一种双重响应自修复水凝胶的制备方法与流程

1.本发明属于高分子材料技术领域，尤其涉及一种双重响应自修复水凝胶的制备方法。


背景技术：

2.水凝胶是由亲水性高分子通过物理、化学作用构成的三维网状结构。水凝胶含有大量的水，其质地柔软类似于生物体组织，是一类理想的生物材料。水凝胶具有很低的毒性，优异的生物相容性，低的组织排异性，对水溶性大分子、蛋白质和基因药物溶解性好。并且低表面张力，组织粘附性好，对氧、营养和水溶性代谢产物具有良好的渗透性，很好的弹性模量，与人体组织具有类似的弹性等特点。这些特点使水凝胶作为生物材料和药物的控释材料被广泛关注和研究。目前研究的热点主要在于将其应用于生物医学设备、软执行器、仿生系统应用等方面。
3.自修复材料是指在不需要外加物质或能量的情况下，材料能够修复受损部位延长其寿命，几十年来自修复材料一直处于多样化的发展。自修复水凝胶在生物医药和组织工程等领域有着重大的应用，一旦水凝胶在外力作用下受损，使用寿命和功能将会受到影响。运用于水凝胶的自修复主要分为两大类，第一是应用超分子化学，比如氢键、π
‑
π堆积作用等，其缺点是水凝胶稳定性差和强度低。其二是利用动态共价化学键，比如酰腙键、双硫键等。动态共价化学键不仅可以实现多次自修复，还能够具有强度较高稳定性较好等优点。
4.酰腙键作为可逆共价键的代表，在可控聚合物的发展方面做出了重大贡献，他通过醛(酮)和酰肼反应得到。在酸性环境中酰腙键向水解方向平衡移动，在中性或碱性条件下，酰腙键能够稳定存在，在弱酸性环境中，酰腙键的生成和断裂是可逆进行的。由酰腙键交联的水凝胶具有自修复性能和ph响应性，同时酰腙键动态交换反应所发生的条件与生物体内的环境也是相适应的。酰腙键形成简单，产物结构灵活多变、交换反应不需要苛刻的条件、发生的外部条件与生物体存在外部条件温和，在生物、医学具有潜在的应用。
[0005][0006]
[1]酰腙键的可逆反应.
[0007]
偶氮苯化合物是指芳环通过氮氮双键连接而成的化合物。紫外光或热的作用下，偶氮苯发生可逆的顺反异构。在紫外光的照射下，偶氮苯的碳距离尺寸从反式的变为顺式的偶极距从反式的0d变为顺式的3d。相比于有机小分子，偶氮苯聚合物在力学性能、加工性能、热稳定性、成膜性等方面具有显著优点。偶氮苯聚合物具有光致顺反异构化性能、优异的力学性能和加工性能，在分子开关、液晶材料、光驱动等领域的应用潜力很大。同时这种基团顺反异勾带来的偶极矩以及分子尺寸的变化会导致水凝胶的溶胀能力发生改变。
[0008][0009]
[2]偶氮苯的可逆反应
[0010]
单独基于酰腙键交联形成的水凝胶或水凝胶中仅包含能够光致异构转变的偶氮苯基团往往仅能完成一种刺激响应。水凝胶的研究存在刺激响应方式单一，限制了水凝胶的实际应用。


技术实现要素：

[0011]
本发明的目的在于提供一种双重响应自修复水凝胶及其制备方法。结合酰腙键动态可逆的特点以及偶氮苯在紫外光和可见光激发下发生可逆的顺反异构行为，并且应用两种光响应结构的协同，制备出一种多重响应性的双重响应自修复水凝胶。首先，通过多步反应方法合成含偶氮苯基团以及醛基单体，4
‑
((4
‑
甲酰基苯基)二氮烯基)苯基甲基丙烯酸酯(azo
‑
cho
‑
mma)。其次，以azo
‑
cho
‑
mma和聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯作为单体，偶氮二异丁腈或过氧化二苯甲酰(bpo)作为引发剂，进行常规自由基共聚合制备出含偶氮苯和醛基的凝胶因子p(azo
‑
co
‑
egma)。然后将n
‑
异丙基丙烯酰胺和丙烯酸甲酯常规自由基共聚得到p(nipam
‑
co
‑
ma)，并将p(nipam
‑
co
‑
ma)在水合肼中水解得到聚(n
‑
异丙基丙烯酰胺
‑
co
‑
