阅读说明：本技术 一种双键化丁香酚交联的仿贻贝高粘附水凝胶及其制备方法 (Double-bonded eugenol crosslinked mussel-like high-adhesion hydrogel and preparation method thereof ) 是由 马建中 刘晨阳 张跃宏 张雷 于 2020-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于双键化丁香酚交联的仿贻贝高粘附水凝胶的制备方法,所述水凝胶是以丙烯酰胺为主单体,过硫酸铵为引发剂,多巴胺甲基丙烯酰胺为高粘附性共聚单体,由双键化丁香酚交联得到；本发明是为了解决现有水凝胶在水下环境粘附强度低,同时使用不可再生石油基交联剂的问题。制备方法如下：(1)多巴胺甲基丙烯酰胺的制备；(2)双键化丁香酚的制备；(3)双键化丁香酚交联仿贻贝高粘附水凝胶的制备。本发明通过引入多巴胺甲基丙烯酰胺高粘附性共聚单体来提高水凝胶的水下粘附强度,并以双键化丁香酚作为生物质基交联剂来提高水凝胶的力学强度,最终得到兼具良好机械强度、水下粘附性的仿贻贝水凝胶。(The invention relates to a preparation method of a mussel-like high-adhesion hydrogel based on double-bonded eugenol crosslinking, wherein the hydrogel is obtained by crosslinking double-bonded eugenol by taking acrylamide as a main monomer, ammonium persulfate as an initiator and dopamine methacrylamide as a high-adhesion comonomer; the invention aims to solve the problems that the existing hydrogel has low adhesion strength in an underwater environment and a nonrenewable petroleum-based crosslinking agent is used. The preparation method comprises the following steps: (1) preparing dopamine methacrylamide; (2) preparing double-bonded eugenol; (3) and (3) preparing the double-bonded eugenol cross-linked mussel-like high-adhesion hydrogel. According to the invention, the underwater adhesion strength of the hydrogel is improved by introducing the dopamine methacrylamide high-adhesion comonomer, and the mechanical strength of the hydrogel is improved by using double-bonded eugenol as a biomass-based crosslinking agent, so that the mussel-like hydrogel with good mechanical strength and underwater adhesion is finally obtained.)

一种双键化丁香酚交联的仿贻贝高粘附水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明属于水凝胶及其制备领域，具体涉及一种双键化丁香酚交联的仿贻贝高粘附水凝胶的制备方法。

背景技术

水凝胶是一种具有优越生物相容性的材料，它具有与人体体内细胞外基质类似的三维交联结构，因其具有一定的强度，独特的吸水、保水能力，可控制药物释放以及良好的生物粘附及生物相容性等优异的理化性质和生物学性质，已被广泛地应用于伤口敷料、药物控释材料以及粘合剂等领域。目前，现有的水凝胶粘合剂存在机械强度差，粘结性能差，在水环境中粘结性显著降低甚至丧失粘结力的缺点，使其应用范围受到极大限制。因此，迫切需要改善水凝胶的机械强度，并赋予其水下粘附性，以期拓展水凝胶粘合剂的应用领域。

近年来，石油基资源的过度使用带来了严重的环境污染和资源枯竭问题。因而，开发生物质基交联剂受到研究者越来越多的关注。丁香酚作为一种生物质基化合物，具有成本低、来源广泛的优点。但是丁香酚自身含有的烯丙基双键活性较低，其酚羟基具有阻聚作用，使得丁香酚难以进行自聚。

海洋贻贝的粘附蛋白具有超强的水下粘附作用使其能够牢固粘附在各种基材表面。研究表明，贻贝这种超强的粘附能力与其足丝分泌的粘附蛋白中的3，4－二羟基苯丙氨酸(DOPA)有关，DOPA作为贻贝粘附蛋白的主要功能基团，可以和不同的基质材料形成相互作用，表现出极强的粘附能力。然而，天然贻贝的粘附蛋白含量低、水溶性较差，直接进行粘附蛋白的提取操作复杂且成本较高，难以进行应用推广。

