一种基于亚胺键和酰腙键双交联自修复凝胶及其制备方法

技术领域

本发明属于凝胶制备技术领域，具体涉及一种基于亚胺键和酰腙键双交联自修复凝胶及其制备方法。

背景技术

水凝胶是一种柔软的含水材料，在使用过程中难免会造成凝胶材料的破损，这大大限制了水凝胶的使用寿命以及安全性。因此，越来越多的研究人员致力于研究可自修复的水凝胶材料。在构建自修复水凝胶时主要通过可逆的物理作用、配位键或动态共价键形式。当水凝胶被破坏后，水凝胶材料的部分化学键或作用力消失；此时被破坏的水凝胶材料内部结构重新通过物理作用力、配位键或动态共价键修复。一些自愈合水凝胶可以自发的对损伤进行修复而另一种则需要外加刺激的干预(如pH、光、温度)，因此将自修复过程可以分为自发性和非自发性。早期的自修复材料是将微胶囊、纳米容器或含有单体、交联剂或催化剂的微脉管系统置于凝胶材料内部。当损伤发生时，这些愈合剂会释放到凝胶基质中，从而诱导原位聚合后修复水凝胶的损伤。这种方法制备水凝胶难度大，并且只可进行一次愈合剂的植入或者只能进行一次自修复，这大大限制了自愈合材料的使用寿命。所以研究高效的可自发性进行愈合的水凝胶材料成为现在的研究热点。

现有发明专利CN2022100069618公开提供一种胶原基可注射自修复水凝胶及其制备方法，该胶原基可注射自修复水凝胶通过采用氧化魔芋葡甘聚糖与胶原之间的动态席夫碱键交联，在此基础上再通过添加壳聚糖阻碍胶原分子发生自组装，从而制备得到具有良好自愈合性能的水凝胶，然而制备方式是通过单交联反应，致使其力学性能比较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于亚胺键和酰腙键双交联自修复凝胶及其制备方法，解决了现有技术中自愈合水凝胶存在的自愈合水凝胶力学性能和自愈合速率差的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种基于亚胺键和酰腙键双交联自修复凝胶的制备方法，包括以下过程：

