[发明专利]一种原位复合短纤维/水凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种短纤维复合水凝胶的制备方法，特别涉及一种利用无机盐重结晶以原位复合方法制备的短纤维复合水凝胶，属于高分子材料技术领域。

背景技术

水凝胶是一类高含水但不溶于水，具有三维网络结构的软湿材料，因其具有良好生物相容性、环境敏感性且对环境无害而受到广泛关注。在农业、工业、生物和材料等领域均显示出诱人的应用前景。但大部分传统的水凝胶强度都很差，成为限制其进一步发展的主要原因。近年来，由于PVA水凝胶具有稳定的化学性质、易于成型、高弹性、耐磨及良好的组织相容性、毒性小等特点在医学上有着广泛的运用前景，但若将PVA水凝胶运用于关节软骨替代材料，其强度仍较低。

软骨由软骨细胞、基质、胶原纤维、及软骨膜构成，软骨和其它水凝胶相比，通常含有胶原纤维而使其有较高的强度。当前也有相关报道人们利用纤维增强来改善水凝胶的力学性能，Agrawa等(A.Agrawal, N.Wanasekara, V.Chalivendra, et al. Strong fiber reinforced hydrogels for biomedical applications[C]//Bioengineering Conference (NEBEC), 2011 IEEE 37th Annual Northeast. IEEE, 2011: 1-2.)将聚氨酯作为增强纤维与聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDGE)制备了纤维增强的复合水凝胶，得到的水凝胶力学性能比未用纤维增强的水凝胶明显提高。但聚氨酯纤维的制备复杂，且纤维的制备与水凝胶的成型是分步进行，易受环境因素的影响，不易控制。

美国专利US5422050报道了一种纤维增强水凝胶的的制备方法。该专利通过是先配置PVA溶液，然后将长为1mm，直径为16μm的PVA纤维加入PVA溶液并充分混合均匀，再将此混合溶液进行冷冻熔融，得到纤维增强的水凝胶。PVA纤维在PVA水凝胶的制备过程中还可能出现沉积及分布不匀等现象。

发明内容

鉴于目前水凝胶的力学强度普遍较低，本发明利用一步法制备了一种原位复合短纤维/水凝胶，提供了一种利用无机盐重结晶以原位复合方法制备出短纤维增强水凝胶的制备方法，该方法显著提高了水凝胶的力学性能。

为了实现本发明的目的，发明人通过大量试验研究和不懈探索，最终获得了如下技术方案：

一种原位复合短纤维/水凝胶的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

步骤1：将DMSO与去离子水配成混合溶剂，然后将PVA加入该混合溶剂，置于90～95℃恒温水浴中冷凝回流2～4小时，至PVA完全溶解，配成质量分数为10～15%的PVA溶液；

步骤2：将无机盐溶解于去离子水配成质量分数为15%～40%的盐溶液，并加入步骤（1）所得PVA溶液，使所得的混合溶液中无机盐与PVA的质量比为0.1～1：1，搅拌均匀后置于95℃真空干燥箱内脱气10～30分钟；

步骤3：脱气完后，将溶液倒入模具中，置入-20～-40℃冷冻室冷冻10～24小时后，取出后室温解冻熔融2～4小时，得到含短纤维的原位复合短纤维/水凝胶。

优选地，如上所述的原位复合短纤维/水凝胶的制备方法，其中步骤（1）所述的混合溶剂中DMSO的质量分数为60%～95%。

优选地，如上所述的原位复合短纤维/水凝胶的制备方法，其中所述的无机盐选自在低温下易于从溶液中结晶析出且晶型细长的无机盐。

进一步优选地，如上所述的原位复合短纤维/水凝胶的制备方法，其中所述的无机盐是以下的一种或几种：过硫酸钾、磷酸氢二钠、醋酸铵。

需要说明的是，上述的制备方法中，使用溶剂为DMSO与去离子水的混合溶剂，这是由于DMSO的溶度参数接近于PVA的溶度参数，当DMSO与水混合后，可以对PVA链段起到溶剂化作用，形成更紧密的网络结构。

上述的制备方法中，可以通过改变冷冻熔融的循环数来调整复合水凝胶的性能，冷冻熔融的循环数增加时，链间缠结增加，即分子间氢链作用会更加显著，缠结点增加，形成更加致密的三维网络结构，从而影响水凝胶的性能。

上述的制备方法中，可以通过改变无机盐的用量来调整水凝胶的性能，在一定条件下无机盐表面可与PVA水凝胶间形成界面层，起到增强的作用，无机盐含量改变时与水凝胶之间的界面层作用也发生变化，因此对水凝胶的性能产生影响。