CN110818833A - 一种弹性水凝胶内部定向有序孔道的构筑方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种弹性水凝胶内部定向有序孔道的构筑方法。该方法包括：将交联剂和引发剂加入到丙烯酰胺与丙烯酸混合溶液中，得到凝胶预聚溶液；在模具中固定拉伸取向的热塑性聚氨酯(TPU)纤维，将凝胶预聚溶液倒入模具中，通过真空辅助包埋TPU纤维，然后紫外光固化，再溶去纤维。该方法制备过程简单高效，制备成本低，得到的水凝胶具有良好的机械强度，孔道排列规整，可用于组织工程、物质传输和生物传感等领域，具有较为广泛的应用价值和发展前景。

Description

一种弹性水凝胶内部定向有序孔道的构筑方法
技术领域
本发明属于水凝胶制备领域，特别涉及一种弹性水凝胶内部定向有序孔道的构筑方法。
背景技术
水凝胶是一种能在水中溶胀并保持大量水分而不溶解的亲水性高分子聚合物，具有三维的网络结构。生物软组织本质上也是一种具有特殊功能的水凝胶，这些功能性体现在其内部具有许多有序的孔道结构可用于快速物质传输。因而，在人工合成的水凝胶里构筑有序孔道，可部分模拟生物软组织的一些特殊功能，充当物质传输的载体。
凝胶本征上即具有分子链间的无序纳米级微孔道，可以通过调整单体和交联剂的比例，来调节孔径大小及力学和溶胀等性能，但这种孔道通常小于5nm，难以输运尺寸较大的物质。利用模板法可向水凝胶中引入几十到几百微米的有序大尺度孔道，目前已有不少相关报道。例如，《先进材料》(Adv.Mater.,2017,29,1700339)曾报道可通过定向冷冻得到的冰晶作为模板，将二氧化硅纳米纤维与海藻酸钙组合，制备蜂窝状的纳米纤维水凝胶；《软物质》(Soft Matter.,2012,8,3620-3626)报道将定向冷冻与低温聚合技术相结合，以定向排列的冰晶作为模板，熔融后在水凝胶中形成取向排列的多孔结构；《软物质》(SoftMatter,2012,8,2087-2094)报道将六方相溶致液晶作为可洗除模板，在聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)水凝胶基体内形成取向的孔结构；《材料化学》(Chem.Mater.,2013,25,4551-4556)报道利用冰晶模板自组装和紫外光引发低温聚合制备了一种具有取向大孔结构的热响应复合水凝胶。然而，上述这些方法使用的模板形状及取向程度均较难以控制，所制得的水凝胶孔道尺寸也不均一，难以充当物质输运的良好载体。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种弹性水凝胶内部定向有序孔道的构筑方法，以克服现有技术中水凝胶孔道取向程度难以控制以及孔道尺寸不均一的缺陷。
本发明提供一种弹性水凝胶内部定向有序孔道的构筑方法，包括：
(1)将丙烯酰胺、丙烯酸与去离子水混合得到混合溶液，加入交联剂和引发剂，得到凝胶预聚溶液，其中，丙烯酸为丙烯酰胺的0-10mol％，混合溶液中丙烯酰胺的浓度为3-5mol·L-1，交联剂为丙烯酰胺的0.01-0.08mol％，引发剂为丙烯酰胺的0.05～0.12mol％；
(2)在模具中固定拉伸取向的TPU纤维，将步骤(1)中凝胶预聚溶液倒入模具中，通过真空辅助包埋TPU纤维，然后紫外光固化，再溶去纤维，得到具有内部定向有序孔道的弹性水凝胶。
所述步骤(1)中交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺；引发剂为α-酮戊二酸。
所述步骤(2)中TPU纤维的制备方法包括：将TPU纺丝液进行静电纺丝，即得，其中，TPU纺丝液的质量百分浓度为15-25wt％，溶剂为质量比为4:6的N,N二甲基甲酰胺和四氢呋喃，静电纺丝的工艺参数为：电压为12-18kV，纺丝速率为0.2-0.8mL/h，滚筒转速为500-1400rpm。
所述步骤(2)中TPU纤维的拉伸倍数为2倍。
所述步骤(2)中紫外光固化时间为25～35min。
