本發(fā)明涉及一種水凝膠及制備方法和應(yīng)用，更具體地說，涉及一種以N-丙烯酰甘氨酸(ACG)為單體制備的PACG水凝膠及制備方法，具有高強(qiáng)度、熱塑性、PH響應(yīng)穩(wěn)定性和自修復(fù)的功能，并且具有良好的生物相容性和體內(nèi)可降解性。

背景技術(shù)：

水凝膠是以水為分散介質(zhì)，親水性而又不溶于水的且能夠吸收大量水分(通常含水量大于總質(zhì)量的50％)具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子聚合物材料。因?yàn)榫酆衔镦滈g的物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)作用而不會(huì)溶解于水中，只能溶脹且保持一定的形狀，同時(shí)，還具有良好的水滲透性，生物相容性，作為人體植入物可以減少不良反應(yīng)。因而水凝膠作為優(yōu)良的生物醫(yī)用材料得到廣泛應(yīng)用。但是，其高含水量導(dǎo)致水凝膠較差的機(jī)械性能限制了其作為生物材料尤其是力學(xué)器件的應(yīng)用，對(duì)于超分子水凝膠更是如此，尤其沒有化學(xué)鍵的作用，物理交聯(lián)的超分子水凝膠力學(xué)強(qiáng)度一般來說都較弱，因此制備制備高強(qiáng)度的超分子水凝膠具有很大的現(xiàn)實(shí)和理論的應(yīng)用。

為了解決水凝膠較差的力學(xué)性能這一問題，近期科學(xué)家們研制了以下幾種高強(qiáng)度水凝膠：雙網(wǎng)絡(luò)(DN)水凝膠，插層無機(jī)納米復(fù)合水凝膠(NC)和高分子微球復(fù)合水凝膠(MMC)。但是這些高強(qiáng)度水凝膠不兼具高的抗拉伸和抗壓縮功能(Yoshimi Tanaka，Jain Ping Gong，Yoshihito Osada.Novel hydrogels with excellent mechanical performance.(MMC)。但是這些高強(qiáng)度水凝膠不兼具高的抗拉伸和抗壓縮功能(Yoshimi Tanaka，Jain Ping Gong，Yoshihito Osada.Novel hydrogels with excellent mechanical performance.Prog.Polym.Sci.2005；30：1-9.)。僅僅靠純物理交聯(lián)作用做成高強(qiáng)度水凝膠的。最近有Gong等(Sun T L,Kurokawa T,Kuroda S,et al.Physical hydrogels composed of polyampholytes demonstrate high toughness and viscoelasticity.Nat.Mater.2013；12:932-937.)。學(xué)者利用聚電解質(zhì)做成的純物理高強(qiáng)度水凝膠，但是其含水量?jī)H有50％，而聚丙烯?；拾彼崮z不僅具有力學(xué)上的高強(qiáng)度，而且具備熱塑性和自修復(fù)功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種以N-丙烯酰甘氨酸(ACG)為單體的聚合物超分子水凝膠及其制備方法和應(yīng)用。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

以甘氨酸和丙烯酰氯為原料，依據(jù)參考文獻(xiàn)(A.Phadke,C.Zhang,B.Arman,C.C.Hsu,R.A.Mashelkar,A.K.Lele,M.J.Tauber,G.Arya,S.Varghese.Rapid self-healing hydrogels.PNAS 2012,12,4383-4388)制備出了一種側(cè)鏈同時(shí)帶有酰胺基團(tuán)和羧基基團(tuán)的單體，如下化學(xué)式所示：

利用傅里葉紅外(美國(guó)鉑金埃爾默公司)光譜證明了其成功的合成，其中它們的特征峰如下ν＝3348cm^-1(s,NH),2916cm^-1(s,C＝C),1710cm^-1(vs,C＝O),1614cm^-1(vs,C＝O),1546cm^-1(vs,NH),1227cm^-1(vs,C＝C)，附圖1所示。

高強(qiáng)度超分子水凝膠，由N-丙烯酰甘氨酸(ACG)為單體，通過自由基聚合而成的聚合物分子側(cè)鏈同時(shí)帶有酰胺基團(tuán)和羧基基團(tuán)，通過自由基聚合得到的水凝膠的含水量達(dá)到70—90％，且在水凝膠中含有鈣離子，羧基與鈣離子的電荷比是1:1(即羧基與鈣離子的摩爾比為2:1)。

高強(qiáng)度超分子水凝膠的數(shù)均分子量為25—27萬，分散度為2.3—2.4(以5mg干凝膠溶于1ml水中，利用GPC進(jìn)行測(cè)試)。

