CN108219480A - 基于热可逆Diels-Alder反应的高分子-纳米二硫化钼片复合水凝胶制备及应用 - Google Patents

基于热可逆Diels-Alder反应的高分子-纳米二硫化钼片复合水凝胶制备及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于高分子生物材料技术领域，提供了基于热可逆Diels‑Alder反应的高分子‑纳米二硫化钼片复合水凝胶制备方法及其应用。所述复合水凝胶通过在纳米薄层二硫化钼片水溶液中发生热可逆Diels‑Alder反应而形成。所述热可逆Diels‑Alder反应为巯基‑聚乙二醇‑马来酰亚胺的马来酰亚胺基团与呋喃化透明质酸中的呋喃基团在热环境下发生。所述自愈合性能是材料通过在近红外光照射下利用纳米薄层二硫化钼片的光热转化特性使得水凝胶升温到达Diels‑Alder反应的热可逆温度，从而实现自愈合目的。本发明将纳米二维材料二硫化钼片运用到自愈合材料领域，并赋予材料光刺激条件下的良好愈合特性。

Description

基于热可逆Diels-Alder反应的高分子-纳米二硫化钼片复合 水凝胶制备及应用
技术领域
本发明属于高分子生物材料技术领域，尤其涉及基于热可逆Diels-Alder反应的高分子-纳米二硫化钼片复合水凝胶制备方法及其应用。
背景技术
自愈合水凝胶是受到生物世界的启发的一种新兴仿生材料。近年来，自愈合水凝胶在机体受到损伤时能够自主愈合的皮肤，骨骼，肌肉组织等生物体组织取得了快速发展(Phadke,C.Proc.Natl.Acad.Sci.109,4383)。然而，由于破裂后缺乏键合重整机制，大多数合成水凝胶不具有这种自我修复能力(A.B.Ihsan,Macromolecules,2016,49,4245)。为此目的，到目前为止，已经进行了大量努力，通过将动态共价键和非共价键结合到水凝胶网络中来设计和制造自愈合水凝胶(Z.Wei,Adv.Funct.Mater.2015,25,1352)。动态共价键包括二硫键(P.Casuso,Biomacromolecules.2015,16,3552)，Diels-Alder反应(Z.Wei,Macromol.Rapid Commun.2013,34,1464)和苯硼酸根合并(V.Yesilyurt,Adv.Mater.2016,28,86)，他们都可以整合共价键的稳定性和非共价键的可逆性(Z.Wei,Adv.Funct.Mater.2015,25,1352)，他们已经被用来制备具有不同功能的自修复水凝胶。
热可逆Diels-Alder反应满足了基于利用快速，有效，多功能和选择性反应的“点击”化学概念的大部分要求(Tasdelen.M.A,Polym.Chem.2011,2(10),2133-2145)。同时，在含水环境下的热可逆Diels-Alder反应产率高，不产生副产物，在温和的反应条件下发生，并且不涉及任何催化剂和偶联剂(Tasdelen.M.A,Polym.Chem.2011,2(10),2133-2145)。因此，近年来，热可逆Diels-Alder反应被认为是一种有效的交联策略去合成应用在组织工程中具有生物医学应用前景的水凝胶(Liu.Y.L,Polymer.2006,47(8),2581-2586.)。
迄今为止，基于呋喃与马来酰亚胺的热可逆Diels-Alder反应所合成的具有自愈合性质的聚合物很多，如：多官能团呋喃马来酰亚胺(Chen.X.X,Science,2002,295,1698.)多元酮(Araya Hermosilla.R,Eur.Polym.J.2014,50,127.)，聚酰胺(Liu.Y.L,Macromol.Chem.Phys.2007,208,224.)，聚乙烯(Rudolph.T,Macromol.Rapid.Commun.2014,35,916.)，聚酯(Ikezaki.T,Polym.Chem.2014,52,216)，聚(ε-己内酯)(Mallek.H,Appl.Polym.Sci.2013,129,954.),聚乳酸(Inoue.K,Appl.Polym.Sci.2009,112,876.)和聚氨酯(Rivero.G,Macromolecules,2014,47,2010)被广泛研究。因此，在开发基于热可逆Diels-Alder反应的新型自愈合聚合物体系方面有许多有趣的可能性。
近年来，二维纳米材料在自愈合材料制备领域逐渐崭露头角，特别是石墨烯作为重要组分构建纳米复合自愈合材料引起了人们的广泛关注，Cui等(J.Mater.Chem.A.2015,3,17445)将氧化石墨烯片层通过与聚丙烯酰胺物理交联的方法制备了一种混合水凝胶。纳米薄层二硫化钼片作为类石墨烯的一种二维材料，是一种典型的层状过渡金属硫化物，每个单元是S-Mo-S“三明治”结构，层内以共价键紧密结合在一起，层间以微弱的范德华力结合在一起。其中钼和硫以共价键结合为三方柱面体结构。二硫化钼是一种典型的半导体，其间接带隙约为1.2eV(R.Coehoorn,Matter Mater.Phys,1987,35,6195.)。
