本发明涉及复合材料技术领域，且特别涉及纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶、其制备方法及应用。
背景技术：
水凝胶(hydrogel)是一种能吸收大量的水而不溶解,并保持一定的形状的高分子网络体系，形状记忆水凝胶能够在外界刺激的作用下记忆形状并在特定环境下恢复。然而，传统化学交联制备的凝胶强度相对较弱，这极大地限制了它们作为软物质材料的应用。
复合水凝胶和双网络水凝胶一直以来被认为是提高凝胶机械性能的常用途径。复合水凝胶即在水凝胶的聚合物网络结构中引入增强有机/无机填料，例如蒙脱土、纳米纤维素、碳纳米管等，从而提高水凝胶的机械性能。但是，现有的水凝胶存在着形状记忆率低、机械强度不能满足要求的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶，旨在提升水凝胶的机械强度。
本发明的另一目的在于提供一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶的制备方法，其工艺简单，条件易控制，制备得到的水凝胶的机械强度高。
本发明的第三目的在于提供米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶的应用，拓宽材料的应用领域。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出了一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶，由丙烯酰胺交联网络和明胶交联网络形成双网络水凝胶，且双网络水凝胶中负载有氧化后的纳米纤维素。
本发明还提出了一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
将纤维素在氧化体系中氧化后，再进行均质得到纳米纤维素，并将纳米纤维素与水混合得到纳米纤维素溶液；
将纳米纤维素溶液与明胶水分散液、丙烯酰胺、引发剂、交联剂和催化剂混合后得到混合溶液；
将混合溶液注入模具中反应10-15h。
本发明还提出了纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶在组织工程、药物缓释、细胞培养支架以及软物质驱动中的应用。
本发明实施例提供的一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶的有益效果是：其通过在丙烯酰胺交联网络和明胶交联网络形成双网络水凝胶中负载氧化后的纳米纤维素形成复合水凝胶，具备很好的机械强度，同时改善了水凝胶的生物相容性和生物降解性。
本发明还提供了一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶的制备方法，其通过将纤维素在氧化体系中进行氧化并均质后得到纳米纤维素，以纳米纤维和水混合后得到的纳米纤维素溶液原料，将其与明胶水分散液、丙烯酰胺、引发剂、交联剂和催化剂混合后得到混合溶液，将混合溶液在成型模具中反应后制备得到复合水凝胶。工艺简便易行，条件容易控制，制备得到的复合水凝胶具备很好的机械性能，可以在组织工程、药物缓释、细胞培养支架以及软物质驱动等领域得到广泛应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例中复合凝胶的形状记忆功能的测试结果；
图2是本发明实施例中复合凝胶拉伸性能的测试结果；
图3是本发明实施例中复合凝胶拉伸性能的测试结果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例提供的纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶、其制备方法及应用进行具体说明。
本发明实施例提供了一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶，由丙烯酰胺交联网络和明胶交联网络形成双网络水凝胶，且双网络水凝胶中负载有氧化后的纳米纤维素。
需要说明的是，通过将氧化后的纳米纤维素负载于由丙烯酰胺和明胶交联网络形成的双网络体系中，该复合水凝胶具备很好的机械强度，同时具备良好的生物相容性、可再生性。
本发明实施例还提供了一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
s1、纳米纤维素溶液的制备
将纤维素在氧化体系中氧化后，再进行均质得到纳米纤维素，并将纳米纤维素与水混合得到纳米纤维素溶液。均质过程可以是在高压均质机中进行，在较高压力下经过高压均质机的作用得到纳米纤维素。
优选地，纤维素氧化过程中的氧化体系为tempo/nabr/naclo氧化体系。tempo(2,2,6,6-四甲基哌啶-1氧化物自由基)/nabr/naclo氧化体系，选择性的将纤维素的c6上的羟基氧化成羧基,再通过机械处理制备了tempo氧化的纳米纤维素。tempo制备的纳米纤维素具有较大的比表面积，较高的力学强度和弹性模量,添加到水凝胶当中可以大大的提高其机械性能。
