1.本发明属于高分子水凝胶技术领域，具体涉及一种基于氨基酸异氰酸酯类衍生物的高韧性复合水凝胶及其制备方法。
背景技术：2.水凝胶是由交联聚合物和丰富的水组成的三维网络，在生物传感器、组织工程、药物传递等领域受到广泛关注。然而，传统的化学交联水凝胶由于其拓扑结构的不均匀，且缺乏有效的能量耗散机制，其力学性能(如机械强度低、拉伸性能差、韧性差、自恢复性等)往往很差，很大程度上限制水凝胶材料的进一步应用。近年来，人们致力于开发具有高拉伸韧性、强弹性、抗疲劳性等综合力学性能的水凝胶。双网络(dn)水凝胶通过将脆性网络引入柔性网络以增韧水凝胶。在外应力下，脆性网络的共价键被破坏以耗散能量，而柔性网络吸收能量以防止裂纹扩展并保持水凝胶的完整性。然而，共价键的不可逆断裂会造成材料的永久性损伤，导致水凝胶的抗疲劳性能较差。为了解决这一问题，在水凝胶中引入物理可逆的“牺牲键”来代替不可逆的共价键是一种有效的策略。氢键、离子键、范德华相互作用、π-π相互作用和疏水相互作用等都是作为可逆“牺牲键”的潜在候选者。
3.作为主要的非共价相互作用，氢键在生物大分子的组装中起着重要作用。尽管单个氢键的键能很弱，但是大分子的聚集会形成多个氢键，具有与共价键相当的强度。研究表明，将多个氢键基元引入水凝胶是提高水凝胶强度和韧性的有效策略。荷兰埃因霍芬理工大学meijer教授和美国哈佛大学vlassak教授分别将2-脲基-4[1h]嘧啶酮(upy)引入聚合物的设计中，通过upy分子间的四重氢键交联作用制备了具有优异力学性能的水凝胶材料；天津大学刘文广教授设计制备了一系列具有多重氢键交联的氨基酸类衍生物聚合物水凝胶网络，具有较强的刚度、强度和韧性。然而，大多数韧性水凝胶是由生物相容性和生物降解性较差的合成聚合物制备的，因此限制了它们在生物医学领域的应用，并且现有的韧性水凝胶对裂纹的抵抗力较差，在多次机械载荷循环下仍然不可避免地产生疲劳断裂。同时，需要大量费时费力的有机合成实验去进行分子设计。因此，开发一种简单有效的方法来制备一种同时具有高韧性、抗疲劳性、良好生物相容性的水凝胶材料是至关重要的。
[0004]
基于氨基酸类衍生物的水凝胶，不仅能够形成多重氢键作为“牺牲键”提高水凝胶的韧性、强度和抗疲劳性，而且作为生物体内普遍存在的物质，氨基酸也具有良好的生物活性，因此有望提高水凝胶的生物相容性。
[0005]
2d合成纳米粘土，如锂皂石，具有圆盘状形态，并呈现边缘带正电，表面带负电的双电荷表面，可以与聚合物产生静电相互作用。聚合物和纳米粘土之间相互作用的解离可以耗散大量能量并延缓水凝胶网络的破坏，因此，锂皂石纳米片常被用作纳米填料来制备高强度的纳米凝胶。
技术实现要素：[0006]
本发明针对上述现有技术的不足，提供一种复合水凝胶，将氨基酸异氰酸酯类衍生物作为氢键增强基元进行自由基聚合，增强其生物相容性，或者与水溶性丙烯酰胺类单体进行自由基聚合，也可以引入纳米粘土作为无机填料以增强水凝胶的强度及韧性，弥补了现有技术中韧性水凝胶一方面生物相容性和生物降解性差，另一方面抗疲劳性和自恢复性较差，导致其无法在人体组织的连续运动中保持稳定的机械强度，限制了其在生物医学领域方面的应用的缺陷。
[0007]
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0008]
本发明提供一种基于氨基酸异氰酸酯类衍生物的高韧性复合水凝胶及其制备方法，所述高韧性复合水凝胶：
[0009]
由
①
在纳米粘土的水性悬浊液中，加入氨基酸异氰酸酯类衍生物进行自由基聚合获得，所述纳米粘土的水性悬浊液的质量分数大于0且小于等于8％，所述氨基酸异氰酸酯类衍生物的添加量为0.01-3mol/l。
[0010]
或者由
②
在氨基酸异氰酸酯类衍生物的水溶液中加入水溶性丙烯酰胺类单体进行自由基聚合获得，所述氨基酸异氰酸酯类衍生物的水溶液浓度为0.01～3mol/l，所述水溶性丙烯酰胺类单体的添加量为大于0且小于等于6mol/l。
[0011]
或者由
③
在纳米粘土的水性悬浊液中，加入氨基酸异氰酸酯类衍生物和水溶性丙烯酰胺类单体进行自由基聚合获得，所述纳米粘土的水性悬浊液的质量分数大于0且小于等于8％，所述氨基酸异氰酸酯类衍生物的添加量为0.01-3mol/l，所述水溶性丙烯酰胺类单体的添加量为大于0且小于等于6mol/l。
[0012]
进一步地，所述氨基酸异氰酸酯类衍生物选自：
[0013][0014]
进一步地，所述水溶性丙烯酰胺类单体选自丙烯酰胺、n,n-二甲基丙烯酰胺、n-(2-氨基乙基)丙烯酰胺。
[0015]
进一步地，所述纳米粘土为锂皂石。
[0016]
上述高韧性复合水凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
[0017]
(1)将纳米粘土充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液；
[0018]
