[发明专利]一种具备超高力学强度和化学稳定性的水凝胶

说明书

技术领域

本发明涉及一种水凝胶的制备领域，尤其是高强度、高化学稳定性水凝胶的制备。

技术背景

作为一种含水量很高的柔软材料，水凝胶在一些领域取得了很大的发展，例如：组织工程、药物输送等。与硬聚合物材料相比，这些含水量很高的柔软水凝胶能在生物领域内表现出更出色的性能，因为这种水凝胶拥有和细胞间质相似的三维结构。但是这种结构通常缺乏一种稳定的能量耗散机制来赋予水凝胶稳定的力学强度，从而限制了水凝胶在很多方面的进一步应用。为了解决这种问题，越来越多的研究者尝试了各种方法去合成新型的水凝胶。近些年，采用离子键交联构建水凝胶的设计思路对大幅度提高水凝胶力学性能以及推动其在生物材料中应用研究意义重大，高强度离子交联水凝胶研究不断取得出色的进展。其中，锁志刚等人采用一步法合成了具有高拉伸性能的水凝胶，该水凝胶以丙烯酰胺和天然大分子顺丁烯二酸为单体，硫酸钙作为顺丁烯二酸的离子交联剂，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵和四甲基乙二胺分别为丙烯酰胺的交联剂、热引发剂和催化剂，一步制备得到顺丁烯二酸/聚丙烯酰胺水凝胶。该水凝胶可拉伸至约20倍，但相应的拉伸强度仅约为156kPa。而且该水凝胶在模拟人体体液环境的磷酸盐缓冲液(PBS)中会出现力学强度急剧下降的性能不稳定情况。因此，制备一种强度更高而且在PBS溶液中能够保持稳定力学强度的水凝胶具有很大的实际应用意义及前景。

聚乙烯醇是一种在合适的条件下能够形成结晶点的大分子化合物，将这种材料应用于水凝胶的制备既可以在水凝胶结构内部产生晶体交联点加强水凝胶的强度，还能使水凝胶网络在PBS溶液中表现出极好的稳定性。另外，顺丁烯二酸是一种含有两个羧基和一个不饱和双键的聚合物单体，可以在保留羧基的情况下与其他含有双键的单体产生共聚，共聚之后的大分子长链上由于含有大量羧基，从而可以和金属阳离子形成离子键对水凝胶网络产生离子键交联。

本发明将顺丁烯二酸与丙烯酰胺在聚乙烯醇的水溶液中共聚，然后依次通过煅烧结晶处理、金属阳离子浸泡处理的方法构建出一种同时含有共价键交联、晶体点交联、离子键交联的混合大分子网络，这种水凝胶产品表现出了超高的力学强度，以及在PBS中浸泡的过程中依然具有很好的化学稳定性。

发明内容

为制备一种具备高力学强度和在PBS溶液中具有很好的化学稳定性的水凝胶，本发明将顺丁烯二酸与丙烯酰胺在聚乙烯醇的水溶液中共聚，然后依次通过煅烧结晶处理、金属阳离子浸泡处理的方法构建出一种同时含有共价键交联、晶体点交联、离子键交联的混合大分子网络，实现上述超高强度、高化学稳定性水凝胶的制备。所制备的高强度水凝胶拉伸应变可达580％，拉伸强度可达8MPa，断裂能可达25.4MJ/m³。性能相较于海藻酸钠/聚丙烯酰胺离子交联型水凝胶有大幅度提升。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

一种水凝胶，由下述重量份的各个组分制备而成：

聚乙烯醇3～6份，丙烯酰胺与顺丁烯二酸组成的聚合单体混合物4～6份，且两者的质量比为1:2～1:4，交联剂、引发剂、催化剂分别为聚合单体份数的0.03～0.09％、0.1～0.2％、0.2～0.3％，可溶性金属盐0.05～0.25份。

所述的交联剂选自N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、二甲基丙烯酸乙二醇酯、二乙烯基苯；

所述的引发剂选自过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠；

所述的催化剂选自四甲基乙二胺、五甲基二亚乙基三胺；

所述的可溶性金属盐选自FeCl₃，AlCl₃，CaCl₂，MgCl₂。

制备所述的水凝胶的具体制备步骤如下：其中步骤2)～3)在真空、持续搅拌条件下进行；

1)将蒸馏水煮沸密封冷却至室温以除去水中的氧气，取3～6份聚乙烯醇加入冷却后的蒸馏水中，85℃条件下搅拌6小时成聚乙烯醇溶液；

2)取聚合单体混合物溶于步骤1)制备的聚乙烯醇水溶液中；

3)将交联剂、引发剂、催化剂加入步骤2)所得的溶液中，所述的交联剂、引发剂、催化剂分别占聚合单体份数的0.03～0.09％、0.1～0.2％、0.2～0.3％；

4)将步骤3)配制好的溶液转移至玻璃模具中，密封后，置于45～55℃下，保温反应2～6h，即为成型的水凝胶；

5)取出玻璃模具内成型的水凝胶在室温条件下晾干至不含有水分，将干燥的水凝胶放在真空干燥箱内80℃加热3小时，120℃加热1小时后取出，冷却至室温；