一种力学性能可调控的材料及制备方法和应用

技术领域

本发明涉及医疗材料技术领域，具体涉及一种力学性能可调控的材料及制备方法和应用。

背景技术

运动损伤如骨折、肌肉拉伤或关节扭伤等都需要进行局部的固定，现有的主要骨折固定为石膏绷带固定，但是传统的石膏固定技术，有着明显的缺陷，所用的石膏只能一次性使用，不可重复利用，造成了一定程度的浪费。另外，现有的石膏脆性大容易产生裂纹。

在水的作用下，传统的水凝胶能够快速溶胀并吸收大量水分，但同时保持其原始的结构和形状。这种材料的性质使得它在多个领域有广泛的应用，包括医疗、农业、环保以及食品工业等。水凝胶为凝胶状态，具有高吸水能力，但是其机械强度普遍较低。

因此，现有技术有待于进一步发展。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种力学性能可调控的材料及制备方法和应用，并提供如下技术方案：

一种力学性能可调控的材料的制备方法，将水凝胶进行脱水处理，其中控制水凝胶脱水率为30％-100％。

进一步的，制备所述水凝胶的原料包括丙烯酰胺、聚乙烯醇、扩链剂、引发剂和水。

进一步的，按照质量份数计算，所述丙烯酰胺为15-50份、聚乙烯醇为5-15份，扩链剂为1-2份，引发剂为0.1-0.2份，水为100份。

进一步的，所述聚乙烯醇为10份。

进一步的，所述脱水率为70％。

进一步的，所述脱水的方式为超临界干燥或自然干燥，所述超临界干燥的温度为28-35℃，所述超临界干燥的压力为5-8MPa。

另外，本申请还提供了一种由上述的力学性能可调控的材料的制备方法得到的力学性能可调控的材料。

一种上述的力学性能可调控的材料的应用，所述力学性能可调控的材料作为骨折固定材料的应用。

有益效果：

1、本发明的力学性能可调控的材料可以逐步实现从凝胶状态到塑料状态的转变，其拉伸强度可以实现四个数量级的提升(10

2、本发明将制备的力学性能可调控的材料应用至骨折固定材料，利用力学性能可调控的材料从凝胶状态到固态的逐步变化，将力学性能可调控的材料处于凝胶态时固定到患者需要固定的位置，等到脱水到一定程度后，学性能可调控的材料会从凝胶态到弹性体再到塑料状态，实现迅速固定，并且根据患处的不同形状，学性能可调控的材料在凝胶态时可以随时改变自身形状来贴合患处。

3、本发明的力学性能可调控的材料作为骨折固定材料进行固定后，其形态可逆，通过吸收水后可以恢复至凝胶态。

附图说明

图1是本发明的实施例2中的2-30、2-70和2-100以及2-0材料的应力-应变图；

图2是本发明的实施例3中的3-30、3-70和3-100以及3-0材料的应力-应变图；

图3是本发明的实施例4中的4-30、4-70和4-100以及4-0材料的应力-应变图。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

根据本发明实施例，提供了一种力学性能可调控的材料的制备方法，将水凝胶进行脱水处理，其中控制水凝胶脱水率为30％-100％。按照质量份数计算，所述丙烯酰胺为15-50份、聚乙烯醇为5-15份，扩链剂为1-2份，水为100份。

实施例1探究聚乙烯醇的用量对力学性能可调控的材料性能的影响

控制聚乙烯醇的用量分别为5份、10份、15份。然后按质量份数计，将丙烯酰胺20份、聚乙烯醇、扩链剂聚乙二醇二丙烯酸酯1.6份、紫外光引发剂819 0.15份和水100份作为水凝胶制备配方制备得到水凝胶，将水凝胶以自然干燥的方式进行脱水，控制脱水率达到70％得到不同的力学性能可调控的材料，将得到的力学性能可调控的材料分别命名为1-5、1-10和1-15。

另外，为了进行对比，设置不加入聚乙烯醇的对比试验，按质量份数计，将丙烯酰胺20份、扩链剂聚乙二醇二丙烯酸酯1.6份、紫外光引发剂819 0.15份和水100份作为水凝胶制备配方制备得到水凝胶，将水凝胶进行脱水，控制脱水率达到70％得到相应的材料1-0。

