CN104177811A

CN104177811A - 一种同步互穿硅水凝胶及其制备方法

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Publication number: CN104177811A
Application number: CN201310196071.9A
Authority: CN
Inventors: 徐金库
Original assignee: Shandong Institute of Light Industry
Current assignee: Shandong Institute of Light Industry; Shandong Polytechnic University
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2014-12-03

Abstract

本发明涉及一种同步互穿的硅水凝胶及其制备方法，其可以通过简单的光或热引发两网络同步形成。其中一个网络为亲水性网络，经自由基聚合得到；另一个网络以多异氰酸酯为交联剂，与含羟基聚硅氧烷间的化学反应得到。具体地说是将含羟基聚硅氧烷、聚合单体和交联剂混合，加入引发剂、催化剂等，一步法固化制备。其中亲水网络赋予材料吸水和离子透过性能；有机硅网络赋予材料高透氧性能。本发明涉及的硅水凝胶具有良好的生物相容性，可用于医用生物材料，如角膜接触镜、医用植入材料、人工皮肤、药物传递载体等。

Description

一种同步互穿硅水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种同步互穿硅水凝胶及其制备方法，其特征是存在两个相互独立的高分子网络，经热或光固化一步法制备。其中一个网络为亲水性网络，经自由基聚合得到；另一个网络由异氰酸酯和含羟基聚硅氧烷间的化学反应得到。亲水网络赋予材料吸水性能，并增加材料的离子透过性。有机硅网络赋予材料高透氧性能。本专利涉及的硅水凝胶具有良好的生物相容性，可用于医用生物材料，如角膜接触镜、人工皮肤、药物传递载体等。

背景技术

硅水凝胶材料具有良好的生物相容性，并具有热稳定性好、玻璃化温度低、透气性高等优点，在生物医学领域具有广泛应用，如作为医用植入材料、人工皮肤、角膜接触镜等。特别作为角膜接触镜材料，已广泛应用于临床的视力矫正，其具有高的透氧系数，适合于连续佩戴。

硅水凝胶可以通过共聚或同步互穿技术制备。共聚的方法已广泛应用于角膜接触镜领域。常用的方法是在聚硅氧烷两端接上活性可聚合的乙烯基基团，合成硅大单体，与亲水性单体如甲基丙烯酸β-羟基乙酯、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮等构成聚合体系，经热或紫外光固化制备有机硅水凝胶。其中的聚二甲基硅氧烷赋予材料高透氧性能，制备的接触镜可以满足连续佩戴下眼部对氧气的需求；材料中的亲水性成分赋予材料吸水和离子透过性能。

有机硅水凝胶还可以通过顺序互穿或同步互穿技术（IPN）制备。IPN硅水凝胶可以克服亲水/疏水相间的不相容性，制备的材料具有良好的透光性能。已有多篇文献报道顺序互穿技术制备硅水凝材料，例如Liu等制备了聚二硅氧烷(PDMS)和聚（异丙基丙烯酰胺）顺序互穿网络水凝胶，其对氧气和葡萄糖具有良好的透过性能[L Liu, H Sheardown. Glucose permeable poly(dimethyl siloxane) poly(N-isopropyl acrymide) interpentrating networks as ophalmic biomaterials. biomaterials (2005),26(3):Pages 233-244]。最近，王等基于自由基聚合和阳离子聚合制备了同步互穿硅水凝胶，制备的材料透光性能良好，具有高透氧性能[Jingjing Wang, Xinsong Li Preparation and Characterization of Interpenetrating Polymer Network Silicone Hydrogels with High Oxygen Permeability. Journal of Applied Polymer Science, 2010，116, 2749–2757]。

羟基可以和异氰酸酯发生化学反应。基于此反应，Ce′dric Vancaeyzeele等人以多异氰酸酯为交联剂，采用同步互穿技术制备了聚异丁烯/聚甲基丙烯酸甲酯同步互穿网络[Ce′dric Vancaeyzeelea, Odile Ficheta, Sylvie Boileaub, Dominique Teyssie′，Polyisobutene–poly(methylmethacrylate) interpenetrating polymer networks: synthesis and characterization. Polymer 2005, 46: 6888–6896]；Peicuanc Zhou等人制备了羟基封端的聚二甲基硅氧烷，以缩二脲三异氰酸酯为交联剂，制备了聚二甲基硅氧烷/聚甲基丙烯酸甲酯共网络[Zhou, PG; Frisch, HL; Rogovina, L. interpenetrating polymer networks of poly(dimethyl siloxane urethane) and poly(methyl methacrylate). Journal of polymer science part A-polymer chemistry, 1993, 31(10):2481-2491]。经文献检索，我们发现，目前基于羟基和异氰酸酯间化学反应制备的IPN材料仅限于疏水性材料（聚甲基丙烯酸甲酯），未见同步IPN硅水凝胶的相关报道。

本专利涉及的是一种同步互穿的硅水凝胶及其制备方法，成功将亲水/疏水两相同步互穿获得了具有良好透光性能的硅水凝胶。不同于现有的硅水凝胶的制备方法，其特征在于亲水网络采用自由基聚合制备；聚硅氧烷网络采用含有多羟基的聚硅氧烷和异氰酸酯间的化学反应制备。两网络制备所需单体混合在一起，在引发剂和催化剂作用下，紫外光或热固化制备硅水凝胶。