制备酰肼键化合物：

将可降解天然高分子加入去离子水中溶解形成高分子溶液，再加入水合肼，搅拌反应后，得到混合溶液；

将混合溶液加入有机溶剂中析出，得到白色沉淀物，抽滤，烘干，则得到酰肼键化合物；

制备氧化海藻酸钠：

调节海藻酸钠溶液pH为酸性，加入氧化剂溶液避光氧化，后加入乙二醇和氯化钠终止氧化反应；

终止反应一段时间后加入有机溶剂，析出沉淀，抽滤，用去离子水溶解产物，再用乙醇析出、抽滤，如此反复多次后进行冷冻干燥，得到氧化海藻酸钠；

将氧化海藻酸钠溶于去离子水配置成氧化海藻酸钠溶液；

制备自修复水凝胶：

将腐植酸盐与酰肼键化合物的混合溶液搅拌，在水浴条件下反应；

后加入氨基多糖溶液和氧化海藻酸钠溶液，充分搅拌，反应至体系呈现粘稠状，停止加热并取出，冷冻干燥后，得到所述基于亚胺键和酰腙键双交联自修复凝胶。

进一步，高分子溶液中，可降解天然高分子与去离子水的质量比为(1-5)：(90-100)；

所述可降解天然高分子与水合肼的质量比为(1-5)：(5-25)。

进一步，可降解天然高分子与水合肼的反应时间为20-24h。

进一步，可降解天然高分子为果胶、明胶、天然聚酯和琼脂中的一种或几种；

所述氧化剂为高碘酸钠、偏高碘酸钠、过氧化氢酶、铬酸、次氯酸和二氧化锰中的一种或几种；

所述有机溶剂为乙醇、甲醇、异丙醇、乙醚和氯仿中的一种或几种。

进一步，所述海藻酸钠、氧化剂、乙二醇和氯化钠的质量比为(1-4):(8-12)：(2-3)：(3-5)。

进一步，所述海藻酸钠溶液中海藻酸钠和水的质量比为(1-4):(90-100)；

所述制备的氧化海藻酸钠溶液中，氧化海藻酸钠与水的质量比为(1-3):(60-75)；

调节海藻酸钠溶液pH为4-6，避光氧化时间为20-24h，终止反应时间为15-20min。

进一步，腐植酸盐溶液中腐植酸盐与水的质量比为(1-4)：(90-100)，氨基多糖溶液中的氨基多糖与水的质量比为(1-5)：(90-100)；

腐植酸盐溶液、酰肼键化合物、氨基多糖溶液与氧化海藻酸钠溶液的质量比为(1-4)：(3-5)：(6-10)：(6-10)。

进一步，所述腐植酸盐为腐植酸钾、腐植酸钠中的任一种或多种的混合物；

所述氨基多糖为透明质酸、壳聚糖、羧甲基壳聚糖、羟丙基壳聚糖、甲壳素和氨基葡聚糖中的一种或几种。

进一步，水浴温度为45-55℃，冷冻干燥时间为32-48h。

本发明还公开了基于所述制备方法制备得到的基于亚胺键和酰腙键双交联自修复凝胶，最大断裂伸长率达到4560％，断裂强度达到430KPa。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种基于亚胺键和酰腙键双交联自修复凝胶的制备方法，以可降解天然高分子、腐植酸盐、氨基多糖、海藻酸钠等为主要原料，腐植酸作为一种高生物活性的天然高分子材料，具备很好的生物刺激素作用以及抗菌功效；氨基多糖具有良好的生物降解性和生物相容性，且无毒，具有良好的吸附保湿性能和抑菌能力；海藻酸钠是一种廉价易得的天然高分子材料，可从褐藻等植物中提取，具有廉价易得、低毒性，生物相容性强等特点；

在制备过程中，通过水合肼将可降解天然高分子中含有的酯键进行酰肼化，得到酰肼键化合物，再通过氧化反应将海藻酸钠中的羟基进行氧化成醛基，氧化海藻酸钠中的醛基与酰肼化合物中的酰肼键进行反应生成酰腙键，氨基多糖中的氨基与氧化海藻酸钠中的醛基进行席夫碱反应生成亚胺键，反应通过席夫碱和酰腙键这两种动态共价键实现的，属于化学交联反应，交联反应的反应条件温和，反应过程比较简单，制备出的水凝胶具有优异的力学性能和自愈合性能。

进一步，经过设计研究，腐植酸盐溶液、酰肼键化合物、氨基多糖溶液与氧化海藻酸钠溶液的质量比为(1-4)：(3-5)：(6-10)：(6-10)，当含量的比例过高，制备出的凝胶脆性会比较高，凝胶的力学性能会比较差，自愈合效果比较好；当含量的比例过低的时候，水凝胶无法成型，力学性能差。

本发明制备的一种基于亚胺键和酰腙键双交联自修复凝胶，最大断裂伸长率达到4560％，断裂强度达到430KPa，具有优异的力学性能；在不施加任何额外应力的情况下立即接触切割表面，在不存在任何另外的刺激或愈合剂的情况下，水凝胶可以在20分钟后自发愈合，在自愈合后的强度足以维持稳定的拉伸界面，具有优异的自愈合性能。

附图说明

图1为本发明实施例1-6所制备的水凝胶的拉伸应力一应变曲线；

图2为自修复水凝胶自修复效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。

实施例1

S1酰肼键化合物的制备

称取1份的果胶于圆底烧瓶中，加入90份去离子水溶解形成高分子溶液，向其中加入5份的水合肼，在室温下搅拌，反应20h。然后将溶液加入到乙醇中析出，得到白色沉淀，抽滤，烘干备用。

S2氧化海藻酸钠的制备

取1份海藻酸钠加入90份去离子水中形成海藻酸钠溶液，调节pH＝4，在其中加入8份高碘酸钠避光氧化20h。在酸性条件下，氧化程度会更高，得到产物效果会更好。

向溶液中加入2份乙二醇和3份氯化钠终止氧化反应。终止反应15min后加入有机溶剂使其沉淀析出。抽滤，用去离子水溶解产物，再用乙醇析出、抽滤，如此反复3次后进行冷冻干燥。

将1份氧化海藻酸钠溶于60份去离子水配置成氧化海藻酸钠溶液。

S3自修复水凝胶的制备

将1份腐植酸钾溶于90份去离子水与三口烧瓶中，向其中加入3份制备好的酰肼键化合物，充分搅拌，将其转移至45℃的水浴锅中，使成分混合均匀后，然后向其中缓慢加入6份壳聚糖溶液，充分搅拌后加入6份氧化海藻酸钠溶液，使其充分搅拌，充分反应至体系呈现粘稠状，停止加热并取出反应冷冻干燥32h，得到一种基于亚胺键和酰腙键双交联自修复凝胶。