制備高強(qiáng)度超分子水凝膠的方法，按照下述步驟進(jìn)行：

將N-丙烯酰甘氨酸單體溶解并分散在水中形成均勻體系，向水中加入引發(fā)劑和鈣離子，通過引發(fā)劑引發(fā)單體上的不飽和鍵，在絕氧的條件下通過自由基聚合反應(yīng)制備出具 有高強(qiáng)度的超分子水凝膠。

在上述技術(shù)方案中，N-丙烯酰甘氨酸單體的質(zhì)量為水質(zhì)量的10—30％，引發(fā)劑的質(zhì)量為水質(zhì)量的0.1％—1％，優(yōu)選0.1％—0.5％。

在上述技術(shù)方案中，制備的水凝膠的含水量平均可在70％—90％。

在上述技術(shù)方案中，由氯化鈣提供鈣離子，N-丙烯酰甘氨酸單體的羧基與鈣離子的電荷比是1:1(即羧基與鈣離子的摩爾比為2:1)。

制備出的凝膠用傅里葉紅外光譜進(jìn)行了表征，詳見說明書附圖1，說明了單體ACG上的雙鍵打開進(jìn)行了加聚反應(yīng)，1為聚合物(聚丙烯酰胺基甘氨酸，PACG)，2為單體(N-丙烯酰胺基甘氨酸，ACG)。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，以N-丙烯酰甘氨酸(ACG)為單體，制備的水凝膠，其分子鏈的側(cè)鏈上同時(shí)帶有酰胺基團(tuán)和羧基基團(tuán)，分子間的強(qiáng)烈的分子間的氫鍵作用，(-CH₂-CH₂-)_n的“碳-碳”單鍵相連的骨架結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈(CO-NH)的酰胺基團(tuán)，-COOH可以與鈣離子形成離子鍵。N-丙烯酰甘氨酸在引發(fā)劑的條件下采用光源使引發(fā)劑提供自由基，再由自由基引發(fā)N-丙烯酰甘氨酸上的雙鍵，發(fā)生聚合反應(yīng)，最終制備的水凝膠材料中，由于氫鍵和離子鍵的協(xié)同作用，使整個(gè)水凝膠材料具有高強(qiáng)度、熱塑性和自修復(fù)的特性，同時(shí)具有良好的生物相容性和體內(nèi)可降解性。

利用引發(fā)劑提供的自由基引發(fā)ACG單體發(fā)生反應(yīng)。其中引發(fā)劑可以選擇高分子聚合領(lǐng)域中常用的水相條件下的熱引發(fā)劑，如過硫酸銨(APS)、過硫酸鉀(KPS)，或者光引發(fā)劑，如2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(Irgacure 1173)。如果選擇熱引發(fā)劑，則需要首先利用惰性氣體(如氮?dú)?、氬氣或者氦?排除反應(yīng)體系中的氧，以避免其的阻聚作用，然后根據(jù)引發(fā)劑的活性和用量，將反應(yīng)體系加熱到所用引發(fā)劑的引發(fā)溫度之上并保持相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，如1h以上或者更長(zhǎng)(1-5h)，以促使引發(fā)劑能夠長(zhǎng)時(shí)間產(chǎn)生足夠多的自由基，引發(fā)反應(yīng)體系持續(xù)發(fā)生自由基聚合反應(yīng)，最終制備本發(fā)明的水凝膠。如果選擇光引發(fā)劑，其中引發(fā)劑選擇了光引發(fā)劑2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(Irgacure 1173)。可以選用了透明密閉的反應(yīng)容器，在紫外光照射的條件下引發(fā)自由基聚合，由于光引發(fā)效率高于熱引發(fā)，因根據(jù)所選引發(fā)劑的活性和用量調(diào)整照射時(shí)間時(shí)，照射時(shí)間可短于熱引發(fā)的加熱時(shí)間，如20分鐘或者更長(zhǎng)(30min-1h)。相對(duì)于熱引發(fā)這樣可以使得實(shí)驗(yàn)時(shí)間大大減少。

