本發明涉及生物材料、組織工程和高分子材料領域，特別涉及一種高強度多功能凝膠及其制備方法。
背景技術：
生物醫學材料要適應生物體復雜的環境，因此在生物相容性、力學強度等方面需要具有與天然材料相近的性能。水凝膠因具有與人體軟組織相似的結構而成為其理想的替代材料，但長久以來力學強度不足一直制約著其應用。以關節軟骨為例，它在人體關節中不僅要承受較高的壓力，更要吸收來自外界的沖擊能，但是一旦關節軟骨受到損傷，以現今的醫學技術還無法使之修復。因此縮小高分子水凝膠與生物軟組織之間的性能差距，尋求與生物軟組織性能匹配的高分子水凝膠材料，提高水凝膠的力學強度，實現水凝膠在軟組織替代材料上的應用，是目前高分子水凝膠研究的熱點之一。
水凝膠力學強度的影響因素包括聚合物含量、高聚物分子鏈的柔性、交聯濃度及交聯方式、網絡的均勻性等。一般聚合物含量較高能提高水凝膠力學強度，而聚合物含量低的水凝膠常表現出流體性質；當構成水凝膠網絡的分子鏈為線性且呈中性時，凝膠網絡具有較高的延展性和更好的能量耗散，但導致凝膠力學強度降低；水凝膠可以通過化學交聯、物理交聯方式形成網絡，化學交聯水凝膠力學強度往往大于物理交聯水凝膠；無論是何種交聯方式，提高交聯度能在一定程度上提高水凝膠的力學強度；在水凝膠網絡的交聯過程中常出現結構不均一現象，當受到外界作用力時，這種不均一性可使得凝膠內部出現應力集中，導致凝膠結構被破壞。因此，通過分子設計，加強高分子水凝膠網絡結構的規整度、提高交聯結構自由度及發揮高分子鏈的柔韌性，是提高水凝膠力學性能的有效設計策略。近年來對高強度水凝膠的研究已有較大的進展，主要表現在以下幾種：拓撲結構凝膠(Topological gel，TP gel)、納米復合凝膠(Nanocomposite gel，NC gel)和雙網絡水凝膠(Double Network gel，DN gel)，其中雙網絡水凝膠具有與前兩者不同的網絡結構，獨特的結構使其具備優越的力學性能。
雙網絡凝膠概念最初由Gong提出，是指通過兩種不同結構的親水性高聚物分步聚合并交聯，形成相互貫穿的均勻網絡。第一網絡由硬而脆的聚電解質形成凝膠剛性骨架，第二網絡由軟而韌的中性聚合物形成，松散交聯的第二網絡通過自身結構的變形和滑動的分子鏈的物理纏結點，使局部應力得到有效松弛，從而使水凝膠強度得到極大提高。該課題組制備的PAMPS/PAAm雙層網絡凝膠，該凝膠以帶負電荷的PAMPS(聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)水凝膠作為第一層網絡結構，中性的PAAm(聚丙烯酰胺)水凝膠作為第二層網絡結構。雖然PAMPS和PAAm均為傳統的化學交聯水凝膠，但雙層網絡凝膠的力學性能并不是2種水凝膠力學性能的簡單加和，而是表現出協同作用。單軸壓縮實驗表明PAMPS/PAAm凝膠抗壓強度為17.2MPa，破裂應變為92％，而PAMPS凝膠和PAAm凝膠的抗壓強度分別只有0.4和0.8MPa，破裂應變分別為41％和84％。目前對雙網絡凝膠的而研究，已不僅僅停留在原來的通過犧牲共價鍵來達到能量耗散的方法。哈佛大學的Jeong-Yun Sun等以海藻酸鹽和丙烯酰胺為聚合單體，通過離子交聯和共價交聯，一步法制備出力學性能優異的雙網絡凝膠，盡管該凝膠含水率高達90％，但其可以伸長至原長的20倍，斷裂能高達9000J/m2。
高強度凝膠的研究雖然取得一定進展，但功能化的高強度凝膠并不多見，因此，本發明以具有溫度響應性、pH響應性、導電性的功能單體，采用離子鍵/共價鍵交聯，一鍋法制備高強度多功能凝膠，該凝膠具有良好的生物相容性和生物降解性，以及多功能響應性，在生物醫藥、組織工程等方面存在廣闊應用前景。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種高強度多功能水凝膠，以克服傳統凝膠力學性能欠佳、功能單一甚至功能惰性，應用范圍窄的缺陷。本發明綜合考慮離子交聯和共價交聯的特點，將具備不同功能的單體有機組合，通過調控不同交聯劑、不同反應單體的比例等各種工藝條件、參數，獲得滿足不同需求的高強度凝膠。該凝膠具有優良的力學強度、良好的生物相容性和生物降解性，并具有溫度響應性、pH響應性、導電性等多項功能。
本發明所提供高強度多功能凝膠通過以下技術方案制得：
(1)離子液體(ILs)的制備
將天然化合物氨基酸和膽堿，通過中和反應，制備綠色離子液體。所述氨基酸為甘氨酸、絲氨酸、天冬氨酸、賴氨酸等氨基酸，膽堿為氫氧化膽堿。
(2)離子液體(ILs)的改性
通過丙烯酸(AAc)在N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)和1-乙基-3-(3-二甲胺丙基)碳二亞胺(EDC)作用下，將雙鍵引入步驟(1)所得離子液體，獲得具有聚合功能的乙烯基離子液體單體。所述各藥品用量為AAc∶ILs∶EDC∶NHS＝5mol∶5mol∶5mol∶1mol。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將功能化單體、共價交聯劑、天然高分子、離子交聯劑按不同配比、不同制備工藝方法依次混合，一鍋法制備功能化高強度凝膠。所述功能單體為具有溫度響應性的N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm)、具有pH響應性的丙烯酸(AAc)和具有導電性的離子液體中的一種或幾種。所述天然高分子為海藻酸鈉。所述共價交聯劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAA)、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯中的任意一種。所述離子交聯劑為硫酸鈣、氯化鈣、碳酸鈣、磷酸鈣、乳酸鈣中任意一種。所述不同配比和不同制備工藝條件，以具體實施例為例。
與現有凝膠和制備方法相比，本發明有如下優點：
(1)本發明所提供凝膠，將共價交聯和離子交聯的特色及優點進行了有機結合，克服了傳統單一化學交聯凝膠網絡不均勻，力學性能差的缺點。
(2)本發明所提供凝膠，可通過可控調整單體配比，交聯劑用量，反應溫度，加料順序等工藝方法和工藝參數，調控凝膠的力學性能、溫度響應性、pH響應性、導電性能，以滿足不用需要。
(3)本發明所提供制備方法，采用一鍋法，制備方法簡單快捷，條件溫和，不需要大型設備，水相反應綠色環保，在工業上具有較高的實際應用價值。
具體實施方案
實施例1.
