CN112812263A - 一种自愈合水凝胶的制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本公开属于高分子材料制备技术领域，具体提供一种自愈合水凝胶的制备方法与应用。自愈合水凝胶的制备方法包括如下步骤：将聚乙二醇与二异氰酸酯按一定的比例混合，在催化剂作用下反应，反应完成后加入含二硫键的四羟基化合物，进行交联反应，再经去离子水浸泡，既得。解决现有技术中自愈合聚氨酯水凝胶力学性能较差，自修复时间太长，修复条件在日常生活中相对难以实现，导致目前实用性较差的问题。

Description

一种自愈合水凝胶的制备方法与应用
技术领域
本公开属于高分子材料制备技术领域，具体提供一种自愈合水凝胶的制备方法与应用。
背景技术
这里的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然构成现有技术。
水凝胶是一类高分子材料，其拥有三维网状结构，可以吸收大量水分使自身溶胀，表现出优良的亲水特性，且溶解在水中能保持原有的结构不变。当水凝胶进入人体等生物体，与体液、血液及人体组织接触的时候，在其表面粘附少量的细胞与蛋白质，会显现出来较好的生物相容性。同时，水凝胶含有大量水，柔软且类似于生物组织，所以作为人体的植入物时可减少很多的不良反应。
聚氨酯的结构可控，力学性能优异，生物相容性较好。因此，由聚氨酯合成的聚氨酯水凝胶材料兼具两者的优点，其含水量高且柔软，表面润湿，具有良好的生物相容性和优良的力学性能。作为应用广泛的高分子材料，聚氨酯水凝胶在外界条件影响下受到损伤后，可能使其使用寿命和安全性大大下降。因此，赋予聚氨酯水凝胶自愈合特性，使其自动修复损伤部位，就显得尤为重要。
自愈合水凝胶的概念源自生物学中自愈合能力，构成生物体的材料是一个伴随着生物进化而逐步优化的功能系统，其中最突出的特征之一是受到了外界造成的损伤后具有自愈合能力。目前，大多数自愈合材料的可逆交联作用都是基于可逆共价键的形成-断裂机制或可逆非共价相互作用，其中，动态共价键更具稳定性，且可对外界破坏造成的损伤进行自我修复，能自我调节以适应环境变化。
现有技术中公开了一种具有自愈合特性有机硅聚乙二醇水凝胶材料及其制备方法，该法通过将端氨基聚乙二醇、氨基硅油和N,N'-羰基二咪唑、N,N'-硫羰基二咪唑反应，制备含脲基团和/或含硫脲基团的有机硅/聚乙二醇水凝胶材料，赋予水凝胶材料具有较好的自修复功能。但发明人发现该方法制备的水凝胶力学性能较差，无法满足材料的进一步开发利用。
现有技术中还公开了一种近红外光引发的自愈合聚乙烯醇-二硫化钼复合水凝胶及其制备方法和测试方法，该法提供了一种利用红外光制备水凝胶的方法，但发明人发现，由于其利用非共价相互作用来实现自愈性，其力学性能相对较差。
现有技术中还公开了一种自愈合水凝胶的制备方法，该法提供了一种操作简单、条件易于控制的水凝胶的制备方法，但发明人发现，由于其自愈合时间较长，应用受到限制。
综上所述，发明人发现，以前的自愈合聚氨酯水凝胶力学性能较差，自修复时间太长，修复条件在日常生活中相对难以实现，所以目前实用性较差。因此制备力学性能优良，自愈合时间短、条件温和的自愈合聚氨酯水凝胶具有重大的应用价值。
发明内容
针对现有技术中自愈合聚氨酯水凝胶力学性能较差，自修复时间太长，修复条件在日常生活中相对难以实现，导致目前实用性较差的问题。
本公开一个或一些实施方式中，提供一种自愈合水凝胶G的制备方法，包括如下步骤：将聚乙二醇与二异氰酸酯按一定的比例混合，在催化剂作用下反应，反应完成后加入含二硫键的四羟基化合物，进行交联反应，再经去离子水浸泡，既得。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述自愈合水凝胶的制备方法制得的自愈合水凝胶在制备干凝胶中的应用。
本公开一个或一些实施方式中，提供一种干凝胶的制备方法，包括如下步骤：将上述自愈合水凝胶的制备方法制得的自愈合水凝胶冷冻干燥至恒重。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述干凝胶的制备方法制得的干凝胶在制备载药凝胶中的应用。
