一种在生理环境下保持高强度的水凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种在生理环境下保持高强度的水凝胶及其制备方法。首先将硅酸钠与丙烯酰胺及海藻酸钠一起溶于水，紫外引发丙烯酰胺聚合，经梯度浓度的氯化钙溶液交联，在水凝胶中原位生成硅酸钙纳米粒子，然后将水凝胶在葡萄糖酸‑δ‑内酯水溶液中浸泡，葡萄糖酸‑δ‑内酯水解释放出氢离子，氢离子与硅酸钙反应，生成表面含介孔硅胶的硅酸钙。介孔硅胶与海藻酸钙和聚丙烯酰胺发生氢键作用，从而提高了水凝胶的强度和在生理环境下的稳定性。该水凝胶在生理盐水和模拟体液中浸泡45天后强度还能保持初始值的70％以上，断裂能高于天然软骨。该制备方法简单快速，没有引入任何有毒试剂，材料具有良好的生物相容性，可以作为关节软骨替代物。

【技术实现步骤摘要】
一种在生理环境下保持高强度的水凝胶及其制备方法
本专利技术涉及一种在生理环境下保持高强度的水凝胶及其制备方法，属于功能材料和生物材料领域。
技术介绍
高分子水凝胶是由高分子三维网络与水组成的多元体系，对环境刺激可在宏观(体积)形状上产生巨大变化。水凝胶被广泛地应用于工业、农业、生物和材料领域。水凝胶是一种类似于生命组织的高分子材料，有良好的生物相容性，不影响生命体的代谢过程，且代谢产物可以通过水凝胶排出，因而可以作为组织填充剂。聚合物水凝胶还可以做成微胶囊用作药物的载体。但是通常的水凝胶强度低，限制了其进一步实际应用。近年来高强度水凝胶的研究取得了重要进展。龚剑萍等提出“双层网络”水凝胶的思想，在形成高交联度的刚性第一层网络的凝胶基础上，其内部合成交联度较低的柔性第二层网络【AdvancedMaterials.2014，26：436-442】。这种水凝胶在保持高含水量的同时也具有高的强度。但是该双化学网络交联水凝胶需要两步聚合，制备过程比较复杂。锁志刚等人用一步法制备了高弹性高韧性聚丙烯酰胺/海藻酸钙(PAM/CaAlg)双网络水凝胶【Nature，2012，489(7414)：133-136】，此水凝胶具有良好的生物相容性、优良的润滑性和耐磨性，可达到替代软骨组织的要求【Biomaterials，2013，34(33)：8042-8048】。Bakarich等采用3D打印技术制备了纤维增强的PAM/CaAlg水凝胶人工关节软骨替代物【ACSAppliedMaterials&Interfaces，2014，6(18)：15998-16006】。但是在生理环境下，上述双网络水凝胶中的交联离子被释放出来，使凝胶的力学性能迅速下降。目前，构建在生理环境下具备高强度、高韧性和低溶胀的水凝胶仍存在很大挑战。若在双网络水凝胶中引入具有自我修复功能的非共价相互作用，如氢键、静电力、疏水作用和纳米效应，将有助于制备稳定的高强度水凝胶。Sheiko等报道了弱氢键增强的化学交联水凝胶【AdvancedMaterials，2015，27：6899-6905】，该水凝胶拉伸强度可达2MPa，断裂能高达9300J/m2。但是网络中形成氢键需要pH＝3的酸性条件，限制了其实际应用。刘文广教授等运用氢键自识别机理制备了强度为人体软骨4倍的超分子水凝胶，这种水凝胶在不同pH值的酸碱溶液中都能保持较好的力学性能【AdvancedMaterials，2015，27(23)：3566-35-7】。