CN107964059B - 一种磁诱导自修复纳米复合水凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁诱导自修复纳米复合水凝胶的制备方法，是以金属纳米材料生长在磁性纳米颗粒表面的纳米复合材料作为交联剂，该水凝胶以在交变磁场中磁性纳米颗粒产热带动动态的贵金属‑硫配位键振动作为愈合主体；另外，贵金属纳米粒子通过静电作用茂盛的生长在磁性纳米颗粒表面，结构新颖，能提供很多的交联位置，因此，本发明水凝胶交联网络密集，具有很高的拉伸应力应变，并且磁性纳米颗粒能够在磁场中响应会诱导自愈合，在抗疲劳材料、生物医药、组织工程等领域具有良好的应用前景。

Description

一种磁诱导自修复纳米复合水凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及一种磁诱导自修复纳米复合水凝胶的制备方法，属于纳米材料技术领域。
背景技术
水凝胶是具有亲水性而又不溶于水的、具有三维网络结构的高分子材料，因其独特的吸水性和良好的生物相容性等优点而受到材料科学和生物医学工作者的关注，得到了广泛应用及研究。近年主要用于传感与检测、医药释放、人造肌肉等领域。大多数以传统方法合成的水凝胶不可避免的表现出有限的机械强度差、韧性差、拉伸性低的缺点，这些问题严重限制其在上述领域的实际应用。日本科学家T.Takehisa于2002年首次提出了纳米复合水凝胶，该水凝胶在制备过程中采用纳米颗粒(粘土片)作为交联剂。纳米复合水凝胶的提出极大地提高了水凝胶的机械性能，同时也促进了水凝胶的发展与应用。
近年来，磁性纳米复合凝胶由于是一种典型的环境敏感水凝胶，它能通过磁场来调节其刺激响应性能。磁性复合凝胶结合了聚合物凝胶和磁性无机纳米粒子两方面的优点。一方面，它具有有机聚合物凝胶的特性，如可通过共聚、表面改性等途径，赋予其表面多种反应官能团(如羟基、羧基、氨基、醛基等)；通过吸附或共价键的方式与酶、细胞、药物等生物活性物质结合。另一方面，由于它具有磁响应性能，可以在外加磁场作用下发生伸长、收缩或弯曲等，在医学、生物等领域中有广泛的应用前景。但绝大部分磁性纳米颗粒都是通过物理掺杂进入水凝胶，机械性能不能显著的提高，同时极少有通过外加磁场中诱导自愈合的水凝胶。
发明内容
本发明旨在提供一种磁诱导自修复纳米复合水凝胶的制备方法，通过化学交联的方式将磁性纳米材料与水凝胶进行复合，显著地提高复合材料的机械性能，并且可以通过磁诱导自愈合。
本发明磁诱导自修复纳米复合水凝胶的制备方法，是以金属纳米材料生长在磁性纳米颗粒表面的纳米复合材料作为交联剂，该水凝胶以在交变磁场中磁性纳米颗粒产热带动动态的贵金属-硫配位键振动作为愈合主体；另外，贵金属纳米粒子通过静电作用茂盛的生长在磁性纳米颗粒表面，结构新颖，能提供很多的交联位置，因此，本发明水凝胶交联网络密集，具有很高的拉伸应力应变，并且磁性纳米颗粒能够在磁场中响应会诱导自愈合。
本发明磁诱导自修复纳米复合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：水热法制备磁性纳米颗粒
将1-2g六水合三氯化铁、2-4g无水乙酸钠和0.5-1g聚乙烯吡咯烷酮加入溶剂中，配制成40ml的混合溶液，然后倒入50ml容积的聚四氟乙烯容器中，200℃高温反应12小时，获得磁性纳米颗粒；
所述溶剂为乙二醇；
步骤2：金属纳米材料的生长
在乙醇中通入氨气直到饱和，将步骤1制备的磁性纳米颗粒分散在30ml含有饱和氨气的乙醇中，然后加入300-1200μL浓度为0.2mol/L金属氯化物，混合后搅拌2小时后，贵金属纳米材料生长在磁性纳米颗粒的表面；
本步骤通过还原贵金属氯化物的方法合成金属纳米颗粒，金属纳米颗粒通过原位生长到磁性纳米颗粒表面。
步骤3：表面修饰
将步骤2获得的磁性纳米颗粒分散于乙醇中，获得浓度为0.03-1.0mg/mL的金属纳米材料分散液，随后加入功能修饰体，室温下超声处理5-10分钟，得到表面修饰的纳米颗粒复合物；
所述功能修饰体为包含巯基和碳碳双键的有机小分子，如烯丙硫醇，添加质量为金属纳米材料分散液质量的0.02％。
步骤4：纳米复合水凝胶的制备
在氮气保护下，将单体和引发剂依次加入步骤3获得的表面修饰的纳米颗粒复合物分散液中，随后超声处理使得纳米材料充分混合，向混合液中加入催化剂并于室温下聚合反应24h，获得磁诱导自修复纳米复合水凝胶。
