CN107629437A - 一种pH和温度双响应性的高强度水凝胶及其在3D打印中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物医药用高分子聚合物材料技术领域，公开了一种pH和温度双响应性的高强度水凝胶及其在3D打印中的应用。本发明高强度水凝胶由聚合物Ⅰ‑1和聚合物Ⅱ‑1中的至少一种，与聚合物Ⅰ‑2、聚合物Ⅱ‑2、聚合物Ⅰ‑3和聚合物Ⅱ‑3的至少一种，在溶液体系中自组装得到；其中，m＝5～133，n＝30～70，p＝5～133； 其中，x＝10～40，y＝10～40，z＝10～40。本发明水凝胶具有独特的温度响应性和适当的机械性能，使得其能成为优异的3D打印材料。通过在一定的条件和程序下进行3D打印可以将其加工成所需要的模型或器件。
Description
技术领域
本发明属于生物医药用高分子聚合物材料技术领域，特别涉及一种pH和温度双响应性的高强度水凝胶及其在3D打印中的应用。
背景技术
水凝胶在生物医药、石油工业、文物保护、药物缓释与组织工程等领域具有广泛的应用前景。它的制备与性能的研究吸引了众多科研工作者的关注，特别是多响应高强度且易加工的智能水凝胶，已成为软材料科研领域的热点。
多响应性可以拓展水凝胶的运用，是水凝胶发展的趋势。水凝胶对外界环境刺激响应的种类很多，如对pH值、温度、电场、离子、光、磁场、介质、应力等外界刺激的响应。当受到刺激时，水凝胶的网络结构、强度以及稳定性等都会根据环境刺激程度的不同而发生相应的改变，并且部分水凝胶性能变化具有可逆性。水凝胶的多响应性可以满足不同的使用需求，使得水凝胶备受生物医药领域的关注。
3D打印技术是一种新型的材料加工手段，其打印精度高，无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本，这使得3D打印技术如今在多个领域得到应用，人们用它来制造生活用品、构建模型、汽车配件、加工食品等。3D打印技术在生物医药领域的应用也在随着技术进步而不断扩展。借助3D打印技术可将水凝胶打印出立体的器官模型，医生据此判断、实施复杂的手术。比如，当患者的心脏手术非常复杂时，医生需要根据需要选择适合型号的医疗器械，在术前打印出患者的心脏模型，医生可以对患者的心脏结构和手术可操作性的空间有更精确的判断，并研究、选择好要放置的器械，因此能大大提升治疗成功率，这使很多原本不可能的手术成为可能。如今，科学家已将水凝胶打印出了人造皮肤、软骨、骨头和生物体其他器官。水凝胶作为一种生物医用材料，能通过3D打印加工出满足一定功能的特定形状的器件，将极大的推进水凝胶的实际运用。目前，已有众多学者在尝试水凝胶的3D打印。
水凝胶是由高分子聚合物形成的三维网络结构和大量溶剂组成的结构体系，其具有良好的生物相容性、高机械性能、多响应性、多功能等优异性能。现在许多文献或者专利所报道的方法制备的水凝胶存在以下几个问题：(1)强度低：一些单网水凝胶或物理交联的水凝胶存在延展性小、机械强度低、抗疲劳、抗老化的能力低，极大的限制其使用寿命；(2)功能单一：一些水凝胶在某一方面的性能比较突出，如自修复性能或者磁场响应性，但同时也极大地限制了水凝胶的应用领域，例如，专利申请CN104941610A公布了一种制备磁响应水凝胶，但它的单一性能使得用途十分有限；(3)制备方法繁琐：一些水凝胶的原料需要多步化学合成，部分水凝胶需要在一定的温度下直接单体聚合得到网络结构，而聚合过程可能需要紫外光引发或者催化剂引发，不可避免的在水凝胶中引入小分子杂质，这使得其大规模使用成本过高，例如，Sun等(ACS Macro Letters，2014,3,(5),496-500)采用引发剂单体聚合的方法制备的高强度水凝胶程序太复杂，很难投入实际运用；(4)不适合加工：水凝胶要投入实际运用就必须有合适的加工手段，一些水凝胶强度太大或太小加工难度大，还有些水凝胶加工会破坏其功能或结构。
为了克服上述缺陷，从而制备出高强度、多响应且易加工的水凝胶，许多学者使用了不同结构的水凝胶体系，如双网凝胶、纳米凝胶、滑动轮凝胶。也使用了多种不同的成胶方式，如氢键、离子键、配位键、共价键、动态共价键、物理交联等方式构建水凝胶。不同网络结构和交联方式的水凝胶有着不同的性质和用途，但多网络多交联是水凝胶发展的趋势。例如，为了增加水凝胶的强度，水凝胶单层网络结构向多层网结构多种化学键交联(Macromolecules，2016,49,(24),9637-9646)发展，并且可以通过胶束颗粒用来增加强度。为了制备功能性水凝胶，学者们往往向水凝胶体系加入一些功能因子，比如磁响应性水凝胶是加入了磁性Fe3O4纳米晶体。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种pH和温度双响应性的高强度水凝胶。
