一种高性能、低摩擦的纳米复合水凝胶的制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种一种高性能、低摩擦的纳米复合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：将单体SBMA、交联剂EGDMA、引发剂过硫酸铵APS和Ti3C2胶体水溶液，加入去离子水中混合搅拌；完全混合后，加入加速剂四甲基乙二胺TMEDA进行搅拌；然后倒入模具，静置后得到模具形状的Ti3C2‑

【技术实现步骤摘要】
一种高性能、低摩擦的纳米复合水凝胶的制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及一种两性离子纳米复合水凝胶的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]水凝胶具有类似于天然关节软骨的三维网络结构，所以它具有一系列特殊的力学性质，如可承受较大形变、生物相容性好、化学性能稳定及成型性良好等，为生物医学领域的发展提供了巨大的潜力，可以考虑作为一种潜在的生物相容材料来替代天然组织，如关节软骨、肌腱和韧带。近年来，高分子水凝胶，如双网络(double network,DN)水凝胶、两性离子共聚物(zwitterionic copolymer)水凝胶和纳米复合水凝胶，在关节软骨缺损、修复方面得到了深入的研究。两性离子水凝胶因具有高亲水性、高离子密度及离子敏感性等特点而备受瞩目，并在近十余年的研究中取得了长足的发展。
[0003]近几年来对甜菜碱两性离子水凝胶研究较多的是其对外界环境的响应性能，两性离子水凝胶目前已广泛应用于生物医学领域，包括医用植入物和组织等，但两性离子水凝胶由于其机械上的脆弱而不能承受较大的力，因此迫切需要提高和调节两性离子水凝胶的机械强度和润滑性能来满足各种生物医学应用。如：通过常用化学交联剂N，N'
‑
亚甲基双丙烯酰胺(BIS)合成的聚甲基磺基甜菜碱(polySBMA)水凝胶的断裂压缩应力不到100kPa。
[0004]PolySBMA化学凝胶的弱力学性能极大程度上限制了它的应用范围。为解决这一问题，近几年，研究者们研究了各种制备方法用来提高甜菜碱两性离子水凝胶的力学强度以扩展其应用领域。例如，通过增加交联剂的含量来提高水凝胶的机械性能。但是，由于BIS在水中的溶解度较低，很难通过增加BIS交联剂的含量来提高polySBMA水凝胶的力学性能。鉴于此原因，Kasak等制备了新型水溶性交联剂N，N
‑
双(甲基丙烯酰氧基乙基)
‑
N
‑
甲基
‑
N
‑
(3磺基丙基)铵甜菜碱(CL1)，用于改善polySBMA水凝胶的力学性能。结果表明，通过增加CL1含量，polySBMA水凝胶的力学性能得到很大程度上的提高(当CLl含量为20mol％单体含量时，断裂时的压缩应力高达4400kPa，断裂时的压缩应变约为85％)。Zhang等人通过将物理交联与化学交联相结合的方法制备出双网络结构的polySBMA水凝胶，也在一定程度上提高了polySBMA水凝胶的力学性能。然而，尽管这两种方法可以在一定程度上提高两性离子聚合物水凝胶的力学性能，但是受共价键的限制，化学交联制备的水凝胶在较小的形变下即发生断裂，力学性能普遍较差，如通过化学交联制备的polySBMA水凝胶的拉伸断裂应力仅5kPa，而其断裂伸长率只能达到10％。

