一種人造承重軟骨水凝膠的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種人造承重軟骨水凝膠的制備方法，由該方法制備的人造承重軟骨水凝膠能夠在生理條件下保持高機(jī)械性和自恢復(fù)性。在根據(jù)本發(fā)明的水凝膠的制備方法中采用PVA和PVP作為反應(yīng)物，不添加任何交聯(lián)劑、有機(jī)溶劑、引發(fā)劑和不使用紫外誘導(dǎo)，即可獲得水凝膠產(chǎn)品。根據(jù)本發(fā)明制備方法，原料來源廣泛，價格便宜，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，有利于生物醫(yī)學(xué)上的推廣使用。
【專利說明】
一種人造承重軟骨水凝膠的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種人造承重軟骨水凝膠的制備方法，由該方法制備的人造承重軟骨水凝膠能夠在生理條件下保持高機(jī)械性和自恢復(fù)性，特別涉及一種微波輔助加熱自組裝合成人造承重軟骨水凝膠的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]聚合物水凝膠是由三維的聚合物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和大量的水構(gòu)成的，由于水凝膠含有大量水分而且特別柔軟，與人體組織類似，所以水凝膠用作人體組織代替越來越受到人們的關(guān)注。當(dāng)前，水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度、延展性、韌性、可恢復(fù)性還不是令人滿意，所以研究者們都在尋求更完美的設(shè)計方案來合成能夠用于組織代替的水凝膠。如由Chen等提出的通過構(gòu)建雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和可恢復(fù)性能(Qiang Chen ,Lin Zhu ,Chao Zhao ,Qiuming Wang ,and Jie Zheng Adv.Mater, 2013,25,4171-4176);由 Yang 等提出的通過納米材料增強(qiáng)水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和可恢復(fù)性(Jun Yang,Xueming Zhang,Maming Ma,FengXu,ACS Macro Lett.，2015,4,829-833.);由Sun等人提出的通過疏水締合作用來改性水凝膠(Yuan-na Sun,Guo-rong Gao,Gao-1ai Du,Ya-jun Cheng,and Jun Fu ACS MacroLett.,2014,3,496-500)。雖然通過這些合成策略已經(jīng)制備出了高延展性、高韌性、具有可恢復(fù)性的水凝膠，但是由于這些合成策略所制備的水凝膠在拉伸/壓縮實驗時通過可消耗化學(xué)鍵/物理網(wǎng)絡(luò)耗能來應(yīng)對變形的發(fā)生，這樣就使得水凝膠自身的滲透壓和彈性平衡被打破，進(jìn)而產(chǎn)生較大的滯后現(xiàn)象。滯后現(xiàn)象又會使水凝膠在生理條件下產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象和在一個循環(huán)加載的過程中會使水凝膠被軟化降低自身的機(jī)械性能。針對這些亟待解決的問題，由Kamata等人提出的通過共價鍵連接構(gòu)建齊次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠，不僅能夠抑制溶脹現(xiàn)象在循環(huán)加載過程中還不存在滯后現(xiàn)象(Hiroyuki Kamata ,Yuki Akagi ,YukoKayasuga-Kariya,Ung-1I Chung,Takamasa Sakai Science,2014,343,873-875)
[0003]近年來微波已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域，包括分子篩制備、放射性藥物的合成、無機(jī)配合物的合成與嵌入反應(yīng)、干燥條件下的有機(jī)反應(yīng)、等離子體化學(xué)、分析化學(xué)中的樣品預(yù)處理及催化等。近年來，微波法因其具有特殊效應(yīng)已引起了材料科學(xué)界的極大關(guān)注。與傳統(tǒng)方法相比，微波法具有反應(yīng)速度快、反應(yīng)條件溫和及反應(yīng)效率高等優(yōu)點，而且產(chǎn)品具有較高的純度、窄的粒徑分布和均一的形態(tài)，并適于推廣到大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中去，因而在材料合成領(lǐng)域中顯示了良好的發(fā)展態(tài)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對傳統(tǒng)方法合成的水凝膠在生理條件下聚合網(wǎng)絡(luò)容易被破壞導(dǎo)致水凝膠機(jī)械性能和可恢復(fù)性能的降低的問題，本發(fā)明的一個目的是提供了一種通過微波輔助加熱法制備水凝膠的方法，由該方法制備的水凝膠在生理條件下不僅保持高韌性、延展性、機(jī)械強(qiáng)度，并且維持自身形態(tài)的穩(wěn)定，具有良好的自恢復(fù)性能。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的所述通過微波輔助加熱制備能夠在生理條件下保持高機(jī)械性和自恢復(fù)性的人造承重軟骨水凝膠的制備方法，包括如下步驟:
[0006]I)將聚乙烯醇顆粒加入到去離子水中，使溶液中聚乙烯醇的質(zhì)量百分比濃度為5-20 %，然后在溫度為800C、磁力攪拌下加熱10-20min，配制成溶液A;
[0007]2)將聚乙烯吡咯烷酮粉末加入去離子水中，使溶液中聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量百分比濃度為10-30%，在超聲細(xì)胞粉碎機(jī)下繼續(xù)分散10-20min，配制成溶液B;
[0008]3)將步驟I)、2)中得到的溶液A和B按照體積比為5:1至1:1的比例混合得到前驅(qū)體溶液；
[0009]4)向步驟3)中得到的前驅(qū)體溶液中加入占前驅(qū)體溶液體積I %的質(zhì)量百分比濃度為10%的硫酸，在微波輔助下加熱，然后冷卻至室溫即可得到在生理條件下具有高機(jī)械性和可恢復(fù)性的人造承重軟骨水凝膠，其中所述微波輔助加熱是微波600W下反應(yīng)3-5min。
[0010]優(yōu)選地，步驟I)中所述聚乙烯醇顆粒為具有17-22萬的重均分子量且醇解度約為88 %的聚乙烯醇顆粒，進(jìn)一步優(yōu)選為PVAl 7-88;溶液中聚乙烯醇的質(zhì)量百分比濃度優(yōu)選為7-15%，進(jìn)一步優(yōu)選為8-10%，更進(jìn)一步優(yōu)選為8%。
[0011]優(yōu)選地，步驟2)中所述聚乙烯吡咯烷酮粉末為具有1-7萬的重均分子量的聚乙烯吡咯烷酮粉末，優(yōu)選為聚乙烯吡咯烷酮K-30，溶液中的聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量百分比濃度優(yōu)選為10-25% ;進(jìn)一步優(yōu)選為20-25%，更進(jìn)一步優(yōu)選為20%。
[0012]優(yōu)選地，步驟3)中所述步驟I)、2)中得到的溶液A和B的混合體積比優(yōu)選為3:1至2:1，進(jìn)一步優(yōu)選為7:3至5:3，更進(jìn)一步優(yōu)選為7:3。
[0013]優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的制備方法中不添加有機(jī)溶劑、交聯(lián)劑、引發(fā)劑，以及不采用紫外光誘導(dǎo)。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的所述制備方法包括如下步驟:
[0015]I)將30g聚乙烯醇顆粒PVA17-88加入345mL去離子水中在磁力攪拌加熱條件下配制成溶液，其中聚乙烯醇的質(zhì)量百分比濃度為8%的聚乙烯醇溶液；
[0016]2)將5g聚乙烯吡咯烷酮粉末K-30加入到20mL去離子水中在超聲波條件下配制成溶液，其中的聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量百分比濃度為20%的聚乙烯吡咯烷酮溶液；
[0017]3)前驅(qū)體溶液制備
[0018]將步驟I)所得到的聚乙烯醇溶液和步驟2)所得到的聚乙烯吡咯烷酮溶液按體積比7:3的比例混合攪拌均勻后，加入占混合溶液體積I %的質(zhì)量百分比濃度為10 %的硫酸得到前驅(qū)體溶液；
[0019]4)微波輔助加熱
[0020]將步驟3)中得到的前驅(qū)體溶液在600W微波下反應(yīng)3min，使前驅(qū)體溶液中聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮發(fā)生自組裝的親電重排交聯(lián)成二嵌段的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移到室溫下冷卻即可得到能夠在生理條件下保持高韌性、延展性、機(jī)械強(qiáng)度，并且維持自身形態(tài)的穩(wěn)定，具有良好的自恢復(fù)性能的人造承重軟骨水凝膠。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提供了一種在生理條件下保持高機(jī)械性和自恢復(fù)性的人造承重軟骨水凝膠，所述水凝膠通過本發(fā)明的上述制備方法制備。該水凝膠在承受1.16MPa的拉應(yīng)力下，伸長率可達(dá)到780 %，在壓縮形變量為90 %條件下可承受50MPa以上的壓應(yīng)力。
[0022]有益效果
