CN106397646A

CN106397646A - 高强度超分子水凝胶及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN106397646A
Application number: CN201510481910.0A
Authority: CN
Inventors: 刘文广; 高飞
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2015-08-03
Filing date: 2015-08-03
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2035-08-03
Also published as: CN106397646B

Abstract

本发明公开高强度超分子水凝胶及其制备方法和应用，以丙烯酰氯和甘氨酸为原料合成N‑丙烯酰甘氨酸，然后在引发剂的存在下以自由基聚合制备成不同单体浓度的聚丙烯酰基甘氨酸凝胶。本发明的水凝胶具有临时交联网络的特点，具有很强的拉伸强度、很高的断裂伸长率和非常强的压缩强度，在较高温下具有热塑性和自修复的特性，生物相容性良好，在动物体内可降解并且没有引起明显的炎症反应。

Description

高强度超分子水凝胶及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种水凝胶及制备方法和应用，更具体地说，涉及一种以N-丙烯酰甘氨酸(ACG)为单体制备的PACG水凝胶及制备方法，具有高强度、热塑性、PH响应稳定性和自修复的功能，并且具有良好的生物相容性和体内可降解性。

背景技术

水凝胶是以水为分散介质，亲水性而又不溶于水的且能够吸收大量水分(通常含水量大于总质量的50％)具有交联结构的高分子聚合物材料。因为聚合物链间的物理交联和化学交联作用而不会溶解于水中，只能溶胀且保持一定的形状，同时，还具有良好的水渗透性，生物相容性，作为人体植入物可以减少不良反应。因而水凝胶作为优良的生物医用材料得到广泛应用。但是，其高含水量导致水凝胶较差的机械性能限制了其作为生物材料尤其是力学器件的应用，对于超分子水凝胶更是如此，尤其没有化学键的作用，物理交联的超分子水凝胶力学强度一般来说都较弱，因此制备制备高强度的超分子水凝胶具有很大的现实和理论的应用。

为了解决水凝胶较差的力学性能这一问题，近期科学家们研制了以下几种高强度水凝胶：双网络(DN)水凝胶，插层无机纳米复合水凝胶(NC)和高分子微球复合水凝胶(MMC)。但是这些高强度水凝胶不兼具高的抗拉伸和抗压缩功能(Yoshimi Tanaka，Jain PingGong，Yoshihito Osada.Novel hydrogels with excellent mechanical performance.(MMC)。但是这些高强度水凝胶不兼具高的抗拉伸和抗压缩功能(Yoshimi Tanaka，JainPing Gong，Yoshihito Osada.Novel hydrogels with excellent mechanicalperformance.Prog.Polym.Sci.2005；30：1-9.)。仅仅靠纯物理交联作用做成高强度水凝胶的。最近有Gong等(Sun T L,Kurokawa T,Kuroda S,et al.Physical hydrogelscomposed of polyampholytes demonstrate high toughness and viscoelasticity.Nat.Mater.2013；12:932-937.)。学者利用聚电解质做成的纯物理高强度水凝胶，但是其含水量仅有50％，而聚丙烯酰基甘氨酸凝胶不仅具有力学上的高强度，而且具备热塑性和自修复功能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种以N-丙烯酰甘氨酸(ACG)为单体的聚合物超分子水凝胶及其制备方法和应用。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

以甘氨酸和丙烯酰氯为原料，依据参考文献(A.Phadke,C.Zhang,B.Arman,C.C.Hsu,R.A.Mashelkar,A.K.Lele,M.J.Tauber,G.Arya,S.Varghese.Rapid self-healinghydrogels.PNAS 2012,12,4383-4388)制备出了一种侧链同时带有酰胺基团和羧基基团的单体，如下化学式所示：

利用傅里叶红外(美国铂金埃尔默公司)光谱证明了其成功的合成，其中它们的特征峰如下ν＝3348cm^-1(s,NH),2916cm^-1(s,C＝C),1710cm^-1(vs,C＝O),1614cm^-1(vs,C＝O),1546cm^-1(vs,NH),1227cm^-1(vs,C＝C)，附图1所示。

高强度超分子水凝胶，由N-丙烯酰甘氨酸(ACG)为单体，通过自由基聚合而成的聚合物分子侧链同时带有酰胺基团和羧基基团，通过自由基聚合得到的水凝胶的含水量达到70—90％，且在水凝胶中含有钙离子，羧基与钙离子的电荷比是1:1(即羧基与钙离子的摩尔比为2:1)。

