一种仿生关节软骨聚离子络合物水凝胶及其制备方法

摘要

本发明公开了一种仿生关节软骨的聚离子络合物水凝胶及其制备方法，以丙烯酸作为阴离子单体，聚（对苯乙烯磺酸钠）作为阴离子聚电解质，甲基丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵作为阳离子单体，丙烯酰胺作为提供含氧官能团的中性介质，将上述四种物质配制成混合溶液发生自由基聚合反应制备所述水凝胶。本发明利用自由基聚合的方法，在很短的时间内制备出了一种聚离子络合物水凝胶，即便是辐照5min所制备的样品也表现出优异的粘弹性；在浓度范围内得到的水凝胶样品都表现出良好的力学性能与生物摩擦性能；所用化学药品无需特殊处理，一步法制备过程非常简单，反应条件温和，适合大规模生产。

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种聚离子络合物水凝胶及其制备方法。

背景技术

关节软骨由于物理创伤或者骨关节炎而极易遭到损伤，但是，软骨组织内部缺乏神经和血管，以及潜在的干细胞/软骨祖细胞，限制了软骨自我修复的能力。目前软骨修复的研究主要集中于合成关节软骨替换物或者能够刺激新组织再生的生物材料。水凝胶能被用作关节软骨修复材料是由于以下两个原因：卓越的生物相容性；性质类似于天然软骨，如相似的结构，溶胀性能和粘弹性。用于修复关节软骨的水凝胶主要包括：聚乙烯醇水凝胶，透明质酸凝胶，藻酸盐凝胶，纤维蛋白凝胶和壳聚糖凝胶。这些水凝胶通常由于较差的力学性能而限制了应用，因此，需要与其他材料结合形成水凝胶复合材料，以提高机械性能，这使得制备过程更为复杂。

近年来，聚电解质凝胶由于其良好的亲水性，生物相容性，优异的力学性能以及在组织工程领域的潜在应用前景而逐渐引起科学界的关注。

Sun等采用两步法将阳离子单体和阴离子单体的顺序均聚合成水凝胶，该水凝胶材料具有高强度和高韧性，但是由于采用分步方法阻碍了其在工业规模上的生产。（Sun,T.L., et al., Physical hydrogels composed of polyampholytes demonstrate hightoughness and viscoelasticity. Nature Materials, 2013. 12(10): p. 932-7.）。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有良好生物力学性能和生物摩擦性能的聚离子水凝胶的制备方法。

本发明的技术方案如下：

聚离子络合物水凝胶及其制备方法，以丙烯酸（AA）作为阴离子单体，聚（对苯乙烯磺酸钠）（PSS）作为阴离子聚电解质，甲基丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵（MTAC）作为阳离子单体，丙烯酰胺（AAm）作为提供含氧官能团的中性介质，将上述四种物质配制成混合溶液发生自由基聚合反应制备所述水凝胶。

进一步，所述混合液中，AA的浓度为20%（v / v）；AAm的摩尔浓度为1~3mol/L，优选1mol / L～2mol / L；PSS和MTAC的浓度均为20%～40%（v / v）。

进一步，在所述混合液中加入光引发剂和交联剂在紫外光辐照下发生自由基聚合反应。

更进一步的，所述的光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮（2-hydroxy-2-methylpropiophenone），交联剂为三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）。

更进一步的，辐照时间为5～20min

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明利用自由基聚合的方法，在很短的时间内制备出了一种聚离子络合物水凝胶，即便是辐照5min所制备的样品也表现出优异的粘弹性；在浓度范围内得到的水凝胶样品都表现出良好的力学性能与生物摩擦性能。

（2）所用化学药品无需特殊处理，一步法制备过程非常简单，反应条件温和，适合大规模生产.

