一种高伸长率高强度双网络水凝胶及制备方法与流程

本发明涉及水凝胶技术领域，具体涉及一种高伸长率高强度双网络水凝胶及其制备方法。

背景技术：

高分子水凝胶是一类可以把大量水分吸收进其内部三维空间网络结构的材料，由于它们吸水后柔软并有一定弹性，而这一特性和许多生物软组织类似，使得水凝胶在组织工程领域有着广泛潜在的应用。

目前，大部分的高分子水凝胶由于其结构不均匀或缺乏有效的能量耗散机制，均存在机械强度低、韧性差、可恢复性和抗疲劳能力差等缺点，这些缺点大大限制了高分子水凝胶成为软组织修复甚至再生的生物材料。因此提高高分子水凝胶的机械强度、韧性、自修复能力及抗疲劳能力是使其应用于组织工程领域亟需解决的重大课题。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高伸长率高强度双网络水凝胶及其制备方法，以弥补现有水凝胶机械强度低、韧性差、可恢复性和抗疲劳能力差的缺陷。

本发明提出的一种高伸长率高强度双网络水凝胶，其原料按重量份包括：丙烯酰胺20-45份、可得然胶1-4份、甲基丙烯酸十八酯0.4227-3.2143份、引发剂0.448份、十六烷基三甲基溴化铵7.435-8.747份、十二烷基硫酸钠0-1.038份、高纯水100份。

优选地，所述引发剂为光引发剂irgacure2959。

本发明还提供一种所述高伸长率高强度双网络水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

s1、按所述重量份，将十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、甲基丙烯酸十八酯、引发剂、丙烯酰胺依次溶解于置于水浴中的高纯水中，得到混合溶液；待混合溶液冷却至室温，加入可得然胶混合均匀，得到悬浮液；

s2、向悬浮液中通氩气10min进行排气，并在惰性气体氛围中，室温下搅拌悬浮液，接着用真空泵对悬浮液依次在静置和磁力搅拌条件下抽真空，除掉悬浮液中的气泡，得到混合物料；

s3、将混合物料倒入亚克力模具中，盖上石英盖玻片并赶走气泡，密封物料，将密封好的物料加热，冷却至室温后置于紫外灯正下方进行照射，并且控制紫外灯距离物料的高度为6.5cm，在紫外条件下进行交联聚合反应后得到高伸长率高强度双网络水凝胶。

优选地，s1中，水浴的温度为30-40℃。

优选地，s1中，十六烷基三甲基溴化铵为搅拌溶解，搅拌的时间为20-30min。

优选地，s1中，甲基丙烯酸十八酯为搅拌溶解，搅拌的时间为2-4h。

优选地，s2中，悬浮液的搅拌时间为20-24h。

优选地，s2中，抽真空的时间为10-15min。

优选地，s3中，物料的加热温度为90-120℃，加热时间为5-15min。

优选地，s3中，紫外灯的光波长为300-400nm，功率为20-40w，照射时间为0.5-1.5h。

优选地，紫外灯的光波长为365nm，功率为30w，照射时间为1h。

本发明中所述高纯水为经过除氧处理的高纯水，除氧处理的具体操作为：将高纯水用真空泵抽气20min，再把导气管插入高纯水底部通氩气1h。

有益效果：本发明中的可得然胶和丙烯酰胺均是通过物理作用进行交联的，可得然胶的胶束之间通过疏水作用进行交联，丙烯酰胺通过共聚的甲基丙烯酸十八酯和表活剂胶束之间的疏水作用进行交联；这种双网络物理交联的方式提高了本发明的机械强度、韧性、自修复能力及抗疲劳能力。

附图说明

图1为本发明十六烷基三甲基溴化铵(cetyltrimethylammoniumbromide,简写为ctab)和十二烷基硫酸钠(sodiumdodecylsulfate,简写为sds)不同配比下制得的高伸长率高强度双网络水凝胶的应力-应变曲线对比图。

图2为本发明甲基丙烯酸十八酯(stearylmethacrylate,简写为sma)和丙烯酰胺(acrylamide,简写为aam)不同配比下制得的高伸长率高强度双网络水凝胶的应力-应变曲线对比图。

