[发明专利]一种二次成型构建高强度纤维素水凝胶的方法及其专用模具

说明书

本发明公开了一种二次成型构建高强度纤维素水凝胶的方法及其专用模具。该专用模具包括注塑模具和反应架，注塑模具内部设有模腔，顶端设有注料孔和排气孔；将纤维素溶液与交联剂混匀后立即注入到组装好的注塑模具中，充分反应后得到化学交联的纤维素生胶，将纤维素生胶两端固定在反应架上，调整初始长度后浸入二甲基亚砜溶液，然后流水冲洗得到高强度水凝胶。本发明二次成型构建高强度纤维素水凝胶的方法显著提高了水凝胶的力学性能，有望应用于开发生物医用仿生材料。

技术领域

本发明涉及一种二次成型构建高强度纤维素水凝胶的方法及其专用模具，属于高分子化学领域，也属于生物医用材料领域。

背景技术

水凝胶是经物理或化学交联后形成的一类具有3D网络结构的聚合物。目前，聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)以及聚三甲基碳酸酯(PTMC)等合成高分子和纤维素(cellulose)、壳聚糖(chitosan)、明胶(gelatin)、胶原(collagen)、透明质酸(hyaluronic acid)、琼脂糖(agarose)和海藻酸盐(alginate)等天然高分子均可用于制备水凝胶。其中，天然高分子水凝胶由于具有良好的细胞相容性、血液相容性、生物可降解性和某些生物活性，已经被广泛应用于药物载体、伤口敷料、血管重建和神经再生等医药领域，产生了很好的经济效益。

纤维素是D-葡萄糖以β-1,4糖苷键连接而成的一类大分子多糖。纤维素具有分布广泛、来源充足，循环再生，无污染等优势。研制和推广纤维素水凝胶具有巨大的经济和生态价值。目前，化学交联纤维素水凝胶的力学强度均处于KPa级别，如环氧氯丙烷交联的纤维素水凝胶其压缩强度和拉伸强度均只有10KPa(Zhao,D.；Huang,J.；Zhong,Y.；Li,K.；Zhang,L.；Cai,J.,High-Strength and High-Toughness Double-Cross-LinkedCellulose Hydrogels:A New Strategy Using Sequential Chemical and PhysicalCross-Linking.Advanced Functional Materials 2016,26(34),6279-6287.)。纤维素水凝胶普遍具有质地软、易破碎等缺点，在一定程度上限制了纤维素水凝胶的应用潜力，特别是在人造肌腱和人造软骨领域。

发明内容

本发明的目的在于克服现有化学交联法中存在的力学性能差的缺点，提供一种高强度纤维素水凝胶及其构建方法和专用模具，所述的构建方法是指二次成型法，通过化学交联法进行第一次成型，然后通过氢键交联法和限域法进行第二次成型，得到具有双网络交联结构和各向异性形貌的高强度纤维素水凝胶。

本发明采用环氧氯丙烷、戊二醛等化学交联剂对纤维素进行化学交联得到第一次成型纤维素生胶，将生胶固定在反应架上，然后浸泡在一定浓度二甲基亚砜(DMSO)溶液中得到第二次成型高强度纤维素水凝胶。在第一次成型过程中，纤维素分子在化学交联剂的作用下构成第一级交联网络。在第二次成型过程中，二甲基亚砜使纤维素分子之间产生广泛的氢键交联构成第二级交联网络。与此同时，二甲基亚砜置换出纤维素水凝胶内的水分，水凝胶发生收缩现象。此时限制水凝胶的形变方向可以赋予纤维素水凝胶各向异性，进一步增强其力学强度。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种二次成型构建高强度纤维素水凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，第一次成型：

1.1将纤维素和氢氧化钠/尿素溶液预冷至-12.5℃，然后800-1300rpm剧烈搅拌4-10min，得到质量分数为1％-3％的纤维素溶液；

1.2向纤维素溶液中加入占纤维素干重20％-200％的化学交联剂，300-600rpm搅拌交联10-30min后，在1500-3000rpm条件下离心5-10min脱去气泡；