CN110527021B - 一种自愈合双网络水凝胶、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本文公开了一种自愈合双网络水凝胶、制备方法及其应用，所述的自愈合双网络水凝胶的制备方法包括：将N‑丙烯基甘氨酰胺单体、κ‑卡拉胶、交联剂、光引发剂及氯化钾加入溶剂中，进行紫外光聚合反应制得双网络水凝胶，所述的双网络水凝胶为PNAGA/κ‑carrageenan双网络水凝胶。本发明的制备方法简便易行，制备出高强度的自愈合双网络水凝胶，具有优异的力学性能、自愈合性能，并且无细胞毒性，在组织工程和药物释放方面有广阔前景。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种自愈合双网络水凝胶、制备方法及其应用。
背景技术
水凝胶是指能迅速吸收并保持大量水分而又不溶于水的三维网络高分子结构。水凝胶通过聚合物的溶胀可以保持较高的含水量，形成特殊的柔性湿态结构，具有介于固体和液体之间的性质。这一特性使得水凝胶有着广阔的应用，如组织工程、药物控释、生物纳米技术等领域。然而，大部分传统的合成水凝胶力学强度较弱且韧性不足，一般在受到损伤后不能完成自愈合，这一缺陷妨碍了其进一步应用。
目前研究较多的有双网络水凝胶、纳米复合水凝胶和疏水相关水凝胶等。双网络水凝胶(Double network hydrogel，DN)的设计思路是合成交联度较高的第一层网络，以此为模板，在其中引入中性低交联度第二层网络，以形成双网络结构。第一层网络为DN水凝胶提供了刚性骨架，保持水凝胶的外形，而柔性的第二层网络填补其中，很好地起到吸收应力的作用。研究表明，DN水凝胶在保持了高含水量的同时，其强度和韧性都得到了很大的提高。但是，目前现有技术涉及的双网络结构得到的水凝胶仍然存在恢复性差、弹性差以及功能性差、可制造性差等缺点。
卡拉胶(Carrageen)是由交替的α(1-3)-D-半乳糖-4-硫酸化和β(1-4) -3,6-脱水-D-半乳糖组成，有ι、κ、λ、μ四种类型，其中κ-卡拉胶(κ-carrageenan) 由于其热可逆性、生物降解、无毒、低成本等特点在食品、化工、包装、制药等领域备受关注。κ-carrageen自身形成的水凝胶具有优异的温敏特性及良好恢复性能，但仍然存在有力学性能较弱的问题。
发明内容
针对现有制备技术的缺陷和不足，本发明提供了一种自愈合双网络水凝胶、制备方法及其应用，解决目前现有技术涉及的双网络结构得到的水凝胶仍然存在恢复性差、弹性差以及功能性差、可制造性差等缺点。
为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：
一种自愈合双网络水凝胶的制备方法，所述的自愈合双网络水凝胶的制备方法包括：将N-丙烯基甘氨酰胺单体、κ-卡拉胶、交联剂、光引发剂及氯化钾加入溶剂中，进行紫外光聚合反应制得双网络水凝胶，所述的双网络水凝胶为PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶。
进一步地，具体包括以下步骤：
步骤1：将甘氨酰胺盐酸盐和丙烯酰氯混合搅拌反应，再通过洗涤、旋蒸及冷冻干燥进行后处理，最后采用柱层析的方法处理得N-丙烯基甘氨酰胺单体；
步骤2：将N-丙烯基甘氨酰胺单体、κ-卡拉胶、交联剂、光引发剂及氯化钾加入溶剂中，进行紫外光聚合反应制得双网络水凝胶，所述的双网络水凝胶为PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶，所述的交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，所述的光引发剂为2-羟基-4'-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
具体地，所述的N-丙烯基甘氨酰胺单体与κ-卡拉胶的质量比为(2～5)： 1。
可选的，所述的交联剂用量为0.2g，所述的光引发剂质量为0.04g。
具体的，所述的溶剂为去离子水，所述的N-丙烯基甘氨酰胺单体与溶剂的质量百分比为10％～25％。
进一步地，具体包括：
步骤1：将37.9g甘氨酰胺盐酸盐和34.2g丙烯酰氯混合搅拌反应，再通过洗涤、旋蒸及冷冻干燥进行后处理，最后采用柱层析的方法处理得N- 丙烯基甘氨酰胺单体；
步骤2：将2gN-丙烯基甘氨酰胺单体、0.5gκ-卡拉胶、0.2gN,N'-亚甲基双丙烯酰胺、0.04g 2-羟基-4'-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮及0.03g氯化钾加入10mL去离子水中，进行紫外光聚合反应制得PNAGA/κ-carrageenan 双网络水凝胶。
