CN107641179A - 一种具有抗冻/抗热性能的自粘附水凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有抗冻/抗热性能的自粘附水凝胶的制备方法，其采用甘油与水混合体系组成水凝胶溶剂体系，甘油与水之间强大氢键作用使水稳定地固定在聚合物网络中，可以在低温下破坏冰晶晶格的形成，在高温下防止水分的挥发，赋予了水凝胶长期稳定性、抗冻性和抗热性。另外聚多巴胺与甘油、聚合物网络之间的协同作用增强了水凝胶的力学性能，使其具有高强度、高韧性和良好的可恢复性。并且，聚多巴胺组分的加入使水凝胶具有良好的粘附性，能够粘附在各种不同化学性能的基底表面。本发明制备一种抗冻/抗热性能的自粘附水凝胶可以作为可穿戴敷料保护皮肤在极端寒冷和炎热的环境中免受冻伤或烧伤。
Description
技术领域
本发明涉及水凝胶应用和制备技术领域，特别是一种具有抗冻/抗热性能的自粘附水凝胶的制备方法。
背景技术
自粘附水凝胶因其高含水量，以及与自然组织相似的软结构，可用于皮肤修复、伤口缝合和可穿戴设备等领域，然而现有的粘附型水凝胶大多力学性能较差，容易在使用的过程中破损，从而导致伤口暴露于空气中而导致伤口感染。所以设计一个本身具有高强度性和自粘附性的水凝胶是十分重要的。
然而当具有高强度性和自粘附性的水凝胶当其处于过热或者过冷的极端环境中时，水分子无法被稳定地固定在聚合物网络中，因此在使用过程中容易丢失。高温会使水凝胶干燥，而低温时水凝胶会被冻住。即使在正常温度下长期使用，水分子也会从水凝胶中挥发出来，这些都会使水凝胶原本具有的高力学性能和自粘附性能丧失。因此，自粘附水凝胶的环境稳定差也是制约其应用的重要问题。所以设计具有长期稳定性、抗冻性和耐热性及高力学性能的自粘附水凝胶，使其在不同温度下维持良好的高力学性能和自粘附性仍然是一个挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有抗冻/抗热性能的自粘附水凝胶的制备方法，所形成的水凝胶由于甘油与水之间强大氢键作用使水稳定地固定在聚合物网络中，可以在低温下破坏冰晶晶格的形成，在高温下防止水分的挥发。从而使得水凝胶能够在-80℃-60℃的温度范围内仍然能够具有自粘附性、高韧性和可回复性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种具有抗冻/抗热性能的自粘附水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
称取0.5-3.5mg/ml多巴胺，在PH＝8-11的条件下反应20-40分钟，得到聚多巴胺分散液；称取0.4-2.6g水溶性单体、1％-15％(wt.％)引发剂和1％-10％(wt.％)交联剂加入到聚多巴胺分散液中，充分搅拌使其混合均匀，然后将甘油加入到混合液中，再加入5-30ul助引发剂后再充分搅拌，最后通过自由基聚合形成水凝胶；所形成的水凝胶由于甘油与水之间强大氢键作用使水稳定地固定在聚合物网络中，可以在低温下破坏冰晶晶格的形成，在高温下防止水分的挥发。从而使得水凝胶能够在-80℃-60℃的温度范围内仍然能够具有导电性，自粘附性、高韧性和可回复性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明制备的自粘附水凝胶采用甘油与水混合组成水凝胶溶剂体系，甘油与水之间强大氢键作用使水稳定地固定在聚合物网络中，可以在低温下破坏冰晶晶格的形成，在高温下防止水分的挥发。使水凝胶能够在-80℃-60℃的温度范围内仍然具有自粘附性，高韧性和可回复性。另外由于油与水之间强大氢键作用使水稳定地固定在聚合物网络中,使水凝胶能在常温的环境中连续使用1-6个月之后其水凝胶的自粘附性和高韧性和可回复性仍然存在。
2、本发明制备的自粘附水凝胶内部聚多巴胺与甘油、聚合物网络之间的协同作用增强了水凝胶的力学性能，使其具有高强度、高韧性和良好的可恢复性。并且，聚多巴胺组分的加入使水凝胶具有良好的自粘附性。能够粘附在各种不同化学性能的基底表面，尤其是皮肤等生物组织，有利于扩展该水凝胶的生物学应用。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
称取0.5mg/ml多巴胺，在PH＝8的条件下反应20分钟，得到聚多巴胺分散液。称取2.0g丙烯酰胺、0.4g丙烯酸、1％(wt.％)过硫酸铵和1％(wt.％)N,N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂加入到聚多巴胺分散液中，充分搅拌使其混合均匀，然后将20％(vol.％)的甘油加入到混合液中，再加入5ul四甲基乙二胺，再充分搅拌，最后通过自由基聚合形成水凝胶。
实施例二
称取1.5mg/ml多巴胺，在PH＝10的条件下反应20分钟，得到聚多巴胺分散液。称取2.0g丙烯酰胺、0.4g丙烯酸、5％(wt.％)过硫酸铵和5％(wt.％)N,N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂加入到聚多巴胺分散液中，充分搅拌使其混合均匀，然后将50％(vol.％)的甘油加入到混合液中，再加入20ul四甲基乙二胺，再充分搅拌，最后通过自由基聚合形成水凝胶。