所述单体为丙烯酰胺，添加质量为表面修饰的纳米颗粒复合物分散液质量的20％。
所述引发剂为过硫酸钾，添加质量为表面修饰的纳米颗粒复合物分散液质量的0.40％。
所述催化剂为四甲基乙二胺，添加质量为表面修饰的纳米颗粒复合物分散液质量的0.40％。
本发明的有益效果体现在：
本发明使用极其简单的方法让磁性纳米颗粒与贵金属颗粒两者结合，纳米复合材料不仅具有光热性能同时还具有磁热性能，很好地发挥了纳米复合材料的优势。通过贵金属与硫配位吸附原理，将含有硫和碳碳双键的有机小分子的纳米复合材料引入到纳米复合材料中，将其整体作为交联剂，依次加入单体、引发剂、催化剂合成纳米复合水凝胶，在磁场条件下断裂面中的磁性纳米颗粒产热带动动态贵金属-硫配位键重新组合，从而达到水凝胶自愈合的目的。
综上，本发明提供了一种磁诱导自修复纳米复合水凝胶制备方法。本发明方法通过交变磁场为水凝胶自愈合提供了一种新的愈合刺激响应机制。本发明制备的水凝胶在抗疲劳材料、生物医药、组织工程等领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明合成的诱导自修复纳米复合水凝胶的光学照片。
图2是本发明所制备的磁诱导自修复纳米复合水凝胶的光学照片。从图2中可以看出本发明所制备的水凝胶具有很好的延伸性，即具有很高的韧性。
图3是本发明制备的磁诱导自修复纳米复合水凝胶自愈合照片。
具体实施方式
以下实施例详细的说明了本发明。本发明所使用的各种原料与相关设备均为常规市售产品，均能通过市场购买获得。
实施例1：
1、将1.35g六水合三氯化铁、3.6g无水乙酸钠和1g聚乙烯吡咯烷酮加入40ml乙二醇中，磁力搅拌30分钟，获得均匀的黄色混合溶液，然后倒入50ml容积的聚四氟乙烯容器中，200℃高温反应12小时，冷却至室温，依次用乙醇和水离心洗涤，获得磁性纳米颗粒，自然干燥待用。
2、在乙醇中通入氨气直到饱和，将步骤1制备的磁性纳米颗粒(即四氧化三铁)10mg分散在30ml含有饱和氨气的乙醇(10％氨气)中，采用机械搅拌的方式分散均匀，然后加入300μL浓度为0.2mol/L水合氯金酸水溶液，混合后搅拌2小时，贵金属纳米材料生长在磁性纳米颗粒的表面；本步骤通过还原贵金属氯化物的方法合成金属纳米颗粒，金属纳米颗粒通过原位生长到磁性纳米颗粒表面。
3、将步骤2获得的磁性纳米颗粒分散于去离子水中，获得浓度为0.03mg/mL的金属纳米材料分散液，随后加入功能修饰体烯丙硫醇，室温下超声处理5-10分钟，得到表面修饰的纳米颗粒复合物；烯丙硫醇的添加质量为金属纳米材料分散液质量的0.02％。
4、在氮气保护下，将单体丙烯酰胺和引发剂过硫酸钾依次加入步骤3获得的表面修饰的纳米颗粒复合物分散液中，随后超声处理使得纳米材料充分混合，向混合液中加入催化剂四甲基乙二胺并于室温下聚合反应24h，获得磁诱导自修复纳米复合水凝胶。整个过程均在氮气保护下完成，氮气流速控制在0.6mL/s。
丙烯酰胺的添加质量为表面修饰的纳米颗粒复合物分散液质量的20％。
过硫酸钾的添加质量为表面修饰的纳米颗粒复合物分散液质量的0.40％。
四甲基乙二胺的添加质量为表面修饰的纳米颗粒复合物分散液质量的0.40％。
实施例2：
1、将1.35g六水合三氯化铁、3.6g无水乙酸钠和1g聚乙烯吡咯烷酮加入40ml乙二醇中，磁力搅拌30分钟，获得均匀的黄色混合溶液，然后倒入50ml容积的聚四氟乙烯容器中，200℃高温反应12小时，冷却至室温，依次用乙醇和水离心洗涤，获得磁性纳米颗粒，自然干燥待用。
2、在乙醇中通入氨气直到饱和，将步骤1制备的磁性纳米颗粒(即四氧化三铁)20mg分散在30ml含有饱和氨气的乙醇(10％氨气)中，采用机械搅拌的方式分散均匀，然后加入600μL浓度为0.2mol/L的四水合氯金酸水溶液，混合后搅拌2小时，贵金属纳米材料生长在磁性纳米颗粒的表面；本步骤通过还原贵金属氯化物的方法合成金属纳米颗粒，金属纳米颗粒通过原位生长到磁性纳米颗粒表面。
3、将步骤2获得的磁性纳米颗粒分散于去离子水中，获得浓度为0.06mg/mL的金属纳米材料分散液，随后加入功能修饰体烯丙硫醇，室温下超声处理5-10分钟，得到表面修饰的纳米颗粒复合物；烯丙硫醇的添加质量为金属纳米材料分散液质量的0.02％。
4、在氮气保护下，将单体丙烯酰胺和引发剂过硫酸钾依次加入步骤3获得的表面修饰的纳米颗粒复合物分散液中，随后超声处理使得纳米材料充分混合，向混合液中加入催化剂四甲基乙二胺并于室温下聚合反应24h，获得磁诱导自修复纳米复合水凝胶。整个过程均在氮气保护下完成，氮气流速控制在0.6mL/s。
