一種海藻酸鈉瓊脂雙網(wǎng)絡(luò)高強(qiáng)天然水凝膠材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種海藻酸鈉瓊脂雙網(wǎng)絡(luò)高強(qiáng)天然水 凝膠材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水凝膠作為一種由親水高分子的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成含水量高達(dá)50~90 %的軟材 料，與生物軟組織具有相似的性能，在生物軟組織替代材料領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。特別是 雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠這種具有高強(qiáng)度、高含水量以及低摩擦性能的軟材料，是優(yōu)良的軟骨組織替 代材料。近年來在具有高強(qiáng)度的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠制備方面不斷取得令人矚目的進(jìn)展:PEGMA/ PAA 雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（Sina Naficy, Joselito M.Razal, Philip G.Whitten, Gordon G .Wallace，Geoffrey M. Spinks · Polymer Physics，2012，50,423-430)、SA/PAAm雙網(wǎng)絡(luò)水 凝膠（Xuefeng Li , Chu Wu, Cheng Jiang , Qianwen Chen ,Dan Zhou . International Journal of Polymer Analysis and Characterization,2013,18(7):504-509)nPAMPS/ PDMAAm雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（Katsuhisa Yoshikawa，Nobuto Kitamura，TakayukiKurokawa，Jian Ping Gong,Yutaka Nohara and Kazunori Yasuda.BMC Musculoskeletal Disorders, 2013，14(15))、AGAR/PAAm雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（Qiang Chen,Lin Zhu,Chao Zhao,Qiuming Wang, and Jie Zheng.Advance Materials, 2013,25:4171_4176)、PVA/PAAm 雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠 (Jiangyu Li ,Zhigang Suo , Joost J.Vlassak.Journal of Materials Chemistry B. 2014,2: 6708-6713)、roGI/PAAm 雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（Xufeng Li, Takayuki Kurokawa，Riku Takahashi,Md.Anamual Haque,Youf eng Yue,Tasuku Nakaj ima, and Jian Ping Gong.Macromolecules ,2015,48:2277-2282)等。這些雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備過程中均采用化 學(xué)單體及化學(xué)交聯(lián)機(jī)理，需使用化學(xué)交聯(lián)劑、引發(fā)劑，通過化學(xué)反應(yīng)制得的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠， 這類人工合成水凝膠雖然具有較好力學(xué)性能，但是產(chǎn)物經(jīng)過充分純化后生物相容性還達(dá)不 到要求，作為軟組織的替代材料還有一定差距。Agar/Na-Alg-graft-PAAm水凝膠 (Ramavatar Meena,Mahesh Chhatbar,Kamalesh Prasad and Arup K Siddhanta.Polymer International, 2008,57:329-336)、瓊脂/膠原復(fù)合水凝膠(朱琳，賀健康，劉亞雄，曲曉麗， 占利，李滌塵，靳忠民.西安交通大學(xué)學(xué)報，2013,47(10) :121-127)，這些水凝膠雖然主體采 用天然材料使材料在生物相容性方面有所優(yōu)化，但交聯(lián)手段單一，與典型的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠 相比力學(xué)性能較差，也滿足不了軟組織的替代材料的要求。因此研發(fā)一種具有優(yōu)異力學(xué)性 能和生物相容性的高強(qiáng)全天然水凝膠已成為一項迫切和重要的工作。