实施例三
称取3.5mg/ml多巴胺，在PH＝11的条件下反应20分钟，得到聚多巴胺分散液。称取2.0g丙烯酰胺、0.4g丙烯酸、15％(wt.％)过硫酸铵和10％(wt.％)N,N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂加入到聚多巴胺分散液中，充分搅拌使其混合均匀，然后将90％(vol.％)的甘油加入到混合液中，再加入30ul四甲基乙二胺，再充分搅拌，最后通过自由基聚合形成水凝胶。
实施例四
称取1.5mg/ml多巴胺，在PH＝10的条件下反应20分钟，得到聚多巴胺分散液。称取1.2g丙烯酰胺、1.2g丙烯酸、10％(wt.％)过硫酸铵和5％(wt.％)N,N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂加入到聚多巴胺分散液中，充分搅拌使其混合均匀，然后将50％(vol.％)的甘油加入到混合液中，再加入20ul四甲基乙二胺，再充分搅拌，最后通过自由基聚合形成水凝胶。
实施例五
A、碳纳米管的功能化
将0.26g碳纳米管和2mg/ml多巴胺溶液中，在PH＝10的条件下反应25分钟，聚合得到多巴胺修饰的碳纳米管的分散液。
B水凝胶的制备
称取2.4g丙烯酸、15％(wt.％)过硫酸铵(APS)和10％(wt.％)N,N-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)入到步骤A中。充分搅拌使其混合均匀，然后再加入50％(vol.％)甘油和10ul四甲基乙二胺充分搅拌，最后在除氧后用紫外灯(360nm)照射10-20分钟后自由基聚合形成水凝胶。
实施例六
本例的操作与实施例五基本相同，只是将实施例五使用的碳纳米管换成聚吡咯纳米颗粒。
实施例七
本例的操作与实施例五基本相同，只是将实施例五使用的碳纳米管换成四氧化三铁纳米颗粒。
实施例八
本例的操作与实施例五基本相同，只是将实施例五使用的碳纳米管换成纳米羟基磷灰石颗粒。
Claims (8)
1.一种具有抗冻/抗热性能的自粘附水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
称取0.5-3.5mg/ml多巴胺，在PH＝8-11的条件下反应20-40分钟，得到聚多巴胺分散液；称取0.4-2.6g水溶性单体、1％-15％(wt.％)引发剂和1％-10％(wt.％)交联剂加入到聚多巴胺分散液中，充分搅拌使其混合均匀，然后将甘油加入到混合液中，再加入5-30ul助引发剂，之后再充分搅拌，最后通过自由基聚合形成水凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种具有抗冻/抗热性能的自粘附水凝胶的制备方法，其特征在于，还包括步骤：多巴胺修饰的功能纳米材料的制备，即：
将0.5％-10％(wt.％)的功能纳米材料分散于0.5-3.5mg/ml多巴胺溶液中，在PH＝8-11的条件下反应20-40分钟，得到聚多巴胺修饰的功能纳米材料的分散液；此时，采用的聚多巴胺分散液为聚多巴胺修饰的功能纳米材料的分散液。
3.根据权利要求1所述的一种具有抗冻/抗热性能的自粘附水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的甘油的体积比为：20％-90％(vol.％)。
4.根据权利要求1所述的一种具有抗冻/抗热性能的自粘附水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的水溶性单体为：丙烯酰胺、丙烯酸或N-异丙基丙烯酰胺，或者这3种物质当中的任意两种或三种的组合。
5.根据权利要求1所述的一种具有抗冻/抗热性能的自粘附水凝胶的制备方法，其特征在于：所用的引发剂是过硫酸铵、过硫酸钾、叔丁基过氧化氢或光引发剂2959。
6.根据权利要求1所述的一种具有抗冻/抗热性能的自粘附水凝胶的制备方法，其特征在于：所用的交联剂是二甲基丙烯酸乙二醇酯、N,N-亚甲基双丙烯酰胺或二氨基二苯基甲烷。
7.根据权利要求1所述的一种具有抗冻/抗热性能的自粘附水凝胶的制备方法，其特征在于：所用的助引发剂是四甲基乙二胺、四甲基丙二胺或二甲基乙醇胺。
8.根据权利要求2所述的一种具有抗冻/抗热性能的自粘附水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的功能纳米材料是碳纳米管、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、四氧化三铁纳米颗粒、三氧化二铁纳米颗粒、纳米黏土、纳米羟基磷灰石、纳米陶瓷、纳米二氧化硅或纳米二氧化钛。
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