[发明专利]一种高强度超高弹力水凝胶的制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种高强度超高弹力水凝胶的制备方法，涉及生物质基复合材料领域，制备方法包括：将亲水性单体丙烯酰胺在过渡金属铈离子酸性体系的作用下通过氧化还原引发自由基聚合接枝到纤维素纳米晶体表面，并且通过添加不同浓度梯度的纤维素纳米晶体得到不同力学性能的水凝胶再经过盐溶液浸渍处理可获得导电水凝胶。本发明制备的纤维素纳米晶体/聚丙烯酰胺复合水凝胶制备方法所需条件简单、成本低廉且绿色环保并具有较强的力学性能。制备的水凝胶生物相容性好可应用于生物医疗，人工皮肤和应变传感器等领域。

技术领域

本发明属于生物质基复合材料领域，具体是涉及一种高强度超高弹力纤维素纳米晶体/聚丙烯酰胺复合水凝胶、制备方法及其应用。

背景技术

水凝胶是一类具有亲水基团并含有大量水分的具有三维网络结构的交联聚合物。具有优良的生物相容性在生物组织工程支架和药物载体领域等生物应用受到研究者们持续的关注。常见的天然高分子如壳聚糖，纤维素，胶原，海藻酸钠等含有丰富羟基，氨基和羧基等亲水性基团同时又具备可再生，可生物降解等特性使天然高分子在水凝胶制备领域拥有得天独厚的优势。在纤维素的高值化利用过程中，较之于溶解处理，纳米纤维素受到持续的关注并成为高值化利用的主要方向。

由于具备高强度，三维各向异性以及来源广泛等特点，纤维素纳米晶体作为高分子复合物的功能性的可再生增强剂已经成为生物质领域的研究热点。然而，纤维素纳米晶体表面带有电荷以及在疏水媒介中存在聚集的趋势等特性，使得纤维素纳米晶体颗粒在传统聚合物材料中的有效分散充满巨大挑战。但同样由于以上提到的特点有利于纤维素纳米晶体作为水凝胶的增强剂甚至作为基体材料，高度水合的物理或者化学交联三维网络将赋予水凝胶各种化学组成和结构，表面电荷通过静电作用或者氢键甚至其他形式促进纤维素纳米晶体在亲水性基体的分散性或者与凝胶体系的其他组分。此外，通过系列的研究表明纤维素纳米晶体所具有的生物惰性使其在生物组织工程支架，伤口敷料，药物传输系统等方面拥有巨大应用价值，而水凝胶所具备的高含水量，多孔性以及细胞相容性相应地促使纤维素纳米晶体基水凝胶能够应用于上述领域。

纤维素和胶原蛋白是自然界中两种最为常见的结构组件，它们具有类似的力学效能(Peter Fratzl.Cellulose and collagen:From fibers totissues.Curr.Opin.Colloid Interface.Sci.8,32-39,2003)。由纤维素水解得到的纤维素纳米晶体由于刚性和机械强度等特点使得一般作为纳米复合物水凝胶的增强填料，同时其有限的分子缠结能力使得其不适宜作为单一组分制备水凝胶，因此只含纤维素纳米晶体组分的水凝胶较少被报道。传统纤维素纳米晶体基水凝胶普遍力学强度较弱，弹力不佳，在重复外加载荷作用下难以恢复其原始状态，限制了其在对力学强度有严格要求领域的应用。

自然界中弹性最佳的物质为节肢弹性蛋白，这类弹性蛋白能够在几乎不损耗能量的情况下发生大的可逆弹性形变。要设计制备高弹力的材料，必须首先了解弹性蛋白结构与性能的内在关系进而从仿生的角度模拟其性能从而设计制备与弹性蛋白性能相类似的仿生材料。弹性蛋白具有长且柔顺的聚多肽分子链，其侧链只在特定的氨基酸基团之间发生交联，且交联点之间的分子量非常均一。其次弹性蛋白处于水合状态，小分子的存在大大降低了分子间的摩擦。高弹性的材料具备如下分子结构特征：足够长的高分子链、较好的分子链柔性和分子间相互交联。长链和柔顺性是弹性回缩的必要条件：长链使高分子拥有足够多的构象，使分子链在伸展状态和回缩状态之间存在大的构象熵差别，而柔性则使得分子能够在熵的驱动下回缩。此外，分子间交联能够防止高分子链在拉伸形变过程中产生滑移，保持网络的稳定性。要设计制备弹性蛋白力学性能仿生材料必须实现以下力学结构：均一的网络结构、较低的交联密度及极小的分子间摩擦。只有同时具备以上结构特征的材料才有可能具备类似弹性蛋白的杰出的力学性能。

发明内容