[发明专利]一种基于含糖聚合物的高性能水下粘合凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于含糖聚合物的高性能水下粘合凝胶及其制备方法，属于高分子材料领域。本发明通过水溶性丙烯类化合物、甲基丙烯酸酐、以及保护/脱保护丙烯酸葡萄糖进行共聚，获得高力学性能水下粘附凝胶。本发明方法制备的凝胶材料具有较好的力学性能(拉伸与压缩)、柔韧性强、形变回复能力强，并且能够通过溶剂置换进行水下粘附，为水下粘附软材料提供新制备路径。

技术领域

本发明涉及一种基于含糖聚合物的高性能水下粘合凝胶及其制备方法，属于高分子材料领域。

背景技术

在自然界中，包括贻贝、沙堡蠕虫和藤壶在内的海洋生物为设计水下粘合剂提供了强大的灵感。他们首先分泌一种由腺体中不同的氨基酸残基组成的液体蛋白胶，然后将分泌物转化为凝聚物，实现快速凝固和牢固的水下粘附。受海洋生物粘附机理的启发，人们设计了各种策略来制造水下粘合剂，包括仿生粘合剂、聚合物粘合剂和蛋白质粘合剂。目前大多数水下胶粘剂均表现为类液相。类液体胶粘剂往往需要固化过程，以提高粘接强度。因此，粘接关节变得极其坚硬，失去了柔软的性质，限制了机械运动所需的水下实际应用，如软机器人、可穿戴设备、柔性电子产品等。因此，利用水下胶粘剂制备柔性胶粘剂和韧性胶粘剂，在水溶液环境中有着广泛的应用需求。

水凝胶因其较高的含水率、良好的柔韧性以及适中的硬度被认为是一类具有广泛应用前景的软材料，如组织工程、3D打印、软机器人和生物粘合剂。然而，传统的水凝胶由于在水下环境中粘合位点被水分子通过与底物氢键合而占据，水分子进入粘合界面处，对胶粘剂分子产生水化/溶胀/降解作用，从而使得粘接性能迅速丧失。因此，水下高粘附材料一直是工程材料领域的研究难点与热点。

发明内容

本发明通过一种仿生策略来制造一种不膨胀、快速粘接并且坚韧的水下粘合凝胶。通过溶剂交换引起的疏水聚集来实现其水下粘附行为。首先，将丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸酐(MAA)、含保护基甲基丙烯葡萄糖(比如甲基丙烯葡萄糖乙酰酯MBGA)、以及甲基丙烯葡萄糖(MBG)在二甲亚砜(DMSO)中共聚，制备出粘附凝胶。随后，粘合剂凝胶被应用于附着在水中的基质上。水分子渗透到凝胶中，导致DMSO的驱逐，引起疏水段的聚集，实现了水下粘附性能。DMSO水溶剂交换诱导的疏水聚集不仅破坏了凝胶的水合层，提高了凝胶的粘聚力，而且抑制了凝胶的膨胀特性。在疏水效应驱动下的葡萄糖辅助聚丙烯酸水下凝胶粘剂策略将为开发有发展前景的水下胶粘剂提供潜在的应用。

本发明的第一个目的是提供一种制备水下粘合凝胶的方法，其反应为一锅法反应：

将水溶性单丙烯类化合物、甲基丙烯酸酐、含保护基甲基丙烯葡萄糖和甲基丙烯葡萄糖在有机溶剂中混合，加入引发剂发生共聚反应，反应结束后，得到水下粘合凝胶。

在本发明的一种实施方式中，以水溶性单丙烯类化合物、甲基丙烯酸酐、含保护基甲基丙烯葡萄糖和甲基丙烯葡萄糖的质量总和作为反应物总质量，反应物总质量与有机溶剂的质量比优选1:1～1:2。具体可选1：1.2。

在本发明的一种实施方式中，所述水溶性单丙烯类化合物选自如下任意一种或多种：丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯。

在本发明的一种实施方式中，所述水溶性单丙烯类化合物与甲基丙烯酸酐的质量之比为10:1～5:1。

在本发明的一种实施方式中，所述含保护基甲基丙烯葡萄糖和甲基丙烯葡萄糖的质量之比为10:1～5:1。

在本发明的一种实施方式中，所述水溶性单丙烯类化合物与含保护基甲基丙烯葡萄糖的质量之比为1:1～2:1。

在本发明的一种实施方式中，当水溶性单丙烯类化合物为丙烯酸时，丙烯酸与含保护基甲基丙烯葡萄糖的质量之比为1：1。

在本发明的一种实施方式中，当水溶性单丙烯类化合物为丙烯酰胺时，丙烯酰胺与含保护基甲基丙烯葡萄糖的质量之比为2：1。