技术实现思路

[0005]目前来说，不论是仿生滑液的宏观润滑机理，还是仿生水凝胶材料的承载和润滑性能方面，均难以满足实际的人体关节需求，这些问题极大的限制了这些材料的生物医学应用。本专利技术针对上述问题，进行了一些针对性的研究，通过添加新型二维纳米材料的方式，以期获得具有优良润滑性能、足够力学性能以及良好生物相容性的两性离子纳米复合水凝胶。
[0006]为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0007]一种高性能、低摩擦的纳米复合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1、将两性离子单体、交联剂、引发剂和Ti3C2水溶液，加入去离子水中混合搅拌；
[0009]步骤2、完全混合后，加入加速剂进行搅拌；
[0010]步骤3、然后倒入模具，静置后得到模具形状的Ti3C2‑
PSBMA复合水凝胶。
[0011]两性离子单体为甲基磺基甜菜碱，交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯，引发剂为过硫酸铵，加速剂为四甲基乙二胺。
[0012]两性离子单体、交联剂、引发剂、加速剂在混合溶液中的浓度分别为1
‑
2.5mol L
‑1、0.2
‑
1.5mol L
‑1、0.02
‑
0.25mol L
‑1、0.2
‑
1.0mol L
‑1。
[0013]Ti3C2在混合溶液中的质量分数为0.001
‑
1wt％。
[0014]Ti3C2在混合溶液中的质量分数为0.005wt％，0.01wt％，0.015wt％，0.02wt％，或者0.025wt％。
[0015]步骤1中，以200
‑
1000r/min进行恒温磁力混合搅拌至少4小时。
[0016]步骤2中，搅拌时间为1
‑
3min。
[0017]步骤3中，静置时间为10
‑
30min。
[0018]得到的Ti3C2‑
PSBMA复合水凝胶在纯水中浸泡至少3天，以去除未反应的物质。
[0019]所述Ti3C2‑
PSBMA复合水凝胶在关节软骨替代中的应用。
[0020]本专利技术的有益效果：本专利技术采用化学交联的方法制备了复合水凝胶。这种方法简单易操作，反应迅速，成型时间短，所制备的水凝胶只会发生溶胀而不会降解，结构稳定性好。无论实验材料还是制备过程，成本均比较低。
[0021]1.在两性离子水凝胶中引入单层Ti3C2，这是一种新型二维材料MXene，利用简单搅拌，通过自由基聚合以及物理静电吸附作用，形成了交织的纳米复合水凝胶网络。
[0022]2.Ti3C2的加入，显著增强了纯PSBMA水凝胶的各项力学性能，其抗压强度增加了320％(从0.067到0.217MPa)，抗拉强度提高了360％(从0.027到0.097MPa)。
[0023]3.使用水凝胶这种软材料与硅片进行往复摩擦运动，获得了低摩擦系数(约0.0126)。因此Ti3C2‑
PSBMA复合水凝胶的摩擦学性能也比较优良。
[0024]4.得到的纳米复合水凝胶显示出较好的生物相容性、亲水性和热稳定性，有潜力成为关节软骨替代材料。
[0025]进行了动态力学和应力松弛实验，在整个角频率范围内，几个浓度的样品的储能模量远大于损耗模量，这是强水凝胶的一个显著特征。同时，储能模量值随角频率的增加有微弱的增大趋势，这与天然关节软骨的性质一致。另外，几个浓度的损耗因子均在天然关节软骨的损耗因子0.01～0.1范围内波动，同时具备较高的储能模量和较低的损耗模量。
附图说明
[0026]本专利技术有如下附图：
[0027]图1推测的EGDMA、Ti3C2和SBMA之间水凝胶网络形成机理的示意图。
[0028]图2中，(a)图为不同浓度的Ti3C2‑
PSBMA复合水凝胶的压缩应力
‑
应变图，(b)图为不同浓度的Ti3C2‑
PSBMA复合水凝胶的拉伸应力
‑
应变图，(c)图为储能模量G'和损耗模量
G"，(d)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能、低摩擦的纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、将两性离子单体、交联剂、引发剂和Ti3C2水溶液，加入去离子水中混合搅拌；步骤2、完全混合后，加入加速剂进行搅拌；步骤3、然后倒入模具，静置后得到模具形状的Ti3C2‑
PSBMA复合水凝胶。2.如权利要求1所述的高性能、低摩擦的纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于：两性离子单体为甲基磺基甜菜碱，交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯，引发剂为过硫酸铵，加速剂为四甲基乙二胺。3.如权利要求1所述的高性能、低摩擦的纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于：两性离子单体、交联剂、引发剂、加速剂在混合溶液中的浓度分别为1
‑
2.5mol L
‑1、0.2
‑
1.5mol L
‑1、0.02
‑
0.25mol L
‑1、0.2
‑
1.0mol L
‑1。4.如权利要求1所述的高性能、低摩擦的纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于：Ti3C2在混合溶液中的质量分数为0.001

【专利技术属性】
技术研发人员：王仲楠，张跃，孟凡杰，郭慧，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：