一种明胶基高强度水凝胶的制备方法与流程

本发明属于水凝胶材料制备技术领域，具体涉及一种明胶基高强度水凝胶的制备及力学性质调控的方法。

背景技术：

水凝胶是一种能够在水中溶胀保留大量的水，但是不溶于水的具有三维网络结构的聚合物材料，在药物传输、组织工程支架、人工关节软骨、柔性器件等方面有着广泛的应用前景，所以制备高强度和高韧性的水凝胶成为了近年来的研究热点。明胶是一种生物大分子，为胶原的降解产物，无毒，具有良好的生物相容性、生物可降解性和环境友好性。大部分以蛋白质为基础的水凝胶材料是低韧性和低强度的，明胶作为蛋白质基材料的一种，也具有以上缺点，这限制了其在组织工程支架、人工关节软骨、柔性器件等方面的应用。明胶基水凝胶力学性能增强与调控往往采用其它高分子材料共混，化学改性、交联等方法，这些方法往往操作繁琐，在改变其力学性质的同时也会导致材料化学组分的相应变化。材料的各种性质如降解性、生物相容性等往往与材料化学组成息息相关。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种明胶基高强度水凝胶的制备方法，解决了现有明胶基水凝胶力学性能差的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种明胶基高强度水凝胶的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将明胶超声分散到35℃～60℃的去离子水中，超声分散的时间为5min，之后将其倒入成型模具内，待明胶混合液完全成凝胶态后，将其浸泡在硫酸铵溶液中，得到明胶-硫酸铵凝胶；

步骤2，将经步骤1后得到的明胶-硫酸铵凝胶加入到硫酸铵溶液中进行加热，得到相分离明胶水凝胶；

步骤3，将经步骤2后得到的相分离明胶水凝胶浸泡在硫酸铵溶液中，即可获得增强的相分离明胶水凝胶。

本发明的特点还在于，

步骤1中，浸泡时间为5h～10h，明胶与去离子水的质量比为1～2：8～9。

步骤2中，加热温度为25℃～60℃，加热时间10s～300s。

步骤1、步骤2、步骤3中，硫酸铵溶液的质量百分浓度均为20％～40％。

步骤3中，浸泡时间为1h～48h，浸泡温度为1℃～25℃。

本发明的有益效果在于：

本发明方法在不改变明胶水凝胶的化学组成的情况下，通过改变加热温度和加热时间的方式调控明胶水凝胶的力学性能和孔隙形貌和孔隙尺度。另外，该方法操作简单，成本低廉，可进行大规模推广生产。

附图说明

图1是本发明实施例中制备的明胶基高强度水凝胶的sem图；

图2是本发明实施例中制备的明胶基高强度水凝胶的应力-应变测试图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种明胶基高强度水凝胶的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将明胶超声分散到35℃～60℃的去离子水中，超声分散的时间为5min，之后将其倒入成型模具内，待明胶混合液完全成凝胶态后，将其浸泡在硫酸铵溶液中，得到明胶-硫酸铵凝胶；

浸泡时间为5h～10h，硫酸铵溶液的质量百分浓度为20％～40％；

明胶与去离子水的质量比为1～2：8～9；

胶态凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10；

模具可由方形硅胶框与玻璃底板组成，从而获得具有规整形状的明胶凝胶；

步骤2，将经步骤1后得到的明胶-硫酸铵凝胶加入到硫酸铵溶液中进行加热，加热温度为25℃～60℃，加热时间10s～300s，得到相分离明胶水凝胶；

硫酸铵溶液的质量百分浓度为20％～40％；

明胶-硫酸铵凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10；

步骤3，将经步骤2后得到的相分离明胶水凝胶浸泡在硫酸铵溶液中，即可获得增强的相分离明胶水凝胶；

浸泡时间为1h～48h，浸泡温度为1℃～25℃；

硫酸铵溶液的质量百分浓度为20％～40％；明胶-凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10。

实施例1

本发明一种明胶基高强度水凝胶的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将明胶超声分散到50℃的去离子水中，超声分散的时间为5min，之后将其倒入成型模具内，待明胶混合液完全成凝胶态后，将其浸泡在硫酸铵溶液中，得到明胶-硫酸铵凝胶；

浸泡时间为8h，硫酸铵溶液的质量百分浓度为20％；

明胶与去离子水的质量比为1：8；

胶态凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10；

步骤2，将经步骤1后得到的明胶-硫酸铵凝胶加入到硫酸铵溶液中进行加热，加热温度为42℃，加热时间30s，得到相分离明胶水凝胶；

明胶-硫酸铵凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10；

步骤3，将经步骤2后得到的相分离明胶水凝胶浸泡在硫酸铵溶液中，即可获得增强的相分离明胶水凝胶；

浸泡时间为1h，浸泡温度为15℃；

硫酸铵溶液的质量百分浓度为20％；明胶-凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10。

该明胶基高强度水凝胶含水量为44.1％，拉伸强度为2.74mpa，破坏能为2160j/m²。

实施例2

本发明一种明胶基高强度水凝胶的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将明胶超声分散到35℃的去离子水中，超声分散的时间为5min，之后将其倒入成型模具内，待明胶混合液完全成凝胶态后，将其浸泡在硫酸铵溶液中，得到明胶-硫酸铵凝胶；

