一种水凝胶及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种水凝胶及其制备方法和应用 (Hydrogel and preparation method and application thereof ) 是由 何苗苗 张莉 陈凌东 徐萍华 鲍娇慧 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水凝胶及其制备方法和应用,所述水凝胶包括2.5-20重量份甲基丙烯酸羟乙酯、5-25重量份甲基丙烯酰明胶、28-112重量份亲水性两性离子、0.02-2重量份引发剂、100重量份水。水凝胶具有优异的机械性能、保水性、高透光性及良好的生物相容性,拉伸强度最高可达0.88MPa,压缩强度最高可达1.2MPa,透光率＞90％。拓宽了水凝胶在生物材料领域的应用。(The invention discloses a hydrogel and a preparation method and application thereof, wherein the hydrogel comprises 2.5-20 parts by weight of hydroxyethyl methacrylate, 5-25 parts by weight of methacryl gelatin, 28-112 parts by weight of hydrophilic zwitterion, 0.02-2 parts by weight of initiator and 100 parts by weight of water. The hydrogel has excellent mechanical property, water retention property, high light transmittance and good biocompatibility, the highest tensile strength can reach 0.88MPa, the highest compressive strength can reach 1.2MPa, and the light transmittance is more than 90 percent. Widens the application of the hydrogel in the field of biological materials.)
技术领域
本申请属于生物医用材料技术领域，尤其涉及一种水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
医用敷料作为伤口护理中的一个重要部分，不仅为创面提供屏障保护功能，同时也为伤口构建一个有利的微环境，在一定程度上提高伤口愈合的速度。一般可用于伤口的长期护理，比如常见的褥疮、压疮等造成的慢性创面的长期护理，另外在创伤手术或医美术后的疤痕修复也有着显著疗效。
水凝胶是目前广泛应用于高端医用敷料领域的一种新型材料。它是一种含有大量水分子的三维网状结构材料，由亲水性聚合物链交联而成，其含水量高达99％以上，具有和天然组织相似的生物物理学特性，在生物组织、药物载体、仿生智能材料等领域都有广泛的应用前景。但传统的高分子水凝胶往往存在着结构单一、力学性能弱等缺陷，从而大大限制了水凝胶的实际应用。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种水凝胶及其制备方法和应用，以解决相关技术中存在的水凝胶韧性较弱的技术问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种水凝胶，所述水凝胶包括2.5-20重量份甲基丙烯酸羟乙酯、5-25重量份甲基丙烯酰明胶、28-112重量份亲水性两性离子、0.02-2重量份引发剂、100重量份水。
可选的，所述的亲水性两性离子选自羧酸甜菜碱丙烯酰胺(CBAA)、羧基甜菜碱丙烯酸甲酯(CBMA)、硫代甜菜碱丙烯酸甲酯(SBMA)中的一种或多种，优选硫代甜菜碱丙烯酸甲酯(SBMA)。
可选的，所述水凝胶还包括用于和水进行置换的有机溶剂，进一步地，所述的有机溶剂选自甘油、山梨糖醇、异丙醇、乙醇、乙二醇中的一种或多种，其中优选甘油。
可选的，所述亲水性两性离子和甲基丙烯酸羟乙酯共聚反应为分子链，分子链通过甲基丙烯酰明胶进行交联形成多重网络。
可选的，所述水凝胶在紫外光照成胶后还浸泡于有机溶剂进行置换，需要说明的是，这里的置换可以是部分置换或全部置换，具体由置换前水凝胶组合物自身性质决定。
可选的，所述的有机溶剂选自甘油、山梨糖醇、异丙醇、乙醇、乙二醇中的一种或多种。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种水凝胶的制备方法，该方法包括：
将2.5-20重量份甲基丙烯酸羟乙酯、5-25重量份甲基丙烯酰明胶、28-112重量份亲水性两性离子、0.02-2重量份引发剂、100重量份水混合；
混合后用紫外光照，亲水性两性离子和甲基丙烯酸羟乙酯共聚反应为分子链，分子链通过甲基丙烯酰明胶进行交联形成多重网络。
可选的，所述甲基丙烯酰明胶的分子量为4w-5w，取代度为50％-90％。
可选的，所述引发剂为苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐、2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、氧化剂过硫酸铵、过硫酸钾、还原剂亚硫酸氢钠中的一种，其中优选苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐。
可选的，所述紫外光照的强度为50-200w。
可选的，该方法还包括：将水凝胶浸泡在有机溶剂中进行置换，得到有机水凝胶；进一步地，所述的有机溶剂选自甘油、山梨糖醇、异丙醇、乙醇、乙二醇中的一种或多种。
根据本发明实施例的第三方面，提供第一方面所述的水凝胶在生物材料3D打印中的应用。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本申请制备过程较为简单，所使用的是甲基丙烯酰明胶和亲水性两性离子，均可直接溶解在去离子水中，制备得到的水凝胶具有良好生物相容性、优异的机械性能。进一步将水凝胶浸泡在有机溶剂中进行置换，得到有机水凝胶，具有高韧性和优异的保水性，在生物医用领域具有较大的应用前景。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本发明实施例1-3所得的水凝胶拉伸的应力-应变曲线；
图2为本发明实施例4-6所得的水凝胶拉伸的应力-应变曲线；
图3为本发明实施例7-9所得的水凝胶拉伸的应力-应变曲线；
图4为本发明实施例10-12所得的水凝胶拉伸的应力-应变曲线；
图5为本发明实施例1-3所得水凝胶浸泡甘油前后的透光率曲线图；
图6为本发明实施例4-6所得水凝胶浸泡甘油前后的透光率曲线图；
图7为本发明实施例7-9所得水凝胶浸泡甘油前后的透光率曲线图；
图8为本发明实施例5所得的水凝胶的压缩性能；
图9为本发明实施例5所得的水凝胶的保水性能。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式给出详细介绍，但本发明的保护范围不限于此。
实施例1
(1)将5g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。
(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。
(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图1，拉伸强度为0.21MPa，断裂应变为211％。在可见光波长内的透过率如图5所示，具有良好的透光率(＞90％)。
实施例2
(1)将10g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。
(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。
