本发明涉及生物材料、组织工程和高分子材料领域，特别涉及一种高强度多功能凝胶及其制备方法。
背景技术：
生物医学材料要适应生物体复杂的环境，因此在生物相容性、力学强度等方面需要具有与天然材料相近的性能。水凝胶因具有与人体软组织相似的结构而成为其理想的替代材料，但长久以来力学强度不足一直制约着其应用。以关节软骨为例，它在人体关节中不仅要承受较高的压力，更要吸收来自外界的冲击能，但是一旦关节软骨受到损伤，以现今的医学技术还无法使之修复。因此缩小高分子水凝胶与生物软组织之间的性能差距，寻求与生物软组织性能匹配的高分子水凝胶材料，提高水凝胶的力学强度，实现水凝胶在软组织替代材料上的应用，是目前高分子水凝胶研究的热点之一。
水凝胶力学强度的影响因素包括聚合物含量、高聚物分子链的柔性、交联浓度及交联方式、网络的均匀性等。一般聚合物含量较高能提高水凝胶力学强度，而聚合物含量低的水凝胶常表现出流体性质；当构成水凝胶网络的分子链为线性且呈中性时，凝胶网络具有较高的延展性和更好的能量耗散，但导致凝胶力学强度降低；水凝胶可以通过化学交联、物理交联方式形成网络，化学交联水凝胶力学强度往往大于物理交联水凝胶；无论是何种交联方式，提高交联度能在一定程度上提高水凝胶的力学强度；在水凝胶网络的交联过程中常出现结构不均一现象，当受到外界作用力时，这种不均一性可使得凝胶内部出现应力集中，导致凝胶结构被破坏。因此，通过分子设计，加强高分子水凝胶网络结构的规整度、提高交联结构自由度及发挥高分子链的柔韧性，是提高水凝胶力学性能的有效设计策略。近年来对高强度水凝胶的研究已有较大的进展，主要表现在以下几种：拓扑结构凝胶(Topological gel，TP gel)、纳米复合凝胶(Nanocomposite gel，NC gel)和双网络水凝胶(Double Network gel，DN gel)，其中双网络水凝胶具有与前两者不同的网络结构，独特的结构使其具备优越的力学性能。
双网络凝胶概念最初由Gong提出，是指通过两种不同结构的亲水性高聚物分步聚合并交联，形成相互贯穿的均匀网络。第一网络由硬而脆的聚电解质形成凝胶刚性骨架，第二网络由软而韧的中性聚合物形成，松散交联的第二网络通过自身结构的变形和滑动的分子链的物理缠结点，使局部应力得到有效松弛，从而使水凝胶强度得到极大提高。该课题组制备的PAMPS/PAAm双层网络凝胶，该凝胶以带负电荷的PAMPS(聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)水凝胶作为第一层网络结构，中性的PAAm(聚丙烯酰胺)水凝胶作为第二层网络结构。虽然PAMPS和PAAm均为传统的化学交联水凝胶，但双层网络凝胶的力学性能并不是2种水凝胶力学性能的简单加和，而是表现出协同作用。单轴压缩实验表明PAMPS/PAAm凝胶抗压强度为17.2MPa，破裂应变为92％，而PAMPS凝胶和PAAm凝胶的抗压强度分别只有0.4和0.8MPa，破裂应变分别为41％和84％。目前对双网络凝胶的而研究，已不仅仅停留在原来的通过牺牲共价键来达到能量耗散的方法。哈佛大学的Jeong-Yun Sun等以海藻酸盐和丙烯酰胺为聚合单体，通过离子交联和共价交联，一步法制备出力学性能优异的双网络凝胶，尽管该凝胶含水率高达90％，但其可以伸长至原长的20倍，断裂能高达9000J/m2。
高强度凝胶的研究虽然取得一定进展，但功能化的高强度凝胶并不多见，因此，本发明以具有温度响应性、pH响应性、导电性的功能单体，采用离子键/共价键交联，一锅法制备高强度多功能凝胶，该凝胶具有良好的生物相容性和生物降解性，以及多功能响应性，在生物医药、组织工程等方面存在广阔应用前景。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高强度多功能水凝胶，以克服传统凝胶力学性能欠佳、功能单一甚至功能惰性，应用范围窄的缺陷。本发明综合考虑离子交联和共价交联的特点，将具备不同功能的单体有机组合，通过调控不同交联剂、不同反应单体的比例等各种工艺条件、参数，获得满足不同需求的高强度凝胶。该凝胶具有优良的力学强度、良好的生物相容性和生物降解性，并具有温度响应性、pH响应性、导电性等多项功能。