丙烯酰肼)作为第二个凝胶因子。最后将两个凝胶因子在不同ph的缓冲液中通过酰肼基团和醛基形成动态共价键(酰腙键)从而交联形成水凝胶。
[0012]
本发明采用如下技术方案：
[0013]
一种双重响应自修复水凝胶的化学结构见式[3]：
[0014][0015]
[3]水凝胶的化学结构
[0016]
其中，m:n＝1:(1～5)，m、n取整数。
[0017]
双重响应自修复水凝胶是通过将含偶氮苯以及醛基的聚合物p(azo
‑
co
‑
egma)与含酰肼基团的聚合物p(nipam
‑
co
‑
ah)在不同ph的缓冲液中通过酰肼基团和醛基形成可逆酰腙键从而交联形成双重响应自修复水凝胶，其反应方程见式[4]：
[0018][0019]
[4]水凝胶的形成过程方程
[0020]
含偶氮苯以及醛基的聚合物p(azo
‑
co
‑
egma)的结构通式[5]：
[0021][0022]
[5]p(azo
‑
co
‑
egma)的化学结构
[0023]
式[5]中：m:n＝1:(1～5)，m、n取整数，分子量为5000～120000，pdi＝1.3～2.5。
[0024]
p(azo
‑
co
‑
egma)是以4
‑
((4
‑
甲酰基苯基)二氮烯基)苯基甲基丙烯酸酯(azo
‑
cho
‑
mma)和聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(egma)作为单体进行常规自由基聚合得到，偶氮二异丁腈(aibn)或过氧化二苯甲酰(bpo)作为引发剂，溶剂可以为四氢呋喃(thf)、n,n
‑
二甲基甲酰胺、丙酮、苯甲醚、甲苯等良溶剂，温度为50～100℃，反应结束后纯化获得p(azo
‑
co
‑
egma)，其反应方程为[6]:
[0025][0026]
[6]p(azo
‑
co
‑
egma)的反应方程
[0027]
含酰肼基团的聚合物p(nipam
‑
co
‑
ah)的结构通式[7]：
[0028][0029]
[7]p(nipam
‑
co
‑
ah)的化学结构
[0030]
其中，m:n＝1:(1～4)，m、n取整数。
[0031]
p(nipam
‑
co
‑
ah)的制备是通过将n
‑
异丙基丙烯酰胺和丙烯酸甲酯常规自由基共聚得到p(nipam
‑
co
‑
ma)，并将p(nipam
‑
co
‑
ma)在水合肼中水解得到p(nipam
‑
co
‑
ah)其反应方程为[8]:
[0032][0033]
[8]p(nipam
‑
co
‑
ah)的反应方程
[0034]
中间体p(nipam
‑
co
‑
ma)的制备是通过将n
‑
异丙基丙烯酰胺和丙烯酸甲酯作为单体，偶氮二异丁腈(aibn)或过氧化二苯甲酰(bpo)作为引发剂，溶剂可以为四氢呋喃(thf)、n,n
‑
二甲基甲酰胺、丙酮、苯甲醚、甲苯等良溶剂，温度为50～100℃，反应结束后纯化获得p(nipam
‑
co
‑
ma)。其反应方程为[9]:
[0035][0036]
[9]p(nipam
‑
co
‑
ah)的反应方程
[0037]
式[9]中：m:n＝1:(1～4)，m、n取整数，分子量为5000～100000，pdi＝1.5～2.5。
[0038]
水解采用的溶剂为乙醇，水解温度80～100℃。
[0039]
有益效果：
[0040]
本发明制备方法低毒高效，目前，水凝胶的研究较多围绕在对单一响应行为的调控，针对各向异性水凝胶的多重环境响应行为研究较少。本发明得到的水凝胶将将多种响应模式集合在同一水凝胶体系中并加以协同，可赋予材料更多的应用场景。
附图说明
[0041]
图1、4
‑
((4
‑
羟苯基)二氮烯基)苯甲醛(azo
‑
cho)的核磁氢谱图(氘代dmso为溶剂)；
(49.52mmol，4.16g)的水溶液中，进行偶合反应，反应过程保持ph＝8
‑
