[发明专利]一种基于环糊精包合作用的三维动态自修复光子晶体水凝胶及其构建方法

说明书

本发明属于动态自愈合材料构建领域，具体涉及三维动态光子晶体水凝胶的构建与三维晶体结构动态自修复的应用。本发明提供的三维动态自修复光子晶体水凝胶利用表面含有金刚烷基团的微凝胶粒子与线性环糊精聚合物之间的可逆动态主客体及疏水作用在水中形成凝胶。基于环糊精‑金刚烷包和作用的动态可逆性，该光子晶体水凝胶不但可以对抗外力破坏实现宏观自我修复，而且实现了微凝胶之间的结构自组装即可通过针头注射成型，使其明亮结构色保持如初。这一自修复光子晶体水凝胶可应用于3D打印、组织工程、化学传感、复杂结构构建等领域。本发明的原料简单易得，成本低廉，制备工艺简便易行，反应条件温和，使用范围广泛，具有较强的实用性。

技术领域

本发明属于动态自愈合材料构建领域，具体涉及一种三维动态自修复光子晶体水凝胶的构建与三维晶体结构动态自修复的应用。

背景技术

光子晶体材料是一种受生物组织通过周期排列产生绚丽色彩而启发的人工仿生材料。人工光子晶体材料由纳米粒子通过类似晶格周期排列组成，特定波长的光不能通过，从而使其显示出该波长颜色的结构色，当其受到外界刺激结构发生改变时，颜色相应改变。根据这一特性，光子晶体主要应用于生物/化学传感、光学器件，电子设备等。然而，在应用中的损坏同样是光子晶体材料不可避免的缺陷，这种依赖微观结构完整性的材料在面对外力破坏时尤为显得不堪一击。因此，科学家们除了探索光子晶体材料的应用之外，还聚焦于如何实现自修复对抗损坏，延长其使用寿命。

目前，常见的光子晶体材料由硬质胶体粒子周期排列组成，如SiO₂，TiO₂和聚苯乙烯(PS)等纳米球。这种硬质纳米球组成的胶体晶体材料制备过程繁琐，往往须要经过条件苛刻的物理排布过程，一旦由外力作用则失去其光子晶体特性不可修复。因此，有研究人员将这种分散的纳米球周围充填软质的凝胶材料，来增加其的柔性和刺激响应性，在此基础上，将分散的硬质纳米球除去，形成连续的反蛋白石结构光子晶体凝胶材料。作为凝胶，这种光子晶体材料不但具有光学特性还展示出凝胶材料的刺激响应性以及自愈合性。目前已有研究制备了一种可自愈的反蛋白石结构光子晶体凝胶，其中以戊二醛交联的牛血清蛋白作为支撑构架，在反蛋白石结构内部充填酶，这一设计使材料在接触面重新构建交联体系实现自愈合。但是这种连续相的反蛋白石结构光子晶体材料，对于微观晶体结构的自我修复束手无策。

对应软质胶体粒子，如聚乙二醇(PEG)、聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)、聚N,N-二乙基丙烯酰胺(PDEA)等组成的胶体晶体材料，制备过程大大简化了，而且相对柔韧并具有明显的刺激响应。但是，为了增强材料实用性，往往利用化学交联使其达到一定的力学强度。双键修饰的PNIPAAm胶体粒子，经紫外光引发交联后形成光子晶体水凝胶材料，实现了对热和pH的快速响应。但是，化学交联剂的加入对光子晶体材料的作用是双向的：提高力学性能的同时往往会伴随材料脆性增加，可塑性变的极差，依然无法解决材料损坏后自修复的问题。

因此，为了解决光子晶体材料本身对存储、应用等方面的诸多限制，开发一种三维晶体结构能够动态自修复的光子晶体材料，不但能够使其对抗外力破坏而且可以拓展其应用领域，在材料制备和应用方面具有重要研究意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三维动态自修复光子晶体水凝胶的制备方法，通过本发明所述的三维动态自修复光子晶体水凝胶能够同时实现宏观与微观结构自修复。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于环糊精包合作用的三维动态自修复光子晶体水凝胶，所述的光子晶体水凝胶由规则排布的PDEA微凝胶颗粒与线性聚合物交联形成；所述的PDEA微凝胶颗粒表面含有金刚烷基团；所述的线性聚合物侧链含有环糊精；颗粒与线性聚合物之间通过环糊精与金刚烷的主客体及疏水作用连接。

所述的PDEA微凝胶为DEA单体与金刚烷单体在水中通过乳液聚合得到，且其表面含有可与环糊精结合的金刚烷基团。