CN114762738B - 一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架及其制备方法 - Google Patents

一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架及其制备方法，将N‑丙烯酰基甘氨酰胺和光引发剂溶于去离子水中，惰性气氛下紫外辐照交联反应，得到热可逆软凝胶；将热可逆软凝胶置于85‑95℃的水浴中，并加入N‑丙烯酰基甘氨酰胺和光引发剂混合均匀后，即得到3D打印墨水；将3D打印墨水装入3D打印机的料筒中，料筒温度55‑75℃下，设定打印参数，即打印气压为1‑3bar进行打印，即得到预设3D打印结构，将上述结构进行紫外辐照交联后，即得到氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架。本方法可通过热可逆软凝胶浓度和后补偿单体浓度，分别对3D打印墨水的性能和水凝胶支架的力学性能进行调节，在构建软组织替代物方面具有巨大应用潜能。

Description

一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架及其制备方法
技术领域
本发明涉及高强度水凝胶技术领域，更具体地说涉及一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架及其制备方法。
背景技术
近年来，3D打印技术的蓬勃发展为个性化治疗带来了新的机遇，而具有优良性能的墨水材料是定制个性化组织工程支架的先决条件。高强度水凝胶被认为是一种构建承载软组织替代物的理想材料。然而，大多高强度水凝胶由低粘度的预聚物溶液制备而成，无法通过挤出的方法直接打印。
为了赋予高强度水凝胶可打印性，必须额外引入增稠剂，以提升预聚物溶液的黏度。然而，大多数3D打印高强度水凝胶由于不耐溶胀，在水环境中无法保持其原有的力学性能和预先设计的尺寸，严重阻碍了其在生理环境中的应用。
由于具有剪切变稀和刺激响应性凝胶
Figure BDA0002936847530000011
溶胶转变行为等独特的粘弹性行为，超分子聚合物高强度水凝胶可以通过3D打印技术进行制造，其中温敏性聚合物水凝胶更是用于挤出型3D打印的理想墨水材料。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，大多数3D打印高强度水凝胶由于不耐溶胀，在水环境中无法保持其原有的力学性能和预先设计的尺寸，提供了一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架及其制备方法，本发明配方简单，制备方法容易，水凝胶支架具有优良的力学性能，且3D打印的可打印性和水凝胶支架的力学性能可以分别通过热可逆聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)软凝胶的浓度和后补偿N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)单体浓度进行调节，在承载组织替代物方面具有潜在应用价值；此外，“自增稠”方法具有普适意义，可实现不同聚合物水凝胶的3D打印，有望进一步拓宽水凝胶的应用范围。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架及其制备方法，按照下述步骤进行：
步骤1，将N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)溶于去离子水中，并向其中加入光引发剂混合均匀，置于惰性气氛条件下，进行紫外辐照交联反应后，即得到热可逆聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)软凝胶，其中，N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)在去离子水中的质量分数为2-5wt％，光引发剂的用量为单体浓度的0.3-0.6wt％；
步骤2，将步骤1制备得到的热可逆聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)软凝胶置于85-95℃的水浴中使其转变为溶胶状态，并向上述容器中加入N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)和光引发剂，使其混合均匀后，即得到3D打印墨水，其中，N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)在3D打印墨水中的质量分数为10-40wt％，光引发剂的用量为单体浓度的0.8-1.5wt％；
步骤3，将步骤2制备得到的3D打印墨水装入3D打印机的料筒中，料筒温度55-75℃下，设定打印参数，即打印气压为1-3bar进行打印，即得到中间产品，将上述中间产品进行紫外辐照交联后，即得到氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架。
在步骤1中，N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)在去离子水中的质量分数为3-4wt％，光引发剂的用量为单体浓度的0.5wt％，惰性气氛采用氮气、氦气或者氩气。
在步骤2中，N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)在3D打印墨水中的质量分数为15-30wt％，光引发剂的用量为单体浓度的1wt％。
在步骤1和步骤2中，光引发剂采用Irgacure 1173。
在步骤1和步骤2中，紫外辐照交联反应的时间为40-60min。
本发明的有益效果为：本发明配方简单，制备方法容易，水凝胶支架具有优良的力学性能，且“墨水的可打印性”和“水凝胶支架的力学性能”可以分别通过“热可逆聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)软凝胶的浓度”和“后补偿N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)单体浓度”进行调节，在承载组织替代物方面具有潜在应用价值；此外，“自增稠”方法具有普适意义，可实现不同聚合物水凝胶的3D打印，有望进一步拓宽水凝胶的应用范围。
附图说明
图1是本发明中3D打印墨水的流变性能，其中，(a)为不同PNAGA浓度PNAGA-X+NAGA-30％(X＝3％,3.5％,4％)墨水温度扫描曲线；(b)为不同后补偿NAGA单体的PNAGA-4％+NAGA-Y(Y＝15％,20％,25％,30％)墨水温度扫描曲线；(c)为PNAGA-X+NAGA-30％墨水在打印温度下的剪切变稀行为；(d)为PNAGA-3％+NAGA-30％墨水的交替温度扫描曲线；(e)为PNAGA-3.5％+NAGA-30％墨水的交替温度扫描曲线；(f)为PNAGA-4％+NAGA-30％墨水的交替温度扫描曲线；(g)为PNAGA-3％+NAGA-30％墨水的交替变应变扫描曲线；(h)为PNAGA-3％+NAGA-30％墨水的交替变应变扫描曲线；(i)为PNAGA-3％+NAGA-30％墨水的交替变应变扫描曲线；