本公开一个或一些实施方式中，提供一种载药凝胶的制备方法，所述方法包括：将上述干凝胶浸泡于已溶有药物有效成分的去离子水中，既得。
本公开一个或一些实施方式中，提供一种药物，包括上述载药凝胶的制备方法制得的载药凝胶以及药物，药物成分为抗菌剂、消炎止痛药物或促进创面愈合药物的有效成分。
上述技术方案中的一个或一些技术方案具有如下优点或有益效果：
1)本公开自愈合聚氨酯水凝胶的制备方法，原料易得，条件可控，方法简单，设备易操作。
2)本公开提供的聚氨酯水凝胶主要以聚乙二醇链段和二异氰酸酯链段为原料，均具有优异的力学性能和良好的生物相容性，可应用于生物医用领域。
3)本公开提供的聚氨酯水凝胶含有二硫键，是一种动态可逆化学键，赋予水凝胶自愈合性能，可延长水凝胶使用寿命，同时，这种自愈合性能是“自主”的，材料不需要外界环境刺激即可自愈合。
4)本发明制备的聚氨酯水凝胶的硬段为具有有序链段的三嵌段化合物，其氨基甲酸酯基能形成致密的H键使凝胶分子链间交联网络结构更加紧密，并提供了额外的能量耗散机制，且合成的水凝胶的分子网络大小统一，三维网络结构稳定，使其具有优异的机械性能，其断裂强度可达3.81-4.20MPa，且具有良好的自愈合性能，重复多次后，其自愈合效率可达89-99％。
附图说明
构成本公开一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为实施例中含二硫键的四羟基化合物制备工艺图。
图2为实施例5中水凝胶G1的自愈合效率与时间的关系图。
图3为实施例5中水凝胶G1的自愈合效率与次数的关系图。
具体实施方式
下面将对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本公开的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本公开的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
针对现有技术中自愈合聚氨酯水凝胶力学性能较差，自修复时间太长，修复条件在日常生活中相对难以实现，导致目前实用性较差的问题。
本公开将含二硫键的四羟基化合物记为A，二异氰酸酯化合物记为B。
本公开使用的含二硫键的四羟基化合物A的制备方法为：将1-硫代甘油溶于一定量二甲基亚砜(DMSO)，90℃搅拌12h，10倍冰乙醚(～5℃)沉降，抽滤，室温真空干燥至恒重，得含有二硫键的四羟基化合物A，产率95～99％。优选的硫代甘油在DMSO中的总浓度为0.3～0.7g/mL。反应式如图1所示。
本公开中使用的二异氰酸酯化合物B(R1:-(CH2)6-、R2:-(CH2)4-)按照参考文献制备(Liu X,Xia Y,Liu L,et al.Synthesis of a novel biomedical poly(esterurethane)based on aliphatic uniform-size diisocyanate and the bloodcompatibility of PEG-grafted surfaces[J].Journal of biomaterialsapplications,2018,32(10):1329-1342.)。其余类型化学物B也都按此方法进行制备。
本公开一个或一些实施方式中，提供一种自愈合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：将聚乙二醇与二异氰酸酯按一定的比例混合，在催化剂作用下反应，反应完成后加入含二硫键的四羟基化合物，进行交联反应，再经去离子水浸泡，既得。
优选的，所述二异氰酸酯相对聚乙二醇过量；
或，交联反应在室温下进行，
优选的，交联反应包括如下步骤：将原料搅拌均匀后减压去除溶解的气体，先室温下静置反应，然后进行固化；
进一步优选的，静置反应时间为0.5-1h；
进一步优选的，固化温度为35-45℃，固化时间为24-48h；
进一步优选的，室温下加入含二硫键的四羟基化合物的N,N-二甲基甲酰胺溶(DMF)；
或，所述浸泡过程包括如下步骤：将聚氨酯凝胶浸泡在去离子水中，每隔一段时间换水，
优选的，所述浸泡时间为6-10天，进一步优选为7天，每10-12h换一次水。
