阅读说明：本技术 一种自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶及其制备方法与应用 (Self-adhesive polyacrylamide composite hydrogel and preparation method and application thereof ) 是由 董智贤 卢淑欣 庄梓明 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及水凝胶技术领域,尤其涉及一种自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶及其制备方法与应用。本发明公开了一种自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶,包括：聚丙烯酰胺水凝胶和分散在所述聚丙烯酰胺水凝胶中的负载植物多酚的层状纳米无机化合物,其中,选用生物相容性好、比表面积大的层状纳米无机化合物作为载体,负载绿色可再生、价廉易得的植物多酚,将大量酚羟基功能团引入聚丙烯酰胺水凝胶中,赋予其良好的组织粘附性,层状纳米无机化合物又可以对聚丙烯酰胺网络起到增强作用。该水凝胶对多种基材和人体皮肤表现出极好的可重复粘附性,而且具有良好的柔韧性,可伴随人体关节运动伸展回缩,不发生脱落。(The invention relates to the technical field of hydrogel, in particular to self-adhesive polyacrylamide composite hydrogel and a preparation method and application thereof. The invention discloses a self-adhesive polyacrylamide composite hydrogel, which comprises the following components: the polyacrylamide hydrogel and the layered nano inorganic compound loaded with the plant polyphenol dispersed in the polyacrylamide hydrogel are characterized in that the layered nano inorganic compound with good biocompatibility and large specific surface area is selected as a carrier to load the green, renewable, cheap and easily-obtained plant polyphenol, a large amount of phenolic hydroxyl functional groups are introduced into the polyacrylamide hydrogel, so that the polyacrylamide hydrogel is endowed with good tissue adhesion, and the layered nano inorganic compound can play a role in enhancing a polyacrylamide network. The hydrogel shows excellent repeatable adhesion to various substrates and human skin, has good flexibility, can extend and retract along with the movement of human joints, and does not fall off.)

一种自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及水凝胶技术领域，尤其涉及一种自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

水凝胶是一类由亲水性高分子或聚合物通过共价键、氢键、范德华力等作用交联形成的三维网络结构材料，具有性质柔软，含水量高，生物相容性好，易成型，形状大小可控等优点，在三维组织工程基质、药物载体、生物复合材料以及可穿戴设备等领域具有广泛的应用前景。传统的聚合物水凝胶大都缺乏组织粘附性，在可穿戴生物电子设备与人工皮肤领域，自粘附水凝胶的开发更具实用价值。

近年来自粘附水凝胶的制备多是受贻贝启发，通过在水凝胶体系中引入多巴胺来实现的。海洋贻贝类生物的足丝分泌蛋白几乎能够在所有基底材料上实现高强度、高韧性的粘附，且不受水或者潮湿环境影响，研究表明贻贝分泌的粘附蛋白中高含量的左旋多巴(DOPA)和赖氨酸是其强大的附着力的来源。聚多巴胺(PDA)分子结构类似于贻贝粘附蛋白的结构，基于酚羟基化学反应，聚多巴胺能够根据不同基底的表面性质，与基底发生共价和/或非共价相互作用，从而粘附在基底表面。因此，有研究者尝试利用多巴胺来改性生物相容性材料包括海藻酸钠、明胶、壳聚糖、透明质酸、聚乙烯亚胺、聚乙二醇等来制备自粘附水凝胶；也有研究者采用多巴胺改性碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维等碳材料或者粘土、水滑石等矿物填料，再与聚丙烯酸、聚丙烯酰胺等复合来制备自粘附性水凝胶。

目前的仿贻贝水凝胶与其它基底进行粘附的作用机理主要有以下三种：一种是通过聚多巴胺酚羟基与金属离子形成非共价键相互作用，如与Fe³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等金属离子进行螯合，在基底表面形成一层粘附层；二是通过对多巴胺进行原位氧化或交联，如用高碘酸钠或是酪氨酸酶等氧化多巴胺酚羟基发生醌基交联，与基底之间形成共价键作用；三是多巴胺与基底表面的氨基、巯基等发生迈克尔加成反应或者席夫碱反应，形成共价键。这些氧化或交联一般发生在原位，水凝胶的粘性由固化时间决定，固化后水凝胶的粘性将不再，因此目前的仿贻贝水凝胶的粘性通常是一次性的，无法多次重复使用，另外，多巴胺价格昂贵、来源稀缺，不适合工业大规模生产；而且聚多巴胺颜色呈黑色，影响水凝胶制品外观。