图2是本发明中3D打印氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架的不同结构图，其中，(a)为矩形网格结构，它可以支撑自身的重量(b)，承受压缩(c)和弯曲变形(d)；此外，水凝胶网可以承受扭曲(e)和拉伸(f)作用，甚至可以兜起100g的砝码(g)(相当于自身质量的200倍)；
图3是本发明中3D打印氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架的压缩性能和拉伸性能图，其中，(a)为氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架的压缩性能图，(b)为氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架的压缩性能图，(c)为氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架的拉伸性能图，(d)为氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架的拉伸性能图；
图4是本发明中利用“自增稠”法配制的不同“聚合物+单体”墨水的黏度变化、剪切变稀行为以及3D打印不同聚合物水凝胶的网络结构图，其中，(a)为黏度变化图，(b)为剪切变稀行为图，(c)-(f)为3D打印不同聚合物水凝胶的网络结构；(g)-(i)为3D打印的半月板、耳朵和鼻子模型；
图5是本发明的制备流程示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
步骤1，用分析天平称取0.04g N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)放入离心管中，加960μL去离子水，涡旋使其完全溶解后，并向其中加入0.2μL光引发剂Irgacure 1173，再次混匀，通氮气10min，除氧后，放入紫外交联仪，辐照交联60min，得到热可逆聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)软凝胶。
步骤2，将步骤1制备得到的热可逆聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)软凝胶放入90℃水浴中使其转变为溶胶状态，并加入0.3g NAGA单体和3μL光引发剂Irgacure1173，涡旋使其完全溶解，配制成3D打印墨水。
步骤3，将上述3D打印墨水分别装入打印机配置的料筒中，料筒温度调至75℃，保持可挤出状态。
步骤4，设定气压为1bar，3D打印预设结构。
步骤5，将上述打印的支架放入紫外交联仪中进行UV辐照交联，辐照时间为40min，得到氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架，氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架低温无菌保存。
实施例2
步骤1，用分析天平称取0.035g N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)放入离心管中，加965μL去离子水，涡旋使其完全溶解后，并向其中加入0.175μL光引发剂Irgacure 1173，再次混匀，通氮气10min，除氧后，放入紫外交联仪，辐照交联60min，得到热可逆聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)软凝胶。
步骤2，将步骤1制备得到的热可逆聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)软凝胶放入90℃水浴中使其转变为溶胶状态，并加入0.3g NAGA单体和3μL光引发剂Irgacure1173，涡旋使其完全溶解，配制成3D打印墨水。
步骤3，将上述3D打印墨水分别装入打印机配置的料筒中，料筒温度调至70℃，保持可挤出状态。
步骤4，设定气压为1bar，3D打印预设结构。
步骤5，将上述打印的支架放入紫外交联仪中进行UV辐照交联，辐照时间为40min，得到氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架，氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架低温无菌保存。
实施例3
步骤1，用分析天平称取0.03g N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)放入离心管中，加970μL去离子水，涡旋使其完全溶解后，并向其中加入0.15μL光引发剂Irgacure 1173，再次混匀，通氮气10min，除氧后，放入紫外交联仪，辐照交联60min，得到热可逆聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)软凝胶。
步骤2，将步骤1制备得到的热可逆聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)软凝胶放入90℃水浴中使其转变为溶胶状态，并加入0.3g NAGA单体和3μL光引发剂Irgacure1173，涡旋使其完全溶解，配制成3D打印墨水。
步骤3，将上述3D打印墨水分别装入打印机配置的料筒中，料筒温度调至65℃，保持墨水可挤出状态。
步骤4，设定气压为1bar，3D打印预设结构。
步骤5，将上述打印的支架放入紫外交联仪中进行UV辐照交联，辐照时间为40min，得到氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架，氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架低温无菌保存。
氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架力学性能测试：
利用电子万能试验机(英斯特朗，美国)测试制备得到的氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架的力学性能:矩形拉伸样品(长：30mm，宽：2mm，厚：1mm)和圆柱形压缩样品(直径：8mm；高：3mm)，以50mm/min的应变速率进行拉伸测试，以10mm/min的应变速率进行压缩测试，氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架的压缩强度可达到兆帕级。
3D打印墨水流变性能测试：
