CN105906821B - 一种自粘附导电水凝胶的制备方法 - Google Patents

一种自粘附导电水凝胶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自粘附导电水凝胶的制备方法，本发明属于生物材料制备技术领域。本发明包括以下步骤：首先通过甲基丙烯酸酐化在生物大分子上引入双键得到双键化生物大分子。然后制备聚多巴胺功能化的导电纳米材料，最后将所述双键化生物大分子与所述聚多巴胺功能化导电纳米材料通过光引发自由基聚合制得所述自粘附导电水凝胶。本发明借鉴仿贻贝材料的粘附性，引入具有粘附性的酚羟基功能团，通过改变酚羟基功能团的含量实现水凝胶自粘附性能的调控。此外本发明制备出的自粘附导电水凝胶具有良好的导电性能、力学性能和生物相容性，扩宽了水凝胶的应用范围；本发明制备方法具有简单易行、聚合过程可控、聚合速度快、能耗低等优势。

Description

一种自粘附导电水凝胶的制备方法
技术领域
本发明属于生物材料制备技术领域，具体涉及一种具有良好的力学性能、导电性能和生物相容性的自粘附导电水凝胶的制备方法。
背景技术
智能水凝胶是一类能响应外界刺激信号(如温度、pH、溶剂、离子强度、电场、磁场、压力和特异性分子等)的变化而产生应答的水凝胶。导电水凝胶是智能水凝胶中的一种，它结合了水凝胶和导电物质的双重特性，具有可控的电导率区间，因此在人工电子皮肤、可穿戴生物电子设备、心脏组织工程材料和生物传感器等领域有潜在的运用。
目前，导电水凝胶主要是采用导电纳米颗粒添加或者导电高分子材料复合而成。然而，现有纳米颗粒增强型由于纳米颗粒在三维交联网络中的分散不均匀而使得水凝胶的导电性受限。
现有的导电水凝胶其基体材料大多采用合成高分子材料，常规的导电高分子存在有在水或者有机溶剂中不易溶解、不能在高温时熔融的问题，因而，获得预期的导电高分子水凝胶在合成方面仍然面临巨大的挑战。有关聚苯胺水凝胶和聚噻吩水凝胶的合成已经报道，但是这两篇报道中涉及的合成方法都必须用到繁琐的化学交联，才能将线性导电高分子构筑成以导电高分子作为连续相的导电高分子水凝胶的三维网络结构；如果采用导电高分子作为分散相，镶嵌或接枝在非导电基体上制备导电水凝胶，则造成电子传输微区因被非导电基体分隔后复合导电水凝胶的性能较差。
由于导电高分子普遍不存在亲水集团且主链僵硬，故导电高分子水凝胶的生物相容性有所欠缺。生物传感器是表面固定有生物分子或细胞的电化学传感器，生物分子一般固定在与生物传感器物理元件表面的水凝胶表面或内部。导电水凝胶是连接生物分子和物理元件的枢纽，因此在使用时我们期望导电水凝胶有合适的粘附性。然而，现有的导电水凝胶在使用时需要依靠额外的粘附剂、增加了使用的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自粘附导电水凝胶的制备方法，本发明制备出的水凝胶不仅具有良好的自粘附性能而且提高了其力学性能、导电性能和生物相容性；本发明制备方法采用光聚合技术制备自粘附导电水凝胶，反应条件温和、可操作性强，适用于工业大规模生产。
本发明通过以下技术方案实现：
一种自粘附导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
A：通过甲基丙烯酸酐化在生物大分子上引入双键得到双键化生物大分子；
B：将质量分数为0.1％～20％的导电纳米材料加入到浓度为0.5mg/ml～5mg/ml多巴胺溶液中，所述多巴胺溶液的pH为8.5～14，充分搅拌混合使得多巴胺自聚合形成聚多巴胺，并均匀地包裹在纳米材料表面，即得到聚多巴胺功能化导电纳米材料；
C：将步骤A制得的双键化生物大分子与步骤B制得的导电纳米材料通过光引发自由基聚合制得所述自粘附导电水凝胶。
所述步骤A具体为：
A1：称取生物大分子溶解于磷酸盐缓冲液中配制成溶液；
A2：将甲基丙烯酸酐缓慢滴加在生物大分子溶液中，然后于温度范围25～50℃条件下搅拌反应3～24小时；
A3：边搅拌边加入水或磷酸盐缓冲液稀释生物大分子与甲基丙烯酸酐的反应液；
A4：将步骤A4中稀释后溶液置于截留分子量为12～14kDa的透析袋中，用去离子水透析得到双键化生物大分子溶液；
A5：将透析后的溶液倒入离心管中，在2500rpm的转速下离心15分钟，将所得离心沉淀物进行冷冻干燥，得到双键化生物大分子粉末。
