一种基于氨基酸异氰酸酯类衍生物的高韧性复合水凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术属于高分子水凝胶技术领域，具体涉及一种基于氨基酸异氰酸酯类衍生物的高韧性复合水凝胶及其制备方法，本发明专利技术将氨基酸异氰酸酯类衍生物作为氢键增强基元进行自由基聚合，或者与水溶性丙烯酰胺类单体进行自由基聚合，也可以引入纳米粘土作为无机填料增强水凝胶的强度及韧性。本发明专利技术所提供的粘土基纳米复合水凝胶原料廉价易得，制备方法简单便捷，该水凝胶具有优异的综合力学性能，良好的生物相容性，为水凝胶材料在生物医学、组织工程、柔性传感等领域的应用提供了新的选择。传感等领域的应用提供了新的选择。传感等领域的应用提供了新的选择。

【技术实现步骤摘要】
一种基于氨基酸异氰酸酯类衍生物的高韧性复合水凝胶及其制备方法


[0001]本专利技术属于高分子水凝胶
，具体涉及一种基于氨基酸异氰酸酯类衍生物的高韧性复合水凝胶及其制备方法。

技术介绍

[0002]水凝胶是由交联聚合物和丰富的水组成的三维网络，在生物传感器、组织工程、药物传递等领域受到广泛关注。然而，传统的化学交联水凝胶由于其拓扑结构的不均匀，且缺乏有效的能量耗散机制，其力学性能(如机械强度低、拉伸性能差、韧性差、自恢复性等)往往很差，很大程度上限制水凝胶材料的进一步应用。近年来，人们致力于开发具有高拉伸韧性、强弹性、抗疲劳性等综合力学性能的水凝胶。双网络(DN)水凝胶通过将脆性网络引入柔性网络以增韧水凝胶。在外应力下，脆性网络的共价键被破坏以耗散能量，而柔性网络吸收能量以防止裂纹扩展并保持水凝胶的完整性。然而，共价键的不可逆断裂会造成材料的永久性损伤，导致水凝胶的抗疲劳性能较差。为了解决这一问题，在水凝胶中引入物理可逆的“牺牲键”来代替不可逆的共价键是一种有效的策略。氢键、离子键、范德华相互作用、π
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π相互作用和疏水相互作用等都是作为可逆“牺牲键”的潜在候选者。
[0003]作为主要的非共价相互作用，氢键在生物大分子的组装中起着重要作用。尽管单个氢键的键能很弱，但是大分子的聚集会形成多个氢键，具有与共价键相当的强度。研究表明，将多个氢键基元引入水凝胶是提高水凝胶强度和韧性的有效策略。荷兰埃因霍芬理工大学Meijer教授和美国哈佛大学Vlassak教授分别将2
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脲基
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4[1H]嘧啶酮(UPy)引入聚合物的设计中，通过UPy分子间的四重氢键交联作用制备了具有优异力学性能的水凝胶材料；天津大学刘文广教授设计制备了一系列具有多重氢键交联的氨基酸类衍生物聚合物水凝胶网络，具有较强的刚度、强度和韧性。然而，大多数韧性水凝胶是由生物相容性和生物降解性较差的合成聚合物制备的，因此限制了它们在生物医学领域的应用，并且现有的韧性水凝胶对裂纹的抵抗力较差，在多次机械载荷循环下仍然不可避免地产生疲劳断裂。同时，需要大量费时费力的有机合成实验去进行分子设计。因此，开发一种简单有效的方法来制备一种同时具有高韧性、抗疲劳性、良好生物相容性的水凝胶材料是至关重要的。
[0004]基于氨基酸类衍生物的水凝胶，不仅能够形成多重氢键作为“牺牲键”提高水凝胶的韧性、强度和抗疲劳性，而且作为生物体内普遍存在的物质，氨基酸也具有良好的生物活性，因此有望提高水凝胶的生物相容性。
[0005]2D合成纳米粘土，如锂皂石，具有圆盘状形态，并呈现边缘带正电，表面带负电的双电荷表面，可以与聚合物产生静电相互作用。聚合物和纳米粘土之间相互作用的解离可以耗散大量能量并延缓水凝胶网络的破坏，因此，锂皂石纳米片常被用作纳米填料来制备高强度的纳米凝胶。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对上述现有技术的不足，提供一种复合水凝胶，将氨基酸异氰酸酯类衍生物作为氢键增强基元进行自由基聚合，增强其生物相容性，或者与水溶性丙烯酰胺类单体进行自由基聚合，也可以引入纳米粘土作为无机填料以增强水凝胶的强度及韧性，弥补了现有技术中韧性水凝胶一方面生物相容性和生物降解性差，另一方面抗疲劳性和自恢复性较差，导致其无法在人体组织的连续运动中保持稳定的机械强度，限制了其在生物医学领域方面的应用的缺陷。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0008]本专利技术提供一种基于氨基酸异氰酸酯类衍生物的高韧性复合水凝胶及其制备方法，所述高韧性复合水凝胶：
[0009]由
①
在纳米粘土的水性悬浊液中，加入氨基酸异氰酸酯类衍生物进行自由基聚合获得，所述纳米粘土的水性悬浊液的质量分数大于0且小于等于8％，所述氨基酸异氰酸酯类衍生物的添加量为0.01
‑
3mol/L。