(2)将水溶性丙烯酰类单体和氨基酸异氰酸酯类衍生物溶解于粘土悬浮液中，涡旋振荡后使其混合均匀得到混合液；
[0019]
(3)待步骤(2)中混合液待恢复至室温后，加入引发剂，混合均匀经过处理后得到高韧性复合水凝胶；所述处理方式选自a)加入引发剂促进剂，然后一定温度下静置一定时间；b)经紫外灯照射。
[0020]
在本发明的技术方案中，步骤(1)中所述水性悬浮液中纳米粘土的浓度为0-8wt％，步骤(2)得到的混合液中所述氨基酸异氰酸酯类衍生物的浓度为0.01-3mol/l，所述水溶性丙烯酰类单体的浓度为0～6mol/l。当纳米粘土的使用量为0时，省去步骤(1)，步骤(2)中将水溶性丙烯酰类单体和氨基酸异氰酸酯类衍生物溶解于去离子水中。
[0021]
在本发明的技术方案中，所述引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化苯甲酰、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、光引发剂2959、光引发剂1173。
[0022]
在本发明的技术方案中，所述引发剂的添加量为所述水溶性丙烯酰胺类单体与所述氨基酸异氰酸酯类衍生物质量之和的0.5～2％。
[0023]
在本发明的技术方案中，所述引发剂促进剂为n，n，n，n-四甲基乙二胺，所述引发剂促进剂的的添加量为所述引发剂质量的0～30％。
[0024]
在本发明的技术方案中，步骤(2)中聚合温度选自20～80℃。
[0025]
在本发明的技术方案中，步骤(2)中聚合反应时间为20min～24h。
[0026]
上述技术方案具有如下优点或者有益效果：本发明提供了一种基于氨基酸异氰酸酯类衍生物的高韧性复合水凝胶及其制备方法，本发明通过氨基酸异氰酸酯类衍生物作为氢键增强基元进行自由基聚合，或者与水溶性丙烯酰胺类单体进行自由基聚合获得水凝胶，也可以引入纳米粘土作为无机填料，获得的水凝胶不仅细胞毒性小，具有良好的生物相容性，而且具有优异的综合力学性能，具体表现为具有优异的拉伸强度、拉伸模量、断裂韧性和抗疲劳性；本发明提供的粘土基纳米复合水凝胶原料廉价易得，制备步骤方便简单，具有较高的经济效益有望应用于生物医用、组织工程、柔性传感等领域。
附图说明
[0027]
图1是实施例1-4中不同浓度的纳米粘土制备的高韧性复合水凝胶的应力-应变曲线。
[0028]
图2是实施例1-4中不同浓度的纳米粘土制备的高韧性复合水凝胶的断裂能。
[0029]
图3是实施例3中的高韧性复合水凝胶的抗疲劳性测试曲线。
[0030]
图4是实施例1中的高韧性复合水凝胶的细胞毒性测试。
[0031]
图5是实施例3中的高韧性复合水凝胶的细胞毒性测试。
具体实施方式
[0032]
下述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下提供的本发明实施例中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。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0033]
本发明中所提到的氨基酸异氰酸酯类衍生物根据专利文献申请号：
201780054487.3(申请公布号cn109689189a，官能化共聚物及其使用)中所记载的的方法获得。在本发明所提供的实施方案中，可用的氨基酸异氰酸酯类衍生物如下：
[0034][0035]
本发明的实施方式中，在某些实施方案里，高韧性复合水凝胶是由水溶性丙烯毗胺类单体与氨基酸异氰酸酯类衍生物在纳米粘土的水性悬浊液中进行自由基聚合；在某些实施方案里，高韧性复合水凝胶是由氨基酸异氰酸酯类衍生物在纳米粘土的水性悬浊液中进行自由基聚合；而在某些实施方案里，高韧性复合水凝胶是由水溶性丙烯酰胺类单体与氨基酸异氰酸酯类衍生物在去离子水中进行自由基聚合。
[0036]
实施例1：
[0037]
将532.5mg丙烯酰胺与85.75mg iem-谷氨酰胺在60℃下共同溶解于去离子水中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中丙烯酰胺的浓度为3mol/l，iem-谷氨酰胺的浓度为0.14mol/l，待其完全溶解且溶液温度冷却至室温后，依次加入6.18mg过硫酸铵作为引发剂和1.85mg n，n，n，n-四甲基乙二胺作为引发剂促进剂，混合均匀后放入60℃的烘箱中静置3小时，得到高韧性复合水凝胶，所得水凝胶拉伸性能如图1所示，断裂能如图2所示，细胞毒性测试见图4。
[0038]
实施例2：
