CN108276590B

CN108276590B - 可3d打印的琼脂/聚丙烯酰胺双氢键协同交联高韧性水凝胶的制备方法

Info

Publication number: CN108276590B
Application number: CN201810044519.8A
Authority: CN
Inventors: 李学锋; 王慧; 张高文; 龙世军; 舒萌萌; 张奕坤; 邱迪
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2018-01-17
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2038-01-17
Also published as: CN108276590A

Abstract

本发明公开了一种可利用3D打印的琼脂/聚丙烯酰胺双氢键协同交联高韧性水凝胶的制备方法。首先将琼脂在加热搅拌条件下溶于去离子水得到均匀的水溶液，再将溶解在去离子水中的丙烯酰胺和光引发剂的混合溶液加入琼脂的水溶液中混合均匀，将最终的混合溶液采用模具或3D打印的方式预成型，先在低温下使琼脂交联，后放置紫外灯下使丙烯酰胺聚合并氢键交联，形成了双氢键协同交联的高韧性水凝胶；由于该水凝胶含有天然高分子的琼脂，并且在溶胶状态下通过加入少量的气相二氧化硅调控粘度，具备良好的抗塌陷以及快速凝胶化特性，可以实现3D打印。

Description

可3D打印的琼脂/聚丙烯酰胺双氢键协同交联高韧性水凝胶的制备方法

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种可3D打印的琼脂/聚丙烯酰胺双氢键协同交联高韧性水凝胶的制备方法。

背景技术

水凝胶是化学交联或物理交联形成的具高含水能量、高孔隙率的三维网络结构的高分子材料，这一特性与生物体软组织相似，使得水凝胶在组织工程领域有着广泛的潜在应用。由于水凝胶具有高含水量的性能，其力学性能普遍较差，化学交联的水凝胶存在组织相容性差，无法满足使用的要求。当前多采用的化学交联水凝胶还存在交联破坏后难以修复、组织相容性差的缺点，所以研究进一步扩展到物理交联水凝胶。Li等(Xuefeng Li,Youjiao Zhao，et al.Hybrid dual crosslinked polyacrylic acid hydrogels withultrahigh mechanical strength,toughness and self-healing properties viasoaking salt solution.Polymer，2017.05.007,55-63)采用“一锅法”制备了杂化双交联的聚丙烯酸PAAc(MBAA+Fe³⁺)水凝胶，其中化学交联剂的加入使丙烯酸化学交联，而物理交联部分为聚丙烯酸分子链中的COO-与Fe³⁺形成离子交联。通过盐溶液调整水凝胶的力学强度，在最佳的盐溶液浓度下，该水凝胶的拉伸强度可达1.794MPa，并且可拉伸至原长的12倍。化学交联和物理交联的协同作用导致材料在外力作用下有效的能量耗散，并且经过盐溶液调节水凝胶的交联密度，使得水凝胶具有较高的拉伸性和韧性，同时由于水凝胶中的物理交联部分，该水凝胶有着优秀的自愈合性能。但是该杂化交联水凝胶的强度受盐溶液的影响特别大，盐溶液浓度偏高或偏低显著影响其性能，调控后高强度水凝胶的含水量大幅度降低，并且引入化学交联使水凝胶的生物相容性变差。为了将水凝胶更好的应用在生物工程中，制备出生物相容性好的水凝胶是关键因素，因此，越来越多的物理交联水凝胶被报道。Chen等(Qiang Chen,Lin Zhu,et al.A Novel Design Strategy for FullyPhysically Linked Double Network Hydrogels with Tough,Fatigue Resistant,andSelf-Healing Properties.Adv.Mater.2015.25(10)，1598–1607)以琼脂(Agar)为第一重网络，以疏水缔合型聚丙烯酰胺为第二重网络制备了耐疲劳的韧性物理交联Agar/HPAM双网络水凝胶。在低温下，Agar通过氢键相关的琼脂螺旋束形成第一氢键交联网络；AAm和SMA的胶束共聚合后，通过SDS胶束和SMA的烷基之间强疏水相互作用形成第二网络。该水凝胶显示的超大伸长率52.6倍，拉伸强度0.267MPa，损耗能9.35KJ/m³，表明该水凝胶具有优异的韧性，此种韧性同化学交联双网络水凝胶中韧性来源于第一网络的破坏，可以看出在两重网络协同作用时，Agar网络中氢键为水凝胶的韧性做的巨大贡献。Chen等以Agar/PAM物理-化学杂化交联双网络水凝胶做对比试验，作为对比样的杂化交联双网络水凝胶的断裂伸长率也高达45倍，此种韧性同样源于第一重网络中氢键作用。但是Agar/PAM双网络水凝胶中引入化学交联后略微降低了水凝胶的断裂伸长率且不利于水凝胶的生物相容性。该文Agar/HPAM物理交联双网络水凝胶，以氢键交联为第一网络，实现水凝胶的高韧性，在氢键中引入疏水缔合的作用实现全物理交联双网络水凝胶，两重网络协同作用使水凝胶具备优异的自修复和自愈合性能。但是引入的疏水缔合中，亲水相和亲油相难以分离得依靠高速搅拌，合成难以控制，水凝胶的制备成型工艺受到很大的限制，3D打印作为一种可靠的可实现水凝胶自由成型且不影响水凝胶生物相容性的方法，并不能适用于该种水凝胶。因此该种水凝胶在组织工程，药物筛选、芯片上的器官等领域的应用受限。

