[发明专利]一种基于多重动态化学键的自愈合水凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于多重动态化学键的自愈合水凝胶及其制备方法。一种基于多重动态化学键的自愈合水凝胶材料，结构式如式(Ⅰ)所示：一种基于多重动态化学键的自愈合水凝胶的制备方法，是将O‑羧甲基壳聚糖、醛基化纳米纤维素、酰肼化聚L‑谷氨酸分别配成溶液，再混合搅拌，静置，得到式(Ⅰ)所示结构的水凝胶产物。本发明的水凝胶具有自愈合性、抑菌性，生物相容性良好的优点，应用价值广泛。

技术领域

本发明涉及一种水凝胶，特别涉及一种基于多重动态化学键的自愈合水凝胶及其制备方法。

背景技术

高分子水凝胶是一种以水为分散介质，由共价键和非共价键交联而形成三维网络结构的固体或半固体状材料，质地柔软，含水量高。高分子水凝胶与生物肌体组织很相似，具有良好的生物相容性，可应用于生物医学领域，如药物控制释放体系、隐形眼镜、创伤敷料及组织工程等。但在高分子水凝胶的应用中，一个普遍存在的问题是：高分子水凝胶由于含水量大，通常强度较低，总会由于外力、液体或化学物质的侵蚀而受损，从而影响其结构的完整性、使用性能和使用寿命。随着社会对水凝胶材料的要求越来越高，传统水凝胶的强度和变形能力均难以满足很多实际应用的要求，因此发展新型水凝胶材料具有重要的科学意义。自愈合作为一种在生物组织内普遍存在的性能，在过去的十年里受到广泛的关注，如果能够赋予水凝胶自愈合性能，使其能够通过宏观、微观等多机制抑制凝胶破坏，修复损伤，则可以延长其使用寿命，同时增加凝胶安全性和保持功能完整性。现如今，越来越多的科研人员选择将自愈合性能引入到智能水凝胶中来提升凝胶的应用前景。自愈合水凝胶作为一种新型自愈性材料，因其在软组织材料修复、药物载体及组织工程等领域已显现的卓越性能，成为近年来医用创新材料研究的重要热点之一。

自愈合通常是指材料受到外部损伤后，能够经自身修复在形态、性能上接近或达到损伤前的状态。动态化学是制备自愈合水凝胶的一种途径，此类动态化学包括动态共价键化学和非共价键化学。大部分物理自愈合水凝胶是通过非共价键化学实现的，如通过氢键、疏水聚集和主客体相互作用实现水凝胶的自愈合，此类自愈合不需要外部刺激，但水凝胶稳定性和强度有待提高。而动态共价键化学基自愈合水凝胶通常需要外部刺激，如pH值、光照或者温度的调节，来诱导共价键反应实现凝胶的自愈合。目前高分子水凝胶存在着自愈合、机械强度等综合性能与结构无法共同提高等挑战，对于非共价键相互作用的水凝胶，其结构普遍不稳定、力学性能欠佳，不利于其在临床上的推广与产业化；对于共价键作为交联点构建的水凝胶，如单纯的亚胺键或酰腙键交联的水凝胶，其机械强度与交联度总是无法同时达到一个最佳点，强度提高的时候，必然对应交联度的提高，但提高交联度会导致水凝胶网络尺度太低，影响细胞的浸润与迁移；因此通常需要通过与另一种或几种作用力结合从而使凝胶具有理想的综合性能。现有文献(ACS Macro Letters,2012,1(2):275-279)公开了一种同时含有酰腙键和二硫键，具有酸碱和氧化还原双重响应的自愈合水凝胶，酰腙键与二硫键在该凝胶体系中是相互兼容，互不干扰的。

目前利用温和的方法制备生物相容性良好的自愈合水凝胶材料仍是一个挑战。用天然多糖材料制备具有自愈合性质的水凝胶材料方法更是非常有限，对天然高分子自愈合凝胶的研究较少。与壳聚糖相比，羧甲基壳聚糖的水溶性好，并可以在任何pH值溶液内溶解，且无毒、无味、生物相容性好，可降解。目前报道的羧甲基壳聚糖的制备大都以壳聚糖为原料，将碱化的壳聚糖分散在异丙醇中，在加热或微波照射条件下，用氯乙酸羧化壳聚糖，从而得到羧甲基壳聚糖。该方法制备原理简单，操作易行，但因壳聚糖分子结构中有2个羟基(C6-OH和C3-OH)和1个氨基(C2-NH₂)，羧甲基化在这3个位置均可发生反应，因此产物有N,O-羧甲基壳聚糖、N-羧甲基壳聚糖和O-羧甲基壳聚糖三种，故此方法选择性差，制备的产物结构不单一。为降低生产成本，现有反应中也有采用甲壳素为原料，加入浓碱和氯乙酸，将脱乙酰化和羧甲基化结合在一起，一步到位。虽然这种方法步骤少，但同样选择性差，制备的产物结构不单一，另外，此方法无法控制产物的脱乙酰度及羧甲基取代度。也有为了制备取代位置明确的羧基化壳聚糖，直接以壳聚糖为原料，将氨基基团保护后再进行羧基化反应，得到O-羧甲基壳聚糖。但该方法制备周期长，流程复杂。