所述步骤(2)中溶去纤维的方法为：将紫外光固化后的材料置于55～65℃的二甲基亚砜溶液中，搅拌9～11h去除TPU纤维。
本发明还提供一种上述方法制备得到的具有内部定向有序孔道的弹性水凝胶。
本发明还提供一种上述方法制备得到的具有内部定向有序孔道的弹性水凝胶的应用。
本发明以预拉伸的静电纺热塑性聚氨酯(TPU)纤维为孔道模板，在弹性水凝胶基体中形成具有良好取向、大小均一的孔道结构。
本发明可通过共聚不同含量的丙烯酸单体进行调整水凝胶的电荷密度。
有益效果
本发明备过程简单高效，制备成本低，制备得到的水凝胶具有良好的力学强度，孔道排列规整，有望用于组织工程、物质传输和生物传感等领域，具有较为广泛的应用价值和发展前景。
附图说明
图1为实施例1中具有内部定向有序孔道的弹性水凝胶的激光共聚焦显微镜照片；
图2为实施例1中TPU纤维拉伸前后的扫描电镜照片，其中，(a)为未拉伸的TPU纤维，(b)为拉伸2倍的TPU纤维；
图3为实施例1中具有内部定向有序孔道的弹性水凝胶和无孔道水凝胶的可拉伸变化图；
图4为实施例1、实施例2、实施例3和实施例4中水凝胶的丙烯酸含量与电荷密度关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
热塑性聚氨酯(购于美国路博润公司，货号为2363-80AE)；N,N二甲基甲酰胺(购于西格玛公司，货号为227056)；四氢呋喃(购于西格玛公司，货号为401757)；丙烯酰胺单体(购于梯希爱公司，货号为A0139)；丙烯酸单体(购于梯希爱公司，货号为A0141)；α-酮戊二酸(购于北京伊诺凯公司，货号为A0376254)；N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(购于西格玛公司，货号为146072)；二甲基亚砜(购于西格玛公司，货号为276855)。
实施例1
将5g的TPU颗粒加入到7.1mL DMF与11.3mL THF的混合溶液中，在60℃下搅拌8h，成为流动性较好的纺丝液(纺丝液浓度为23wt％)。该纺丝液在15kV的电压下进行纺丝，纺丝速率为0.5mL/h，滚筒转速为800rpm，得到静电纺丝TPU纤维膜，该纤维膜拉伸2倍，TPU纤维膜拉伸前后的扫描电镜图如图2所示，可知，未拉伸的纤维平均直径为1.26μm，拉伸2倍的纤维取向方向上纤维平均直径为0.873μm。
使用3M集团生产的100μm硅胶垫切割出两块6cm×2cm的矩形槽，将一块矩形槽贴在光滑的玻璃板上，将拉伸2倍TPU纤维膜贴于矩形槽上方，之后将另一块矩形槽对齐后覆盖于TPU纤维膜上。然后将纤维膜用氧等离子体(SIMENS Plasma)处理2分钟。将20g的丙烯酰胺单体和0.20g丙烯酸单体溶于70.3ml去离子水中(丙烯酰胺和丙烯酸的摩尔比为100:1)，再向溶液中加入4.3mg交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺和41.1mg引发剂α-酮戊二酸，得到凝胶预聚溶液。将处理的TPU纤维膜放在装有凝胶预聚溶液的烧杯中，再将烧杯放在真空干燥器中脱气10分钟，随后将烧杯取出，此过程重复三次。然后，将硅胶板另一侧用玻璃板密封，紫外光固化30min后得到TPU纤维和水凝胶的复合材料，去除一侧的玻璃片后，将该复合材料在空气中干燥24h，使水凝胶完全硬化。然后，将其放置于60℃的二甲基亚砜溶剂中，搅拌10h去除TPU纤维，再将水凝胶从二甲基亚砜溶剂中取出后，用去离子水洗涤2天，每隔6h换一次水，得到具有内部定向有序孔道的水凝胶。该水凝胶的激光共聚焦显微照片如图1所示，可知，该水凝胶基体中形成取向良好、大小均一的孔道结构，取向方向上孔道直径约为1μm。
无孔道水凝胶的制备：将20g的丙烯酰胺单体和0.20g丙烯酸单体溶于70.3ml去离子水中(丙烯酰胺和丙烯酸的摩尔比为100:1)，再向溶液中加入4.3mg交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺和41mg引发剂α-酮戊二酸，得到凝胶预聚溶液。紫外光固化30min，得到无孔道水凝胶。
