本發(fā)明涉及生物材料、組織工程和高分子材料領(lǐng)域，特別涉及一種高強(qiáng)度多功能凝膠及其制備方法。
背景技術(shù)：
生物醫(yī)學(xué)材料要適應(yīng)生物體復(fù)雜的環(huán)境，因此在生物相容性、力學(xué)強(qiáng)度等方面需要具有與天然材料相近的性能。水凝膠因具有與人體軟組織相似的結(jié)構(gòu)而成為其理想的替代材料，但長(zhǎng)久以來(lái)力學(xué)強(qiáng)度不足一直制約著其應(yīng)用。以關(guān)節(jié)軟骨為例，它在人體關(guān)節(jié)中不僅要承受較高的壓力，更要吸收來(lái)自外界的沖擊能，但是一旦關(guān)節(jié)軟骨受到損傷，以現(xiàn)今的醫(yī)學(xué)技術(shù)還無(wú)法使之修復(fù)。因此縮小高分子水凝膠與生物軟組織之間的性能差距，尋求與生物軟組織性能匹配的高分子水凝膠材料，提高水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)水凝膠在軟組織替代材料上的應(yīng)用，是目前高分子水凝膠研究的熱點(diǎn)之一。
水凝膠力學(xué)強(qiáng)度的影響因素包括聚合物含量、高聚物分子鏈的柔性、交聯(lián)濃度及交聯(lián)方式、網(wǎng)絡(luò)的均勻性等。一般聚合物含量較高能提高水凝膠力學(xué)強(qiáng)度，而聚合物含量低的水凝膠常表現(xiàn)出流體性質(zhì)；當(dāng)構(gòu)成水凝膠網(wǎng)絡(luò)的分子鏈為線(xiàn)性且呈中性時(shí)，凝膠網(wǎng)絡(luò)具有較高的延展性和更好的能量耗散，但導(dǎo)致凝膠力學(xué)強(qiáng)度降低；水凝膠可以通過(guò)化學(xué)交聯(lián)、物理交聯(lián)方式形成網(wǎng)絡(luò)，化學(xué)交聯(lián)水凝膠力學(xué)強(qiáng)度往往大于物理交聯(lián)水凝膠；無(wú)論是何種交聯(lián)方式，提高交聯(lián)度能在一定程度上提高水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度；在水凝膠網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)過(guò)程中常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不均一現(xiàn)象，當(dāng)受到外界作用力時(shí)，這種不均一性可使得凝膠內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致凝膠結(jié)構(gòu)被破壞。因此，通過(guò)分子設(shè)計(jì)，加強(qiáng)高分子水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的規(guī)整度、提高交聯(lián)結(jié)構(gòu)自由度及發(fā)揮高分子鏈的柔韌性，是提高水凝膠力學(xué)性能的有效設(shè)計(jì)策略。近年來(lái)對(duì)高強(qiáng)度水凝膠的研究已有較大的進(jìn)展，主要表現(xiàn)在以下幾種：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)凝膠(Topological gel，TP gel)、納米復(fù)合凝膠(Nanocomposite gel，NC gel)和雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠(Double Network gel，DN gel)，其中雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠具有與前兩者不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具備優(yōu)越的力學(xué)性能。
雙網(wǎng)絡(luò)凝膠概念最初由Gong提出，是指通過(guò)兩種不同結(jié)構(gòu)的親水性高聚物分步聚合并交聯(lián)，形成相互貫穿的均勻網(wǎng)絡(luò)。第一網(wǎng)絡(luò)由硬而脆的聚電解質(zhì)形成凝膠剛性骨架，第二網(wǎng)絡(luò)由軟而韌的中性聚合物形成，松散交聯(lián)的第二網(wǎng)絡(luò)通過(guò)自身結(jié)構(gòu)的變形和滑動(dòng)的分子鏈的物理纏結(jié)點(diǎn)，使局部應(yīng)力得到有效松弛，從而使水凝膠強(qiáng)度得到極大提高。該課題組制備的PAMPS/PAAm雙層網(wǎng)絡(luò)凝膠，該凝膠以帶負(fù)電荷的PAMPS(聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)水凝膠作為第一層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，中性的PAAm(聚丙烯酰胺)水凝膠作為第二層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。