CN106555253A - 一种高强度高韧性水凝胶纳米纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
针对普通水凝胶强度和韧性差，水凝胶难以做成纳米纤维，且纳米纤维后交联困难的问题，本发明设计制备了一种高强度高韧性水凝胶纳米纤维。首先将海藻酸钠、聚合单体、化学交联剂、引发剂、辅助纺丝的高分子溶解在水中配制成纺丝液，通过高压静电纺丝技术得到纳米纤维。将纺丝成型后的纳米纤维放在一定湿度和温度的培养箱中熏蒸，使纳米纤维适度吸水湿润，然后将其密封通氮气排除氧气，辐照引发聚合。最后将聚合后的水凝胶纳米纤维浸泡在离子交联剂溶液中进行交联，得到高强度高韧性水凝胶纳米纤维。该制备方法简单，成本低，不使用有机溶剂，得到的高强度高韧性水凝胶纳米纤维在组织工程、油水分离、催化吸附、敷料等领域有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度高韧性水凝胶纳米纤维及其制备方法，属于功能材料领域。
背景技术
随着生物技术和材料科学的发展，以“细胞+支架”模式为核心的组织工程，目前正逐渐代替传统材料，成为新的生物材料。组织工程支架是一种模仿细胞外基质的结构，它能够为细胞生长、迁移以及繁殖提供暂时的“庇护所”。组织工程的创立和发展为组织恢复和再生提供了一种新的技术手段，它改变了传统的“以创伤修复创伤”的治疗模式，使临床医学近入无创修复的新阶段。迄今，科学工作者使用组织工程技术研究开发出了人造皮肤、血管、软骨、骨、心脏瓣膜、气管和神经，甚至人造肝脏和人造胰脏等器官，已经取得了不同程度的进展和成就【壳聚糖基纳米纤维组织工程支架的交联与性能评价，东华大学硕士论文，2013.1】。
水凝胶是由交联的聚合物链通过共价键、氢键、范德华力相互作用或分子链相互缠结形成的。由于其独特的性能，水凝胶可以应用在药物释放系统、生物医学和组织工程等领域，是制备组织工程支架的理想材料。
静电纺丝法制备纳米级或微米级的生物材料引起了广泛的关注。静电纺丝制备的纳米纤维支架有很高的表面体积比能够增强细胞吸附、载药、传质性能。细胞行为，如迁移、取向及细胞骨架的排列受基板材料的影响很大。静电纺纳米纤维可以定向或随机排列，可以控制支架的大部分机械性能和一些生物反应。静电纺丝是近年来最受关注、最有可能实现产业化制备纳米纤维的方法。静电纺纤维膜的纤维直径小、比表面积大、孔隙率适度，已被广泛研究用于各种工程化各种人体组织。静电纺丝最早由德国的Formhals在1934年【F，A，Process andapparatus for preparing artificial threads，″US Patent，1934.】首次发现并第一个申请了专利，描述了聚合物溶液如何在电场间形成射流。该技术的基本原理是聚合物溶液在高压电场中静电雾化，喷射后拉伸成极细的纤维。其制备的支架纤维可达纳米级，可模拟体内天然细胞外基质结构，是获得纳米级纤维的有效方法。由静电纺丝得到的纤维支架是一种网状结构，有着极高的比表面积和孔体积，与天然的细胞外基质相类似，因此能大幅度提高细胞的附着力、增殖和生长速度。
然而，大部分水凝胶不具备良好的机械性能。水凝胶的力学性能较差，因而限制了其在工业和医学领域的应用。尤其是对于普通的水凝胶，强度和韧性较差，三维网络的水凝胶难以做成纳米纤维，即使形成纳米纤维后交联也比较困难。
