高強度超分子水凝膠及其製備方法和應用與流程
2023-10-31 04:31:02 4
本發明涉及一種水凝膠及製備方法和應用，更具體地說，涉及一種以N-丙烯醯甘氨酸(ACG)為單體製備的PACG水凝膠及製備方法，具有高強度、熱塑性、PH響應穩定性和自修復的功能，並且具有良好的生物相容性和體內可降解性。
背景技術：
水凝膠是以水為分散介質，親水性而又不溶於水的且能夠吸收大量水分(通常含水量大於總質量的50％)具有交聯結構的高分子聚合物材料。因為聚合物鏈間的物理交聯和化學交聯作用而不會溶解於水中，只能溶脹且保持一定的形狀，同時，還具有良好的水滲透性，生物相容性，作為人體植入物可以減少不良反應。因而水凝膠作為優良的生物醫用材料得到廣泛應用。但是，其高含水量導致水凝膠較差的機械性能限制了其作為生物材料尤其是力學器件的應用，對於超分子水凝膠更是如此，尤其沒有化學鍵的作用，物理交聯的超分子水凝膠力學強度一般來說都較弱，因此製備製備高強度的超分子水凝膠具有很大的現實和理論的應用。
為了解決水凝膠較差的力學性能這一問題，近期科學家們研製了以下幾種高強度水凝膠：雙網絡(DN)水凝膠，插層無機納米複合水凝膠(NC)和高分子微球複合水凝膠(MMC)。但是這些高強度水凝膠不兼具高的抗拉伸和抗壓縮功能(Yoshimi Tanaka，Jain Ping Gong，Yoshihito Osada.Novel hydrogels with excellent mechanical performance.(MMC)。但是這些高強度水凝膠不兼具高的抗拉伸和抗壓縮功能(Yoshimi Tanaka，Jain Ping Gong，Yoshihito Osada.Novel hydrogels with excellent mechanical performance.Prog.Polym.Sci.2005；30：1-9.)。僅僅靠純物理交聯作用做成高強度水凝膠的。最近有Gong等(Sun T L,Kurokawa T,Kuroda S,et al.Physical hydrogels composed of polyampholytes demonstrate high toughness and viscoelasticity.Nat.Mater.2013；12:932-937.)。學者利用聚電解質做成的純物理高強度水凝膠，但是其含水量僅有50％，而聚丙烯醯基甘氨酸凝膠不僅具有力學上的高強度，而且具備熱塑性和自修復功能。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種以N-丙烯醯甘氨酸(ACG)為單體的聚合物超分子水凝膠及其製備方法和應用。
本發明的目的通過下述技術方案予以實現：
以甘氨酸和丙烯醯氯為原料，依據參考文獻(A.Phadke,C.Zhang,B.Arman,C.C.Hsu,R.A.Mashelkar,A.K.Lele,M.J.Tauber,G.Arya,S.Varghese.Rapid self-healing hydrogels.PNAS 2012,12,4383-4388)製備出了一種側鏈同時帶有醯胺基團和羧基基團的單體，如下化學式所示：
利用傅立葉紅外(美國鉑金埃爾默公司)光譜證明了其成功的合成，其中它們的特徵峰如下ν＝3348cm-1(s,NH),2916cm-1(s,C＝C),1710cm-1(vs,C＝O),1614cm-1(vs,C＝O),1546cm-1(vs,NH),1227cm-1(vs,C＝C)，附圖1所示。
高強度超分子水凝膠，由N-丙烯醯甘氨酸(ACG)為單體，通過自由基聚合而成的聚合物分子側鏈同時帶有醯胺基團和羧基基團，通過自由基聚合得到的水凝膠的含水量達到70—90％，且在水凝膠中含有鈣離子，羧基與鈣離子的電荷比是1:1(即羧基與鈣離子的摩爾比為2:1)。
高強度超分子水凝膠的數均分子量為25—27萬，分散度為2.3—2.4(以5mg幹凝膠溶於1ml水中，利用GPC進行測試)。
製備高強度超分子水凝膠的方法，按照下述步驟進行：
將N-丙烯醯甘氨酸單體溶解並分散在水中形成均勻體系，向水中加入引發劑和鈣離子，通過引發劑引發單體上的不飽和鍵，在絕氧的條件下通過自由基聚合反應製備出具 有高強度的超分子水凝膠。
在上述技術方案中，N-丙烯醯甘氨酸單體的質量為水質量的10—30％，引發劑的質量為水質量的0.1％—1％，優選0.1％—0.5％。
在上述技術方案中，製備的水凝膠的含水量平均可在70％—90％。
在上述技術方案中，由氯化鈣提供鈣離子，N-丙烯醯甘氨酸單體的羧基與鈣離子的電荷比是1:1(即羧基與鈣離子的摩爾比為2:1)。