雖然PAMPS和PAAm均為傳統(tǒng)的化學(xué)交聯(lián)水凝膠，但雙層網(wǎng)絡(luò)凝膠的力學(xué)性能并不是2種水凝膠力學(xué)性能的簡(jiǎn)單加和，而是表現(xiàn)出協(xié)同作用。單軸壓縮實(shí)驗(yàn)表明PAMPS/PAAm凝膠抗壓強(qiáng)度為17.2MPa，破裂應(yīng)變?yōu)?2％，而PAMPS凝膠和PAAm凝膠的抗壓強(qiáng)度分別只有0.4和0.8MPa，破裂應(yīng)變分別為41％和84％。目前對(duì)雙網(wǎng)絡(luò)凝膠的而研究，已不僅僅停留在原來(lái)的通過(guò)犧牲共價(jià)鍵來(lái)達(dá)到能量耗散的方法。哈佛大學(xué)的Jeong-Yun Sun等以海藻酸鹽和丙烯酰胺為聚合單體，通過(guò)離子交聯(lián)和共價(jià)交聯(lián)，一步法制備出力學(xué)性能優(yōu)異的雙網(wǎng)絡(luò)凝膠，盡管該凝膠含水率高達(dá)90％，但其可以伸長(zhǎng)至原長(zhǎng)的20倍，斷裂能高達(dá)9000J/m2。
高強(qiáng)度凝膠的研究雖然取得一定進(jìn)展，但功能化的高強(qiáng)度凝膠并不多見(jiàn)，因此，本發(fā)明以具有溫度響應(yīng)性、pH響應(yīng)性、導(dǎo)電性的功能單體，采用離子鍵/共價(jià)鍵交聯(lián)，一鍋法制備高強(qiáng)度多功能凝膠，該凝膠具有良好的生物相容性和生物降解性，以及多功能響應(yīng)性，在生物醫(yī)藥、組織工程等方面存在廣闊應(yīng)用前景。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度多功能水凝膠，以克服傳統(tǒng)凝膠力學(xué)性能欠佳、功能單一甚至功能惰性，應(yīng)用范圍窄的缺陷。本發(fā)明綜合考慮離子交聯(lián)和共價(jià)交聯(lián)的特點(diǎn)，將具備不同功能的單體有機(jī)組合，通過(guò)調(diào)控不同交聯(lián)劑、不同反應(yīng)單體的比例等各種工藝條件、參數(shù)，獲得滿(mǎn)足不同需求的高強(qiáng)度凝膠。該凝膠具有優(yōu)良的力學(xué)強(qiáng)度、良好的生物相容性和生物降解性，并具有溫度響應(yīng)性、pH響應(yīng)性、導(dǎo)電性等多項(xiàng)功能。
本發(fā)明所提供高強(qiáng)度多功能凝膠通過(guò)以下技術(shù)方案制得：
(1)離子液體(ILs)的制備
將天然化合物氨基酸和膽堿，通過(guò)中和反應(yīng)，制備綠色離子液體。所述氨基酸為甘氨酸、絲氨酸、天冬氨酸、賴(lài)氨酸等氨基酸，膽堿為氫氧化膽堿。
(2)離子液體(ILs)的改性
通過(guò)丙烯酸(AAc)在N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)和1-乙基-3-(3-二甲胺丙基)碳二亞胺(EDC)作用下，將雙鍵引入步驟(1)所得離子液體，獲得具有聚合功能的乙烯基離子液體單體。所述各藥品用量為AAc∶ILs∶EDC∶NHS＝5mol∶5mol∶5mol∶1mol。
(3)功能化高強(qiáng)度凝膠的制備
將功能化單體、共價(jià)交聯(lián)劑、天然高分子、離子交聯(lián)劑按不同配比、不同制備工藝方法依次混合，一鍋法制備功能化高強(qiáng)度凝膠。所述功能單體為具有溫度響應(yīng)性的N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm)、具有pH響應(yīng)性的丙烯酸(AAc)和具有導(dǎo)電性的離子液體中的一種或幾種。所述天然高分子為海藻酸鈉。所述共價(jià)交聯(lián)劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAA)、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯中的任意一種。所述離子交聯(lián)劑為硫酸鈣、氯化鈣、碳酸鈣、磷酸鈣、乳酸鈣中任意一種。所述不同配比和不同制備工藝條件，以具體實(shí)施例為例。
與現(xiàn)有凝膠和制備方法相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)本發(fā)明所提供凝膠，將共價(jià)交聯(lián)和離子交聯(lián)的特色及優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，克服了傳統(tǒng)單一化學(xué)交聯(lián)凝膠網(wǎng)絡(luò)不均勻，力學(xué)性能差的缺點(diǎn)。
(2)本發(fā)明所提供凝膠，可通過(guò)可控調(diào)整單體配比，交聯(lián)劑用量，反應(yīng)溫度，加料順序等工藝方法和工藝參數(shù)，調(diào)控凝膠的力學(xué)性能、溫度響應(yīng)性、pH響應(yīng)性、導(dǎo)電性能，以滿(mǎn)足不用需要。
(3)本發(fā)明所提供制備方法，采用一鍋法，制備方法簡(jiǎn)單快捷，條件溫和，不需要大型設(shè)備，水相反應(yīng)綠色環(huán)保，在工業(yè)上具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
具體實(shí)施方案
實(shí)施例1.
