一种海藻酸钠琼脂双网络高强天然水凝胶材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种海藻酸钠琼脂双网络高强天然水 凝胶材料的制备方法。
【背景技术】
[0002] 水凝胶作为一种由亲水高分子的三维交联网络组成含水量高达50~90 %的软材 料，与生物软组织具有相似的性能，在生物软组织替代材料领域有广泛的应用前景。特别是 双网络水凝胶这种具有高强度、高含水量以及低摩擦性能的软材料，是优良的软骨组织替 代材料。近年来在具有高强度的双网络水凝胶制备方面不断取得令人瞩目的进展:PEGMA/ PAA 双网络水凝胶（Sina Naficy, Joselito M.Razal, Philip G.Whitten, Gordon G .Wallace，Geoffrey M. Spinks · Polymer Physics，2012，50,423-430)、SA/PAAm双网络水 凝胶（Xuefeng Li , Chu Wu, Cheng Jiang , Qianwen Chen ,Dan Zhou . International Journal of Polymer Analysis and Characterization,2013,18(7):504-509)nPAMPS/ PDMAAm双网络水凝胶（Katsuhisa Yoshikawa，Nobuto Kitamura，TakayukiKurokawa，Jian Ping Gong,Yutaka Nohara and Kazunori Yasuda.BMC Musculoskeletal Disorders, 2013，14(15))、AGAR/PAAm双网络水凝胶（Qiang Chen,Lin Zhu,Chao Zhao,Qiuming Wang, and Jie Zheng.Advance Materials, 2013,25:4171_4176)、PVA/PAAm 双网络水凝胶 (Jiangyu Li ,Zhigang Suo , Joost J.Vlassak.Journal of Materials Chemistry B. 2014,2: 6708-6713)、roGI/PAAm 双网络水凝胶（Xufeng Li, Takayuki Kurokawa，Riku Takahashi,Md.Anamual Haque,Youf eng Yue,Tasuku Nakaj ima, and Jian Ping Gong.Macromolecules ,2015,48:2277-2282)等。这些双网络水凝胶的制备过程中均采用化 学单体及化学交联机理，需使用化学交联剂、引发剂，通过化学反应制得的双网络水凝胶， 这类人工合成水凝胶虽然具有较好力学性能，但是产物经过充分纯化后生物相容性还达不 到要求，作为软组织的替代材料还有一定差距。Agar/Na-Alg-graft-PAAm水凝胶 (Ramavatar Meena,Mahesh Chhatbar,Kamalesh Prasad and Arup K Siddhanta.Polymer International, 2008,57:329-336)、琼脂/胶原复合水凝胶(朱琳，贺健康，刘亚雄，曲晓丽， 占利，李涤尘，靳忠民.西安交通大学学报，2013,47(10) :121-127)，这些水凝胶虽然主体采 用天然材料使材料在生物相容性方面有所优化，但交联手段单一，与典型的双网络水凝胶 相比力学性能较差，也满足不了软组织的替代材料的要求。因此研发一种具有优异力学性 能和生物相容性的高强全天然水凝胶已成为一项迫切和重要的工作。
[0003] 上述双网络水凝胶均使用了化学单体及化学交联，化学交联被破坏后无法重建。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种高强度，制备方法操作简便，耗时 短，可重复性强，适用于大规模生产，材料具有良好的生物相容性的海藻酸钠琼脂双网络高 强天然水凝胶材料的制备方法。
[0005] 本发明的目的的实现方式为，一种海藻酸钠琼脂双网络高强天然水凝胶材料的制 备方法，具体步骤如下：
[0006] 1)海藻酸钠加入去离子水中，在65°C水浴中搅拌30分钟使之充分溶解，得到海藻 酸钠溶液;将琼脂加入去离子水中，在95°C水浴中搅拌30分钟，使之充分溶解于去离子水， 得到琼脂溶液；
[0007] 所述海藻酸钠溶液的质量分数为2.85%，琼脂溶液的质量分数为5.21~14.53% ; [0008] 2)将步骤1)的琼脂溶液加入到海藻酸钠溶液中，在65 °C水浴中搅拌15分钟，得到 混合溶液；
[0009] 所述混合溶液中琼脂的质量分数为3.82~10.93%，海藻酸钠与琼脂的质量比为 1.0:(5.0~15.5);
[0010] 3)使用一次性注射器抽取5mL步骤2)的混合溶液，离心除去气泡得到透明均匀的 混合溶液；
[0011] 4)将经步骤3)经离心除泡处理的混合溶液冷却至室温，在降温过程中，琼脂分子 链通过氢键交联为第一重网络，同时混合溶液在一次性注射器中形成预成型凝胶；