所述步骤C具体为：
C1：将步骤A制得的双键化生物大分子溶解形成预聚液，所述双键化生物大分子在所述预聚液中的质量百分比为5～20％；
C2：将步骤B制得的聚多巴胺功能化的导电纳米材料均匀分散在C1中的预聚液中，其中，导电纳米颗粒与生物大分子的质量比为0.01～0.1∶1；
C3：配制质量浓度为5～10％的引发剂溶液；
C4:将步骤C3配制好的引发剂溶液加入步骤C2中的混合液中搅拌均匀，其中所述引发剂的质量为所述单体质量的0.5～3％，通过光引发自由基聚合，形成所述导电纳米材料复合水凝胶。
本发明自粘附导电水凝胶的制备方法中，其所述步骤A中生物大分子是明胶、胶原、壳聚糖、海藻酸钠、丝素蛋白、透明质酸和壳聚糖中的任何一种。
本发明自粘附导电水凝胶的制备方法中，其所述步骤B中导电纳米材料为碳纳米管、聚吡咯纳米颗粒、碳黑纳米颗粒、石墨烯纳米片层、金纳米颗粒和银纳米颗粒中的任何一种。
本发明自粘附导电水凝胶的制备方法中，其所述的引发剂为Irgacure 2959、Irgacure 184、Irgacure 127和Irgacure 500中任何一种。
本发明创新点在于：
本发明中多巴胺(DA)因其结构兼具黏附蛋白中的主要成分L-3,4-二羟苯丙氨酸(DOPA)和少量的赖氨酸残基，被证明具有超强的粘附性能。将多巴胺引入水凝胶中，赋予水凝胶良好的自粘附性能，使其能够稳定地粘附在各种基体表面，包括人体组织。同时，多巴胺(DA)形成聚多巴胺(PDA)过程简单，多巴胺在水溶液中很容易被溶解氧所氧化继而引发自聚-交联反应，在几乎任何一种固体材料表面可以形成紧密附着的聚多巴胺复合层，该涂层可以增加纳米材料的分散性；聚多巴胺(PDA)具有良好的生物相容性，可以提高材料表面亲水性，此外，聚多巴胺(PDA)表面含有大量儿茶酚和氨基等活性基团，能与细胞膜表面蛋白发生相互作用，具有良好的细胞粘附性。
本发明中双键化生物大分子的制备在分子链的主链末端形成了可发生光聚合反应甲基丙烯酸结构，然后采用光聚合技术，使得聚多巴胺化的导电纳米材料在光(通常为紫外光或可见光)或者高能射线(主要为电子束)的作用下与双键生物大分子进行聚合化学反应从而形成三维交联的水凝胶结构。
本发明借鉴仿贻贝材料的粘附性，引入具有粘附性的酚羟基功能团，通过改变酚羟基功能团的含量实现水凝胶自粘附性能的调控；加入导电纳米材料作为纳米填充增强剂，通过控制导电纳米材料的加入量调控水凝胶的导电性。本发明制备出的水凝胶主体为可降解的生物大分子，具有良好的生物相容性，对人体皮肤组织无刺激性，不会引发炎症反应。本发明通过自由基聚合反应形成自粘附导电水凝胶，具有聚合过程可控、聚合速度快、能耗低等优势。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果
1.本发明制备的自粘附导电水凝胶，其中多巴胺功能团对导电纳米材料进行表面改性使其在水凝胶网络中具有良好的分散性，从而使得本发明制备的智能水凝胶具有优良的导电性；同时，经多巴胺修饰后的纳米导电材料，提高了导电水凝胶的力学性能，且在动态力学环境下电学性能更稳定，使自粘附导电水凝胶的实际应用范围更广。
2.本发明制备的自粘附导电水凝胶，在使用时无需依靠额外的粘附剂、绷带等，可以牢固地粘附于机体组织，并在反复多次使用过程中能够保持良好的粘附强度，且很容易剥离。
3.本发明制备的自粘附导电水凝胶具有良好的生物相容性，不会引起细胞毒性，对人体皮肤组织无刺激性，不会引发炎症反应。
4.本发明的制备方法本发明克服了传统化学交联法影响因素多且离子键不稳定的固有特性，且具有简单易行、聚合过程可控、聚合速度快、能耗低等优势。
附图说明
图1为本发明制备出的自粘附导电水凝胶的电镜扫描图。
图2为本发明制备出的自粘附导电水凝胶具有优良的导电性能。
图3为本发明制备出的自粘附导电水凝胶具有优良的粘附性能。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述：
实施例1：
一种自粘附导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
A、制备双键化丝素蛋白：
A1：称取丝素蛋白溶解于水中配制成浓度为2％的溶液；
A2：将0.8倍丝素蛋白质量的甲基丙烯酸酐缓慢滴加在生物大分子溶液中，然后在50℃下搅拌反应24小时；