本发明所提供高强度多功能凝胶通过以下技术方案制得：
(1)离子液体(ILs)的制备
将天然化合物氨基酸和胆碱，通过中和反应，制备绿色离子液体。所述氨基酸为甘氨酸、丝氨酸、天冬氨酸、赖氨酸等氨基酸，胆碱为氢氧化胆碱。
(2)离子液体(ILs)的改性
通过丙烯酸(AAc)在N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)和1-乙基-3-(3-二甲胺丙基)碳二亚胺(EDC)作用下，将双键引入步骤(1)所得离子液体，获得具有聚合功能的乙烯基离子液体单体。所述各药品用量为AAc∶ILs∶EDC∶NHS＝5mol∶5mol∶5mol∶1mol。
(3)功能化高强度凝胶的制备
将功能化单体、共价交联剂、天然高分子、离子交联剂按不同配比、不同制备工艺方法依次混合，一锅法制备功能化高强度凝胶。所述功能单体为具有温度响应性的N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)、具有pH响应性的丙烯酸(AAc)和具有导电性的离子液体中的一种或几种。所述天然高分子为海藻酸钠。所述共价交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯中的任意一种。所述离子交联剂为硫酸钙、氯化钙、碳酸钙、磷酸钙、乳酸钙中任意一种。所述不同配比和不同制备工艺条件，以具体实施例为例。
与现有凝胶和制备方法相比，本发明有如下优点：
(1)本发明所提供凝胶，将共价交联和离子交联的特色及优点进行了有机结合，克服了传统单一化学交联凝胶网络不均匀，力学性能差的缺点。
(2)本发明所提供凝胶，可通过可控调整单体配比，交联剂用量，反应温度，加料顺序等工艺方法和工艺参数，调控凝胶的力学性能、温度响应性、pH响应性、导电性能，以满足不用需要。
(3)本发明所提供制备方法，采用一锅法，制备方法简单快捷，条件温和，不需要大型设备，水相反应绿色环保，在工业上具有较高的实际应用价值。
具体实施方案
实施例1.
(1)离子液体(ILs)的制备
将甘氨酸(Gly)和胆碱(Ch)按摩尔比为1.05∶1分别溶于5mL离子水，在3℃下以恒压滴液漏斗将胆碱(Ch)溶液缓慢加入甘氨酸(Gly)溶液，磁力搅拌反应48h；反应结束后60℃下旋蒸除水，然后将过量乙醇倒入上述反应体系，以除去未反应的甘氨酸；在50℃下真空干燥反应产物，以除去残留的乙醇和水，得到纯净的胆碱-甘氨酸(Ch-Gly)离子液体。
(2)离子液体(ILs)的改性
将丙烯酸(AAc)溶于10ml蒸馏水，加入N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)和1-乙基-3-(3-二甲胺丙基)碳二亚胺(EDC)，室温下磁力搅拌2h后，加入步骤(1)所得Ch-Gly离子液体继续反应24h，使各组分的摩尔比为AAc∶Ch-Gly∶EDC∶NHS＝5∶5∶5∶1；反应结束后倒入过量乙醇静置，待沉淀析出完全，离心分离，得到乙烯基胆碱-甘氨酸离子液体单体(Ch-Gly-AAc)。
(3)功能化高强度凝胶的制备
将NIPAAm、Ch-Gly-AAc、海藻酸钠(Alg)溶于去离子水，固含量为10％，三者质量比为NIPAAm∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶1∶1，边搅拌边通氮气保护10min，然后加入化学交联剂MBAA，MBAA/(NIPAAm+Ch-Gly-AAc)＝1wt％，继续氮气保护反应20min后，加入引发剂0.1wt％过硫酸钾(KPS)水溶液、10wt％离子交联剂CaSO4水溶液，氮气保护下反应约20min，关闭氮气。将反应产物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室温下反应24h得凝胶产物，将所得凝胶以去离子水浸泡洗涤，除去未反应的单体。
实施例2.