发明内容

本发明的目的为了解决上述技术问题，提供一种工艺简单、操作易控、原料易得、成本较低、周期较短的双氢键协同交联高韧性琼脂/聚丙烯酰胺(Agar/PAAm)水凝胶的制备方法。采用先成型再交联的方法，确保了水凝胶交联的均匀性。将琼脂的水溶液与丙烯酰胺单体的水溶液混合，利用成型模具或3D打印机使所得溶液预成型，水凝胶内温度敏感的氢键交联Agar分子网络作为第一网络，聚丙烯酰胺作为氢键交联分子网络第二网络。单体AAm在制备双氢键交联水凝胶支架时，是以单体小分子的形式引入体系后原位聚合得到双氢键交联水凝胶支架，而不是直接加入高分子化合物，这样可以保证整个全部物质在预成型前保持溶液状态。由于Agar分子链热溶液降温到室温下，氢键快速交联使全部溶液快速成型为水凝胶，再通过UV光照后AAm单体聚合发生氢键交联形成PAAm第二重交联网络与第一重Agar交联的网络互相贯穿，从而得到双氢键交联水凝胶，如图1所示。这将成为一种可3D打印双氢键交联水凝胶制备的普遍方法。

本发明的技术方案可以通过以下技术措施来实现：

可3D打印的琼脂/聚丙烯酰胺双氢键协同交联高韧性水凝胶的制备方法，具体步骤如下：

1)将琼脂(Agar)溶于去离子水中，在65℃～75℃下搅拌溶解；

2)室温下将丙烯酰胺(AM)、光引发剂溶于去离子水中配制成混合溶液；

3)将步骤2)中的混合溶液倒入步骤1)中的Agar溶液中在45～55℃的水浴下混合后搅拌均匀，得到丙烯酰胺、光引发剂、Agar的混合溶液；

4)将步骤3)中得到的混合溶液置于4～15℃下放置30～60min，待Agar交联后，将其转移到紫外灯下光照，使丙烯酰胺单体聚合发生氢键交联，得到Agar/PAM双氢键交联的高韧性水凝胶。

优选地，步骤3)所得混合溶液中，Agar的摩尔浓度为0.04902～0.0817mol/L。

优选地，步骤3)所得混合溶液中，丙烯酰胺的摩尔浓度为5～9mol/L。

优选地，步骤3)所得混合溶液中，光引发剂与丙烯酰胺的物质的量之比为0.001:1。

优选地，步骤4)中，紫外光照时间为5～7小时。

优选地，步骤4)中采用3D打印的方式成型凝胶，具体过程如下：

向步骤3)得到的混合溶液中加入无机粉体调节粘度，得到均匀的溶胶，所得溶胶采用3D打印机在基板上打印出所需形状，所得预成型凝胶依次经过4～15℃下放置30～60min处理和紫外光照处理，使两层网络交联，得到3D打印的Agar/PAM双氢键交联的高韧性水凝胶。

