一种高强度超分子水凝胶及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种水凝胶及制备方法，更具体地说，涉及一种以丙烯酰基甘氨酰胺 (NAGA)为单体制备的PNAGA水凝胶及制备方法，具有高度稳定性、高强度、热塑性和自修复 的功能。
【背景技术】
[0002] 水凝胶是以水为分散介质，亲水性而又不溶于水的且能够吸收大量水分（通常含 水量大于总质量的50%)具有交联结构的高分子聚合物材料。因为聚合物链间的物理交联 和化学交联作用而不会溶解于水中，只能溶胀且保持一定的形状，同时，还具有良好的水渗 透性，生物相容性，作为人体植入物可以减少不良反应。因而水凝胶作为优良的生物医用材 料得到广泛应用。但是，其高含水量导致水凝胶较差的机械性能限制了其作为生物材料尤 其是力学器件的应用，对于超分子水凝胶更是如此，尤其没有化学键的作用，物理交联的超 分子水凝胶力学强度一般来说都较弱，因此制备制备高强度的超分子水凝胶具有很大的现 实和理论的应用。
[0003] 为了解决水凝胶较差的力学性能这一问题，近期科学家们研制了以下几种高强 度水凝胶：双网络（DN)水凝胶，插层无机纳米复合水凝胶（NC)和高分子微球复合水凝 胶（MMC)。但是这些高强度水凝胶不兼具高的抗拉伸和抗压缩功能（Yoshimi Tanaka， Jain Ping Gong，Yoshihito Osada. Novel hydrogels with excellent mechanical performance. (MMC)。但是这些高强度水凝胶不兼具高的抗拉伸和抗压缩功能（Yoshimi Tanaka,Jain Ping Gong,Yoshihito Osada. Novel hydrogels with excellent mechanical performance. Prog. Polym. Sci. 2005 ;30 :1-9.)。仅仅靠纯物理交联作用做成高强度水 凝胶的。最近有 Gong 等（Sun T L, Kurokawa T, Kuroda S，et al. Physical hydrogels composed of polyampholytes demonstrate high toughness and viscoelasticity. Nat. Mater. 2013 ; 12:932-937.)学者利用聚电解质做成的纯物理高强度水凝胶，但是其含水量 仅有50%，而聚丙烯酰基甘氨酰胺凝胶不仅具有力学上的高强度，而且具备热塑性和自修 复功能。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种只以丙烯酰基甘氨酰胺（NAGA) 为单体的聚合物超分子水凝胶，这种超分子聚合物水凝胶除了表现出水凝胶的一些固有属 性，还具有很强的拉伸、压缩力学性能，较好的抗撕裂性、温度响应性下的热塑性和自修复 功能。
[0005] 本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
[0006] 一种高强度超分子水凝胶，由以丙烯酰基甘氨酰胺为单体的聚合物和水组成，水 凝胶的含水量在55-85 %，在所述聚合物中，每个重复单元的侧链上设有两个酰胺基团，聚 合度为 1000- 5000,优选 2000- 4000。
[0007] 在上述水凝胶中，含水量与聚合度呈现反比例关系，即含水量随着丙烯酰基甘氨 酰胺单体用量的增加而下降。
[0008] 上述水凝胶的制备方法，按照下述步骤进行：将丙烯酰基甘氨酰胺为单体在水相 条件下溶解，加入引发剂，在绝氧条件下由引发剂引发丙烯酰基甘氨酰胺的碳碳双键进行 自由基聚合。
[0009] 在上述制备方法中，所述水相选择去离子水，或者自来水。
[0010] 在上述制备方法中，所述引发剂的用量为单体丙烯酰基甘氨酰胺质量的3% -
[0011] 在上述制备方法中，所述单体丙烯酰基甘氨酰胺的浓度为1〇 - 60%，即丙烯酰胺 基甘氨酰胺单体的质量八丙烯酰胺基甘氨酰胺单体的质量+水相的质量）。
[0012] 利用引发剂提供的自由基引发NAGA单体发生反应。其中引发剂可以选择高分子 聚合领域中常用的水相条件下的热引发剂，如过硫酸铵（APS)、过硫酸钾（KPS)，或者光引 发剂，如2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮（Irgacure 1173)。如果选择热引发剂，则需要 首先利用惰性气体（如氮气、氩气或者氦气）排除反应体系中的氧，以避免其的阻聚作用， 然后根据引发剂的活性和用量，将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保持相当 长的时间，如Ih以上或者更长（l_5h)，以促使引发剂能够长时间产生足够多的自由基，弓丨 发反应体系持续发生自由基聚合反应，最终制备本发明的水凝胶。如果选择光引发剂，其中 引发剂选择了光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮（Irgacure 1173)。可以选用了 透明密闭的反应容器，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合，由于光引发效率高于热引 发，因根据所选引发剂的活性和用量调整照射时间时，照射时间可短于热引发的加热时间， 如20分钟或者更长（30min-lh)，相对于热引发这样可以使得实验时间大大减少。
[0013] 在制备方案中，在反应结束后，从反应容器中取出共聚物，去除未参加反应的单 体、引发剂、交联剂和溶剂后，浸泡在水中直至达到溶胀平衡（如浸泡7天，每隔12h更换 一次水，达到溶胀平衡）。在本发明的技术方案中，以丙烯酰基甘氨酰胺（NAGA)为单体， 制备的水凝胶，其分子链的侧链上带有两个酰胺基团，分子间的强烈的分子间的氢键作用， (-CH 2-CH2-)n的"碳-碳"单键相连的骨架结构，侧链（CO-NH)的酰胺基团。丙烯酰基甘氨酰 胺在引发剂的条件下使引发剂提供自由基，再由自由基引发丙烯酰基甘氨酰胺（NAGA)双 键，发生聚合反应，最终制备的水凝胶材料中，由于氢键的协同作用，使整个水凝胶材料由 聚合物和水组成。
