基于全物理交联的双网络结构高分子水凝胶的制备方法与流程

本发明属于高分子材料、自由基聚合化学、生物材料领域，特别是涉及一种基于全物理交联的双网络结构高分子水凝胶的制备方法。

背景技术：

水凝胶作为一种高含水量的特殊功能高分子材料，具有优异的生物相容性，在生物材料，组织工程，仿生材料，智能材料，载药，细胞培育等领域被广泛研究与应用。但是在一些应用领域，如仿生材料，组织工程等，需要水凝胶能够承受较大的形变及较高的应力。但是一般水凝胶机械性较差，难以承受大的形变或应力，极大的限制了水凝胶在这些领域的应用与研究。

新兴的双网络水凝胶被认为是强度最高的合成软材料，相对于其他高强度水凝胶而言。在2003年，第一个双网络水凝胶pamps/paam被龚剑萍教授和其合作者采用两步连续自由基聚合法合成，该水凝胶以poly(2-acrylamido-2-methyl-prop-anesulfonicacid)(pamps)作为第一网络，polyacrylamide(paam)作为第二网络[advancedmaterials,2003,15(14):1155-1158]。从那时起，不同的双网络水凝胶通过不同的方法被合成出来，这些水凝胶包括，微凝胶增强dn水凝胶、逆dn水凝胶、层状双层dn水凝胶、多糖基混合dn水凝胶等，机械性能表现都非常优异。双网络水凝胶的增强增韧机理，普遍被认为是第一网络为刚性紧密的，第二网络为柔性松散的，利用第一网络的断裂消散能量，同时增加水凝胶裂纹生长阻力。通过在聚合物基体中添加无机纳米材料也能增强水凝胶的机械性能，例如用片层粘土，石墨烯等二维纳米材料作物理交联剂，通过原位聚合或共混与聚合物形成三维网络结构。而若形成可逆非共价键作用，则可使水凝胶具有自修复功能。

聚乙烯醇(pva)水凝胶因为具有良好的生物相容性和非毒性，所以已经被广泛研究，它被认为是一种最合适生物医学应用的水凝胶材料[springer,cham,2014:283-321]。此外，pva水凝胶具有许多优异性能，如较高的机械强度，透光性和渗透性。此外，在适当条件下制备的pva水凝胶已被证明能够实现自我修复，具有良好的自修复能力。pva水凝胶是通过一定的交联方法将pva分子间相互连接组成三维网络结构制备而成的。pva水凝胶的制备按其交联方法可以分为化学交联、辐射交联、物理交联。其中物理交联法是指将pva溶液在低温和室温下反复冷冻/解冻，使材料内部形成微晶区作为物理交联点，由此而得到三维网络结构使pva水凝胶的力学强度得到明显增强。同化学交联、辐射交联等方法相比，物理交联法得到的pva水凝胶由于不需要添加任何化学试剂，具有良好的生物相容性，因而利用低温冷冻解冻法制备的pva水凝胶被广泛应用于生物医学材料、药物输送、组织工程等医用领域，在过去几年吸引了很多科学家的关注。

rds溶胶型锂藻土是一种人工合成的纳米粒子，在水中可以剥离分散，呈厚度1nm、直径25～30nm的圆片，粒径具有单分散性；重叠堆砌成层状结构，形成悬浮液；圆片边缘带正电荷而表面带负电荷。锂藻土可以与丙酰胺类单体采用原位自由基聚合的方法合成聚合物/锂藻土纳米粒子复合水凝胶[macromolecul-es,2003,36(15):5732-5741]。纳米粒子复合水凝胶具有优异的拉伸强度，断裂伸长率几乎是通常化学交联水凝胶的20倍[advancedmaterials,2002,14(16):1120-1124]。纳米复合凝胶选择纳米粘土为物理交联剂，代替传统的化学交联剂，制得的纳米复合水凝胶具有优越的性质，如更好的粘性、更强的韧性、更大的透明度等，使得凝胶系统在生物工程及再生医学领域的应用得到进一步拓展。

