[发明专利]一种微生物发酵超多孔水凝胶及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及微生物、智能高分子材料、生物医用和环境保护领域，具体涉及一种微生物发酵超多孔水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

水凝胶(hydrogels)是一种亲水性但不溶于水的高分子聚合物，在水中可迅速溶胀至一平衡体积而仍能保持其形状和三维空间网络结构，是一类集吸水、保水、缓释于一体并且发展迅速的功能高分子材料，因其独特的吸水、保水和仿生特性，水凝胶被广泛应用于工业、农业、医药和生物工程材料领域。传统水凝胶的溶胀和退溶胀时间可从几秒到数小时甚至数日，在凝胶中引入多孔结构，即制备超多孔水凝胶，可有效提高水凝胶的响应速率。超多孔水凝胶含有多个直径为微米至毫米范围的孔，这些孔互相连接，从而使吸收的溶剂自由移动通过通道(毛细管)，因而，其溶胀速率、退溶胀速率和保水率都远高于传统凝胶。

超多孔水凝胶的制备按照成孔机理可分为冷冻干燥法、相分离法、模板法、生孔剂法和发泡法。其中，乳液模板法中溶剂易残留，同时可能会造成环境问题；生孔剂法需要较长的制备时间，且生孔剂不易完全除去等。而发泡法是利用某些化学物质与酸作用或高温下分解产生气体的特性，从而在聚合过程中形成气泡，气泡膨胀后在聚合物中留下孔洞，而获得多孔结构聚合物。Chen等(J.Biomed.Mater.Res.，1999，44：53)以碳酸氢钠/酸为发泡体系制备系列乙烯基聚合物多孔水凝胶，最大孔径达到300μm，远大于微孔(10-100μm)和大孔(100nm-10μm)水凝胶。中国专利CN1253147C公开了一种超多孔水凝胶复合物，其制备方法及其在药剂学中的应用，其核心特征在于加入了起泡剂--碳酸氢钠(NaHCO3)。中国专利CN101588790A公开了一种改性的超多孔水凝胶(SPHs)和它们的形成方法，主要通过仔细地选择疏水/亲水反应活性成分和通过协调发泡和聚合反应进行制备。中国专利CN1264321A公开了一种具有快速溶胀、高机械强度和超吸收特性的水凝胶复合物和超多孔水凝胶复合物，其特征是在一种崩散剂和一种起泡剂(NaHCO3)的存在下，通过把一种或多种不饱和烯单体和一种多烯交联剂聚合，形成超多孔水凝胶复合物，所得超多孔水凝胶复合物的平均孔径在10μm到3000μm的范围内。

由上观之，发泡法制备的多孔凝胶多加入生孔剂及发泡剂等化学制剂，这同样对环境造成一定危害，而且步骤繁琐，大规模生产受限。若利用微生物中的发酵技术则可克服此类问题。1857年，法国化学家、微生物家巴斯德提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果”。微生物具有五大共同特点，即体积小，比表面积大；吸收多，转化快；生长旺，繁殖速；适应强，易变异；种类多，分布广。真核微生物包括真菌(酵母菌、霉菌、黏菌)、单细胞藻类和原生动物。酵母菌是以单细胞、芽殖为主的一类低等真菌的统称。酵母菌是人类认识和利用最早的一类真核微生物，早在4000年前，古埃及人已经开始利用酵母菌酿酒与制作面包。中国也从很早就有了利用酵母菌发酵的记录。大多数酵母菌为单细胞，细胞形态多样，主要为球形、卵圆形或圆柱形，也有特殊形态，如柠檬形、瓶形或三角形等。

本发明综合考虑了微生物发酵技术、高分子水凝胶的软湿特性和多孔凝胶的高吸附性，将酵母菌和凝胶相互结合，一方面实现了微生物和高分子的有机融合，另一方面则可实现多孔凝胶制备工艺的无毒无害化、生产高效化，以及生产规模化，并应用于染料吸附和作为药物载体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微生物发酵超多孔水凝胶及其制备方法和应用，制备过程无溶剂排放、反应设备简单、反应时间短、操作便捷，是一种节能、无污染且低成本的多孔材料制备工艺，所得超多孔水凝胶可用于染料吸附、重金属离子富集回收、药物载体和生物医学支架材料领域。

为实现上述目的，本发明提供了一种微生物发酵超多孔水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

1)凝胶预聚液的配制：将单体和交联剂依次加入去离子水中，搅拌15～35min，至全部溶解，即得凝胶预聚液；

2)酵母的复水活化：在25～32℃下将酵母溶解于去离子水中，保鲜膜密封，搅拌20～40min，加入活化剂继续搅拌5～20min，即得活性酵母菌溶液；

3)超多孔凝胶的制备：将活性酵母菌溶液加入至25～32℃的凝胶预聚液中，密封条件下搅拌15～35min，依次加入引发剂和催化剂，5min后将混合溶液缓慢倒入内直径为4～8cm的表面皿中，反应3～8h；