本发明水凝胶为含水量70～95％的三维网状聚合物湿材料，其由温度响应性的多嵌段两亲性聚合物和含支链聚合物在溶液中自组装形成，具有由胶束和动态共价键交联的结构。构建水凝胶的原料是一类温度响度性的功能高分子，从而制备的水凝胶也具有温度响应性。温度响应性是因为聚合物在水溶液中可以自组装形成胶束，而这一行为受温度的影响显著。另一方面，本发明水凝胶包含在一定pH范围内敏感的动态共价键，因此此类水凝胶也具备pH响应性。本发明水凝胶独特的胶束和动态化学键双交联，以及大分子链的网络结构赋予了其优异的力学性能。
本发明另一目的在于提供上述pH和温度双响应性的高强度水凝胶在3D打印中的应用。
本发明水凝胶具有独特的温度响应性和适当的机械性能，使得其能成为优异的3D打印材料。通过在一定的条件和程序下进行3D打印可以将其加工成所需要的模型或器件。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种pH和温度双响应性的高强度水凝胶，由聚合物Ⅰ-1和聚合物Ⅱ-1中的至少一种，与聚合物Ⅰ-2、聚合物Ⅱ-2、聚合物Ⅰ-3和聚合物Ⅱ-3的至少一种，在溶液体系中自组装得到；
其中，m＝5～133，n＝30～70，p＝5～133；
其中，x＝10～40，y＝10～40，z＝10～40。
其中，所述聚合物Ⅰ-1和聚合物Ⅱ-1的总量，与聚合物Ⅰ-2、聚合物Ⅱ-2、聚合物Ⅰ-3和聚合物Ⅱ-3的总量的摩尔比优选为1:0.5～1:2，更优选为1:1。
进一步地，所述聚合物Ⅰ-1、聚合物Ⅰ-2和聚合物Ⅰ-3的总量，与聚合物Ⅱ-1、聚合物Ⅱ-2和聚合物Ⅱ-3的总量的摩尔比优选0:1～1:0，更优选为1.5:1。
本发明利用两种不同基团的化合物，其中至少一种为醛基修饰的聚合物(聚合物Ⅰ-1和聚合物Ⅱ-1)，至少一种非醛端基的聚合物，通过两种官能团间自发形成动态共价键从而形成双交联含液相的结构。
优选地，本发明所用聚合物Ⅰ-1、聚合物Ⅰ-2和聚合物Ⅰ-3的数均分子量分别为2500～15000g/mol；聚合物Ⅱ-1、聚合物Ⅱ-2和聚合物Ⅱ-3的数均分子量分别为2000～8000g/mol。
优选地，本发明高强度水凝胶的含水量为70～95wt％。
本发明的pH和温度双响应性的高强度水凝胶，具体为将聚合物Ⅰ-1和聚合物Ⅱ-1中的至少一种，与聚合物Ⅰ-2、聚合物Ⅱ-2、聚合物Ⅰ-3和聚合物Ⅱ-3的至少一种，分别溶解在缓冲溶液中，再均匀混合，室温下静置12～36h即可自组装获得。
所述缓冲溶液的pH范围可为5.0～7.4，优选为6.0。
所述缓冲溶液可为磷酸盐缓冲液、醋酸盐缓冲液、柠檬酸盐缓冲液中的至少一种。
上述反应体系中缓冲溶液含量优选为70～95wt％。
本发明还提供上述聚合物的制备方法，分别如下：
(1)所述醛基修饰的聚合物Ⅰ-1和聚合物Ⅱ-1，分别可由包括以下步骤方法制备得到：由聚合物本体与磺酰卤进行取代反应a，再与羟基苯甲醛进行取代反应b，得到苯甲醛基团修饰的聚合物。
(2)所述酰肼基修饰的聚合物Ⅰ-2和聚合物Ⅱ-2，分别可由包括以下步骤方法制备得到：由聚合物本体与磺酰卤进行取代反应a，然后与羟基苯甲酸酯进行取代反应c，再与水合肼进行取代反应d，得到酰肼基团修饰的聚合物。
(3)所述烷氧胺基修饰的聚合物Ⅰ-3和聚合物Ⅱ-3，分别可由包括以下步骤方法制备得到：由聚合物本体与N-羟基邻苯二甲酰亚胺进行取代反应e，再与水合肼进行取代反应f，得到烷氧胺基团修饰的聚合物。
所述聚合物本体对应聚合物Ⅰ-1、聚合物Ⅰ-2和聚合物Ⅰ-3为：
其中，m＝5～133，n＝30～70，p＝5～133。
所述聚合物本体对应聚合物Ⅱ-1、聚合物Ⅱ-2和聚合物Ⅱ-3为：
其中，x＝10～40，y＝10～40，z＝10～40。
所述的磺酰卤可选自烷基磺酰氯﹑芳基磺酰卤等，优选为甲基磺酰氯。
所述的羟基苯甲醛可选自对羟基苯甲醛﹑间羟基苯甲醛﹑邻羟基苯甲醛等，优选为对羟基苯甲醛。
所述的羟基苯甲酸酯可选自对羟基苯甲酸甲酯﹑对羟基苯甲酸乙酯﹑对羟基苯甲酸丁酯等，优选为对羟基苯甲酸甲酯。
步骤(1)中各反应物的摩尔份数如下：
聚合物本体9～11份；磺酰卤18～66份；羟基苯甲醛18～66份。
步骤(2)中各反应物的摩尔份数如下：
聚合物本体9～11份；磺酰卤18～66份；羟基苯甲酸酯18～66份；水合肼9000～11000份。
