基于硼酸酯键制备各向异性可编程水凝胶的方法以及水凝胶技术

本发明专利技术提供一种基于硼酸酯键制备各向异性可编程水凝胶的方法，包括：将高分子化合物加入硼酸溶液中反应得到高分子化合物

【技术实现步骤摘要】
基于硼酸酯键制备各向异性可编程水凝胶的方法以及水凝胶


[0001]本专利技术涉及智能仿生材料、柔性电子器件和生物医学工程领域，具体涉及一种基于硼酸酯键制备各向异性可编程水凝胶的方法以及水凝胶。

技术介绍

[0002]水凝胶是一类由亲水分子通过物理或化学交联形成的三维网状且富水结构的聚合物，类似于生物软组织，由于其优异的力学性能及良好的生物相容性，在生物医学、生物工程、智能仿生材料及柔性电子器件等领域具有潜在的应用前景。
[0003]生物软组织由于其特殊的各向异性，使该组织表现出独特的力学性能，即使在高含水状态下也具有较高的强度和韧性，而层次有序的生物组织本质上就是一种水凝胶，在此背景下，各向异性水凝胶就作为切入点，开启了生物医学工程及智能仿生领域的应用研究。
[0004]实现各向异性水凝胶的一个策略是对合成的水凝胶进行拉伸，使聚合物链沿着力场的轴向排列，但传统水凝胶由于其不可逆交联，聚合物链很难实现重新取向排列和复杂结构的构建，解决这一问题的关键在于聚合物链间的可控交联。
[0005]硼酸酯键作为一种典型的动态共价键，具有动态可逆特性，有助于在微观层面上实现水凝胶聚合物链构象的定向排列和在宏观层面实现上水凝胶界面的融合。同时通过调节pH值，硼酸酯键可迅速实现交联固化，从而防止分子链的收缩和卷曲。在此背景下，利用动态硼酸酯键的可调控性来实现高度各向异性可编程结构水凝胶的制备。
[0006]目前已报道的各向异性PVA水凝胶的制备方法大致包括定向冷冻法、限域干燥法、机械训练法等，这些方法都是基于水凝胶的不可逆交联，通常难以使折叠和缠绕的聚合物链沿拉伸方向进行充分拉伸，更难以制备复杂的各向异性水凝胶结构，这在很大程度上限制了这类仿生结构水凝胶的应用。