浸泡时间为5h，硫酸铵溶液的质量百分浓度为25％；

明胶与去离子水的质量比为1：9；

胶态凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10；

步骤2，将经步骤1后得到的明胶-硫酸铵凝胶加入到硫酸铵溶液中进行加热，加热温度为36℃，加热时间30s，得到相分离明胶水凝胶；

明胶-硫酸铵凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10；

步骤3，将经步骤2后得到的相分离明胶水凝胶浸泡在硫酸铵溶液中，即可获得增强的相分离明胶水凝胶；

浸泡时间为5h，浸泡温度为10℃；

硫酸铵溶液的质量百分浓度为25％；明胶-凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10。

该明胶基高强度水凝胶含水量为50.4％，拉伸强度为3.41mpa，破坏能为1457j/m²。

实施例3

本发明一种明胶基高强度水凝胶的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将明胶超声分散到40℃的去离子水中，超声分散的时间为5min，之后将其倒入成型模具内，待明胶混合液完全成凝胶态后，将其浸泡在硫酸铵溶液中，得到明胶-硫酸铵凝胶；

浸泡时间为7h，硫酸铵溶液的质量百分浓度为35％；

明胶与去离子水的质量比为2：9；

胶态凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10；

步骤2，将经步骤1后得到的明胶-硫酸铵凝胶加入到硫酸铵溶液中进行加热，加热温度为39℃，加热时间30s，得到相分离明胶水凝胶；

明胶-硫酸铵凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10；

步骤3，将经步骤2后得到的相分离明胶水凝胶浸泡在硫酸铵溶液中，即可获得增强的相分离明胶水凝胶；

浸泡时间为15h，浸泡温度为5℃；

硫酸铵溶液的质量百分浓度为35％；明胶-凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10。

该明胶基高强度水凝胶含水量为46.8％，拉伸强度为3.55mpa，破坏能为1888j/m²。

实施例4

本发明一种明胶基高强度水凝胶的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将明胶超声分散到50℃的去离子水中，超声分散的时间为5min，之后将其倒入成型模具内，待明胶混合液完全成凝胶态后，将其浸泡在硫酸铵溶液中，得到明胶-硫酸铵凝胶；

浸泡时间为9h，硫酸铵溶液的质量百分浓度为40％；

明胶与去离子水的质量比为2：8；

胶态凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10；

步骤2，将经步骤1后得到的明胶-硫酸铵凝胶加入到硫酸铵溶液中进行加热，加热温度为45℃，加热时间30s，得到相分离明胶水凝胶；

明胶-硫酸铵凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10；

步骤3，将经步骤2后得到的相分离明胶水凝胶浸泡在硫酸铵溶液中，即可获得增强的相分离明胶水凝胶；

浸泡时间为25h，浸泡温度为25℃；

硫酸铵溶液的质量百分浓度为40％；明胶-凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10。

该明胶基高强度水凝胶含水量为42.8％，拉伸强度为1.75mpa，破坏能为1760j/m²。

实施例5

本发明一种明胶基高强度水凝胶的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将明胶超声分散到60℃的去离子水中，超声分散的时间为5min，之后将其倒入成型模具内，待明胶混合液完全成凝胶态后，将其浸泡在硫酸铵溶液中，得到明胶-硫酸铵凝胶；

浸泡时间为10h，硫酸铵溶液的质量百分浓度为40％；

明胶与去离子水的质量比为2：9；

胶态凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10；

步骤2，将经步骤1后得到的明胶-硫酸铵凝胶加入到硫酸铵溶液中进行加热，加热温度为60℃，加热时间300s，得到相分离明胶水凝胶；

明胶-硫酸铵凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10；

步骤3，将经步骤2后得到的相分离明胶水凝胶浸泡在硫酸铵溶液中，即可获得增强的相分离明胶水凝胶；

浸泡时间为48h，浸泡温度为25℃；

硫酸铵溶液的质量百分浓度为40％；明胶-凝胶与硫酸铵溶液的质量比大于1：10。

本发明方法制备的明胶基高强度水凝胶的sem图，如图1所示，从图中可以看出，水凝胶样品表面具有均匀的孔径，从结构上证明了水凝胶的具有一定的力学性能。

本发明实施例1-4中制备的明胶基高强度水凝胶用于应力-应变测试中，明胶基高强度水凝胶的拉伸强度最大可达3.55mpa，如图2所示，从拉伸角度证明了明胶基高强度水凝胶的高强度和力学性能可调控性。

将本发明方法制备的相分离明胶水凝胶与纯的明胶凝胶(即未加硫酸铵的明胶凝胶)以及现有方法制备的硫酸铵明胶凝胶进行力学性能测试，如表1所示，由表1可知，本发明方法制备的明胶水凝胶的模量、断裂应力以及断裂应变均大于其他两种方法制备的明胶凝胶，这说明本发明方法制备的明胶基水凝胶力学性能均较好。

表1各类明胶水凝胶的力学性能测试结果

本发明方法在不改变明胶水凝胶的化学组成的情况下，通过改变加热温度和加热时间的方式调控明胶水凝胶的力学性能和孔隙形貌和孔隙尺度。另外，该方法操作简单，成本低廉，可进行大规模推广生产。