1.5的胍基壳聚糖季铵盐、聚乙烯醇和交联剂甲苯二异氰酸酯，然后进行交联反应，交联反应的温度为50℃，反应时间为10h，加入蒸馏水进行离心洗涤，直至上层液澄清，使用蒸馏水和乙醇洗涤沉淀产物，并置于透析袋中，透析纯化，得到改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶。

实施例4

(1)向反应瓶中加入蒸馏水和1,4-二氧六环混合溶剂、季铵盐壳聚糖和环氧氯丙烷，加热进行反应，冷却至室温再加入氢氧化钾，进行环化反应，得到环氧化壳聚糖季铵盐。

(2)向反应瓶中加入蒸馏水、质量比为100:10的环氧化壳聚糖季铵盐和聚六亚甲基双胍盐酸盐，进行加成反应，反应温度为120℃，反应时间为6h，加入蒸馏水进行离心洗涤，直至上层液澄清，使用蒸馏水和丙酮洗涤下层产物，得到胍基壳聚糖季铵盐。

(3)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂、质量比为15:100:2的胍基壳聚糖季铵盐、聚乙烯醇和交联剂异佛尔酮二异氰酸酯，然后进行交联反应，交联反应的温度为80℃，反应时间为12h，加入蒸馏水进行离心洗涤，直至上层液澄清，使用蒸馏水和乙醇洗涤沉淀产物，并置于透析袋中，透析纯化，得到改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶。

对比例1

(1)向反应瓶中加入蒸馏水和1,4-二氧六环混合溶剂、季铵盐壳聚糖和环氧氯丙烷，加热进行反应，冷却至室温再加入氢氧化钾，进行环化反应，得到环氧化壳聚糖季铵盐。

(2)向反应瓶中加入蒸馏水、质量比为100:0.5的环氧化壳聚糖季铵盐和聚六亚甲基双胍盐酸盐，进行加成反应，反应温度为120℃，反应时间为 4h，加入蒸馏水进行离心洗涤，直至上层液澄清，使用蒸馏水和丙酮洗涤下层产物，得到胍基壳聚糖季铵盐。

(3)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂、质量比为1:100:0.2的胍基壳聚糖季铵盐、聚乙烯醇和交联剂异佛尔酮二异氰酸酯，然后进行交联反应，交联反应的温度为40℃，反应时间为12h，加入蒸馏水进行离心洗涤，直至上层液澄清，使用蒸馏水和乙醇洗涤沉淀产物，并置于透析袋中，透析纯化，得到改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶。

对比例2

(1)向反应瓶中加入蒸馏水和1,4-二氧六环混合溶剂、季铵盐壳聚糖和环氧氯丙烷，加热进行反应，冷却至室温再加入氢氧化钾，进行环化反应，得到环氧化壳聚糖季铵盐。

(2)向反应瓶中加入蒸馏水、质量比为100:15的环氧化壳聚糖季铵盐和聚六亚甲基双胍盐酸盐，进行加成反应，反应温度为120℃，反应时间为2h，加入蒸馏水进行离心洗涤，直至上层液澄清，使用蒸馏水和丙酮洗涤下层产物，得到胍基壳聚糖季铵盐。

(3)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂、质量比为18:100:2.5的胍基壳聚糖季铵盐、聚乙烯醇和交联剂甲苯二异氰酸酯，然后进行交联反应，交联反应的温度为60℃，反应时间为6h，加入蒸馏水进行离心洗涤，直至上层液澄清，使用蒸馏水和乙醇洗涤沉淀产物，并置于透析袋中，透析纯化，得到改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶。

向无菌培养皿中加入琼脂培养基和大肠杆菌悬菌液，振荡均匀后，加入磷酸缓冲盐溶液，将改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶剪裁成薄片，以加入实施例的抗菌水凝胶薄片作为实验组，以加入对比例的抗菌水凝胶薄片作为对照组，以不加抗菌水凝胶薄片作为空白组，将各组培养皿置于恒温恒湿培养箱中，在37℃下培养24h，然后观察菌落数，测试抗菌水凝胶的抗菌性能。

使用SHK-A101拉伸强度试验机，检测改性壳聚糖-聚乙烯醇复合抗菌水凝胶的拉伸强度。