开发新型自愈合水凝胶仍然是现阶段研究的重点，鉴于此，本发明基于热可逆Diels-Alder反应与纳米薄层二硫化钼片优异的光热转化效应、良好的导电性及较大的比表面积等特点，构建自愈合性能优良的纳米二硫化钼片-高分子复合水凝胶，实现其在自愈合材料制备领域的推广应用。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供基于热可逆Diels-Alder反应的高分子-纳米二硫化钼片复合水凝胶制备方法及其应用，将二维材料纳米材料薄层二硫化钼片应用到自愈合材料领域，利用纳米薄层二硫化钼片的光热转化特性使材料经近红外光照射使得水凝胶升温、导致水凝胶升温，到达Diels-Alder反应的热可逆温度，从而实现自愈合目的。由于本发明所用材料都具有很好的生物相容性与低毒性，本材料有望具有良好的生物应用前景。本发明的技术方案如下所述：
本发明提供一种基于热可逆Diels-Alder反应的高分子复合纳米二硫化钼片自愈合水凝胶，所述高分子水凝胶由纳米二硫化钼片、巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺、呋喃化透明质酸合成，巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺与呋喃化透明质酸是在二硫化钼片水溶液中发生反应的，且巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺的部分马来酰亚胺基团与呋喃化透明质酸的分子链发生了Diels-Alder反应点而联结在一起。所述自愈合性能利用纳米薄层二硫化钼片的光热转化特性实现。
本发明还提供了上述具有自愈合性质的高分子复合水凝胶的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：在容器中加入巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺与纳米薄层二硫化钼片水溶液，搅拌混合溶液12h；
步骤2：在上述步骤1中的混合溶液中加入呋喃化透明质酸固体，搅拌使其完全溶解；
步骤3：在上述步骤2中将混合溶液密封，将其处于入40℃环境中1h；
步骤4：将制得的高分子复合水凝胶放入恒温箱中保存陈化，即可得到基于热可逆Diels-Alder反应的高分子复合纳米二硫化钼片自愈合水凝胶。
上述制备方法中，所述纳米薄层二硫化钼片通过超声辅助插层法合成，所述呋喃化透明质酸通过透明质酸与呋喃反应合成，上述步骤1中的巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺的分子量为2K，质量体积比为1.5mg/mL；所述纳米薄层二硫化钼片溶液的浓度为0.1～0.5mg/mL，优选为0.5mg/mL。
上述步骤2中的呋喃化透明质酸的质量体积比为6.4mg/mL；溶液搅拌的环境温度为25℃。
上述步骤4中的恒温箱中保存温度为25℃。
所述超声辅助插层法合成纳米薄层二硫化钼片，包括以下步骤：
步骤1：在氮气保护下，将二硫化钼粉末与正丁基锂溶液在超声环境下混合45min；
步骤2：震荡，超声，加入去离子水，剥离得到粗产物；
步骤3：加入一定量乙醇，加入到粗产物里形成悬浮液，离心去除上清液，把去离子水加入到去除上清液的产物中，离心去除上清液，得到最终产物。
其中，上述步骤1中纳米薄层二硫化钼片粉末与正丁基锂摩尔比为：1:1～13.5。步骤3中纳米薄层二硫化钼片粉末粗产物与乙醇配成4～16mg/mL的悬浮液。步骤3中纳米薄层二硫化钼片粉末粗产物与去离子水配成1～5mg/mL的悬浮液。
所述呋喃化透明质酸固体通过呋喃与透明质酸反应合成，包括以下步骤：
步骤1：将透明质酸在25℃环境下溶于MES缓冲溶液中直至完全溶解；
步骤2：将4-(4,6-二甲氧基三嗪-2-基)-4-甲基吗啉盐酸盐(DMTMM)滴加进反应瓶，反应10min；
步骤3：室温环境下搅拌反应2 4h；
步骤4：进行透析、冷冻、真空干燥得最终产物。
其中，步骤1中透明质酸的质量分数为1％，MES的浓度为100mmol/L。步骤2中DMTMM的质量分数为1.4％。步骤4中透析过程所用透析袋分子量截留值为14KD，冷冻环境为-20℃。
本发明提供的高分子复合自愈合水凝胶具有纳米级结构，纳米二硫化钼片均匀分散在水凝胶中，并通过巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺与呋喃化透明质酸发生的热可逆Diels-Alder反应所形成的高分子链结构与二硫化钼片相互缠绕在一起，形成具有三维立体结构的高分子复合自愈合水凝胶。所述高分子复合自愈合水凝胶利用了二硫化钼片的光热转换转化特性，二硫化钼片经近红外光照射后逐渐升温，由于二硫化钼片均匀分散，使得复合水凝胶材料整体升温。随着复合水凝胶温度的升高，导致其胶体达到Diels-Alder反应的热可逆温度，通过部分马来酰亚胺基团与呋喃化透明质酸的分子链重新发生了新的Diels-Alder反应而联结在一起，最终实现自愈合的目的。