除此之外，至今还没有文献或专利报道过以纳米锂藻土/聚丙烯酰胺为刚性第一网络和以聚乙烯醇交联网为柔性第二网络的双网络水凝胶。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是：提供一种操作简单、易于控制、成本低廉和可重复性好的基于全物理交联的双网络结构高分子水凝胶的制备方法。

本发明的技术原理：pva水凝胶具有良好的生物相容性和非毒性，在适当条件下制备的pva水凝胶已被证明能够实现自我修复，具有良好的自修复能力。pva水凝胶是通过一定的交联方法将pva分子间相互连接组成三维网络结构制备而成的。pva水凝胶的制备按其交联方法可以分为化学交联、辐射交联、物理交联。其中物理交联法是指将pva溶液在低温和室温下反复冷冻/解冻，使pva分子链中大量的羟基之间形成氢键，从而使材料内部形成微晶区作为物理交联点，由此而得到三维网络结构使pva水凝胶的力学强度得到明显增强。rds溶胶型锂藻土是一种人工合成的纳米粒子，在水中可以剥离分散，呈厚度1nm、直径25～30nm的圆片，粒径具有单分散性；重叠堆砌成层状结构，形成悬浮液；圆片边缘带正电荷而表面带负电荷。锂藻土可以与丙酰胺类单体采用原位自由基聚合的方法合成聚合物/锂藻土纳米粒子复合水凝胶。从而合成聚乙烯醇/聚丙烯酰胺-锂藻土全物理交联双网络水凝胶。

本发明为解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的基于全物理交联的双网络结构高分子水凝胶的制备方法，具体是：利用无机纳米粒子锂藻土作为物理交联点，通过自由基聚合制备纳米锂藻土/聚丙烯酰胺第一网络，再通过冷冻/解冻循环法使聚乙烯醇物理交联得到第二网络，从而以两步法合成聚乙烯醇/聚丙烯酰胺-锂藻土全物理交联双网络水凝胶，该水凝胶的原料组成为锂藻土、丙烯酰胺、聚乙烯醇。

所述的基于全物理交联的双网络结构高分子水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

1)聚乙烯醇溶液的配制：

将聚乙烯醇加入定量的水中配制质量分数为10～20wt％，在95～97℃下剧烈搅拌8～12小时至聚乙烯醇完全分散在水中，得到聚乙烯醇溶液；

2)锂藻土分散液的制备：

将0.05～0.25g的锂藻土加入6～14ml的水中，然后超声分散50～60分钟至锂藻土完全溶解于水中；

3)双网络水凝胶第一网络的制备：

在步骤2)制备的锂藻土分散液中加入2～10g的丙烯酰胺，充分搅拌30～50分钟，使其溶解于溶液中，然后将其缓慢加入6～14ml步骤1)配制的聚乙烯醇分散液中，搅拌50～70分钟，使两种溶液充分混合，形成均一溶液，再向均一溶液中加入1～2ml质量浓度为1.0～2.0g/100ml的过硫酸铵水溶液，再将体系抽真空20～30分钟，除去体系中的气泡，然后将水凝胶预溶液注入适当的模具中，把其放置在60～70℃的环境中反应6～7小时，使丙烯酰胺进行自由基聚合，聚合完成之后，第一网络形成；

4)水凝胶第二网络的形成：

将水凝胶冷冻/解冻循环1～3次，每次循环在-20～-16℃下冷冻12～16小时，在15～25℃下解冻8～12小时，形成第二网络，将水凝胶从模具中取出。

上述方法中，锂藻土型号为rds型。

上述方法中，使用的丙烯酰胺其cas号为79-06-1。

上述方法中，使用的聚乙烯醇为聚乙烯醇1799型，其cas号为9002-89-5，醇解度为98～99％。

本发明提供的上述方法制备的基于全物理交联的双网络结构高分子水凝胶，其在药物输送及控制释放、组织工程、生物仿生、人工肌肉或生物传感器中有广阔的应用前景。

本发明方法与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.该方法是利用无机纳米粒子锂藻土作为物理交联点，通过自由基聚合制备纳米锂藻土/聚丙烯酰胺第一网络，再通过冷冻/解冻循环法使聚乙烯醇物理交联得到第二网络，是一种新颖和独特的能够在不添加任何有毒化学试剂的条件下制备双网络水凝胶的方法。