发明内容

对于丁香酚难以自聚的问题，可将丁香酚中的酚羟基转化为活性较高的甲基丙烯酸酯基团，从而将双键化丁香酚(ME)引入水凝胶体系，双键化丁香酚自身结构上的刚性苯环以及其结构上的两个双键分别与丙烯酰胺和多巴胺甲基丙烯酰胺结构上的双键发生共聚可赋予水凝胶更高的机械强度。对于天然贻贝的粘附蛋白提取操作复杂且成本较高，可通过模仿贻贝粘附蛋白的分子结构，将具有邻苯二酚基团和氨基的多巴胺甲基丙烯酰胺(DMA)作为仿贻贝黏附蛋白的前驱体，将其引入聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶体系，赋予水凝胶良好的水下粘附特性。所制备水凝胶的结构如下式所示，式(1)为水凝胶的结构式(DMA-ME-PAM)：

本发明为解决现有水凝胶粘合剂存在力学强度较差、粘结强度低以及在水环境中粘附性显著降低甚至丧失的问题，提供了一种双键化丁香酚交联的仿贻贝高粘附水凝胶的制备方法。该方法以双键化丁香酚为生物质基交联剂，通过丙烯酰胺和多巴胺甲基丙烯酸酐在中性条件下进行自由基共聚反应，制备得到一种兼具良好水下粘结性能和机械强度的水凝胶。

本发明所采用的技术方案为：

本发明提出采用双键化丁香酚作为生物质基交联剂，多巴胺甲基丙烯酰胺作为高粘附性共聚功能单体，制备一种环境友好、机械性能良好、具有水下粘附性的仿贻贝高粘附水凝胶。

所述水凝胶是以丙烯酰胺为主单体，多巴胺甲基丙烯酰胺为高粘附性共聚单体，双键化丁香酚为交联剂，过硫酸铵为引发剂，经自由基聚合得到。

进一步地，包括如下步骤：

按照质量份数将10-30份多巴胺甲基丙烯酰胺、5-15份双键化丁香酚、800-2400份丙酮溶液混合，经充分搅拌得到溶液A；将100-400份丙烯酰胺溶解于300-900份中性去离子水中得到溶液B；将溶液A和溶液B均匀混合，加入3-9份过硫酸铵，搅拌30-60min，充分反应后制得。

所述高粘附性共聚单体多巴胺甲基丙烯酰胺是通过酰胺化反应将含双键的甲基丙烯酸酐引入盐酸多巴胺得到。

所述双键化丁香酚是由生物质基的丁香酚与甲基丙烯酸酐通过酯化反应得到。

更具体地，可包括如下步骤：

步骤一：多巴胺甲基丙烯酰胺的制备

按质量份数，将10-30份的四硼酸钠和4-12份碳酸氢钠溶于100-300份的去离子水后，置于25℃的反应器中，在气密性良好的条件下通N₂反应30-60min，再将5-15份盐酸多巴胺加入反应器中，将甲基丙烯酸酐和四氢呋喃的混合溶液缓慢滴加(过程中通过滴加1mol/L氢氧化钠水溶液控制pH＞8.0)，继续通N₂反应14-18h，将生成的悬浮液用乙酸乙酯洗涤两遍，然后用6mol/L盐酸水溶液调节pH至1.0-3.0，用乙酸乙酯萃取3次，将三次有机相用无水硫酸镁干燥，抽滤，将所得滤液加入正己烷中沉降并搅拌，于4℃下过夜，真空干燥后得到多巴胺甲基丙烯酰胺。

步骤二：双键化丁香酚的制备

按质量分数，将20-60份丁香酚加入反应器中，在气密性良好的条件下通N₂反应2-3h，以除去O₂和水分。将甲基丙烯酸酐缓慢滴入反应器中，并将温度逐渐升至40-60℃，持续通N₂，反应24h。将反应器中的产物转移至烧杯中，在烧杯中加入产物2-4倍体积的二氯甲烷对产物进行稀释。在烧杯中加入为产物4倍体积的碳酸氢钠水溶液对产物进行水洗，重复洗5-6次，直至烧杯中无气泡产生。依次用1.0mol/L氢氧化钠水溶液，0.5mol/L氢氧化钠水溶液，1.0mol/L盐酸溶液对烧杯中的有机层进行洗涤。加入过量无水硫酸镁对产物进行干燥，过滤，减压蒸馏，40-80℃烘箱中于干燥过夜后得到双键化丁香酚。