製備出的凝膠用傅立葉紅外光譜進行了表徵，詳見說明書附圖1，說明了單體ACG上的雙鍵打開進行了加聚反應，1為聚合物(聚丙烯醯胺基甘氨酸，PACG)，2為單體(N-丙烯醯胺基甘氨酸，ACG)。
在本發明的技術方案中，以N-丙烯醯甘氨酸(ACG)為單體，製備的水凝膠，其分子鏈的側鏈上同時帶有醯胺基團和羧基基團，分子間的強烈的分子間的氫鍵作用，(-CH2-CH2-)n的「碳-碳」單鍵相連的骨架結構，側鏈(CO-NH)的醯胺基團，-COOH可以與鈣離子形成離子鍵。N-丙烯醯甘氨酸在引發劑的條件下採用光源使引發劑提供自由基，再由自由基引發N-丙烯醯甘氨酸上的雙鍵，發生聚合反應，最終製備的水凝膠材料中，由於氫鍵和離子鍵的協同作用，使整個水凝膠材料具有高強度、熱塑性和自修復的特性，同時具有良好的生物相容性和體內可降解性。
利用引發劑提供的自由基引發ACG單體發生反應。其中引發劑可以選擇高分子聚合領域中常用的水相條件下的熱引發劑，如過硫酸銨(APS)、過硫酸鉀(KPS)，或者光引發劑，如2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(Irgacure 1173)。如果選擇熱引發劑，則需要首先利用惰性氣體(如氮氣、氬氣或者氦氣)排除反應體系中的氧，以避免其的阻聚作用，然後根據引發劑的活性和用量，將反應體系加熱到所用引發劑的引發溫度之上並保持相當長的時間，如1h以上或者更長(1-5h)，以促使引發劑能夠長時間產生足夠多的自由基，引發反應體系持續發生自由基聚合反應，最終製備本發明的水凝膠。如果選擇光引發劑，其中引發劑選擇了光引發劑2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(Irgacure 1173)。可以選用了透明密閉的反應容器，在紫外光照射的條件下引發自由基聚合，由於光引發效率高於熱引發，因根據所選引發劑的活性和用量調整照射時間時，照射時間可短於熱引發的加熱時間，如20分鐘或者更長(30min-1h)。相對於熱引發這樣可以使得實驗時間大大減少。
N-丙烯醯甘氨酸(ACG)，由於其聚合物分子鏈的側鏈上同時帶有醯胺基團和羧基基 團，分子間的強烈的分子間的氫鍵作用和羧基和鈣離子間的離子鍵作用，使得丙烯醯基甘氨酸凝膠具有臨時交聯網絡的特點，並且此物理交聯凝膠具有良好的力學強度。另外，由於氫鍵和離子鍵的可逆特性，凝膠具有熱塑性和自修復的功能，同時具有良好的生物相容性和體內可降解性。本發明提供的一種高強度PACG水凝膠是以N-丙烯醯甘氨酸(ACG)為原料，在引發劑存在下引發製備而成，由於氫鍵和離子鍵的協同作用，這種水凝膠具有良好的拉伸、壓縮性能，同時具有熱塑性和自修復的特性，並且具有良好的生物相容性和體內可降解。
附圖說明
圖1是本發明中單體和聚合物的紅外光譜圖，其中1為聚合物，2為單體。
圖2是本發明製備的聚合物的自修復功能示意圖。
圖3是本發明製備的聚合物的力學性能示意圖(拉伸、打結、壓縮)。
圖4是本發明製備聚合物水凝膠(PACG)在鹼性條件下解離，經解離凍幹後收集到的聚合物重新形成凝膠的過程。
圖5是本發明製備聚合物水凝膠(PACG)的流變圖，其中■表示儲存模量G'，●表示損耗模量G"。
具體實施方式
下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案。
以單體濃度為20％(ACG質量佔水質量的百分數)為例。將N-丙烯醯胺甘氨酸單體(200mg)，85.55mg氯化鈣(羧基與鈣離子的電荷比是1:1)加入到1000μL的去離子水(1g)中，完全溶解後，加入光引發劑Irgacure 1173(2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮)1μL。混合液經充氮氣除氧後，將混合液注入不同形狀的模具中，模具在紫外固化箱中照射40分鐘以保證充分引發自由基聚合。隨後打開模具取出凝膠。
按相同步驟製備不同單體濃度的凝膠，進行力學性能、撕裂性能、熱塑性和自修復等實驗過程。此凝膠樣品命名為PACG-X/PACG-X-Ca2+，其中X代表的是凝膠的單體濃度。在進行拉伸力學性能測試的樣品的尺寸為20mm×10mm，厚為500μm。壓縮力學性能測試的樣品尺寸為直徑10mm，高8mm的圓柱。抗撕裂性能測試樣品尺寸按照1/2GBT 529-2008A大小(寬7.5mm，長50mm，缺口長度20mm，厚度0.5mm)。
對製備的水凝膠進行流變測試，如附圖5所示，此物理交聯凝膠表現出共價交聯凝膠的特性，在高溫下始終保持凝膠狀態，三維網絡結構並沒有完全被破壞，對溫度30—90攝氏度表現基本穩定。
