一种人造承重软骨水凝胶的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种人造承重软骨水凝胶的制备方法，由该方法制备的人造承重软骨水凝胶能够在生理条件下保持高机械性和自恢复性。在根据本发明专利技术的水凝胶的制备方法中采用PVA和PVP作为反应物，不添加任何交联剂、有机溶剂、引发剂和不使用紫外诱导，即可获得水凝胶产品。根据本发明专利技术制备方法，原料来源广泛，价格便宜，降低产品的生产成本，有利于生物医学上的推广使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种人造承重软骨水凝胶的制备方法，由该方法制备的人造承重软骨水凝胶能够在生理条件下保持高机械性和自恢复性，特别涉及一种微波辅助加热自组装合成人造承重软骨水凝胶的制备方法。
技术介绍
聚合物水凝胶是由三维的聚合物交联网络和大量的水构成的，由于水凝胶含有大量水分而且特别柔软，与人体组织类似，所以水凝胶用作人体组织代替越来越受到人们的关注。当前，水凝胶的机械强度、延展性、韧性、可恢复性还不是令人满意，所以研究者们都在寻求更完美的设计方案来合成能够用于组织代替的水凝胶。如由Chen等提出的通过构建双网络结构来增强水凝胶的机械强度和可恢复性能(Qiang Chen,Lin Zhu,Chao Zhao,Qiuming Wang,and Jie Zheng Adv.Mater,2013,25,4171-4176)；由Yang等提出的通过纳米材料增强水凝胶的机械强度和可恢复性(Jun Yang,Xueming Zhang,Maming Ma,Feng Xu,ACS Macro Lett.,2015,4,829-833.)；由Sun等人提出的通过疏水缔合作用来改性水凝胶(Yuan-na Sun,Guo-rong Gao,Gao-lai Du,Ya-jun Cheng,and Jun Fu ACS Macro Lett.,2014,3,496-500)。虽然通过这些合成策略已经制备出了高延展性、高韧性、具有可恢复性的水凝胶，但是由于这些合成策略所制备的水凝胶在拉伸/压缩实验时通过可消耗化学键/物理网络耗能来应对变形的发生，这样就使得水凝胶自身的渗透压和弹性平衡被打破，进而产生较大的滞后现象。滞后现象又会使水凝胶在生理条件下产生溶胀现象和在一个循环加载的过程中会使水凝胶被软化降低自身的机械性
能。针对这些亟待解决的问题，由Kamata等人提出的通过共价键连接构建齐次网络结构的水凝胶，不仅能够抑制溶胀现象在循环加载过程中还不存在滞后现象(Hiroyuki Kamata,Yuki Akagi,Yuko Kayasuga-Kariya,Ung-il Chung,Takamasa Sakai Science,2014,343,873-875)近年来微波已经被广泛地应用于化学领域，包括分子筛制备、放射性药物的合成、无机配合物的合成与嵌入反应、干燥条件下的有机反应、等离子体化学、分析化学中的样品预处理及催化等。近年来，微波法因其具有特殊效应已引起了材料科学界的极大关注。与传统方法相比，微波法具有反应速度快、反应条件温和及反应效率高等优点，而且产品具有较高的纯度、窄的粒径分布和均一的形态，并适于推广到大规模的工业生产中去，因而在材料合成领域中显示了良好的发展态势和广阔的应用前景。
技术实现思路
针对传统方法合成的水凝胶在生理条件下聚合网络容易被破坏导致水凝胶机械性能和可恢复性能的降低的问题，本专利技术的一个目的是提供了一种通过微波辅助加热法制备水凝胶的方法，由该方法制备的水凝胶在生理条件下不仅保持高韧性、延展性、机械强度，并且维持自身形态的稳定，具有良好的自恢复性能。根据本专利技术的所述通过微波辅助加热制备能够在生理条件下保持高机械性和自恢复性的人造承重软骨水凝胶的制备方法，包括如下步骤：1)将聚乙烯醇颗粒加入到去离子水中，使溶液中聚乙烯醇的质量百分比浓度为5-20％，然后在温度为80℃、磁力搅拌下加热10-20min，配制成溶液A；2)将聚乙烯吡咯烷酮粉末加入去离子水中，使溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比浓度为10-30％，在超声细胞粉碎机下继续分散10-20min，配制成溶液B；3)将步骤1)、2)中得到的溶液A和B按照体积比为5:1至1:1的比例混合得到前驱体溶液；4)向步骤3)中得到的前驱体溶液中加入占前驱体溶液体积1％的质量百分比浓度为10％的硫酸，在微波辅助下加热，然后冷却至室温即可得到在生理条件下具有高机械性和可恢复性的人造承重软骨水凝胶，其中所述微波辅助加热是微波600W下反应3-5min。优选地，步骤1)中所述聚乙烯醇颗粒为具有17-22万的重均分子量且醇解度约为88％的聚乙烯醇颗粒，进一步优选为PVA17-88；溶液中聚乙烯醇的质量百分比浓度优选为7-15％，进一步优选为8-10％，更进一步优选为8％。优选地，步骤2)中所述聚乙烯吡咯烷酮粉末为具有1-7万的重均分子量的聚乙烯吡咯烷酮粉末，优选为聚乙烯吡咯烷酮K-30，溶液中的聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比浓度优选为10-25％；进一步优选为20-25％，更进一步优选为20％。优选地，步骤3)中所述步骤1)、2)中得到的溶液A和B的混合体积比优选为3:1至2:1，进一步优选为7:3至5:3，更进一步优选为7:3。优选地，根据本专利技术的制备方法中不添加有机溶剂、交联剂、引发剂，以及不采用紫外光诱导。