柳明珠等将二氧化硅引入PAM/CaAlg水凝胶中，提高了该双网络凝胶的断裂应力和杨氏模量【ChemicalEngineeringJournal，2014，240(6)：331-337】。Kim等人利用介孔分子筛与聚合物之间存在的范德华力和氢键作用，得到了可在生理溶液中较长时间保持力学性能的PAM/CaAlg杂化水凝胶【AdvancedFunctionalMaterials，2017，DOI：10.1002/adfm.201703826】。吴德成等人首先将短链壳聚糖(CS)通过氢键作用整合到聚丙烯酰胺网络中，使其形成CS微晶和缠结网络，得到具有高机械性能的双网络水凝胶【AdvancedMaterials，2016，28(33)，7178-7184】。2017年Nature期刊报道Tiller等通过酶引发在双网络水凝胶中形成了均匀分散的纳米磷酸钙，使水凝胶的弹性模量达到了440MPa，远高于软骨【Nature，2017，543(7645)：407-410】。本专利技术提供了一种在生理环境下保持高强度的水凝胶及其制备方法。首先将硅酸钠与丙烯酰胺及海藻酸钠一起溶于水，紫外引发丙烯酰胺聚合，经梯度浓度的氯化钙溶液交联，在水凝胶中原位生成硅酸钙纳米粒子，然后将水凝胶在葡萄糖酸-δ-内酯水溶液中浸泡，葡萄糖酸-δ-内酯水解释放出氢离子，氢离子与硅酸钙反应，生成表面含介孔硅胶的硅酸钙。介孔硅胶与海藻酸钙和聚丙烯酰胺发生氢键作用，从而提高了水凝胶的强度和在生理环境下的稳定性。该水凝胶在生理盐水和模拟体液中浸泡45天后强度还能保持初始值的70％以上，断裂能高于天然软骨。该制备方法简单快速，没有引入任何有毒试剂，材料具有良好的生物相容性，可以作为关节软骨替代物。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是常规水凝胶机械性能差，聚丙烯酰胺/海藻酸钙双网络水凝胶难以在生理环境下具备高强度、高韧性和低溶胀的问题。本专利技术解决所述常规水凝胶机械性能差，聚丙烯酰胺/海藻酸钙双网络水凝胶难以在生理环境下具备高强度、高韧性和低溶胀的问题的技术方案是设计一种在生理环境下保持高强度的水凝胶。一种在生理环境下保持高强度的水凝胶，其特征是：将硅酸钠，丙烯酰胺，化学交联剂和海藻酸钠一起溶于水，紫外引发丙烯酰胺聚合，经梯度浓度的氯化钙溶液交联，在聚丙烯酰胺/海藻酸钙水凝胶中原位生成硅酸钙纳米粒子，然后将水凝胶在葡萄糖酸-δ-内酯水溶液中浸泡，葡萄糖酸-δ-内酯水解释放出氢离子，氢离子与硅酸钙反应，生成表面含介孔硅胶的硅酸钙，介孔硅胶与海藻酸钙和聚丙烯酰胺发生氢键相互作用，从而提高聚丙烯酰胺/海藻酸钙水凝胶的强度及其在生理环境下的稳定性。本专利技术提供了一种在生理环境下保持高强度的水凝胶的制备方法，其特征是包括以下步骤：a)称取0.005-2g硅酸钠，5-15g丙烯酰胺，0.5-2g海藻酸钠，丙烯酰胺质量百分比0.03％-0.30％的化学交联剂，一起溶于50-100ml去离子水中，静置消泡后得到铸膜液，放置于无菌容器中备用；配制梯度浓度的氯化钙水溶液备用，氯化钙的质量百分比浓度从低到高分别为0.005％，0.01％，0.05％，0.1％，0.5％，1.0％，2.5％，5.0％；b)向步骤a)制备的铸膜液中加入丙烯酰胺质量百分比0.1％-5％的过硫酸铵，丙烯酰胺质量百分比0.1％-5％的亚硫酸氢钠和丙烯酰胺质量百分比0.01％-2％的四甲基乙二胺，搅拌分散均匀后，立即将该溶液倒入干燥清洁的玻璃板上，用厚度为10-3000μm的刮膜