利用下述方法检测3D打印墨水的流变性能，测试在流变仪(安东帕，奥地利)上进行，利用平板转子，测试样品的尺寸为直径25mm的圆片，厚度为1mm，在变温振荡模式下，测试墨水的凝胶-溶胶转变温度；在剪切模式下，测试墨水的黏度和剪切变稀行为；在交替变温/变应变振荡模式下，测试墨水的自恢复性能。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架，其特征在于：按照下述步骤进行：
步骤1，将N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)溶于去离子水中，并向其中加入光引发剂混合均匀，置于惰性气氛条件下，进行紫外辐照交联反应后，即得到热可逆聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)软凝胶，其中，N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)在去离子水中的质量分数为2-5wt％，光引发剂的用量为单体浓度的0.3-0.6wt％；
步骤2，将步骤1制备得到的热可逆聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)软凝胶置于85-95℃的水浴中使其转变为溶胶状态，并向上述溶胶中加入N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)和光引发剂，使其混合均匀后，即得到3D打印墨水，其中，N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)在3D打印墨水中的质量分数为10-40wt％，光引发剂的用量为单体浓度的0.8-1.5wt％；
步骤3，将步骤2制备得到的3D打印墨水装入3D打印机的料筒中，料筒温度55-75℃下，设定打印参数，即打印气压为1-3bar进行打印，即得到中间产品，将上述中间产品进行紫外辐照交联后，即得到氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架。
2.根据权利要求1所述的一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架，其特征在于：在步骤1中，N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)在去离子水中的质量分数为3-4wt％，光引发剂的用量为单体浓度的0.5wt％，惰性气氛采用氮气、氦气或者氩气。
3.根据权利要求1所述的一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架，其特征在于：在步骤2中，N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)在3D打印墨水中的质量分数为15-30wt％，光引发剂的用量为单体浓度的1wt％。
4.根据权利要求1所述的一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架，其特征在于：在步骤1和步骤2中，光引发剂采用Irgacure 1173；紫外辐照交联反应的时间为40-60min。
5.一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架的制备方法，其特征在于：按照下述步骤进行：
步骤1，将N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)溶于去离子水中，并向其中加入光引发剂混合均匀，置于惰性气氛条件下，进行紫外辐照交联反应后，即得到热可逆聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)软凝胶，其中，N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)在去离子水中的质量分数为2-5wt％，光引发剂的用量为单体浓度的0.3-0.6wt％；
步骤2，将步骤1制备得到的热可逆聚(N-丙烯酰基甘氨酰胺)(PNAGA)软凝胶置于85-95℃的水浴中使其转变为溶胶状态，并向上述溶胶中加入N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)和光引发剂，使其混合均匀后，即得到3D打印墨水，其中，N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)在3D打印墨水中的质量分数为10-40wt％，光引发剂的用量为单体浓度的0.8-1.5wt％；
步骤3，将步骤2制备得到的3D打印墨水装入3D打印机的料筒中，料筒温度55-75℃下，设定打印参数，即打印气压为1-3bar进行打印，即得到中间产品，将上述中间产品进行紫外辐照交联后，即得到氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架。
6.根据权利要求5所述的一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架的制备方法，其特征在于：在步骤1中，N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)在去离子水中的质量分数为3-4wt％，光引发剂的用量为单体浓度的0.5wt％，惰性气氛采用氮气、氦气或者氩气。
7.根据权利要求5所述的一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架的制备方法，其特征在于：在步骤2中，N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)在3D打印墨水中的质量分数为15-30wt％，光引发剂的用量为单体浓度的1wt％。
8.根据权利要求5所述的一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架的制备方法，其特征在于：在步骤1和步骤2中，光引发剂采用Irgacure 1173。
9.根据权利要求5所述的一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架的制备方法，其特征在于：在步骤1和步骤2中，紫外辐照交联反应的时间为40-60min。
10.如权利要求1-4任一所述的一种氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架在生物医用材料上的应用，其特征在于：氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架拉伸强度为0.96±0.09MPa，杨氏模量为0.86±0.05MPa；氢键增强超分子聚合物高强度水凝胶支架压缩强度即80％应变强度为7.10±0.29MPa，压缩模量为0.90±0.01MPa。
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