一種鐵-殼聚糖金屬超分子凝膠的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于生物功能材料制備領域，涉及一種鐵-殼聚糖金屬超分子凝膠的制備方法，尤其涉及一種利用鐵離子與殼聚糖的金屬-超分子作用形成鐵-殼聚糖凝膠的制備方法。
【背景技術】
[0002]金屬-超分子化學是基于金屬配體的一種非共價鍵相互作用，其普遍存在于自然界生物體中來建立復雜的分子結構和參與許多天然材料的自組裝。這種獨特的動態可逆的非共價鍵作用賦予金屬超分子材料優異的結構復雜性，先進的功能性和在分子和無機水平上擴展的集成應用性。殼聚糖作為有機多糖的一大組成成分，具有優異的生物相容性、生物降解性、抗菌活性及止血特性，是一種天然的生物相容性高分子材料，并得到了廣泛的認可和應用。孫等人報道，過渡金屬離子如Ag+、CU2+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+、Pd2+已被證明可以與殼聚糖通過金屬超分子作用形成水凝膠(Moldable Supramolecular Hydrogels Cross-Linked by Ultrafast Complexat1n of Metal 1ns and B1polymers(金屬離子與生物大分子超快絡合制備多重刺激響應性可塑超分子水凝膠)，Angew.Chem.1nt.Ed.Engl.2015,54,7944.)。這種金屬超分子材料對pH和金屬離子等外界影響因素具有前所未見的響應性;然而，由孫等人提供的這種策略對于作為血紅蛋白的核心部分的Fe3+是不可行的。
[0003]由殼聚糖-鐵組成的這種金屬超分子配合物具有很好地應用前景，可以替代其他多糖鐵劑用作臨床補鐵藥物，因此制備出這樣的殼聚糖-鐵的金屬超分子結構顯得十分必要。可能是由于氫氧化鐵的溶度積常數(Ksp)導致鐵離子在較低的pH條件下就開始形成沉淀，從而擾亂金屬-超分子配位作用，導致該殼聚糖-鐵超分子材料無法形成。根據氫氧化鐵的Ksp，鐵離子在pH= 1.87是開始沉淀，遠遠低于鐵-殼聚糖金屬超分子作用所需的pH值，從而在孫等人提供的實驗方案下總是產生絮狀物而非理想中的類似其他金屬超分子作用下產生的水凝膠。
[0004]在此，本發明提出了一個突破鐵-殼聚糖超分子凝膠制備瓶頸的方案，旨在通過Fe3+與殼聚糖原位預絡合避免金屬-超分子作用過程中產生的絮狀沉淀。在引發Fe3+與殼聚糖超分子化學開始之前通過簡單地改變Fe3+，殼聚糖以及氫氧化鈉的加入順序，允許該金屬-超分子化學有效進行。通過醋酸溶解法使殼聚糖分子鏈的氨基部分質子化增強其水溶性以制備殼聚糖溶液，然后與鐵離子溶液共混形成鐵和殼聚糖的螯合物。在其螯合狀態的前提條件下可以自發地避免由于PH升高引起的沉淀，并修復金屬離子和殼聚糖之間的金屬超分子配位能力以更有效的方式形成超分子凝膠。隨后，加入NaOH去質子化后，Fe3+可以和鄰近基團如-NH2，-0H，-NH-C = O等進一步配位螯合形成交聯的聚合物水凝膠。該去質子化過程優先作用于殼聚糖分子鏈上，并伴隨著鐵離子與臨近集團的配位作用從而形成通過超分子絡合物。如文獻A Magnetic Study of an Fe-Chitosan Complex and Its Relevanceto Other B1molecules(鐵-殼聚糖配位化合物的磁性及其與其他生物大分子的相似性研究)，B1macromolecules ,2000，1,413-417所述，鐵離子可以與臨近集團以五或者六配位方式進行。這種金屬超分子水凝膠具有自愈合性能，并對PH有優異的響應性可以實現對鐵-殼聚糖配合物的可持續性釋放。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中存在不足，本發明提供了一種鐵-殼聚糖凝膠的制備方法，具體是通過Fe3+與殼聚糖通過原位預絡合從而避免金屬-超分子作用過程中產生氫氧化物以形成殼聚糖-鐵超分子水凝膠的制備方法。本發明制備的殼聚糖-鐵水凝膠具有自愈合性能和PH響應性，可以在胃部pH條件下緩釋鐵離子，并有望提高補鐵劑的作用效果。
[0006]本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的的:
[0007]—種鐵-殼聚糖凝膠的制備方法，所述方法是基于金屬-超分子作用的，包括如下步驟:
[0008]S1.殼聚糖溶液的配制:
[0009]將殼聚糖溶解于醋酸溶液中形成均一穩定且有一定粘度的殼聚糖溶液；
[0010]其中所述得到的殼聚糖溶液的質量濃度為I所述醋酸溶液的質量濃度為