图3表明具有定向孔道的水凝胶具有良好的拉伸性能，平行于孔道方向(拉伸强度为126kPa，模量为54kPa)和垂直于孔道方向(拉伸强度为77kPa，模量为28kPa)的拉伸性能均明显高于无孔道的水凝胶(拉伸强度为33kPa，模量为18kPa)，并且在水凝胶基体内引入孔道结构基本没有影响水凝胶的拉伸应变量。
实施例2
根据实施例1，将丙烯酸单体质量改为0.41g(丙烯酰胺和丙烯酸的摩尔比为100:2)，其余均与实施例1相同，得到具有内部定向有序孔道的水凝胶。该水凝胶的孔道结构与实例1相同，力学性能与实例1相似。
实施例3
根据实施例1，将丙烯酸单体质量改为0.10g(丙烯酰胺和丙烯酸的摩尔比为200:1)，其余均与实施例1相同，得到具有内部定向有序孔道的水凝胶。该水凝胶的孔道结构与实例1相同，力学性能与实例1相似。
实施例4
根据实施例1，不添加丙烯酸单体，其余均与实施例1相同，得到具有内部定向有序孔道的水凝胶。该水凝胶的孔道结构与实例1相同，力学性能与实例1相似。
图4表明可以通过简单调整丙烯酸的含量来调节水凝胶的表面电荷密度。
实施例5
根据实施例1，将引发剂α-酮戊二酸质量改为20.6mg，其余均与实施例1相同，得到具有内部定向有序孔道的水凝胶。该水凝胶的孔道结构与实例1相同，力学性能与实例1相似。
实施例6
根据实施例1，将纺丝的电压改为18kV，其余均与实施例1相同，得到具有内部定向有序孔道的水凝胶。该水凝胶的孔道结构与实例1相同，力学性能与实例1相似。
实施例7
根据实施例1，将纺丝的速率改为0.8mL/h，其余均与实施例1相同，得到具有内部定向有序孔道的水凝胶。该水凝胶的孔道结构与实例1相同，力学性能与实例1相似。
实施例8
根据实施例1，将TPU颗粒质量改为4g，其余均与实施例1相同，得到具有内部定向有序孔道的水凝胶。该水凝胶的孔道结构与实例1相同，力学性能与实例1相似。

Claims (8)

1.一种弹性水凝胶内部定向有序孔道的构筑方法，包括：
(1)将丙烯酰胺、丙烯酸与去离子水混合得到混合溶液，加入交联剂和引发剂，得到凝胶预聚溶液。其中，丙烯酸为丙烯酰胺的0-10mol％，混合溶液中丙烯酰胺的浓度为3-5mol·L-1，交联剂为丙烯酰胺的0.01-0.08mol％，引发剂为丙烯酰胺的0.05～0.12mol％；
(2)在模具中固定拉伸取向的TPU纤维，将步骤(1)中凝胶预聚溶液倒入模具中，通过真空辅助包埋TPU纤维，然后紫外光固化，再溶去纤维，得到具有内部定向有序孔道的弹性水凝胶。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(1)中交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺；引发剂为α-酮戊二酸。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中TPU纤维的制备方法包括：将TPU纺丝液进行静电纺丝，即得，其中，TPU纺丝液的质量百分浓度为15-25wt％，溶剂为质量比为4:6的N,N二甲基甲酰胺和四氢呋喃，静电纺丝的工艺参数为：电压为12-18kV，纺丝速率为0.2-0.8mL/h，滚筒转速为500-1400rpm。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中TPU纤维的拉伸倍数为2倍。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中紫外光固化时间为25～35min。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中溶去纤维的方法为：将紫外光固化后的材料置于55～65℃的二甲基亚砜溶液中，搅拌9～11h。
7.一种如权利要求1所述方法制备得到的具有内部定向有序孔道的弹性水凝胶。
8.一种如权利要求1所述方法制备得到的具有内部定向有序孔道的弹性水凝胶的应用。
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