一种高强度水凝胶的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强度水凝胶的制备方法，其首先是将壳聚糖、甲基丙烯酸等与水混合均匀，向其中加入蒙脱土分散液搅拌均匀后，形成混合溶液，再将该混合溶液除氧后加入引发剂，恒温反应一段时间后制备得到高强度水凝胶。本发明专利技术通过一步法聚合制备高强度水凝胶，制备过程中不使用小分子的有机化学交联剂，制得的水凝胶具有超强的拉伸性能，其断裂伸长率高达3000％以上，具有良好的生物相容性，在生物医用领域，如生物传感器、人造器官、组织修复材料、药物的控释等方面有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水凝胶制备领域，具体涉及。
技术介绍
高分子水凝胶是由交联高分子溶胀于水后形成的三维空间网络结构，通常网状结构内部填充50?90%的水。作为一种湿的软材料，水凝胶在许多方面与人体的一些器官和组织十分相似，因此在生物医用领域(如组织修复材料、人造肌肉、生物传感器及药物载体等方面)显示出良好的应用前景。但传统的合成水凝胶往往呈现较低的力学性能，质脆易碎，不能满足水凝胶在许多领域实际应用需求。为了提高水凝胶的机械强度，近十几年来，凝胶学家开发了一些具有新网络结构和改进力学性能的水凝胶，比较典型的代表如具有拓扑结构(或滑动环)的水凝胶、有机-无机纳米复合水凝胶、双网络水凝胶、四臂凝胶和有机大分子微球复合凝胶等。但已报道的高强度水凝胶往往存在许多不足，如具有拓扑结构(或滑动环)的水凝胶和四臂水凝胶的制备需要使用具有特殊结构的凝胶前体，对凝胶前体的要求高、适用范围窄。有机-无机纳米复合水凝胶由于主要是通过物理交联形成的网络结构，导致水凝胶稳定性较差。有机大分子微球复合水凝胶的制备虽然不需另加有机交联剂，但需要首先制备表面含有大量自由基(或可分解形成自由基的基团)的聚合物微球作为引发剂和大交联剂来引发单体聚合，过程较为复杂。由强度不对称的两种交联网络组成的双网络水凝胶虽然适用于多种单体、交联剂和交联方法，但制备过程复杂、往往需要多步连续自由基聚合过程，不仅耗时且需要使用小分子的有机化学交联剂。因此，发展简单易行的高强度水凝胶制备方法仍然是一项具有挑战性的工作，对于推动水凝胶的实际应用具有重要理论和实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，其通过一步聚合反应制备而成，制备工艺简单易操作，并且，制备得到的水凝胶具有超强的拉伸性能。其技术解决方案包括:，依次包括以下步骤:a、将壳聚糖、甲基丙烯酸或甲基丙烯酸与共聚单体的混合物、水进行混合，充分搅拌得到均匀透明溶液，所述溶液中固含量为15?30%，其中，固体混合物中壳聚糖的质量分数为4?10%，余量为甲基丙烯酸或甲基丙烯酸与共聚单体的混合物，甲基丙烯酸的质量分数占甲基丙烯酸和共聚单体总质量的3?100% ；b、向所得溶液中充入氮气以充分除氧，再向除去氧气后的溶液中加入引发剂充分混合，引发剂的加入量为甲基丙烯酸和共聚单体总质量的0.5?2.5%，然后将其置于25±1°C的恒温水浴槽中，恒温反应12-36小时，即得高强度水凝胶。利用甲基丙烯酸与壳聚糖反应生成壳聚糖甲基丙烯酸盐，使原本不溶于水的壳聚糖溶解于水形成均匀溶液，同时壳聚糖甲基丙烯酸盐作为制备水凝胶的多官能大分子交联剂。作为本专利技术的一个优选方案，上述步骤a中，步骤a中，壳聚糖、甲基丙烯酸或甲基丙烯酸与共聚单体的混合物、水充分混合后，向其中加入质量分数为0.5%的蒙脱土分散液混合均匀，其中，蒙脱土和壳聚糖的质量分数之和占甲基丙烯酸和共聚单体总质量的4?10%，壳聚糖与蒙脱土的质量比为7?25:1。加入蒙脱土作为物理交联剂，与壳聚糖甲基丙烯酸盐复合交联制备水凝胶，有利于提高水凝胶的力学性能。作为本专利技术的另一个优选方案，步骤a中，上述共聚单体为丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-乙烯己内酰胺、N，N- 二甲基丙烯酰胺、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙二醇单丙烯酸酯或聚乙二醇单甲基丙烯酸酯中的任意一种。通过引入不同结构和性质共聚单体，并进一步调节共聚单体用量，来调节水凝胶的力学性能、溶胀性能以及刺激响应性能，从而获得多种不同功能水凝胶。更进一步的，上述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵或过硫酸钠中的任意一种。上述蒙脱土分散液的制备方法为:将蒙脱土加入水中，机械搅拌30分钟，超声分散2小时得到。上述溶液的固含量为18?25%。上述引发剂的加入量为甲基丙烯酸和共聚单体总质量的0.8?1.5%。