一种自愈合双网络水凝胶，所述的自愈合双网络水凝胶采用本发明所述的自愈合双网络水凝胶的制备方法制得。
进一步地，所述的自愈合双网络水凝胶的拉伸强度为1.7MPa，断裂伸长率为260％。
本发明所述的自愈合双网络水凝胶用于无细胞毒性的组织工程中的应用。
本发明相较于现有技术具有以下有益技术效果：
本发明的制备方法简便易行，首先合成具有双重氢键的N-丙烯基甘氨酰胺单体，然后加入κ-卡拉胶通过紫外光聚合反应制备出高强度的自愈合双网络水凝胶。制备的双网络水凝胶具有优异的力学性能、自愈合性能，并且无细胞毒性，在组织工程和药物释放方面有广阔前景。对双网络水凝胶的力学性能及自愈合性能进行测试，水凝胶拉伸强度和伸长率分别为1.7 MPa和260％，明显高于单网络水凝胶；水凝胶切断后在90℃温度下3h可基本完成愈合过程，愈合后的水凝胶拉伸强度为0.4MPa；最后采用CCK-8 法检测双网络水凝胶的细胞毒性，均无细胞毒性。
附图说明
图1是PNAGA单网络水凝胶、κ-carrageenan单网络水凝胶和 PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶的应力应变曲线图；
图2是不同NAGA含量的PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶的应力应变曲线图。
图3是PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶的自愈合实验(a)图和愈合后水凝胶的拉伸强度(b)曲线图；
图4是PNAGA单网络水凝胶、κ-carrageenan单网络水凝胶和 PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶在24h、48h、72h的细胞存活率。
具体实施方式
本发明首先合成具有双重氢键的N-丙烯基甘氨酰胺单体(NAGA)，然后加入κ-卡拉胶(κ-carrageenan)通过紫外光聚合反应制备出高强度的自愈合双网络水凝胶。制备的双网络水凝胶具有优异的力学性能、自愈合性能，并且无细胞毒性，在组织工程和药物释放方面有广阔前景。
本发明提供的具有高强度和自愈合的双网络水凝胶的制备方法，具体步骤为：
步骤1，将甘氨酰胺盐酸盐和丙烯酰氯混合搅拌反应，再通过洗涤、旋蒸及冷冻干燥进行后处理，最后采用柱层析的方法处理得N-丙烯基甘氨酰胺单体；
步骤2，将N-丙烯基甘氨酰胺单体、κ-卡拉胶、交联剂、光引发剂及氯化钾加入溶剂中，进行紫外光聚合反应制得双网络水凝胶，所述的双网络水凝胶为PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶，所述的交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，所述的光引发剂为2-羟基-4'-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
“光聚合”是指单体分子借光的引发活化成自由基而进行的连锁聚合。本发明的“紫外光聚合”是指N-丙烯基甘氨酰胺单体、κ-卡拉胶在波长为 365nm的紫外灯光照射下迅速发生聚合反应。本发明制备的PNAGA单网络水凝胶、κ-carrageenan单网络水凝胶或PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶的数均分子量为10万～100万。采用的柱层析方法为常规的技术手段。
本发明所用到的药品和仪器相关信息如下：
氯化钾(KCl)，丙烯酰胺(AAm)，N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)， 2-羟基-4'-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮(I 2959，>98％)，购于新加坡西格玛药品公司；甘氨酰胺盐酸盐(Glycinamide hydrochloride，98％)，丙烯酰氯(Acryloyl chloride，98％)，κ-卡拉胶(κ-carrageenan，粉末)，购于上海阿拉丁化学试剂有限公司；