(1)离子液体(ILs)的制备：同实施例1。
(2)离子液体(ILs)的改性：同实施例1。
(3)功能化高强度凝胶的制备
将NIPAAm、Ch-Gly-AAc、海藻酸钠(Alg)溶于去离子水，固含量为10％，三者质量比为NIPAAm∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝6∶3∶1，边搅拌边通氮气保护10min，然后加入化学交联剂MBAA，MBAA/(NIPAAm+Ch-Gly-AAc)＝1wt％，继续氮气保护反应20min后，加入引发剂0.1wt％过硫酸钾(KPS)水溶液、10wt％离子交联剂CaSO4水溶液，氮气保护下反应约20min，关闭氮气。将反应产物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室温下反应24h得凝胶产物，将所得凝胶以去离子水浸泡洗涤，除去未反应的单体。
实施例3.
(1)离子液体(ILs)的制备：同实施例1。
(2)离子液体(ILs)的改性：同实施例1。
(3)功能化高强度凝胶的制备
将NIPAAm、Ch-Gly-AAc、海藻酸钠(Alg)溶于去离子水，固含量为10％，三者质量比为NIPAAm∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶1∶1，边搅拌边通氮气保护10min，然后加入化学交联剂MBAA，MBAA/(NIPAAm+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，继续氮气保护反应20min后，加入引发剂0.1wt％过硫酸钾(KPS)水溶液、5wt％离子交联剂CaSO4水溶液，氮气保护下反应约20min，关闭氮气。将反应产物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室温下反应24h得凝胶产物，将所得凝胶以去离子水浸泡洗涤，除去未反应的单体。
实施例4.
(1)离子液体(ILs)的制备：同实施例1。
(2)离子液体(ILs)的改性：同实施例1。
(3)功能化高强度凝胶的制备
将NIPAAm、Ch-Gly-AAc、海藻酸钠(Alg)溶于去离子水，固含量为10％，三者质量比为NIPAAm∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝6∶3∶1，边搅拌边通氮气保护10min，然后加入化学交联剂MBAA，MBAA/(NIPAAm+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，继续氮气保护反应20min后，加入引发剂0.1wt％过硫酸钾(KPS)水溶液、5wt％离子交联剂CaSO4水溶液，氮气保护下反应约20min，关闭氮气。将反应产物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室温下反应24h得凝胶产物，将所得凝胶以去离子水浸泡洗涤，除去未反应的单体。
实施例5.
(1)离子液体(ILs)的制备：同实施例1。
(2)离子液体(ILs)的改性：同实施例1。
(3)功能化高强度凝胶的制备
将AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸钠(Alg)溶于去离子水，固含量为10％，三者质量比为AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶1∶1，边搅拌边通氮气保护10min，然后加入化学交联剂MBAA，MBAA/(AAc+Ch-Gly-AAc)＝1wt％，继续氮气保护反应20min后，加入引发剂0.1wt％过硫酸钾(KPS)水溶液、10wt％离子交联剂CaSO4水溶液，氮气保护下反应约20min，关闭氮气。将反应产物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室温下反应24h得凝胶产物，将所得凝胶以去离子水浸泡洗涤，除去未反应的单体。
实施例6.