优选的，所述聚乙二醇分子量在4000-40000g/mol；
或，二异氰酸酯为含有有序链段的化合物，其化学结构式如下：
Figure BDA0002885927720000041
优选的，R1选自C2-C10的直链或支链烷基，取代或未取代环烷基中的一种，R2选自C2-C6的直链或支链烷基，取代或未取代环烷基中的一种；
进一步优选的，R1选自-(CH2)6-、
Figure BDA0002885927720000042
中的一种，R2选自-(CH2)2-、-(CH2)4-、-(CH2)6-中的一种。
优选的，所述催化剂为锡类催化剂，优选为辛酸亚锡和二月桂酸二异丁基锡；
优选的，催化剂的加入量为反应原料总质量的0.1-1％；
优选的，聚乙二醇与二异氰酸酯的反应温度为60-90℃，反应时间为1-3h；
优选的，聚乙二醇与二异氰酸酯的摩尔比为1:1.2-1:2；
优选的，聚乙二醇与二异氰酸酯的反应终点为二正丁胺法测定-NCO含量达到理论值。
优选的，A的结构式如下：
Figure BDA0002885927720000051
优选的，加入含二硫键的四羟基化合物的量为二异氰酸酯摩尔量减去聚乙二醇摩尔量的一半；
优选的，含二硫键的四羟基化合物A的DMF溶液质量浓度为0.3-10％；
优选的，最终得到的自愈合凝胶的固含量为5-25％。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述自愈合水凝胶的制备方法制得的自愈合水凝胶在制备干凝胶中的应用。
本公开一个或一些实施方式中，提供一种干凝胶的制备方法，包括如下步骤：将上述自愈合水凝胶的制备方法制得的自愈合水凝胶冷冻干燥至恒重。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述干凝胶的制备方法制得的干凝胶在制备载药凝胶中的应用。
本公开一个或一些实施方式中，提供一种载药凝胶的制备方法，所述方法包括：将上述干凝胶浸泡于已溶有药物有效成分的去离子水中，既得；
优选的，所述浸泡时间为10-15h，优选为12h。
本公开一个或一些实施方式中，提供一种药物，包括上述载药凝胶的制备方法制得的载药凝胶以及药物，药物成分为抗菌剂、消炎止痛药物或促进创面愈合药物的有效成分，
优选的，所述药物在水中的浓度为0.001～3mg/mL；
优选的，药物成分为头孢布烯、红霉素、吲哚美辛、艾瑞昔布。
实施例1
本实施例提供一种自愈合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)20g真空脱水后的聚乙二醇(分子量为8000)、2.13g化合物B1(R1:-(CH2)6-、R2:-(CH2)4-)和0.05g二月桂酸二异丁基锡在75℃下反应，至用二正丁胺滴定法测定体系中-NCO含量达到理论值，反应时间约1.5h，随后降至室温。将0.27g化合物A溶于40mL DMF，再将其加入反应瓶中，搅拌均匀后减压去除溶解的气体，缓慢倒入聚四氟乙烯模具中静置反应1h，40℃固化36h，待反应结束后，得到聚氨酯凝胶。
(2)将自愈合聚氨酯凝胶在去离子水中浸泡7天，每12h换一次水，得自愈合聚氨酯水凝胶G1。
实施例2
本实施例提供一种自愈合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)20g真空脱水后的聚乙二醇(分子量为20000)、0.85g化合物B1(R1:-(CH2)6-、R2:-(CH2)4-)和0.1g辛酸亚锡在80℃下反应，至用二正丁胺滴定法测定体系中-NCO含量达到理论值，反应时间约1h，随后降至室温。将0.11g化合物A溶于30mL DMF，再将其加入反应瓶中，搅拌均匀后减压去除溶解的气体，缓慢倒入聚四氟乙烯模具中静置反应1h，40℃固化30h，待反应结束后，得到自愈合聚氨酯凝胶。
(2)将自愈合聚氨酯凝胶在去离子水中浸泡7天，每12h换一次水，得自愈合聚氨酯水凝胶G2。
实施例3