将1-5、1-10和1-15以及1-0分别进行相关的力学性能测试，测试结果如下所示。

首先，进行了撕裂强度和断裂伸长率的测试，测试结果如下表1所示。表1实施例1中1-5、1-10和1-15以及1-0材料的撕裂强度和断裂伸长率测试结果

由上表1可以看出，随着聚乙烯醇用量的增加，撕裂强度和断裂伸长率也增大，当不加入聚乙烯醇时，材料由凝胶状态直接转变为塑料状态，发生脆性断裂。

另外，还进行了弹性模量的测试，测试结果如下表2所示。

表2实施例1中1-5、1-10和1-15以及1-0材料的弹性模量测试结果

由上表2可以看出，当不加入聚乙烯醇时，材料的弹性模量最大，从而也证明了材料由凝胶状态直接转变为塑料状态。

实施例2探究聚乙烯醇为10份时脱水率对力学性能可调控的材料性能的影响

控制脱水率分别为30％、70％、100％。然后按质量份数计，将丙烯酰胺20份、聚乙烯醇10份、扩链剂聚乙二醇二丙烯酸酯1.6份、紫外光引发剂819 0.15份和水100份作为水凝胶制备配方制备得到水凝胶，将水凝胶以自然干燥的方式进行脱水，得到不同的力学性能可调控的材料，将得到的力学性能可调控的材料分别命名为2-30、2-70和2-100。

另外，为了进行对比，设置脱水率为0的对比试验，按质量份数计，将丙烯酰胺20份、聚乙烯醇10份、扩链剂聚乙二醇二丙烯酸酯1.6份、紫外光引发剂819 0.15份和水100份作为水凝胶制备配方制备得到水凝胶，不进行脱水，得到相应的材料2-0。

将2-30、2-70和2-100以及2-0分别进行相关的力学性能测试，测试结果如下表3所示。

表3实施例2中2-30、2-70和2-100以及2-0材料的撕裂强度和断裂伸长率测试结果

另外，还进行了弹性模量的测试，测试结果如下表4所示。

表4实施例2中2-30、2-70和2-100以及2-0材料的弹性模量测试结果

由表3和表4可以看出，脱水率为0时，撕裂强度为0，这说明当不进行脱水时，材料为凝胶态，随着脱水率的增加，材料的撕裂强度逐渐增大，断裂伸长率逐渐降低，说明材料在不同的脱水率下具有不同的状态。弹性模量逐渐增大。

还进行了拉伸强度的测试，测试结果如图1所示。从图1可以看出，2-0材料为软而弱型的材料，依然为凝胶状态；随着脱水率的增加，材料逐渐由凝胶态向弹性体变化，进一步变成硬而强型的材料。

实施例3探究聚乙烯醇为5份时脱水率对力学性能可调控的材料性能的影响

控制脱水率分别为30％、70％、100％。然后按质量份数计，将丙烯酰胺20份、聚乙烯醇5份、扩链剂聚乙二醇二丙烯酸酯1.6份、紫外光引发剂819 0.15份和水100份作为水凝胶制备配方制备得到水凝胶，将水凝胶以自然干燥的方式进行脱水，得到不同的力学性能可调控的材料，将得到的力学性能可调控的材料分别命名为3-30、3-70和3-100。

另外，为了进行对比，设置脱水率为0的对比试验，按质量份数计，将丙烯酰胺20份、聚乙烯醇5份、扩链剂聚乙二醇二丙烯酸酯1.6份、紫外光引发剂819 0.15份和水100份作为水凝胶制备配方制备得到水凝胶，不进行脱水，得到相应的材料3-0。

将3-30、3-70和3-100以及3-0分别进行相关的力学性能测试，测试结果如下表5所示。

表5实施例3中3-30、3-70和3-100以及3-0材料的撕裂强度和断裂伸长率测试结果

另外，还进行了弹性模量的测试，测试结果如下表6所示。

表6实施例3中3-30、3-70和3-100以及3-0材料的弹性模量测试结果

由表5和表6可以看出，脱水率为0时，撕裂强度为0，这说明当不进行脱水时，材料为凝胶态，随着脱水率的增加，材料的撕裂强度逐渐增大，断裂伸长率逐渐降低，说明材料在不同的脱水率下具有不同的状态。另外，对比表3的数据，当聚乙烯醇的用量由5份增加至10份时，不论是撕裂强度、断裂伸长率还是弹性模量都增大。

还进行了拉伸强度的测试，测试结果如图2所示。由图2可以看出，聚乙烯醇的用量为5份时，材料在脱水率为70％时为弹性材料，当脱水率达到100％时，其塑性较大。

实施例4探究聚乙烯醇为15份时脱水率对力学性能可调控的材料性能的影响

控制脱水率分别为30％、70％、100％。然后按质量份数计，将丙烯酰胺20份、聚乙烯醇15份、扩链剂聚乙二醇二丙烯酸酯1.6份、紫外光引发剂819 0.15份和水100份作为水凝胶制备配方制备得到水凝胶，将水凝胶以自然干燥的方式进行脱水，得到不同的力学性能可调控的材料，将得到的力学性能可调控的材料分别命名为4-30、4-70和4-100。

另外，为了进行对比，设置脱水率为0的对比试验，按质量份数计，将丙烯酰胺20份、聚乙烯醇15份、扩链剂聚乙二醇二丙烯酸酯1.6份、紫外光引发剂819 0.15份和水100份作为水凝胶制备配方制备得到水凝胶，不进行脱水，得到相应的材料4-0。