[0039]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为3％。将532.5mg丙烯酰胺与85.75mg iem-谷氨酰胺在60℃下共同溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中丙烯酰胺的浓度为3mol/l，iem-谷氨酰胺的浓度为0.14mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，依次加入6.18mg过硫酸铵作为引发剂和1.85mg n，n，n，n-四甲基乙二胺作为引发剂促进剂，混合均匀后放入60℃的烘箱中静置3小时，得到高韧性复合水凝胶，所得水凝胶拉伸性能如图1所示，断裂能如图2所示。
[0040]
实施例3：
[0041]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为5％。将532.5mg丙烯酰胺与85.75mg iem-谷氨酰胺在60℃下共同溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中丙烯酰胺的浓度为3mol/l，iem-谷氨酰
胺的浓度为0.14mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，依次加入6.18mg过硫酸铵作为引发剂和1.85mg n，n，n，n-四甲基乙二胺作为引发剂促进剂，混合均匀后放入60℃的烘箱中静置3小时，得到高韧性复合水凝胶，所得水凝胶拉伸性能如图1所示，断裂能如图2所示，抗疲劳性如图3所示，细胞毒性测试见图5。
[0042]
实施例4：
[0043]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为7％。将532.5mg丙烯酰胺与85.75mg iem-谷氨酰胺在60℃下共同溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中丙烯酰胺的浓度为3mol/l，iem-谷氨酰胺的浓度为0.14mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，依次加入6.18mg过硫酸铵作为引发剂和1.85mg n，n，n，n-四甲基乙二胺作为引发剂促进剂，混合均匀后放入60℃的烘箱中静置3小时，得到高韧性复合水凝胶，所得水凝胶拉伸性能如图1所示，断裂能如图2所示。
[0044]
实施例5：
[0045]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为5％。将355mg丙烯酰胺与85.75mg iem-谷氨酰胺在60℃下共同溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中丙烯酰胺的浓度为2mol/l，iem-谷氨酰胺的浓度为0.14mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，依次加入4.4mg过硫酸铵作为引发剂和1.32mg n，n，n，n-四甲基乙二胺作为引发剂促进剂，混合均匀后放入60℃的烘箱中静置3小时，得到高韧性复合水凝胶。
[0046]
实施例6：
[0047]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为5％。将710mg丙烯酰胺与85.75mg iem-谷氨酰胺在60℃下共同溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中丙烯酰胺的浓度为4mol/l，iem-谷氨酰胺的浓度为0.14mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，依次加入7.96mg过硫酸铵作为引发剂和2.39mg n，n，n，n-四甲基乙二胺作为引发剂促进剂，混合均匀后放入60℃的烘箱中静置3小时，得到高韧性复合水凝胶。
[0048]
实施例7：
[0049]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为5％。将887.5mg丙烯酰胺与85.75mg iem-谷氨酰胺在60℃下共同溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中丙烯酰胺的浓度为5mol/l，iem-谷氨酰胺的浓度为0.14mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，依次加入9.73mg过硫酸铵作为引发剂和2.92mg n，n，n，n-四甲基乙二胺作为引发剂促进剂，混合均匀后放入60℃的烘箱中静置3小时，得到高韧性复合水凝胶。
[0050]
实施例8：
[0051]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为5％。将532.5mg丙烯酰胺与12.25mg iem-谷氨酰胺在60℃下共同溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中丙烯酰胺的浓度为3mol/l，iem-谷氨酰胺的浓度为0.02mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，依次加入5.45mg过硫酸铵作为引发剂和1.63mg n，n，n，n-四甲基乙二胺作为引发剂促进剂，混合均匀后放入60℃的烘