9，tlc跟踪反应进程。反应完毕后，抽滤，固体水洗3
‑
4次，干燥得到4
‑
((4
‑
羟苯基)二氮烯基)苯甲醛(azo
‑
cho)。产率约为67％，通过液相色谱仪测得纯度为92％。
[0061]
图1为4
‑
((4
‑
羟苯基)二氮烯基)苯甲醛(azo
‑
cho)的核磁谱图。图1中化学位移δ＝10.52ppm对应于羟基的质子峰(a)，δ＝8.07ppm、7.97ppm、7.85ppm、6.97ppm对应于偶氮苯上的质子峰(b
‑
e)，δ＝10.08ppm对应于醛基上的质子峰(f)对a
‑
f峰处的面积积分面积比为：0.80：2.18：2.09：2.10：2.17：1.00，与理论值吻合。证明成功制备出4
‑
((4
‑
羟苯基)二氮烯基)苯甲醛)。
[0062]
实施例2
[0063]4‑
((4
‑
甲酰基苯基)二氮烯基)苯基甲基丙烯酸酯的合成，其合成反应方程如下[10]
[0064][0065]
[10]4
‑
((4
‑
甲酰基苯基)二氮烯基)苯基甲基丙烯酸酯的合成过程
[0066]
在三口烧瓶中将4
‑
((4
‑
羟苯基)二氮烯基)苯甲醛)(4.43mmol，1.02g)溶于thf(20ml)，并加入三乙胺(6.83mmol，0.69g)。在0℃条件下将甲基丙烯酰氯(5.00mmol，5.22g)于thf中，并通过恒压滴定漏斗滴入三口烧瓶中。tlc跟踪反应进程。反应结束后，过滤。用饱和nahco3溶液碱洗5次再水洗5次，把洗好的滤液加入无水na2so4干燥。干燥后除去na2so4。旋蒸，过层析柱(乙酸乙酯：石油醚＝1:10)，得到4
‑
((4
‑
甲酰基苯基)二氮烯基)苯基甲基丙烯酸酯(azo
‑
cho
‑
mma)。产率约为62％，通过液相色谱仪测得纯度为95％.
[0067]
图2为4
‑
((4
‑
甲酰基苯基)二氮烯基)苯基甲基丙烯酸酯(azo
‑
cho
‑
mma)的核磁谱图。图2中化学位移δ＝10.11ppm对应于醛基的质子峰(a)，δ＝8.09
‑
7.98ppm、7.33ppm对应于偶氮苯上的质子峰(b
‑
e),δ＝6.40ppm、5.82ppm对应于碳碳双键上的质子峰(g，h)δ＝2.09ppm对应于甲基的质子峰。a、b
‑
d、e、f、g、h的面积比为1.00：6.10：2.09：3.21：1.10：1.11与理论值吻合。证明成功制备出4
‑
((4
‑
甲酰基苯基)二氮烯基)苯基甲基丙烯酸酯。
[0068]
实施例3
[0069]
聚合物p(azo
‑
co
‑
egma)的合成，其合成反应方程[6]
[0070]4‑
((4
‑
甲酰基苯基)二氮烯基)苯基甲基丙烯酸酯(azo
‑
cho
‑
mma，0.10g，0.36mmol)、聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(egma，1.02g，1.05mmol)，引发剂偶氮二异丁腈(aibn，0.0023g，0.014mmol)，溶剂苯甲醚，加入聚合瓶中，液氮冷冻抽真空，最后充入ar，70℃进行共聚。
[0071]
[azo
‑
cho
‑
mma]:[egma]＝1：3。72h反应结束后，用四氢呋喃溶解，在乙醚中沉淀3次，得到共聚物p(azo
‑
co
‑
egma)产率约为65％。
[0072]
图3为p(azo
‑
co
‑
egma)的核磁谱图。图中化学位移δ＝10.09ppm对应于醛基的质子峰(a)，δ＝8.08
‑
7.81ppm、7.30ppm对应于偶氮苯上的质子峰(b
‑
e)，δ＝4.11ppm对应于聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯侧链中与酯基相连的亚甲基的质子峰(f)δ＝3.51
‑