[0023]1、根據(jù)本發(fā)明的人造承重軟骨水凝膠的制備方法中，PVA和PVP都是簡單易得的高聚物，而且PVA和PVP都是具有良好生物相容性的聚合物;兩者在酸性環(huán)境下微波輔助加熱自組裝即可合成具有高機(jī)械性和可恢復(fù)性的水凝膠；
[0024]2、根據(jù)本發(fā)明的方法制備的人造承重軟骨水凝膠，在合成過程中不添加任何交聯(lián)劑、有機(jī)溶劑、引發(fā)劑和不使用紫外誘導(dǎo)；
[0025]3、根據(jù)本發(fā)明的方法制備出的人造承重軟骨水凝膠在經(jīng)過循環(huán)冷凍試驗時仍然保持其透明度，性能優(yōu)于同類型的水凝膠；
[0026]4、根據(jù)本發(fā)明的方法制備出的人造承重軟骨水凝膠在達(dá)到溶脹平衡時，任然保持其透明度，說明內(nèi)部齊次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在溶脹條件下保持不變；
[0027]5、根據(jù)本發(fā)明的方法制備出的人造承重軟骨水凝膠在單軸拉伸實驗中最高可承受1.16MPa的拉應(yīng)力，形變量達(dá)到780% ；
[0028]6、根據(jù)本發(fā)明的方法制備出的人造承重軟骨水凝膠在無側(cè)限壓縮實驗中在形變量為90 %時壓應(yīng)力達(dá)到了 50MPa ；
[0029]7、根據(jù)本發(fā)明的方法制備出的人造承重軟骨水凝膠在無側(cè)限壓縮實驗中在形變量為80 %條件下循環(huán)壓縮十次，最高回復(fù)率可達(dá)到96.2%；
[0030]8、根據(jù)本發(fā)明的制備方法，原料來源廣泛，價格便宜，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，利于工業(yè)化推廣使用。
【附圖說明】
[0031 ]圖1為根據(jù)本發(fā)明的人造承重軟骨水凝膠制備流程圖。
[0032]圖2為根據(jù)實施例1制備的人造承重軟骨水凝膠及反應(yīng)物PVA和PVP的傅里葉紅外圖譜圖。
[0033]圖3為根據(jù)實施例1至5中不同PVP濃度條件下制備的人造承重軟骨水凝膠的單軸拉伸試驗圖。
[0034]圖4為根據(jù)實施例1至5中不同PVP濃度條件下制備的人造承重軟骨水凝膠的無側(cè)限壓縮實驗圖。
[0035]圖5為根據(jù)實施例1至5中不同PVP濃度條件下制備的人造承重軟骨水凝膠的無側(cè)限壓縮循環(huán)實驗圖。
[0036]圖6為根據(jù)實施例1至5中不同PVP濃度條件下制備的人造承重軟骨水凝膠的單軸拉伸/無側(cè)限壓縮實驗過程展示圖。
[0037]圖7為根據(jù)實施例1制備的人造承重軟骨水凝膠的循環(huán)冷凍/解凍實驗前后對比圖。
[0038]圖8為根據(jù)實施例1制備的人造承重軟骨水凝膠的溶脹實驗前后對比圖。
【具體實施方式】
[0039]目前在酸性環(huán)境下通過微波輔助加熱聚乙烯醇與聚乙烯吡咯烷酮通過共價鍵連接自組裝合成具有齊次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠還未系統(tǒng)研究，這種水凝膠在生理條件下不僅保持高韌性、延展性、機(jī)械強(qiáng)度，并且維持自身形態(tài)的穩(wěn)定，具有良好的自恢復(fù)性能。
[0040]在根據(jù)本發(fā)明的制備方法中以高聚物PVA和PVP為原料，先將PVA和PVP配制成溶液，然后將PVA溶液和PVP溶液按照一定的比例在酸性條件下混合成前驅(qū)體溶液，在微波輔助加熱條件下反應(yīng)，最后將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移到室溫條件下冷卻可得到穩(wěn)定的透明的水凝膠，此過程無需任何復(fù)雜實驗設(shè)備，不添加任何交聯(lián)劑、有機(jī)溶劑、引發(fā)劑以及紫外誘導(dǎo)條件，組分內(nèi)部通過自組裝形成均一的齊次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予水凝膠高機(jī)械性和可恢復(fù)性，綠色無污染，工藝簡潔，操作方便，是一種高效快捷環(huán)境友好的制備人造承重軟骨水凝膠的方法。
[0041]根據(jù)本發(fā)明的制備方法中，所述PVA顆粒為分子量為17-22萬且醇解度約為88%的PVA顆粒，優(yōu)選為PVA17-88。而且PVA17-88是醫(yī)用聚合物，有很好的生物相容性。當(dāng)PVA的分子量過高時，PVA的價格越高，成本上升，且由于容易固化而不易配制成溶液;而當(dāng)PVA的分子量過低時，雖然價格可能便宜，但由于分子鏈過短，不能與PVP構(gòu)建均一的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此根據(jù)本發(fā)明的制備方法中所述PVA顆粒的分子量優(yōu)選為17-22萬。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的制備方法中，所述PVP粉末可以是K-30PVP粉末，其重均分子量約為