步骤(3)中各反应物的摩尔份数如下：
聚合物9～11份；N-羟基邻苯二甲酰亚胺18～66份；水合肼9000～11000份。
所述取代反应a可在室温下进行；优选反应时间为24～48h；可以无水三乙胺为催化剂，其用量为催化量即可；所述反应可在无水溶剂A中进行。
所述取代反应b优选为在70～90℃下反应48～72h。可以碳酸盐作为催化剂，其用量为催化量即可；所述反应可在溶剂B中进行。
所述取代反应c优选为在70～90℃下反应48～72h。可以碳酸盐作为催化剂，其用量为催化量即可；所述反应可在溶剂C中进行。
所述取代反应d优选为在70～90℃下反应48～72h。所述反应可在溶剂D中进行。
所述取代反应e可在室温下进行；优选反应时间为24～48h；可以三苯基膦和偶氮二甲酸二酯为催化剂，其用量为催化量即可；所述反应可在无水溶剂A中进行。
所述取代反应f可在室温下进行；优选反应时间为3～12h；所述反应可在无水溶剂A中进行。
所述的碳酸盐可选自碳酸钾﹑碳酸钠﹑碳酸镁等，优选为碳酸钠。
所述的偶氮二甲酸二酯可选自偶氮二甲酸二异丙酯﹑偶氮二甲酸二甲酯﹑偶氮二甲酸二甲乙酯等，优选为偶氮二甲酸二异丙酯。
所述的溶剂A可选自乙醇﹑丙酮﹑二氯甲烷﹑二氧六环等，优选为二氯甲烷。
所述的溶剂B可选自乙醇﹑丙酮﹑二氯甲烷﹑二氧六环﹑N,N-二甲基甲酰胺等，优选为N,N-二甲基甲酰胺。
所述的溶剂C可选自乙醇﹑丙酮﹑二氯甲烷﹑二氧六环等，优选为丙酮。
所述的溶剂D可选自乙醇﹑丙酮﹑二氯甲烷﹑二氧六环等，优选为乙醇。
所述聚合物本体可与溶剂E共沸除水后再用于反应。
所述溶剂E可选自乙醇﹑甲苯﹑四氢呋喃等，优选为甲苯。
具体地，步骤(1)中各反应物的摩尔份数如下：
聚合物本体9～11份；磺酰卤18～66份；羟基苯甲醛18～66份；三乙胺180～660份；碳酸盐90～660份。
具体地，步骤(2)中各反应物的摩尔份数如下：
聚合物本体9～11份；磺酰卤18～66份；羟基苯甲酸酯18～66份；水合肼9000～11000份；三乙胺18～66份；碳酸盐90～110份。
具体地，步骤(3)中各反应物的摩尔份数如下：
聚合物9～11份；N-羟基邻苯二甲酰亚胺18～66份；水合肼9000～11000份；三苯基膦18～66份；偶氮二甲酸二酯18～66份。
上述制备方法均优选在无水条件和惰性气体保护下进行。惰性气体可以选择氦气、氮气、氩气、二氧化碳，优选为氮气。
本发明首先对两类嵌段聚合物原料进行改性，通过修饰聚合物的官能团，将其修饰成含有醛基、烷氧胺或酰肼的聚合物，分别具有可以形成动态共价键的两类官能团。然后两种改性后的聚合物按一定的摩尔比配制溶液并均匀混合，聚合物之间自发交联形成水凝胶，两类不同的官能团间自发形成动态共价键从而形成双交联含液相的结构。
由于动态共价键是一类对一定范围的pH敏感的化学键使得本发明水凝胶具备pH响应性。另一方面，本发明所用嵌段聚合物可以在水溶液中自组装形成胶束，温度对胶束显著的影响赋予了本发明水凝胶温度响应性。此外，本发明水凝胶由胶束和动态共价键双交联的独特构建方式使其具有很大的机械强度。而其特殊的力学性质使其成为优异的3D打印材料，通过3D打印可加工成特定模型的水凝胶器件，将极大的推进其在生物医药领域的运用。
本发明的pH和温度双响应性的高强度水凝胶是由胶束和动态共价键交联的聚合物形成的网络结构，其包载一定量缓冲溶液，其网络由改性后的聚合物和至少两类不同的官能团构建。
本发明还提供上述pH和温度双响应性的高强度水凝胶在3D打印中的应用。本发明水凝胶具有独特的温度响应性和适当的机械性能，即可作为细胞培养的敷料，又可作为优异的3D打印材料打印出生物体组织或器官并用于医疗器械方面。通过3D打印可以将其加工成所需要的模型或器件。
所述3D打印的参数可为0.1～1.0mm挤出针头，优选为0.3mm挤出针头；挤出压力为0.1～0.5MPa，优选为0.25MPa。
本发明的pH和温度双响应性的高强度水凝胶及其打印得到的模型或器件，其pH响应范围为4.0～7.4。
本发明的pH和温度双响应性的高强度水凝胶及其打印得到的模型或器件，其温度响应范围为5～40℃。
本发明的pH和温度双响应性的高强度水凝胶及其打印得到的模型或器件，其伸长率可达12000％。
本发明的pH和温度双响应性的高强度水凝胶及其打印得到的模型或器件，其拉伸强度范围可达2MPa。