高强度超分子水凝胶的数均分子量为25—27万，分散度为2.3—2.4(以5mg干凝胶溶于1ml水中，利用GPC进行测试)。

制备高强度超分子水凝胶的方法，按照下述步骤进行：

将N-丙烯酰甘氨酸单体溶解并分散在水中形成均匀体系，向水中加入引发剂和钙离子，通过引发剂引发单体上的不饱和键，在绝氧的条件下通过自由基聚合反应制备出具有高强度的超分子水凝胶。

在上述技术方案中，N-丙烯酰甘氨酸单体的质量为水质量的10—30％，引发剂的质量为水质量的0.1％—1％，优选0.1％—0.5％。

在上述技术方案中，制备的水凝胶的含水量平均可在70％—90％。

在上述技术方案中，由氯化钙提供钙离子，N-丙烯酰甘氨酸单体的羧基与钙离子的电荷比是1:1(即羧基与钙离子的摩尔比为2:1)。

制备出的凝胶用傅里叶红外光谱进行了表征，详见说明书附图1，说明了单体ACG上的双键打开进行了加聚反应，1为聚合物(聚丙烯酰胺基甘氨酸，PACG)，2为单体(N-丙烯酰胺基甘氨酸，ACG)。

在本发明的技术方案中，以N-丙烯酰甘氨酸(ACG)为单体，制备的水凝胶，其分子链的侧链上同时带有酰胺基团和羧基基团，分子间的强烈的分子间的氢键作用，(-CH₂-CH₂-)_n的“碳-碳”单键相连的骨架结构，侧链(CO-NH)的酰胺基团，-COOH可以与钙离子形成离子键。N-丙烯酰甘氨酸在引发剂的条件下采用光源使引发剂提供自由基，再由自由基引发N-丙烯酰甘氨酸上的双键，发生聚合反应，最终制备的水凝胶材料中，由于氢键和离子键的协同作用，使整个水凝胶材料具有高强度、热塑性和自修复的特性，同时具有良好的生物相容性和体内可降解性。

利用引发剂提供的自由基引发ACG单体发生反应。其中引发剂可以选择高分子聚合领域中常用的水相条件下的热引发剂，如过硫酸铵(APS)、过硫酸钾(KPS)，或者光引发剂，如2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(Irgacure 1173)。如果选择热引发剂，则需要首先利用惰性气体(如氮气、氩气或者氦气)排除反应体系中的氧，以避免其的阻聚作用，然后根据引发剂的活性和用量，将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保持相当长的时间，如1h以上或者更长(1-5h)，以促使引发剂能够长时间产生足够多的自由基，引发反应体系持续发生自由基聚合反应，最终制备本发明的水凝胶。如果选择光引发剂，其中引发剂选择了光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(Irgacure 1173)。可以选用了透明密闭的反应容器，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合，由于光引发效率高于热引发，因根据所选引发剂的活性和用量调整照射时间时，照射时间可短于热引发的加热时间，如20分钟或者更长(30min-1h)。相对于热引发这样可以使得实验时间大大减少。

N-丙烯酰甘氨酸(ACG)，由于其聚合物分子链的侧链上同时带有酰胺基团和羧基基团，分子间的强烈的分子间的氢键作用和羧基和钙离子间的离子键作用，使得丙烯酰基甘氨酸凝胶具有临时交联网络的特点，并且此物理交联凝胶具有良好的力学强度。另外，由于氢键和离子键的可逆特性，凝胶具有热塑性和自修复的功能，同时具有良好的生物相容性和体内可降解性。本发明提供的一种高强度PACG水凝胶是以N-丙烯酰甘氨酸(ACG)为原料，在引发剂存在下引发制备而成，由于氢键和离子键的协同作用，这种水凝胶具有良好的拉伸、压缩性能，同时具有热塑性和自修复的特性，并且具有良好的生物相容性和体内可降解。

附图说明

图1是本发明中单体和聚合物的红外光谱图，其中1为聚合物，2为单体。

图2是本发明制备的聚合物的自修复功能示意图。

图3是本发明制备的聚合物的力学性能示意图(拉伸、打结、压缩)。

图4是本发明制备聚合物水凝胶(PACG)在碱性条件下解离，经解离冻干后收集到的聚合物重新形成凝胶的过程。

图5是本发明制备聚合物水凝胶(PACG)的流变图，其中■表示储存模量G'，●表示损耗模量G"。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

