CN107141389A - 一种高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的制备方法，高强度、生物黏性光控脱附水凝胶具有生物黏性及光控快速脱附功能。生物黏性及快速脱附功能由N‑异丙基丙烯酰胺与XLS型合成硅酸镁锂交联形成的水凝胶实现。当所述水凝胶通过生物黏性附着在物体表面后，在近红外光的控制下可以实现快速脱附。本发明所用原料获取方便，制备简单。在近红外光控制下，1分45秒内实现快速脱附。通过模具设计，所述水凝胶可实现相应的结构设计。在医用外科敷料、药物可控释放、柔性机器人等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的制备方法。

背景技术

水凝胶是一种含有大量水介质，具有空间三维网络结构的功能材料。由于其与生物组织相类似，因此水凝胶在组织工程，载药运输等领域取得了广泛的应用。具备生物黏性的水凝胶材料，通过优异的粘接性能，不但可以实现不同单体水凝胶相结合的需求，在湿润的玻璃、塑料及人类皮肤上也可以实现粘接的功能。具备生物黏性的水凝胶材料，在医用敷料或外科包扎等医用领域具有广阔的应用前景。

目前，关于制备一种高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的研究已经取得了相应的进展。然而，制备出满足易制备，高强度，快速脱附特性的水凝胶仍是当今科研热点与难点。传统方法制备的具备生物黏性的水凝胶，通常具有较低的力学强度值，在实际应用过程中，容易发生破损，不能长期使用。在脱附过程中，通常采用直接外力去除的方法，脱附过程复杂，脱附效率低。这些不足都在很大程度上限定了具有生物黏性水凝胶的应用。

发明内容

本发明由温敏型单体N-异丙基丙烯酰胺与合成硅酸镁锂交联形成的水凝胶构成。以纳米木浆纤维素作增强相，通过原位自由基聚合，简化材料加工制备过程，提高材料制备效率。在满足水凝胶材料自身强度的同时，能够实现在光控条件下快速脱附。结合3D打印模具技术，可以实现所述水凝胶的结构设计。

与传统技术相比，本发明所制备的水凝胶材料具有易制备，高强度，可在光控条件下快速脱附的特性。同时具有制备方法简便、节能节材、环境友好、行之有效、易于推广全程绿色等特性，将会产生较好的社会与生态效益，更符合国家可持续发展的战略需求。具体工艺过程包括高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的制备及成型两个阶段：

1)高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的制备：

a.以N-异丙基丙烯酰胺作单体，XLS型合成硅酸镁锂作交联剂，过硫酸钾作引发剂，N,N,N’,N’-四甲基乙二胺作催化剂，纳米木浆纤维素作增强相，氧化石墨烯作光热转化相，α-环糊精提供生物黏性。单体，引发剂，催化剂之间的摩尔比为100:0.370:0.638；纳米木浆纤维素含量为2wt.％，α-环糊精含量为2wt.％，氧化石墨烯含量为1wt.％～3wt.％。交联剂质量分数为3wt.％；

b.在冰水浴条件下将一定含量的氧化石墨烯加入蒸馏水中，超声振荡半小时并搅拌半小时；然后依次加入纳米木浆纤维素和α-环糊精，并依次搅拌半小时。随后加入交联剂中，搅拌1小时；然后加入单体并搅拌2小时；最后依次加入引发剂和催化剂，搅拌5分钟；

2)高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的成型：

a.所选用的模具为3D打印模具，由两个平整的薄板及两个平整的凹槽构成；

b.将1)阶段获得的材料注入模具中，置于25℃环境下反应时间为24小时成型。

c.通过将一定尺寸的猪皮粘贴于水凝胶表面，在近红外光刺激下，以猪皮掉落时间衡量脱附速率。

本发明的有益效果：

1)本发明所涉及的制备技术利用原位自由基聚合，成型高强度、生物黏性光控脱附水凝胶。简化材料加工制备过程，提高制备效率。

2)本发明所涉及的制备技术采用物理交联法制备的高强度、生物黏性光控脱附水凝胶。相较于化学交联法，自身具有较高的力学强度，见表1。

3)本发明所涉及的制备技术通过与3D打印模具技术相结合，可以对高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的成型形状与结构进行设计。通过近红外光控制可以实现快速脱附。

