[发明专利]一种纳米纤维素自愈合材料及其制备方法

说明书

本发明属于天然高分子材料领域，具体涉及一种纳米纤维素自愈合材料及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：（1）醛基纳米纤维素的制备；（2）将步骤（1）制备的醛基纳米纤维素溶于去离子水中，配制浓度为1wt%‑7wt%的溶液，然后向醛基纳米纤维素溶液中加入含氨基的天然高分子，室温下混合均匀，形成自愈合材料。所制备的纳米纤维素自愈合材料具有优异的自愈合能力，自愈合效率高、速度快，强度高，生物可降解性好，同时该制备过程操作简单，反应时间短，条件温和，可适用于批量生产。

技术领域

本发明属于天然高分子材料领域，具体涉及一种纳米纤维素自愈合材料及其制备方法。

背景技术

自愈合（Self-healing）材料是指能够自动识别、部分或全部修复破损，具有感知和响应功能的智能材料，是高分子科学领域发展的重点之一（Bekas et al., 2016）。自愈合材料的重要性在于可延长材料的使用寿命，能够在材料的使用过程中起到修补作用，尤其是对于刺激、腐蚀、辐射等恶劣环境，更需要材料具有自愈合能力。自愈合材料的发展过程中，二硫键、酰腙键、硼酸酯键、Diels-Alder反应等动态共价键发挥了重要作用。但是，基于这些动态共价键构筑的自愈合材料通常需要光、热、电等外部刺激才能实现自愈合，而且Diels-Alder反应等过程复杂，通常需要使用有毒的化学试剂，这些都严重限制了自愈合材料的应用范围。亚胺键是一类由醛基和氨基之间相互作用形成的动态共价键，其不需要受外部的力、热、光、pH等刺激就能自动实现键的分离与愈合。因此，基于亚胺键形成过程中醛基与氨基相互之间的动态平衡，可赋予材料卓越的自愈合能力。

目前自愈合材料的制备主要来自人工合成高分子，制备过程涉及复杂的化学合成步骤及大量有机试剂的使用，给环境带来负面影响，同时这些合成高分子通常生物降解性及生物相容性差，限制了自愈合材料在生物医药、组织工程、细胞培养等领域的应用。

纤维素是地球上最为丰富的天然高分子，由纤维素提取出的具有纳米尺度的纳米纤维素，不但保留了天然纤维素良好的生物可降解性及生物相容性，而且具备了纳米粒子的高强度、高透明性、高弹性模量等特性，可显著提高材料的强度、光、电、磁等性能（Kaushik & Moores, 2016），在药物载体、光电器件、食品、化妆品、复合材料、智能材料等领域具有巨大的潜在应用价值。纳米纤维素结构上的邻位羟基在高碘酸钾的氧化作用下被氧化为醛基，利用醛基较强的反应活性，可与含氨基的天然高分子进行反应形成动态亚胺键，通过亚胺键的可逆性可制备出纳米纤维素自愈合材料。因此，以纳米纤维素为载体，利用其强度高、反应活性强及多羟基的性质，对其进行表面氧化改性，不仅能够改善纳米纤维素与高分子之间的界面相容性，而且能够赋予高分子材料智能响应性及自愈合能力，提高自愈合材料的力学性能。基于纳米纤维素及含氨基的天然高分子良好的生物相容性及生物降解性，可赋予制备的自愈合材料以优异的生物相容性及可降解性，拓展其在生物载药、组织修复、伤口愈合等生物医药领域的应用。目前对采用天然高分子来构筑具有良好生物可降解性、生物相容性的自愈合材料的研究鲜有报道。

发明内容

本发明的目的是解决现有自愈合材料性能及制备技术的不足，提供一种纳米纤维素自愈合材料及其制备方法。所制备的纳米纤维素自愈合材料具有优异的自愈合能力，自愈合效率高、速度快，强度高，生物可降解性好，同时该制备过程操作简单，反应时间短，条件温和，可适用于批量生产。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纳米纤维素自愈合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）醛基纳米纤维素的制备；

（2）将步骤（1）制备的醛基纳米纤维素溶于去离子水中，配制浓度为1wt%-7wt%的溶液，然后向醛基纳米纤维素溶液中加入含氨基的天然高分子，室温下混合均匀，形成自愈合材料；醛基与氨基形成亚胺键结合，基于亚胺键的动态可逆性，该天然高分子材料在室温下即可发生迅速的自愈合，无需施加其他刺激作用。