[0003] 上述雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠均使用了化學(xué)單體及化學(xué)交聯(lián)，化學(xué)交聯(lián)被破壞后無法重建。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)狀，旨在提供一種高強(qiáng)度，制備方法操作簡便，耗時 短，可重復(fù)性強(qiáng)，適用于大規(guī)模生產(chǎn)，材料具有良好的生物相容性的海藻酸鈉瓊脂雙網(wǎng)絡(luò)高 強(qiáng)天然水凝膠材料的制備方法。
[0005] 本發(fā)明的目的的實現(xiàn)方式為，一種海藻酸鈉瓊脂雙網(wǎng)絡(luò)高強(qiáng)天然水凝膠材料的制 備方法，具體步驟如下：
[0006] 1)海藻酸鈉加入去離子水中，在65°C水浴中攪拌30分鐘使之充分溶解，得到海藻 酸鈉溶液;將瓊脂加入去離子水中，在95°C水浴中攪拌30分鐘，使之充分溶解于去離子水， 得到瓊脂溶液；
[0007] 所述海藻酸鈉溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.85%，瓊脂溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.21~14.53% ; [0008] 2)將步驟1)的瓊脂溶液加入到海藻酸鈉溶液中，在65 °C水浴中攪拌15分鐘，得到 混合溶液；
[0009] 所述混合溶液中瓊脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.82~10.93%，海藻酸鈉與瓊脂的質(zhì)量比為 1.0:(5.0~15.5);
[0010] 3)使用一次性注射器抽取5mL步驟2)的混合溶液，離心除去氣泡得到透明均勻的 混合溶液；
[0011] 4)將經(jīng)步驟3)經(jīng)離心除泡處理的混合溶液冷卻至室溫，在降溫過程中，瓊脂分子 鏈通過氫鍵交聯(lián)為第一重網(wǎng)絡(luò)，同時混合溶液在一次性注射器中形成預(yù)成型凝膠；
[0012] 5)切開一次性注射器，從注射器管中取出步驟4)的預(yù)成型凝膠，將預(yù)成型凝膠在 30mL CaCl2水溶液中浸泡4~6小時，Ca2+擴(kuò)散到預(yù)成型水凝膠內(nèi)部使海藻酸鈉交聯(lián)為第二 重網(wǎng)絡(luò)，得到海藻酸鈉瓊脂全物理交聯(lián)高強(qiáng)度雙網(wǎng)絡(luò)天然水凝膠；
[0013] 所述CaCl2溶液摩爾濃度為0.5mol/L~1.0mol/L。
[0014] 本發(fā)明采用兩種天然植物性提取物為原料，這兩種天然植物性提取物生物相容性 好，可降解。在制備過程中，海藻酸鈉與瓊脂在氫鍵的作用下形成預(yù)成型水凝膠，將預(yù)成型 水凝膠浸泡于Ca 2+溶液中，Ca2+與一 C0(T形成物理絡(luò)合交聯(lián)點使貫穿瓊脂網(wǎng)絡(luò)的海藻酸鈉 進(jìn)一步交聯(lián)形成高交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，得到海藻酸鈉瓊脂全物理交聯(lián)高強(qiáng)度雙網(wǎng)絡(luò)天然水凝 膠。
[0015] 本發(fā)明制備方法操作簡便，耗時短，可重復(fù)性強(qiáng)，適用于大規(guī)模生產(chǎn);采用本發(fā)明 制備的廣品強(qiáng)度尚、具有生物降解性，屬于環(huán)境友好型材料;具有良好的生物相容性，在生 物軟組織替代材料領(lǐng)域有很大應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0016] 圖1是海藻酸鈉粉末與瓊脂粉末分別加入去離子水中加熱溶解形成溶液的分子狀 態(tài)圖；
[0017] 圖2是海藻酸鈉溶液與瓊脂溶液混合后的分子形態(tài)圖；
[0018] 圖3是混合溶液經(jīng)冷卻后在氫鍵作用下形成預(yù)成型凝膠的形態(tài)圖；
[0019] 圖4是預(yù)成型凝膠浸泡于Ca2+溶液，Ca2+擴(kuò)散到預(yù)成型水凝膠內(nèi)部，使海藻酸鈉分 子鏈實現(xiàn)高交聯(lián)形成的高強(qiáng)度雙網(wǎng)絡(luò)天然水凝膠形態(tài)圖。
【具體實施方式】