发明内容

本发明提供了一种自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶及其制备方法与应用，解决了现有的仿贻贝水凝胶制备原料多巴胺价格昂贵、来源稀缺；聚多巴胺颜色呈黑色，影响水凝胶制品外观；水凝胶粘性通常是一次性的，无法多次重复使用等问题。

其具体技术方案如下：

本发明提供了一种自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶，包括：聚丙烯酰胺水凝胶和分散在所述聚丙烯酰胺水凝胶中的负载植物多酚的层状纳米无机化合物。

本发明中，植物多酚是一类广泛存在于植物体内的天然多酚类物质，主要存在于植物的皮、根、叶、果中，在自然界储量非常丰富，其特点为结构中具有数量较多的酚羟基，以连苯三酚、邻苯二酚结构的邻位酚羟基为主。植物多酚中大量的酚羟基可通过氢键、离子键、疏水缔合作用等多种化学键以及分子间作用，发挥络合和交联作用，同样可以赋予水凝胶材料对多种基材表面良好的粘附性。

本发明中，所述植物多酚选自单宁、原花青素、儿茶素、栎精、没食子酸、鞣花酸、熊果苷或姜黄素。

单宁结构式如式(Ⅰ)所示，

单宁又称为单宁酸、丹宁酸、鞣酸、没食子鞣酸、鞣质、落叶松栲胶等，为黄色或淡棕色轻质无定形粉末或鳞片，其分子式为C₇₆H₅₂O₄₆，分子量为1701，水溶性为250g/L(20℃)。单宁酸具有抗氧化、消炎杀菌、收敛止血等药理功能，对多种病菌如大肠杆菌、霍乱菌、金黄色葡萄球菌等有明显抑制作用，可用于化妆品以及治疗湿疹、褥疮、痔疮等的医用软膏。单宁是非常成熟的工业化产品，且价格便宜，来源广，羟基比例高。因此，本发明植物多酚优选为单宁。

所述层状纳米无机化合物选自磷酸锆、锂藻土、蒙脱土、高岭土、水滑石或云母，优选为磷酸锆。

本发明中，纳米磷酸锆为α-纳米磷酸锆(α-ZrP)具有典型的层状结构，单片层厚度为5～20纳米，片层平面尺寸为0.4～2微米。在α-ZrP层状结构中，-POH基团朝向层板表面，水分子位于晶型结构的空腔中，与P-OH形成氢键，层与层之间的作用力是范德华力，可以通过嵌入、柱撑或键接上一定尺寸的有机基团来改变层间距的大小。α-ZrP具有良好的生物相容性，不溶于水和大多数有机溶剂，能耐强酸和一定碱度，机械强度和化学稳定性高；纳米片层比表面积大，电荷密度高，易牢固结合与之电荷相反的粒子。

本发明中，磷酸锆优选为α-纳米磷酸锆，属于阳离子型纳米层状化合物，单片层厚度为5～20纳米，片层平面尺寸为0.4～2微米。α-纳米磷酸锆不仅具有其他层状化合物的特点，还有自己独特的性质：具有良好的生物相容性，制备方法简单，晶形好，粒子尺寸分布较窄，不溶于水和大多数有机溶剂，耐酸碱性和热稳定性良好，层状结构稳定，比表面积以及表面电荷密度大，α-纳米磷酸锆离子交换容量可达600mmol/100g，是粘土的6倍。更重要的是，α-纳米磷酸锆中锆离子还可以与植物多酚邻位酚羟基形成络合物，从而能够保持植物多酚大量的自由酚羟基在丙烯酰胺原位聚合过程中不被氧化，同时也可减弱植物多酚酚羟基对于丙烯酰胺单体聚合反应的阻聚作用。在存放和使用过程中，纳米磷酸锆负载的植物多酚可逐渐释放出来，赋予聚丙酰胺水凝胶对多种基材表面良好的可重复粘附性。

本发明使用α-纳米磷酸锆(α-ZrP)负载植物多酚，植物多酚可通过化学吸附、氢键及双电层静电力作用等吸附于α-ZrP的表面及层间。吸附于磷酸锆表面的植物多酚含有大量的羟基，可大大提高纳米磷酸锆的亲水性，在水溶液中可以长时间稳定分散，防止其在丙烯酰胺聚合过程中发生沉降。