[0014] 与现有技术相比，本发明中丙烯酰基甘氨酰胺（NAGA)，由于其聚合物分子链的侧 链上带有两个酰胺基团，分子间的强烈的分子间的氢键作用，从而形成的物理交联作用使 得丙烯酰基甘氨酰胺凝胶具有很好的力学强度和韧性，并且由于这种由双酰胺基团形成的 氢键可以在较高温度下实现破坏和重建，凝胶具有了热塑性和自修复的功能。本发明提供 的一种高强度PNAGA水凝胶是以丙烯酰基甘氨酰胺（NAGA)为原料，在引发剂存在下引发制 备而成，由于氢键的协同作用，这种水凝胶具有很强的拉伸、压缩的同时能够抗撕裂，在较 高温下能够实现热塑性和自修复的功能，并且很好的生物相容性。
【附图说明】
[0015] 图1是本实施例使用的单体丙烯酰基甘氨酰胺的傅里叶红外光谱图。
[0016] 图2是本实施例合成的丙烯酰基甘氨酰胺聚合物的傅里叶红外光谱图。
[0017] 图3是本发明合成的聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶的拉伸，压缩及打结实物图，其 中1为打结，2位拉伸，3位压缩。
[0018] 图4是本发明的聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶在50°C _90°C下的重塑性的过程示意 图。
[0019] 图5是本发明的聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶切成两半时在50- 90°C下实现自修 复的示意图。
[0020] 图6是本发明的聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶PNAGA-25和聚丙烯酰胺水凝胶在水 中及尿素中的稳定性测试，a为聚丙烯酰胺水凝胶在去离子水中，b为PNAGA-25水凝胶在去 离子水中，c为PNAGA-25水凝胶在5mol Γ1的尿素水溶液中。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0022] 在实施例中，以甘氨酰胺盐酸盐和丙烯酰氯为原料依据参考文献（Boustta M，Colombo P E，Lenglet S，et al. Versatile UCST-based thermoresponsive hydrogels for loco-regional sustained drug delivery[J]. Journal of Controlled Release，2014, 174:1-6)制备出了一种带有两个酰胺基团的单体丙烯酰基甘氨酰胺，化学 式结构如下化学式所示：
[0023]
【主权项】
1. 一种高强度超分子水凝胶，其特征在于，由以丙烯酰基甘氨酰胺为单体的聚合物和 水组成，水凝胶的含水量在55-85 %，在所述聚合物中，每个重复单元的侧链上设有两个酰 胺基团，聚合度为1000- 5000。
2. 根据权利要求1所述的一种高强度超分子水凝胶，其特征在于，聚合物优选2000- 4000 〇
3. 根据权利要求1所述的一种高强度超分子水凝胶，其特征在于，含水量与聚合度呈 现反比例关系，即含水量随着丙烯酰基甘氨酰胺单体用量的增加而下降。
4. 一种高强度超分子水凝胶的制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行：将丙烯酰 基甘氨酰胺为单体在水相条件下溶解，加入引发剂，在绝氧条件下由引发剂引发丙烯酰基 甘氨酰胺的碳碳双键进行自由基聚合；所述水相选择去离子水，或者自来水；所述引发剂 的用量为单体丙烯酰基甘氨酰胺质量的3% - 5% ;所述单体丙烯酰基甘氨酰胺的浓度为 10-60%，即丙烯酰胺基甘氨酰胺单体的质量八丙烯酰胺基甘氨酰胺单体的质量+水相的 质量）。
5. 根据权利要求4所述的一种高强度超分子水凝胶的制备方法，其特征在于，所述引 发剂为过硫酸铵、过硫酸，或者2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮。
6. 根据权利要求4所述的一种高强度超分子水凝胶的制备方法，其特征在于，选择热 引发剂，则需要首先利用惰性气体排除反应体系中的氧，以避免其的阻聚作用，然后根据引 发剂的活性和用量，将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保持l_5h。
7. 根据权利要求4所述的一种高强度超分子水凝胶的制备方法，其特征在于，选择光 引发剂，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合，照射时间为20分钟或30min-lh。
8. 如权利要求1一3之一所述的高强度超分子水凝胶，作为热塑性聚合物的应用，加工 温度为 50°C -90°C。
9. 如权利要求1一3之一所述的高强度超分子水凝胶作为自修复材料的应用，修复温 度为 50°C -90°C。
10. 如权利要求1一3之一所述的高强度超分子水凝胶，作为细胞支架等生物材料的应 用，作为培养软骨细胞ATDCA5的支架材料。
【专利摘要】本发明公开一种高强度超分子水凝胶及其制备方法和应用，以丙烯酰基甘氨酰胺为单体，在引发剂存在下引发制备而成，由于氢键的协同作用，这种水凝胶具有很强的拉伸、压缩的同时能够抗撕裂，在较高温下能够实现热塑性和自修复的功能，并且很好的生物相容性。
【IPC分类】A61L27-38, A61L27-16, A61L27-52, C08J3-075, C08F120-36
【公开号】CN104804115
【申请号】CN201510191607
【发明人】刘文广, 戴西洋, 张银宇
【申请人】天津大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年4月21日