实验用超纯水(18.2MΩ·cm)由Millipore超纯水系统制备；电子分析天平(BS200S)，由美国西特SETRA公司生产；紫外光反应器 (INTELLI-RAY 600)，由深圳市慧烁机电有限公司生产；旋转蒸发仪 (RC900)，由上海凯恩孚科技有限公司生产；循环水真空泵(ZXZ-4)，由浙江黄岩天龙真空泵厂生产；电子万能试验机(UTM 2102)，由深圳三思纵横科技股份有限公司生产；电动搅拌器(欧洲之星P7)，由德国IKA 公司生产；集热式恒温加热磁力搅拌器(DF-101S)，由广州市星烁仪器有限公司生产；傅立叶核磁共振谱仪(AVANCE III400)，由布鲁克核磁共振谱仪公司生产。
本发明的CCK-8法测试水凝胶细胞毒性具体步骤为：通过水凝胶提取液对水凝胶的细胞毒性进行研究，分别取PNAGA单网络水凝胶、κ-carrageenan单网络水凝胶和PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶，每组选取三个浓度梯度1、1/2、1/4。具体操作步骤为：首先，称取10w/v％的PNAGA 单网络水凝胶、κ-carrageenan单网络水凝胶和PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶样品各300mg分别浸泡于3mL1640培养液中温育72h。72h后将浸泡有PNAGA单网络水凝胶、κ-carrageenan单网络水凝胶和 PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶的1640培养液进行过滤用于后续试验，然后将小鼠成纤维L929细胞以每孔10000细胞数逐次接种到三个96孔多板，每个孔加入100μL1640培养液，放置在37℃恒温培养箱培养24h，24h 之后换掉旧培养基并用PBS洗涤细胞3次，再用100μL含有凝胶提取物的新培养基替换，其中新培养基用纯1640培养基与凝胶提取液配制，凝胶提取液浓度分别为1、1/2、1/4(体积分数)。经过24h、48h、72h培养后向每孔加入20μL浓度为5mg/mL的CCK-8溶液。将培养板避光在水平振荡仪在振荡10～15min，用酶联检测仪(Cytation3,BIO-TEK InstrumentsInc., USA)在480nm处测定吸光值，将无水凝胶的裸细胞作为对照组，细胞存活率的计算方式为：样品吸光度/对照组吸光度×100％(每个样品以三个孔重复实验，所得结果取平均值和标准偏差)。
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例与对比例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。因此，在权利要求书及其等同物的范围内，可以通过与以下具体描述不同的方式实施本发明。
实施例1：
遵从上述技术方案，本实施例给出一种自愈合双网络水凝胶、制备方法。包括以下步骤：
步骤1，将37.9g甘氨酰胺盐酸盐(Glycinamide hydrochloride)、201.6mL 的2mol/L Na2CO3溶液、36mL冷去离子水及108mL冷乙醚，放置于冰浴中的锥形瓶中搅拌均匀。于恒压滴液漏斗中称取34.2g丙烯酰氯(Acryloyl chloride)，将144mL乙醚滴入恒压漏斗中，振荡，与丙烯酰氯完全混合，后将恒压滴液漏斗中得到的反应液逐滴滴入锥形瓶中，在冰浴中继续混合搅拌2h，恢复到室温继续搅拌4h。然后，用浓盐酸将反应液的pH调为2，用乙醚洗涤混合物，再用2mol/L NaOH溶液将反应液的pH调为7，用旋转蒸发器除去乙醚，在旋转蒸馏过程中加入微量阻聚剂MEHQ(对羟基苯甲醚)和BHT(2,6-二叔丁基对甲酚)。最后将所得产物在冷冻干燥机中冷冻3天，干燥完成之后用4:1的乙醇/甲醇混合液洗涤白色固体粉末三次，再次使用旋转蒸发器以除去乙醇/甲醇残留物。旋蒸过程中为了使产物更好的分散可加入适量硅胶(旋转蒸发器温度设置为25℃)，采用柱层析的方法处理最终产物N-丙烯基甘氨酰胺单体(NAGA)。
步骤2，将0.5gκ-卡拉胶(κ-carrageenan)粉末溶解于10mL去离子水中，在90℃油浴中搅拌均匀，待其完全溶解后，依次加入2g步骤1制得的 N-丙烯基甘氨酰胺单体(NAGA)、0.2g交联剂，0.04g光引发剂及0.03g KCl 继续在90℃油浴中搅拌2h。交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，光引发剂为2-羟基-4'-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮。将长方体模具放置在 40℃的磁力搅拌器上预热，用移液枪吸取一定量溶液放置于模具中并用载玻片压实，紫外光照(波长为365nm)20min得到NAGA含量为20％的 PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶。