图3为本发明丙烯酰胺和甲基丙烯酸十八酯不同含量下制得的高伸长率高强度双网络水凝胶的应力-应变曲线对比图。

图4为本发明可得然胶(curdlangum)不同含量下制得的高伸长率高强度双网络水凝胶的应力-应变曲线对比图。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，其原料按重量份包括：丙烯酰胺28份、可得然胶3份、甲基丙烯酸十八酯2份、引发剂0.448份、十六烷基三甲基溴化铵7.872份、十二烷基硫酸钠0.692份、高纯水100份；

其中，所述引发剂为光引发剂irgacure2959。

所述高伸长率高强度双网络水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

s1、按所述重量份，将十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、甲基丙烯酸十八酯、引发剂、丙烯酰胺依次溶解于置于水浴中的高纯水中，得到混合溶液；待混合溶液冷却至室温，加入可得然胶混合均匀，得到悬浮液；

s2、向悬浮液中通氩气10min进行排气，并在惰性气体氛围中，室温下搅拌悬浮液，接着用真空泵对悬浮液依次在静置和磁力搅拌条件下抽真空，除掉悬浮液中的气泡，得到混合物料；

s3、将混合物料倒入亚克力模具中，盖上石英盖玻片并赶走气泡，密封物料，将密封好的物料加热，冷却至室温后置于紫外灯正下方进行照射，并且控制紫外灯距离物料的高度为6.5cm，在紫外条件下进行交联聚合反应后得到高伸长率高强度双网络水凝胶；

其中，s1中，水浴的温度为35℃；

s1中，十六烷基三甲基溴化铵为搅拌溶解，搅拌的时间为20min；

s1中，甲基丙烯酸十八酯为搅拌溶解，搅拌的时间为2h；

s2中，悬浮液的搅拌时间为20h；

s2中，抽真空的时间为10min；

s3中，物料的加热温度为100℃，加热时间为10min；

s3中，紫外灯的光波长为365nm，功率为30w，照射时间为1h。

对比例1

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除十六烷基三甲基溴化铵为8.747份、十二烷基硫酸钠为0份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例2

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除十六烷基三甲基溴化铵为8.309份、十二烷基硫酸钠为0.346份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例3

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除十六烷基三甲基溴化铵为7.872份、十二烷基硫酸钠为0.692份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例4

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除十六烷基三甲基溴化铵为7.435份、十二烷基硫酸钠为1.038份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

试验例1

分别对对比例1-4得到的高伸长率高强度双网络水凝胶进行性能测试，得到的应力(s)-应变(λ)曲线对比图如图1所示；由图1可以看出，随着十六烷基三甲基溴化铵用量的增加和十二烷基硫酸钠用量的减少，高伸长率高强度双网络水凝胶的杨氏模量基本保持不变，而断裂应变逐渐减小，即水凝胶的机械强度基本保持不变，断裂韧性逐渐减小。

对比例5

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除丙烯酰胺为29.58份、甲基丙烯酸十八酯为0.4227份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例6

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除丙烯酰胺为29.30份、甲基丙烯酸十八酯为0.6973份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例7

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除丙烯酰胺为28.64份、甲基丙烯酸十八酯为1.363份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例8

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除丙烯酰胺为28份、甲基丙烯酸十八酯为2份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例9

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除丙烯酰胺为27.39份、甲基丙烯酸十八酯为2.609份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例10

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除丙烯酰胺为26.81份、甲基丙烯酸十八酯为3.191份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

试验例2

分别对对比例5-10得到的高伸长率高强度双网络水凝胶进行性能测试，得到的应力-应变曲线对比图如图2所示；由图2可以看出，随着丙烯酰胺用量的减小和甲基丙烯酸十八酯用量的增加，高伸长率高强度双网络水凝胶的杨氏模量会逐渐增大，断裂应变先逐渐增大再逐渐减小，即水凝胶的机械强度逐渐增大，断裂韧性先逐渐增大再逐渐减小。

对比例11

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除丙烯酰胺为20份，甲基丙烯酸十八酯为1.4286份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例12

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除丙烯酰胺为25份，甲基丙烯酸十八酯为1.7857份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例13

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除丙烯酰胺为30份，甲基丙烯酸十八酯为2.1429份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例14

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除丙烯酰胺为35份，甲基丙烯酸十八酯为2.0588份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例15

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除丙烯酰胺为40份，甲基丙烯酸十八酯为2.8571份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例16

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除丙烯酰胺为45份，甲基丙烯酸十八酯为3.2143份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