以单体浓度为20％(ACG质量占水质量的百分数)为例。将N-丙烯酰胺甘氨酸单体(200mg)，85.55mg氯化钙(羧基与钙离子的电荷比是1:1)加入到1000μL的去离子水(1g)中，完全溶解后，加入光引发剂Irgacure 1173(2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮)1μL。混合液经充氮气除氧后，将混合液注入不同形状的模具中，模具在紫外固化箱中照射40分钟以保证充分引发自由基聚合。随后打开模具取出凝胶。

按相同步骤制备不同单体浓度的凝胶，进行力学性能、撕裂性能、热塑性和自修复等实验过程。此凝胶样品命名为PACG-X/PACG-X-Ca²⁺，其中X代表的是凝胶的单体浓度。在进行拉伸力学性能测试的样品的尺寸为20mm×10mm，厚为500μm。压缩力学性能测试的样品尺寸为直径10mm，高8mm的圆柱。抗撕裂性能测试样品尺寸按照1/2GBT529-2008A大小(宽7.5mm，长50mm，缺口长度20mm，厚度0.5mm)。

对制备的水凝胶进行流变测试，如附图5所示，此物理交联凝胶表现出共价交联凝胶的特性，在高温下始终保持凝胶状态，三维网络结构并没有完全被破坏，对温度30—90摄氏度表现基本稳定。

对制备的水凝胶进行含水量的测试，PACG凝胶泡水溶胀，所以没有像其他凝胶在泡水溶胀平衡后测含水量，故直接将在水相中制备的聚合物进行含水量的测试，单体浓度为10％的凝胶，将100mg单体加到1ml水里，制备单体浓度为10％的凝胶，凝胶形成后，水全部被包进凝胶里，其含水量由(湿重-干重)/湿重计算得出为90％左右，同样单体浓度为30％的凝胶其含水量为79％左右；加入与羧酸跟电荷比为1:1的钙时，(以制备PACG-10％-Ca2+凝胶为例：将100mg单体和42.77mg氯化钙加入到1ml水里)，测得含水量也是90％左右，将水全部包进凝胶里；经过针对样品的测试可知，制备的水凝胶的含水量平均可在70％—90％。

改变单体N-丙烯酰胺甘氨酸(ACG)单体的浓度，光引发剂Irgacure 1173的用量约为总溶液体积(即水的体积)的1％的引发剂，制备如下水凝胶样品PACG-10/PACG-10-Ca²⁺，PACG-15/PACG-15-Ca²⁺，PACG-20/PACG-20-Ca²⁺，PACG-25/PACG-25-Ca²⁺，PACG-30/PACG-30-Ca²⁺的不同浓度的超分子聚合物水凝胶。

采用如下方法测试本发明的聚丙烯酰胺基甘氨酸(PACG)水凝胶的力学性能测试在电子万能试验机(济南时代有限公司)上在进行，拉伸力学性能测试的样品的尺寸为20mm×10mm，厚为500μm，拉伸速率为50mm/min；压缩力学性能测试的样品尺寸为直径10mm，高8mm的圆柱，压缩速率为10mm/min。这种超分子水凝胶的拉伸压缩强度都能够达到MPa的级别。另外，为了更形象地表述力学性能，凝胶能够承受拉伸、压缩以及打结，详见说明书附图3，凝胶可以承受拉伸(1)，打结、缠绕(2)，压缩(3)，外力去除后，凝胶能迅速恢复到原始形状。

利用如下方法检测本发明的聚丙烯酰胺基甘氨酸(PACG)水凝胶的自修复功能。将制备好的不同浓度的水凝胶从中间切成两半，然后将切开的两半凝胶对上，放入密封容器中在70℃—80℃的温度下加热至少半小时，优选0.5—1小时，最后切开的凝胶能够很好地粘合在一起，并且看不出界面或者切痕，详见说明书附图2，其中A为制备的凝胶从中间切成两半；B中显示将切开的两半凝胶对接，放在注射器里，密封后置于80℃下半个小时，冷却后从模具取出，凝胶能够修复，从表面上看不出切痕，A，B过程可以反复多次；C中显示修复后的凝胶可以承受拉伸；D中显示修复后的凝胶可以承受弯曲。

