CN114426683A

CN114426683A - 一种高强度矿化水凝胶的制备方法

Info

Publication number: CN114426683A
Application number: CN202210153978.6A
Authority: CN
Inventors: 王旭; 陈思; 张鑫; 吴江杰; 马猛; 施燕琴; 何荟文
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2022-02-20
Filing date: 2022-02-20
Publication date: 2022-05-03
Anticipated expiration: 2042-02-20
Also published as: CN114426683B

Abstract

本发明公开了一种高强度矿化水凝胶的制备方法，包括以下步骤：1）乳酸钙热饱和溶液的制备：向反应器中加入碳酸钙和去离子水，逐滴缓慢滴入乳酸溶液并搅拌至无气泡产生后，对所得混合溶液进行水浴加热使得混合溶液澄清透明后即得乳酸钙热饱和溶液；2）水凝胶的制备：向所得乳酸钙热饱和溶液中加入凝胶因子，搅拌至凝胶因子均匀分散，得到水凝胶溶液；其中所述凝胶因子为富含羟基和/或羧基类亲水基团的生物质原料；3）静置矿化：将所得水凝胶溶液在室温下静置，使水凝胶强度得到提高，即得高强度矿化水凝胶产物。本发明的制备方法得到了一种矿化程度均一的矿化水凝胶，并且该水凝胶具有可塑性，可满足实际应用中按需设计形状的要求。

Description

一种高强度矿化水凝胶的制备方法

技术领域

本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种高强度矿化水凝胶的制备方法。

背景技术

水凝胶作为一种综合性能突出的物质，非常适合于人体组织工程的应用，但一般的水凝胶普遍机械强度较弱，对此已有一系列高强水凝胶，如双网络水凝胶、化学/离子交联凝胶、有机/无机杂化水凝胶等被开发用以提高水凝胶的力学性能，其中矿化水凝胶通过在基体中引入钙磷化合物、碳酸钙等富含钙离子的无机物，使得制备的水凝胶在不丢失优异机械性能的同时又兼备骨分化能力，大大提升了水凝胶在骨组织工程方面潜在的应用价值。

矿化水凝胶的形成要求矿化源先在凝胶的内部形成成核位点，再通过诸如扩散等方式引入离子，离子在成核位点处逐渐聚集成核长大并生长成无机粒子。目前矿化水凝胶的制备包括浸泡法和原位矿化法等。如中国专利（CN107778416A）通过浸泡法将制备得到的丙烯腈/乙烯基咪唑水凝胶先浸入氯化钙和磷酸二氢钠混合溶液中，在钙离子和磷酸根离子扩散进入凝胶中，然后通过氨水升高pH使之沉淀结晶以形成矿化水凝胶；中国专利（CN112625158A）将含有碱性磷酸酶的聚丙烯酰基甘氨酰胺水凝胶浸泡在甘油磷酸钙的三乙醇胺溶液中，利用酶将扩散进入的甘油磷酸钙水解，因此制备磷酸钙矿化水凝胶。但由于无机物依靠扩散的方式无法均匀分散在凝胶基体内部，因此浸泡法极大地限制了矿化水凝胶矿化程度的均一性。

对此原位矿化法的提出可以高效解决上述问题，这是通过将互不反应的矿化离子预先分散至水凝胶预聚液中，通过改变外部环境之原位沉淀反应生成矿化物质的过程，如中国专利（CN1109293947A）将氯化钙（CaCl₂）溶液和本身带有磷酸根离子的磷酸氢二（甲基丙烯酰氧乙基）酯（BMAP）预先分散于水凝胶预聚液中，然后通过紫外光引发的方式制备得到力学性能极高的矿化磷酸酯水凝胶。但由于预聚液不佳的力学性能或冗长的矿化时间，现有的原位矿化水凝胶难以构筑复杂的三维宏观形状，也无法满足实际的应用，因此寻找一种矿化程度均一、可构筑三维宏观形状的水凝胶的制备方法，是目前矿化水凝胶的重要的研究方向之一。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高强度矿化水凝胶的制备方法。本发明水凝胶的制备方法中，选用溶解度呈指数变化的乳酸钙作为矿化源，首先通过高温将矿化物预先分散在凝胶基体中，然后通过降低温度诱导无机物生成的方式得到了一种矿化程度均一的矿化水凝胶，并且该水凝胶具有可塑性、较好的机械强度，可满足实际应用中按需设计三维宏观形状的构筑要求。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

