基于硼酸酯键制备各向异性可编程水凝胶的方法以及水凝胶

摘要

本发明提供一种基于硼酸酯键制备各向异性可编程水凝胶的方法，包括：将高分子化合物加入硼酸溶液中反应得到高分子化合物‑硼酸混合液；将所述高分子化合物‑硼酸混合液室温下静置得到高分子化合物‑硼酸水凝胶；将水凝胶压入模具并进行冷冻、熔融处理得到水凝胶标准样条；将标准样条进行定向拉伸到丝状得到分子链定向排列的水凝胶；将分子链定向排列的水凝胶利用硼酸酯键自愈合特性实现可编程结构，固化得到结构编程化固定的水凝胶；将结构编程化固定的水凝胶进行盐析、蒸馏水中溶胀得到各向异性可编程水凝胶。本发明方法工艺简单、成本低廉、无有毒害化学物质引入，可方便构建具有较高机械强度、良好生物相容性的复杂各向异性水凝胶结构。

权利要求

1.一种基于硼酸酯键制备各向异性可编程水凝胶的方法，包括如下步骤：步骤一、将聚乙烯醇加入硼酸溶液中反应得到聚乙烯醇‑硼酸混合液；

步骤二、将聚乙烯醇‑硼酸混合液室温下静置得到聚乙烯醇‑硼酸水凝胶；

步骤三、将所述水凝胶压入模具并进行冷冻、熔融处理得到水凝胶标准样条；

步骤四、将所述水凝胶标准样条进行定向拉伸到丝状得到分子链定向排列的水凝胶；

其中，定向拉伸方式为沿中心轴方向拉伸；拉伸速度为10 150 mm/min；拉伸倍率为200%~ ~

1000%；

步骤五、将所述分子链定向排列的水凝胶利用硼酸酯键自愈合特性实现可编程结构，固化得到结构编程化固定的水凝胶；其中，可编程结构为网状、管状、多层状、编织管和类肌肉组织中的一种，固化通过调节pH为12 14来实现，固化时间为10 120 s；

~ ~

步骤六、将所述结构编程化固定的水凝胶进行盐析、蒸馏水中溶胀得到各向异性可编程水凝胶。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤一中，聚乙烯醇的浓度为0.02 0.5 g/mL；

~

 o

硼酸溶液的浓度为0.01 0.2mol/L，pH为8 12，反应温度为30 120 C，反应时间为30 120 ~ ~ ~ ~min。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤二中，静置时间为5 30 min。

~  o

4. 如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤三中，冷冻温度为‑20 ‑80 C，熔融温度为~ o

10 30 C。

~

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤六中，盐析所用溶剂为氯化钠和葡萄糖的混合溶液，其中，氯化钠浓度为0.01 0.1 g/mL；葡萄糖浓度为0.05 0.5g/mL，盐析时间为6~ ~ ~

48h，溶胀时间为6 48 h。

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说明书

基于硼酸酯键制备各向异性可编程水凝胶的方法以及水凝胶

技术领域

[0001] 本发明涉及智能仿生材料、柔性电子器件和生物医学工程领域，具体涉及一种基于硼酸酯键制备各向异性可编程水凝胶的方法以及水凝胶。

背景技术

[0002] 水凝胶是一类由亲水分子通过物理或化学交联形成的三维网状且富水结构的聚合物，类似于生物软组织，由于其优异的力学性能及良好的生物相容性，在生物医学、生物工程、智能仿生材料及柔性电子器件等领域具有潜在的应用前景。

[0003] 生物软组织由于其特殊的各向异性，使该组织表现出独特的力学性能，即使在高含水状态下也具有较高的强度和韧性，而层次有序的生物组织本质上就是一种水凝胶，在此背景下，各向异性水凝胶就作为切入点，开启了生物医学工程及智能仿生领域的应用研究。

[0004] 实现各向异性水凝胶的一个策略是对合成的水凝胶进行拉伸，使聚合物链沿着力场的轴向排列，但传统水凝胶由于其不可逆交联，聚合物链很难实现重新取向排列和复杂结构的构建，解决这一问题的关键在于聚合物链间的可控交联。