本发明中，α-纳米磷酸锆片层平面尺寸和比表面积大，有利于丙烯酰胺单体活性中心在其表面进行吸附、链增长和终止，在聚丙烯酰胺大分子链间充当多官能物理交联剂的作用，聚丙烯酰胺大分子链吸附于α-纳米磷酸锆片层表面，形成特殊的有机-无机网络结构，赋予水凝胶优异的力学性能。聚丙烯酰胺与α-纳米磷酸锆纳米复合水凝胶只能通过原位聚合制备，无法通过聚合物与α-纳米磷酸锆简单物理共混得到。

本发明中，负载植物多酚的层状纳米无机化合物优选采用植物多酚水溶液与层状纳米无机化合物混合干燥得到。其中，所述植物多酚水溶液的质量浓度为0.2％～4％，优选为1％～3％，更优选为1％、2％或3％；所述植物多酚水溶液中的植物多酚与所述层状纳米无机化合物的质量比为(0.2～2)：1，优选为(0.5～1)：1更优选为0.5：1、1.5：1或1：1；所述混合优选使用搅拌混合；所述搅拌混合的时间优选为6～24h，更优选为6h、12h或24h；所述混合之后，离心取沉淀进行干燥；所述干燥优选为真空干燥；所述真空干燥的温度优选为60℃，时间优选为4h～24h；本发明实施例中，干燥后得到植物多酚改性的纳米磷酸锆单片层厚度为5～20纳米，片层平面尺寸为0.4～2微米。

本发明还提供了一种自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

将丙烯酰胺单体、交联剂、引发剂与负载植物多酚的层状纳米无机化合物在冰浴下进行混合，然后进行聚合反应，得到自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶。

本发明中，丙烯酰胺单体、交联剂、引发剂与负载有植物多酚的层状纳米无机化合物在冰浴下进行混合，其中，冰浴的温度优选为0～5℃，更优选为3℃，混合优选采用磁力搅拌，所述磁力搅拌的转速优选为500～1000转/分，更优选为500～800转/分，进一步优选为500转/分，时间优选为0.5～2h，更优选为1h；

所述混合之后，还包括：除去冰浴和磁子，将混合后的溶液进进行超声消泡，然后倒入模具，进行聚合反应；所述聚合反应使得丙烯酰胺单体发生原位聚合成聚丙烯酰胺，同时负载有植物多酚的层状纳米无机化合物物理分散在聚丙烯酰胺中，得到自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶；所述聚合反应的温度为25～30℃，时间为4～24h，优选为25℃，12h。

本发明中，所述交联剂选自N,N’-亚甲基双丙烯酰胺或乙二醇二甲基丙烯酸酯，优选为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺；

所述引发剂优选为氧化还原引发剂；

所述氧化还原引发剂包括：氧化剂和还原剂；所述氧化剂包括过硫酸盐、氯酸盐或硝酸铈铵；所述还原剂包括N,N,N′,N′-四甲基乙二胺、亚硫酸钠或硫脲。

本发明中，氧化还原引发剂优选为：过硫酸铵/N,N,N′,N′-四甲基乙二胺、过硫酸钾/N,N,N′,N′-四甲基乙二胺、过硫酸铵/亚硫酸钠、过硫酸钾/亚硫酸钠、氯酸钠/亚硫酸钠或硝酸铈铵/硫脲。

所述负载植物多酚的层状纳米无机化合物的质量为丙烯酰胺单体的0.5％～5％，更优选为1.45％；所述交联剂的质量为所述单体质量的0.02％～0.2％，更优选为0.029％～0.058％，进一步优选为0.029％、0.042％或0.058％；所述氧化还原引发剂中，所述氧化剂质量为所述单体质量的0.1％～0.5％，更优选为0.23％～0.3％，进一步优选为0.3％或0.23％，所述还原剂的质量为所述单体质量的0.5‰～5‰，优选为1.5‰或3‰。

本发明还提供了上述自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶和上述制备方法制得的自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶在皮肤修复、伤口敷料、伤口缝合或可穿戴设备中的应用。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶，包括：聚丙烯酰胺水凝胶和分散在所述聚丙烯酰胺水凝胶中的负载植物多酚的层状纳米无机化合物；层状纳米无机化合物选自磷酸锆、锂藻土、蒙脱土、高岭土、水滑石或云母。