箱中静置3小时，得到高韧性复合水凝胶。
[0052]
实施例9：
[0053]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为5％。将532.5mg丙烯酰胺与36.75mg iem-谷氨酰胺在60℃下共同溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中丙烯酰胺的浓度为3mol/l，iem-谷氨酰胺的浓度为0.06mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，依次加入5.69mg过硫酸铵作为引发剂和1.71mg n，n，n，n-四甲基乙二胺作为引发剂促进剂，混合均匀后放入60℃的烘箱中静置3小时，得到高韧性复合水凝胶。
[0054]
实施例10：
[0055]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为5％。将532.5mg丙烯酰胺与61.25mg iem-谷氨酰胺在60℃下共同溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中丙烯酰胺的浓度为3mol/l，iem-谷氨酰胺的浓度为0.10mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，依次加入5.94mg过硫酸铵作为引发剂和1.78mg n，n，n，n-四甲基乙二胺作为引发剂促进剂，混合均匀后放入60℃的烘箱中静置3小时，得到高韧性复合水凝胶。
[0056]
实施例11：
[0057]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为5％。将532.5mg丙烯酰胺与110.25mg iem-谷氨酰胺在60℃下共同溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中丙烯酰胺的浓度为3mol/l，iem-谷氨酰胺的浓度为0.18mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，依次加入6.43mg过硫酸铵作为引发剂和1.93mg n，n，n，n-四甲基乙二胺作为引发剂促进剂，混合均匀后放入60℃的烘箱中静置3小时，得到高韧性复合水凝胶。
[0058]
实施例12：
[0059]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为4％。将710mg丙烯酰胺与32mg iem-苯丙氨酸在60℃下共同溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中丙烯酰胺的浓度为3mol/l，iem-苯丙氨酸的浓度为0.04mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，加入7.42mg光引发剂2959，混合均匀后紫外灯照射2小时，得到高韧性复合水凝胶。
[0060]
实施例13：
[0061]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为6％。将1.725g iem-甘氨酸溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中iem-甘氨酸的浓度为3mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，加入17.25mg光引发剂1173，混合均匀后紫外灯照射4小时，得到高韧性复合水凝胶。
[0062]
实施例14：
[0063]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为5％。将887.5mg丙烯酰胺与385.75mg iem-天冬酰胺在80℃下共同溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中丙烯酰胺的浓度为5mol/l，iem-天冬酰胺的浓度为0.5mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，依次加入12.73mg偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐作为引发剂和3.82mg n，n，n，n-四甲基乙二胺作为引发剂促进剂，混合均
匀后放入80℃的烘箱中静置6小时，得到高韧性水凝胶。
[0064]
实施例15：