本发明的水凝胶是由胶束和动态共价键协作构建的双交联水凝胶。本发明的胶束是一类两亲性的聚合物嵌段由于溶解性差异在水溶液中缠绕在一起形成胶束，其受温度的影响显著。当温度升高时，胶束之间会碰撞聚集在一起形成大的胶束，与此同时，升温也破坏了亲水性嵌段与水分子之间的氢键，产生了溶解性差的聚合物嵌段，具有相似性质的聚合物溶液聚集在一起形成胶束，因此，也会有新的胶束形成。总的来说，升温的过程使得胶束的数量和大小发生变化，这使得胶束交联增加，改变了水凝胶的微观结构，所以其性能急剧的改变。动态共价键是一类在一定pH溶液中动态的，可逆的化学键，它具有物理键和化学键的双重特点，它的可逆平衡受pH影响显著。例如，本方法所用的酰腙键pH响应范围是4.0～7.4。pH改变时，酰腙键的稳定性也改变，因此相应改变了水凝胶的酰腙键交联的密度。结构的改变从而极大的改变了水凝胶的性能。本发明双交联的形式使其强度远远强于其它单网水凝胶，可以和其它网络结构的水凝胶媲美。此外，本发明选用材料为链状大分子，交联后可形成大网络的结构，对其强度有一定的帮助。本发明水凝胶的温度、pH响应使其性能很容易发生较大的改变，因此对于3D打印加工来说，很容易找到一个合适的条件达到最佳加工的机械强度。因此，本发明的水凝胶很容易加工成特定功能的器件。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
(1)本发明的制备条件温和且操作简单，制备水凝胶过程中无其它化学物质添加，无须加热、加压、人为操作等，仅仅在室温下混合聚合物溶液后自发形成水凝胶。
(2)本发明所用聚合物都是生物相容性的大分子且合成改性也相对容易，其价格也低廉，所以本发明水凝胶很适合在生物医疗方面的运用。
(3)本发明的水凝胶的pH和温度响应性显著，机械性能受pH﹑温度﹑浓度影响显著，且这些条件在较宽的范围内可调，因此它的性能很容易根据需求调控。
(4)本发明水凝胶与同类型的水凝胶相比，力学性能好、功能多、具备3D打印性能。
(5)本发明的水凝胶特殊的机械性能使其适合3D打印出高强度的生物医疗模型或器具，因而本发明的水凝胶有着光明的运用前景。
附图说明
图1为实施例1中PF127-二苯甲醛的1H NMR谱，溶剂为CDCl3。
图2为实施例1中三臂聚乙二醇-三苯甲酰肼的1H NMR谱，溶剂为(CD3)2SO。
图3为实施例10中不同pH值，浓度为15％的样品在25℃时应力应变拉伸曲线。
图4为实施例11中pH值为6.0，浓度为15％的样品分别在不同温度下应力应变拉伸曲线。
图5为实施例11中pH值为6.0，浓度为20％的样品分别在不同温度下应力应变拉伸曲线。
图6为实施例12中pH值为6.0，三种不同浓度的样品的温度流变扫描曲线。
图7为实施例13中不同pH值，浓度为20％的样品的温度流变扫描曲线。
图8为实施例14中pH值为6.0，浓度20％水凝胶在室温下的3D打印的模型图片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
下列实施例中涉及的物料均可从商业渠道获得。
实施例1：PF127-二苯甲醛和三臂聚乙二醇-三苯甲酰肼的改性合成
(1)合成PF127-二甲磺酸酯。称取20g PF127(Mn＝12600)投入250mL的圆底烧瓶，加入150mL的甲苯溶解，共沸除水，直至甲苯基本蒸出，自然冷却至室温。加入80mL的二氯甲烷(4A分子筛干燥48h)，在冰浴条件下，加入2.0mL三乙胺(预先用NaOH干燥48h)，用滴液漏斗在N2保护下20分钟内缓慢滴加1.6mL甲磺酰氯和10mL干燥的二氯甲烷混合液，撤去冰浴，于室温下反应24h后停止反应。把反应液转移至分液漏斗中，加入1滴盐酸和100mL蒸馏水，用200mL二氯甲烷(4次，50mL)萃取，合并有机相，把得到的有机相再用100mL饱和食盐水(2次，50mL)洗涤，最后所得有机相旋蒸浓缩，用300mL冰乙醚分别沉淀三次，收集到沉淀物在真空下室温干燥过夜，得到固体20.2g，产率为99.76％。反应方程式如下：
(2)合成PF127-二苯甲醛。称取20.2g PF127-二甲磺酸酯投入250mL的茄形瓶内，加入100mL的DMF溶解，然后依次加入碳酸钾1.8528g，对羟基苯甲醛1.168g，于70℃下回流搅拌反应48h后停止反应。把部分DMF旋蒸，加入100mL蒸馏水，用200mL二氯甲烷(4次，50mL)萃取，合并有机相，把得到的有机相再用100mL饱和食盐水(2次，50mL)洗涤，最后所得有机相旋蒸浓缩，用300mL冰乙醚分别沉淀三次，收集到沉淀物在真空下80℃干燥过夜，最后得到目标产物凝胶因子(G1-2)19.76g，产率为97.41％，1H NMR谱见图1。反应方程式如下：