[0020] 本發(fā)明采用兩種天然植物性提取物為原料，瓊脂(Agar)分子鏈含有豐富的一 0H， 瓊脂(Agar)水溶液在低于40°C以下，由于線性分子間氫鍵的作用將形成第一重網(wǎng)絡(luò)得到預(yù) 成型水凝膠。本申請人在研究中發(fā)現(xiàn)，預(yù)成型水凝膠內(nèi)含有大量的海藻酸鈉(SA)水溶液，海 藻酸鈉(SA)分子鏈?zhǔn)怯筛事短侨┧?Μ段)和古羅糖醛酸(G段)組成，在水溶液中G段上的一 CO(T會與Ca2+發(fā)生離子絡(luò)合作用，這樣海藻酸鈉(SA)不同分子鏈上的一 CO(T也就通過絡(luò)合 作用形成第二重交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)得到全物理交聯(lián)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。這種雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下， 剛性的海藻酸鈉(SA)第一重網(wǎng)絡(luò)會先破裂，Ca 2+與一 CO(T形成的物理絡(luò)合交聯(lián)點作為"犧牲 鍵"，通過"犧牲鍵"的斷裂耗散能量，防止宏觀破壞的發(fā)生，同時海藻酸鈉(SA)第一重網(wǎng)絡(luò) 破裂形成的許多碎片成為瓊脂(Agar)第二重網(wǎng)絡(luò)的物理交聯(lián)點，對凝膠網(wǎng)絡(luò)起到增強(qiáng)的作 用。
[0021] 海藻酸鈉(SA)第一重網(wǎng)絡(luò)碎片可以進(jìn)一步發(fā)生破裂，利用"犧牲鍵"的破壞耗散掉 凝膠網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的能量，減少應(yīng)力對水凝膠的破壞，"犧牲鍵"賦予海藻酸鈉瓊 脂全物理交聯(lián)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠高強(qiáng)度。Ca 2+與海藻酸鈉(SA)分子鏈上的一 C0(T形成的物理絡(luò) 合交聯(lián)點被破壞后，在溶液環(huán)境中Ca2+會再次與海藻酸鈉(SA)分子鏈上的一 C0(T絡(luò)合產(chǎn)生 新的交聯(lián)點。
[0022] 本發(fā)明采用的這種物理交聯(lián)體系的優(yōu)勢在于分子鏈的交聯(lián)被破壞后可以重建，因 此賦予水凝膠優(yōu)異的力學(xué)性能。海藻酸鈉(SA)和瓊脂(Agar)均是從藻類植物中提取得到的 天然植物性提取物，具有良好的組織相容性，在生物軟組織替代材料領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前 景。
[0023] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。圖中
[0024] &3厶粉末:3厶8&1'粉末^%//厶8&1'分子鏈.\'^厶分子鏈· Ca2+· · · ·氫鍵 [0025]本發(fā)明的具體步驟如下：
[0026] 1)海藻酸鈉（SA)粉末加入去離子水中，在65°C水浴中攪拌30分鐘使之充分溶解， 得到海藻酸鈉(SA)分子形態(tài)的水溶液;將Agar粉末加入去離子水中，在95 °C水浴中攪拌30 分鐘，使之充分溶解于去離子水，得到瓊脂(Agar)分子形態(tài)的水溶液(見圖1);
[0027]所述海藻酸鈉（SA)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.85%，瓊脂（Agar)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.21 - 14.53% ；
[0028] 2)將步驟1)的瓊脂溶液加入海藻酸鈉溶液中，在65 °C水浴中攪拌15分鐘，得到圖2 所示分子形態(tài)的混合溶液；
[0029]所述混合溶液中瓊脂(Agar)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.82~10.93%，海藻酸鈉(SA)與瓊脂 (Agar)的質(zhì)量比為1.0: (5.0~15.5);
[0030] 3)使用一次性注射器抽取5mL步驟2)的混合溶液，離心除去氣泡得到透明均勻的 混合溶液；
[0031]所述離心除去氣泡是將一次性注射器固定于離心管中，在離心管中加入10mL去離 子水，去離子水的溫度為95°C，在轉(zhuǎn)速為lOOOOrpm條件下離心15分鐘。
[0032] 4)將步驟3)經(jīng)離心除泡處理的混合溶液冷卻至室溫，在降溫過程中，瓊脂
[0033] (Agar)分子鏈通過氫鍵交聯(lián)為第一重網(wǎng)絡(luò)，同時混合溶液在一次性注射器中形成 圖3所示形態(tài)的預(yù)成型凝膠；
[0034] 5)切開一次性注射器，從注射器管中取出預(yù)成型凝膠，將預(yù)成型凝膠在CaCl2水溶 液中浸泡4~6小時，Ca 2+擴(kuò)散到預(yù)成型水凝膠內(nèi)部使海藻酸鈉(SA)交聯(lián)為第二重網(wǎng)絡(luò)，得到 如圖4所示形態(tài)的海藻酸鈉瓊脂全物理交聯(lián)高強(qiáng)度雙網(wǎng)絡(luò)天然水凝膠；
[0035] 所述CaCl2溶液摩爾濃度為0.5mol/L~1.0mol/L。
[0036]下面用具體實施例詳述本發(fā)明：
[0037] 實施例1
[0038] l)0.88g海藻酸鈉（SA)粉末加入30mL去離子水中，在65°C水浴中攪拌30分鐘使之 充分溶解，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)