3.84ppm对应于聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯侧链中其余亚甲基的质子峰(g)δ＝3.38ppm对应于聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯侧链末端甲氧基的质子峰(h)。积分所得各峰面积比值也与理论值基本相吻合，通过核磁氢谱证明成功制备出p(azo
‑
co
‑
egma)。
[0073]
图4为聚合物p(azo
‑
co
‑
egma)的分子量微分分布图。积分得到聚合物数均分子量为60300g/mol，pdi为1.83。该图为单峰型分布，由此可知制备出的聚合物是单一组成。
[0074]
图5为聚合物p(azo
‑
co
‑
egma)稀溶液在紫外光(365nm)照射下的紫外
‑
可见吸收谱图，聚合物p(azo
‑
co
‑
egma)在336nm处为偶氮苯π
‑
π*电子跃迁(反式结构)的吸收峰，450nm处为偶氮苯n
‑
π*电子跃迁(顺式结构)的吸收峰。增加紫外光照的时间，偶氮苯聚合物p(azo
‑
co
‑
egma)在336nm处的吸收峰逐渐减弱，而450nm处的吸收峰逐渐增强，偶氮苯基团发生了从反式向顺式构型的转变。紫外光照30s内，偶氮苯聚合物的顺反异构结构达到平衡。
[0075]
图6为紫外光(365nm)辐射后聚合物p(azo
‑
co
‑
egma)稀溶液在蓝光(460nm)照射下的紫外
‑
可见吸收谱图，在336nm处的吸收峰逐渐增强，在450nm处的吸收峰逐渐减弱，表明偶氮苯聚合物pazo在蓝光照射下逐渐从顺式构型回复到反式构型。
[0076]
实施例4
[0077]
聚合物p(nipam
‑
co
‑
ma)的合成，其合成反应方程[9]
[0078]
n
‑
异丙基丙烯酰胺(nipam，1.14g，0.01mol)、丙烯酸甲酯(ma，0.22g，2.50mmol)，引发剂偶氮二异丁腈(aibn，0.039g，0.23mmol)，溶剂无水乙醇，加入聚合瓶中，液氮冷冻抽真空，最后充入ar，70℃进行共聚。
[0079]
[nipam]:[ma]＝4：1。72h反应结束后，用四氢呋喃溶解，在正己烷中沉淀3次，得到共聚物p(azo
‑
co
‑
egma)产率约为80％。
[0080]
图7为聚合物p(nipam
‑
co
‑
ma)的核磁氢谱图，图中δ＝6.31ppm对应于酰胺基的质子峰，δ＝4.00ppm对应于异丙基中次甲基的质子峰，δ＝3.64ppm对应于甲氧基的质子峰，δ＝1.14ppm对应于异丙基中甲基的质子峰。积分所得各峰面积比值也与理论值基本相吻合，证明成功合成了聚合物p(nipam
‑
co
‑
ma)。
[0081]
图8为聚合物p(nipam
‑
co
‑
ma)的分子量微分分布图。积分得到聚合物数均分子量为17600g/mol，pdi为1.89。该图为单峰型分布，由此可知制备出的聚合物是单一组成。
[0082]
实施例5
[0083]
聚合物p(nipam
‑
co
‑
ah)的合成，其合成反应方程[8]
[0084]
将得到的p(nipam
‑
co
‑
ma)聚合物ma的重复单元上的甲氧基用水合肼改性，将酰肼基团替换甲氧基基团，实现功能化。将p(nipam
‑
co
‑
ma)(0.5g)溶于无水乙醇，并加入过量的80％水合肼，在90℃下回流，反应96h，反映完毕将反应液旋蒸后溶于适量蒸馏水中。用去离子水渗析2d，冷冻干燥，得到聚合物p(nipam
‑
co
‑
ah)。
[0085]
图9为p(nipam
‑
co
‑
ah)的核磁氢谱图。图中化学位移δ＝1.16ppm对应于nipam重复单元上侧基中甲基的质子峰(d)，δ＝3.90ppm对应于nipam重复单元上侧基中次甲基的质子峰。同时δ＝3.20
‑