N-丙烯酰甘氨酸(ACG)，由于其聚合物分子鏈的側(cè)鏈上同時(shí)帶有酰胺基團(tuán)和羧基基 團(tuán)，分子間的強(qiáng)烈的分子間的氫鍵作用和羧基和鈣離子間的離子鍵作用，使得丙烯?；拾彼崮z具有臨時(shí)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，并且此物理交聯(lián)凝膠具有良好的力學(xué)強(qiáng)度。另外，由于氫鍵和離子鍵的可逆特性，凝膠具有熱塑性和自修復(fù)的功能，同時(shí)具有良好的生物相容性和體內(nèi)可降解性。本發(fā)明提供的一種高強(qiáng)度PACG水凝膠是以N-丙烯酰甘氨酸(ACG)為原料，在引發(fā)劑存在下引發(fā)制備而成，由于氫鍵和離子鍵的協(xié)同作用，這種水凝膠具有良好的拉伸、壓縮性能，同時(shí)具有熱塑性和自修復(fù)的特性，并且具有良好的生物相容性和體內(nèi)可降解。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中單體和聚合物的紅外光譜圖，其中1為聚合物，2為單體。

圖2是本發(fā)明制備的聚合物的自修復(fù)功能示意圖。

圖3是本發(fā)明制備的聚合物的力學(xué)性能示意圖(拉伸、打結(jié)、壓縮)。

圖4是本發(fā)明制備聚合物水凝膠(PACG)在堿性條件下解離，經(jīng)解離凍干后收集到的聚合物重新形成凝膠的過程。

圖5是本發(fā)明制備聚合物水凝膠(PACG)的流變圖，其中■表示儲(chǔ)存模量G'，●表示損耗模量G"。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

以單體濃度為20％(ACG質(zhì)量占水質(zhì)量的百分?jǐn)?shù))為例。將N-丙烯酰胺甘氨酸單體(200mg)，85.55mg氯化鈣(羧基與鈣離子的電荷比是1:1)加入到1000μL的去離子水(1g)中，完全溶解后，加入光引發(fā)劑Irgacure 1173(2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮)1μL?；旌弦航?jīng)充氮?dú)獬鹾?，將混合液注入不同形狀的模具中，模具在紫外固化箱中照?0分鐘以保證充分引發(fā)自由基聚合。隨后打開模具取出凝膠。

按相同步驟制備不同單體濃度的凝膠，進(jìn)行力學(xué)性能、撕裂性能、熱塑性和自修復(fù)等實(shí)驗(yàn)過程。此凝膠樣品命名為PACG-X/PACG-X-Ca²⁺，其中X代表的是凝膠的單體濃度。在進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測(cè)試的樣品的尺寸為20mm×10mm，厚為500μm。壓縮力學(xué)性能測(cè)試的樣品尺寸為直徑10mm，高8mm的圓柱。抗撕裂性能測(cè)試樣品尺寸按照1/2GBT 529-2008A大小(寬7.5mm，長(zhǎng)50mm，缺口長(zhǎng)度20mm，厚度0.5mm)。

對(duì)制備的水凝膠進(jìn)行流變測(cè)試，如附圖5所示，此物理交聯(lián)凝膠表現(xiàn)出共價(jià)交聯(lián)凝膠的特性，在高溫下始終保持凝膠狀態(tài)，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并沒有完全被破壞，對(duì)溫度30—90攝氏度表現(xiàn)基本穩(wěn)定。

對(duì)制備的水凝膠進(jìn)行含水量的測(cè)試，PACG凝膠泡水溶脹，所以沒有像其他凝膠在泡水溶脹平衡后測(cè)含水量，故直接將在水相中制備的聚合物進(jìn)行含水量的測(cè)試，單體濃度為10％的凝膠，將100mg單體加到1ml水里，制備單體濃度為10％的凝膠，凝膠形成后，水全部被包進(jìn)凝膠里，其含水量由(濕重-干重)/濕重計(jì)算得出為90％左右，同樣單體濃度為30％的凝膠其含水量為79％左右；加入與羧酸跟電荷比為1:1的鈣時(shí)，(以制備PACG-10％-Ca2+凝膠為例：將100mg單體和42.77mg氯化鈣加入到1ml水里)，測(cè)得含水量也是90％左右，將水全部包進(jìn)凝膠里；經(jīng)過針對(duì)樣品的測(cè)試可知，制備的水凝膠的含水量平均可在70％—90％。

改變單體N-丙烯酰胺甘氨酸(ACG)單體的濃度，光引發(fā)劑Irgacure 1173的用量約為總?cè)芤后w積(即水的體積)的1％的引發(fā)劑，制備如下水凝膠樣品PACG-10/PACG-10-Ca²⁺，PACG-15/PACG-15-Ca²⁺，PACG-20/PACG-20-Ca²⁺，PACG-25/PACG-25-Ca²⁺，PACG-30/PACG-30-Ca²⁺的不同濃度的超分子聚合物水凝膠。