优选地，所得溶胶中无机粉体的量占总质量的10wt％。

优选地，所述无机粉体为气相二氧化硅。

一种可3D打印的琼脂/聚丙烯酰胺双氢键协同交联高韧性水凝胶，采用上述的方法制备得到。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明制备工艺极其简单，制备周期短、工艺条件简便，生产成本低、原料易得。

2)本发明方法中，无需加入物理或化学交联剂，依靠自身官能团特性形成物理交联的互穿网络结构聚合物，不仅保证了水凝胶高含水的特性，避免了其它聚合物的引入带来的分子链之间的干扰，使形成的水凝胶具有自由成型、高韧性的特点。

3)本发明中Agar为天然大分子，拥有大而长的分子链，溶于水中具有一定的粘度，通过加入适量的气相二氧化硅粉体可调整水凝胶溶液的粘度以实现3D打印。

4)本发明采用先成型再交联的方法，确保了水凝胶交联的均匀性。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明所得可3D打印的琼脂/聚丙烯酰胺双氢键协同交联高韧性水凝胶的合成过程示意图；

图2为3D打印水凝胶的状态示意图；

图3为利用3D打印制备得到的双氢键协同水凝胶支架显微俯视图。

图中的附图标注为：

1，溶胶；2，注射器；3，机器点胶机；4，水凝胶支架；5，玻璃基板；6，计算机。

具体实施方式

结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例分为两个部分：第一部分双氢键协同交联高韧性水凝胶的制备方法；第二部分利用3D打印技术打印双氢键协同交联高韧性水凝胶。

第一部分

实施例1

步骤1)：称取0.2g琼脂(Agar)加入8mL去离子水中，在75℃、500RPM高速搅拌20min溶解得到透明的水溶液。

步骤2)：分别称取3.554g AM、0.0074g KA加入2mL搅拌溶解得到均一的透明的水溶液。将此溶液于步骤1)的溶液中，在避光环境下以50℃、500RPM速率搅拌5min，制备出Agar为0.06536mol/L、AM为5mol/L、KA为0.005mol/L混合溶液。

步骤3)：将步骤2)得到的混合溶液在遮光的条件下注入玻璃模具中，将玻璃模具置于紫外灯下光照5～7小时，得到强硬的双氢键协同交联高韧性Agar/PAM水凝胶。

实验测得本实施例所得的双氢键协同交联Agar/PAM水凝胶材料的拉伸强度为0.449MPa，断裂伸长率为6585.5％。

实施例2

步骤2)：分别称取4.9756g AM、0.0103g KA加入2mL搅拌溶解得到均一的透明的水溶液。将此溶液于步骤1)的溶液中，在避光环境下以50℃、500RPM速率搅拌5min，制备出Agar为0.06536mol/L、AM为7mol/L、KA为0.007mol/L混合溶液。

实验测得本实施例所得的双氢键协同交联Agar/PAM水凝胶材料的拉伸强度为0.490MPa，断裂伸长率为5337.3％。

实施例3

步骤2)：分别称取6.3972g AM、0.0132g KA加入2mL搅拌溶解得到均一的透明的水溶液。将此溶液于步骤1)的溶液中，在避光环境下以50℃、500RPM速率搅拌5min，制备出Agar为0.06536mol/L、AM为9mol/L、KA为0.009mol/L混合溶液。

实验测得本实施例所得的双氢键协同交联Agar/PAM水凝胶材料的拉伸强度为0.500MPa，断裂伸长率为4631.0％。

实施例4

步骤1)：称取0.15g琼脂(Agar)加入8mL去离子水中，在75℃、500RPM高速搅拌20min溶解得到透明的水溶液。

步骤2)：分别称取4.9756g AM、0.01023g KA加入2mL搅拌溶解得到均一的透明的水溶液。将此溶液于步骤1)的溶液中，在避光环境下以50℃、500RPM速率搅拌5min，制备出Agar为0.04902mol/L、AM为7mol/L、KA为0.007mol/L混合溶液。