丙烯酰胺的添加质量为表面修饰的纳米颗粒复合物分散液质量的20％。
过硫酸钾的添加质量为表面修饰的纳米颗粒复合物分散液质量的0.40％。
四甲基乙二胺的添加质量为表面修饰的纳米颗粒复合物分散液质量的0.40％。
实施例3：
1、将1.35g六水合三氯化铁、3.6g无水乙酸钠和1g聚乙烯吡咯烷酮加入40ml乙二醇中，磁力搅拌30分钟，获得均匀的黄色混合溶液，然后倒入50ml容积的聚四氟乙烯容器中，200℃高温反应12小时，冷却至室温，依次用乙醇和水离心洗涤，获得磁性纳米颗粒，自然干燥待用。
2、将步骤1获得的磁性纳米颗粒10mg分散于去离子水中，随后加入功能修饰体烯丙硫醇，室温下超声处理5-10分钟，得到表面修饰的纳米颗粒复合物；烯丙硫醇的添加质量为磁性纳米颗粒分散液质量的0.02％。
3、在氮气保护下，将单体丙烯酰胺和引发剂过硫酸钾依次加入步骤3获得的表面修饰的纳米颗粒复合物分散液(0.03mg/mL)中，随后超声处理使得纳米材料充分混合，向混合液中加入催化剂四甲基乙二胺并于室温下聚合反应24h，获得磁性纳米粒子水凝胶。整个过程均在氮气保护下完成，氮气流速控制在0.6mL/s。
丙烯酰胺的添加质量为表面修饰的纳米颗粒复合物分散液质量的20％。
过硫酸钾的添加质量为表面修饰的纳米颗粒复合物分散液质量的0.40％。
四甲基乙二胺的添加质量为表面修饰的纳米颗粒复合物分散液质量的0.40％。
本发明在制备了一种磁诱导自修复纳米复合水凝胶，结合磁性纳米颗粒与贵金属颗粒的性质，不仅具有光热性能同时还具有磁热性能，将两结合纳米复合材料通过贵金属与硫配位吸附含硫和碳碳双键的有机小分子作为交联剂，形成均匀稳定的凝胶网络结构，具有优异的机械性能，应力可达到数兆帕。同时在磁场条件下磁性纳米颗粒产热带动动态贵金属-硫配位键重新组合，从而达到自愈合的目的。应变在20倍以上，并且拥有优异的抗缺口敏感性能。
上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。

Claims (5)

1.一种磁诱导自修复纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：水热法制备磁性纳米颗粒
将1-2g六水合三氯化铁、2-4g无水乙酸钠和0.5-1g聚乙烯吡咯烷酮加入溶剂中，配制成40ml的混合溶液，然后倒入50ml容积的聚四氟乙烯容器中，200℃高温反应12小时，获得磁性纳米颗粒；
步骤2：金属纳米材料的生长
在乙醇中通入氨气直到饱和，将步骤1制备的磁性纳米颗粒分散在30ml含有饱和氨气的乙醇中，然后加入300-1200μL浓度为0.2mol/L金属氯化物，混合后搅拌2小时后，贵金属纳米材料生长在磁性纳米颗粒的表面；
步骤3：表面修饰
将步骤2获得的磁性纳米颗粒分散于乙醇中，获得浓度为0.03-1.0mg/mL的金属纳米材料分散液，随后加入功能修饰体，室温下超声处理5-10分钟，得到表面修饰的纳米颗粒复合物；所述功能修饰体为包含巯基和碳碳双键的有机小分子，添加质量为金属纳米材料分散液质量的0.02％；
步骤4：纳米复合水凝胶的制备
在氮气保护下，将单体和引发剂依次加入步骤3获得的表面修饰的纳米颗粒复合物分散液中，随后超声处理使得纳米材料充分混合，向混合液中加入催化剂并于室温下聚合反应24h，获得磁诱导自修复纳米复合水凝胶；所述单体为丙烯酰胺，添加质量为表面修饰的纳米颗粒复合物分散液质量的20％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤1中，所述溶剂为乙二醇。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述功能修饰体为烯丙硫醇。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤4中，所述引发剂为过硫酸钾，添加质量为表面修饰的纳米颗粒复合物分散液质量的0.40％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤4中，所述催化剂为四甲基乙二胺，添加质量为表面修饰的纳米颗粒复合物分散液质量的0.40％。
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