本专利技术所带来的有益技术效果:本专利技术提出了，其首先将壳聚糖、甲基丙烯酸或甲基丙烯酸与共聚单体的混合物、水进行混合，形成混合溶液，然后将该混合溶液除氧后加入引发剂，恒温反应一段时间后制备得到高强度水凝胶；作为本专利技术的一个优选，其在壳聚糖、甲基丙烯酸或甲基丙烯酸与共聚单体、水的混合液中加入蒙脱土分散液；其在原料的选择方面，通过加入蒙脱土分散液，作为物理交联剂，有利于凝胶力学性能提高；本专利技术通过一步聚合反应来制备高强度水凝胶，制备过程中不使用小分子的有机化学交联剂；制得的水凝胶具有超强的拉伸性能(断裂伸长率最高达3000%以上)、良好的生物相容性和PH-、温度响应(部分有)性能，在生物医用领域(如生物传感器、人造器官、组织修复材料、药物的控释等方面)有广泛的应用前景。本专利技术制备的是单网络水凝胶，其制备中不使用小分子有机交联剂，相对于现有技术如CN103739861A公开的水凝胶的制备方法，其制备的是双网络水凝胶，所用的琼脂、明胶等形成其中的第一重网络，丙烯酰胺等单体形成第二重网络；每重网络都需要交联剂交联，如其中添加的多价金属离子主要是第一重网络的交联剂；第二重网络的交联剂为N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺等双官能的有机小分子交联剂；本专利技术制备工艺简单，并且，制备得到的水凝胶其拉伸强度为2.0MPa?3.7MPa，拉伸模量为180KPa?370KPa，拉伸断裂伸长率为1500 %?3800 %，压缩模量为95KPa?305KPa，压缩应变均大于98 %。【具体实施方式】本专利技术提出了，为了使本专利技术的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本专利技术做进一步清楚、完整的说明。本专利技术提供了，其在原料的选择上，选用的有蒙脱土、壳聚糖、甲基丙烯酸、共聚单体(丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-乙烯己内酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙二醇单丙烯酸酯或聚乙二醇单甲基丙烯酸酯)、引发剂(过硫酸钾、过硫酸铵或过硫酸钠)，上述原料均可通过商业渠道购买得到。，其具体包括以下步骤:步骤1、将壳聚糖、甲基丙烯酸与水三者混合均匀，或者是将壳聚糖、甲基丙烯酸与共聚单体的混合物和水进行混合，充分搅拌得到均匀透明溶液；该溶液中固含量为15?30%，其中，固体混合物中壳聚糖的质量分数为4?10%，余量为甲基丙烯酸或者是甲基丙烯酸和共聚单体的混合物，甲基丙烯酸的质量分数占甲基丙烯酸和共聚单体总质量的3?100% ；步骤2、向所得混合溶液中充入氮气以充分除氧，再向除去氧气后的混合溶液中加入引发剂充分混合，引发剂的加入量为甲基丙烯酸和共聚单体总质量的0.5?2.5%，然后将其置于25±1°C的恒温水浴槽中，恒温反应12-36小时，即得高强度水凝胶。下述结合具体实施例对本专利技术做进一步说明:实施例1:将壳聚糖、甲基丙烯酸与水三者混合，充分搅拌得到混合溶液；该混合溶液中固含量为15%，其中，固体混合物中壳聚糖的质量分数为10%。向上述混合溶液中充氮气以除去氧气，待充分除氧后，再向混合溶液中加入过硫酸钾水溶液，过硫酸钾的加入量为甲基丙烯酸总质量的1.5%，然后将溶液转移到反应模具中在25°C恒温条件下反应12小时，即得水凝胶。本实施例制备得到的水凝胶，拉伸强度为0.4MPa、拉伸模量为50KPa、拉伸断裂伸长率为1300%，压缩模量约25KPa、压缩应变大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强度水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a、将壳聚糖、甲基丙烯酸或甲基丙烯酸与共聚单体的混合物、水进行混合，充分搅拌得到均匀透明溶液，所述溶液中固含量为15～30％，其中，固体混合物中壳聚糖的质量分数为4～10％，余量为甲基丙烯酸或甲基丙烯酸与共聚单体的混合物，甲基丙烯酸的质量分数占甲基丙烯酸和共聚单体总质量的3～100％；b、向所得溶液中充入氮气以充分除氧，再向除去氧气后的溶液中加入引发剂充分混合，引发剂的加入量为甲基丙烯酸和共聚单体总质量的0.5～2.5％，然后将其置于25±1℃的恒温水浴槽中，恒温反应12‑36小时，即得高强度水凝胶。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓梅，纪全，夏延致，张振江，陈同旭，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东;37