将4-30、4-70和4-100以及4-0分别进行相关的力学性能测试，测试结果如下表7所示。

表7实施例4中4-30、4-70和4-100以及4-0材料的撕裂强度和断裂伸长率测试结果

另外，还进行了弹性模量的测试，测试结果如下表8所示。

表8实施例4中4-30、4-70和4-100以及4-0材料的弹性模量测试结果

由表7和表8可以看出，脱水率为0时，撕裂强度为0，这说明当不进行脱水时，材料为凝胶态，随着脱水率的增加，材料的撕裂强度逐渐增大，断裂伸长率逐渐降低，说明材料在不同的脱水率下具有不同的状态。弹性模量逐渐增大。并且与上表3-4和上表5-6相比，在脱水率为30％时，4-30材料已经具有一定的弹性。

还进行了拉伸长度的测试，测试结果如图3所示。随着脱水率的增加，材料由开始的凝胶状态变为弹性状态，最后变为塑性状态，当聚乙烯醇的用量为15份时，脱水率从30％至70％之间都处于弹性状态。

当聚乙烯醇的用量大于15份时，聚乙烯醇含量过大会造成聚乙烯醇部分与聚丙烯酰胺部分相分离产生，在拉伸过程中成为缺陷而使拉伸强度降低，断裂伸长率降低。

当然，脱水的方式还可以为超临界干燥，超临界干燥的温度为28-35℃，所述超临界干燥的压力为5-8MPa。

应用实施例1

选用25只SPF级SD雄性大鼠，体质量205～255g，饲养条件:23～26℃，相对湿度44％～73％，噪音＜85dB，提供充足日常饮水和食物，按照《实验动物管理条例》规定进行实验。将25只雄性大鼠进行建模，麻醉后将其仰卧位固定，然后暴露胫骨骨干，用骨钳截断形成骨折模型，将2mm克氏针逆行向上打入胫骨上端，穿出皮肤后钳断克氏针尾，再顺行打入胫骨干，固定好后活力碘冲洗，在骨折周围滴入3滴庆大霉素，缝合伤口，术毕肌注青霉素7万U，连续3d。然后随机将建模成功的雄性大鼠平均分为第一至第五组，每组5只大鼠。第一组的雄性大鼠选用以丙烯酰胺20份、聚乙烯醇10份、扩链剂聚乙二醇二丙烯酸酯1.6份、紫外光引发剂8190.15份和水100份作为水凝胶制备配方制备得到水凝胶，将水凝胶涂覆在骨折处脱水至70％进行固定。第二组的雄性大鼠选用以丙烯酰胺20份、聚乙烯醇15份、扩链剂聚乙二醇二丙烯酸酯1.6份、紫外光引发剂819 0.15份和水100份作为水凝胶制备配方制备得到水凝胶，将水凝胶涂覆在骨折处脱水至70％进行固定。第三组的雄性大鼠选用以丙烯酰胺20份、聚乙烯醇15份、扩链剂聚乙二醇二丙烯酸酯1.6份、紫外光引发剂819 0.15份和水100份作为水凝胶制备配方制备得到水凝胶，将水凝胶涂覆在骨折处脱水至100％进行固定。第四组的雄性大鼠选用以丙烯酰胺20份、扩链剂聚乙二醇二丙烯酸酯1.6份、紫外光引发剂819 0.15份和水100份作为水凝胶制备配方制备得到水凝胶，将水凝胶涂覆在骨折处脱水至100％进行固定。第五组的雄性大鼠选用现有技术的石膏进行固定。各个组的雄性大鼠分别固定5周后拆除固定材料。由于骨折后容易发生肿胀，选用石膏时需要打衬垫石膏。但是，前三组无需打衬垫，通过控制其脱水率实现力学性能的调控，使得对肿胀有缓冲余地。

表1应用实施例1中五组雄性大鼠的实验结果

第一至三组不仅能够作为骨折固定材料而且力学性能可调控，从最初涂覆时的凝胶态，涂覆后随着脱水率的增加逐步变为弹性体最后变为塑性体，不会由于过硬或者过脆而导致骨折固定材料产生裂纹或者彻底裂开。第四组的骨折固定材料由于未加入聚乙烯醇，从最初涂覆时的凝胶态，涂覆后随着脱水率的增加直接变为塑性体，脆性增大以至于产生了轻微裂纹。但是前四组骨折固定材料在拆卸后浸泡在水中吸水后能够恢复至凝胶态重新进行使用。现有技术中的石膏固定，固定效果可以但是由于材质问题，一方面不能重复利用，另一方面，容易产生裂纹并且对骨折肿胀处没有缓冲余地。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。