棒刮成厚度均匀的液膜，在N2保护下紫外照射1-30min引发丙烯酰胺聚合，得到化学交联的凝胶膜；c)将步骤b)得到的化学交联的凝胶膜和玻璃板一起浸泡到步骤a)得到的梯度浓度的氯化钙溶液中，每种梯度浓度下浸泡0.1-2h，在浸泡过程中将凝胶膜从玻璃板上揭下来，氯化钙与海藻酸钠充分均匀反应形成离子交联网络结构的海藻酸钙水凝胶，同时氯化钙与硅酸钠反应在聚丙烯酰胺/海藻酸钙水凝胶中原位生成硅酸钙纳米粒子，得到含硅酸钙的凝胶膜；d)配制质量百分比浓度为0.1％-10％的葡萄糖酸-δ-内酯水溶液，将步骤c)得到的含硅酸钙的凝胶膜浸泡到葡萄糖酸-δ-内酯水溶液中0.1-24h，葡萄糖酸-δ-内酯水解释放出氢离子，氢离子与硅酸钙反应，在硅酸钙纳米粒子表面形成介孔硅胶结构，得到一种在生理环境下保持高强度的水凝胶；介孔硅胶与海藻酸钙和聚丙烯酰胺发生氢键相互作用，再加上纳米粒子的增强效应，提高了聚丙烯酰胺/海藻酸钙水凝胶在生理环境下的力学稳定性和抗溶胀性。本专利技术所述的化学交联剂为二甲基丙烯酸乙二醇酯、二乙烯基苯、N，N′-亚甲基双丙烯酰胺和二异氰酸酯中的任意一种或两种以上混本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在生理环境下保持高强度的水凝胶，其特征是：将硅酸钠，丙烯酰胺，化学交联剂和海藻酸钠一起溶于水，紫外引发丙烯酰胺聚合，经梯度浓度的氯化钙溶液交联，在聚丙烯酰胺/海藻酸钙水凝胶中原位生成硅酸钙纳米粒子，然后将水凝胶在葡萄糖酸‑δ‑内酯水溶液中浸泡，葡萄糖酸‑δ‑内酯水解释放出氢离子，氢离子与硅酸钙反应，生成表面含介孔硅胶的硅酸钙，介孔硅胶与海藻酸钙和聚丙烯酰胺发生氢键相互作用，从而提高聚丙烯酰胺/海藻酸钙水凝胶的强度及其在生理环境下的稳定性。

【技术特征摘要】
1.一种在生理环境下保持高强度的水凝胶，其特征是：将硅酸钠，丙烯酰胺，化学交联剂和海藻酸钠一起溶于水，紫外引发丙烯酰胺聚合，经梯度浓度的氯化钙溶液交联，在聚丙烯酰胺/海藻酸钙水凝胶中原位生成硅酸钙纳米粒子，然后将水凝胶在葡萄糖酸-δ-内酯水溶液中浸泡，葡萄糖酸-δ-内酯水解释放出氢离子，氢离子与硅酸钙反应，生成表面含介孔硅胶的硅酸钙，介孔硅胶与海藻酸钙和聚丙烯酰胺发生氢键相互作用，从而提高聚丙烯酰胺/海藻酸钙水凝胶的强度及其在生理环境下的稳定性。2.一种在生理环境下保持高强度的水凝胶的制备方法，其特征是包括以下步骤：a)称取0.005-2g硅酸钠，5-15g丙烯酰胺，0.5-2g海藻酸钠，丙烯酰胺质量百分比0.03％-0.30％的化学交联剂，一起溶于50-100ml去离子水中，静置消泡后得到铸膜液，放置于无菌容器中备用；配制梯度浓度的氯化钙水溶液备用，氯化钙的质量百分比浓度从低到高分别为0.005％，0.01％，0.05％，0.1％，0.5％，1.0％，2.5％，5.0％；b)向步骤a)制备的铸膜液中加入丙烯酰胺质量百分比0.1％-5％的过硫酸铵，丙烯酰胺质量百分比0.1％-5％的亚硫酸氢钠和丙烯酰胺质量百分比0.01％-2％的四甲基乙二胺，搅拌分散均匀后，立即将该溶液倒入...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵孔银，齐梦，白甜，许国庆，朱敦皖，樊帆，夏伦，吴梦迪，李佳敏，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12