3.60ppm甲氧基的质子峰消失。说明p(nipam
‑
co
‑
ma)重复单元ma上面的甲氧基被水合肼成功改性，成功制备出聚合物p(nipam
‑
co
‑
ah)。
[0086]
图10为聚合物聚合物p(nipam
‑
co
‑
ma)和p(nipam
‑
co
‑
ah)的红外谱图，图中位于1750cm
‑1处ma上的酯羰基(
‑
(c＝o)
‑
o
‑
ch3)特征吸收消失，进一步说明重复单元ma上面的甲氧基被水合肼成功改性。
[0087]
实施例6
[0088]
水凝胶的形成过程，其合成反应方程[4]
[0089]
首先配制不同ph的na2hpo4/nah2po4缓冲液，然后将聚合物p(azo
‑
co
‑
egma)和聚合
物p(nipam
‑
co
‑
ah)加入按醛基和酰肼基团摩尔比1:1加入到缓冲液中，固含量为15％，静置，形成水凝胶。酰腙键热力学平衡常数随ph增大而增大，在动力学方面酰腙键形成的速率随ph增大而减小，且ph增大，酰腙键成键速率增大，水解速率减小。在弱酸性环境(ph＝6)，反应速率和平衡常数都较大有利于维持酰腙键动态平衡，酰腙键维持最大比例，有利于水凝胶的自修复性能。将两种凝胶因子分别在ph＝4.5、6、7条件下形成水凝胶的过程，在ph＝4.5的缓冲液中，大约1h后形成水凝胶，在ph＝6的缓冲液中，大约8h后形成水凝胶。而在ph＝7的缓冲液中，在48h后还是没形成水凝胶，可以认为在该体系ph＝7的缓冲液中无法形成水凝胶。这是因为虽然在ph＝7的条件下热力学常数大，但是动力学速率常数非常低，无法生成一定比例的酰腙键，使得凝胶因子交联形成水凝胶。而在ph＝4.5的条件下，速率常数大，因此很快就能够生成一定比例的酰腙键使得凝胶因子交联形成水凝胶。
[0090]
图11是不同ph形成的水凝胶经稳定之后的微流变性能曲线(ph＝7时，是经过48h之后仍未形成凝胶之后的表征)，图11a为不同ph形成的水凝胶msd曲线，从图中发现在ph＝4.5以及6的条件下msd曲线出现平台区，这表明样品中颗粒的布朗运动受到限制，溶胶变为凝胶，而ph＝7的条件下，msd曲线未出现平台区，并且斜率很高，这说明在ph＝7的条件下无法由于酰腙键成键数目太少未能形成凝胶。相较于ph＝4.5条件下稳定熟化的水凝胶，由于ph＝6条件下反应速率和平衡常数都较大有利于维持酰腙键动态平衡，酰腙键维持最大比例，因此在ph＝6条件的msd曲线最低，并且平台区最低。图11b为不同ph条件下熟化稳定后的水凝胶的复数粘度随频率的变化图。可以看出三者都有剪切变稀的现象，并且ph＝6条件下熟化的凝胶粘度最大。图11c为不同ph条件下熟化稳定后的水凝胶的弹性模量随频率的变化图，弹性模量表征材料的类固体行为，由于ph＝6条件下交联点数目多，网络结构密集，水凝胶的强度越大，ph过高或过低都会影响酰腙键交联点的数目，从而影响水凝胶的弹性模量。图11d为不同ph条件下熟化稳定后的水凝胶的粘性模量随频率的变化图，由于ph＝6条件下交联点数目多，网络结构密集，网格尺寸也比较小，因此材料形变摩擦时产生的热损耗理应也较大，因此在ph＝6条件下形成的水凝胶粘性模量也是最大的。
[0091]
实施例7
[0092]
将水凝胶中加30μl浓hcl改变ph后并60℃加热，水凝胶由于酰腙键断裂会有凝胶转变为溶胶，再向溶胶中加入中和量的三乙胺，溶胶又会转变为原来的凝胶。实现可逆的功能。
[0093]
以上所述仅为本发明优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例中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。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。

技术特征：