（3）通过控制PSS的添加与否，可以得到乳白色和透明的两种水凝胶，通过控制辐照时间可以控制水凝胶的粘弹性，通过控制MTAC的含量可以控制水凝胶的含水量及溶胀性能。

附图说明

图1为本发明方法制备该新型聚离子络合物水凝胶的流程示意图。

图2为制得的新型聚离子络合物水凝胶的内部结构示意图。

图3为制得的新型聚离子络合物水凝胶的红外谱图。

图4为制得的新型聚离子络合物水凝胶的SEM图。

图5为不同聚合时间制得的新型聚离子络合物水凝胶的流变测试结果。

图6为不同聚合时间制得的新型聚离子络合物水凝胶的摩擦系数测试结果。

图7为不同MTAC含量的新型聚离子络合物水凝胶的含水量测试结果。

图8为不同MTAC含量的新型聚离子络合物水凝胶的溶胀率测试结果。

图9为不同MTAC含量的新型聚离子络合物水凝胶的溶胀率测试样品图。

图10为不同MTAC含量的新型聚离子络合物水凝胶的拉伸测试结果。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。

聚离子络合物水凝胶及其制备方法，以丙烯酸（AA）作为阴离子单体，聚（对苯乙烯磺酸钠）（PSS）作为阴离子聚电解质，甲基丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵（MTAC）作为阳离子单体，丙烯酰胺（AAm）作为提供含氧官能团的中性介质，将上述四种物质配制成混合溶液发生自由基聚合反应制备所述水凝胶。

进一步，所述混合液中，AA的浓度为20%（v / v）；AAm的摩尔浓度为1~3mol/L，优选1mol / L～2mol / L；PSS和MTAC的浓度均为20%～40%（v / v）。

进一步，在所述混合液中加入光引发剂和交联剂在紫外光辐照下发生自由基聚合反应。

更进一步的，所述的光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮（2-hydroxy-2-methylpropiophenone），交联剂为三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）。

更进一步的，辐照时间为5～20min

命名规则：制备的水凝胶样品命名为PIC-x%-y%，其中，PIC（poly-ion complex）表示聚离子络合物，x%和y%分别表示MTAC和PSS占AA的体积比。

实施例1

（1）配制体积分数为20%（v / v）的AA溶液，溶液中包含1mol / L的AAm。

（2）将占AA体积比分别为30%（v / v）、0.1%（v / v）和0.4%（v / v）的MTAC、光引发剂和交联剂加入步骤1获得的溶液中，然后放在磁力搅拌器上，遮光搅拌至呈现无色透明状态。

（3）将（2）获得的溶液浇注到由两个平行玻璃板及硅胶环组成的模具中（硅胶环外侧涂以凡士林以防溶液渗出），四边用夹子夹紧，置于自制紫外灯下（波长范围200~2500nm，包含紫外部分）辐照不同时间：5min、10min、15min、20min。

（4）将（3）获得的水凝胶样品放置于大量去离子水中透析以除去残留的单体及交联剂等杂质。

图1左侧为实施例1条件下，即不添加PSS的条件下制得的透明聚离子络合物水凝胶样品PIC-30%-0%。

图2为该水凝胶样品的内部结构示意图，水凝胶内部网络结构主要是通过离子键和氢键共同作用，该结构示意图可通过红外表征证实。

图3包含实施例1条件下，辐照15min制备的水凝胶样品的红外谱图，PIC-30%-0%的红外光谱中，在3350cm^-1附近的宽而强的吸收归因于与多分子缔合相关的-OH的伸缩振动，1651cm^-1处的强吸收峰与C>

实施例2

（1）配制体积分数为20%（v / v）的AA溶液，溶液中包含1mol / L的AAm。

（2）将占AA体积比为30%（v / v）的MTAC和PSS、占AA体积比分别为0.1%（v / v）和0.4%（v / v）的光引发剂和交联剂加入步骤1获得的溶液中，然后放在磁力搅拌器上，遮光搅拌至呈现无色透明状态。

（3）将（2）获得的溶液浇注到由两个平行玻璃板及硅胶环组成的模具中（硅胶环外侧涂以凡士林以防溶液渗出），四边用夹子夹紧，置于自制紫外灯下（波长范围200~2500nm，包含紫外部分）辐照不同时间：5min、10min、15min、20min。

