[发明专利]自愈合磺酸甜菜碱型两性离子纳米复合水凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高分子水凝胶，特别是涉及一种自愈合磺酸甜菜碱型两性离子纳米复合水凝胶及其制备方法。

背景技术

高分子水凝胶是一种能够吸收并保持大量水的三维网络结构高分子，其内部存在的化学交联或物理交联结构使得其只能溶胀而不能溶解。高分子水凝胶具有优异的粘弹性、高含水率和保水率，较好的生物相容性，可应用于农业、建筑、化工、食品工程以及生物医学等领域。但由于高分子水凝胶含有大量的水分，在受到拉应力或压应力时，均会因强度低而破坏，目前所制备的大多数高分子水凝胶在极低的压强下就会碎裂，其强度和变形能力均难以满足很多实际应用的要求。

交联型聚甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)水凝胶的成功制备，开启了人们对高分子水凝胶研究的序幕。HEMA材料具有良好的化学稳定性、较好的生物相容性以及优异的机械性能等，在作为生物材料中得到广泛研究。但同时，HEMA材料含水率较低，容易受非特异性蛋白吸附的污染，使得其使用受到了限制。因此，阻止或减少HEMA材料的表面蛋白质粘附，是扩大HEMA材料在生物材料上应用的重要途径。

研究表明，甜菜碱型两性离子化合物是一种可以较好的抵抗非特异性蛋白吸附的物质，如果利用甜菜碱型两性离子化合物和HEMA共聚，则可以有效地改善HEMA材料的抗蛋白质粘附性。甜菜碱型两性离子化合物主要包括磷铵两性离子、羧酸两性离子和磺酸两性离子。2‐甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱是最早被应用于制备抗粘附表面的磷铵两性离子。但是，磷酸两性离子的合成过程繁琐，产率低，且不易提纯，成本高，限制了其实际应用。相比较而言，磺酸与羧酸两性离子化合物更易于合成，并且同样具有抗蛋白质、细菌、血小板等粘附的性能，可能成为制备抗粘附表面的理想化合物。

在研究论文“Novel antifouling self-healing poly(carboxybetaine methacrylamide-co-HEMA)nanocomposite hydrogels with superior mechanical properties(Nina Yu,Kostina,Shahriar Sharifi,Andres de los Santos Pereira,Michálek,Dirk W.Grijpma and Cesar Rodriguez-Emmenegger,J.Mater.Chem.B,2013,1,5644.)”中，作者利用原位聚合的方法，将锂藻土Laponite均匀分散在水中，然后在悬浊液中添加羧酸两性离子、HEMA、光引发剂，在紫外光的引发下进行原位聚合，在得到羧酸甜菜碱型两性离子-HEMA共聚物的同时，实现纳米粒子在凝胶中的均匀分散，得到了有机/无机纳米复合水凝胶。该论文技术在紫外光引发单体进行原位聚合的过程中，需要持续的氮气保护氛围，这增加了搭建实验设备的难度；同时，该技术为了合成羧酸甜菜碱型两性离子单体，采用了β-丙内酯为原料，β-丙内酯为高毒性物质，并且价格昂贵，不利于工业化生产。将磺酸甜菜碱型两性离子化合物与HEMA共聚，制备有机/无机纳米复合水凝胶的研究还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于利用磺酸甜菜碱型两性离子，制备一种无须外界刺激和特定环境要求即可自愈合的甜菜碱型两性离子纳米复合水凝胶，且该水凝胶具有优异的物理机械性能。

与合成羧酸甜菜碱型两性离子化合物相比，本发明合成磺酸甜菜碱型两性离子单体所需要的原料磺内酯，其毒性远没有β-丙内酯大，并且，单就Alfa试剂公司而言，纯度为99％的1,3-丙烷磺内酯的目前的价格为325元/10g，其他的磺内酯价格更低，而纯度为97％的β-丙内酯的目前的价格为249元/1g，由此可见，本发明可将成本至少降低80％，具有重要的商业价值。本发明所制得的磺酸甜菜碱型两性离子纳米复合水凝胶的力学性能与现有技术的论文产品的水凝胶相当，而且本发明证明制得的水凝胶具有透明性，水凝胶的自愈合性能好，力学性能优异。而且，本发明无需氮气保护，简化了实验设备，操作方便易行。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种自愈合磺酸甜菜碱型两性离子纳米复合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

1)磺酸甜菜碱型两性离子单体的合成：将摩尔比为1:0.2～1:1.5的含碳碳双键的叔胺与环状磺酸类化合物在溶剂及阻聚剂存在的条件下，在0～100℃，反应1～48小时；将反应体系恢复至室温，过滤，用所述溶剂洗涤，除去未反应的叔胺、环状磺酸类化合物及阻聚剂，得磺酸甜菜碱型两性离子单体；

所述的含碳碳双键的叔胺的结构通式为：