将制得的PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶切成尺寸为35mm×10 mm×2mm的长方体形状，以50mm/min的速度进行拉伸，每组选择三个样品进行测试。测得水凝胶拉伸强度为1.7MPa，断裂伸长率为260％。
实施例2：
与实施例1中方法相同。但与本实施例1中不同的是：称取0.5g κ-carrageenan粉末溶解于10mL去离子水中，在90℃油浴中搅拌均匀。待其完全溶解后，依次加入1g NAGA固体、0.04g光引发剂及0.03g KCl继续在90℃油浴中搅拌2h。其余的步骤一致，得到NAGA含量为10％的 PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶。
采用实施例1中的力学性能测试方法，测得水凝胶拉伸强度为0.7MPa，断裂伸长率为144％。
实施例3：
与实施例1中方法相同。但与本实施例1中不同的是：称取0.5g κ-carrageenan粉末溶解于10mL去离子水中，在90℃油浴中搅拌均匀。待其完全溶解后，依次加入1.5g NAGA固体、0.04g光引发剂及0.03g KCl继续在90℃油浴中搅拌2h。其余的步骤一致。得到NAGA含量为15％的 PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶。
采用实施例1中的力学性能测试方法，测得水凝胶拉伸强度为1.1MPa，断裂伸长率为234％。
实施例4：
与本实施例1中方法相同。但与本实施例1中不同的是：称取0.5g κ-carrageenan粉末溶解于10mL去离子水中，在90℃油浴中搅拌均匀。待其完全溶解后，依次加入2.5gNAGA固体、0.04g光引发剂及0.03g KCl继续在90℃油浴中搅拌2h。其余的步骤一致。得到NAGA含量为25％的 PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶。
采用实施例1中的力学性能测试方法，测得水凝胶拉伸强度为1.3MPa，断裂伸长率为210％。
对比例1：
本对比例制备了PNAGA单网络水凝胶。
首先采用实施例1中方法制备NAGA，然后称取0.4g NAGA固体溶解于2mL去离子水中，溶解后加入0.008g光引发剂后在室温下搅拌均匀，注射到长方体模具中并用载玻片压实，紫外光照20min得到PNAGA单网络水凝胶。采用实施例1中的力学性能测试方法，测得水凝胶拉伸强度为0.5 MPa，断裂伸长率为207％。
对比例2：
本对比例制备了κ-carrageenan单网络水凝胶。
称取0.5gκ-carrageenan粉末溶解于10mL去离子水中，溶解后加入 0.03g KCl后在90℃油浴中混合搅拌均匀，注射到长方体模具中并用载玻片压实，紫外光照20min得到κ-carrageenan单网络水凝胶。采用实施例1中的力学性能测试方法，测得水凝胶拉伸强度为0.3MPa，断裂伸长率为77％。
图1是PNAGA单网络水凝胶、κ-carrageenan单网络水凝胶和 PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶的应力应变曲线图，从图中可以看出 PNAGA(对比例1)和κ-carrageenan(对比例2)单网络水凝胶的应力分别是0.5MPa和0.3MPa，而PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶(实施例1) 的应力高达1.7MPa。原因在于NAGA经过紫外光照后形成第一层聚合物网络PNAGA，κ-carrageenan加入后会形成自身的第二层网络，两层网络通过物理相互作用结合导致网络结构更加紧密，从而使PNAGA/κ-carrageenan 双网络水凝胶的力学强度增加。
图2表示的是不同NAGA含量(NAGA投料量对反应体系中水的质量百分比)的PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶的应力应变曲线图。从图中可以看出NAGA含量为10％(实施例2)，15％(实施例3)，20％(实施例 1)，25％(实施例4)的PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶的拉伸强度均呈先升高再下降的趋势，其中NAGA含量为20％的PNAGA/κ-carrageenan 双网络水凝胶拉伸强度最高，为1.7MPa。
