一种铁-壳聚糖金属超分子凝胶的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物功能材料制备领域，涉及一种铁-壳聚糖金属超分子凝胶的制备方法，尤其涉及一种利用铁离子与壳聚糖的金属-超分子作用形成铁-壳聚糖凝胶的制备方法。
【背景技术】
[0002]金属-超分子化学是基于金属配体的一种非共价键相互作用，其普遍存在于自然界生物体中来建立复杂的分子结构和参与许多天然材料的自组装。这种独特的动态可逆的非共价键作用赋予金属超分子材料优异的结构复杂性，先进的功能性和在分子和无机水平上扩展的集成应用性。壳聚糖作为有机多糖的一大组成成分，具有优异的生物相容性、生物降解性、抗菌活性及止血特性，是一种天然的生物相容性高分子材料，并得到了广泛的认可和应用。孙等人报道，过渡金属离子如Ag+、CU2+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+、Pd2+已被证明可以与壳聚糖通过金属超分子作用形成水凝胶(Moldable Supramolecular Hydrogels Cross-Linked by Ultrafast Complexat1n of Metal 1ns and B1polymers(金属离子与生物大分子超快络合制备多重刺激响应性可塑超分子水凝胶)，Angew.Chem.1nt.Ed.Engl.2015,54,7944.)。这种金属超分子材料对pH和金属离子等外界影响因素具有前所未见的响应性;然而，由孙等人提供的这种策略对于作为血红蛋白的核心部分的Fe3+是不可行的。
[0003]由壳聚糖-铁组成的这种金属超分子配合物具有很好地应用前景，可以替代其他多糖铁剂用作临床补铁药物，因此制备出这样的壳聚糖-铁的金属超分子结构显得十分必要。可能是由于氢氧化铁的溶度积常数(Ksp)导致铁离子在较低的pH条件下就开始形成沉淀，从而扰乱金属-超分子配位作用，导致该壳聚糖-铁超分子材料无法形成。根据氢氧化铁的Ksp，铁离子在pH= 1.87是开始沉淀，远远低于铁-壳聚糖金属超分子作用所需的pH值，从而在孙等人提供的实验方案下总是产生絮状物而非理想中的类似其他金属超分子作用下产生的水凝胶。
[0004]在此，本发明提出了一个突破铁-壳聚糖超分子凝胶制备瓶颈的方案，旨在通过Fe3+与壳聚糖原位预络合避免金属-超分子作用过程中产生的絮状沉淀。在引发Fe3+与壳聚糖超分子化学开始之前通过简单地改变Fe3+，壳聚糖以及氢氧化钠的加入顺序，允许该金属-超分子化学有效进行。通过醋酸溶解法使壳聚糖分子链的氨基部分质子化增强其水溶性以制备壳聚糖溶液，然后与铁离子溶液共混形成铁和壳聚糖的螯合物。在其螯合状态的前提条件下可以自发地避免由于PH升高引起的沉淀，并修复金属离子和壳聚糖之间的金属超分子配位能力以更有效的方式形成超分子凝胶。随后，加入NaOH去质子化后，Fe3+可以和邻近基团如-NH2，-0H，-NH-C = O等进一步配位螯合形成交联的聚合物水凝胶。该去质子化过程优先作用于壳聚糖分子链上，并伴随着铁离子与临近集团的配位作用从而形成通过超分子络合物。如文献A Magnetic Study of an Fe-Chitosan Complex and Its Relevanceto Other B1molecules(铁-壳聚糖配位化合物的磁性及其与其他生物大分子的相似性研究)，B1macromolecules ,2000，1,413-417所述，铁离子可以与临近集团以五或者六配位方式进行。这种金属超分子水凝胶具有自愈合性能，并对PH有优异的响应性可以实现对铁-壳聚糖配合物的可持续性释放。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种铁-壳聚糖凝胶的制备方法，具体是通过Fe3+与壳聚糖通过原位预络合从而避免金属-超分子作用过程中产生氢氧化物以形成壳聚糖-铁超分子水凝胶的制备方法。本发明制备的壳聚糖-铁水凝胶具有自愈合性能和PH响应性，可以在胃部pH条件下缓释铁离子，并有望提高补铁剂的作用效果。
[0006]本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的:
[0007]—种铁-壳聚糖凝胶的制备方法，所述方法是基于金属-超分子作用的，包括如下步骤:
[0008]S1.壳聚糖溶液的配制:
[0009]将壳聚糖溶解于醋酸溶液中形成均一稳定且有一定粘度的壳聚糖溶液；
[0010]其中所述得到的壳聚糖溶液的质量浓度为I所述醋酸溶液的质量浓度为