(1)離子液體(ILs)的制備
將甘氨酸(Gly)和膽堿(Ch)按摩爾比為1.05∶1分別溶于5mL離子水，在3℃下以恒壓滴液漏斗將膽堿(Ch)溶液緩慢加入甘氨酸(Gly)溶液，磁力攪拌反應(yīng)48h；反應(yīng)結(jié)束后60℃下旋蒸除水，然后將過(guò)量乙醇倒入上述反應(yīng)體系，以除去未反應(yīng)的甘氨酸；在50℃下真空干燥反應(yīng)產(chǎn)物，以除去殘留的乙醇和水，得到純凈的膽堿-甘氨酸(Ch-Gly)離子液體。
(2)離子液體(ILs)的改性
將丙烯酸(AAc)溶于10ml蒸餾水，加入N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)和1-乙基-3-(3-二甲胺丙基)碳二亞胺(EDC)，室溫下磁力攪拌2h后，加入步驟(1)所得Ch-Gly離子液體繼續(xù)反應(yīng)24h，使各組分的摩爾比為AAc∶Ch-Gly∶EDC∶NHS＝5∶5∶5∶1；反應(yīng)結(jié)束后倒入過(guò)量乙醇靜置，待沉淀析出完全，離心分離，得到乙烯基膽堿-甘氨酸離子液體單體(Ch-Gly-AAc)。
(3)功能化高強(qiáng)度凝膠的制備
將NIPAAm、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質(zhì)量比為NIPAAm∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶1∶1，邊攪拌邊通氮?dú)獗Ｗo(hù)10min，然后加入化學(xué)交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+Ch-Gly-AAc)＝1wt％，繼續(xù)氮?dú)獗Ｗo(hù)反應(yīng)20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過(guò)硫酸鉀(KPS)水溶液、10wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)約20min，關(guān)閉氮?dú)?。將反?yīng)產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應(yīng)24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應(yīng)的單體。
實(shí)施例2.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實(shí)施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實(shí)施例1。
(3)功能化高強(qiáng)度凝膠的制備
將NIPAAm、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質(zhì)量比為NIPAAm∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝6∶3∶1，邊攪拌邊通氮?dú)獗Ｗo(hù)10min，然后加入化學(xué)交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+Ch-Gly-AAc)＝1wt％，繼續(xù)氮?dú)獗Ｗo(hù)反應(yīng)20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過(guò)硫酸鉀(KPS)水溶液、10wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)約20min，關(guān)閉氮?dú)狻⒎磻?yīng)產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應(yīng)24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應(yīng)的單體。
實(shí)施例3.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實(shí)施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實(shí)施例1。
(3)功能化高強(qiáng)度凝膠的制備
將NIPAAm、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質(zhì)量比為NIPAAm∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶1∶1，邊攪拌邊通氮?dú)獗Ｗo(hù)10min，然后加入化學(xué)交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續(xù)氮?dú)獗Ｗo(hù)反應(yīng)20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過(guò)硫酸鉀(KPS)水溶液、5wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)約20min，關(guān)閉氮?dú)?。將反?yīng)產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應(yīng)24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應(yīng)的單體。
實(shí)施例4.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實(shí)施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實(shí)施例1。
(3)功能化高強(qiáng)度凝膠的制備
將NIPAAm、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質(zhì)量比為NIPAAm∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝6∶3∶1，邊攪拌邊通氮?dú)獗Ｗo(hù)10min，然后加入化學(xué)交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續(xù)氮?dú)獗Ｗo(hù)反應(yīng)20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過(guò)硫酸鉀(KPS)水溶液、5wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)約20min，關(guān)閉氮?dú)狻⒎磻?yīng)產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應(yīng)24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應(yīng)的單體。
實(shí)施例5.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實(shí)施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實(shí)施例1。
(3)功能化高強(qiáng)度凝膠的制備
將AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質(zhì)量比為AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶1∶1，邊攪拌邊通氮?dú)獗Ｗo(hù)10min，然后加入化學(xué)交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(AAc+Ch-Gly-AAc)＝1wt％，繼續(xù)氮?dú)獗Ｗo(hù)反應(yīng)20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過(guò)硫酸鉀(KPS)水溶液、10wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)約20min，關(guān)閉氮?dú)狻⒎磻?yīng)產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應(yīng)24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應(yīng)的單體。