[0010]或者由
②
在氨基酸异氰酸酯类衍生物的水溶液中加入水溶性丙烯酰胺类单体进行自由基聚合获得，所述氨基酸异氰酸酯类衍生物的水溶液浓度为0.01～3mol/L，所述水溶性丙烯酰胺类单体的添加量为大于0且小于等于6mol/L。
[0011]或者由
③
在纳米粘土的水性悬浊液中，加入氨基酸异氰酸酯类衍生物和水溶性丙烯酰胺类单体进行自由基聚合获得，所述纳米粘土的水性悬浊液的质量分数大于0且小于等于8％，所述氨基酸异氰酸酯类衍生物的添加量为0.01
‑
3mol/L，所述水溶性丙烯酰胺类单体的添加量为大于0且小于等于6mol/L。
[0012]进一步地，所述氨基酸异氰酸酯类衍生物选自：
[0013][0014]进一步地，所述水溶性丙烯酰胺类单体选自丙烯酰胺、N,N
‑
二甲基丙烯酰胺、N
‑
(2
‑
氨基乙基)丙烯酰胺。
[0015]进一步地，所述纳米粘土为锂皂石。
[0016]上述高韧性复合水凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
[0017](1)将纳米粘土充分分散于去离子水中，得到均匀的水性悬浮液；
[0018](2)将水溶性丙烯酰类单体和氨基酸异氰酸酯类衍生物溶解于粘土悬浮液中，涡旋振荡后使其混合均匀得到混合液；
[0019](3)待步骤(2)中混合液待恢复至室温后，加入引发剂，混合均匀经过处理后得到高韧性复合水凝胶；所述处理方式选自a)加入引发剂促进剂，然后一定温度下静置一定时间；b)经紫外灯照射。
[0020]在本专利技术的技术方案中，步骤(1)中所述水性悬浮液中纳米粘土的浓度为0
‑
8wt％，步骤(2)得到的混合液中所述氨基酸异氰酸酯类衍生物的浓度为0.01
‑
3mol/L，所述水溶性丙烯酰类单体的浓度为0～6mol/L。当纳米粘土的使用量为0时，省去步骤(1)，步骤(2)中将水溶性丙烯酰类单体和氨基酸异氰酸酯类衍生物溶解于去离子水中。
[0021]在本专利技术的技术方案中，所述引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化苯甲酰、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、光引发剂2959、光引发剂1173。
[0022]在本专利技术的技术方案中，所述引发剂的添加量为所述水溶性丙烯酰胺类单体与所述氨基酸异氰酸酯类衍生物质量之和的0.5～2％。
[0023]在本专利技术的技术方案中，所述引发剂促进剂为N，N，N，N
‑
四甲基乙二胺，所述引发剂促进剂的的添加量为所述引发剂质量的0～30％。
[0024]在本专利技术的技术方案中，步骤(2)中聚合温度选自20～80℃。
[0025]在本专利技术的技术方案中，步骤(2)中聚合反应时间为20min～24h。
[0026]上述技术方案具有如下优点或者有益效果：本专利技术提供了一种基于氨基酸异氰酸酯类衍生物的高韧性复合水凝胶及其制备方法，本专利技术通过氨基酸异氰酸酯类衍生物作为氢键增强基元进行自由基聚合，或者与水溶性丙烯酰胺类单体进行自由基聚合获得水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于氨基酸异氰酸酯类衍生物的高韧性复合水凝胶，其特征在于，所述高韧性复合水凝胶：由
①
在纳米粘土的水性悬浊液中，加入氨基酸异氰酸酯类衍生物进行自由基聚合获得，所述纳米粘土的水性悬浊液的质量分数大于0且小于等于8％，所述氨基酸异氰酸酯类衍生物的添加量为0.01
‑
3mol/L；或者由
②
在氨基酸异氰酸酯类衍生物的水溶液中加入水溶性丙烯酰胺类单体进行自由基聚合获得，所述氨基酸异氰酸酯类衍生物的水溶液浓度为0.01～3mol/L，所述水溶性丙烯酰胺类单体的添加量为大于0且小于等于6mol/L；或者由
③
在纳米粘土的水性悬浊液中，加入氨基酸异氰酸酯类衍生物和水溶性丙烯酰胺类单体进行自由基聚合获得，所述纳米粘土的水性悬浊液的质量分数大于0且小于等于8％，所述氨基酸异氰酸酯类衍生物的添加量为0.01
‑
3mol/L，所述水溶性丙烯酰胺类单体的添加量为大于0且小于等于6mol/L。2.根据权利要求1所述的高韧性复合水凝胶，其特征在于，所述氨基酸异氰酸酯类衍生物选自3.根据权利要求1所述的高韧性复合水凝胶，其特征在于，所述水溶性丙烯酰胺类单体选自丙烯酰胺、N,N
‑
二甲基丙烯酰胺、N
‑
(2
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氨基乙基)丙烯酰胺。4.根据权利要求1所述的高韧性复合水凝胶，其特征在于，所述纳米粘土为锂皂石。5.根据权利要求1
‑
4任一所述的高韧性复合水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将纳米粘土充...

【专利技术属性】
技术研发人员：成一龙，张梦园，于静，王茹月，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：