(3)合成三臂聚乙二醇-三甲磺酸酯。称取10g三臂星状聚乙二醇(Mn＝3000)投入250mL的圆底烧瓶内，加入150mL的甲苯溶解，共沸除水，直至甲苯基本蒸出，自然冷却至室温。加入80mL的二氯甲烷(4A分子筛干燥48h)，在冰浴条件下，加入3.2mL三乙胺(预先用NaOH干燥48h)后，用滴液漏斗在N2保护下60min内缓慢滴加2mL甲磺酰氯和10mL干燥二氯甲烷的混合液，撤去冰浴，于室温下反应48h后停止反应。把反应液转移至分液漏斗中，加入1滴盐酸和100mL蒸馏水，用200mL二氯甲烷(4次，50mL)萃取，合并有机相，把得到的有机相再用100mL饱和食盐水(2次，50mL)洗涤，最后所得有机相旋蒸浓缩，用300mL冰乙醚分开沉淀三次，最后得到的沉淀物在真空下室温干燥过夜，收集到黄色固体9.4g，产率为94.07％。反应方程式如下：
(4)合成三臂聚乙二醇-三苯甲酸酯。称取9.4g三臂聚乙二醇-三甲磺酸酯投入250mL的圆底烧瓶内，加入80mL的丙酮溶解，然后分别加入对羟基苯甲酸甲酯9.1248g、碳酸钾20.4433g，于90℃下回流搅拌反应72h后停止反应。把丙酮旋蒸，加入100mL蒸馏水，用200mL二氯甲烷(4次，50mL)萃取，合并有机相，把得到的有机相再用100mL饱和食盐水(2次，50mL)洗涤，最后所得有机相旋蒸浓缩，用300mL冰乙醚分别沉淀三次，最后得到的沉淀物在真空下室温干燥过夜，得到固体9.25g，产率为96.66％。反应方程式如下：
(5)合成三臂聚乙二醇-三苯甲酰肼。称取9.25g三臂星状聚乙二醇-三苯甲酸酯投入250mL的圆底烧瓶内，加入60mL的乙醇溶解，然后缓慢加入30mL水合肼和20mL乙醇的混合溶液，于80℃下回流搅拌反应60h后停止反应。把乙醇旋蒸，然后在真空干燥箱内80℃干燥过夜，冷却后取出，加入100mL蒸馏水，用200mL二氯甲烷(4次，50mL)萃取，合并有机相，最后所得有机相旋蒸浓缩，用300mL冰乙醚分别沉淀三次，最后得到的沉淀物在真空下80℃干燥过夜，得到目标产物凝胶因子(G1-1)9.06g，产率为98.05％，1H NMR谱见图2。反应方程式如下：
实施例2：合成PF123-二苯甲醛的改性合成
(1)合成PF123-二甲磺酸酯。称取20g PF123(Mn＝5800)投入250mL的圆底烧瓶，加入150mL的甲苯溶解，共沸除水，直至甲苯基本蒸出，自然冷却至室温。加入80mL的二氯甲烷(4A分子筛干燥48h)，在冰浴条件下，加入2.0mL三乙胺(预先用NaOH干燥48h)，用滴液漏斗在N2保护下30min内缓慢滴加1.6mL甲磺酰氯和10mL干燥的二氯甲烷混合液，撤去冰浴，于室温下反应24h后停止反应。把反应液转移至分液漏斗中，加入1滴盐酸和100mL蒸馏水，用200mL二氯甲烷(4次，50mL)萃取，合并有机相，把得到的有机相再用100mL饱和食盐水(2次，50mL)洗涤，最后所得有机相旋蒸浓缩，用300mL冰乙醚分别沉淀三次，收集到沉淀物在真空下室温干燥过夜，得到固体20.2g，产率为99.76％。
(2)合成PF123-二苯甲醛。称取20.2g PF123-二甲磺酸酯投入250mL的茄形瓶内，加入100mL的DMF溶解，然后依次加入碳酸钾1.8528g，对羟基苯甲醛1.168g，于70℃下回流搅拌反应72h后停止反应。把部分DMF旋蒸，加入100mL蒸馏水，用200mL二氯甲烷(4次，50mL)萃取，合并有机相，把得到的有机相再用100mL饱和食盐水(2次，50mL)洗涤，最后所得有机相旋蒸浓缩，用300mL冰乙醚分别沉淀三次，收集到沉淀物在真空下80℃干燥过夜，最后得到目标产物凝胶因子(G1-2)19.76g，产率为97.41％。
实施例3：聚乙二醇-二苯甲醛的改性合成
(1)合成聚乙二醇-二甲磺酸酯。称取20g聚乙二醇(Mn＝2000)投入250mL的圆底烧瓶，加入150mL的甲苯溶解，共沸除水，直至甲苯基本蒸出，自然冷却至室温。加入80mL的二氯甲烷(4A分子筛干燥48h)，在冰浴条件下，加入2.0mL三乙胺(预先用NaOH干燥48h)，用滴液漏斗在N2保护下30min内缓慢滴加1.6mL甲磺酰氯和10mL干燥的二氯甲烷混合液，撤去冰浴，于室温下反应36h后停止反应。把反应液转移至分液漏斗中，加入1滴盐酸和100mL蒸馏水，用200mL二氯甲烷(4次，50mL)萃取，合并有机相，把得到的有机相再用100mL饱和食盐水(2次，50mL)洗涤，最后所得有机相旋蒸浓缩，用300mL冰乙醚分别沉淀三次，收集到沉淀物在真空下室温干燥过夜，得到固体20.2g，产率为99.76％。