2.该方法制备的双网络水凝胶材料具有全物理交联双网络结构，具有更优异的韧性(断裂能高达3000kj/m^-3)、抗疲劳性、快速回复性和自愈性。

3.该方法所用的聚乙烯醇有良好的生物相容性和非毒性，同时具有较高的机械强度(拉伸强度高达1153kpa，断裂伸长率为505％)，透光性和渗透性等优点，因此有利于所制备的双网络水凝胶被广泛应用于生物医疗领域。

4.该方法具有操作简单，易于控制，制备条件温和(室温下进行原料混合、注模)，时间和空间可操控性及选择性，可重复性好，绿色环保，仪器设备简单，成本低廉等优点。

5.该方法制备的基于全物理交联的双网络结构高分子水凝胶在药物输送及控制释放、组织工程、生物仿生、人工肌肉及生物传感器等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是实施例1水凝胶样品的力学性能测试结果。

图2是部分样品的实物图，其中：图2-(a)为水凝胶样品图，图2-(b)为水凝胶弯折时，图2-(c)为水凝胶未被拉伸时，图2-(d)为水凝胶被拉伸时。由图2-(a)、图2-(b)可知，本发明制备的水凝胶样品是呈透明色的柱形胶状物质，弯折时柔韧性良好。由图2-(c)、图2-(d)可知，水凝胶样品在被拉伸时表现出了很好的弹性。

具体实施方式

本发明公开的基于全物理交联的双网络结构高分子水凝胶的制备方法，该制备方法中，基于高分子聚合物中大量的羟基与酰胺基之间易形成氢键和rds溶胶型锂藻土可作为聚丙烯酰胺网络的物理交联点的特点，通过自由基聚合制备纳米锂藻土/聚丙烯酰胺第一网络，再通过冷冻/解冻循环法使聚乙烯醇物理交联得到第二网络，从而以两步法合成聚乙烯醇/聚丙烯酰胺-锂藻土全物理交联双网络水凝胶(pva/clay-pamdn凝胶)。

pva/clay-pamdn凝胶将无机纳米粒子引入到水凝胶体系，因此该水凝胶将具有有机/无机纳米复合水凝胶的特点。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，当然下述实施例不应理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例提供的基于全物理交联的双网络结构高分子水凝胶的制备方法，包括如下具体步骤：

1)聚乙烯醇溶液的配制：

将一定量聚乙烯醇加入定量的去离子水中，使溶液的质量分数为20wt％，在96℃下剧烈搅拌10小时至聚乙烯醇完全分散在水中，得到聚乙烯醇溶液；

2)rds锂藻土分散液的制备：

将0.10g的rds锂藻土加入10ml的水中，然后超声分散55分钟至rds锂藻土完全溶解于水中；

3)双网络水凝胶第一网络的制备：

在步骤2)制备的质量浓度为0.10g/10ml的rds锂藻土分散液中加入4g的丙烯酰胺，充分搅拌40分钟，使其溶解于溶液中，然后将其缓慢加入10ml步骤1)配制的质量分数为20wt％的聚乙烯醇分散液中，搅拌60分钟，使两个溶液充分混合，形成均一溶液，再向均一溶液中加入1ml质量浓度为2.0g/100ml的过硫酸铵水溶液，再将体系抽真空25分钟，除去体系中的气泡，然后将水凝胶预溶液注入适当的模具中，把其放置在60℃的环境中反应6小时，使丙烯酰胺进行自由基聚合，聚合完成之后，第一网络形成；