[0012] 5)切开一次性注射器，从注射器管中取出步骤4)的预成型凝胶，将预成型凝胶在 30mL CaCl2水溶液中浸泡4~6小时，Ca2+扩散到预成型水凝胶内部使海藻酸钠交联为第二 重网络，得到海藻酸钠琼脂全物理交联高强度双网络天然水凝胶；
[0013] 所述CaCl2溶液摩尔浓度为0.5mol/L~1.0mol/L。
[0014] 本发明采用两种天然植物性提取物为原料，这两种天然植物性提取物生物相容性 好，可降解。在制备过程中，海藻酸钠与琼脂在氢键的作用下形成预成型水凝胶，将预成型 水凝胶浸泡于Ca 2+溶液中，Ca2+与一 C0(T形成物理络合交联点使贯穿琼脂网络的海藻酸钠 进一步交联形成高交联的网络结构，得到海藻酸钠琼脂全物理交联高强度双网络天然水凝 胶。
[0015] 本发明制备方法操作简便，耗时短，可重复性强，适用于大规模生产;采用本发明 制备的广品强度尚、具有生物降解性，属于环境友好型材料;具有良好的生物相容性，在生 物软组织替代材料领域有很大应用价值。
【附图说明】
[0016] 图1是海藻酸钠粉末与琼脂粉末分别加入去离子水中加热溶解形成溶液的分子状 态图；
[0017] 图2是海藻酸钠溶液与琼脂溶液混合后的分子形态图；
[0018] 图3是混合溶液经冷却后在氢键作用下形成预成型凝胶的形态图；
[0019] 图4是预成型凝胶浸泡于Ca2+溶液，Ca2+扩散到预成型水凝胶内部，使海藻酸钠分 子链实现高交联形成的高强度双网络天然水凝胶形态图。
【具体实施方式】
[0020] 本发明采用两种天然植物性提取物为原料，琼脂(Agar)分子链含有丰富的一 0H， 琼脂(Agar)水溶液在低于40°C以下，由于线性分子间氢键的作用将形成第一重网络得到预 成型水凝胶。本申请人在研究中发现，预成型水凝胶内含有大量的海藻酸钠(SA)水溶液，海 藻酸钠(SA)分子链是由甘露糖醛酸(Μ段)和古罗糖醛酸(G段)组成，在水溶液中G段上的一 CO(T会与Ca2+发生离子络合作用，这样海藻酸钠(SA)不同分子链上的一 CO(T也就通过络合 作用形成第二重交联网络得到全物理交联双网络水凝胶。这种双网络结构在应力作用下， 刚性的海藻酸钠(SA)第一重网络会先破裂，Ca 2+与一 CO(T形成的物理络合交联点作为"牺牲 键"，通过"牺牲键"的断裂耗散能量，防止宏观破坏的发生，同时海藻酸钠(SA)第一重网络 破裂形成的许多碎片成为琼脂(Agar)第二重网络的物理交联点，对凝胶网络起到增强的作 用。
[0021] 海藻酸钠(SA)第一重网络碎片可以进一步发生破裂，利用"牺牲键"的破坏耗散掉 凝胶网络在应力作用下产生的能量，减少应力对水凝胶的破坏，"牺牲键"赋予海藻酸钠琼 脂全物理交联双网络水凝胶高强度。Ca 2+与海藻酸钠(SA)分子链上的一 C0(T形成的物理络 合交联点被破坏后，在溶液环境中Ca2+会再次与海藻酸钠(SA)分子链上的一 C0(T络合产生 新的交联点。
[0022] 本发明采用的这种物理交联体系的优势在于分子链的交联被破坏后可以重建，因 此赋予水凝胶优异的力学性能。海藻酸钠(SA)和琼脂(Agar)均是从藻类植物中提取得到的 天然植物性提取物，具有良好的组织相容性，在生物软组织替代材料领域有巨大的应用前 景。
[0023] 下面结合附图详细说明本发明。图中
[0024] &3厶粉末:3厶8&1'粉末^%//厶8&1'分子链.\'^厶分子链· Ca2+· · · ·氢键 [0025]本发明的具体步骤如下：
[0026] 1)海藻酸钠（SA)粉末加入去离子水中，在65°C水浴中搅拌30分钟使之充分溶解， 得到海藻酸钠(SA)分子形态的水溶液;将Agar粉末加入去离子水中，在95 °C水浴中搅拌30 分钟，使之充分溶解于去离子水，得到琼脂(Agar)分子形态的水溶液(见图1);
[0027]所述海藻酸钠（SA)的质量分数为2.85%，琼脂（Agar)的质量分数为5.21 - 14.53% ；
[0028] 2)将步骤1)的琼脂溶液加入海藻酸钠溶液中，在65 °C水浴中搅拌15分钟，得到图2 所示分子形态的混合溶液；
[0029]所述混合溶液中琼脂(Agar)的质量分数为3.82~10.93%，海藻酸钠(SA)与琼脂 (Agar)的质量比为1.0: (5.0~15.5);
[0030] 3)使用一次性注射器抽取5mL步骤2)的混合溶液，离心除去气泡得到透明均匀的 混合溶液；
[0031]所述离心除去气泡是将一次性注射器固定于离心管中，在离心管中加入10mL去离 子水，去离子水的温度为95°C，在转速为lOOOOrpm条件下离心15分钟。
[0032] 4)将步骤3)经离心除泡处理的混合溶液冷却至室温，在降温过程中，琼脂
[0033] (Agar)分子链通过氢键交联为第一重网络，同时混合溶液在一次性注射器中形成 图3所示形态的预成型凝胶；
[0034] 5)切开一次性注射器，从注射器管中取出预成型凝胶，将预成型凝胶在CaCl2水溶 液中浸泡4~6小时，Ca 2+扩散到预成型水凝胶内部使海藻酸钠(SA)交联为第二重网络，得到 如图4所示形态的海藻酸钠琼脂全物理交联高强度双网络天然水凝胶；
[0035] 所述CaCl2溶液摩尔浓度为0.5mol/L~1.0mol/L。
[0036]下面用具体实施例详述本发明：
[0037] 实施例1
[0038] l)0.88g海藻酸钠（SA)粉末加入30mL去离子水中，在65°C水浴中搅拌30分钟使之 充分溶解，得到质量分数