(2)合成聚乙二醇-二苯甲醛。称取20.2g聚乙二醇-二甲磺酸酯投入250mL的茄形瓶内，加入100mL的DMF溶解，然后依次加入碳酸钾1.8528g，对羟基苯甲醛1.168g，于90℃下回流搅拌反应48h后停止反应。把部分DMF旋蒸，加入100mL蒸馏水，用200mL二氯甲烷(4次，50mL)萃取，合并有机相，把得到的有机相再用100mL饱和食盐水(2次，50mL)洗涤，最后所得有机相旋蒸浓缩，用300mL冰乙醚分别沉淀三次，收集到沉淀物在真空下80℃干燥过夜，最后得到目标产物凝胶因子(G1-2)19.76g，产率为97.41％。
实施例4：PF127-烷氧胺的改性合成
(1)合成PF108-烷氧胺。称取20g PF108(Mn＝14600)投入250mL的圆底烧瓶，加入150mL的甲苯溶解，共沸除水，直至甲苯基本蒸出，自然冷却至室温。加入80mL的二氯甲烷(4A分子筛干燥48h)，在冰浴条件下，加入1.5g三苯基膦和1.0g N-羟基邻苯二甲酰亚胺，用滴液漏斗在N2保护下30min内缓慢滴加1.6mL偶氮二甲酸二异丙酯和10mL干燥的二氯甲烷混合液，撤去冰浴，于23℃下反应18h后停止反应。把反应液旋蒸浓缩，用300mL冰乙醚分别沉淀三次，收集到沉淀物再用80mL二氯甲烷溶解，加入20mL 98％水合肼于18℃下反应12h后停止，把反应液旋蒸除去，得到固体20.2g，产率为99.76％。
(2)合成三臂聚乙二醇-三甲磺酸酯。称取10g三臂星状聚乙二醇(Mn＝5000)投入250mL的圆底烧瓶内，加入150mL的甲苯溶解，共沸除水，直至甲苯基本蒸出，自然冷却至室温。加入80mL的二氯甲烷(4A分子筛干燥48h)，在冰浴条件下，加入3.2mL三乙胺(预先用NaOH干燥48h)后，用滴液漏斗在N2保护下30min内缓慢滴加2mL甲磺酰氯和10mL干燥二氯甲烷的混合液，撤去冰浴，于室温下反应12h后停止反应。把反应液转移至分液漏斗中，加入1滴盐酸和100mL蒸馏水，用200mL二氯甲烷(4次，50mL)萃取，合并有机相，把得到的有机相再用100mL饱和食盐水(2次，50mL)洗涤，最后所得有机相旋蒸浓缩，用300mL冰乙醚分开沉淀三次，最后得到的沉淀物在真空下室温干燥过夜，收集到黄色固体9.4g，产率为94.07％。
(3)合成三臂聚乙二醇-三苯甲醛。称取9.4g三臂聚乙二醇—三甲磺酸酯投入250mL的茄形瓶内，加入100mL的DMF溶解，然后依次加入碳酸钾1.8528g，对羟基苯甲醛1.168g，于80℃下回流搅拌反应60h后停止反应。把部分DMF旋蒸，加入100mL蒸馏水，用200mL二氯甲烷(4次，50mL)萃取，合并有机相，把得到的有机相再用100mL饱和食盐水(2次，50mL)洗涤，最后所得有机相旋蒸浓缩，用300mL冰乙醚分别沉淀三次，收集到沉淀物在真空下80℃干燥过夜，最后得到目标产物凝胶因子8.9g，产率为94.68％。
实施例5：水凝胶的制备
(1)缓冲溶液的配置。用HAc/NaAc配制pH值为6.0的缓冲液。
(2)用电子天平称取凝胶因子PF127-二苯甲醛和三臂星状聚乙二醇-三苯甲酰肼，摩尔量的比值为1.5：1。两类凝胶因子的质量总和作为凝胶的固含量。将两种凝胶因子分别溶解在缓冲溶液，通过震荡超声使其充分溶解。混合后的两种溶液均匀混合，最后注入模具内，在盛有缓冲溶液的密闭容器内室温静置24h，即可获得特定性能的凝胶。凝胶因子的固含量分别为5％。
实施例6：水凝胶的制备
其反应式如下：
(1)缓冲溶液的配置。用NaH2PO4/Na2HPO4体系分别配制pH值为5.0的缓冲液。
(2)用电子天平称取凝胶因子PF107-二苯甲醛和三臂星状聚乙二醇-三苯甲酰肼，摩尔量的比值为1.5：1。两类凝胶因子的质量总和作为凝胶的固含量。将两种凝胶因子分别溶解在缓冲溶液，通过震荡超声使其充分溶解。混合后的两种溶液均匀混合，最后注入模具内，在盛有缓冲溶液的密闭容器内室温静置24h，即可获得特定性能的凝胶。凝胶因子的固含量分别为20％。
实施例7：水凝胶的制备
(1)缓冲溶液的配置。用NaH2PO4/Na2HPO4体系分别配制pH值为7.4的缓冲液。
(2)用电子天平称取凝胶因子聚乙二醇-二苯甲醛和三臂星状聚乙二醇-三苯甲酰肼，摩尔量的比值为2：1。两类凝胶因子的质量总和作为凝胶的固含量。将两种凝胶因子分别溶解在缓冲溶液，通过震荡超声使其充分溶解。混合后的两种溶液均匀混合，最后注入模具内，在盛有缓冲溶液的密闭容器内室温静置24h，即可获得特定性能的凝胶。凝胶因子的固含量分别为20％。
实施例8：水凝胶的制备
(1)缓冲溶液的配置。用NaH2PO4/Na2HPO4体系分别配制pH值为5.0的缓冲液。