4)双网络水凝胶第二网络的形成：

将步骤3)获得的水凝胶进行冷冻/解冻循环3次，每次循环在-18℃下冷冻14小时，在15℃下解冻10小时，形成第二网络，然后将其从模具中取出。

图1是本发明实施例1所制备的水凝胶进行力学性能测试的结果，由图1可以发现，该方法制备的水凝胶具有优异的力学性能，其断裂强度为1153kpa，断裂伸长率为505％。断裂功为2710kj/m^-3。

实施例2

本实施例提供的基于全物理交联的双网络结构高分子水凝胶的制备方法，包括如下具体步骤：

1)聚乙烯醇溶液的配制：

将一定量聚乙烯醇加入定量的去离子水使溶液的质量分数为10wt％，在97℃下剧烈搅拌12小时至聚乙烯醇完全分散在水中，得到聚乙烯醇溶液；

2)rds锂藻土分散液的制备：

将0.25g的rds锂藻土加入6ml的水中，然后超声分散60分钟至rds锂藻土完全溶解于水中；

3)双网络水凝胶第一网络的制备：

在步骤2)制备的质量浓度为0.42g/10ml的rds锂藻土分散液中加入10g的丙烯酰胺，充分搅拌50分钟，使其溶解于溶液中，然后将其缓慢加入14ml步骤1)配制的质量分数为10wt％的聚乙烯醇分散液中，搅拌70分钟，使两个溶液充分混合，形成均一溶液，再向均一溶液中加入2ml质量浓度为3.0g/100ml的过硫酸铵水溶液，再将体系抽真空30分钟，除去体系中的气泡，然后将水凝胶预溶液注入适当的模具中，把其放置在65℃的环境中反应7小时，使丙烯酰胺进行自由基聚合，聚合完成之后，第一网络形成；

4)水凝胶第二网络的形成：水凝胶第二网络的形成。将水凝胶冷冻/解冻循环4次，每次循环在-16℃下冷冻16小时，在25℃下解冻8小时，形成第二网络，将水凝胶从模具中取出。

实施例3

本实施例提供的基于全物理交联的双网络结构高分子水凝胶的制备方法，包括如下具体步骤：

1)聚乙烯醇溶液的配制：

将一定量聚乙烯醇加入定量的去离子水中使溶液的质量分数为15wt％，在95℃下剧烈搅拌8小时至聚乙烯醇完全分散在水中，得到聚乙烯醇溶液；

2)rds锂藻土分散液的制备：

将0.05g的rds锂藻土加入14ml的水中，然后超声分散50分钟至rds锂藻土完全溶解于水中；

3)双网络水凝胶第一网络的制备：

在步骤2)制备的质量浓度为0.036g/10ml的rds锂藻土分散液中加入2g的丙烯酰胺，充分搅拌30分钟，使其溶解于溶液中，然后将其缓慢加入6ml步骤1)配制的质量分数为15wt％的聚乙烯醇分散液中，搅拌50分钟，使两个溶液充分混合，形成均一溶液，再向均一溶液中加入0.5ml质量浓度为1.0g/100ml的过硫酸铵水溶液，再将体系抽真空20分钟，除去体系中的气泡，然后将水凝胶预溶液注入适当的模具中，把其放置在70℃的环境中反应5小时，使丙烯酰胺进行自由基聚合，聚合完成之后，第一网络形成；

4)水凝胶第二网络的形成：

水凝胶第二网络的形成。将水凝胶冷冻/解冻循环1次，每次循环在-20℃下冷冻12小时，在20℃下解冻12小时，形成第二网络，将水凝胶从模具中取出。

由上述实施例可知：本发明操作简单，易于控制，仪器设备简单，制备条件温和，具有时间和空间的可操控性及选择性，可重复性好，绿色环保，成本低廉等。本发明制备的基于全物理交联的双网络结构高分子水凝胶在药物输送及控制释放、组织工程、生物仿生、人工肌肉及生物传感器等领域具有广阔的应用前景。