所述的一种高强度矿化水凝胶的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）乳酸钙热饱和溶液的制备：向反应器中加入碳酸钙和去离子水，逐滴缓慢滴入预热形成液体形态的乳酸并搅拌至无气泡产生后，对所得混合溶液进行水浴加热使得混合溶液澄清透明后即得乳酸钙热饱和溶液；

2）水凝胶的制备：向步骤1）所得乳酸钙热饱和溶液中加入凝胶因子，搅拌至凝胶因子均匀分散，得到水凝胶溶液；

其中所述凝胶因子为富含羟基和/或羧基类亲水基团的生物质原料；

3）静置矿化：将步骤2）所得水凝胶溶液在室温下静置，使水凝胶强度得到提高，即得高强度矿化水凝胶产物。

所述的一种高强度矿化水凝胶的制备方法，其特征在于步骤1）中，各原料的投料量按重量份数计分别为：碳酸钙1-6份、乳酸1-15份、去离子水20-50份。也就是说，步骤1）中碳酸钙、乳酸和去离子水的投料质量比为1-6：1-15：20-50。

所述的一种高强度矿化水凝胶的制备方法，其特征在于步骤1）中，各原料的投料量按重量份数计分别为：碳酸钙3-6份、乳酸6-14份、去离子水25-35份。也就是说，步骤1）中碳酸钙、乳酸和去离子水的投料质量比为3-6：6-14：25-35。

所述的一种高强度矿化水凝胶的制备方法，其特征在于步骤1）中，水浴加热的温度为75-95℃，优选为90-95℃，加热时间2-8 h。

所述的一种高强度矿化水凝胶的制备方法，其特征在于步骤2）中，所述凝胶因子为黄原胶、卡拉胶或瓜儿豆胶；步骤2）中，凝胶因子与乳酸钙热饱和溶液的投料质量之比为1:50~100，优选为1:75。

所述的一种高强度矿化水凝胶的制备方法，其特征在于步骤3）中，静置时间为12h以上。

本发明提供的高强度矿化水凝胶的制备方法，具有以下优点：

（1）本发明水凝胶的制备过程中，乳酸钙原位生成参与凝胶网络的构筑，即凝胶内部有乳酸钙原位生成使得水凝胶的强度显著提高。由于需要乳酸钙参与构建凝胶网络，因此需要加热使其处于一个过饱和状态，使矿化物预先分散于凝胶基体，然后降温就可以在凝胶网络的成核位点处原位生成乳酸钙，得到的原位乳酸钙结晶水凝胶矿化程度较高且均一；

（2）本发明制备的水凝胶具有可塑性、较好的机械强度，可满足实际应用中按需设计三维宏观形状的构筑要求，满足了矿化水凝胶的实际实用要求；

（3）水凝胶的强度主要由乳酸钙提供，在乳酸钙的溶解度随温度升高而增大的前提下，即使实际使用温度（37℃左右）略高于制备温度（25℃），但由于乳酸钙的溶解度呈指数变化，在温度较低时溶解量有限，因此在37℃实际使用时，水凝胶强度不会受到大幅影响，可以满足实际使用需求。

附图说明

图1为实施例1-3所得乳酸钙结晶高强水凝胶的压缩试验结果图；（a）为压缩变形率与压缩应力之间的关系曲线，（b）为压缩强度图。

图2是本发明的高强度矿化水凝胶（实施例1）与纯黄原胶水凝胶（对比例1）的扫描电镜图及实物图；（a）为纯黄原胶水凝胶（对比例1），（b）为高强度矿化水凝胶（实施例1）。