试验例3

分别对对比例11-16得到的高伸长率高强度双网络水凝胶进行性能测试，得到的应力-应变曲线对比图如图3所示；由图3可以看出，随着丙烯酰胺用量的增加，高伸长率高强度双网络水凝胶的杨氏模量会逐渐增大，断裂应变先逐渐增大再逐渐减小，即水凝胶的机械强度逐渐增大，断裂韧性先逐渐增大再逐渐减小。

对比例17

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除可得然胶为1份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例18

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除可得然胶为2份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例19

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除可得然胶为3份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例20

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除可得然胶为3.5份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

对比例21

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，除可得然胶为4份之外，其余的组分与制备方法均与实施例1相同。

试验例4

分别对对比例17-21得到的高伸长率高强度双网络水凝胶进行性能测试，得到的应力-应变曲线对比图如图4所示；由图4可以看出，随着可得然胶用量的增加，高伸长率高强度双网络水凝胶的杨氏模量会逐渐增大，断裂应变先逐渐增大再逐渐减小，即水凝胶的机械强度逐渐增大，断裂韧性先逐渐增大再逐渐减小。

实施例2

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，其原料按重量份包括：丙烯酰胺20份、可得然胶1份、甲基丙烯酸十八酯3.2143份、引发剂0.448份、十六烷基三甲基溴化铵7.435份、十二烷基硫酸钠1.038份、高纯水100份；

所述引发剂为光引发剂irgacure2959。

所述高伸长率高强度双网络水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

s1、按所述重量份，将十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、甲基丙烯酸十八酯、引发剂、丙烯酰胺依次溶解于置于水浴中的高纯水中，得到混合溶液；待混合溶液冷却至室温，加入可得然胶混合均匀，得到悬浮液；

s2、向悬浮液中通氩气10min进行排气，并在惰性气体氛围中，室温下搅拌悬浮液，接着用真空泵对悬浮液依次在静置和磁力搅拌条件下抽真空，除掉悬浮液中的气泡，得到混合物料；

s3、将混合物料倒入亚克力模具中，盖上石英盖玻片并赶走气泡，密封物料，将密封好的物料加热，冷却至室温后置于紫外灯正下方进行照射，并且控制紫外灯距离物料的高度为6.5cm，在紫外条件下进行交联聚合反应后得到高伸长率高强度双网络水凝胶；

其中，s1中，水浴的温度为40℃；

s1中，十六烷基三甲基溴化铵为搅拌溶解，搅拌的时间为20min；

s1中，甲基丙烯酸十八酯为搅拌溶解，搅拌的时间为4h；

s2中，悬浮液的搅拌时间为20h；

s2中，抽真空的时间为15min；

s3中，物料的加热温度为90℃，加热时间为15min；

s3中，紫外灯的光波长为300nm，功率为40w，照射时间为0.5h。

实施例3

一种高伸长率高强度双网络水凝胶，其原料按重量份包括：丙烯酰胺45份、可得然胶4份、甲基丙烯酸十八酯0.4227份、引发剂0.448份、十六烷基三甲基溴化铵8.747份、十二烷基硫酸钠0份、高纯水100份；

所述引发剂为光引发剂irgacure2959。

所述高伸长率高强度双网络水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

s1、按所述重量份，将十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、甲基丙烯酸十八酯、引发剂、丙烯酰胺依次溶解于置于水浴中的高纯水中，得到混合溶液；待混合溶液冷却至室温，加入可得然胶混合均匀，得到悬浮液；

s2、向悬浮液中通氩气10min进行排气，并在惰性气体氛围中，室温下搅拌悬浮液，接着用真空泵对悬浮液依次在静置和磁力搅拌条件下抽真空，除掉悬浮液中的气泡，得到混合物料；

s3、将混合物料倒入亚克力模具中，盖上石英盖玻片并赶走气泡，密封物料，将密封好的物料加热，冷却至室温后置于紫外灯正下方进行照射，并且控制紫外灯距离物料的高度为6.5cm，在紫外条件下进行交联聚合反应后得到高伸长率高强度双网络水凝胶；

其中，s1中，水浴的温度为30℃；

s1中，十六烷基三甲基溴化铵为搅拌溶解，搅拌的时间为30min；

s1中，甲基丙烯酸十八酯为搅拌溶解，搅拌的时间为2h；

s2中，悬浮液的搅拌时间为24h；

s2中，抽真空的时间为10min；

s3中，物料的加热温度为120℃，加热时间为5min；

s3中，紫外灯的光波长为400nm，功率为20w，照射时间为1.5h。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。