本发明提供的高分子复合自愈合水凝胶的通过近红外光照射7min，水凝胶温度能从27.0℃上升到46.4℃，水凝胶愈合效率为101.2％。
本发明对高分子复合自愈合水凝胶的自愈合效率测试通过下述方法进行，包括以下步骤：
步骤1：将规格为直径9.8mm，厚度3～4.9mm的高分子复合纳米二硫化钼片自愈合水凝胶圆柱体切开成为两部分，将两部分水凝胶断裂面接触放置，并在近红外激光发射器下照射一定时间，使其愈合；其中，激光强度为0.1～1W/cm2，激光发射器探头到材料的距离为5～11cm，照射时间为30s～600s；
步骤2：对愈合后的水凝胶进行机械性能压缩测试，计算得到愈合效率；愈合效率计算方法如下：愈合效率＝水凝胶愈合后压缩模量/水凝胶初始压缩模量×100％。
本发明具有如下有益效果：
1、所述高分子复合自愈合水凝胶具有很好的愈合效率，高达101.2％；
2、本发明的自愈合水凝胶材料自愈合性能稳定，在重复愈合20次后，愈合效率依然能超过80％；
3、本发明的所运用的材料具有低毒性，生物相容性好的特点，在生物应用领域具有应用前景。
附图说明
图1为本发明所述高分子复合自愈合水凝胶的结构和合成示意图；
图2为本发明的实施例1中合成原料呋喃化透明质酸的核磁共振氢谱；
图3为本发明的实施例1中高分子复合水凝胶的扫描电子显微镜图片；
图4为本发明的实施例1中在近红外光照射下，采用不同浓度纳米薄层二硫化钼片(0.1mg/mL和0.5mg/mL)溶液合成的复合水凝胶的升温曲线；
图5为本发明的实施例1中采用不同浓度纳米薄层二硫化钼片(0.1mg/mL和0.5mg/mL)溶液合成的复合水凝胶的愈合效率比较图；
图6为本发明的实施例1中采用纳米薄层二硫化钼片(0.5mg/mL)溶液合成的复合水凝胶的多次愈合效率图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例来对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
本发明提供一种基于纳米薄层二硫化钼片的高分子复合自愈合水凝胶，所述高分子水凝胶由纳米二硫化钼片、巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺、呋喃化透明质酸合成，所述巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺与呋喃化透明质酸是在二硫化钼片水溶液中发生反应的，且巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺的部分马来酰亚胺基团与呋喃化透明质酸的分子链发生了Diels-Alder反应而联结在一起，附图1为本发明所述高分子复合自愈合水凝胶的结构和合成示意图。
在制备高分子复合自愈合水凝胶前，需要先制备纳米薄层二硫化钼片和呋喃化透明质酸。图2为本实施例1中合成原料呋喃化透明质酸的核磁共振氢谱，呋喃化透明质酸相比较于透明质酸，在化学位移6.21、6.27和7.31ppm处产生了三个单重吸收峰，由此判定呋喃化透明质酸合成成功。
本实施例中，基于热可逆Diels-Alder反应的高分子复合纳米二硫化钼片自愈合水凝胶及其制备方法及验证自愈合性能的方法，包含以下步骤：
步骤1：在容器中加入巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺(19.32mg)与0.3mL纳米薄层二硫化钼片(0.5mg/mL)溶液，搅拌混合溶液12h；
步骤2：
在上述步骤1中的混合溶液中加入呋喃化透明质酸(4.5mg)，搅拌使其完全溶解；
步骤3：在上述步骤2中的混合溶液中将混合溶液密封，将其处于入40℃环境中1h；
步骤4：将制得的高分子复合水凝胶放入恒温箱中保存6小时陈化，即可得到基于热可逆Diels-Alder反应的高分子复合纳米二硫化钼片自愈合水凝胶；
步骤5：将复合水凝胶取出，沿圆柱体直径从上往下将其切开成为两部分；
将两部分水凝胶断裂面接触放置，并在近红外激光发射器探头下11cm，照射7min；
步骤6：将经照射愈合后的水凝胶通过万能试验机测试得到愈合后材料的压缩模量从而计算出愈合效率，如图5所示。
为了更好的说明本实施例制得的自愈合水凝胶的性能，还准备了不同浓度的二氧化钼片的水凝胶，进行对比。
实施例2
本实施例中，基于热可逆Diels-Alder反应的高分子复合纳米二硫化钼片自愈合水凝胶及其制备方法，包含以下步骤：
步骤1：在容器中加入巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺(19.32mg)与0.3mL纳米薄层二硫化钼片(0.1mg/mL)溶液，搅拌混合溶液12h；
步骤2：在上述步骤1中的混合溶液中加入呋喃化透明质酸(4.5mg)，搅拌使其完全溶解；
步骤3：在上述步骤2中的混合溶液中将混合溶液密封，将其处于入40℃环境中1h；
步骤4：将制得的高分子复合水凝胶放入恒温箱中保存6小时陈化，即可得到基于热可逆Diels-Alder反应的高分子复合纳米二硫化钼片自愈合水凝胶。