实验测得本实施例所得的双氢键协同交联Agar/PAM水凝胶材料的拉伸强度为0.286MPa，断裂伸长率为4283.0％。

实施例5

步骤1)：称取0.25g琼脂(Agar)加入8mL去离子水中，在75℃、500RPM高速搅拌20min溶解得到透明的水溶液。

步骤2)：分别称取4.9756g AM、0.01023g KA加入2mL去离子水中搅拌溶解得到均一的透明的水溶液。将此溶液于步骤1)的溶液中，在避光环境下以50℃、500RPM速率搅拌5min，制备出Agar为0.0817mol/L、AM为7mol/L、KA为0.007mol/L混合溶液。

实验测得本实施例所得的双氢键协同交联Agar/PAM水凝胶材料的拉伸强度为0.239MPa，断裂伸长率为4383.9％。

对比样1

步骤1)：分别称取4.9756g AM、0.0103g KA加入10mL去离子水中，在避光环境下，搅拌溶解得到均一的透明的水溶液，制备出AM为7mol/L、KA为0.007mol/L的混合溶液。

步骤2)：将步骤1)得到的混合溶液在遮光的条件下注入玻璃模具中，将玻璃模具置于紫外灯下光照5～7小时，得到单氢键交联PAM水凝胶。

实验测得本实施例所得的单氢键交联PAM水凝胶材料的拉伸强度为0.113MPa，断裂伸长率为415.8％。

对比样2

步骤1)：称取0.2g琼脂(Agar)加入10mL去离子水中，在75℃、500RPM高速搅拌20min溶解得到透明的水溶液。制备出Agar为0.06536mol/L的水溶液。

步骤2)：将步骤1)得到的Agar溶液注入玻璃模具中，将玻璃模具置于4℃下放置30min，得到单氢键交联的Agar水凝胶。

实验测得本实施例所得的单氢键交联Agar水凝胶材料的拉伸强度为0.034MPa，断裂伸长率为0.109％。

对比样3

步骤2)：分别称取4.9756g AM、0.003238g MBAA、0.01023g KA加入2mL去离子水中搅拌溶解得到均一的透明的水溶液。将此溶液于步骤1)的溶液中，在避光环境下以50℃、500RPM速率搅拌5min，制备出Agar为0.0817mol/L、AM为7mol/L、MBAA为0.0021mol/L、KA为0.007mol/L的混合溶液。

步骤3)：将步骤2)得到的混合溶液注入玻璃模具中，先将模具置于4℃下放置30min，待Agar氢键交联后，将玻璃模具移到紫外灯下光照5～7小时，得到以Agar氢键交联为第一重网络的，以PAM化学交联为第二重网络是杂化交联双网络水凝胶。