本发明中，选用生物相容性好、比表面积大的层状纳米无机化合物作为载体，绿色可再生、绿色可再生、价廉易得的植物多酚作为改性剂，与聚丙烯酰胺原位复合制备具有自粘附性的水凝胶，植物多酚大量的酚羟基赋予水凝胶超强的粘附性，而层状纳米无机化合物又可以对聚丙烯酰胺网络起到增强作用。该聚丙烯酰胺复合水凝胶呈透明状，具有自粘附性能，不仅对皮肤、金属、玻璃、塑料、橡胶等多种基材均表现出极好的可重复粘附性(可重复粘结-剥离20次以上)，而且其拉伸强度可达到170KPa，拉伸形变量超过1700％，具有良好的柔韧性。该聚丙烯酰胺复合胶水凝胶对人体皮肤具有良好的粘附性，可伴随人体关节运动伸展收缩，在关节运动过程不会发生剥离脱落，也不会发生破坏，用完后极易从皮肤上剥离，剥离过程中皮肤无任何痛感，无凝胶残留，对皮肤无刺激。

本发明提供自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法简单易行，原料来源广泛，价格便宜，易于实现工业化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例1提供的负载单宁α-纳米磷酸锆的扫描电镜图(放大20000倍)；

图2本发明实施例1提供的负载单宁的α-纳米磷酸锆与α-纳米磷酸锆原料的X射线衍射图；

图3本发明实施例1提供的自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶冻干样品扫描电镜图((a)放大2000倍，(b)放大5000倍)；

图4为本发明实施例1提供的自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶粘附各种基材实验图，其中，从左到右的基材依次为PMMA板、硅橡胶片、手机钛合金背板、手机玻璃屏和挂钩；

图5为本发明实施例1提供的自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶粘附人体皮肤实验图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例为自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备，具体包括如下步骤：

1)配置浓度为2％的单宁水溶液，加入2g片层厚度约为5～20纳米，片层平面尺寸为0.4～2微米的α-纳米磷酸锆，1000转/分的转速强烈搅拌6h，离心分离，60℃下真空干燥12h，得到负载单宁的α-纳米磷酸锆(α[email protected])。

图1为本实施例提供的负载单宁α-纳米磷酸锆放大20000倍的扫描电镜图。负载单宁的α-纳米磷酸锆片层厚度为5～20纳米，片层平面尺寸为0.4～2微米，比表面积大。聚丙烯酰胺大分子链易于吸附于。这种片层状纳米填料表面上，在拉伸变形过程中α-纳米磷酸锆可起到物理交联点的作用。

图2为本发明实施例1提供的负载单宁的α-纳米磷酸锆与α-纳米磷酸锆原料的X射线衍射图。如图2所示，负载单宁的α-纳米磷酸锆与α-纳米磷酸锆原料的X射线衍射峰位完全一致，在2θ＝11.56°、19.68°和24.86°处三个主强衍射峰分别对应于α-ZrP的002、110和112晶面的衍射峰，说明单宁仅通过物理吸附于纳米磷酸锆表面，并未引起纳米磷酸锆晶体结构的改变。

2)称取0.2gα[email protected]，溶解于46ml去离子水中，加入13.8g丙烯酰胺单体，4.0mgN,N’-亚甲基双丙烯酰胺，32.2mg的过硫酸铵，22uLN,N,N′,N′-四甲基乙二胺，在冰浴(3℃)下磁力搅拌，搅拌速度为500转/分，混合均匀，搅拌0.5h后，除去冰浴和磁子，将所得均匀溶液超声消泡，然后倒入模具，25℃下反应12h，得到自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶。

图3为本发明实施例1提供的自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶冻干样品扫描电镜图，图3(a)所示，聚丙烯酰胺水凝胶网孔比较均匀，网孔中未见明显磷酸锆纳米片脱落，图3(b)所示，α-纳米磷酸锆片吸附在聚丙烯酰胺交联网络树脂基体中间，在基体发生大形变时可以充当物理交联点，起到增强作用。

3)自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶样品的拉伸性能的测试在万能材料试验机上进行，测试样条为长条样，宽度为25mm，厚度为2.5mm，夹具间距为15mm，拉伸速率为100mm/min。每种样品测试五条试样取平均值。

