[发明专利]一种生物质纳米纤维素基双网络水凝胶及其制备方法

说明书

本发明属于水凝胶制备技术领域，具体涉及一种生物质纳米纤维素基双网络水凝胶及其制备方法。将丙烯酸单体、亚甲基双丙烯酰胺和2‑羟基‑4’‑(2‑羟乙氧基)‑2‑甲基苯丙酮)的混合水溶液加入到生物质纳米纤维素悬浮液中，然后进行常温除气，最后在紫外灯辐照下得到生物质纳米纤维素基双网络水凝胶。本发明具有原料来源于固体废弃物，合成方法简便，反应过程经济、绿色的优点。本发明制备的纳米纤维素基双网络水凝胶具有优异的柔韧性，可编织成各种形状，具有良好的拉伸性能，伸长率可达1092％，同时，本发明制备的纳米纤维素基双网络水凝胶具有优异的压缩性能，在循环荷载下具有优异的形变恢复能力。

技术领域

本发明属于水凝胶制备技术领域，具体涉及一种生物质纳米纤维素基双网络水凝胶及其制备方法。

背景技术

水凝胶是一种具有良好生物相容性、环境友好的、抗生物污染的高含水量凝胶材料，在组织工程支架、药物传递、微射流和光学制动器等方面有强大的应用潜力。当含水量大于97％时，水凝胶如粘土片层结构水凝胶、多异氰酸肽凝胶、羧甲基纤维素水凝胶等的网络结构变得易碎，变形恢复能力也几乎消失。研究人员虽然赋予了其更多的功能特性，但较弱的机械力学性能限制了其进一步发展。

为了获得强韧网络结构及进一步扩大水凝胶的应用范围，由两种相互渗透、缠结的网络结构材料组成的水凝胶应运而生。其中刚性的、易碎的网络结构可作为牺牲键有效地耗散集中应力到周边网络，弥补结构缺陷；而柔性可活动聚合物在水凝胶中呈无规线团构象存在，受力发生形变时被拉直，释放隐藏聚合物链长度。纳米纤维素作为一种天然的刚性长直连聚合物，具有优异的力学性能(杨氏模量可达145GPa)、亲水性、生物相容性和可降解性，而且可以通过表面丰富的羟基形成氢键自组装获得刚性网络结构，这些都使得纳米纤维素基水凝胶在人工组织、支架、体外细胞培养基质等方面有强大的应用潜力。可是,传统的化学交联的纤维素水凝胶由于能量耗散机制不理想，机械性能较差。因此，亟待发明一种强韧的、具有优异的形变恢复能力的纳米纤维素基水凝胶的制备方法。

发明内容

本发明针对纳米纤维素水凝胶网络结构松散、变形恢复能力较弱的问题，提出了一种生物质纳米纤维素基双网络水凝胶及其制备方法。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明一方面提供了一种生物质纳米纤维素基双网络水凝胶，其是由生物质纳米纤维素通过羟基自组装形成的第一层刚性网络与共价键交联的丙烯酸相互穿插、缠结在一起而形成。纳米纤维素氢键自组装刚性网络伴随着外力的作用和撤销发生破坏-复原，达到能量耗散的目的。纤维素分子链上丰富的羟基和聚丙烯酸分子链上的羧基也会形成氢键，一方面增强两种聚合物链段之间的相容性和双网络水凝胶对能量的耗散能力和变形恢复的能力；另一方面还使得该双网络水凝胶具有良好的吸附性能。双网络水凝胶表现出优异的强韧性、形变恢复能力及吸附性。

本发明另一方面提供了上述生物质纳米纤维素基双网络水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

将丙烯酸单体、亚甲基双丙烯酰胺和2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮)的混合水溶液加入到生物质纳米纤维素悬浮液中，然后进行常温除气，最后在紫外灯辐照下得到生物质纳米纤维素基双网络水凝胶。

在本发明制备双网络水凝胶的过程中，丙烯酸单体通过紫外光引发聚合形成聚合物网络与纳米纤维素通过氢键作用形成的网络结构主要通过物理缠结成一体，同时丙烯酸网络表面的羧基基团能够与纤维素网络表面的羟基基团易于形成氢键结合，增强两种聚合物链与链之间的相容性。水凝胶受力变形时，异种网络之间和同种网络内部的氢键能阻碍裂纹增长，保持网络完整不破裂，更有效地转散集中应力，可以用作人体软骨、组织工程支架等的替代材料等方面。

进一步，所述丙烯酸单体、亚甲基双丙烯酰胺、2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮)的摩尔比为900～1100:1:2。