(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图1，拉伸强度为0.88MPa，断裂应变为222％。在可见光波长内的透过率如图5所示，具有良好的透光率(＞90％)。
实施例3
(1)将25g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。
(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。
(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图1，拉伸强度为1.20MPa，断裂应变为155％。在可见光波长内的透过率如图5所示，具有良好的透光率(＞90％)。
实施例4
(1)将15g甲基丙烯酰明胶、2.5g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。
(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。
(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图2，拉伸强度为0.92MPa，断裂应变为91％。在可见光波长内的透过率如图6所示，,具有良好的透光率(＞90％)。
实施例5
(1)将15g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。
(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。
(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图2，拉伸强度为0.88MPa，断裂应变为222％。在可见光波长内的透过率如图6所示，,具有良好的透光率(＞90％)。
实施例6
(1)将15g甲基丙烯酰明胶、20g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。
(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。
(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图2，拉伸强度为0.45MPa，断裂应变为44％。在可见光波长内的透过率如图5所示，具有良好的透光率(＞90％)。
实施例7
(1)将15g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和28g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。
(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。
(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图3，拉伸强度为0.33MPa，断裂应变为166％。在可见光波长内的透过率如图7所示，具有良好的透光率(＞90％)。
实施例8
(1)将15g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和84g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。
(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。
(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图3，拉伸强度为1.00MPa，断裂应变为176％。在可见光波长内的透过率如图7所示，具有良好的透光率(＞90％)。
实施例9
(1)将15g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和112g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。
(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。
(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图3，拉伸强度为0.75MPa，断裂应变为44％。在可见光波长内的透过率如图7所示，具有良好的透光率(＞90％)。
实施例10
(1)将15g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。
(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。
(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡15min，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图4，拉伸强度为0.03MPa，断裂应变为16％。
实施例11
(1)将15g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。
(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。
(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡2h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图4，拉伸强度为0.66MPa，断裂应变为222％。
实施例12
(1)将15g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。
(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。
(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡4h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图4，拉伸强度为0.67MPa，断裂应变为64％。
材料表征和性能测试
(1)拉伸机械性能测试：用2mm厚的玻璃模具，制备出长为60mm，宽为10mm的水凝胶样条，使用“哑铃”形裁刀制得标距为50mm，宽4mm，厚2mm的水凝胶样条。取水凝胶样条在CMT4101微机控制电子万能试验机上进行力学拉伸实验，拉伸速度50mm/min，测定其力学性能。
(2)压缩机械性能测试：用直径为8mm的玻璃模具制备高为8mm的圆柱形水凝胶样品，取水凝胶样条在Instron 5966万能材料试验机上进行力学拉伸实验，压缩速度5mm/min，测定其力学性能。
(3)保水性：制备圆柱形水凝胶分别置于室温(RT)和37℃水浴中，放置不用时间称重一次水凝胶，通过计算水凝胶的质量变化率来评价水凝胶的保水性能。每组测量三个样品并取平均值。
(4)透光度实验：制备直径为2.5cm的圆形水凝胶样品，用紫外/可见/近红外分光光度计测定样品的透光率。
需要说明的是，以上各个实施例中所述硫代甜菜碱丙烯酸甲酯(SBMA)可以由羧酸甜菜碱丙烯酰胺(CBAA)、羧基甜菜碱丙烯酸甲酯(CBMA)、硫代甜菜碱丙烯酸甲酯中的一种或多种所替代；苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐可以由2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(I2959)/氧化剂过硫酸铵、过硫酸钾、还原剂亚硫酸氢钠中的一种所替代。所述的甘油可以被甘油、山梨糖醇、异丙醇、乙醇、乙二醇中的一种或多种所替代。所述紫外光照的强度在50-200w都可以，只是200w为最优选的。紫外光照时间1min，和在甘油中浸泡3h，所述光照时间及甘油浸泡时间不局限于1min及3h，具体由水凝胶的成胶情况及所需力学性能决定。
当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。