本实施例提供一种自愈合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)20g真空脱水后的聚乙二醇(分子量为8000)、1.92g化合物B1(R1:-(CH2)6-、R2:-(CH2)4-)和0.1g二月桂酸二异丁基锡在75℃下反应，至用二正丁胺滴定法测定体系中-NCO含量达到理论值，反应时间约1.5h，随后降至室温。将0.22g化合物A溶于35mL DMF，再将其加入反应瓶中，搅拌均匀后减压去除溶解的气体，缓慢倒入聚四氟乙烯模具中静置反应0.5h，35℃固化48h，待反应结束后，得到自愈合聚氨酯凝胶。
(2)将自愈合聚氨酯凝胶在去离子水中浸泡7天，每12h换一次水，得自愈合聚氨酯水凝胶G3。
实施例4
本实施例提供一种自愈合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)20g真空脱水后的聚乙二醇(分子量为8000)、1.71g化合物B1(R1:-(CH2)6-、R2:-(CH2)4-)和0.1g二月桂酸二异丁基锡在70℃下恒温反应，至用二正丁胺滴定法测定体系中-NCO含量达到理论值，反应时间约1.5h，随后降至室温。将0.16g化合物A分别溶于25mL、35mL、55mLDMF，再将其加入反应瓶中，搅拌均匀后减压去除溶解的气体，缓慢倒入聚四氟乙烯模具中静置反应1h，40℃固化36h，待反应结束后，得到自愈合聚氨酯凝胶。
(2)将自愈合聚氨酯凝胶在去离子水中浸泡7天，每12h换一次水，得自愈合聚氨酯水凝胶G4-1、G4-2、G4-3。
实施例5
本实施例提供一种自愈合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)20g真空脱水后的聚乙二醇(分子量为8000)、1.59g化合物B2(R1:-(CH2)6-、R2:-(CH2)6-)和0.05g辛酸亚锡在80℃下恒温反应，至用二正丁胺滴定法测定体系中-NCO含量达到理论值，反应时间约1h，随后降至室温。将0.11g化合物A溶于35mL DMF，再将其加入反应瓶中，搅拌均匀后静置反应1h再将其加入反应瓶中，搅拌均匀后减压去除溶解的气体，缓慢倒入聚四氟乙烯模具中静置反应0.5h，45℃固化30h，待反应结束后，得到自愈合聚氨酯凝胶。
(2)将自愈合聚氨酯凝胶在去离子水中浸泡7天，每12h换一次水，得自愈合聚氨酯水凝胶G5。
实施例6
本实施例提供实施例1-5所述自修复水凝胶性能测试方法。
分析与说明：以下分析方法用于所有实施例，除非另外说明。
1)对溶胀性能的测试：
将制备好的水凝胶G1-G5分别冷冻干燥，得到干凝胶X1-X5。采用称重法测试不同干凝胶在室温下的溶胀性能。测试方法包括如下步骤：将规格为直径10mm，厚度3-5mm的自愈合聚氨酯干凝胶圆柱体Wo浸泡于去离子水中，每隔一定时间取出样品，用滤纸擦去样品表面的水进行称重，直至恒重，记录为Wn。溶胀率计算方法如下：溶胀率(％)＝(Wn-Wo)/Wo×100。式中Wo为溶胀前干凝胶的质量(g)，Wn为溶胀后水凝胶的质量(g)。
测试结果如表1所示：
表1
Figure BDA0002885927720000081
从表1中可以看出水凝胶去离子水中溶胀性能显著，溶胀率最高可达到1800％。
2)对机械性能、自愈合性能的测试：
自愈合效率测试通过下述方法进行：将规格为直径20mm，厚度3-5mm的自愈合聚氨酯水凝胶圆柱体切开成为两部分，在室温下将两部分水凝胶断裂面接触放置，使其愈合，其中愈合时间为0.5-3h。对愈合后的聚氨酯水凝胶进行机械性能拉伸测试，计算得到愈合效率。愈合效率计算方法如下：愈合效率(％)＝水凝胶愈合后断裂强度/水凝胶断裂强度×100。
将处于相同外界环境下的n份水凝胶G1分别在不同的时间下测试其自愈合后机械性能，并计算其自愈合效率，结果如图2所示。从图2中可以看出随着自愈合时间的增长，水凝胶G1自愈合效率逐渐提高，最终自愈合效率达到99％。
为了比较不同条件下生成水凝胶的机械性能，利用拉伸测试来表征聚氨酯水凝胶G初始及第一次自愈合(自愈合时间为2h)后的机械性能，并计算其自愈合效率，测试结果如表2所示：
表2：不同条件下水凝胶的拉伸强度测试结果及自愈合效率
表2
Figure BDA0002885927720000082
Figure BDA0002885927720000091
从表2中可以看出所制备的聚氨酯水凝胶具有良好的力学性能，且自愈合效率都较好。
