一种正交各向异性结构的高分子复合材料的制备方法技术

本发明专利技术属于高分子材料技术领域，具体涉及一种正交各向异性结构的高分子复合材料的制备方法。本发明专利技术提供的正交各向异性复合水凝胶通过定向冷冻和限域干燥再溶胀方法来调控复合水凝胶的拓扑结构和力学性能，使复合水凝胶材料具有正交各向异性力学性能。本发明专利技术所制备的正交各向异性复合水凝胶具有多尺度定向排列纤维结构和双取向形成的均匀多孔结构，呈现出与生物组织相似的各向异性结构和正交力学性能，且有高的含水率和亲水性，符合作为细胞外基质的生物化学性能要求。本发明专利技术的制备方法可以基于多种材料制备正交各向异性水凝胶，是一种简便通用的工艺。一种简便通用的工艺。一种简便通用的工艺。

【技术实现步骤摘要】
一种正交各向异性结构的高分子复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于高分子材料
，具体涉及一种正交各向异性结构的高分子复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]水凝胶是一类重要的高分子材料，可用作组织工程材料，具有柔软的三维网状结构、高含水量、优异的生物相容性等独特性质。特别是，通过调节聚合物链的排列方式和网络的形成过程可以对水凝胶的拓扑结构、机械和化学性能进行调控，易于改性，设计灵活，极大地拓展了水凝胶的应用范围，被广泛用于组织工程，药物释放和传感执行器等领域。
[0003]生物组织由于其发达的微观结构，通常表现出优异的各向异性力学性能。如肌肉，具有多尺度层次的各向异性结构；肌腱具有高强韧性和多尺度定向排列结构。这些天然组织以通过自然进化选择的多尺度各向异性结构，来实现特定的生理功能。受生物系统启发，开发一系列对各种机械和环境条件具有高度适应性的仿生多尺度水凝胶成为研究的热点。
[0004]中国专利CN201910948487.9公开了一种用3D打印方法制备各向异性水凝胶的方法，该制备方法得到的各向异性水凝胶，虽然可以呈现出多种图案化结构，但是力学性能在平行和垂直方向上都较差，而且对材料的选择较为单一。现有方法制备的各向异性水凝胶在结构上通常表现为沿拉伸方向单向取向，对于这一类水凝胶来说，非取向方向上的力学性能较差，桎梏其应用。比如通过冰模板和退火策略使水凝胶聚合物链沿着冰生长方向取向，力学性能大幅度提升，但垂直于冰生长方向上的力学性能较低。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种正交各向异性结构的高分子复合材料的制备方法。本专利技术制备得到的水凝胶具有正交各向异性拓扑结构和力学性能，多方向取向，力学性能好。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种正交各向异性结构的高分子复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]将柔性聚合物和刚性聚合物的混合物依次进行定向冷冻、干燥和溶胀，得到定向冷冻水凝胶；
[0009]将所述定向冷冻水凝胶依次进行限域干燥和再溶胀，得到所述具有正交各向异性结构的高分子复合材料。
[0010]优选的，所述刚性聚合物包括纤维素或纤维素衍生物。
[0011]优选的，所述纤维素包括TEMPO氧化的纤维素纳米纤维。
[0012]优选的，所述柔性聚合物包括聚乙烯醇。
[0013]优选的，所述刚性聚合物的质量为所述柔性聚合物的质量的2～40％。
[0014]优选的，所述定向冷冻在模具中进行，所述模具为聚四氟乙烯模具，所述聚四氟乙烯模具为长方体。
[0015]优选的，所述限域干燥的时间为12～48h。
[0016]优选的，所述再溶胀的时间为2～12h。
[0017]本专利技术还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的具有正交各向异性结构的高分子复合材料，所述高分子复合材料的孔径为200～400nm。
[0018]本专利技术还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的具有正交各向异性结构的高分子复合材料在制备人工细胞外基质中的应用。
[0019]本专利技术提供了一种正交各向异性结构的高分子复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0020]将柔性聚合物和刚性聚合物的混合物依次进行定向冷冻、干燥和溶胀，得到定向冷冻水凝胶；将所述定向冷冻水凝胶依次进行限域干燥和再溶胀，得到所述具有正交各向异性结构的高分子复合材料。
[0021]本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0022]本专利技术通过定向冷冻和限域干燥、再溶胀的方法来调控水凝胶的拓扑结构和力学性能，使水凝胶材料具有正交各向异性力学性能。本专利技术通过定向冷冻，诱导聚合物链沿冰晶生长方向取向，初步形成具有各向异性结构的水凝胶，然后进行限域干燥、再溶胀，使聚合物链沿受力方向延伸重排，制备得到具有正交各向异性拓扑结构的水凝胶，力学性能好。
[0023]进一步地，本专利技术的制备方法简便、通用，可以基于多种材料制备正交各向异性水凝胶，包括任意由聚乙烯醇与纤维素(或纤维素衍生物)组成的复合水凝胶。
[0024]本专利技术还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的具有正交各向异性结构的高分子复合材料，孔径为200～400nm。本专利技术所制备的正交各向异性水凝胶具有单取向的多尺度定向排列的纤维结构和双取向的均匀多孔结构，呈现出与生物组织相似的各向异性结构，且具有高的含水率和亲水性，符合作为细胞外基质的生物化学性能要求。
[0025]实施例数据表明，采用本专利技术的制备方法得到的具有正交各向异性的复合水凝胶，沿平行和垂直方向的力学性能(断裂应力、断裂伸长率、弹性模量、韧性)都显著提高。单取向的正交各向异性复合水凝胶在平行方向的断裂应力为4.90MPa，断裂伸长率为319％，弹性模量为1.55MPa，韧性为1117.18J/m2；垂直方向的断裂应力为1.27MPa，断裂伸长率为145％，弹性模量为1.03MPa，韧性为361.62J/m2。双取向的正交各向异性复合水凝胶在平行方向的断裂应力为3.25MPa，断裂伸长率为320％，弹性模量为0.85MPa，韧性为402.74J/m2；垂直方向的断裂应力为1.86MPa，断裂伸长率为130％，弹性模量为1.62MPa，韧性为422.64J/m2；双取向的正交各向异性复合水凝胶的含水率和水接触角分别为77.99％和31.4
°
。
[0026]本专利技术还提供了上述技术方案所述的制备方法的得到的具有正交各向异性结构的高分子复合材料在制备人工细胞外基质中的应用。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例和对比例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1为实施例1制备的PC
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DF/CDR
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P和实施例2制备的PC
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V正交各向异性复合水凝胶的SEM图，其中a为实施例1制备的PC
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P平行于定向冷冻方向的截面，b为实施例1制备的PC
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P垂直于定向冷冻方向的截面，c为实施例2制备的PC
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V平行于定向冷冻方向的截面，d为实施例2制备的PC
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V垂直于定向冷冻方向的截面；
[0029]图2为实施例1制备的PC
20％<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种正交各向异性结构的高分子复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将柔性聚合物和刚性聚合物的混合物依次进行定向冷冻、干燥和溶胀，得到定向冷冻水凝胶；将所述定向冷冻水凝胶依次进行限域干燥和再溶胀，得到所述具有正交各向异性结构的高分子复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述刚性聚合物包括纤维素或纤维素衍生物。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述纤维素包括TEMPO氧化的纤维素纳米纤维。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述柔性聚合物包括聚乙烯醇。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述刚性聚合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雪慧，王艳芹，武晓刚，王景辉，余雯雯，朱凤博，刘付永，张志毅，陈维毅，郑强，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：