化学与物理交联协同增韧聚丙烯酰胺水凝胶的制备和性质表征

化学与物理交联协同增韧聚丙烯酰胺水凝胶的制备和性质表征水凝胶作为一种亲水的凝胶具有相当高的含水量,其含水量与生物组织相似(70%)甚至可达到更高。水凝胶具有良好的生物相容性,且表现出良好的柔韧性,刺激响应能力,以上性能为水凝胶在生物领域,组织工程方向的应用奠定了基础。然而,由于水凝胶含水量较高,其机械性能相对较差,严重的限制了水凝胶的应用。传统的化学交联水凝胶通过永久,不可逆的共价键相互连接的聚合物链组成,这

通常使水凝胶较脆,透明性差,网络结构断裂后不能自愈。

但是,化学交联网络结构易于调整,可以改变最终材料的机械性能。因此,传统的化学交联网络结构不可以被忽略,要巧妙加以改善就可以得到强韧水凝胶。在本文中,我们将物理交联与化学交联两种交联方式都引入到水凝胶网络体系中,制备强韧的,具有抗疲劳性能和快速自回复性能的水凝胶。在第一部分实验中,

我们将疏水缔合这种交联方式引入到水凝胶网络中作为物理交联中心,同时以

N,N′-亚甲基双丙烯酰胺作为化学交联剂,通过自由基聚合方式与亲水主链聚丙烯酰胺相链接,作为化学交联中心。

在杂化水凝胶网络体系中,化学交联为水凝胶网络提供了一个刚性骨架,来

支撑着整个水凝胶网络基质,疏水缔合作为物理交联中心能够通过胶束变形和甲基丙烯酸月桂酯(LMA)链的可逆解缠来有效的耗散能量,使得这种杂化水凝胶在

压缩应变为95%时,压缩强度可以达到8 MPa。此外,在连续压缩循环测试中,杂化水凝胶展现出了时间依赖性,快速自恢复性,抗疲劳性质。在第二部分实验中,我们期望得到强韧,具有拉伸性能的水凝胶,因此,我们改进了物理交联中心,并调

节了化学交联点的密度,从而得到了具有高拉伸强度,高断裂伸长率的具有快速

自恢复性和抗疲劳性质的由甲基丙烯酸月桂酯-聚丙烯酸丁酯微球(LMA-PBA)混

合胶束诱导的强韧杂化水凝胶(LMA-PBA+MBA gel)。在这个杂化水凝胶网络体系中,化学交联仍然作为一个刚性骨架支撑着整个水凝胶网络基质,LMA-PBA混合

胶束作为物理交联点,可通过胶束形变,LMA链的可逆解缠,PBA软粒子变形以及LMA-PBA间的可逆交联来耗散大量的能量,从而将有效的能量耗散机制引入到水

凝胶网络体系中,使得这种杂化水凝胶具有相当好的拉伸性能,最大拉伸应力可

达到1.4 MPa,断裂伸长率可达到2500%,同时具有快速自恢复性,抗疲劳性。

这两种通过物理交联与化学交联协同作用的,具有快速自恢复性,抗疲劳性

的杂化水凝胶均可以拓展在负载材料方向的生物领域的应用,例如,水凝胶软骨、筋腱,人造肌肉和组织工程等。