图3是本发明的高强度矿化水凝胶（实施例3）与纯黄原胶水凝胶（对比例1）热重图，a-纯黄原胶水凝胶；b-实施例3的高强度矿化水凝胶。

图4是本发明冻干后高强度矿化水凝胶、纯黄原胶（对比例1）和乳酸钙的红外图。

图5是本发明的高强度矿化水凝胶中使用的乳酸钙热饱和溶液中的乳酸钙结晶的POM图。

图6是本发明的高强度矿化水凝胶的扫描电镜图及元素分布图，a-实施例1；b-实施例2；c-实施例3。

图7是本发明的高强度矿化水凝胶制备得到的一系列形状图（实施例3）。

图8是本发明测试的水凝胶的模量与频率关系流变对比图之一；a为高强度矿化水凝胶（实施例1）与CaCl₂水凝胶（对比例2）的测试结果，b为对比例1纯黄原胶水凝胶的测试结果。

图9是本发明测试的水凝胶的模量与频率关系流变对比图之二；a为直接添加型乳酸钙水凝胶（对比例3）和原位生成型乳酸钙水凝胶（实施例1）的模量与频率关系流变图，b为对比例1纯黄原胶水凝胶的测试结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

乳酸钙结晶高强水凝胶的制备，包括以下步骤：

1）乳酸钙热饱和溶液的制备：在圆底烧瓶中加入3.0 g碳酸钙、30 g去离子水，缓慢滴加入6 mL质量分数95%的乳酸（乳酸预先加热至50℃左右使其呈液体形态），并搅拌至无气泡产生后，95℃水浴加热8 h使得溶液澄清透明，得到乳酸钙热饱和溶液待用；

2）水凝胶制备：取步骤1）所得乳酸钙热饱和溶液30 g于烧杯中，分批缓慢加入0.4g黄原胶，搅拌至黄原胶均匀分散，得到水凝胶溶液。

3）静置矿化：将步骤2）所得水凝胶溶液在室温下静置12 h以上，使水凝胶强度得到显著提高，即得乳酸钙结晶的高强水凝胶。

实施例2

乳酸钙结晶高强水凝胶的制备，包括以下步骤：

1）乳酸钙热饱和溶液的制备：在圆底烧瓶中加入4.5 g碳酸钙、30 g去离子水，缓慢滴加入9 mL质量分数95%的乳酸（乳酸预先加热至50℃左右使其呈液体形态），并搅拌至无气泡产生后，95℃水浴加热8 h使得溶液澄清透明，得到乳酸钙热饱和溶液待用；

2）水凝胶制备：取30 g上述热饱和溶液于烧杯中，分批缓慢加入0.4 g黄原胶，搅拌至凝胶因子均匀分散，得到水凝胶溶液。

3）静置矿化：将上述水凝胶静置12 h以上至强度显著提高即得乳酸钙结晶的高强水凝胶。

实施例3

乳酸钙结晶高强水凝胶的制备，包括以下步骤：

1）乳酸钙热饱和溶液的制备：在圆底烧瓶中加入6.0 g碳酸钙、30 g去离子水，缓慢滴加入12 mL质量分数95%的乳酸（乳酸预先加热至50℃左右使其呈液体形态），搅拌至无气泡产生后，95℃水浴加热8 h使得溶液澄清透明，得到乳酸钙热饱和溶液待用；

对比例1：

纯黄原胶水凝胶的制备：在室温的条件下，将30 g去离子水倒入烧杯中。开启磁力搅拌器，缓慢分次加入1.5 g黄原胶，待加入的黄原胶没有明显漂浮聚集状后，进行下一次添加，黄原胶的总共添加时间在30 min左右，黄原胶全部添加结束后磁力搅拌4 h至黄原胶完全分散均匀，得到纯黄原胶水凝胶。