氧化海藻酸钠中的醛基与酰肼化合物中的酰肼键进行反应生成酰腙键，壳聚糖中的氨基与氧化海藻酸钠中的醛基进行席夫碱反应生成亚胺键，

实施例2

S1酰肼键化合物的制备

称取2份的明胶于圆底烧瓶中，加入90份去离子水溶解形成高分子溶液，向其中加入10份的水合肼，在室温下搅拌，反应20h。然后将溶液加入到甲醇中析出，得到白色沉淀，抽滤，烘干备用。

S2氧化海藻酸钠的制备

取2份海藻酸钠加入90份去离子水中形成海藻酸钠溶液，调节pH＝4，在其中加入9份高碘酸钠避光氧化21h。向溶液中加入2份乙二醇和4份氯化钠终止氧化反应。终止反应15min后加入有机溶剂使其沉淀析出。抽滤，用去离子水溶解产物，再用乙醇析出、抽滤，如此反复3次后进行冷冻干燥。将2份氧化海藻酸钠溶于60份去离子水配置成氧化海藻酸钠溶液。

S3自修复水凝胶的制备

将2份腐植酸钾溶于90份去离子水与三口烧瓶中，向其中加入4份制备好的酰肼明胶，充分搅拌，将其转移至45℃的水浴锅中，使其充分反应，然后向其中缓慢加入7份壳聚糖溶液，充分搅拌后加入7份氧化海藻酸钠溶液，使其充分搅拌，充分反应至体系呈现粘稠状，停止加热并取出反应冷冻干燥32h，得到一种基于亚胺键和酰腙键双交联自修复凝胶。

实施例3

S1酰肼键化合物的制备

称取3的果胶于圆底烧瓶中，加入90份去离子水溶解形成高分子溶液，向其中加入15份的水合肼，在室温下搅拌，反应22h。然后将溶液加入到乙醇中析出，得到白色沉淀，抽滤，烘干备用。

S2氧化海藻酸钠的制备

取3份海藻酸钠加入90份去离子水中形成海藻酸钠溶液，调节pH＝5，在其中加入10份偏高碘酸钠避光氧化20h。向溶液中加入2份乙二醇和5份氯化钠终止氧化反应。终止反应15min后加入乙醇使其沉淀析出。抽滤，用去离子水溶解产物，再用乙醇析出、抽滤，如此反复3次后进行冷冻干燥。将3份氧化海藻酸钠溶于60份去离子水配置成氧化海藻酸钠溶液。

S3自修复水凝胶的制备

将3份腐植酸钾溶于90份去离子水与三口烧瓶中，向其中加入4份制备好的酰肼果胶，充分搅拌，将其转移至45℃的水浴锅中，使其充分反应，然后向其中缓慢加入8份透明质酸溶液，充分搅拌后加入8份氧化海藻酸钠溶液，使其充分搅拌，充分反应至体系呈现粘稠状，停止加热并取出反应冷冻干燥32h，得到一种基于亚胺键和酰腙键双交联自修复凝胶。

实施例4

S1酰肼键化合物的制备

称取4份的果胶于圆底烧瓶中，加入100份去离子水溶解形成高分子溶液，向其中加入20份的水合肼，在室温下搅拌，反应20h。然后将溶液加入到乙醇中析出，得到白色沉淀，抽滤，烘干备用。

S2氧化海藻酸钠的制备

取4份海藻酸钠加入100份去离子水中形成海藻酸钠溶液，调节pH＝5，在其中加入8份高碘酸钠避光氧化20h。向溶液中加入3份乙二醇和3份氯化钠终止氧化反应。终止反应15min后加入有机溶剂使其沉淀析出。抽滤，用去离子水溶解产物，再用乙醇析出、抽滤，如此反复3次后进行冷冻干燥。将1份氧化海藻酸钠溶于75份去离子水配置成氧化海藻酸钠溶液。