所有的测试结果表明，本发明所涉及的基于热可逆Diels-Alder反应的高分子复合纳米二硫化钼片自愈合水凝胶及其制备方法自愈合结果优良(图5)。采用热可逆Diels-Alder反应制备复合自愈合水凝胶，过程操作简便，成本低廉，节约能源，利于大规模推广研究。此外，对于研究纳米薄层二硫化钼片在自愈合材料制备领域有着重要研究意义。

Claims (9)

1.一种基于热可逆Diels-Alder反应的高分子复合纳米二硫化钼片自愈合水凝胶，其特征在于，所述高分子复合纳米二硫化钼片自愈合水凝胶由纳米二硫化钼片、巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺和呋喃化透明质酸合成，所述巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺与呋喃化透明质酸是在二硫化钼片水溶液中发生反应的，且巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺的部分马来酰亚胺基团与呋喃化透明质酸的分子链发生Diels-Alder反应而联结在一起。
2.一种如权利要求1所述的高分子复合纳米二硫化钼片自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：在容器中加入巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺与纳米薄层二硫化钼片水溶液，搅拌混合溶液12h；
步骤2：在上述步骤1中的混合溶液中加入呋喃化透明质酸固体，搅拌使其完全溶解；
步骤3：在上述步骤2中将混合溶液密封，将其处于入40℃环境中1h；
步骤4：将制得的高分子复合水凝胶放入恒温箱中保存陈化，即可得到基于热可逆Diels-Alder反应的高分子复合纳米二硫化钼片自愈合水凝胶。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述纳米薄层二硫化钼片通过超声辅助插层法合成，所述呋喃化透明质酸固体通过呋喃与透明质酸反应合成，所述巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺的分子量为2K。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，上述步骤1中的巯基-聚乙二醇-马来酰亚胺的质量体积比为1.5mg/mL，纳米薄层二硫化钼片溶液的浓度为0.1-0.5mg/mL。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，上述步骤2中溶液搅拌的环境温度为25℃，上述步骤4中的恒温箱中保存温度为25℃。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，上述步骤3中呋喃化透明质酸的质量体积比为6.4mg/mL。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述超声辅助插层法合成纳米薄层二硫化钼片，包括以下步骤：
步骤1：在氮气保护与超声环境下，将二硫化钼粉末与正丁基锂溶液混合45min，纳米薄层二硫化钼片粉末与正丁基锂摩尔比为：1:1～13.5；
步骤2：震荡，超声，加入去离子水，剥离得到粗产物；
步骤3：加入一定量乙醇，加入到粗产物里形成4～16mg/mL的悬浮液，离心去除上清液，把去离子水加入到去除上清液的产物中，配成1～5mg/mL的悬浮液，离心去除上清液得到最终产物。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述呋喃化透明质酸固体通过呋喃与透明质酸反应合成，包括以下步骤：
步骤1：将质量分数为1％的透明质酸在25℃环境下溶于浓度为100mmol/L的MES缓冲溶液中直至完全溶解；
步骤2：将质量分数为1.4％的4-(4,6-二甲氧基三嗪-2-基)-4-甲基吗啉盐酸盐(DMTMM)滴加进反应瓶，搅拌10min；
步骤3：室温环境下搅拌24h；
步骤4：进行透析、冷冻、真空干燥得最终产物，所述透析过程所用透析袋分子量截留值为14KD，所述冷冻环境为-20℃。
9.一种如权利要求1所述的高分子复合纳米二硫化钼片自愈合水凝胶的自愈合效率测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：
步骤1：将规格为直径9.8mm，厚度3～4.9mm的高分子复合纳米二硫化钼片自愈合水凝胶圆柱体切开成为两部分，将两部分水凝胶断裂面接触放置，并在近红外激光发射器下照射一定时间，使其愈合；其中，激光强度为0.1～1W/cm2，激光发射器探头到材料的距离为5～11cm，照射时间为30s～600s；
步骤2：对愈合后的水凝胶进行机械性能压缩测试，计算得到愈合效率；愈合效率计算方法如下：愈合效率＝水凝胶愈合后压缩模量/水凝胶初始压缩模量×100％。
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