步骤三：双键化丁香酚交联的仿贻贝高粘附水凝胶的制备。

按照质量分数将10-30份多巴胺甲基丙烯酰胺和5-15份双键化丁香酚溶于800-2400份丙酮溶液中充分搅拌至完全溶解，得到溶液A；将100-400份丙烯酰胺溶解于300-900份中性去离子水中得到溶液B；将溶液A和溶液B混合，搅拌均匀，加入3-9份过硫酸铵，搅拌30-60min后，充分反应后制得双键化丁香酚交联的仿贻贝高粘附水凝胶。

所述的步骤一中甲基丙烯酸酐和四氢呋喃混合溶液中二者的体积比为1:5。

所述的步骤二中丁香酚和甲基丙烯酸酐的质量比为2:1。

所述的步骤三中多巴胺甲基丙烯酰胺和双键化丁香酚的溶剂均为无水丙酮；反应温度为60-80℃，反应时间为3-4h。

与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供一种双键化丁香酚交联的仿贻贝水凝胶的制备方法，制备过程中采用多巴胺甲基丙烯酰胺、双键化丁香酚和丙烯酰胺共聚合的方法，通过调节固化反应条件可在温和条件下得到双键化丁香酚交联的仿贻贝高粘附水凝胶，使用的原料丙烯酰胺具有价廉易得，应用广泛的特点，制备方法简单、制备条件温和，具有推广应用前景。

(2)本发明制备的双键化丁香酚交联的仿贻贝水凝胶，一方面利用多巴胺良好的水下粘附性，另一方面利用双键化丁香酚中不饱和碳碳双键的反应活性，使得制备的水凝胶兼具良好的水下粘附性和机械强度。

(3)本发明制备的双键化丁香酚交联的仿贻贝水凝胶，可以通过调节粘附功能单体多巴胺甲基丙烯酰胺、交联剂双键化丁香酚和基体丙烯酰胺共聚体系的比例来有效调控凝胶的粘附性和力学性能，该水凝胶在水环境中对铝板、玻璃、聚乙烯塑料、硬纸板、桦木板均有较好的粘接性。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。这些实例只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明涉及的双键化丁香酚交联仿贻贝粘附水凝胶的制备方法，以丙烯酰胺为原料，多巴胺甲基丙烯酸酐为粘附功能单体，双键化丁香酚为交联剂，制备水下粘结性能和机械强度明显改善的水凝胶。

实施例1：

步骤一：多巴胺甲基丙烯酰胺的制备

称取5g四硼酸钠和2g碳酸氢钠溶于50mL的去离子水，置于25℃的反应器中，在气密性良好的条件下通N₂反应30min，再将2.5g盐酸多巴胺加入反应器中，将2.35mL甲基丙烯酸酐和11.75mL四氢呋喃的混合溶液缓慢滴加(过程中通过滴加1mol/L氢氧化钠水溶液控制pH＞8.0)，继续通N₂反应16h，将生成的悬浮液用乙酸乙酯洗涤两遍，然后用6mol/L盐酸水溶液调节pH至1.0-3.0，用乙酸乙酯萃取3次，将三次有机相用无水硫酸镁干燥，抽滤，将所得滤液加入正己烷中沉降并搅拌，于4℃下过夜，真空干燥后得到多巴胺甲基丙烯酰胺。

步骤二：双键化丁香酚的制备

称取20g丁香酚加入反应器中，在气密性良好的条件下通N₂反应2h，以去除O₂和水分。称取甲基丙烯酸酐10g，缓慢滴入反应器中，并逐渐将温度升至50℃，持续通N₂，反应24h。将反应器中的产物转移至烧杯中，在烧杯中加入体积为产物体积2倍的二氯甲烷对产物进行稀释。在烧杯中加入体积为产物体积4倍的碳酸氢钠水溶液对产物进行水洗，重复洗5-6次，直至烧杯中无气泡产生。依次用1.0mol/L氢氧化钠水溶液，0.5mol/L氢氧化钠水溶液，1.0mol/L盐酸溶液对烧杯中的有机层进行洗涤。加入过量无水硫酸镁对产物进行干燥，经过滤，减压蒸馏操作后得到纯净产物。将得到的纯净产物置于50℃烘箱中于干燥过夜，最终到双键化丁香酚。