自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶样品的粘结性能的测试在万能材料试验机上进行，采用拉伸剪切强度来反映水凝胶对基材的粘结性能。试样为单搭接结构，搭接面积为25mm*12.5mm，在试样的搭接面上施加纵向拉伸剪切力，加载速率为5mm/min，试样剪切破坏的最大复合除以搭接部分面积，即为水凝胶对测试基材的粘结界面剪切强度。实验基材选取玻璃和马口铁两种。

本实施例自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶拉伸性能测试结果为：30℃下该聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶的拉伸伸强度约为170KPa，拉伸形变量超过1700％，具有良好的柔韧性。

自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶拉伸剪切强度测试结果为：30℃下该聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶对玻璃的粘结强度为12.5KPa；对马口铁的粘结强度为20.7KPa。

4)使用步骤2)制得的自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶粘附各种基材。

如图4所示，以实验室药品防爆金属柜外壁为背板，用于粘附实验的水凝胶样尺寸为40mm*20mm*2mm。水凝胶试样一面粘附于金属柜壁，另一面进行PMMA塑料板，硅橡胶片，华为手机(质量约为180g)金属背板和玻璃屏以及金属挂钩的粘结实验。该自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶可以粘附多种基材，并且可以重复粘结20次以上，粘附性测试后水凝胶很容易剥离且无任何残留。

5)使用步骤2)制得的自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶粘附人体皮肤。

图5为本实施例提供的自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶粘附人体皮肤实验图。如图5所示，该自粘附聚丙烯酰胺复合水凝胶可牢固粘附在皮肤上，可随着关节的运动而伸展收缩，不会脱落，可以反复粘贴-剥离，对皮肤无任何刺激。

实施例2

本实施例为自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备，具体包括如下步骤：

1)配置浓度为3％的单宁水溶液，加入2g片层厚度约为5～20纳米，片层平面尺寸为0.4～2微米的α-纳米磷酸锆，以1000转/分钟的转速磁力搅拌12h，离心分离，真空干燥，得到负载单宁的α-纳米磷酸锆(α[email protected])。

2)称取0.2gα[email protected]，溶解于46ml去离子水中，加入13.8g丙烯酰胺单体，8.0mgN,N’-亚甲基双丙烯酰胺，41.4mg的过硫酸铵，44uL N,N,N′,N′-四甲基乙二胺，在冰浴(3℃)下磁力搅拌，搅拌速度为600转/分，混合均匀。搅拌1h后，除去冰浴和磁子，将所得均匀溶液超声消泡，然后倒入模具，25℃下反应6h，得到自粘附性的聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶。

3)此步骤同实施例1步骤3)。

本实施例自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶拉伸性能测试结果为：30℃下该聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶的拉伸强度约为60KPa，拉伸变形量超过1000％，具有良好的柔韧性。

自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶拉伸剪切强度测试结果为：30℃下该聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶对玻璃的粘结强度为11.3KPa；对马口铁的粘结强度为17.6KPa。

实施例3

本实施例为自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备，具体包括如下步骤：

1)配置浓度为1％的单宁水溶液，加入2g片层厚度约为5～20纳米，片层平面尺寸为0.4～2微米的α-纳米磷酸锆，以1000转/分钟的转速磁力搅拌24h，离心分离，真空干燥，得到负载单宁的α-纳米磷酸锆(α[email protected])。

2)称取0.2gα[email protected]，溶解于46ml去离子水中，加入13.8g丙烯酰胺单体，6.0mgN,N’-亚甲基双丙烯酰胺，23.4mg的过硫酸铵，22uL N,N,N′,N′-四甲基乙二胺，在冰浴(3℃)下磁力搅拌，搅拌速度为800转/分，混合均匀。搅拌2h后，除去冰浴和磁子，将所得均匀溶液超声消泡，然后倒入模具，25℃下反应8h，得到自粘附聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶。

本实施例自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶拉伸性能测试结果为：30℃下该聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶的拉伸强度约为94KPa，最大变形量超过1100％，具有良好的柔韧性。

自粘附性聚丙烯酰胺复合水凝胶拉伸剪切强度测试结果为：30℃下该聚丙烯酰胺纳米复合水凝胶对玻璃的粘结强度为6.2KPa；对马口铁的粘结强度为7.4KPa。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。