将水凝胶G1反复进行自愈合实验，并测试其力学性能，计算其自愈合效率，结果如图3所示。从图3中可以看出随着自愈合次数的增加，水凝胶自愈合性能逐渐下降，但多次自愈合后的水凝胶仍具有良好的自愈合性能。
以上所揭露的仅为本公开的优选实施例而已，当然不能以此来限定本公开之权利范围，因此依本公开申请专利范围所作的等同变化，仍属本公开所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将聚乙二醇与二异氰酸酯按一定的比例混合，在催化剂作用下反应，反应完成后加入含二硫键的四羟基化合物，进行交联反应，再经去离子水浸泡，既得。
2.如权利要求1所述的自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述二异氰酸酯相对聚乙二醇过量；
或，交联反应在室温下进行，
优选的，交联反应包括如下步骤：将原料搅拌均匀后减压去除溶解的气体，先室温下静置反应，然后进行固化；
进一步优选的，静置反应时间为0.5-1h；
进一步优选的，固化温度为35-45℃，固化时间为24-48h；
进一步优选的，室温下加入含二硫键的四羟基化合物的N,N-二甲基甲酰胺溶液；
或，所述浸泡过程包括如下步骤：将聚氨酯凝胶在去离子水中，每隔一段时间换水，
优选的，所述浸泡时间为6-10天，进一步优选为7天，每10-12h换一次水。
3.如权利要求1所述的自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述聚乙二醇分子量在4000-40000g/mol；
或，二异氰酸酯为含有有序链段的化合物，其化学结构式如下：
Figure FDA0002885927710000011
优选的，R1选自C2-C10的直链或支链烷基，取代或未取代环烷基中的一种，R2选自C2-C6的直链或支链烷基，取代或未取代环烷基中的一种；
进一步优选的，R1选自-(CH2)6-、
Figure FDA0002885927710000012
中的一种，R2选自-(CH2)2-、-(CH2)4-、-(CH2)6-中的一种。
4.如权利要求1所述的自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于，
所述催化剂为锡类催化剂，优选为辛酸亚锡和二月桂酸二异丁基锡，
优选的，催化剂的加入量为反应原料总质量的0.1-1％；
优选的，聚乙二醇与二异氰酸酯的反应温度为60-90℃，反应时间为1-3h；
优选的，聚乙二醇与二异氰酸酯的摩尔比为1:1.2-1:2；
优选的，聚乙二醇与二异氰酸酯的反应终点为二正丁胺法测定-NCO含量达到理论值。
5.如权利要求1所述的自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于，含二硫键的四羟基化合物的结构式如下：
Figure FDA0002885927710000021
优选的，加入含二硫键的四羟基化合物的量为二异氰酸酯的摩尔量减去聚乙二醇的摩尔量；
优选的，含二硫键的四羟基化合物的DMF溶液质量浓度为0.3-10％；
优选的，最终得到的自愈合凝胶的固含量为5-25％。
6.权利要求1-5任一项所述的自愈合水凝胶的制备方法制得的自愈合水凝胶在制备干凝胶中的应用。
7.一种干凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将权利要求1-5任一项所述的自愈合水凝胶的制备方法制得的自愈合水凝胶冷冻干燥至恒重。
8.权利要求7所述的干凝胶的制备方法制得的干凝胶在制备载药凝胶中的应用。
9.一种载药凝胶的制备方法，其特征在于，所述方法包括：将权利要求7所述的干凝胶浸泡于已溶有药物有效成分的去离子水中，既得；
优选的，所述浸泡时间为10-15h，优选为12h。
10.一种药物，其特征在于，包括权利要求9所述的载药凝胶的制备方法制得的载药凝胶以及药物，药物成分为抗菌剂、消炎止痛药物或促进创面愈合药物的有效成分，
优选的，所述药物在水中的浓度为0.001～3mg/mL；
优选的，药物成分为头孢布烯、红霉素、吲哚美辛、艾瑞昔布。
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