美国哈佛大学等机构的研究人员开发出了高弹性和高韧性的水凝胶，其成分是海藻酸盐和聚丙烯酰胺【Highly stretchable and tough hydrogels，Nature，2012，489(7414)：133-136】。这两种物质单独形成的水凝胶弹性都不大，但如果把它们按一定比例混合起来在水中聚合，会得到一种约90％是水的新型水凝胶，其弹性超强，可以拉伸到原有长度的20倍以上而不断，之后还能够自行恢复原状。它的韧性也很好，把一块这样的水凝胶掰断，需要耗费的能量与掰断一块天然橡胶差不多。这样弹性和韧性的水凝胶达到了替代软骨等组织的要求，能够用来制造相关医疗设备，比如可以用它来制造人造椎间盘。但是将此水凝胶纺丝制备纳米纤维非常困难，因为其重要组分海藻酸钠分子链段呈刚性，其分子链总是紧密的重叠在一起不能形成有效的链缠结，不足以稳定电射流。为了提高海藻酸钠的可纺性，在静电纺丝的过程中可以向溶液中加入其它聚合物等助剂。通过海藻酸钠与聚合物复合可以提高分子之间的相互作用力，使链段互相缠结，便于静电纺丝法制备纳米纤维。
针对普通水凝胶强度和韧性差，水凝胶难以做成纳米纤维，且纳米纤维后交联困难的问题，本专利设计制备了一种高强度高韧性水凝胶纳米纤维。首先将海藻酸钠、聚合单体、化学交联剂、引发剂、辅助纺丝的高分子溶解在水中配制成纺丝液，通过高压静电纺丝技术得到纳米纤维。将纺丝成型后的纳米纤维放在一定湿度和温度的培养箱中熏蒸，使纳米纤维适度吸水湿润，然后将其密封通氮气排除氧气，辐照引发聚合。最后将聚合后的水凝胶纳米纤维浸泡在离子交联剂溶液中进行交联，得到高强度高韧性水凝胶纳米纤维。这在国内外还没有见到相关报道。该制备方法简单，成本低，不使用有机溶剂，得到的高强度高韧性水凝胶纳米纤维在组织工程、伤口敷料等领域有良好的应用前景。
发明内容
针对普通水凝胶强度和韧性差，水凝胶难以做成纳米纤维，且纳米纤维后交联困难等问题，本发明制备一种高强度高韧性水凝胶纳米纤维。
本发明提供了一种高强度高韧性水凝胶纳米纤维及其制备方法，一种高强度高韧性水凝胶纳米纤维，其特征是组份和质量百分含量如下：
一种高强度高韧性水凝胶纳米纤维的制备方法，其特征是包括以下步骤：
a)称取1～5g聚合单体，0.5g海藻酸钠，聚合单体质量百分比10％～100％的辅助纺丝的高分子，聚合单体质量百分比0.1％～5％的化学交联剂，聚合单体质量百分比0.1％～5％的引发剂，一起溶于20ml去离子水中，搅拌溶解，超声分散均匀后得到纺丝液，放置于4℃～30℃的密闭容器中消泡备用；
b)配制金属离子质量百分比为0.1％～15％的金属盐水溶液，作为离子交联剂；
c)将步骤a)得到的纺丝液注入到针管中，通过高压静电纺丝技术得到纳米纤维，将该纳米纤维放在湿度为75％～95％，温度为40～80℃的培养箱中熏蒸1-30min，使纳米纤维吸水湿润，然后将其密封，通氮气排除氧气，紫外辐照引发聚合；
d)将步骤c)得到的辐照引发聚合后的纳米纤维浸泡在步骤b)得到离子交联剂中0.5～24h，用去离子水洗去未反应物质，得到高强度高韧性水凝胶纳米纤维。
本发明所述的单体为异丙基丙烯酰胺、羧甲基丙烯酰胺、丙烯酰胺、溴代丙烯酰胺中的任意一种或两种以上混合物；所述的金属盐为硫酸铜、氯化锌、氯化钡、氯化铁、氯化铝、氯化钙、磷酸二氢钙、硫酸钙、硝酸钙、磷酸氢钙中的任意一种或两种以上混合物；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合物；所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵中的任意一种或两种以上混合物。
本发明所述的辅助纺丝的高分子为聚氧乙烯醚、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、水溶性纤维素、丝胶中的任意一种或两种以上混合物。