1.一种双重响应自修复水凝胶，其特征在于，所述双重响应自修复水凝胶的化学结构见式[3]：其中，m:n＝1:(1～5)，m、n取整数。2.一种双重响应自修复水凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：将含偶氮苯以及醛基的聚合物p(azo
‑
co
‑
egma)与含酰肼基团的聚合物p(nipam
‑
co
‑
ah)在缓冲液中通过酰肼基团和醛基形成可逆酰腙键从而交联形成双重响应自修复水凝胶。3.根据权利要求2所述的双重响应自修复水凝胶的制备方法，其特征在于，p(azo
‑
co
‑
egma)的结构式见式[5]式[5]中，m:n＝1:(1～5)，m、n取整数，分子量为5000～120000，pdi＝1.3～2.5。4.根据权利要求3所述的p(azo
‑
co
‑
egma)的制备方法，其特征在于，所述p(azo
‑
co
‑
egma)是通过自由基共聚方法制得，具体步骤如下：(1)4
‑
硝基苯甲醛经硝基还原得到4
‑
氨基苯甲醛；(2)4
‑
氨基苯甲醛通过重氮偶合反应制得4
‑
((4
‑
羟苯基)二氮烯基)苯甲醛)；(3)步骤(2)产物通过酰氯化反应制备4
‑
((4
‑
甲酰基苯基)二氮烯基)苯基甲基丙烯酸酯；(4)将4
‑
((4
‑
甲酰基苯基)二氮烯基)苯基甲基丙烯酸酯与聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯进行共聚，得到p(azo
‑
co
‑
egma)。5.根据权利要求4所述的p(azo
‑
co
‑
egma)的制备方法，其特征在于，步骤(4)以4
‑
((4
‑
甲酰基苯基)二氮烯基)苯基甲基丙烯酸酯(azo
‑
cho
‑
mma)和聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(egma)为单体，偶氮二异丁腈(aibn)或过氧化二苯甲酰(bpo)为引发剂，在溶剂中反应结束
后纯化获得p(azo
‑
co
‑
egma)。6.根据权利要求5所述的p(azo
‑
co
‑
egma)的制备方法，其特征在于，溶剂为四氢呋喃(thf)、n,n
‑
二甲基甲酰胺、丙酮、苯甲醚或甲苯，反应温度为50～100℃。7.根据权利要求2所述的p(azo
‑
co
‑
egma)的制备方法，其特征在于，p(nipam
‑
co
‑
ah)的结构式见式[7]其中，m:n＝1:(1～4)，m、n取整数。8.根据权利要求2所述的p(azo
‑
co
‑
egma)的制备方法，其特征在于，p(nipam
‑
co
‑
ah)通过自由基共聚方法制得，以n
‑
异丙基丙烯酰胺(nipam)以及丙烯酸甲酯(ma)为单体，偶氮二异丁腈(aibn)或过氧化二苯甲酰(bpo)为引发剂，溶剂中反应结束后纯化获得p(nipam
‑
co
‑
ma)；然后将中间p(nipam
‑
co
‑
ma)在过量的水合肼的条件下水解，制得p(nipam
‑
co
‑
ah)。9.根据权利要求8所述的p(azo
‑
co
‑
egma)的制备方法，其特征在于，溶剂为四氢呋喃(thf)、n,n
‑
二甲基甲酰胺、丙酮、苯甲醚、甲苯，反应温度为50～100℃，水解溶剂为乙醇，水解温度80～100℃。
技术总结
本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种双重响应自修复水凝胶及其制备方法。对硝基苯甲醛还原得到对氨基苯甲醛，将其通过重氮偶合反应制得4


技术研发人员：梁康 薛小强 赵毅卓 张庭略 董昕怡 杜家蔚 张颖颖
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：2021.03.19
技术公布日：2021/6/29