发明内容

本发明涉及一种同步互穿硅水凝胶及其制备方法，与以往的有机硅水凝胶的制备方法不同，本硅水凝胶存在亲水/疏水两个相互独立的高分子网络，采用同步互穿技术制备，经热或光固化一步法制备。其中的亲水网络经自由基聚合得到，赋予材料吸水、离子透过性能；疏水有机硅网络经羟基和异氰酸酯间的化学反应得到，赋予材料高透氧性能。

本发明涉及同步互穿硅水凝胶及其制备方法，分解为如下两个步骤来具体说明。

1) 含羟基聚硅氧烷的合成

含羟基硅氧烷经开环聚合和硅氢加成反应合成。开环聚合主要指四甲基环四硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、三甲基环三硅氧烷、六甲基环三硅氧烷中的一种或几种；硅氢加成反应中的加成物为含羟基的乙烯基化合物，如乙二醇单烯丙基醚、（甲基）丙烯酸羟基乙酯等中的一种或几种。

2) 同步互穿有机硅水凝胶的制备

合成的含羟基聚硅氧烷和亲水性单体混合，加入交联剂、引发剂、催化剂，滴入模具中，紫外光或热固化制备同步互穿硅水凝胶。亲水性单体固化形成亲水网络、硅氧烷固化形成有机硅网络。

相较于目前文献报道的有机硅水凝胶，本专利涉及的有机硅水凝胶具有如下优点和创新性：

1) 共聚法制备有机硅水凝胶材料为疏水/亲水相交替共存的微相分离结构。本专利中的同步互穿网络硅水凝胶中疏水的有机硅相和亲水相网络互穿，有效的减少了微相尺寸，具有良好的透光性能，而且互穿的两个网络对外界环境更稳定。

2) 顺序互穿网络制备有机硅水凝胶过程中要先固化得到网络1，然后浸泡在可聚合单体中溶胀后，再进一步固化，获得网络2，制备过程复杂，单体的浪费严重。本专利中将两个网络所需单体混合在一起，固化过程中两个网络同步形成，制备过程简单。

3) 本专利中使用的单体为制备生物材料常用单体，制备的硅水凝胶具有良好的生物相容性，可用于生物材料领域。如角膜接触镜、植入材料、人工皮肤、药物传递载体等。

附图说明

图1是同步互穿硅水凝胶脱水性能图

实施方式

以下通过具体的实施例来说明本专利，但本发明并不受以下实施例的限制。

（1）测定方法

脱水性能

溶胀至平衡的硅水凝胶样品，称重(W_w, g)，置于40°C烘箱中放置脱水，在预设时间点取出，测定脱水态凝胶样品重量(W_d, g)，按下式计算脱水量。脱水30 min后升高烘箱温度至105°C，24 h后测定最终含水量。

力学性能

溶胀至平衡的硅水凝胶材料，裁剪成3 mm × 40 mm的长条形。裁剪好的样品浸泡在蒸馏水中，使材料再次吸水饱和，确保测试时样品的含水量处于饱和状态。实验过程中，温度维持在20℃，湿度为60%，材料拉伸速度为20 mm/min，负载最大量程为10 N。

光学性能

将吸水饱和的硅水凝胶材料剪成1 cm × 4.5 cm的长方形，用蒸馏水冲洗后，紧贴装有蒸馏水尺寸为1 cm×1 cm×4.5 cm的比色皿光学面内壁放置，以蒸馏水为空白，用紫外-可见光分光光度计测量材料的透光性，测量范围为200 nm～800 nm，狭缝宽度为2 nm。

离子透过性能

同步互穿硅水凝胶的粒子透过性依据文献[Jinku Xu, Xinsong Li, and Fuqian Sun. In vitro and in vivo evaluation of ketotifen fumarate-loaded silicone hydrogel contact lenses for ocular drug delivery.Drug Delivery, 2011; 18(2): 150–158]方法进行测定。

（2）含羟基硅氧烷（HPSO）的合成

按照文献（K. Madhavan, B. S. R. Reddy. Synthesis and Characterization of Poly (dimethylsiloxane-urethane) Elastomers: Effect of Hard Segments of Polyurethane on Morphological and Mechanical Properties. Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 2006, 44: 2980–2989）的合成方法制备。含羟基硅氧烷的结构式为：

IR (cm^-1): 3439 cm^-1 (O-H stretch), 2962 cm^-1 (C-H stretch), 1421 cm^-1 (Si-CH₂ stretch), 1261 cm^-1 (CH₂-O-CH₂ stretch), 1092 cm^-1 (Si-O-Si stretch) and 800 cm^-1 (Si-CH₃ rocking).

