基于丙烯酰基甘氨酰胺的高强度水凝胶作为热塑性聚合物的应用的制作方法

技术领域

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：

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。

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。

技术实现要素：

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。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

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。

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。

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。

在上述制备方法中，所述水相选择去离子水，或者自来水。

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％—5％。

在上述制备方法中，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/(丙烯酰胺基甘氨酰胺单体的质量+水相的质量)。

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1h以上或者更长(1-5h)，以促使引发剂能够长时间产生足够多的自由基，引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-1h)，相对于热引发这样可以使得实验时间大大减少。

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，(-CH2-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。

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

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。

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。

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。

图4是本发明的聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶在50℃-90℃下的重塑性的过程示意图。

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℃下实现自修复的示意图。

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 L^-1的尿素水溶液中。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

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：

利用傅里叶红外光谱(美国铂金埃尔默公司)证明了其成功的合成，其中它们的特征峰如下：ν＝3389cm^-1(m,NH),3314cm^-1(s,NH),3191cm^-1(m,NH),1662cm^-1(vs,C＝O),1626cm^-1(vs,C＝O),1556cm^-1(vs,NH)(详见附图1)。

以上述合成的丙烯酰基甘氨酰胺为单体进行均聚，选择水相(例如普通自来水、去离子水)为聚合环境，同时为聚合物提供水环境，引发剂选择水溶性引发剂，合成不同单体浓度的聚丙烯酰胺基甘氨酰胺凝胶，以单体浓度为25％为例，即丙烯酰胺基甘氨酰胺单体的质量/(丙烯酰胺基甘氨酰胺单体的质量+水的质量)。

将丙烯酰胺基甘氨酰胺单体(243mg)，750μL的去离子水完全溶解后，加入光引发剂Irgacure 1173(2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮)7μL。混合液经充氮气除氧后，将混合液注入密闭的模具中，模具在紫外固化箱中照射40分钟以保证充分引发自由基聚合。随后打开模具取出凝胶，在去离子水浸泡几天，达到溶胀平衡，每隔12h更换上述去离子水。利用傅里叶红外光谱(美国铂金埃尔默公司)对合成的均聚物进行红外表征，具体如附图2所示，基本表现与附图1相同的特征峰，这说明丙烯酰胺基甘氨酰胺单体中碳碳双键进行打开和聚合，其余结构基本上没有产生变化。

按相同步骤制备不同单体浓度的凝胶，进行力学性能、撕裂性能、热塑性和自修复等实验过程。此凝胶样品命名为PNAGA-X，其中X代表的是凝胶的单体浓度。改变单体丙烯酰胺基甘氨酰胺单体的浓度，光引发剂Irgacure 1173的用量为单体质量的3％，制备如下水凝胶样品PNAGA-10，PNAGA-15，PNAGA-20，PNAGA-25，PNAGA-30的不同浓度的超分子聚合物水凝胶。

采用如下方法测试本发明的聚丙烯酰胺基甘氨酰胺水凝胶的力学性能测试在电子万能试验机(济南时代有限公司)上在进行，拉伸力学性能测试的样品的尺寸为20mm×10mm，厚为500μm，拉伸速率为50mm/min；压缩力学性能测试的样品尺寸为直径10mm，高8mm的圆柱，压缩速率为10mm/min。在进行拉伸力学性能测试的样品的尺寸为20mm×10mm，厚为500μm。压缩力学性能测试的样品尺寸为直径10mm，高8mm的圆柱。抗撕裂性能测试样品尺寸按照1/2 GBT 529-2008 A大小(宽7.5mm，长50mm，缺口长度20mm，厚度0.5mm)。这种超分子水凝胶的拉伸强度、压缩强度都能够达到MPa的级别。表1为水凝胶样品的各项性能参数：

压缩强度：测量时，凝胶压缩到机器最大量程也无法压缩，所以以90％应变处的应力作为强度。PNAGA-x：x表示聚合单体的质量分数，即丙烯酰胺基甘氨酰胺单体的质量/(丙烯酰胺基甘氨酰胺单体的质量+水的质量)。改变聚合单体的质量分数至50％、60％，聚合物都表现出与上述列表基本相似的性质，即在单一组分的均聚物水凝胶中拉伸强度、压缩强度都能够达到MPa级别，且能够以水凝胶实物做出打结、拉伸和压缩行为，如附图3所示。