A3：随后将丝素蛋白与甲基丙烯酸酐的反应液稀释5倍；
A4：将步骤A4中稀释后的溶液置于截留分子量为12～14kDa的透析袋中，用去离子水透析得到双键化丝素蛋白溶液；
A5：将透析后的溶液倒入离心管中，在2500rpm的转速下离心15分钟，将所得离心沉淀物进行冷冻干燥，得到双键化丝素蛋白粉末。
B、制备聚多巴胺功能化的导电纳米材料：
将质量分数为10％的聚吡咯纳米颗粒加入到浓度为2mg/ml、pH为10的多巴胺溶液中，充分搅拌使得多巴胺聚合均匀包裹在聚吡咯纳米颗粒表面，得到聚多巴胺功能化的聚吡咯纳米颗粒。
C、将步骤A制得的双键化丝素蛋白与步骤B制得的导电纳米材料通过光引发自由基聚合制得自粘附导电水凝胶：
C1、配制质量百分比为10％的双键化丝素蛋白溶液形成预聚液；
C2、将步骤B所制备的聚多巴胺功能化的聚吡咯纳米颗粒均匀分散在步骤C1步的预聚液中，其中聚吡咯纳米颗粒与双键化丝素蛋白的质量比为0.05:1；
C3、配制浓度为6％的Irgacure 2959水溶液；
C4、将C3配好的引发剂溶液加入C2步的混合液中搅拌均匀。其中引发剂Irgacure2959的质量为双键化丝素蛋白质量的1.5％。通过光引发自由基聚合，形成所述自粘附导电水凝胶。
实施例2：
一种自粘附导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
A、制备双键化壳聚糖：
A1：称取壳聚糖溶于磷酸盐缓冲溶液中配制成质量浓度为1％的溶液；
A2：将0.16倍壳聚糖质量的甲基丙烯酸酐缓慢滴加在生物大分子溶液中，然后在25℃下搅拌反应24小时；
A3：随后将壳聚糖生物大分子与甲基丙烯酸酐的反应液稀释5倍；
A4：将步骤A4中稀释后的溶液置于截留分子量为12～14kDa的透析袋中，用去离子水透析得到双键化壳聚糖溶液；
A5：将透析后的溶液倒入离心管中，在2500rpm的转速下离心15分钟，将所得离心沉淀物进行冷冻干燥，得到双键化壳聚糖粉末。
B、制备聚多巴胺功能化的导电纳米材料：
将质量分数为20％的纳米石墨烯加入到浓度为5mg/ml、pH为14的多巴胺溶液中，充分搅拌使得多巴胺聚合均匀包裹在纳米石墨烯表面，得到聚多巴胺功能化的聚纳米石墨烯。
C、将步骤A制得的双键化壳聚糖与步骤B制得的导电纳米材料通过光引发自由基聚合制得自粘附导电水凝胶：
C1、配制质量百分比为20％的双键化壳聚糖溶液形成预聚液；
C2、将步骤B所制备的聚多巴胺功能化的纳米石墨烯均匀分散在步骤C1步的预聚液中，其中纳米石墨烯与双键化壳聚糖的质量比为0.1:1；
C3、配制浓度为10％的Irgacure 184溶液；
C4、将C3配好的引发剂溶液加入C2步的混合液中搅拌均匀。其中引发剂Irgacure184的质量为双键化壳聚糖质量的3％。通过光引发自由基聚合，形成所述自粘附导电水凝胶。
实施例3：
一种自粘附导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
A、制备双键化明胶：
A1：称取明胶溶解于磷酸盐缓冲溶液中得到明胶的质量浓度为10％的溶液；
A2：将17.5倍明胶质量的甲基丙烯酸缩水甘油酯缓慢滴加在生物大分子溶液中，然后在50℃下搅拌反应3小时；
A3：随后将明胶与甲基丙烯酸酐的反应液稀释5倍；
A4：将步骤A4中稀释后的溶液置于截留分子量为12～14kDa的透析袋中，用去离子水透析得到双键化明胶溶液；
A5：将透析后的溶液倒入离心管中，在2500rpm的转速下离心15分钟，将所得离心沉淀物进行冷冻干燥，得到双键化明胶粉末。
B、制备聚多巴胺功能化的导电纳米材料：
将质量分数为0.1％的碳纳米管加入到浓度为0.5mg/ml、pH为8.5的多巴胺溶液中，充分搅拌使得多巴胺聚合均匀包裹在碳纳米管表面，得到聚多巴胺功能化的碳纳米管。
C、将步骤A制得的双键化明胶与步骤B制得的导电纳米材料通过光引发自由基聚合制得自粘附导电水凝胶：
C1、配制质量百分比为10％的双键化明胶溶液形成预聚液；
C2、将步骤B所制备的聚多巴胺功能化的碳纳米管均匀分散在步骤C1步的预聚液中，其中碳纳米管与双键化明胶的质量比为0.01:1；
C3、配制浓度为5％Irgacure 127的水溶液；
C4、将C3配好的引发剂溶液加入C2步的混合液中搅拌均匀。其中引发剂Irgacure127的质量为双键化明胶的0.5％。通过光引发自由基聚合，形成所述自粘附导电水凝胶。