对比例2：

CaCl₂型水凝胶的制备：在室温的条件下，将1.66 g CaCl₂、3 mL质量分数95%的乳酸（乳酸预先加热至50℃左右使其呈液体形态）和30 g去离子水倒入烧杯中。开启磁力搅拌器，缓慢分次加入1.5 g黄原胶，待加入的黄原胶没有明显漂浮聚集状后，进行下一次添加，黄原胶的总共添加时间在30 min左右，黄原胶全部添加结束后磁力搅拌4 h至黄原胶完全分散均匀，得到CaCl₂型水凝胶。

对比例3：

添加型乳酸钙水凝胶的制备：在室温的条件下，将18.50 g五水乳酸钙、30 g去离子水倒入烧杯中。在不加热的情况下开启磁力搅拌器，缓慢分次加入1.5 g黄原胶，待加入的黄原胶没有明显漂浮聚集状后，进行下一次添加，黄原胶的总共添加时间在30 min左右，黄原胶全部添加结束后磁力搅拌4 h至黄原胶完全分散均匀，得到添加型乳酸钙水凝胶。

本发明乳酸钙结晶高强水凝胶结构表征和性能测试：

（1）机械性能测试：将热凝胶快速注入直径9毫米的商用玻璃瓶模具中，凝胶形成后取出，使用万能试验机（英斯特朗5966）进行压缩测试（25℃下变形率为2 mm∙min⁻¹），每次测试重复三次。图1为实施例1-3所得乳酸钙结晶高强水凝胶的压缩试验结果图，其中图1中分图a为压缩变形率与压缩应力之间的关系曲线，由结果可知，实施例1-3在80%的应变条件下也不会发生破坏，力学性能大幅上升。图1中分图b则是相对应的压缩强度图，可知实施例1-3所得乳酸钙结晶高强水凝胶的压缩强度分别为128.53 kPa、261.35 kPa和686.86 kPa（压缩变形达到80%即认为水凝胶达到了其可承受的压缩强度），对比于纯黄原胶水凝胶难以成形的情况，在水凝胶内部原位生成乳酸钙矿化物的方式可以大幅提升水凝胶的强度，且乳酸钙添加量越大，水凝胶强度提高越显著，这主要是由于乳酸钙可以参与凝胶网络的构筑，使水凝胶的交联密度得以增加。

（2）交联密度的增加可以由SEM图证实，图2为实施例1和对比例1所得水凝胶的SEM图。图2中分图a-a^,为对比例1水凝胶的SEM图，图2中分图b-b^,为实施例1水凝胶的SEM图。从图2可知，相比于纯黄原胶水凝胶，乳酸钙水凝胶的凝胶网络由许多纤维状物质搭接而成，交联密度得以大幅增加。且图2中分图a^,和分图b^,的左下角分别列取了纯黄原胶水凝胶和乳酸钙水凝胶的实物图，且所述两个实物图可知，乳酸钙的生成使得该水凝胶由透明变为白色，并能保持一定形状。

（3）图3为实施例3和对比例1所得水凝胶的热重测试图，图3中分图a为对比例1水凝胶的热重测试图，图3中分图b为实施例3水凝胶的热重测试图。从图3的水凝胶热重图可知，纯黄原胶几乎只有一个在100℃左右的水失重峰，而乳酸钙结晶矿化水凝胶呈现5个明显的失重峰，依次分别为游离水、非结合水、结合水（22.23wt%）、乳酸钙（30.69wt%）和碳酸钙，计算可知乳酸钙和结合水比值为4.75，即在凝胶内部原位生成的乳酸钙带有五个结合水。

（4）冻干后的实施例1-2水凝胶、对比例1所得纯黄原胶水凝胶和市售五水乳酸钙的红外图如图4所示。由图4冻干后乳酸钙结晶的高强水凝胶、纯黄原胶及乳酸钙的红外图可知，与纯黄原胶水凝胶相比，乳酸钙水凝胶的红外谱图显示-OH的峰值从3319 cm^-1移动到3221 cm^-1，C=O的拉伸振动峰从1603 cm^-1移动到1503 cm^-1，这主要是因为黄原胶内部原位生成的乳酸钙由于含有羟基和羧基等基团，也可以通过氢键参与凝胶网络的构筑。