采用如下方法測(cè)試本發(fā)明的聚丙烯酰胺基甘氨酸(PACG)水凝膠的力學(xué)性能測(cè)試在電子萬能試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南時(shí)代有限公司)上在進(jìn)行，拉伸力學(xué)性能測(cè)試的樣品的尺寸為20mm×10mm，厚為500μm，拉伸速率為50mm/min；壓縮力學(xué)性能測(cè)試的樣品尺寸為直徑10mm，高8mm的圓柱，壓縮速率為10mm/min。這種超分子水凝膠的拉伸壓縮強(qiáng)度都能夠達(dá)到MPa的級(jí)別。另外，為了更形象地表述力學(xué)性能，凝膠能夠承受拉伸、壓縮以及打結(jié)，詳見說明書附圖3，凝膠可以承受拉伸(1)，打結(jié)、纏繞(2)，壓縮(3)，外力去除后，凝膠能迅速恢復(fù)到原始形狀。

利用如下方法檢測(cè)本發(fā)明的聚丙烯酰胺基甘氨酸(PACG)水凝膠的自修復(fù)功能。將制備好的不同濃度的水凝膠從中間切成兩半，然后將切開的兩半凝膠對(duì)上，放入密封容器中在70℃—80℃的溫度下加熱至少半小時(shí)，優(yōu)選0.5—1小時(shí)，最后切開的凝膠能夠很好地粘合在一起，并且看不出界面或者切痕，詳見說明書附圖2，其中A為制備的凝膠從中間切成兩半；B中顯示將切開的兩半凝膠對(duì)接，放在注射器里，密封后置于80℃下半個(gè)小時(shí)，冷卻后從模具取出，凝膠能夠修復(fù)，從表面上看不出切痕，A，B過程可以反復(fù)多次；C中顯示修復(fù)后的凝膠可以承受拉伸；D中顯示修復(fù)后的凝膠可以承受彎曲。

利用如下方法檢測(cè)本發(fā)明的聚丙烯酰胺基甘氨酸(PACG)水凝膠的反復(fù)使用功能。將制備好的不同濃度的水凝膠在浸泡在堿性溶液(0.1—1mol/L的氫氧化鈉水溶液)里，解離后，用分子量為3500的透析袋透析將堿液析出，經(jīng)凍干后收集到聚合物。然后將100mg聚合物溶解到加有1ml水的注射器里，在70—80℃加熱至少1h，優(yōu)選3—5h，快速注射到不同形狀的模具里，冷卻后得到濃度為10％的凝膠，以10％的凝膠為例，將收集到的聚合物重新溶解到水中進(jìn)行加熱處理即可實(shí)現(xiàn)凝膠的反復(fù)利用，有望減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)，詳見說明書附圖4。

利用如下方法檢測(cè)本發(fā)明的聚丙烯酰胺基甘氨酸(PACG)水凝膠的細(xì)胞毒性。為了測(cè)試這種高強(qiáng)度超分子水凝膠應(yīng)用于生物材料可能性。將0.2mg不同濃度的凝膠浸泡在培養(yǎng)基里，等在培養(yǎng)基中完全解離后，將100的μL浸出液加入到接種有L929細(xì)胞的24孔板里，接種密度為2×10⁴每孔，然后在每孔中加入100的μL含10％的馬血清培養(yǎng)基。在37℃和5％的CO₂環(huán)境下培養(yǎng)24小時(shí)后，將舊的培養(yǎng)基去除，每孔中換上新鮮的200的μL含10％的馬血清培養(yǎng)基，在37℃和5％的CO₂環(huán)境下培養(yǎng)24小時(shí)。用MTT法檢測(cè)到細(xì)胞存活率達(dá)到了80％以上，沒有發(fā)現(xiàn)顯著的細(xì)胞毒性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了這種凝膠具有很好的生物相容性，可以作為細(xì)胞支架等生物材料的應(yīng)用。

表1為水凝膠樣品的各項(xiàng)性能參數(shù)

壓縮強(qiáng)度：測(cè)量時(shí)，除了單體濃度為10％的PACG-10％凝膠，其余比例的凝膠壓縮到機(jī)器最大量程也無法壓縮，所以以90％應(yīng)變處的應(yīng)力作為強(qiáng)度。

PACG-X/PACG-X-Ca²⁺：X表示單體占總?cè)芤旱馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)。

在本發(fā)明內(nèi)容的范圍內(nèi)進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)整，均可制備本發(fā)明的水凝膠并表現(xiàn)出與上述實(shí)施例基本相一致的性質(zhì)。

以上對(duì)本發(fā)明做了示例性的描述，應(yīng)該說明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡(jiǎn)單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)的等同替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。