(1)離子液體(ILs)的制備
將甘氨酸(Gly)和膽堿(Ch)按摩爾比為1.05∶1分別溶于5mL離子水，在3℃下以恒壓滴液漏斗將膽堿(Ch)溶液緩慢加入甘氨酸(Gly)溶液，磁力攪拌反應48h；反應結束后60℃下旋蒸除水，然后將過量乙醇倒入上述反應體系，以除去未反應的甘氨酸；在50℃下真空干燥反應產物，以除去殘留的乙醇和水，得到純凈的膽堿-甘氨酸(Ch-Gly)離子液體。
(2)離子液體(ILs)的改性
將丙烯酸(AAc)溶于10ml蒸餾水，加入N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)和1-乙基-3-(3-二甲胺丙基)碳二亞胺(EDC)，室溫下磁力攪拌2h后，加入步驟(1)所得Ch-Gly離子液體繼續反應24h，使各組分的摩爾比為AAc∶Ch-Gly∶EDC∶NHS＝5∶5∶5∶1；反應結束后倒入過量乙醇靜置，待沉淀析出完全，離心分離，得到乙烯基膽堿-甘氨酸離子液體單體(Ch-Gly-AAc)。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將NIPAAm、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為NIPAAm∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶1∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+Ch-Gly-AAc)＝1wt％，繼續氮氣保護反應20min后，加入引發劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、10wt％離子交聯劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例2.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將NIPAAm、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為NIPAAm∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝6∶3∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+Ch-Gly-AAc)＝1wt％，繼續氮氣保護反應20min后，加入引發劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、10wt％離子交聯劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例3.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將NIPAAm、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為NIPAAm∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶1∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續氮氣保護反應20min后，加入引發劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、5wt％離子交聯劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例4.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將NIPAAm、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為NIPAAm∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝6∶3∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續氮氣保護反應20min后，加入引發劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、5wt％離子交聯劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例5.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶1∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯劑MBAA，MBAA/(AAc+Ch-Gly-AAc)＝1wt％，繼續氮氣保護反應20min后，加入引發劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、10wt％離子交聯劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例6.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝6∶3∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯劑MBAA，MBAA/(AAc+Ch-Gly-AAc)＝1wt％，繼續氮氣保護反應20min后，加入引發劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、10wt％離子交聯劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例7.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶1∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯劑MBAA，MBAA/(AAc+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續氮氣保護反應20min后，加入引發劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、5wt％離子交聯劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例8.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝6∶3∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯劑MBAA，MBAA/(AAc+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續氮氣保護反應20min后，加入引發劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、5wt％離子交聯劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例9.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將NIPAAm、AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為NIPAAm∶AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝3∶3∶2∶2，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+AAc+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續氮氣保護反應20min后，加入引發劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、20wt％離子交聯劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。
實施例10.
(1)離子液體(ILs)的制備：同實施例1。
(2)離子液體(ILs)的改性：同實施例1。
(3)功能化高強度凝膠的制備
將NIPAAm、AAc、Ch-Gly-AAc、海藻酸鈉(Alg)溶于去離子水，固含量為10％，三者質量比為NIPAAm∶AAc∶Ch-Gly-AAc∶Alg＝4∶4∶1∶1，邊攪拌邊通氮氣保護10min，然后加入化學交聯劑MBAA，MBAA/(NIPAAm+AAc+Ch-Gly-AAc)＝0.1wt％，繼續氮氣保護反應20min后，加入引發劑0.1wt％過硫酸鉀(KPS)水溶液、20wt％離子交聯劑CaSO4水溶液，氮氣保護下反應約20min，關閉氮氣。將反應產物倒入模具中，滴加2～3滴2％TEMED，室溫下反應24h得凝膠產物，將所得凝膠以去離子水浸泡洗滌，除去未反應的單體。