本发明一种高强度高韧性水凝胶纳米纤维制备方法简单，成本低，不使用有机溶剂，得到的纳米纤维在组织工程、油水分离、催化吸附、敷料等领域有良好的应用前景。
具体实施方式
下面介绍本发明的具体实施例，但本发明不受实施例的限制。
具体实施方式
下面介绍本发明的具体实施例，但本发明不受实施例的限制。
实施例1.一种高强度高韧性聚乙烯醇/聚丙烯酰胺/海藻酸钙水凝胶纳米纤维的制备方法
a)称取5g聚丙烯酰胺，0.5g海藻酸钠，聚合单体质量百分比100％的聚乙烯醇，丙烯酰胺质量百分比0.1％的二甲基丙烯酸乙二醇酯，丙烯酰胺质量百分比0.5％的过硫酸钾，一起溶于20ml去离子水中，搅拌溶解，超声分散均匀后得到纺丝液，放置于4℃的密闭容器中消泡备用；
b)配制金属离子质量百分比为15％的氯化钙水溶液，作为离子交联剂；
c)将步骤a)得到的纺丝液注入到针管中，通过高压静电纺丝技术得到纳米纤维，将该纳米纤维放在湿度为80％，温度为75℃的培养箱中熏蒸10min，使纳米纤维吸水湿润，然后将其密封，通氮气排除氧气，紫外辐照引发聚合；
d)将步骤c)得到的辐照引发聚合后的纳米纤维浸泡在步骤b)得到离子交联剂中12h，用去离子水洗去未反应物质，得到高强度高韧性聚乙烯醇/聚丙烯酰胺/海藻酸钙纳米纤维。
实施例2.一种高强度高韧性丝胶/聚丙烯酰胺/海藻酸锌水凝胶纳米纤维的制备方法
a)称取4g聚丙烯酰胺，0.5g海藻酸钠，聚合单体质量百分比10％的丝胶，丙烯酰胺质量百分比3％的二乙烯基苯，丙烯酰胺质量百分比3％的过硫酸钠，一起溶于20ml去离子水中，搅拌溶解，超声分散均匀后得到纺丝液，放置于10℃的密闭容器中消泡备用；
b)配制金属离子质量百分比为0.1％的氯化锌水溶液，作为离子交联剂；
c)将步骤a)得到的纺丝液注入到针管中，通过高压静电纺丝技术得到纳米纤维，将该纳米纤维放在湿度为80％，温度为80℃的培养箱中熏蒸30min，使纳米纤维吸水湿润，然后将其密封，通氮气排除氧气，紫外辐照引发聚合；
d)将步骤c)得到的辐照引发聚合后的纳米纤维浸泡在步骤b)得到离子交联剂中12h，用去离子水洗去未反应物质，得到高强度高韧性丝胶/聚丙烯酰胺/海藻酸锌纳米纤维。
实施例3.一种高强度高韧性聚氧乙烯醚/聚丙烯酰胺/海藻酸钡水凝胶纳米纤维的制备方法
a)称取4g聚丙烯酰胺，0.5g海藻酸钠，聚合单体质量百分比80％的聚氧乙烯醚，丙烯酰胺质量百分比4％的N，N′-亚甲基双丙烯酰胺，丙烯酰胺质量百分比5％的过硫酸铵，一起溶于20ml去离子水中，搅拌溶解，超声分散均匀后得到纺丝液，放置于30℃的密闭容器中消泡备用；
b)配制金属离子质量百分比为2％的氯化钡水溶液，作为离子交联剂；
c)将步骤a)得到的纺丝液注入到针管中，通过高压静电纺丝技术得到纳米纤维，将该纳米纤维放在湿度为80％，温度为60℃的培养箱中熏蒸30min，使纳米纤维吸水湿润，然后将其密封，通氮气排除氧气，紫外辐照引发聚合；
d)将步骤c)得到的辐照引发聚合后的纳米纤维浸泡在步骤b)得到离子交联剂中12h，用去离子水洗去未反应物质，得到高强度高韧性聚氧乙烯醚/聚丙烯酰胺/海藻酸钡纳米纤维。
实施例4.一种高强度高韧性丝胶/聚异丙基丙烯酰胺/海藻酸钙水凝胶纳米纤维的制备方法
a)称取2g异丙基丙烯酰胺，0.5g海藻酸钠，聚合单体质量百分比50％的丝胶，异丙基丙烯酰胺质量百分比3％的二异氰酸酯，异丙基丙烯酰胺质量百分比3％的过硫酸铵，一起溶于20ml去离子水中，搅拌溶解，超声分散均匀后得到纺丝液，放置于20℃的密闭容器中消泡备用；
b)配制金属离子质量百分比为5％的氯化钙水溶液，作为离子交联剂；