步骤三：双键化丁香酚交联的仿贻贝粘附水凝胶胶粘剂的制备。

称取步骤一中的多巴胺甲基丙烯酰胺0.5g和步骤二中的双键化丁香酚0.205g溶于8mL丙酮溶液中充分搅拌至完全溶解，得到溶液A，将6.13g丙烯酰胺溶解于12mL中性去离子水中得到溶液B，将溶液A和溶液B混合，搅拌均匀，加入0.164g过硫酸铵，搅拌30min后，将混合溶液置于60℃下反应3-4h，制得双键化丁香酚交联的仿贻贝粘附水凝胶胶粘剂。

实施例2：

步骤一：多巴胺甲基丙烯酰胺的制备

称取10g四硼酸钠和4g碳酸氢钠溶于100mL的去离子水，置于25℃的反应器中，在气密性良好的条件下通N₂ 30min，再将5g盐酸多巴胺加入反应器中，将4.7mL甲基丙烯酸酐和23.5mL四氢呋喃的混合溶液缓慢滴加(过程中通过滴加1mol/L氢氧化钠水溶液控制pH＞8.0)，继续通N₂反应16h，将生成的悬浮液用乙酸乙酯洗涤两遍，然后用6mol/L盐酸水溶液调节pH至1.0-3.0，用乙酸乙酯萃取3次，将三次有机相用无水硫酸镁干燥，抽滤，将所得滤液加入正己烷中沉降并搅拌，于4℃下过夜，真空干燥后得到多巴胺甲基丙烯酰胺。

步骤二：双键化丁香酚的制备

称取20g丁香酚加入反应器中，在气密性良好的条件下通N₂反应2h，以去除O₂和水分。称取甲基丙烯酸酐10g，缓慢滴入反应器中，并逐渐将温度升至50℃，持续通N₂，反应24h。停止搅拌，将反应器中的产物转移至烧杯中，在烧杯中加入体积为产物体积2倍的二氯甲烷对产物进行稀释。在烧杯中加入体积为产物体积4倍的碳酸氢钠水溶液对产物进行水洗，重复洗5-6次，直至烧杯中无气泡产生。依次用1.0mol/L氢氧化钠水溶液，0.5mol/L氢氧化钠水溶液，1.0mol/L盐酸溶液对烧杯中的有机层进行洗涤。加入过量无水硫酸镁对产物进行干燥，经过滤，减压蒸馏操作后得到纯净产物。将得到的纯净产物置于50℃烘箱中于干燥过夜，最终到双键化丁香酚。

步骤三：双键化丁香酚交联的仿贻贝粘附水凝胶胶粘剂的制备。

称取步骤一中的多巴胺甲基丙烯酰胺1g和步骤二中的双键化丁香酚0.205g溶于15mL丙酮溶液中充分搅拌至完全溶解，得到溶液A，将6.13g丙烯酰胺溶解于12mL中性去离子水中得到溶液B，将溶液A和溶液B混合，搅拌均匀，加入0.164g过硫酸铵，搅拌30min后，将混合溶液置于60℃下反应3-4h，制得双键化丁香酚交联的仿贻贝粘附水凝胶胶粘剂。

实施例3：

步骤一：多巴胺甲基丙烯酰胺的制备

称取10g四硼酸钠和4g碳酸氢钠溶于100mL的去离子水，置于25℃的反应器中，在气密性良好的条件下通N₂ 30min，再将5g盐酸多巴胺加入反应器中，将4.7mL甲基丙烯酸酐和23.5mL四氢呋喃的混合溶液缓慢滴加(过程中通过滴加1mol/L氢氧化钠水溶液控制pH＞8.0)，继续通N₂反应16h，将生成的悬浮液用乙酸乙酯洗涤两遍，然后用6mol/L盐酸水溶液调节pH至1.0-3.0，用乙酸乙酯萃取3次，将三次有机相用无水硫酸镁干燥，抽滤，将所得滤液加入正己烷中沉降并搅拌，于4℃下过夜，真空干燥后得到多巴胺甲基丙烯酰胺。

