[发明专利]一种有机-无机共价交联水凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种有机‑无机共价交联水凝胶及其制备方法，该方法首先利用共价修饰，将可聚合的有机基团嫁接到层状水滑石纳米片层上制备有机‑无机杂化材料，再利用自由基聚合，将有机‑无机杂化材料作为共价交联剂，得到高机械强度有机‑无机共价交联水凝胶。相比传统水凝胶，本发明方法得到的水凝胶具有非常优异的机械性能，能拉伸1800％不发生断裂，压缩90％不破裂。

技术领域

本发明涉及高分子材料技术领域，具体而言，提供了一种高机械强度有机-无机共价交联水凝胶的制备方法。

技术背景

水凝胶，是一类通过凝胶单体或预聚物通过共价或非共价相互作用，连接成三维网状结构的半刚性物质，其最大特征在于表观上为固体，但其内部分子间含有大量的溶剂水。相对于其他材料而言，水凝胶具有很高的含水量，可塑性，生物相容性，结构可调性等诸多特征。目前，水凝胶组织工程、药物靶向释放、仿生技术、3D打印等领域有着非常广泛的研究。

水凝胶含有大量的水，其质地柔软类似于生物体组织，而且大多数制备水凝胶的材料无毒，因此大多数的水凝胶具有良好的组织相容性，是一类理想的生物材料。自20世纪40年代以来，有关水凝胶的合成以及性质的研究和探索就十分活跃。很长一段时间内，水凝胶的研究主要局限在对传统材料进行结构上的有效控制和设计。随着生物学和现代医学的发展，对智能水凝胶的探索及其在组织工程等方面的应用，大大促进和扩大了水凝胶的研究范围。将具有环境敏感性的分子链引入到三维大分子网络结构中，可以极大地影响聚合物水凝胶的形成过程和溶胀动力学，从而扩大了水凝胶的应用领域。除了传统的领域，如补牙齿材料和隐形眼镜材料等，聚合物水凝胶还可用作生物相容性粘合剂，涂敷材料，药物的控制释放体系、人造肌肉、组织工程、细胞培植、生物传感器等。

传统水凝胶通常是利用可聚合类单体和有机连接子如N,N-亚甲基双丙烯酰胺聚合而成，其最大的缺点在于机械性能往往很差：非常脆，易折断等。在传统水凝胶的基础上，人们发展了无机水凝胶，通过在传统水凝胶的基础上物理地掺杂无机材料来增加水凝胶的机械性能，该方法虽然能一定程度上增加水凝胶的机械性能，但是由于无机材料与聚合物之间弱的相互作用力，存在易流失和耐久性差等诸多缺陷。

发明内容

本发明提供了一种具有高机械强度的有机-无机共价交联水凝胶。本发明利用共价的方法将有机-无机杂化材料作为交联剂用于水凝胶的制备，所制得的水凝胶具有非常良好的机械性能。

本发明所述的有机-无机共价交联水凝胶的制备方法包括以下步骤：

1)由三羟甲基氨基甲烷共价修饰水滑石与丙烯酰氯或甲基丙烯酰氯在碱性溶液中反应制备得到表面修饰有可聚合双键的有机-无机杂化材料，水洗，干燥；

2)将步骤1)得到的表面修饰有可聚合双键的有机-无机杂化材料超声分散到水中，分散浓度为0.1-10g/L，然后加入单体、引发剂和催化剂，0-5℃氮气环境下聚合得到有机-无机共价交联水凝胶；所述单体选自丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、丙烯酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵或N-羟甲基丙烯酰胺中的任意一种或几种。

所述引发剂是过硫酸铵或过硫酸钾，所述催化剂是N,N,N’,N’-四甲基乙二胺。

所述碱性溶液为pH值为9-10的碳酸钠-碳酸氢钠缓冲溶液。

所述步骤1)中，三羟甲基氨基甲烷共价修饰水滑石与丙烯酰氯或甲基丙烯酰氯的质量比为1:1-1:3。

所述步骤2)中，单体添加浓度为2-12mol/L，引发剂加入量为单体的摩尔量的0.5-2‰，催化剂加入量为单体的摩尔量的0.25-1‰。

本发明的技术优势：

1)本发明制备得到的水凝胶相比于传统水凝胶具有非常优异的机械性能，能拉伸1800％不发生断裂，压缩90％不破裂。