[发明专利]一种多维度取向纤维素水凝胶的制备方法

说明书

本发明涉及一种多维度取向纤维素水凝胶的制备方法，包括如下步骤：S1.将纤维素溶解在纤维素溶剂中形成纤维素溶液；S2.将上述纤维素溶液离心后，加入化学交联剂搅拌，生成粗产物；S3.将上述粗产物离心、定型，得到碱凝胶；S4.将上述碱凝胶外力牵伸取向、多维叠压并放置；S5.将放置后的上述碱凝胶在溶剂的凝固浴中进行再生，经水洗后得到多维取向纤维素水凝胶；其中，纤维素溶剂中包含碱、尿素、氧化锌和水。与现有利用纤维素溶液为胶水粘结取向纤维素水凝胶制备多取向纤维素水凝胶技术相比，本发明制备的多维取向纤维素水凝胶是物理化学双交联取向网络，因此，其结构更复杂，在材料的强度、韧性和取向度方面性能更佳。

技术领域

本发明涉及水凝胶领域，具体地涉及一种多维度取向纤维素水凝胶的制备方法。

背景技术

绝大多数水凝胶是通过聚合或组装均匀溶解在水性介质中的分子制备的，因此聚合物网络通常是均匀而各向同性的[Adv.Mater.2006,18,1345-1360；Adv.Mater.2016,28,9060-9093]。与此相反，肌肉，皮肤，关节软骨和角膜等生物软组织具有取向的多层次结构，在宏观范围内具有高度各向异性结构[Adv.DrugDelivery Rev.2013,65, 536-558；Biomacromolecules 2018,19,1276-1284]。在生物系统中，各向异性结构在执行特定的功能方面发挥重要作用，包括力的传递，表面润滑和传质。例如，肌动蛋白和肌球蛋白在肌肉肌节中各向异性排列可产生肌肉收缩[Mol.Cryst.Liq.Cryst.1969,8, 215-218]。因此构筑具有长程有序结构的各向异性水凝胶材料具有重要意义。目前制备有序结构水凝胶材料的几种主要方法包括电场或磁场取向、机械力(拉伸，压缩或剪切力)取向、定向冷冻、离子定向扩散、光刻模板法和自组装。这些策略对制备具有高度有序结构的水凝胶材料具有重要借鉴意义。然而，常用制备各向异性水凝胶方法不能兼顾优异的力学性能、良好的生物相容性、可降解性、易操作性和精确控制内部结构等。例如强磁场诱导取向作为一种未接触性策略，并不具备易加工性。定向冷冻方法是一种耗时耗能的过程，且由冰晶定向生长构筑的取向通道尺寸大而不均匀。外力诱导取向是一种快速、易操作且相对低成本的制备各向异性水凝胶的方法，缺点是很难精准控制有序的结构。自组装策略具有微观结构高度有序，无序辅助外场等优点，但面对大尺寸水凝胶的制备时难度极大。因此开发制备高取向水凝胶材料新方法一直是研究的热点和难点，开发空间多维度取向的水凝胶材料更是难上加难。

目前围绕天然高分子基取向水凝胶的研究，主要集中在单个方向高度取向水凝胶的制造。现有方法中曾公开一种各向异性双交联纤维素水凝胶的制备方法(ZL201710875152.X)，围绕单方向高取向结构纤维素水凝胶制备提供一种外力牵伸预取向网络，双交联冻结取向结构的设计策略。然而该方法的缺陷在于，很难制造具有空间多维度不同取向结构的水凝胶材料。为了制备多维度取向结构的天然高分子基水凝胶材料，Cui等(Mater.Horiz.2019,6,1504)提出通过利用纤维素溶液作为胶水，粘结多个取向再生纤维素水凝胶，构筑一种界面修复的多尺度取向纤维素水凝胶材料。其缺陷在于：利用纤维素溶液粘结时，由于强氢键作用，多个取向物理交联纤维素水凝胶之间纤维素分子链较难互相扩散，无法形成较好的界面修复，实现更深层次的“焊接”，导致材料结构简单、力学性能无法进一步提升。

因此，亟需找到一种全新的纤维素水凝胶焊接技术，以克服上述性能缺陷。

发明内容

本发明受金属或热塑性材料通过焊接熔合制造层次结构启发，利用一种新型的纤维素分子链自扩散运动类焊接方法来键接纤维素取向水凝胶。首先对未再生的纤维素碱凝胶进行预牵伸，然后互相叠压在一起，通过纤维素分子链的在界面处的扩散实现了界面修复，最后在稀硫酸凝固浴中再生，通过纤维素分子链氢键作用固定住取向的结构，制备了一种可编程的多级取向结构的纤维素水凝胶，其在材料的强度、韧性和取向度方面具有优异的性能。

本发明所述的技术方案通过以下技术手段得以实现。