技术实现思路

[0007]本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
[0008]本专利技术还有一个目的是提供一种基于硼酸酯键制备各向异性可编程水凝胶的方法，该方法工艺简单，成本低廉且无化学污染，制备所得的水凝胶具有较高机械性能、较好生物相容性和灵活的结构组装方式。
[0009]本专利技术还有一个目的是提供基于硼酸酯键制备的各向异性可编程水凝胶，其具有优异的力学性能，平行拉伸方向的断裂强度和杨氏模量可分别高达8.0MPa和0.99MPa，是传统冻融法和盐析法所制备水凝胶的34倍和12倍。此外，该水凝胶还具有典型的各向异性、灵活的可编程性、良好的生物相容性及化学稳定性。
[0010]为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种基于硼酸酯键制备各向异性可编程水凝胶的方法，包括如下步骤：
[0011]步骤一、将高分子化合物加入硼酸溶液中反应得到高分子化合物
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硼酸混合液；
[0012]步骤二、将所述高分子化合物
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硼酸混合液室温下静置得到高分子化合物
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硼酸水凝胶；
[0013]步骤三、将所述水凝胶压入模具并进行冷冻、熔融处理得到水凝胶标准样条；
[0014]步骤四、将所述水凝胶标准样条进行定向拉伸到丝状得到分子链定向排列的水凝胶；
[0015]步骤五、将所述分子链定向排列的水凝胶利用硼酸酯键自愈合特性实现可编程结构，固化得到结构编程化固定的水凝胶；
[0016]步骤六、将所述结构编程化固定的水凝胶进行盐析、蒸馏水中溶胀得到各向异性可编程水凝胶。
[0017]优选的是，其中，所述高分子化合物为具有邻位双羟基结构的多糖聚合物。
[0018]优选的是，其中，所述高分子化合物为聚乙烯醇、海藻酸钠、羟甲基纤维素或透明质酸。
[0019]优选的是，其中，所述步骤一中，所述高分子化合物的浓度为0.02～0.5g/mL；硼酸溶液的浓度为0.01～0.2mol/L，pH为8～12，反应温度为30～120℃，反应时间为30～120min。
[0020]优选的是，其中，所述步骤二中，静置时间为5～30min。
[0021]优选的是，其中，所述步骤三中，冷冻温度为
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20～
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80℃，熔融温度为10～30℃。
[0022]优选的是，其中，所述步骤四中，定向拉伸方式为沿中心轴方向拉伸；拉伸速度为10～150mm/min；拉伸倍率为200％～1000％。
[0023]优选的是，其中，所述步骤五中，可编程结构为网状、管状、多层状、编织管和类肌肉组织中的一种，固化通过调节pH为12～14来实现，，固化时间为10～120s。
[0024]优选的是，其中，所述步骤六中，盐析所用溶剂为氯化钠和葡萄糖的混合溶液，其中，氯化钠浓度为0.01～0.1g/mL；葡萄糖浓度为0.05～0.5g/mL，盐析时间为6～48h，溶胀时间为6～48h。
[0025]本专利技术的目的还可以进一步由基于硼酸酯键制备的各向异性可编程水凝胶来实现。
[0026]本专利技术至少包括以下有益效果：
[0027]1、本专利技术的制备方法简单易行且成本低廉，它解决了现有水凝胶中聚合物链难以完全定向拉伸和重新固化的问题。更重要的是，利用硼酸酯键固有的动态交联行为可以方便构建各种复杂的各向异性水凝胶结构；
[0028]2、本专利技术所制备的水凝胶具有优异的力学性能，平行拉伸方向的断裂强度和杨氏模量可分别高达8.0MPa和0.99MPa，是传统冻融法和盐析法所制备水凝胶的34倍和12倍。此外，该水凝胶还具有典型的各向异性、灵活的可编程性、良好的生物相容性及化学稳定性。
[0029]本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0030]图1为本专利技术实施例1中制备的各向异性可编程水凝胶的示意图；
[0031]图2为本专利技术实施例1中各向异性可编程水凝胶的荧光显微镜图像；
[0032]图3为本专利技术实施例1中各向异性可编程水凝胶的偏光显微镜图像；
[0033]图4为本专利技术实施例1中各向异性可编程水凝胶的扫描电子显微镜图像；
[0034]图5为本专利技术实施例1中各向异性可编程水凝胶在不同拉伸方向的应力
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应变曲线；
[0035]图6为对比例1和对比例2制备的水凝胶的扫描电子显微镜图像；
[0036]图7为本专利技术实施例1中水凝胶与对比例1和2制备的水凝胶的应力
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应变曲线对比图；
[0037]图8为实施例2制备所得编织管状水凝胶的实物图；
[0038]图9为实施例3制备所得管状水凝胶的实物图。
具体实施方式
[0039]下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0040]应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
[0041]需要说明的是，以下实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于硼酸酯键制备各向异性可编程水凝胶的方法，包括如下步骤：步骤一、将高分子化合物加入硼酸溶液中反应得到高分子化合物
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硼酸混合液；步骤二、将所述高分子化合物
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硼酸混合液室温下静置得到高分子化合物
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硼酸水凝胶；步骤三、将所述水凝胶压入模具并进行冷冻、熔融处理得到水凝胶标准样条；步骤四、将所述水凝胶标准样条进行定向拉伸到丝状得到分子链定向排列的水凝胶；步骤五、将所述分子链定向排列的水凝胶利用硼酸酯键自愈合特性实现可编程结构，固化得到结构编程化固定的水凝胶；步骤六、将所述结构编程化固定的水凝胶进行盐析、蒸馏水中溶胀得到各向异性可编程水凝胶。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤一中，所述高分子化合物为具有邻位双羟基结构的多糖聚合物。3.如权利要求2所述的方法，其中，所述高分子化合物为聚乙烯醇、海藻酸钠、羟甲基纤维素或透明质酸。4.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤一中，所述高分子化合物的浓度为0.02～0.5g/mL；硼酸溶液的浓度为0....

【专利技术属性】
技术研发人员：王志奎，张翠云，李慧，
申请(专利权)人：河北农业大学，
类型：发明
国别省市：