[0005] 硼酸酯键作为一种典型的动态共价键，具有动态可逆特性，有助于在微观层面上实现水凝胶聚合物链构象的定向排列和在宏观层面实现上水凝胶界面的融合。同时通过调节pH值，硼酸酯键可迅速实现交联固化，从而防止分子链的收缩和卷曲。在此背景下，利用动态硼酸酯键的可调控性来实现高度各向异性可编程结构水凝胶的制备。

[0006] 目前已报道的各向异性PVA水凝胶的制备方法大致包括定向冷冻法、限域干燥法、机械训练法等，这些方法都是基于水凝胶的不可逆交联，通常难以使折叠和缠绕的聚合物链沿拉伸方向进行充分拉伸，更难以制备复杂的各向异性水凝胶结构，这在很大程度上限制了这类仿生结构水凝胶的应用。

发明内容

[0007] 本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

[0008] 本发明还有一个目的是提供一种基于硼酸酯键制备各向异性可编程水凝胶的方法，该方法工艺简单，成本低廉且无化学污染，制备所得的水凝胶具有较高机械性能、较好生物相容性和灵活的结构组装方式。

[0009] 本发明还有一个目的是提供基于硼酸酯键制备的各向异性可编程水凝胶，其具有优异的力学性能，平行拉伸方向的断裂强度和杨氏模量可分别高达8.0MPa和0.99MPa，是传统冻融法和盐析法所制备水凝胶的34倍和12倍。此外，该水凝胶还具有典型的各向异性、灵活的可编程性、良好的生物相容性及化学稳定性。

[0010] 为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于硼酸酯键制备各向异性可编程水凝胶的方法，包括如下步骤：

[0011] 步骤一、将高分子化合物加入硼酸溶液中反应得到高分子化合物‑硼酸混合液；

[0012] 步骤二、将所述高分子化合物‑硼酸混合液室温下静置得到高分子化合物‑硼酸水凝胶；

[0013] 步骤三、将所述水凝胶压入模具并进行冷冻、熔融处理得到水凝胶标准样条；

[0014] 步骤四、将所述水凝胶标准样条进行定向拉伸到丝状得到分子链定向排列的水凝胶；

[0015] 步骤五、将所述分子链定向排列的水凝胶利用硼酸酯键自愈合特性实现可编程结构，固化得到结构编程化固定的水凝胶；

[0016] 步骤六、将所述结构编程化固定的水凝胶进行盐析、蒸馏水中溶胀得到各向异性可编程水凝胶。

[0017] 优选的是，其中，所述高分子化合物为具有邻位双羟基结构的多糖聚合物。

[0018] 优选的是，其中，所述高分子化合物为聚乙烯醇、海藻酸钠、羟甲基纤维素或透明质酸。

[0019] 优选的是，其中，所述步骤一中，所述高分子化合物的浓度为0.02～0.5g/mL；硼酸溶液的浓度为0.01～0.2mol/L，pH为8～12，反应温度为30～120℃，反应时间为30～120min。

[0020] 优选的是，其中，所述步骤二中，静置时间为5～30min。

[0021] 优选的是，其中，所述步骤三中，冷冻温度为‑20～‑80℃，熔融温度为10～30℃。

[0022] 优选的是，其中，所述步骤四中，定向拉伸方式为沿中心轴方向拉伸；拉伸速度为10～150mm/min；拉伸倍率为200％～1000％。

[0023] 优选的是，其中，所述步骤五中，可编程结构为网状、管状、多层状、编织管和类肌肉组织中的一种，固化通过调节pH为12～14来实现，，固化时间为10～120s。

[0024] 优选的是，其中，所述步骤六中，盐析所用溶剂为氯化钠和葡萄糖的混合溶液，其中，氯化钠浓度为0.01～0.1g/mL；葡萄糖浓度为0.05～0.5g/mL，盐析时间为6～48h，溶胀时间为6～48h。

[0025] 本发明的目的还可以进一步由基于硼酸酯键制备的各向异性可编程水凝胶来实现。

[0026] 本发明至少包括以下有益效果：

[0027] 1、本发明的制备方法简单易行且成本低廉，它解决了现有水凝胶中聚合物链难以完全定向拉伸和重新固化的问题。更重要的是，利用硼酸酯键固有的动态交联行为可以方便构建各种复杂的各向异性水凝胶结构；