[0065]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为2％。将1.065g丙烯酰胺与680mg iem-缬氨酸在80℃下共同溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中丙烯酰胺的浓度为6mol/l，iem-缬氨酸的浓度为1mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，依次加入17.45mg过硫酸钾作为引发剂和5.24mg n，n，n，n-四甲基乙二胺作为引发剂促进剂，混合均匀后放入80℃的烘箱中静置4小时，得到高韧性复合水凝胶。
[0066]
实施例16：
[0067]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为8％。将495mg n,n-二甲基丙烯酰胺与143mg iem-亮氨酸在60℃下共同溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中n,n-二甲基丙烯酰胺的浓度为2mol/l，iem-亮氨酸的浓度为0.2mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，依次加入6.38mg过硫酸钾作为引发剂和1.91mg n，n，n，n-四甲基乙二胺作为引发剂促进剂，混合均匀后放入60℃的烘箱中静置6小时，得到高韧性复合水凝胶。
[0068]
实施例17：
[0069]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为8％。将1.065g丙烯酰胺与1.22g iem-丙氨酸在60℃下共同溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中丙烯酰胺的浓度为6mol/l，iem-丙氨酸的浓度为2mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，加入22.85mg光引发剂2959，混合均匀紫外灯照射1小时，得到高韧性复合水凝胶。
[0070]
实施例18：
[0071]
将1.485g n,n-二甲基丙烯酰胺与228mg iem-甲硫氨酸在60℃下共同溶解于去离子水中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中n,n-二甲基丙烯酰胺的浓度为6mol/l，iem-甲硫氨酸的浓度为0.3mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，加入17.13mg光引发剂1173，混合均匀后紫外灯照射1小时，得到高韧性水凝胶。
[0072]
实施例19：
[0073]
将纳米粘土(锂皂石)充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液，使纳米粘土的质量分数为5％。将495mg n,n-二甲基丙烯酰胺与84mg iem-酪氨酸在80℃下共同溶解于纳米粘土悬浮液中，涡旋使其混合均匀，使得在溶液中n,n-二甲基丙烯酰胺的浓度为2mol/l，iem-酪氨酸的浓度为0.1mol/l，完全溶解后，待溶液温度冷却至室温，依次加入5.79mg偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐作为引发剂和1.74mg n，n，n，n-四甲基乙二胺作为引发剂促进剂，混合均匀后放入80℃的烘箱中静置24小时，得到高韧性复合水凝胶。
[0074]
图1为实施例1-4中不同浓度的纳米粘土制备的高韧性复合水凝胶的应力-应变曲线，从中可以得到拉伸强度在106-155kpa之间，断裂伸长率在1348％-1682％之间。
[0075]
图2为实施例1-4中不同浓度的纳米粘土制备的高韧性复合水凝胶的断裂能测试，断裂能为2000-3200j/m2，与双网络水凝胶(～10
2-104j/m2)，关节软骨(～10
2-103j/m2)的断裂能相当。
[0076]
图3为实施例3中的高韧性复合水凝胶的抗疲劳断裂性能测试。结果显示将有缺口
的水凝胶循环拉伸50次，在第五次之后所有的应力-应变曲线几乎重合，说明应力几乎没有减小，而现有的韧性水凝胶再重复载荷下仍然会发生疲劳断裂，因此本发明提供的高韧性复合水凝胶具有很强的抗疲劳断裂性。
[0077]
图4、5是根据mtt法对实施例1、实施例3的细胞毒性测试，测试方法为：将高韧性水凝胶在dmem培养基中浸泡24小时，然后收集上清液用mtt法进行检测，浓度定义为水凝胶质量与培养基体积的比值。不同浓度的高韧性复合水凝胶的细胞活力均在80％以上，说明该材料具有良好的细胞相容性。
[0078]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。