图3(a)为实施例1制得的NAGA含量为20％的PNAGA/κ-carrageenan 双网络水凝胶的自愈合实验；从(a)图可以看出PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶被切断后在90℃温度下3h可基本完成愈合过程，愈合后的长方体水凝胶可承受弯曲，和一定重量的拉伸。图3(b)为自愈合后水凝胶的拉伸强度。从图3 (b)可以看出自愈合后的水凝胶拉伸强度为0.4MPa。PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶之所以可以愈合原因在于双网络结构中的第一层网络NAGA分子中双重氢键发生动态解离和重新缔合的过程，在加热过程中氢键会发生解离，释放出一些供体和受体，然后可以在两片水凝胶断裂的界面处构建出新的氢键，从而使其接触并冷却。
实施例还给出一种的自愈合双网络水凝胶的应用。
图4是含PNAGA单网络水凝胶、κ-carrageenan单网络水凝胶和 PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶在24h(a)、48h(b)、72h(c)的 L929细胞存活率。由图观察到PNAGA单网络水凝胶、κ-carrageenan单网络水凝胶和PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶的细胞存活率都会随着浓度的增大而减小。同时，在同一浓度条件下，PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶的细胞存活率可达95％以上，均大于PNAGA单网络水凝胶和κ-carrageenan单网络水凝胶。说明备出的双网络水凝胶无细胞毒性可应用在组织工程和药物释放等方面。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种自愈合双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的自愈合双网络水凝胶的制备方法包括：将N-丙烯基甘氨酰胺单体、κ-卡拉胶、交联剂、光引发剂及氯化钾加入溶剂中，进行紫外光聚合反应制得双网络水凝胶，所述的双网络水凝胶为PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶；
具体包括以下步骤：
步骤1：将甘氨酰胺盐酸盐和丙烯酰氯混合搅拌反应，再通过洗涤、旋蒸及冷冻干燥进行后处理，最后采用柱层析的方法处理得N-丙烯基甘氨酰胺单体；
步骤2：将N-丙烯基甘氨酰胺单体、κ-卡拉胶、交联剂、光引发剂及氯化钾加入溶剂中，进行紫外光聚合反应制得双网络水凝胶，所述的双网络水凝胶为PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶，所述的交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，所述的光引发剂为2-羟基-4'-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮；所述的N-丙烯基甘氨酰胺单体与κ-卡拉胶的质量比为(2～5)：1；所述的交联剂用量为0.2g，所述的光引发剂质量为0.04g；所述的溶剂为去离子水，所述的N-丙烯基甘氨酰胺单体与溶剂的质量百分比为10％～25％。
2.如权利要求1所述的自愈合双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，具体包括：
步骤1：将37.9g甘氨酰胺盐酸盐和34.2g丙烯酰氯混合搅拌反应，再通过洗涤、旋蒸及冷冻干燥进行后处理，最后采用柱层析的方法处理得N-丙烯基甘氨酰胺单体；
步骤2：将2gN-丙烯基甘氨酰胺单体、0.5gκ-卡拉胶、0.2gN,N'-亚甲基双丙烯酰胺、0.04g 2-羟基-4'-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮及0.03g氯化钾加入10mL去离子水中，进行紫外光聚合反应制得PNAGA/κ-carrageenan双网络水凝胶。
3.一种自愈合双网络水凝胶，其特征在于，所述的自愈合双网络水凝胶采用如上权利要求1至2任一权利要求所述的自愈合双网络水凝胶的制备方法制得。
4.如权利要求3所述的自愈合双网络水凝胶，其特征在于，所述的自愈合双网络水凝胶的拉伸强度为1.7MPa，断裂伸长率为260％。
5.权利要求3所述的自愈合双网络水凝胶用于无细胞毒性的组织工程中的应用。
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