[0028] 2、本发明所制备的水凝胶具有优异的力学性能，平行拉伸方向的断裂强度和杨氏模量可分别高达8.0MPa和0.99MPa，是传统冻融法和盐析法所制备水凝胶的34倍和12倍。此外，该水凝胶还具有典型的各向异性、灵活的可编程性、良好的生物相容性及化学稳定性。

[0029] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

[0030] 图1为本发明实施例1中制备的各向异性可编程水凝胶的示意图；

[0031] 图2为本发明实施例1中各向异性可编程水凝胶的荧光显微镜图像；

[0032] 图3为本发明实施例1中各向异性可编程水凝胶的偏光显微镜图像；

[0033] 图4为本发明实施例1中各向异性可编程水凝胶的扫描电子显微镜图像；

[0034] 图5为本发明实施例1中各向异性可编程水凝胶在不同拉伸方向的应力‑应变曲线；

[0035] 图6为对比例1和对比例2制备的水凝胶的扫描电子显微镜图像；

[0036] 图7为本发明实施例1中水凝胶与对比例1和2制备的水凝胶的应力‑应变曲线对比图；

[0037] 图8为实施例2制备所得编织管状水凝胶的实物图；

[0038] 图9为实施例3制备所得管状水凝胶的实物图。

具体实施方式

[0039] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

[0040] 应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

[0041] 需要说明的是，以下实施例仅限于对本发明的理解进行说明，并不构成对本发明范围的限定。实施例中所有使用的试剂、材料及测试仪器均未标明生产厂商，均可通过商业途径获得。

[0042] <实施例1>

[0043] 一种基于硼酸酯键制备的各向异性可编程聚乙烯醇水凝胶(APH)，其通过下列方法制备：

[0044] 步骤一、用10mol/L氢氧化钠溶液将20mL硼酸溶液(0.02mol/L)的pH值调节到10，将3.0g聚乙烯颗粒(PVA)加入到上述硼酸溶液中得混合溶液，将混合溶液密封后，置于90℃水浴中磁力搅拌，反应80min得到聚乙烯‑硼酸混合液；

[0045] 步骤二、将所述聚乙烯‑硼酸混合液室温下静置10min，使其失去流动性，得到聚乙烯‑硼酸水凝胶(PBH)；

[0046] 步骤三、将PBH压入模具在‑20℃下进行冷冻、20℃下进行熔融处理，静置10min得到标准样条；

[0047] 步骤四、将所述标准样条沿着中心轴方向缓慢拉伸到丝状，通过硼酸酯键对分子链交联状态的调控，得到各向异性水凝胶，其中，拉伸速度为50mm/min；拉伸倍率为5倍；

[0048] 步骤五、将步骤四所得水凝胶利用硼酸酯键自愈合特性实现网状结构的编程，通过调节pH值为12实现固化得到结构编程化固定的聚乙烯醇水凝胶，其中，固化时间为5min；

[0049] 步骤六、将所述结构编程化固定的聚乙烯醇水凝胶在0.01g/mL氯化钠和0.05g/mL葡萄糖的混合溶液中进行盐析24h、蒸馏水中溶胀24h，通过扩散去除盐离子、葡萄糖、硼酸等小分子得到稳定纯净的网状各向异性可编程聚乙烯醇水凝胶APH。

[0050] 图2为本实施例制备的水凝胶APH的荧光显微镜图像，观察看到水凝胶中荧光标记的分子链组成的小纤维具有明显的定向排列；图3为本实施例制备的水凝胶APH的偏光显微镜图像，观察看到不同角度干涉色发生显著变化，间接反映出聚合物高度一致的取向；图4为本实施例制备的水凝胶APH的扫描电子显微镜图像，显示图案由排列紧密的纳米纤维结构组成，这种完美的定向图案说明聚合物高的结晶度；图5为本实施例制备的水凝胶APH在不同拉伸方向的应力‑应变曲线，可以看到平行拉伸方向的断裂强度约为垂直拉伸方向的4.4倍，同时与图7进行对比，发现各向异性PVA水凝胶在平行方向上的拉伸强度分别约为冻融PVA水凝胶和各向同性水凝胶的34倍和12倍，说明水凝胶各向异性结构对其力学性能具有显著的影响，同时也说明定向结构和高结晶度都是提高水凝胶力学性能的重要因素。