使用万分之一的电子秤进行水凝胶含水量的测试，首先称取水凝胶的湿重，然后将水凝胶在恒温(50摄氏度)条件下加热去除水分，至恒重，再称取水凝胶的干重，利用(水凝胶湿重—水凝胶干重)/水凝胶湿重*100％，即可得到水凝胶含水量。PNAGA-x：x表示聚合单体的质量分数，即丙烯酰胺基甘氨酰胺单体的质量/(丙烯酰胺基甘氨酰胺单体的质量+水的质量)，改变x由10％上升至60％，含水量由85％下降至55％。经GPC色谱测定聚合物的分子量，对应丙烯酰基甘氨酰胺聚合度为1000—5000。

利用如下方法检测本发明的聚丙烯酰胺基甘氨酰胺水凝胶的热塑性，将制备出来的水凝胶碎片，放入一个不同形状的密闭容器中，在50℃-90℃的温度下加热30分钟后，让其自热冷却至室温20—25摄氏度，最后脱模可以制备不同形状的聚丙烯酰胺基甘氨酰胺水凝胶(详见说明书附图4)，这个过程可以重复，实现重复利用，有望减轻环境负担，即本发明的聚丙烯酰胺基甘氨酰胺水凝胶，作为热塑性聚合物的应用，加工温度为50℃-90℃。

利用如下方法检测本发明的聚丙烯酰胺基甘氨酰胺水凝胶的自修复功能。将制备的水凝胶切成两半，其中一半用化学试剂罗丹明B进行染色以便于区分，然后将切开的两半凝胶对上，即两个半块水凝胶发生接触，放入密封容器中在50℃-90℃的温度下加热1小时，最后切开的凝胶能够很好地粘合在一起，并且看不到界面，详见说明书附图5，说明两块水凝胶完成自我修复，即本发明的聚丙烯酰胺基甘氨酰胺水凝胶，作为自修复材料的应用，修复温度为50℃-90℃。

利用如下方法检测本发明的聚丙烯酰胺基甘氨酰胺水凝胶的细胞毒性。为了测试这种高强度超分子水凝胶应用于生物材料可能性。本发明的凝胶片切成直径为10.2mm，在体积百分数75％的酒精(乙醇水溶液)中浸泡2h使其消毒，然后用PBS洗涤，这些凝胶放入到48孔板的底部。将2mL的软骨细胞ATDCA5悬浮液(5×10⁴cells/mL)种入到48孔板中，培养24小时。随后钙黄绿素加入在37℃和5％的CO2环境下培养30分钟，荧光用490nm的激发光和520nm的发射光记录下来。检测到细胞存活率达到了90％以上，没有发现显著的细胞毒性，实验结果表明了这种凝胶具有很好的生物相容性，可以作为细胞支架等生物材料的应用，例如作为培养软骨细胞ATDCA5的支架材料。

现有技术经常使用的是丙烯酰胺凝胶水凝胶，选择本发明的聚丙烯酰胺基甘氨酰胺水凝胶，与之进行对比。以聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶PNAGA-25，与PNAGA-25采用相同工艺和配方仅仅替换均聚单体的聚丙烯酰胺水凝胶为例。如附图6所示，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 L^-1的尿素水溶液中。实验表明这种带有双酰胺基团的聚丙烯酰胺基甘氨酰胺水凝胶具有很好的稳定性，并且这种稳定性是由于酰胺基团氢键的协同作用而产生的，本发明的带有两个酰胺基的聚丙烯酰胺基甘氨酰胺水凝胶比只带有一个酰胺基的丙烯酰胺凝胶具有更优异的性能。利用相同的方法制备出丙烯酰胺凝胶，此凝胶强度过低，不能称之为高强度水凝胶，另外将丙烯酰胺凝胶放入去离子水中一段时间后会完全解体；而带有两个酰胺基的聚丙烯酰胺基甘氨酰胺水凝胶能够非常稳定地存在几个月不发生变化。

在本发明技术方案的单体用量范围内，调整引发剂种类/用量、反应时间和反应温度等工艺参数，最终制备的水凝胶与上述实施例列出的性质基本保持一致。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。