步骤二：双键化丁香酚的制备

称取20g丁香酚加入反应器中，在气密性良好的条件下通N₂反应2h，以去除O₂和水分。称取甲基丙烯酸酐10g，缓慢滴入反应器中，并逐渐将温度升至50℃，持续通N₂，反应24h。停止搅拌，将反应器中的产物转移至烧杯中，在烧杯中加入体积为产物体积2倍的二氯甲烷对产物进行稀释。在烧杯中加入体积为产物体积4倍的碳酸氢钠水溶液对产物进行水洗，重复洗5-6次，直至烧杯中无气泡产生。依次用1.0mol/L氢氧化钠水溶液，0.5mol/L氢氧化钠水溶液，1.0mol/L盐酸溶液对烧杯中的有机层进行洗涤。加入过量无水硫酸镁对产物进行干燥，经过滤，减压蒸馏操作后得到纯净产物。将得到的纯净产物置于50℃烘箱中于干燥过夜，最终到双键化丁香酚。

步骤三：双键化丁香酚交联的仿贻贝粘附水凝胶胶粘剂的制备。

称取步骤一中的多巴胺甲基丙烯酰胺1g和步骤二中的双键化丁香酚0.4g溶于15mL丙酮溶液中充分搅拌至完全溶解，得到溶液A，将6.13g丙烯酰胺溶解于12mL中性去离子水中得到溶液B，将溶液A和溶液B混合，搅拌均匀，加入0.164g过硫酸铵，搅拌30min后，将混合溶液置于60℃下反应3-4h，制得双键化丁香酚交联的仿贻贝粘附水凝胶胶粘剂。

对比例1：

本对比例与实施例1相比，区别在于将实施例1中步骤一的“多巴胺甲基丙烯酰胺”置换为“未经双键化改性的盐酸多巴胺”，具体为将实施例1中的步骤一省略，将步骤三调整为：称取盐酸多巴胺0.5g和双键化丁香酚0.205g溶于8mL丙酮溶液中充分搅拌至完全溶解，得到溶液A，将6.13g丙烯酰胺溶解于12mL中性去离子水中得到溶液B，将溶液A和溶液B混合，搅拌均匀，加入0.164g过硫酸铵，搅拌30min后，将混合溶液置于60℃下反应3-4h，制得双键化丁香酚交联的仿贻贝粘附水凝胶胶粘剂。

对比例2：

本对比例与实施例2相比，区别在于将实施例2中的多巴胺甲基丙烯酰胺组分省略，制备双键化丁香酚交联的聚丙烯酰胺水凝胶。具体为将实施例2中的步骤一省略，将步骤三调整为：称取双键化丁香酚0.205g溶于15mL丙酮溶液中充分搅拌至完全溶解，得到溶液A，将6.13g丙烯酰胺溶解于12mL中性去离子水中得到溶液B，将溶液A和溶液B混合，搅拌均匀，加入0.164g过硫酸铵，搅拌30min后，将混合溶液置于60℃下反应3-4h，制得双键化丁香酚交联的聚丙烯酰胺水凝胶。

对比例3：

本对比例与实施例3相比，区别在于将实施例3中的交联剂双键丁香酚省略，具体为将实施例3中的步骤二省略，将步骤三调整为：称取多巴胺甲基丙烯酰胺1g溶于15mL丙酮溶液中充分搅拌至完全溶解，得到溶液A，将6.13g丙烯酰胺溶解于12mL中性去离子水中得到溶液B，将溶液A和溶液B混合，搅拌均匀，加入0.164g过硫酸铵，搅拌30min后，将混合溶液置于60℃下反应3-4h，制得仿贻贝粘附水凝胶胶粘剂。

对实施例1-3和对比例1-3制备的水凝胶开展粘结砝码的实验：结果见附表1(六种水凝胶的力学性能)

附表1

注：*代表能粘接小于50g砝码，**代表能粘接起100g砝码，***代表能粘接150g砝码，****代表能粘接起200g砝码，三种实施例中的水凝胶对铝板、玻璃、聚乙烯塑料、硬纸板、桦木板均有较好的粘接性。

由附表1可知，实施例1与对比例1(使用未改性的盐酸多巴胺)相比，对盐酸多巴胺进行双键化改性后所制备水凝胶综合性能良好；

实施例2与对比例2(未使用多巴胺甲基丙烯酰胺)相比，将粘附性功能单体多巴胺甲基丙烯酰胺引入水凝胶体系后，显著提高了所制备水凝胶的韧性，并赋予水凝胶在室温与水环境中良好的粘附性；

实施例3与对比例3(未使用交联剂双键化丁香酚)相比，交联剂双键化丁香酚的引入提高了水凝胶体系的交联度，一定程度提高了水凝胶的粘接强度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。