[0051] <实施例2>

[0052] 一种基于硼酸酯键制备的各向异性可编程聚乙烯醇水凝胶(APH)，其制备方法同实施例1，与实施例1的不同之处在于：

[0053] 步骤五、将步骤四所得水凝胶在柱状模具表面缠绕编织形成管状结构，通过调节pH值为12实现固化得到结构编程化固定的聚乙烯醇水凝胶，其中，固化时间为5min；

[0054] 此实施例制备的编织管状水凝胶的实物图如图8所示。

[0055] <实施例3>

[0056] 一种基于硼酸酯键制备的各向异性可编程聚乙烯醇水凝胶(APH)，其制备方法同实施例1，与实施例1的不同之处在于：

[0057] 步骤五、将步骤四所得水凝胶利用硼酸酯键自愈合特性实现管状结构的编程，通过调节pH值为12实现固化得到结构编程化固定的聚乙烯醇水凝胶，其中，固化时间为5min；

[0058] 此实施例制备的编织管状水凝胶的实物图如图9所示。

[0059] <实施例4>

[0060] 一种基于硼酸酯键制备的各向异性可编程海藻酸钠水凝胶，其通过下列方法制备：

[0061] 步骤一、用10mol/L氢氧化钠溶液将20mL硼酸溶液(0.15mol/L)的pH值调节到10，将1.0g海藻酸钠粉末加入到上述硼酸溶液中得混合溶液，将混合溶液密封后，置于90℃水浴中磁力搅拌，反应80min得到海藻酸钠‑硼酸混合液；

[0062] 步骤二、将所述海藻酸钠‑硼酸混合液室温下静置10min，使其失去流动性，得到海藻酸钠‑硼酸水凝胶；

[0063] 步骤三、将海藻酸钠‑硼酸水凝胶压入模具在‑20℃下进行冷冻、20℃下进行熔融处理，静置10min得到标准样条；

[0064] 步骤四、将所述标准样条沿着中心轴方向缓慢拉伸到丝状，通过硼酸酯键对分子链交联状态的调控，得到各向异性水凝胶，其中，拉伸速度为50mm/min；拉伸倍率为5倍；

[0065] 步骤五、将步骤四所得水凝胶利用硼酸酯键自愈合特性实现网状结构的编程，通过调节pH值为12实现固化得到结构编程化固定的海藻酸钠水凝胶，其中，固化时间为5min；

[0066] 步骤六、将所述结构编程化固定的海藻酸钠水凝胶在0.01g/mL氯化钠和0.05g/mL葡萄糖的混合溶液中进行盐析24h、蒸馏水中溶胀24h，通过扩散去除盐离子、葡萄糖、硼酸等小分子得到稳定纯净的网状各向异性可编程海藻酸钠水凝胶。

[0067] <实施例5>

[0068] 一种基于硼酸酯键制备的各向异性可编程羟甲基纤维素水凝胶，其通过下列方法制备：

[0069] 步骤一、用10mol/L氢氧化钠溶液将20mL硼酸溶液(0.15mol/L)的pH值调节到10，将1.0g羟甲基纤维素粉末加入到上述硼酸溶液中得混合溶液，将混合溶液密封后，置于90℃水浴中磁力搅拌，反应80min得到羟甲基纤维素‑硼酸混合液；

[0070] 步骤二、将所述羟甲基纤维素‑硼酸混合液室温下静置10min，使其失去流动性，得到羟甲基纤维素‑硼酸水凝胶；

[0071] 步骤三、将羟甲基纤维素‑硼酸水凝胶压入模具在‑20℃下进行冷冻、20℃下进行熔融处理，静置10min得到标准样条；

[0072] 步骤四、将所述标准样条沿着中心轴方向缓慢拉伸到丝状，通过硼酸酯键对分子链交联状态的调控，得到各向异性水凝胶，其中，拉伸速度为50mm/min；拉伸倍率为5倍；

[0073] 步骤五、将步骤四所得水凝胶利用硼酸酯键自愈合特性实现网状结构的编程，通过调节pH值为12实现固化得到结构编程化固定的羟甲基纤维素水凝胶，其中，固化时间为5min；