（5）实施例1热饱和溶液的乳酸钙的结晶的POM图如图5所示。由图5偏光显微镜表明，乳酸钙晶体呈纤维状，与图2中实施例1水凝胶内部结构类似，也可侧面说明乳酸钙在凝胶网络中的生成。

（6）图6为实施例1-3所得乳酸钙结晶高强水凝胶的SEM-EDX图。图6中分图a、b和c分别为实施例1-3水凝胶的测试结果。由图6的EDX图可知，钙元素在凝胶部分分布十分均一，从而说明乳酸钙在凝胶内部矿化程度的均一性。

（7）图7是由实施例3高强矿化水凝胶制备得到的一系列图形物，说明该水凝胶在兼备机械性能和矿化度均一的同时，可以更好地满足实际场所，如颅骨面等的应用。

（8）使用MCR302型高级拓展流变仪流变测试进行测试：取一部分水凝胶放在平台上，使用直径为25 mm的平板转子（PP25），设定转子与平台之间的间隙为1 mm，在应力为1%的条件下，测试频率在0.1~100%变化下水凝胶的储能模量与损耗模量变化情况。图8为本发明测试的水凝胶的模量与频率关系流变对比图，图8中分图a为实施例1和对比例2的水凝胶测试结果，图8中分图b为对比例1纯黄原胶水凝胶的测试结果。由图8的a图可知，相比于实施例1，对比例2的模量与纯黄原胶水凝胶（b图）相差不大，说明其力学性能并没有大幅提高，即仅仅依靠Ca²⁺的螯合作用无法提高凝胶强度。

（9）测试方法如上所述，图9本发明测试的水凝胶的模量与频率关系流变对比图，图9中分图a为直接添加型乳酸钙水凝胶（对比例3）和原位生成型乳酸钙水凝胶（实施例1）的模量与频率关系流变图，图9中分图b为对比例1纯黄原胶水凝胶的模量与频率关系流变图。由图9中a图模量与频率关系图可知，直接添加乳酸钙制备得到的水凝胶模量在100 Pa左右，与纯黄原胶凝胶（图9中b图）相比并没有提高，说明该水凝胶力学性能没有得到提高，这主要是因为乳酸钙无法参与凝胶网络的构筑，大量乳酸钙存在于网络内部；而在乳酸钙热饱和溶液中，Ca²⁺可以与黄原胶的羧基形成成核位点，从而在降温过程中乳酸钙可依附凝胶网络原位生成，使得网络密度增加来提高力学性能，因此模量得到大幅提升，可达到10⁵Pa左右。

其中图8和图9中，G’是储能模量，G’’是损耗模量。

本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。

Claims

1.一种高强度矿化水凝胶的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种高强度矿化水凝胶的制备方法，其特征在于步骤1）中，各原料的投料量按重量份数计分别为：碳酸钙1-6份、乳酸1-15份、去离子水20-50份。

3.如权利要求2所述的一种高强度矿化水凝胶的制备方法，其特征在于步骤1）中，各原料的投料量按重量份数计分别为：碳酸钙3-6份、乳酸6-14份、去离子水25-35份。

4.如权利要求1所述的一种高强度矿化水凝胶的制备方法，其特征在于步骤1）中，水浴加热的温度为75-95℃，优选为90-95℃，加热时间2-8 h。

5.如权利要求1所述的一种高强度矿化水凝胶的制备方法，其特征在于步骤2）中，所述凝胶因子为黄原胶、卡拉胶或瓜儿豆胶；步骤2）中，凝胶因子与乳酸钙热饱和溶液的投料质量之比为1:50~100，优选为1:75。

6.如权利要求1所述的一种高强度矿化水凝胶的制备方法，其特征在于步骤3）中，静置时间为12h以上。