(2)用电子天平称取凝胶因子聚乙二醇-二苯甲醛和聚乙二醇-三苯甲酰肼，摩尔量的比值为1：1。两类凝胶因子的质量总和作为凝胶的固含量。将两种凝胶因子分别溶解在缓冲溶液，通过震荡超声使其充分溶解。混合后的两种溶液均匀混合，最后注入模具内，在盛有缓冲溶液的密闭容器内室温静置24h，即可获得特定性能的凝胶。凝胶因子的固含量分别为30％。
实施例9：水凝胶的制备
(1)缓冲溶液的配置。用NaH2PO4/Na2HPO4体系分别配制pH值为5.0的缓冲液。
(2)用电子天平称取凝胶因子三臂聚乙二醇-三苯甲醛和三臂聚乙二醇-三苯甲酰肼，摩尔量的比值为1：1。两类凝胶因子的质量总和作为凝胶的固含量。将两种凝胶因子分别溶解在缓冲溶液，通过震荡超声使其充分溶解。混合后的两种溶液均匀混合，最后注入模具内，在盛有缓冲溶液的密闭容器内室温静置24h，即可获得特定性能的凝胶。凝胶因子的固含量分别为25％。
实施例10：水凝胶力学性能的测定
(1)凝胶样品的制备。用pH值为分别为5.0、6.0、6.5、7.0的缓冲溶液为溶剂在25℃制备固含量为15％的水凝胶体系；用pH值为6.0的缓冲溶液为溶剂制备固含量为15％的水凝胶在不同的环境温度下成胶。注入聚四氟乙烯模具(长10mm，厚度2mm)中，形成哑铃状的样品。
(2)拉力测试。使用KJ-1065A型拉力机对步骤(1)的水凝胶进行拉伸性能测试。用金属夹具夹持住样品两端，并在于样品制备相同的环境温度下以36mm/min的速率进行拉伸，直至样品断裂为止。最后获得样品的应力应变拉伸数据，结果见图3。
实施例11：水凝胶力学性能的测定
(1)凝胶样品的制备。用pH值为6.0的缓冲溶液为溶剂分别制备固含量为15％和20％的水凝胶在分别13℃、25℃和38℃的环境温度下成胶。注入聚四氟乙烯模具(长10mm，厚度2mm)中，形成哑铃状的样品。
(2)拉力测试。使用KJ-1065A型拉力机对步骤(1)的水凝胶进行拉伸性能测试。用金属夹具夹持住样品两端，并在于样品制备相同的环境温度下以100mm/min的速率进行拉伸，直至样品断裂为止。最后获得样品的应力应变拉伸数据，结果见图4和图5。
实施例12：水凝胶流变性能的测定
(1)凝胶样品的制备：用pH值为6.0的缓冲溶液为溶剂制备固含量为10％、15％和20％的水凝胶体系；注入聚四氟乙烯模具(直径10mm，厚度2mm)中，形成圆片状的样品。
(2)动态流变测试：使用ARES/RFS型流变仪将凝胶样品在strain＝1％，25℃下测频率100～0.1rad/s范围内的频率扫描。在strain＝1％，频率＝6.28rad/s测0℃～40℃范围内以0.5℃/min升温速率下的温度扫描。并获得样品的粘弹性数据，结果见图6。
实施例13：水凝胶流变性能的测定
(1)凝胶样品的制备：用不同pH值的缓冲溶液为溶剂制备固含量为20％的水凝胶体系；注入聚四氟乙烯模具(直径10mm，厚度2mm)中，形成圆片状的样品。
(2)动态流变测试：使用ARES/RFS型流变仪将凝胶样品在strain＝0.5％，25℃下测频率100～0.1rad/s范围内的频率扫描。在strain＝1％，频率＝62.8rad/s测0℃～40℃范围内以0.5℃/min升温速率下的温度扫描。并获得样品的粘弹性数据，结果见图7。
实施例14：水凝胶的3D打印
(1)凝胶样品的制备。用pH值为6.0的缓冲溶液为溶剂制备固含量为20％的水凝胶，并在未成胶前转移至3D打印机的针管内，室温下，静置4小时。
(2)3D打印成型。使用内径为0.3mm的针头，挤出压力设置为250KPa，以一定的程序打印出特定的构型的器具，见图8。
实施例15：水凝胶的3D打印
(1)凝胶样品的制备。用pH值为4.0的缓冲溶液为溶剂制备固含量为15％的水凝胶，并在未成胶前转移至3D打印机的针管内，室温下，静置1小时。
(2)3D打印成型。使用内径为0.1mm的针头，挤出压力设置为500KPa，以一定的程序打印出特定的形状的器具。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种pH和温度双响应性的高强度水凝胶，其特征在于由聚合物Ⅰ-1和聚合物Ⅱ-1中的至少一种，与聚合物Ⅰ-2、聚合物Ⅱ-2、聚合物Ⅰ-3和聚合物Ⅱ-3的至少一种，在溶液体系中自组装得到；
其中，m＝5～133，n＝30～70，p＝5～133；
其中，x＝10～40，y＝10～40，z＝10～40。
2.根据权利要求1所述的pH和温度双响应性的高强度水凝胶，其特征在于：所述聚合物Ⅰ-1和聚合物Ⅱ-1的总量，与聚合物Ⅰ-2、聚合物Ⅱ-2、聚合物Ⅰ-3和聚合物Ⅱ-3的总量的摩尔比为1:0.5～1:2。