¹H NMR (CD3Cl): δ = 3.727 ppm. (1H, CH₂CH₂CH₂OCH ₂CH₂OH), 3.544 ppm. (1H, CH₂CH₂ CH ₂OCH₂CH₂OH), 3.441 ppm. (1H, CH₂CH₂CH₂OCH₂ CH ₂OH), 1.916 ppm. (0.5H, CH₂CH₂CH₂OCH₂CH₂ OH), 1.644 ppm. (1H, CH₂ CH ₂CH₂OCH₂CH₂OH), 0.529 ppm. (1H, CH ₂CH₂CH₂OCH₂CH₂OH), 0.082 ppm. (29.5H, Si-CH₃).

经核磁数据计算，含羟基硅氧烷结构式中m=27，n=1，分子量为2480.

（3）同步互穿硅水凝胶的制备

实施例1

称取一定量的含羟基硅氧烷（HPSO），加入一定比例的聚合单体N,N-二甲基丙烯酰胺，3-（异丁烯酰氧）丙基三（三甲基硅氧烷）硅烷（TRIS），二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）做交联剂，偶氮二异丁腈（AIBN）作为引发剂，二丁基二月桂酸锡（DBTDL）作为催化剂，搅拌均匀获得透明溶液，真空脱气后，滴加到模具中，80℃下固化24 h，打开模具，放入温水中脱膜，同时提取未反应的单体。

表1. 同步互穿硅水凝胶配方

溶胀平衡后，对制备的膜进行性能表征。

脱水过程如图1所示，在最初的时间段，迅速失水，25 min后失水基本完全。随着疏水组分聚硅氧烷含量的增加，凝胶的含水量降低。制备的凝胶含水量基本在30%～40%间。

制备同步互穿硅水凝胶的相关力学和离子透过性能见下表：

表2. 同步互穿硅水凝胶的力学和离子透过性能

实施例2

称取一定量的含羟基硅氧烷（HPSO），加入一定比例的聚合单体N –乙烯基吡咯烷酮（NVP）、3-（异丁烯酰氧）丙基三（三甲基硅氧烷）硅烷（TRIS），二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）做交联剂，偶氮二异丁腈（AIBN）作为引发剂，二丁基二月桂酸锡（DBTDL）作为催化剂，搅拌均匀获得透明溶液，真空脱气后，滴加到模具中，80℃下固化24 h，打开模具，放入温水中脱膜，同时提取未反应的单体。

溶胀平衡后，对制备的膜材料进行表征, 制备的凝胶具有良好的透光性能,含水量在30%～40%, 力学性能良好。

实施例3

称取一定量的含羟基硅氧烷（HPSO），加入一定比例的聚合单体聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯（Mn=300）、3-（异丁烯酰氧）丙基三（三甲基硅氧烷）硅烷（TRIS），二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）做交联剂，偶氮二异丁腈（AIBN）作为引发剂，的二丁基二月桂酸锡（DBTDL）作为催化剂，搅拌均匀获得透明溶液，真空脱气后，滴加到模具中，80℃下固化24 h，打开模具，放入温水中脱膜，同时提取未反应的单体。

溶胀平衡后，制备的凝胶具有良好的透光性能,含水量在30%～45%, 力学性能良好。

实施例4

称取一定量的含羟基硅氧烷（HPSO），加入一定比例的聚合单体N-乙烯基酰胺、3-（异丁烯酰氧）丙基三（三甲基硅氧烷）硅烷（TRIS），二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）做交联剂，偶氮二异丁腈（AIBN）作为引发剂，二丁基二月桂酸锡（DBTDL）作为催化剂，搅拌均匀获得透明溶液，真空脱气后，滴加到模具中，80℃下固化24 h，打开模具，放入温水中脱膜，同时提取未反应的单体。

溶胀平衡后，制备的凝胶具有良好的透光性能，含水量在30%～45%, 力学性能良好。

Claims

1.一种同步互穿硅水凝胶材料，其特征在于存在两个相互独立的高分子网络，经热或光固化一步法制备。

2.根据权利要求1，一种同步互穿网络硅水凝胶材料，其特征在于其中一个高分子网络为亲水性网络；另一个高分子网络为有机硅。

3.根据权利要求1，一种同步互穿网络硅水凝胶材料，其特征在于亲水网络由自由基聚合获得；有机硅网络经异氰酸酯和含羟基硅氧烷间化学反应获得。

4.根据权利要求1、3，一种同步互穿硅水凝胶材料，其特征在于亲水网络的聚合单体是N,N-二甲基丙烯酰胺、聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯，N-乙烯基吡咯烷酮（NVP），（甲基）丙烯酸甲酯或（甲基）丙烯酸乙酯，（甲基）丙烯酸，N-乙烯基酰胺（VMA），3-（异丁烯酰氧）丙基三（三甲基硅氧烷）硅烷，其中的一种或几种的混合物，交联剂是二或三（甲基）丙烯酸多元醇酯、甲基丙烯酸烯丙酯中的一种或几种。

5.根据权利要求1、3，一种同步互穿硅水凝胶材料，其特征在于含羟基硅氧烷具有如下结构：

多异氰酸酯含有2-6个异氰酸酯基团。

6.一种同步互穿硅水凝胶及其制备方法，其特征在于制备方法为：将聚合单体、交联剂、引发剂、催化剂混合均匀，注入模具中，紫外光或热固化，脱模后置于水相中平衡。