本發(fā)明涉及生物材料、組織工程和高分子材料領域，特別涉及一種高強度多功能凝膠及其制備方法。
背景技術：
生物醫(yī)學材料要適應生物體復雜的環(huán)境，因此在生物相容性、力學強度等方面需要具有與天然材料相近的性能。水凝膠因具有與人體軟組織相似的結構而成為其理想的替代材料，但長久以來力學強度不足一直制約著其應用。以關節(jié)軟骨為例，它在人體關節(jié)中不僅要承受較高的壓力，更要吸收來自外界的沖擊能，但是一旦關節(jié)軟骨受到損傷，以現(xiàn)今的醫(yī)學技術還無法使之修復。因此縮小高分子水凝膠與生物軟組織之間的性能差距，尋求與生物軟組織性能匹配的高分子水凝膠材料，提高水凝膠的力學強度，實現(xiàn)水凝膠在軟組織替代材料上的應用，是目前高分子水凝膠研究的熱點之一。
水凝膠力學強度的影響因素包括聚合物含量、高聚物分子鏈的柔性、交聯(lián)濃度及交聯(lián)方式、網(wǎng)絡的均勻性等。一般聚合物含量較高能提高水凝膠力學強度，而聚合物含量低的水凝膠常表現(xiàn)出流體性質；當構成水凝膠網(wǎng)絡的分子鏈為線性且呈中性時，凝膠網(wǎng)絡具有較高的延展性和更好的能量耗散，但導致凝膠力學強度降低；水凝膠可以通過化學交聯(lián)、物理交聯(lián)方式形成網(wǎng)絡，化學交聯(lián)水凝膠力學強度往往大于物理交聯(lián)水凝膠；無論是何種交聯(lián)方式，提高交聯(lián)度能在一定程度上提高水凝膠的力學強度；在水凝膠網(wǎng)絡的交聯(lián)過程中常出現(xiàn)結構不均一現(xiàn)象，當受到外界作用力時，這種不均一性可使得凝膠內部出現(xiàn)應力集中，導致凝膠結構被破壞。因此，通過分子設計，加強高分子水凝膠網(wǎng)絡結構的規(guī)整度、提高交聯(lián)結構自由度及發(fā)揮高分子鏈的柔韌性，是提高水凝膠力學性能的有效設計策略。近年來對高強度水凝膠的研究已有較大的進展，主要表現(xiàn)在以下幾種：拓撲結構凝膠(Topological gel，TP gel)、納米復合凝膠(Nanocomposite gel，NC gel)和雙網(wǎng)絡水凝膠(Double Network gel，DN gel)，其中雙網(wǎng)絡水凝膠具有與前兩者不同的網(wǎng)絡結構，獨特的結構使其具備優(yōu)越的力學性能。
雙網(wǎng)絡凝膠概念最初由Gong提出，是指通過兩種不同結構的親水性高聚物分步聚合并交聯(lián)，形成相互貫穿的均勻網(wǎng)絡。第一網(wǎng)絡由硬而脆的聚電解質形成凝膠剛性骨架，第二網(wǎng)絡由軟而韌的中性聚合物形成，松散交聯(lián)的第二網(wǎng)絡通過自身結構的變形和滑動的分子鏈的物理纏結點，使局部應力得到有效松弛，從而使水凝膠強度得到極大提高。該課題組制備的PAMPS/PAAm雙層網(wǎng)絡凝膠，該凝膠以帶負電荷的PAMPS(聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)水凝膠作為第一層網(wǎng)絡結構，中性的PAAm(聚丙烯酰胺)水凝膠作為第二層網(wǎng)絡結構。雖然PAMPS和PAAm均為傳統(tǒng)的化學交聯(lián)水凝膠，但雙層網(wǎng)絡凝膠的力學性能并不是2種水凝膠力學性能的簡單加和，而是表現(xiàn)出協(xié)同作用。單軸壓縮實驗表明PAMPS/PAAm凝膠抗壓強度為17.2MPa，破裂應變?yōu)?2％，而PAMPS凝膠和PAAm凝膠的抗壓強度分別只有0.4和0.8MPa，破裂應變分別為41％和84％。目前對雙網(wǎng)絡凝膠的而研究，已不僅僅停留在原來的通過犧牲共價鍵來達到能量耗散的方法。哈佛大學的Jeong-Yun Sun等以海藻酸鹽和丙烯酰胺為聚合單體，通過離子交聯(lián)和共價交聯(lián)，一步法制備出力學性能優(yōu)異的雙網(wǎng)絡凝膠，盡管該凝膠含水率高達90％，但其可以伸長至原長的20倍，斷裂能高達9000J/m2。
高強度凝膠的研究雖然取得一定進展，但功能化的高強度凝膠并不多見，因此，本發(fā)明以具有溫度響應性、pH響應性、導電性的功能單體，采用離子鍵/共價鍵交聯(lián)，一鍋法制備高強度多功能凝膠，該凝膠具有良好的生物相容性和生物降解性，以及多功能響應性，在生物醫(yī)藥、組織工程等方面存在廣闊應用前景。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種高強度多功能水凝膠，以克服傳統(tǒng)凝膠力學性能欠佳、功能單一甚至功能惰性，應用范圍窄的缺陷。本發(fā)明綜合考慮離子交聯(lián)和共價交聯(lián)的特點，將具備不同功能的單體有機組合，通過調控不同交聯(lián)劑、不同反應單體的比例等各種工藝條件、參數(shù)，獲得滿足不同需求的高強度凝膠。該凝膠具有優(yōu)良的力學強度、良好的生物相容性和生物降解性，并具有溫度響應性、pH響應性、導電性等多項功能。
本發(fā)明所提供高強度多功能凝膠通過以下技術方案制得：
(1)離子液體(ILs)的制備
將天然化合物氨基酸和膽堿，通過中和反應，制備綠色離子液體。所述氨基酸為甘氨酸、絲氨酸、天冬氨酸、賴氨酸等氨基酸，膽堿為氫氧化膽堿。
(2)離子液體(ILs)的改性
通過丙烯酸(AAc)在N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)和1-乙基-3-(3-二甲胺丙基)碳二亞胺(EDC)作用下，將雙鍵引入步驟(1)所得離子液體，獲得具有聚合功能的乙烯基離子液體單體。所述各藥品用量為AAc∶ILs∶EDC∶NHS＝5mol∶5mol∶5mol∶1mol。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將功能化單體、共價交聯(lián)劑、天然高分子、離子交聯(lián)劑按不同配比、不同制備工藝方法依次混合，一鍋法制備功能化高強度凝膠。所述功能單體為具有溫度響應性的N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm)、具有pH響應性的丙烯酸(AAc)和具有導電性的離子液體中的一種或幾種。所述天然高分子為海藻酸鈉。所述共價交聯(lián)劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAA)、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯中的任意一種。所述離子交聯(lián)劑為硫酸鈣、氯化鈣、碳酸鈣、磷酸鈣、乳酸鈣中任意一種。所述不同配比和不同制備工藝條件，以具體實施例為例。
與現(xiàn)有凝膠和制備方法相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點：
(1)本發(fā)明所提供凝膠，將共價交聯(lián)和離子交聯(lián)的特色及優(yōu)點進行了有機結合，克服了傳統(tǒng)單一化學交聯(lián)凝膠網(wǎng)絡不均勻，力學性能差的缺點。
(2)本發(fā)明所提供凝膠，可通過可控調整單體配比，交聯(lián)劑用量，反應溫度，加料順序等工藝方法和工藝參數(shù)，調控凝膠的力學性能、溫度響應性、pH響應性、導電性能，以滿足不用需要。
(3)本發(fā)明所提供制備方法，采用一鍋法，制備方法簡單快捷，條件溫和，不需要大型設備，水相反應綠色環(huán)保，在工業(yè)上具有較高的實際應用價值。
具體實施方案
實施例1.
(1)離子液體(ILs)的制備
將甘氨酸(Gly)和膽堿(Ch)按摩爾比為1.05∶1分別溶于5mL離子水，在3℃下以恒壓滴液漏斗將膽堿(Ch)溶液緩慢加入甘氨酸(Gly)溶液，磁力攪拌反應48h；反應結束后60℃下旋蒸除水，然后將過量乙醇倒入上述反應體系，以除去未反應的甘氨酸；在50℃下真空干燥反應產(chǎn)物，以除去殘留的乙醇和水，得到純凈的膽堿-甘氨酸(Ch-Gly)離子液體。
(2)離子液體(ILs)的改性