3.根据权利要求1所述的pH和温度双响应性的高强度水凝胶，其特征在于：所述聚合物Ⅰ-1、聚合物Ⅰ-2和聚合物Ⅰ-3的总量，与聚合物Ⅱ-1、聚合物Ⅱ-2和聚合物Ⅱ-3的总量的摩尔比为0:1～1:0。
4.根据权利要求1所述的pH和温度双响应性的高强度水凝胶，其特征在于：所述聚合物Ⅰ-1、聚合物Ⅰ-2和聚合物Ⅰ-3的数均分子量分别为2500～15000g/mol；聚合物Ⅱ-1、聚合物Ⅱ-2和聚合物Ⅱ-3的数均分子量分别为2000～8000g/mol。
5.根据权利要求1所述的pH和温度双响应性的高强度水凝胶，其特征在于：具体为将聚合物Ⅰ-1和聚合物Ⅱ-1中的至少一种，与聚合物Ⅰ-2、聚合物Ⅱ-2、聚合物Ⅰ-3和聚合物Ⅱ-3的至少一种，分别溶解在缓冲溶液中，再均匀混合，室温下静置12～36h自组装获得。
6.根据权利要求5所述的pH和温度双响应性的高强度水凝胶，其特征在于：所述缓冲溶液的pH范围为5.0～7.4；所述缓冲溶液为磷酸盐缓冲液、醋酸盐缓冲液、柠檬酸盐缓冲液中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的pH和温度双响应性的高强度水凝胶，其特征在于：所述聚合物的制备方法，分别如下：
(1)所述聚合物Ⅰ-1和聚合物Ⅱ-1，分别由包括以下步骤方法制备得到：由聚合物本体与磺酰卤进行取代反应a，再与羟基苯甲醛进行取代反应b，得到苯甲醛基团修饰的聚合物；
(2)所述聚合物Ⅰ-2和聚合物Ⅱ-2，分别由包括以下步骤方法制备得到：由聚合物本体与磺酰卤进行取代反应a，然后与羟基苯甲酸酯进行取代反应c，再与水合肼进行取代反应d，得到酰肼基团修饰的聚合物；
(3)所述聚合物Ⅰ-3和聚合物Ⅱ-3，分别由包括以下步骤方法制备得到：由聚合物本体与N-羟基邻苯二甲酰亚胺进行取代反应e，再与水合肼进行取代反应f，得到烷氧胺基团修饰的聚合物。
8.根据权利要求7所述的pH和温度双响应性的高强度水凝胶，其特征在于：所述聚合物本体对应聚合物Ⅰ-1、聚合物Ⅰ-2和聚合物Ⅰ-3为：
其中，m＝5～133，n＝30～70，p＝5～133；
所述聚合物本体对应聚合物Ⅱ-1、聚合物Ⅱ-2和聚合物Ⅱ-3为：
其中，x＝10～40，y＝10～40，z＝10～40；
所述的磺酰卤选自烷基磺酰氯﹑芳基磺酰卤；
所述的羟基苯甲醛选自对羟基苯甲醛﹑间羟基苯甲醛﹑邻羟基苯甲醛；
所述的羟基苯甲酸酯选自对羟基苯甲酸甲酯﹑对羟基苯甲酸乙酯﹑对羟基苯甲酸丁酯；
步骤(1)中各反应物的摩尔份数如下：
聚合物本体9～11份；磺酰卤18～66份；羟基苯甲醛18～66份；
步骤(2)中各反应物的摩尔份数如下：
聚合物本体9～11份；磺酰卤18～66份；羟基苯甲酸酯18～66份；水合肼9000～11000份；
步骤(3)中各反应物的摩尔份数如下：
聚合物9～11份；N-羟基邻苯二甲酰亚胺18～66份；水合肼9000～11000份。
9.权利要求1～8任一项所述的pH和温度双响应性的高强度水凝胶在3D打印中的应用。
10.根据权利要求9所述的pH和温度双响应性的高强度水凝胶在3D打印中的应用，其特征在于：所述3D打印的参数为0.1～1.0mm挤出针头，挤出压力为0.1～0.5MPa。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201710871507.8A CN107629437A (zh) | 2017-09-25 | 2017-09-25 | 一种pH和温度双响应性的高强度水凝胶及其在3D打印中的应用 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109316606A (zh) * | 2018-10-25 | 2019-02-12 | 华南理工大学 | 一种多级pH响应介孔二氧化硅复合纳米粒子的制备方法 |
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2017
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| CN109316606B (zh) * | 2018-10-25 | 2020-10-27 | 华南理工大学 | 一种多级pH响应介孔二氧化硅复合纳米粒子的制备方法 |
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