（4）将（3）获得的水凝胶样品放置于大量去离子水中透析以除去残留的单体及交联剂等杂质。

图1右侧为实施例2条件下，即添加PSS的条件下制得的乳白色聚离子络合物水凝胶样品PIC-30%-30%。

图3包含实施例2条件下，辐照15min制备的水凝胶样品的红外谱图， PIC-30%-30%的红外光谱中，大部分特征峰与PIC-30%-0%的光谱相同，但是出现了对应于苯环基团特征的670 cm^-1处的吸收峰，表明PSS已成功地共价接枝到聚合物分子链上。

图4为实施例2条件下，辐照15min制备的PIC-30%-30%水凝胶样品的SEM图，观测到水凝胶三维（3D）多孔网状结构。由于溶胀后进行的形貌测试，样品表面沉积很多PBS磷酸盐缓冲液的颗粒，计算溶胀后水凝胶密集网孔部分的孔径为3.8~4.9μm。

图5为实施例2条件下的PIC-30%-30%水凝胶样品的流变性能测试结果，所有样品的G'值随着测试频率的增加而增加，这意味着水凝胶保留了相对较强的网络结构。不同时间得到的样品的粘弹性模量都很高，仅辐照5min的水凝胶样品就发挥出优越的粘弹性：粘弹性模量G'和G"分别高达100和10MPa，且辐照15min的样品显示为最高值。

图6为实施例2条件下的PIC-30%-30%水凝胶样品的摩擦系数测试结果，在PBS溶液中溶胀后的水凝胶样品的摩擦系数在0.1左右，光照15min所得样品的摩擦系数比较低且稳定。

结果表明仅辐照5分钟制备的水凝胶样品就发挥出优越的粘弹性：粘弹性模量（G'，G"）分别高达100和10MPa。随辐照时间增长，粘弹性模量增大，但是到15min以后开始下降；此外，光照15min所得样品的摩擦系数比较低且稳定，所以15min可确定为优选光照时间。

实施例3

（1）配制体积分数为20%（v / v）的AA溶液，溶液中包含1mol / L的AAm。

（2）将占AA体积比分别为20%、30%、40%（v / v）的MTAC和PSS（PSS含量与MTAC保持一致），和占AA体积比分别为0.1%（v / v）、0.4%（v / v）的光引发剂和交联剂加入步骤1获得的溶液中，然后放在磁力搅拌器上，遮光搅拌至呈现无色透明状态。

（3）将（2）获得的溶液浇注到由两个平行玻璃板及硅胶环组成的模具中（硅胶环外侧涂以凡士林以防溶液渗出），四边用夹子夹紧，置于自制紫外灯下（波长范围200~2500nm，包含紫外部分）辐照15min。

（4）将（3）获得的水凝胶样品放置于大量去离子水中透析以除去残留的单体及交联剂等杂质。

图7为实施例3条件下的不同浓度聚离子络合物水凝胶的含水量测试结果，与实施例1条件下的水凝胶样品PIC-30%-0%相比，PSS加入后，水凝胶的含水量明显升高，含水量约为90%。

图8为实施例3条件下的不同浓度聚离子络合物水凝胶的溶胀率测试结果，与实施例1条件下的水凝胶样品PIC-30%-0%相比，PSS加入后，水凝胶的溶胀率明显升高，测试结果与图7相应。

图9为实施例3条件下的不同浓度聚离子络合物水凝胶的溶胀测试实物图。

图10为实施例3条件下不同浓度聚离子络合物水凝胶的拉伸测试结果。与实施例1条件下的水凝胶样品PIC-30%-0%相比，PSS加入后，水凝胶抗拉强度和延伸率明显升高。

结果表明通过控制PSS的添加与否，可以得到乳白色和透明的两种水凝胶，且PSS的加入能有效提高力学性能。通过控制辐照时间可以控制水凝胶的粘弹性，通过控制MTAC的含量可以控制水凝胶的含水量及溶胀性能。

对比例1

本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是加入AA的MTAC由PSS代替，即得到水凝胶样品PIC-0%-30%。该样品也称为聚阴离子水凝胶，没有阳离子单体MTAC后，水凝胶在去离子水中不会发生透析，而是大幅溶胀，导致样品极易断裂，力学性能很差。