(1)离子液体(ILs)的制备：同实施例1。
(2)离子液体(ILs)的改性：同实施例1。
(3)功能化高强度凝胶的制备
将AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸钠(Alg)溶于去离子水，固含量为10％，三者质量比为AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝6∶3∶1，边搅拌边通氮气保护10min，然后加入化学交联剂MBAA，MBAA/(AAc+Ch-Gly-AAc)＝1wt％，继续氮气保护反应20min后，加入引发剂0.1wt％过硫酸钾(KPS)水溶液、10wt％离子交联剂CaSO4水溶液，氮气保护下反应约20min，关闭氮气。将反应产物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室温下反应24h得凝胶产物，将所得凝胶以去离子水浸泡洗涤，除去未反应的单体。
实施例7.
(1)离子液体(ILs)的制备：同实施例1。
(2)离子液体(ILs)的改性：同实施例1。
(3)功能化高强度凝胶的制备
将AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸钠(Alg)溶于去离子水，固含量为10％，三者质量比为AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶1∶1，边搅拌边通氮气保护10min，然后加入化学交联剂MBAA，MBAA/(AAc+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，继续氮气保护反应20min后，加入引发剂0.1wt％过硫酸钾(KPS)水溶液、5wt％离子交联剂CaSO4水溶液，氮气保护下反应约20min，关闭氮气。将反应产物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室温下反应24h得凝胶产物，将所得凝胶以去离子水浸泡洗涤，除去未反应的单体。
实施例8.
(1)离子液体(ILs)的制备：同实施例1。
(2)离子液体(ILs)的改性：同实施例1。
(3)功能化高强度凝胶的制备
将AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸钠(Alg)溶于去离子水，固含量为10％，三者质量比为AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝6∶3∶1，边搅拌边通氮气保护10min，然后加入化学交联剂MBAA，MBAA/(AAc+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，继续氮气保护反应20min后，加入引发剂0.1wt％过硫酸钾(KPS)水溶液、5wt％离子交联剂CaSO4水溶液，氮气保护下反应约20min，关闭氮气。将反应产物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室温下反应24h得凝胶产物，将所得凝胶以去离子水浸泡洗涤，除去未反应的单体。
实施例9.
(1)离子液体(ILs)的制备：同实施例1。
(2)离子液体(ILs)的改性：同实施例1。
(3)功能化高强度凝胶的制备
将NIPAAm、AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸钠(Alg)溶于去离子水，固含量为10％，三者质量比为NIPAAm∶AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶3∶2∶2，边搅拌边通氮气保护10min，然后加入化学交联剂MBAA，MBAA/(NIPAAm+AAc+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，继续氮气保护反应20min后，加入引发剂0.1wt％过硫酸钾(KPS)水溶液、20wt％离子交联剂CaSO4水溶液，氮气保护下反应约20min，关闭氮气。将反应产物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室温下反应24h得凝胶产物，将所得凝胶以去离子水浸泡洗涤，除去未反应的单体。
实施例10.
(1)离子液体(ILs)的制备：同实施例1。
(2)离子液体(ILs)的改性：同实施例1。
(3)功能化高强度凝胶的制备
将NIPAAm、AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸钠(Alg)溶于去离子水，固含量为10％，三者质量比为NIPAAm∶AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝4∶4∶1∶1，边搅拌边通氮气保护10min，然后加入化学交联剂MBAA，MBAA/(NIPAAm+AAc+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，继续氮气保护反应20min后，加入引发剂0.1wt％过硫酸钾(KPS)水溶液、20wt％离子交联剂CaSO4水溶液，氮气保护下反应约20min，关闭氮气。将反应产物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室温下反应24h得凝胶产物，将所得凝胶以去离子水浸泡洗涤，除去未反应的单体。