在其他实施例中，也可以采用其他的氧化体系针对纤维素进行氧化，在此不一一列举。
具体地，纳米纤维素的制备步骤包括：将纸浆在水中疏解，再与tempo、nabr和naclo混合反应，然后采用无水乙醇终止反应，再经过高压均质机的均质后得到纳米纤维素，在反应过程中ph始终保持恒定。
一般而言，纳米纤维素溶液的固含量为1％-2％，纳米纤维素溶液中的固含量主要反应纳米纤维素和水用量的配合，固含量过大或过小均会对最终复合水凝胶产品的机械强度有一定影响。
s2、反应体系溶液的制备
将纳米纤维素溶液与明胶水分散液、丙烯酰胺、引发剂、交联剂和催化剂混合后得到混合溶液。优选地，在混合溶液的制备过程中是先将纳米纤维素溶液、明胶水分散液和丙烯酰胺混合均匀后，再与引发剂、交联剂和催化剂混合。这样的混合顺序能够使纳米纤维素、丙烯酰胺和明胶混合均匀，使反应进行的更加充分。
具体地，明胶水分散液是指明胶和水混合后形成的分散液，将明胶与水在40-60℃的温度条件下混合，优选地，明胶与水的混合时间为2-3h。在40-60℃的温度条件下经过2-3h的混合可以使明胶均匀地分散于水中，形成均一溶液。具体地，丙烯酰胺是指单体丙烯酰胺(am)。
在混合溶液中纳米纤维素、明胶和丙烯酰胺的用量需要进行控制，否则会影响最终形成的水凝胶的机械强度，发明人发现，纳米纤维素、明胶水分散液中明胶用量和丙烯酰胺的质量比为0.01-0.05:0.1-0.5:1为宜，在此范围内能够使制备得到的水凝胶机械强度和形状记忆率均能够符合要求。
具体地，引发剂、交联剂的用量也需要大致进行控制，引发剂、交联剂与丙烯酰胺的质量比为0.005-0.006:0.004-0.005:1。引发剂和交联剂的用量过低会使原料反应不充分，影响双网络系统的形成和纳米纤维素的添加均匀性问题。
优选地，引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，催化剂为四甲基乙二胺。发明人发现，引发剂、交联剂和催化剂的选用主要是保证能够使聚合反应充分进行获得交联效果好的双网络体系。
s3、成型反应
具体地，成型反应过程是将混合溶液注入模具中反应10-15h，在一些实施例中，成型模具是由两片玻璃和2mm厚的橡胶片做成的玻璃模具中，在提供反应模具的同时使水凝胶成型效果良好。
通过以上制备方法得到的纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶在组织工程、药物缓释、细胞培养支架以及软物质驱动中的应用。本发明实施例中的制备方法得到的纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶主要是在生物医学技术领域得到应用。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶的制备方法，其包括以下步骤：
首先，先将纸浆20g置于适量的蒸馏水中疏解，再依次加入0.32gtempo和2.32gnabr,混合均匀后再加入100-284g(6.3％,有效氯)的naclo溶液，反应完成后加入适量无水乙醇终止反应，ph始终保持恒定，将反应好的纤维素置于高压均质机中均质得纳米纤维素。
其次，称取0.9g明胶加入30ml去离子水中，在60℃下加热至均匀的溶液，然后加入6.4g丙烯酰胺和0.321g纳米纤维素，搅拌均匀。然后加入0.036g引发剂过硫酸钾，0.03g交联剂n,n'-亚甲基双丙烯酰胺和30μl催化剂四甲基乙二胺，快速搅拌均匀得到混合溶液。
最后，混合溶液快速的注入由两片玻璃和2mm厚的橡胶片做成的玻璃模具中，在20℃条件下反应12h，得到纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶。
实施例2
本实施例提供一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶的制备方法，其包括以下步骤：
首先，先将纸浆20g置于适量的蒸馏水中疏解，再依次加入0.32gtempo和2.32gnabr,混合均匀后再加入100-284g(6.3％,有效氯)的naclo溶液，反应完成后加入适量无水乙醇终止反应，ph始终保持恒定，将反应好的纤维素置于高压均质机中均质得纳米纤维素。
其次，称取1.5g明胶加入30ml去离子水中，在60℃下加热至均匀的溶液，然后加入6.4g丙烯酰胺和0.321g纳米纤维素，搅拌均匀。然后加入0.036g引发剂过硫酸钾、0.03g交联剂n,n'-亚甲基双丙烯酰胺和30μl催化剂四甲基乙二胺，快速搅拌均匀得到混合溶液。
最后，将混合溶液快速的注入由两片玻璃和2mm厚的橡胶片做成的玻璃模具中，在20℃条件下反应12h，得到纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶。
实施例3
本实施例提供一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶的制备方法，其包括以下步骤：