實(shí)施例6.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實(shí)施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實(shí)施例1。
(3)功能化高強(qiáng)度凝膠的制備
將AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質(zhì)量比為AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝6∶3∶1，邊攪拌邊通氮?dú)獗Ｗo(hù)10min，然后加入化學(xué)交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(AAc+Ch-Gly-AAc)＝1wt％，繼續(xù)氮?dú)獗Ｗo(hù)反應(yīng)20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過(guò)硫酸鉀(KPS)水溶液、10wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)約20min，關(guān)閉氮?dú)?。將反?yīng)產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應(yīng)24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應(yīng)的單體。
實(shí)施例7.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實(shí)施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實(shí)施例1。
(3)功能化高強(qiáng)度凝膠的制備
將AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質(zhì)量比為AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶1∶1，邊攪拌邊通氮?dú)獗Ｗo(hù)10min，然后加入化學(xué)交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(AAc+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續(xù)氮?dú)獗Ｗo(hù)反應(yīng)20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過(guò)硫酸鉀(KPS)水溶液、5wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)約20min，關(guān)閉氮?dú)狻⒎磻?yīng)產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應(yīng)24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應(yīng)的單體。
實(shí)施例8.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實(shí)施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實(shí)施例1。
(3)功能化高強(qiáng)度凝膠的制備
將AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質(zhì)量比為AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝6∶3∶1，邊攪拌邊通氮?dú)獗Ｗo(hù)10min，然后加入化學(xué)交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(AAc+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續(xù)氮?dú)獗Ｗo(hù)反應(yīng)20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過(guò)硫酸鉀(KPS)水溶液、5wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)約20min，關(guān)閉氮?dú)狻⒎磻?yīng)產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應(yīng)24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應(yīng)的單體。
實(shí)施例9.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實(shí)施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實(shí)施例1。
(3)功能化高強(qiáng)度凝膠的制備
將NIPAAm、AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質(zhì)量比為NIPAAm∶AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶3∶2∶2，邊攪拌邊通氮?dú)獗Ｗo(hù)10min，然后加入化學(xué)交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+AAc+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續(xù)氮?dú)獗Ｗo(hù)反應(yīng)20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過(guò)硫酸鉀(KPS)水溶液、20wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)約20min，關(guān)閉氮?dú)狻⒎磻?yīng)產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應(yīng)24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應(yīng)的單體。
實(shí)施例10.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實(shí)施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實(shí)施例1。
(3)功能化高強(qiáng)度凝膠的制備
將NIPAAm、AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質(zhì)量比為NIPAAm∶AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝4∶4∶1∶1，邊攪拌邊通氮?dú)獗Ｗo(hù)10min，然后加入化學(xué)交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+AAc+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續(xù)氮?dú)獗Ｗo(hù)反應(yīng)20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過(guò)硫酸鉀(KPS)水溶液、20wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)約20min，關(guān)閉氮?dú)?。將反?yīng)產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應(yīng)24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應(yīng)的單體。