表1：高强度、生物黏性光控脱附水凝胶应力应变值

附图说明

图1是高强度、生物黏性光控脱附水凝胶制备模具示意图。

图2是高强度、生物黏性光控脱附水凝胶微观组织图。

图3是高强度、生物黏性光控脱附水凝胶体积相变温度图。

图4是高强度、生物黏性光控脱附水凝胶应力应变值。

图5是高强度、生物黏性光控脱附水凝胶光控脱附过程图。

具体实施方式

实施例1：制取氧化石墨烯含量为1wt.％的高强度、生物黏性光控脱附水凝胶：

以N-异丙基丙烯酰胺作单体，XLS型合成硅酸镁锂作交联剂，过硫酸钾作引发剂，N,N,N’,N’-四甲基乙二胺作催化剂，2wt.％纳米木浆纤维素作增强相，2wt.％α-环糊精为生物黏性相。在冰水浴条件下将氧化石墨烯加入蒸馏水中，超声振荡半小时候搅拌半小时；然后依次加入纳米木浆纤维素和α-环糊精并分别搅拌半小时，随后加入交联剂，搅拌1小时；然后加入单体并搅拌2小时；最后依次加入引发剂和催化剂，搅拌5分钟。将所得溶液注入相应模具中，见图1。在25℃环境下反应时间24小时成型。所得样品微观结构呈现出类似蜂窝的结构，如图2所示。通过对所述高强度、生物黏性光控脱附水凝胶进行差热分析，发现其体积相变温度在43.9℃附近，如图3所示。高强度、生物黏性光控脱附水凝胶应力应变值如图4所示。

实施例2：制取氧化石墨烯含量为2wt.％和3wt.％的高强度、生物黏性光控脱附水凝胶：

以N-异丙基丙烯酰胺作单体，XLS型合成硅酸镁锂作交联剂，过硫酸钾作引发剂，N,N,N’,N’-四甲基乙二胺作催化剂，2wt.％纳米木浆纤维素作增强相，2wt.％α-环糊精为生物黏性相。在冰水浴条件下将氧化石墨烯加入蒸馏水中，超声振荡半小时候搅拌半小时；然后依次加入纳米木浆纤维素和α-环糊精并分别搅拌半小时，随后加入交联剂，搅拌1小时；然后加入单体并搅拌2小时；最后依次加入引发剂和催化剂，搅拌5分钟。将所得溶液注入相应模具中，见图1。在25℃环境下反应时间24小时成型。通过拉伸实验可以发现，所述水凝胶材料的强度随着氧化石墨烯含量增加而提高。

实施例3：对高强度、生物黏性光控脱附水凝胶进行光控脱附实验：

以氧化石墨烯含量为3wt.％的高强度、生物黏性光控脱附水凝胶为研究对象。将其依靠自身的生物黏性，不施加外力的条件下粘贴为白色泡沫块上。通过所述水凝胶材料的生物黏性将一块猪皮固定在其表面。利用近红外光照射猪皮与所述水凝胶的结合界面，使猪皮掉落。通过记录时间衡量脱附效率。通过实验结果可以发现，所述水凝胶在1分45秒内实现快速脱附，如图5所示。

Claims (10)

1.一种高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的制备方法，其特征在于：利用具有体积相变温度的N-异丙基丙烯酰胺单体与交联剂合成硅酸镁锂，通过物理交联的方式，以原位自由基聚合制备温敏型柔性驱动器，氧化石墨烯作光热转化相，α-环糊精提供生物黏性，利用纳米木浆纤维素作增强相，提高温敏型柔性驱动器的力学强度；利用3D打印机所制备的模具，通过模具成型的方法，实现高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的结构设计。

2.根据权利要求1所述的一种高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的制备方法，其特征在于：以N-异丙基丙烯酰胺作单体，XLS型合成硅酸镁锂作交联剂，过硫酸钾作引发剂，N,N,N’,N’-四甲基乙二胺作催化剂，纳米木浆纤维素作增强相，氧化石墨烯作光热转化相，α-环糊精起生物黏性作用。

3.根据权利要求1所述的一种高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的制备方法，其特征在于：所述单体、引发剂和催化剂之间的摩尔比为100:0.370:0.638。

4.根据权利要求1所述的一种高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤如下：

1)将氧化石墨烯加入蒸馏水中，超声振荡30分钟，并搅拌30分钟；

2)将纳米木浆纤维素和α-环糊精依次加入步骤1)中，搅拌1小时；

3)将交联剂加入步骤2)所得的溶液中，搅拌1小时；

4)将单体加入步骤3)所得溶液中，搅拌2小时；

5)在步骤4)所得溶液中依次加入引发剂和催化剂，搅拌5分钟；

6)将步骤5)所得溶液注入模具中进行反应。

5.根据权利要求4所述的一种高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的制备方法，其特征在于：在制备过程中，搅拌容器始终处于冰水浴环境中。

6.根据权利要求1或2所述的一种高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的制备方法，其特征在于，氧化石墨烯含量为1wt.％～3wt.％，纳米木浆纤维素含量为2wt.％，α-环糊精含量为2wt.％。

7.根据权利要求1或2所述的一种高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的交联剂质量分数为3wt.％。

8.根据权利要求1所述的一种高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的模具为3D打印的模具，其结构分为两个平整的薄板及两个平整的凹槽。

9.根据权利要求4所述的一种高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤6)中的反应温度为25℃，反应时间为24小时。

10.根据权利要求1所述的一种高强度、生物黏性光控脱附水凝胶的制备方法，其特征在于：通过将猪皮粘贴于水凝胶表面，在近红外光刺激下，以猪皮掉落时间衡量脱附速率。