[0011]S2.鐵-殼聚糖凝膠的制備:
[0012]將硝酸鐵水溶液預先與殼聚糖溶液共混形成穩定的鐵-殼聚糖配位化合物，隨后在劇烈震蕩下加入NaOH溶液，靜置24小時，讓其金屬超分子配位作用充分作用以獲得穩定均一的鐵-殼聚糖超分子凝膠;再加入NaOH溶液去質子化，氫氧根離子優先于氫離子反應，從而避免了鐵離子在該PH條件下生成沉淀，破壞鐵離子和殼聚糖之間的金屬-超分子作用；這里需要注意:加入NaOH溶液的時候一定要迅速并且劇烈震蕩以保證氫氧根離子與殼聚糖分子充分迅速混合。
[0013]其中，所述的硝酸鐵水溶液濃度為0.5?0.9mol/L;
[0014]所述的氫氧化鈉(NaOH)溶液的濃度為0.4?0.8mol/L。
[0015]所述硝酸鐵水溶液和殼聚糖溶液的體積比為1:8;
[0016]NaOH溶液的加入量和殼聚糖溶液的體積比為1-3:8。
[0017]該方案旨在引發Fe3+與殼聚糖超分子化學開始之前通過簡單地改變Fe3+，殼聚糖以及氫氧化鈉的加入順序，允許該金屬-超分子化學有效進行。一般而言，通過醋酸溶解法導致部分質子化的胺基團增強殼聚糖分子的可溶性以制備的殼聚糖溶液，利用殼聚糖與金屬離子之間的配位作用促進鐵-殼聚糖螯合物的形成。其螯合狀態的前提條件下，該螯合物的形成可以自發地避免Fe3+沉淀，并有效促進鐵離子和殼聚糖分子鏈之間的金屬超分子作用。隨后，加入NaOH去質子化后，Fe3+可以和鄰近基團如-NH2，-OH，-NH-C = O等進一步配位螯合形成交聯的聚合物水凝膠。
[0018]本發明的有益效果:
[0019](I)本發明采用的方法首次利用金屬-超分子作用成功制備出了完整的鐵-殼聚糖超分子凝膠，與傳統方法相比，制備過程簡單易行且避免使用生物毒害的戊二醛作為交聯劑，使得鐵-殼聚糖超分子凝膠具有更好地應用前景；
[0020](2)本發明采用的方法可以有效避免鐵離子在低pH條件下產生沉淀，有利于鐵離子與殼聚糖分子之間金屬-超分子作用的有序進行，這種方法對銅離子等也同樣可行；
[0021](3)本發明所述的鐵-殼聚糖超分子凝膠具有自愈合性能，能有效拓展其應用；
[0022](4)本發明所述的鐵-殼聚糖超分子凝膠具有pH響應性，可以在酸性條件下解離形成鐵-殼聚糖配位化合物；
[0023](5)本發明所述的本發明所述的鐵-殼聚糖超分子凝膠能夠在胃酸條件下可持續性釋放鐵-殼聚糖配合物，或許可以作為一種優良的補鐵劑，具有優異的生物應用前景。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明實施例1所述鐵-殼聚糖超分子凝膠的宏觀圖，其中，A為手術刀切割前的的宏觀圖$為通過手術刀切割后的宏觀圖。
[0025]圖2為本發明實施例1所述鐵-殼聚糖超分子凝膠制備的流程圖；其中A，B，C，D分別為殼聚糖(A)，溶解后的殼聚糖(B)，與鐵離子螯合后的殼聚糖(C)，和最終形成的鐵-殼聚糖超分子凝膠(D)的示意圖。
[0026]圖3為本發明實施例1所述鐵-殼聚糖超分子凝膠(CS-Fegel)、殼聚糖(CS)和鐵-殼聚糖配合物(CS-Fe)的XRD圖。
[0027]圖4為本發明實施例1所述鐵-殼聚糖超分子凝膠(C)、殼聚糖(a)和鐵-殼聚糖配合物(b)的Raman圖。
[0028]圖5為本發明實施例1所述鐵-殼聚糖超分子凝膠(C)、殼聚糖(a)和鐵-殼聚糖配合物(b)的FTIR圖。
[0029]圖6為本發明實施例1所述鐵-殼聚糖超分子凝膠的切割圖及其自愈合性能表視圖。
[0030]圖7為本發明實施例1所述鐵-殼聚糖超分子凝膠在模擬胃酸條件下緩釋鐵-殼聚糖配合物的效果圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護范圍并不限于此。
[0032]上述技術方案中所述的鐵-殼聚糖超分子凝膠自愈合性能和pH響應性實施方案具體為:
[0033](I)自愈合
[0034]取一個塊狀的鐵-殼聚糖超分子凝膠放置于培養皿上，隨后用手術刀將該超分子凝膠從中間切斷成兩塊并緊靠放在一起，24h后觀察其自愈合性能(以兩塊凝膠重新融合成一塊為佳)。
[0035](2)pH響應性行為研究:
[0036]將鐵-殼聚糖超分子凝膠用截留分子量為3000的透析袋裝好置于不同pH值的緩沖溶液中，每隔2h拍攝照片，觀察其在不同pH條件下的行為變化。
[0037]實施例1:
[0038]1、鐵-殼聚糖超分子凝膠的制備:
[0039](I)殼聚糖溶液的配制:
[0040]將Ig醋酸加水定容至lOOmL，隨后將Ig殼聚糖溶解于上述溶液中充分攪拌并靜置過夜待用。
[0041 ] (2)鐵-殼聚糖超分子凝膠的制備:
[0042]將10yL0.5M的硝酸鐵水溶液與