实施例4：
本实施例的操作与实施例:1基本相同，只是将实例1所述的丝素蛋白换成胶原。
实施例5：
本实施例的操作与实施例1基本相同，只是将实例1所述的壳聚糖换成海藻酸钠。
实施例6：
本实施例的操作与实施例1基本相同，只是将实例1所述的壳聚糖换成透明质酸。
实施例7：
本实施例的操作与实施例1基本相同，只是将实例1所述的聚吡咯纳米颗粒换成碳黑纳米颗粒。
实施例8：
本实施例的操作与实施例1基本相同，只是将实例1所述的光引发剂Irgacure2959换成Irgacure 500。
结合说明书附图对本发明进一步阐述：
如图1所示为本发明制备出的自粘附导电水凝胶的电镜扫描图，从图中可看出，导电碳黑纳米颗粒表面结合着高分子与生物大分子聚合形成交联结构。
如图2所示，将本发明制备出的自粘附导电水凝胶两端与导线连接后接在小灯泡两端后可使灯泡发光，本发明制备的自粘附导电水凝胶具有优良的导电性能。
如图3所示，为本发明制备出的自粘附导电水凝胶具有优良的黏附性，在使用时无需依靠额外的粘附剂、绷带等，可以牢固地粘附于机体组织。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种自粘附导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A：制备双键化生物大分子；
A1：称取生物大分子溶解于水或磷酸盐缓冲液中配制成溶液；
A2：将甲基丙烯酸酐缓慢滴加在生物大分子溶液中，然后在温度范围为25～50℃条件下搅拌反应3～24小时；
A3：边搅拌边加入水或磷酸盐缓冲液稀释生物大分子与甲基丙烯酸酐的反应液；
A4：将步骤A3中稀释后溶液置于截留分子量为12～14kDa的透析袋中，用去离子水透析得到双键化生物大分子溶液；
A5：将透析后的溶液倒入离心管中，在2500rpm的转速下离心15分钟，将所得离心沉淀物进行冷冻干燥，得到双键化生物大分子粉末；
B：将质量分数为0.1％～20％的导电纳米材料加入到浓度为0.5mg/ml～5mg/ml的多巴胺溶液中，所述多巴胺溶液的pH为10～14，充分搅拌混合使得多巴胺自聚合形成聚多巴胺，并均匀地包裹在纳米材料表面，即得到聚多巴胺功能化导电纳米材料；
C：将步骤A制得的双键化生物大分子与步骤B制得聚多巴胺功能化导电纳米材料通过光引发自由基进行溶液聚合，制得所述自粘附导电水凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种自粘附导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤C具体为：
C1：将步骤A制得的双键化生物大分子溶解形成预聚液，所述双键化生物大分子在所述预聚液中的质量百分比为5～20％；
C2：将步骤B制得的聚多巴胺功能化的导电纳米材料均匀分散在步骤C1中的预聚液中，其中，导电纳米颗粒与生物大分子的质量比为0.01～0.1∶1；
C3：配制质量浓度为5～10％的引发剂溶液；
C4:将步骤C3配制好的引发剂溶液加入步骤C2中的混合液中搅拌均匀，其中所述引发剂的质量占所述双键化生物大分子质量的0.5～3％，通过光引发自由基聚合，形成所述自粘附导电水凝胶。
3.根据权利要求1或2所述的一种自粘附导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤A中生物大分子是明胶、胶原、壳聚糖、海藻酸钠、丝素蛋白、透明质酸和壳聚糖中的任何一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种自粘附导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤B中导电纳米材料为碳纳米管、聚吡咯纳米颗粒、碳黑纳米颗粒、石墨烯纳米片层、金纳米颗粒和银纳米颗粒中的任何一种。
5.根据权利要求2所述的一种自粘附导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的引发剂为Irgacure 2959、Irgacure 184、Irgacure 127和Irgacure 500中任何一种。
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