將丙烯酸(AAc)溶于10ml蒸餾水，加入N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)和1-乙基-3-(3-二甲胺丙基)碳二亞胺(EDC)，室溫下磁力攪拌2h后，加入步驟(1)所得Ch-Gly離子液體繼續(xù)反應24h，使各組分的摩爾比為AAc∶Ch-Gly∶EDC∶NHS＝5∶5∶5∶1；反應結束后倒入過量乙醇靜置，待沉淀析出完全，離心分離，得到乙烯基膽堿-甘氨酸離子液體單體(Ch-Gly-AAc)。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將NIPAAm、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為NIPAAm∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶1∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+Ch-Gly-AAc)＝1wt％，繼續(xù)氮氣保護反應20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、10wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例2.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將NIPAAm、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為NIPAAm∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝6∶3∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+Ch-Gly-AAc)＝1wt％，繼續(xù)氮氣保護反應20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、10wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例3.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將NIPAAm、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為NIPAAm∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶1∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續(xù)氮氣保護反應20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、5wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例4.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將NIPAAm、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為NIPAAm∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝6∶3∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續(xù)氮氣保護反應20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、5wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例5.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶1∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(AAc+Ch-Gly-AAc)＝1wt％，繼續(xù)氮氣保護反應20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、10wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例6.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝6∶3∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(AAc+Ch-Gly-AAc)＝1wt％，繼續(xù)氮氣保護反應20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、10wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例7.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶1∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(AAc+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續(xù)氮氣保護反應20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、5wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例8.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝6∶3∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(AAc+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續(xù)氮氣保護反應20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、5wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例9.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將NIPAAm、AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為NIPAAm∶AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶3∶2∶2，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+AAc+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續(xù)氮氣保護反應20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、20wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例10.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將NIPAAm、AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為NIPAAm∶AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝4∶4∶1∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯(lián)劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+AAc+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續(xù)氮氣保護反應20min后，加入引發(fā)劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、20wt％離子交聯(lián)劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產(chǎn)物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產(chǎn)物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。