c)将步骤a)得到的纺丝液注入到针管中，通过高压静电纺丝技术得到纳米纤维，将该纳米纤维放在湿度为80％，温度为60℃的培养箱中熏蒸30min，使纳米纤维吸水湿润，然后将其密封，通氮气排除氧气，紫外辐照引发聚合；
d)将步骤c)得到的辐照引发聚合后的纳米纤维浸泡在步骤b)得到离子交联剂中12h，用去离子水洗去未反应物质，得到高强度高韧性丝胶/聚异丙基丙烯酰胺/海藻酸钙纳米纤维。
实施例5.一种高强度高韧性丝胶/聚双丙酮丙烯酰胺/海藻酸钙水凝胶纳米纤维的制备方法
a)称取4g双丙酮丙烯酰胺，0.5g海藻酸钠，聚合单体质量百分比10％的丝胶，双丙酮丙烯酰胺质量百分比1％的二异氰酸酯，双丙酮丙烯酰胺质量百分比0.1％的过硫酸铵，一起溶于20ml去离子水中，搅拌溶解，超声分散均匀后得到纺丝液，放置于20℃的密闭容器中消泡备用；
b)配制金属离子质量百分比为2.5％的氯化钙水溶液，作为离子交联剂；
c)将步骤a)得到的纺丝液注入到针管中，通过高压静电纺丝技术得到纳米纤维，将该纳米纤维放在湿度为90％，温度为95℃的培养箱中熏蒸1min，使纳米纤维吸水湿润，然后将其密封，通氮气排除氧气，紫外辐照引发聚合；
d)将步骤c)得到的辐照引发聚合后的纳米纤维浸泡在步骤b)得到离子交联剂中12h，用去离子水洗去未反应物质，得到高强度高韧性丝胶/聚双丙酮丙烯酰胺/海藻酸钙纳米纤维。
Claims (7)
1.一种高强度高韧性水凝胶纳米纤维，其特征是固体原料组份和质量百分含量如下：
2.一种高强度高韧性水凝胶纳米纤维的制备方法，其特征是包括以下步骤：
a)称取1～5g聚合单体，0.2～1g海藻酸钠，聚合单体质量百分比10％～100％的辅助纺丝的高分子，聚合单体质量百分比0.1％～5％的化学交联剂，聚合单体质量百分比0.1％～5％的引发剂，一起溶于20ml去离子水中，搅拌溶解，超声分散均匀后得到纺丝液，放置于4℃～30℃的密闭容器中消泡备用；
b)配制金属离子质量百分比为0.1％～15％的金属盐水溶液，作为离子交联剂；
c)将步骤a)得到的纺丝液注入到针管中，通过高压静电纺丝技术得到纳米纤维，将该纳米纤维放在湿度为75％～95％，温度为40～80℃的培养箱中熏蒸1-30min，使纳米纤维吸水湿润，然后将其密封，通氮气排除氧气，紫外辐照引发聚合；
d)将步骤c)得到的辐照引发聚合后的纳米纤维浸泡在步骤b)得到离子交联剂中0.5～24h，用去离子水洗去未反应物质，得到高强度高韧性水凝胶纳米纤维。
3.如权利要求2所述的一种高强度高韧性水凝胶纳米纤维，其特征是所述的聚合单体为异丙基丙烯酰胺、羧甲基丙烯酰胺、丙烯酰胺、溴代丙烯酰胺中的任意一种或两种以上混合物。
4.如权利要求2所述的一种高强度高韧性水凝胶纳米纤维，其特征是所述的金属盐为硫酸铜、氯化锌、氯化钡、氯化铁、氯化铝、氯化钙、磷酸二氢钙、硫酸钙、硝酸钙、磷酸氢钙中的任意一种或两种以上混合物。
5.如权利要求2所述的一种高强度高韧性水凝胶纳米纤维，其特征是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合物。
6.如权利要求2所述的一种高强度高韧性水凝胶纳米纤维，其特征是所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵中的任意一种或两种以上混合物。
7.如权利要求2所述的一种高强度高韧性水凝胶纳米纤维，其特征是所述的辅助纺丝的高分子为聚氧乙烯醚、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、水溶性纤维素、丝胶中的任意一种或两种以上混合物。
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