首先，先将纸浆20g置于适量的蒸馏水中疏解，再依次加入0.32gtempo和2.32gnabr,混合均匀后再加入100-284g(6.3％,有效氯)的naclo溶液，反应完成后加入适量无水乙醇终止反应，ph始终保持恒定，将反应好的纤维素置于高压均质机中均质得纳米纤维素。
其次，称取2.1g明胶加入30ml去离子水中，在60℃下加热至均匀的溶液，然后加入6.4g丙烯酰胺和0.192g纳米纤维素，搅拌均匀。然后加入0.036g引发剂过硫酸钾、0.03g交联剂n,n'-亚甲基双丙烯酰胺和30μl催化剂四甲基乙二胺，快速搅拌均匀得到混合溶液。
最后，将混合溶液快速的注入由两片玻璃和2mm厚的橡胶片做成的玻璃模具中，在20℃条件下反应12h，得到纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶。
实施例4
本实施例提供一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶的制备方法，其包括以下步骤：
首先，先将纸浆20g置于适量的蒸馏水中疏解，再依次加入0.32gtempo和2.32gnabr,混合均匀后再加入100-284g(6.3％,有效氯)的naclo溶液，反应完成后加入适量无水乙醇终止反应，ph始终保持恒定，将反应好的纤维素置于高压均质机中均质得纳米纤维素。
其次，称取3g明胶加入30ml去离子水中，在60℃下加热至均匀的溶液，然后加入6.4g丙烯酰胺和0.192g纳米纤维素，搅拌均匀。然后加入0.036g引发剂过硫酸钾、0.03g交联剂n,n'-亚甲基双丙烯酰胺和30μl催化剂四甲基乙二胺，快速搅拌均匀得到混合溶液。
最后，将混合溶液快速的注入由两片玻璃和2mm厚的橡胶片做成的玻璃模具中，在20℃条件下反应12h，得到纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶。
实施例5
本实施例提供一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶的制备方法，其包括以下步骤：
首先，先将纸浆20g置于适量的蒸馏水中疏解，再依次加入0.32gtempo和2.32gnabr,混合均匀后再加入100-284g(6.3％,有效氯)的naclo溶液，反应完成后加入适量无水乙醇终止反应，ph始终保持恒定，将反应好的纤维素置于高压均质机中均质得纳米纤维素。
其次，称取3g明胶加入30ml去离子水中，在60℃下加热至均匀的溶液，然后加入6.4g丙烯酰胺和0.064g纳米纤维素，搅拌均匀。然后加入0.036g引发剂过硫酸钾、0.03g交联剂n,n'-亚甲基双丙烯酰胺和30μl催化剂四甲基乙二胺，快速搅拌均匀得到混合溶液。
最后，将混合溶液快速的注入由两片玻璃和2mm厚的橡胶片做成的玻璃模具中，在20℃条件下反应12h，得到纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶。
实施例6
本实施例提供一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶的制备方法，其包括以下步骤：
首先，先将纸浆20g置于适量的蒸馏水中疏解，再依次加入0.32gtempo和2.32gnabr,混合均匀后再加入100-284g(6.3％,有效氯)的naclo溶液，反应完成后加入适量无水乙醇终止反应，ph始终保持恒定，将反应好的纤维素置于高压均质机中均质得纳米纤维素。
其次，称取3g明胶加入30ml去离子水中，在60℃下加热至均匀的溶液，然后加入6.4g丙烯酰胺和0.321g纳米纤维素，搅拌均匀。然后加入0.036g引发剂过硫酸钾、0.03g交联剂n,n'-亚甲基双丙烯酰胺和30μl催化剂四甲基乙二胺，快速搅拌均匀得到混合溶液。
最后，将混合溶液快速的注入由两片玻璃和2mm厚的橡胶片做成的玻璃模具中，在20℃条件下反应12h，得到纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶。
实施例7-10
本实施例提供一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶的制备方法，与实施例6大致相同不同之处仅在于纳米纤维素、聚丙烯酰胺和明胶的用量，实施例7-10中，明胶的用量均为10mg/ml，丙烯酰胺的用量均为6.4g。
实施例7中纳米纤维素的用量为0g，相对于丙烯酰胺质量的0％；
实施例8中纳米纤维素的用量为0.064g，相对于丙烯酰胺质量的1％；
实施例9中纳米纤维素的用量为0.192g，相对于丙烯酰胺质量的3％；
实施例10中纳米纤维素的用量为0.32g，相对于丙烯酰胺质量的5％。
实施例11-15
本实施例提供一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶的制备方法，与实施例6大致相同不同之处仅在于纳米纤维素、聚丙烯酰胺和明胶的用量，实施例11-15中，纳米纤维素的用量为0.32g，丙烯酰胺的用量均为6.4g。
实施例11中明胶的用量为0mg/ml；
实施例12中明胶的用量为3mg/ml；
实施例13中明胶的用量为5mg/ml；
实施例14中明胶的用量为7mg/ml；