S3自修复水凝胶的制备

将4份腐植酸钾溶于100份去离子水与三口烧瓶中，向其中加入4份制备好的酰肼果胶，充分搅拌，将其转移至50℃的水浴锅中，使其充分反应，然后向其中缓慢加入9份壳聚糖溶液，充分搅拌后加入9份氧化海藻酸钠溶液，使其充分搅拌，充分反应至体系呈现粘稠状，停止加热并取出反应冷冻干燥32h，得到一种基于亚胺键和酰腙键双交联自修复凝胶。

实施例5

S1酰肼键化合物的制备

称取5份的果胶于圆底烧瓶中，加入100份去离子水溶解形成高分子溶液，向其中加入25份的水合肼，在室温下搅拌，反应24h。然后将溶液加入到乙醇中析出，得到白色沉淀，抽滤，烘干备用。

S2氧化海藻酸钠的制备

取4份海藻酸钠加入100份去离子水中形成海藻酸钠溶液，调节pH＝6，在其中加入11份高碘酸钠避光氧化20h。向溶液中加入3份乙二醇和5份氯化钠终止氧化反应。终止反应15min后加入甲醇使其沉淀析出。抽滤，用去离子水溶解产物，再用乙醇析出、抽滤，如此反复3次后进行冷冻干燥。将2份氧化海藻酸钠溶于75份去离子水配置成氧化海藻酸钠溶液。

S3自修复水凝胶的制备

将4份腐植酸钾溶于100份去离子水与三口烧瓶中，向其中加入5份制备好的酰肼键化合物，充分搅拌，将其转移至45℃的水浴锅中，使其充分反应，然后向其中缓慢加入9份羧甲基壳聚糖溶液，充分搅拌后加入9份氧化海藻酸钠溶液，使其充分搅拌，充分反应至体系呈现粘稠状，停止加热并取出反应冷冻干燥32h，得到一种基于亚胺键和酰腙键双交联自修复凝胶。

实施例6

S1酰肼键化合物的制备

称取5份的果胶于圆底烧瓶中，加入100份去离子水溶解形成高分子溶液，向其中加入25份的水合肼，在室温下搅拌，反应20h。然后将溶液加入到乙醇中析出，得到白色沉淀，抽滤，烘干备用。

S2氧化海藻酸钠的制备

取4份海藻酸钠加入100份去离子水中形成海藻酸钠溶液，调节pH＝6，在其中加入12份高碘酸钠避光氧化24h。向溶液中加入3份乙二醇和5份氯化钠终止氧化反应。终止反应20min后加入乙醇使其沉淀析出。抽滤，用去离子水溶解产物，再用乙醇析出、抽滤，如此反复3次后进行冷冻干燥。将3份氧化海藻酸钠溶于75份去离子水配置成氧化海藻酸钠溶液。

S3自修复水凝胶的制备

将4份腐植酸钾溶于100份去离子水与三口烧瓶中，向其中加入5份制备好的酰肼果胶，充分搅拌，将其转移至45℃的水浴锅中，使其充分反应，然后向其中缓慢加入10份羧甲基壳聚糖溶液，充分搅拌后加入10份氧化海藻酸钠溶液，使其充分搅拌，充分反应至体系呈现粘稠状，停止加热并取出反应冷冻干燥48h，得到一种基于亚胺键和酰腙键双交联自修复凝胶。

对上述实施例1-6制得的基于亚胺键和酰腙键双交联自修复水凝胶进行性能测试，具体为：

(1)对实施例1-6制得的水凝胶进行力学性能测试：水凝胶的力学性能测试由万能电子试验机在室温条件(25℃)下完成。所有测试的水凝胶样条均为哑铃型，中间宽2mm、厚lmm。在水凝胶单轴拉伸测试中测试速度设定为50mm/min，10ading—unloading测试中测试速度设定为60mm/min。

从图1中可以看到水凝胶材料具有高拉伸性和高强度：最大断裂伸长率可以达到4560％，断裂强度达到430KPa，力学性能显著。

(2)选取实施例6，对其制得的水凝胶进行自修复性能测试，将长×宽×厚为2cm×lcm×0.5cm的长方体状样条用刀切断，然后按切开的位置重新紧密拼接在一起，宏观下观察凝胶的修复情况。

如图2所示，长方形样品用刀片切成俩半。然后在不施加任何额外应力的情况下立即接触切割表面，在不存在任何另外的刺激或愈合剂的情况下，水凝胶可以在20分钟后自发愈合，在自愈合后的强度足以维持稳定的拉伸界面。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。