根据本专利技术的所述制备方法包括如下步骤：1)将30g聚乙烯醇颗粒PVA17-88加入345mL去离子水中在磁力搅拌加热条件下配制成溶液，其中聚乙烯醇的质量百分比浓度为8％的聚乙烯醇溶液；2)将5g聚乙烯吡咯烷酮粉末K-30加入到20mL去离子水中在超声波条件下配制成溶液，其中的聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比浓度为20％的聚乙烯吡咯烷酮溶液；3)前驱体溶液制备将步骤1)所得到的聚乙烯醇溶液和步骤2)所得到的聚乙烯吡咯烷酮溶液按体积比7:3的比例混合搅拌均匀后，加入占混合溶液体积1％的质量百分比浓度为10％的硫酸得到前驱体溶液；4)微波辅助加热将步骤3)中得到的前驱体溶液在600W微波下反应3min，使前驱体溶液中聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮发生自组装的亲电重排交联成二嵌段的网络结构，然后将反应液转移到室温下冷却即可得到能够在生理条件下保持高韧性、延展性、机械强度，并且维持自身形态的稳定，具有良好的自恢复性能的人造承重软骨水凝胶。根据本专利技术的另一个方面，本专利技术提供了一种在生理条件下保持高机械性和自恢复性的人造承重软骨水凝胶，所述水凝胶通过本专利技术的上述制备方法制备。该水凝胶在承受1.16MPa的拉应力下，伸长率可达到780％，在压缩形变量为90％条件下可承受50MPa以上的压应力。有益效果1、根据本专利技术的人造承重软骨水凝胶的制备方法中，PVA和PVP都是
简单易得的高聚物，而且PVA和PVP都是具有良好生物相容性的聚合物；两者在酸性环境下微波辅助加热自组装即可合成具有高机械性和可恢复性的水凝胶；2、根据本专利技术的方法制备的人造承重软骨水凝胶，在合成过程中不添加任何交联剂、有机溶剂、引发剂和不使用紫外诱导；3、根据本专利技术的方法制备出的人造承重软骨水凝胶在经过循环冷冻试验时仍然保持其透明度，性能优于同类型的水凝胶；4、根据本专利技术的方法制备出的人造承重软骨水凝胶在达到溶胀平衡时，任然保持其透明度，说明内部齐次网络结构在溶胀条件下保持不变；5、根据本专利技术的方法制备出的人造承重软骨水凝胶在单轴拉伸实验中最高可承受1.16MPa的拉应力，形变量达到780％；6、根据本专利技术的方法制备出的人造承重软骨水凝胶在无侧限压缩实验中在形变量为90％时压应力达到了50MPa；7、根据本专利技术的方法制备出的人造承重软骨水凝胶在无侧限压缩实验中在形变量为80％条件下循环压缩十次，最高回复率可达本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过微波辅助加热法制备水凝胶的方法，其包括如下步骤：1)将聚乙烯醇颗粒加入到去离子水中，使溶液中聚乙烯醇的质量百分比浓度为5‑20％，然后在温度为80℃、磁力搅拌下加热10‑20min，配制成溶液A；2)将聚乙烯吡咯烷酮粉末加入去离子水中，使溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比浓度为10‑30％，在超声细胞粉碎机下继续分散10‑20min，配制成溶液B；3)将步骤1)、2)中得到的溶液A和B按照体积比为5:1至1:1的比例混合得到前驱体溶液；4)向步骤3)中得到的前驱体溶液中加入占前驱体溶液体积1％的质量百分比浓度为10％的硫酸，在微波辅助下加热，然后冷却至室温即可得到在生理条件下具有高机械性和可恢复性的人造承重软骨水凝胶，其中所述微波辅助加热为微波600W下反应3‑5min。

【技术特征摘要】
1.一种通过微波辅助加热法制备水凝胶的方法，其包括如下步骤：1)将聚乙烯醇颗粒加入到去离子水中，使溶液中聚乙烯醇的质量百分比浓度为5-20％，然后在温度为80℃、磁力搅拌下加热10-20min，配制成溶液A；2)将聚乙烯吡咯烷酮粉末加入去离子水中，使溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比浓度为10-30％，在超声细胞粉碎机下继续分散10-20min，配制成溶液B；3)将步骤1)、2)中得到的溶液A和B按照体积比为5:1至1:1的比例混合得到前驱体溶液；4)向步骤3)中得到的前驱体溶液中加入占前驱体溶液体积1％的质量百分比浓度为10％的硫酸，在微波辅助下加热，然后冷却至室温即可得到在生理条件下具有高机械性和可恢复性的人造承重软骨水凝胶，其中所述微波辅助加热为微波600W下反应3-5min。2.根据权利要求1所述的通过微波辅助加热法制备水凝胶的方法，其特征在于，步骤1)中所述聚乙烯醇颗粒为具有17-22万的重均分子量且醇解度约为88％的聚乙烯醇颗粒，进一步优选为PVA17-88。3.根据权利要求1所述的通过微波辅助加热法制备水凝胶的方法，其特征在于，步骤1)中所述溶液中聚乙烯醇的质量百分比浓度为7-15％，进一步优选为8-10％，更进一步优选为8％。4.根据权利要求1所述的通过微波辅助加热法制备水凝胶的方法，其特征在于，步骤2)中所述聚乙烯吡咯烷酮粉末为具有1-7万的重均分子量的聚乙烯吡咯烷酮粉末，优选为聚乙烯吡咯烷酮K-30。5.根据权利要求1所述的通过微波辅助加热法制备水凝胶的方法，其特征在于，步骤2)中所述溶液中的聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比浓度为10-25％；进一步优选为20-25％，更进一步优选为20％...

【专利技术属性】
技术研发人员：马明国，刘艳军，刘姗，付连花，孟玲燕，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11