對製備的水凝膠進行含水量的測試，PACG凝膠泡水溶脹，所以沒有像其他凝膠在泡水溶脹平衡後測含水量，故直接將在水相中製備的聚合物進行含水量的測試，單體濃度為10％的凝膠，將100mg單體加到1ml水裡，製備單體濃度為10％的凝膠，凝膠形成後，水全部被包進凝膠裡，其含水量由(溼重-乾重)/溼重計算得出為90％左右，同樣單體濃度為30％的凝膠其含水量為79％左右；加入與羧酸跟電荷比為1:1的鈣時，(以製備PACG-10％-Ca2+凝膠為例：將100mg單體和42.77mg氯化鈣加入到1ml水裡)，測得含水量也是90％左右，將水全部包進凝膠裡；經過針對樣品的測試可知，製備的水凝膠的含水量平均可在70％—90％。
改變單體N-丙烯醯胺甘氨酸(ACG)單體的濃度，光引發劑Irgacure 1173的用量約為總溶液體積(即水的體積)的1％的引發劑，製備如下水凝膠樣品PACG-10/PACG-10-Ca2+，PACG-15/PACG-15-Ca2+，PACG-20/PACG-20-Ca2+，PACG-25/PACG-25-Ca2+，PACG-30/PACG-30-Ca2+的不同濃度的超分子聚合物水凝膠。
採用如下方法測試本發明的聚丙烯醯胺基甘氨酸(PACG)水凝膠的力學性能測試在電子萬能試驗機(濟南時代有限公司)上在進行，拉伸力學性能測試的樣品的尺寸為20mm×10mm，厚為500μm，拉伸速率為50mm/min；壓縮力學性能測試的樣品尺寸為直徑10mm，高8mm的圓柱，壓縮速率為10mm/min。這種超分子水凝膠的拉伸壓縮強度都能夠達到MPa的級別。另外，為了更形象地表述力學性能，凝膠能夠承受拉伸、壓縮以及打結，詳見說明書附圖3，凝膠可以承受拉伸(1)，打結、纏繞(2)，壓縮(3)，外力去除後，凝膠能迅速恢復到原始形狀。
利用如下方法檢測本發明的聚丙烯醯胺基甘氨酸(PACG)水凝膠的自修復功能。將製備好的不同濃度的水凝膠從中間切成兩半，然後將切開的兩半凝膠對上，放入密封容器中在70℃—80℃的溫度下加熱至少半小時，優選0.5—1小時，最後切開的凝膠能夠很好地粘合在一起，並且看不出界面或者切痕，詳見說明書附圖2，其中A為製備的凝膠從中間切成兩半；B中顯示將切開的兩半凝膠對接，放在注射器裡，密封后置於80℃下半個小時，冷卻後從模具取出，凝膠能夠修復，從表面上看不出切痕，A，B過程可以反覆多次；C中顯示修復後的凝膠可以承受拉伸；D中顯示修復後的凝膠可以承受彎曲。
利用如下方法檢測本發明的聚丙烯醯胺基甘氨酸(PACG)水凝膠的反覆使用功能。將製備好的不同濃度的水凝膠在浸泡在鹼性溶液(0.1—1mol/L的氫氧化鈉水溶液)裡，解離後，用分子量為3500的透析袋透析將鹼液析出，經凍幹後收集到聚合物。然後將100mg聚合物溶解到加有1ml水的注射器裡，在70—80℃加熱至少1h，優選3—5h，快速注射到不同形狀的模具裡，冷卻後得到濃度為10％的凝膠，以10％的凝膠為例，將收集到的聚合物重新溶解到水中進行加熱處理即可實現凝膠的反覆利用，有望減輕環境負擔，詳見說明書附圖4。
利用如下方法檢測本發明的聚丙烯醯胺基甘氨酸(PACG)水凝膠的細胞毒性。為了測試這種高強度超分子水凝膠應用於生物材料可能性。將0.2mg不同濃度的凝膠浸泡在培養基裡，等在培養基中完全解離後，將100的μL浸出液加入到接種有L929細胞的24孔板裡，接種密度為2×104每孔，然後在每孔中加入100的μL含10％的馬血清培養基。在37℃和5％的CO2環境下培養24小時後，將舊的培養基去除，每孔中換上新鮮的200的μL含10％的馬血清培養基，在37℃和5％的CO2環境下培養24小時。用MTT法檢測到細胞存活率達到了80％以上，沒有發現顯著的細胞毒性，實驗結果表明了這種凝膠具有很好的生物相容性，可以作為細胞支架等生物材料的應用。
表1為水凝膠樣品的各項性能參數
壓縮強度：測量時，除了單體濃度為10％的PACG-10％凝膠，其餘比例的凝膠壓縮到機器最大量程也無法壓縮，所以以90％應變處的應力作為強度。
PACG-X/PACG-X-Ca2+：X表示單體佔總溶液的質量分數。
在本發明內容的範圍內進行工藝參數的調整，均可製備本發明的水凝膠並表現出與上述實施例基本相一致的性質。
以上對本發明做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本發明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創造性勞動的等同替換均落入本發明的保護範圍。