[發明專利]一種微生物發酵超多孔水凝膠及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201210228636.2
• 申請日: 2012-07-04
• 公開（公告）號: CN102702559A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 張青松;張婷婷;陳怡婷;陳莉;閆明洋;陳冰潔
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: C08J9/08
• 分類號: C08J9/08;C08J3/075;C08F220/56;C08F222/38;C08F220/54;C08F220/60;C08F222/14;C08F220/28;C08F220/06
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技術領域

本發明涉及微生物、智能高分子材料、生物醫用和環境保護領域，具體涉及一種微生物發酵超多孔水凝膠及其制備方法和應用。

背景技術

水凝膠(hydrogels)是一種親水性但不溶于水的高分子聚合物，在水中可迅速溶脹至一平衡體積而仍能保持其形狀和三維空間網絡結構，是一類集吸水、保水、緩釋于一體并且發展迅速的功能高分子材料，因其獨特的吸水、保水和仿生特性，水凝膠被廣泛應用于工業、農業、醫藥和生物工程材料領域。傳統水凝膠的溶脹和退溶脹時間可從幾秒到數小時甚至數日，在凝膠中引入多孔結構，即制備超多孔水凝膠，可有效提高水凝膠的響應速率。超多孔水凝膠含有多個直徑為微米至毫米范圍的孔，這些孔互相連接，從而使吸收的溶劑自由移動通過通道(毛細管)，因而，其溶脹速率、退溶脹速率和保水率都遠高于傳統凝膠。

超多孔水凝膠的制備按照成孔機理可分為冷凍干燥法、相分離法、模板法、生孔劑法和發泡法。其中，乳液模板法中溶劑易殘留，同時可能會造成環境問題；生孔劑法需要較長的制備時間，且生孔劑不易完全除去等。而發泡法是利用某些化學物質與酸作用或高溫下分解產生氣體的特性，從而在聚合過程中形成氣泡，氣泡膨脹后在聚合物中留下孔洞，而獲得多孔結構聚合物。Chen等(J.Biomed.Mater.Res.，1999，44：53)以碳酸氫鈉/酸為發泡體系制備系列乙烯基聚合物多孔水凝膠，最大孔徑達到300μm，遠大于微孔(10-100μm)和大孔(100nm-10μm)水凝膠。中國專利CN1253147C公開了一種超多孔水凝膠復合物，其制備方法及其在藥劑學中的應用，其核心特征在于加入了起泡劑--碳酸氫鈉(NaHCO3)。中國專利CN101588790A公開了一種改性的超多孔水凝膠(SPHs)和它們的形成方法，主要通過仔細地選擇疏水/親水反應活性成分和通過協調發泡和聚合反應進行制備。中國專利CN1264321A公開了一種具有快速溶脹、高機械強度和超吸收特性的水凝膠復合物和超多孔水凝膠復合物，其特征是在一種崩散劑和一種起泡劑(NaHCO3)的存在下，通過把一種或多種不飽和烯單體和一種多烯交聯劑聚合，形成超多孔水凝膠復合物，所得超多孔水凝膠復合物的平均孔徑在10μm到3000μm的范圍內。

由上觀之，發泡法制備的多孔凝膠多加入生孔劑及發泡劑等化學制劑，這同樣對環境造成一定危害，而且步驟繁瑣，大規模生產受限。若利用微生物中的發酵技術則可克服此類問題。1857年，法國化學家、微生物家巴斯德提出了著名的發酵理論：“一切發酵過程都是微生物作用的結果”。微生物具有五大共同特點，即體積小，比表面積大；吸收多，轉化快；生長旺，繁殖速；適應強，易變異；種類多，分布廣。真核微生物包括真菌(酵母菌、霉菌、黏菌)、單細胞藻類和原生動物。酵母菌是以單細胞、芽殖為主的一類低等真菌的統稱。酵母菌是人類認識和利用最早的一類真核微生物，早在4000年前，古埃及人已經開始利用酵母菌釀酒與制作面包。中國也從很早就有了利用酵母菌發酵的記錄。大多數酵母菌為單細胞，細胞形態多樣，主要為球形、卵圓形或圓柱形，也有特殊形態，如檸檬形、瓶形或三角形等。

本發明綜合考慮了微生物發酵技術、高分子水凝膠的軟濕特性和多孔凝膠的高吸附性，將酵母菌和凝膠相互結合，一方面實現了微生物和高分子的有機融合，另一方面則可實現多孔凝膠制備工藝的無毒無害化、生產高效化，以及生產規模化，并應用于染料吸附和作為藥物載體。

發明內容

本發明的目的在于提供一種微生物發酵超多孔水凝膠及其制備方法和應用，制備過程無溶劑排放、反應設備簡單、反應時間短、操作便捷，是一種節能、無污染且低成本的多孔材料制備工藝，所得超多孔水凝膠可用于染料吸附、重金屬離子富集回收、藥物載體和生物醫學支架材料領域。

為實現上述目的，本發明提供了一種微生物發酵超多孔水凝膠的制備方法，包括如下步驟：

1)凝膠預聚液的配制：將單體和交聯劑依次加入去離子水中，攪拌15～35min，至全部溶解，即得凝膠預聚液；

2)酵母的復水活化：在25～32℃下將酵母溶解于去離子水中，保鮮膜密封，攪拌20～40min，加入活化劑繼續攪拌5～20min，即得活性酵母菌溶液；

3)超多孔凝膠的制備：將活性酵母菌溶液加入至25～32℃的凝膠預聚液中，密封條件下攪拌15～35min，依次加入引發劑和催化劑，5min后將混合溶液緩慢倒入內直徑為4～8cm的表面皿中，反應3～8h；