实验测得本实施例所得的杂化交联双网络水凝胶材料的拉伸强度为0.442MPa，断裂伸长率为14.576％。

上述实施例、对比例的水凝胶的拉伸强度与断裂伸长率如下表1：

实施例1～5制备的双氢键协同的水凝胶是改变了Agar、AM的摩尔浓度比，对比例1、2分别制备了单氢键交联的PAM水凝胶和单氢键交联的Agar水凝胶。从表中的实施例1～3可以看出，随着AM摩尔浓度的增加，水凝胶的拉伸强度从0.449MPa增加到0.500MPa，但断裂伸长率从6585.5％减小到4631.0％，这是因为AM含量增加，分子链缠结增大，氢键作用增强，使水凝胶拉伸强度增大，但是过多的缠结会降低断裂伸长率。从实施例2、4中可以看出随着Agar的摩尔浓度的增加，水凝胶拉伸强度从0.286MPa增加到0.490MPa，而断裂伸长率从4283.0％增加到5337.3％，这主要是随着Agar浓度的增加，Agar分子链中氢键作用增强，使水凝胶的第一重网络结构增强，而双网络水凝胶中的高韧性主要来源于第一网络的破坏，从而大大增强了水凝胶的韧性以及强度；而实施例5进一步增加Agar含量，水凝胶应力应变均减小，这可能是因为进一步增加Agar含量，分子链密度过大，缠结过多，过度的承担外界的能量，破坏两重氢键之间的协同作用。从对比例1～2中也可以看出，通过单纯的N-H…O型或N-H…N型氢键交联的水凝胶力学性能差，但将两种氢键组合可以形成很显著的协同作用，使水凝胶具有优异的力学性能。相对于对比例3的杂化交联Agar/PAM水凝胶，实例1～5双氢键协同的Agar/PAM水凝胶的应变均远大于杂化交联Agar/PAM水凝胶，化学交联剂的加入增大PAM的交联密度使第二重网络交联紧密，同时破坏PAM的氢键使得水凝胶的韧性降低而表现出的应变显剧减小，并且实例3为对比例3的同摩尔组份的实例实验，可以看出该摩尔比下的双氢键协同水凝胶的应力也略高于杂化交联的Agar/PAM水凝胶，此外引入化学交联剂影响生物的相容性。

表1：双氢键协同高韧性Agar/PAM水凝胶的拉伸强度与断裂伸长率

第二部分

3D打印水凝胶实验：

步骤3)：将步骤2)得到的混合溶液在遮光的条件下加入质量分数为10wt％的气相二氧化硅调节粘度，得到可用于3D打印的溶胶1，并将所得溶胶1注入注射器2中，通过计算机6设计打印程序，并通过机器点胶机3将水凝胶支架4打印在玻璃基板5上，如图2所示。

步骤4)：将步骤3)中打印出的水凝胶支架4置于4℃下放置30min，待Agar交联后，将玻璃基板5移到紫外灯下光照5～7小时，使AM单体聚合。得到强硬的双氢键协同高韧性Agar/PAM水凝胶。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.可3D打印的琼脂/聚丙烯酰胺双氢键协同交联高韧性水凝胶的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)将琼脂(Agar)溶于去离子水中，在65℃～75℃下搅拌溶解；

3)将步骤2)所得混合溶液倒入步骤1)中的Agar溶液中在45～55℃的水浴下混合后搅拌均匀，得到丙烯酰胺、光引发剂、Agar的混合溶液，所得混合溶液中Agar的摩尔浓度为0.06536mol/L，丙烯酰胺的摩尔浓度为5～9mol/L；

4)将步骤3)所得混合溶液置于4～15℃下放置30～60min，再将其转移到紫外灯下光照，得到Agar/PAM双氢键交联的高韧性水凝胶。

2.如权利要求1所述的可3D打印的琼脂/聚丙烯酰胺双氢键协同交联高韧性水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(4)采用3D打印的方式成型凝胶，具体过程如下：

向步骤3)得到的混合溶液中加入无机粉体调节粘度，得到均匀的溶胶，所得溶胶采用3D打印机在基板上打印出所需形状，所得预成型凝胶依次经过4～15℃下放置30～60min处理以及紫外光照处理，使两层网络交联，得到3D打印的Agar/PAM双氢键交联的高韧性水凝胶。

3.如权利要求1所述的可3D打印的琼脂/聚丙烯酰胺双氢键协同交联高韧性水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤3)所得混合溶液中，光引发剂与丙烯酰胺的物质的量之比为0.001:1。

4.如权利要求2所述的可3D打印的琼脂/聚丙烯酰胺双氢键协同交联高韧性水凝胶的制备方法，其特征在于：所得溶胶中无机粉体的量占总质量的10wt％。

5.如权利要求2所述的可3D打印的琼脂/聚丙烯酰胺双氢键协同交联高韧性水凝胶的制备方法，其特征在于：所述无机粉体为气相二氧化硅。

6.如权利要求1所述的可3D打印的琼脂/聚丙烯酰胺双氢键协同交联高韧性水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤4)中，紫外光照时间为5～7小时。

7.一种可3D打印的琼脂/聚丙烯酰胺双氢键交联高韧性水凝胶，其特征在于，采用权利要求1～6任一项所述的方法制备得到。