实施例15中明胶的用量为10mg/ml。
对比例1
本对比例提供一种pam水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取6.4g丙烯酰胺(pam)溶解于30ml去离子水中，加入0.036g引发剂过硫酸钾，0.03g交联剂n,n'-亚甲基双丙烯酰胺和30μl催化剂四甲基乙二胺，搅拌均匀。
(2)将步骤(1)的混合溶液快速的注入由两片玻璃和2mm厚的橡胶片做成的玻璃模具中，在20℃条件下反应12h，得到pam水凝胶。
对比例2
本对比例提供一种pam-gelatin水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取3g明胶(gelatin)加入30ml去离子水中，在60℃下加热至均匀的溶液,然后加入6.4g丙烯酰胺(pam)，搅拌均匀。后加0.036g引发剂过硫酸钾、0.03g交联剂n,n'-亚甲基双丙烯酞胺和30μl催化剂四甲基乙二胺，快速搅拌均匀。
(2)将步骤(1)的混合溶液快速的注入由两片玻璃和2mm厚的橡胶片做成的玻璃模具中，在20℃条件下反应12h，得到pam-gelatin水凝胶。
对比例3
本对比例提供一种tocn-pam水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取6.4g丙烯酰胺(pam)和0.321g纳米纤维素(tocn)，搅拌均匀。后加0.036g引发剂过硫酸钾、0.03g交联剂n,n'-亚甲基双丙烯酰胺和30μl催化剂四甲基乙二胺，快速搅拌均匀。
(2)将步骤(1)的混合溶液快速的注入由两片玻璃和2mm厚的橡胶片做成的玻璃模具中，在20℃条件下反应12h，得到tocn-pam水凝胶。
试验例1
采用常规的方法对实施例1-6以及对比例1-3中制备得到的水凝胶的性能进行测试，包括形状记忆率、拉伸形变和拉伸应力的测试，结果见表1。
表1水凝胶性能测试结果
试验例2
测定tocn-pam-gelatin复合水凝胶形状记忆过程的形变产生、固定和恢复以及复合水凝胶的形状记忆性能对比图，实施例7-15的测试结果如图1-图3所示，图1a为其中实施例7的测试状态图。
tocnx-pam-gelatiny，x为tocn相对于am单体质量的百分比(％)，y为gelatin的用量(mg/ml)。其中图1的水凝胶tocn0-pam-gelatin10、tocn1-pam-gelatin10、tocn3-pam-gelatin10、tocn5-pam-gelatin10，分别标记为tocn0、tocn1、tocn3、tocn5。水凝胶tocn5-pam-gelatin0、tocn5-pam-gelatin3、tocn5-pam-gelatin5、tocn5-pam-gelatin7、和tocn5-pam-gelatin10分别标记为gelatin0、gelatin3、gelatin5、gelatin7、gelatin10。
从图1可以看出，(1)复合凝胶具有较好的形状记忆功能。首先水凝胶卷曲成如图形状，放在冷水中定形，可以获得一个临时形状。当有临时形状的水凝胶样条放置在90℃的热水中，水凝胶样条会在较短时间内恢复到原来的状态。(2)水凝胶样条的形状记忆率受tocn含量的影响不大，主要由gelatin含量决定。tocn5/pam/gelatin10复合凝胶的形状记忆率约为65％，相较其他低含量的gelatin要高很多，不含明胶的复合凝胶不具有形状记忆的功能。所有这些被固定临时形状的凝胶都可在90℃的热水中恢复其原始形状。
由图2可以看出，tocn-pam-gelatin复合凝胶表现出较好的拉伸性能，复合凝胶可以比较容易的拉伸。此外tocn-pam-gelatin复合凝胶可以被塑造出各种复杂的形状。
从图3a可以看出，随着tocn含量的增加复合凝胶的最大拉伸应力和弹性模量也随之增加。gelatin的添加对于弹性模量和拉伸强度的提升有积极的影响。对于tocn5-pam-gelatin10复合凝胶其拉伸形变可以达到683％，拉伸应力为237kpa。这种具有形状记忆功能的高强度的水凝胶有望应用于生物医学领域，如组织工程、药物缓释、细胞培养支架以及软骨组织等。
综上所述，本发明提供的一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶，其通过在丙烯酰胺交联网络和明胶交联网络形成双网络水凝胶中负载氧化后的纳米纤维素形成复合水凝胶，具备很好的机械强度，同时改善了水凝胶的生物相容性和生物降解性。
本发明提供的一种纳米纤维素-聚丙烯酰胺-明胶复合水凝胶的制备方法，其通过将纤维素在氧化体系中进行氧化并均质后得到纳米纤维素，以纳米纤维和水混合后得到的纳米纤维素溶液原料，将其与明胶水分散液、丙烯酰胺、引发剂、交联剂和催化剂混合后得到混合溶液，将混合溶液在成型模具中反应后制备得到复合水凝胶。工艺简便易行，条件容易控制，制备得到的复合水凝胶具备很好的机械性能，可以在组织工程、药物缓释、细胞培养支架以及软物质驱动等领域得到广泛应用。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。