[0074] 步骤六、将所述结构编程化固定的羟甲基纤维素水凝胶在0.01g/mL氯化钠和0.05g/mL葡萄糖的混合溶液中进行盐析24h、蒸馏水中溶胀24h，通过扩散去除盐离子、葡萄糖、硼酸等小分子得到稳定纯净的网状各向异性可编程羟甲基纤维素水凝胶。

[0075] <实施例6>

[0076] 一种基于硼酸酯键制备的各向异性可编程透明质酸水凝胶，其通过下列方法制备：

[0077] 步骤一、用10mol/L氢氧化钠溶液将20mL硼酸溶液(0.15mol/L)的pH值调节到10，将1.0g透明质酸粉末加入到上述硼酸溶液中得混合溶液，将混合溶液密封后，置于90℃水浴中磁力搅拌，反应80min得到透明质酸‑硼酸混合液；

[0078] 步骤二、将所述透明质酸‑硼酸混合液室温下静置10min，使其失去流动性，得到透明质酸‑硼酸水凝胶；

[0079] 步骤三、将透明质酸‑硼酸水凝胶压入模具在‑20℃下进行冷冻、20℃下进行熔融处理，静置10min得到标准样条；

[0080] 步骤四、将所述标准样条沿着中心轴方向缓慢拉伸到丝状，通过硼酸酯键对分子链交联状态的调控，得到各向异性水凝胶，其中，拉伸速度为50mm/min；拉伸倍率为5倍；

[0081] 步骤五、将步骤四所得水凝胶利用硼酸酯键自愈合特性实现网状结构的编程，通过调节pH值为12实现固化得到结构编程化固定的透明质酸水凝胶，其中，固化时间为5min；

[0082] 步骤六、将所述结构编程化固定的透明质酸水凝胶在0.01g/mL氯化钠和0.05g/mL葡萄糖的混合溶液中进行盐析24h、蒸馏水中溶胀24h，通过扩散去除盐离子、葡萄糖、硼酸等小分子得到稳定纯净的网状各向异性可编程透明质酸水凝胶。

[0083] <对比例1>

[0084] 一种各向同性聚乙烯醇水凝胶，其通过如下方法制备：

[0085] 1)用10mol/L氢氧化钠溶液将20mL硼酸溶液(0.02mol/L)的pH值调节到10，然后将3.0g聚乙烯醇颗粒(PVA)加入硼酸溶液中密封。

[0086] 2)将混合溶液密封后，置于90℃水浴中磁力搅拌，反应80min得到聚乙烯‑硼酸混合液，然后将混合溶液置于室温下10min，逐渐失去流动性，得到聚乙烯‑硼酸水凝胶(PBH)。

[0087] 3)将PBH压入模具，‑20℃下进行冷冻、20℃下进行熔融处理，静置10min得到标准样条。

[0088] 4)将步骤3)所得未拉伸水凝胶利用硼酸酯键自愈合实现网状结构的编程，并通过调节pH值为12实现其固化5min，然后将固化后的水凝胶在0.01g/mL氯化钠和0.05g/mL葡萄糖的混合溶液中进行盐析24h，通过物理交联得到各向同性水凝胶；

[0089] 5)将步骤4)所得水凝胶在蒸馏水中进行溶胀24h，通过去除盐离子及葡萄糖、硼酸等小分子，得到纯净的各向同性水凝胶。

[0090] <对比例2>

[0091] 一种原始冻融聚乙烯醇水凝胶，其通过如下方法制备：

[0092] 将3.0g聚乙烯醇颗粒(PVA)加入到20mL蒸馏水中，置于90℃水浴中磁力搅拌，直至PVA完全溶解，然后注入模具中，经过冻融处理得到原始冻融PVA水凝胶。

[0093] 图6是对比例1和对比例2制备的水凝胶的扫描电子显微镜图像，其中图6A为对比例1制备的水凝胶的扫描电子显微镜图像，图6B为对比例2制备的水凝胶的扫描电子显微镜图像，观察看到对比例1制备的水凝胶的分子链形成的纤维具有明显的定向排列，图案也没有明显的纹理取向，此外，对比例1制备的水凝胶在平行拉伸方向的断裂强度人约为0.67MPa(参照图7应力‑应变曲线)，说明在制备各向同性水凝胶过程中，省略预拉伸过程，使得聚合物链松散无序。

[0094] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。