[0011]S2.铁-壳聚糖凝胶的制备:
[0012]将硝酸铁水溶液预先与壳聚糖溶液共混形成稳定的铁-壳聚糖配位化合物，随后在剧烈震荡下加入NaOH溶液，静置24小时，让其金属超分子配位作用充分作用以获得稳定均一的铁-壳聚糖超分子凝胶;再加入NaOH溶液去质子化，氢氧根离子优先于氢离子反应，从而避免了铁离子在该PH条件下生成沉淀，破坏铁离子和壳聚糖之间的金属-超分子作用；这里需要注意:加入NaOH溶液的时候一定要迅速并且剧烈震荡以保证氢氧根离子与壳聚糖分子充分迅速混合。
[0013]其中，所述的硝酸铁水溶液浓度为0.5?0.9mol/L;
[0014]所述的氢氧化钠(NaOH)溶液的浓度为0.4?0.8mol/L。
[0015]所述硝酸铁水溶液和壳聚糖溶液的体积比为1:8;
[0016]NaOH溶液的加入量和壳聚糖溶液的体积比为1-3:8。
[0017]该方案旨在引发Fe3+与壳聚糖超分子化学开始之前通过简单地改变Fe3+，壳聚糖以及氢氧化钠的加入顺序，允许该金属-超分子化学有效进行。一般而言，通过醋酸溶解法导致部分质子化的胺基团增强壳聚糖分子的可溶性以制备的壳聚糖溶液，利用壳聚糖与金属离子之间的配位作用促进铁-壳聚糖螯合物的形成。其螯合状态的前提条件下，该螯合物的形成可以自发地避免Fe3+沉淀，并有效促进铁离子和壳聚糖分子链之间的金属超分子作用。随后，加入NaOH去质子化后，Fe3+可以和邻近基团如-NH2，-OH，-NH-C = O等进一步配位螯合形成交联的聚合物水凝胶。
[0018]本发明的有益效果:
[0019](I)本发明采用的方法首次利用金属-超分子作用成功制备出了完整的铁-壳聚糖超分子凝胶，与传统方法相比，制备过程简单易行且避免使用生物毒害的戊二醛作为交联剂，使得铁-壳聚糖超分子凝胶具有更好地应用前景；
[0020](2)本发明采用的方法可以有效避免铁离子在低pH条件下产生沉淀，有利于铁离子与壳聚糖分子之间金属-超分子作用的有序进行，这种方法对铜离子等也同样可行；
[0021](3)本发明所述的铁-壳聚糖超分子凝胶具有自愈合性能，能有效拓展其应用；
[0022](4)本发明所述的铁-壳聚糖超分子凝胶具有pH响应性，可以在酸性条件下解离形成铁-壳聚糖配位化合物；
[0023](5)本发明所述的本发明所述的铁-壳聚糖超分子凝胶能够在胃酸条件下可持续性释放铁-壳聚糖配合物，或许可以作为一种优良的补铁剂，具有优异的生物应用前景。
【附图说明】
[0024]图1为本发明实施例1所述铁-壳聚糖超分子凝胶的宏观图，其中，A为手术刀切割前的的宏观图$为通过手术刀切割后的宏观图。
[0025]图2为本发明实施例1所述铁-壳聚糖超分子凝胶制备的流程图；其中A，B，C，D分别为壳聚糖(A)，溶解后的壳聚糖(B)，与铁离子螯合后的壳聚糖(C)，和最终形成的铁-壳聚糖超分子凝胶(D)的示意图。
[0026]图3为本发明实施例1所述铁-壳聚糖超分子凝胶(CS-Fegel)、壳聚糖(CS)和铁-壳聚糖配合物(CS-Fe)的XRD图。
[0027]图4为本发明实施例1所述铁-壳聚糖超分子凝胶(C)、壳聚糖(a)和铁-壳聚糖配合物(b)的Raman图。
[0028]图5为本发明实施例1所述铁-壳聚糖超分子凝胶(C)、壳聚糖(a)和铁-壳聚糖配合物(b)的FTIR图。
[0029]图6为本发明实施例1所述铁-壳聚糖超分子凝胶的切割图及其自愈合性能表视图。
[0030]图7为本发明实施例1所述铁-壳聚糖超分子凝胶在模拟胃酸条件下缓释铁-壳聚糖配合物的效果图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0032]上述技术方案中所述的铁-壳聚糖超分子凝胶自愈合性能和pH响应性实施方案具体为:
[0033](I)自愈合
[0034]取一个块状的铁-壳聚糖超分子凝胶放置于培养皿上，随后用手术刀将该超分子凝胶从中间切断成两块并紧靠放在一起，24h后观察其自愈合性能(以两块凝胶重新融合成一块为佳)。
[0035](2)pH响应性行为研究:
[0036]将铁-壳聚糖超分子凝胶用截留分子量为3000的透析袋装好置于不同pH值的缓冲溶液中，每隔2h拍摄照片，观察其在不同pH条件下的行为变化。
[0037]实施例1:
[0038]1、铁-壳聚糖超分子凝胶的制备:
[0039](I)壳聚糖溶液的配制:
[0040]将Ig醋酸加水定容至lOOmL，随后将Ig壳聚糖溶解于上述溶液中充分搅拌并静置过夜待用。
[0041 ] (2)铁-壳聚糖超分子凝胶的制备:
[0042]将10yL0.5M的硝酸铁水溶液与