利用如下方法检测本发明的聚丙烯酰胺基甘氨酸(PACG)水凝胶的反复使用功能。将制备好的不同浓度的水凝胶在浸泡在碱性溶液(0.1—1mol/L的氢氧化钠水溶液)里，解离后，用分子量为3500的透析袋透析将碱液析出，经冻干后收集到聚合物。然后将100mg聚合物溶解到加有1ml水的注射器里，在70—80℃加热至少1h，优选3—5h，快速注射到不同形状的模具里，冷却后得到浓度为10％的凝胶，以10％的凝胶为例，将收集到的聚合物重新溶解到水中进行加热处理即可实现凝胶的反复利用，有望减轻环境负担，详见说明书附图4。

利用如下方法检测本发明的聚丙烯酰胺基甘氨酸(PACG)水凝胶的细胞毒性。为了测试这种高强度超分子水凝胶应用于生物材料可能性。将0.2mg不同浓度的凝胶浸泡在培养基里，等在培养基中完全解离后，将100的μL浸出液加入到接种有L929细胞的24孔板里，接种密度为2×10⁴每孔，然后在每孔中加入100的μL含10％的马血清培养基。在37℃和5％的CO₂环境下培养24小时后，将旧的培养基去除，每孔中换上新鲜的200的μL含10％的马血清培养基，在37℃和5％的CO₂环境下培养24小时。用MTT法检测到细胞存活率达到了80％以上，没有发现显著的细胞毒性，实验结果表明了这种凝胶具有很好的生物相容性，可以作为细胞支架等生物材料的应用。

表1为水凝胶样品的各项性能参数

压缩强度：测量时，除了单体浓度为10％的PACG-10％凝胶，其余比例的凝胶压缩到机器最大量程也无法压缩，所以以90％应变处的应力作为强度。

PACG-X/PACG-X-Ca²⁺：X表示单体占总溶液的质量分数。

在本发明内容的范围内进行工艺参数的调整，均可制备本发明的水凝胶并表现出与上述实施例基本相一致的性质。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.高强度超分子水凝胶，其特征在于，由N-丙烯酰甘氨酸为单体，通过自由基聚合而成的聚合物分子侧链同时带有酰胺基团和羧基基团，通过自由基聚合得到的水凝胶的含水量达到70—90％，且在水凝胶中含有钙离子，羧基与钙离子的摩尔比为2:1，高强度超分子水凝胶的数均分子量为25—27万，分散度为2.3—2.4。

2.制备高强度超分子水凝胶的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

将N-丙烯酰甘氨酸单体溶解并分散在水中形成均匀体系，向水中加入引发剂和钙离子，通过引发剂引发单体上的不饱和键，在绝氧的条件下通过自由基聚合反应制备出具有高强度的超分子水凝胶；其中在上述技术方案中，N-丙烯酰甘氨酸单体的质量为水质量的10—30％，引发剂的质量为水质量的0.1％—1％，N-丙烯酰甘氨酸单体的羧基与钙离子的摩尔比为2:1。

3.根据权利要求2所述的制备高强度超分子水凝胶的方法，其特征在于，引发剂的质量为水质量的0.1％—0.5％。

4.根据权利要求2所述的制备高强度超分子水凝胶的方法，其特征在于，制备的水凝胶的含水量平均可在70％—90％。

5.根据权利要求2所述的制备高强度超分子水凝胶的方法，其特征在于，引发剂为热引发剂过硫酸铵、过硫酸钾，或者光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮。

6.根据权利要求2所述的制备高强度超分子水凝胶的方法，其特征在于，选择热引发剂，则需要首先利用惰性气体排除反应体系中的氧，以避免其的阻聚作用，然后根据引发剂的活性和用量，将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保持相当1-5h，以促使引发剂能够长时间产生足够多的自由基，引发反应体系持续发生自由基聚合反应。

7.根据权利要求2所述的制备高强度超分子水凝胶的方法，其特征在于，选择光引发剂，选用透明密闭的反应容器，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合，根据所选引发剂的活性和用量调整照射时间。

8.如权利要求1所述的高强度超分子水凝胶在自修复功能材料领域的应用，在70℃—80℃的温度下加热至少半小时，优选0.5—1小时，实现材料的自修复。

9.如权利要求1所述的高强度超分子水凝胶的反复使用方法，将水凝胶在浸泡在碱性溶液(例如0.1—1mol/L的氢氧化钠水溶液)里，解离后用数均分子量为3500的透析袋透析将碱液析出，经冻干后收集到聚合物，然后将聚合物溶解到加有水注射器里，在70—80℃加热至少1h，优选3—5h，快速注射到不同形状的模具里，冷却后得到水凝胶，以实现凝胶的反复利用。

10.如权利要求1所述的高强度超分子水凝胶作为细胞支架的应用。