1-7萬，較為合適，同時PVP K-30已獲得國家醫(yī)藥管理部門的批準(zhǔn)正式上市，環(huán)保無污染而且具有良好的生物相容性，不與人體組織發(fā)生反應(yīng)，有良好的生理惰性。
[0043]在根據(jù)本發(fā)明的制備方法中采用聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮作為反應(yīng)原料，聚乙烯醇與聚乙烯吡咯烷酮在不借助交聯(lián)劑的作用下通過親電重排自組裝形成互相交聯(lián)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在聚乙烯醇溶液濃度保持不變的情況下，在一定范圍內(nèi)水凝膠的拉伸強(qiáng)度隨著聚乙烯吡咯烷酮溶液濃度的增加而增加，原因是聚乙烯吡咯烷酮作為三維聚合網(wǎng)絡(luò)的組成部分，隨著聚乙烯吡咯烷酮濃度的增加，交聯(lián)密度也相應(yīng)的增加，使得三維聚合網(wǎng)絡(luò)變得更加致密，所承受外力變化的能力也相應(yīng)增強(qiáng)(Rubinstein ,M.； Colby , R.H.PolymerPhysics.0xford University Press，2003.)。
[0044]聚乙烯醇PVA 17-88水溶液在室溫下隨時間粘度逐漸增大.但質(zhì)量百分比濃度為8%時的粘度是絕對穩(wěn)定的，可以長時間的穩(wěn)定存在。質(zhì)量百分比濃度為8%的聚乙烯醇水溶液在高溫下粘度保持不變有利于與聚乙烯吡咯烷酮的充分混合。
[0045]聚乙烯醇與聚乙烯吡咯烷酮作為聚合物水凝膠的三維聚合網(wǎng)絡(luò)的骨架，當(dāng)保持質(zhì)量百分比濃度為8%的聚乙烯醇體積不變時，以質(zhì)量百分比濃度為20%聚乙烯吡咯烷酮體積為變量合成水凝膠，當(dāng)聚乙烯吡咯烷酮體積比較低時合成的水凝膠太軟不易成型、機(jī)械強(qiáng)度也不高，當(dāng)聚乙烯吡咯烷酮體積比較高時合成的水凝膠柔韌性差、脆性比較大。
[0046]在根據(jù)本發(fā)明的制備方法制備的人造承重軟骨水凝膠，PVA和PVP都是簡單易得聚合物使得生產(chǎn)成本大大降低，而且由于PVA和PVP本身就是長分子鏈結(jié)構(gòu)，對于構(gòu)建水凝膠中三維聚合網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利，進(jìn)而提升了水凝膠的力學(xué)性能。
[0047]以下，將詳細(xì)地描述本發(fā)明。在進(jìn)行描述之前，應(yīng)當(dāng)理解的是，在本說明書和所附的權(quán)利要求書中使用的術(shù)語不應(yīng)解釋為限制于一般含義和字典含義，而應(yīng)當(dāng)在允許發(fā)明人適當(dāng)定義術(shù)語以進(jìn)行最佳解釋的原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)與本發(fā)明的技術(shù)方面相應(yīng)的含義和概念進(jìn)行解釋。因此，這里提出的描述僅僅是出于舉例說明目的的優(yōu)選實例，并非意圖限制本發(fā)明的范圍，從而應(yīng)當(dāng)理解的是，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以由其獲得其他等價方式或改進(jìn)方式。
[0048]實施例1
[0049]I)將30g PVA顆粒(PVA17-88，分子量為17-22萬，醇解度約為88%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)加入345mL去離子水中在磁力攪拌，溫度為80°C條件下加熱15min，得到聚乙烯醇的質(zhì)量百分比濃度為8%的PVA溶液；
[0050]2)將5g PVP粉末(PVP粉末K-30，分子量1-7萬，西隴化工股份有限公司)加入到20mL去離子水中在超聲波條件下分散15min配制成溶中的聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量百分比濃度為20%的PVP溶液；
[0051]3)前驅(qū)體溶液制備
[0052]將步驟I)所得到的PVA溶和步驟2)所得到的PVP溶液按體積比7:3的比例混合攪拌均勻后，加入占混合溶液體積I %的質(zhì)量百分比濃度為10%的硫酸得到前驅(qū)體溶液；
[0053]4)微波輔助加熱
[0054]將前驅(qū)體溶液在600W微波下反應(yīng)3min，使前驅(qū)體溶液中PVA和PVP反應(yīng)，使前驅(qū)體溶液變得粘稠，然后轉(zhuǎn)移到室溫條件下冷卻即可得到穩(wěn)定的透明的人造承重軟骨水凝膠(PVP-20)。
[0055]采用傅里葉紅外譜圖對原料PVA、PVP以及反應(yīng)后的人造承重軟骨水凝膠的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，如圖2所示，其中曲線a為原料聚合物PVA和PVP混合后的紅外吸收峰曲線，曲線b為反應(yīng)得到的人造承重軟骨水凝膠的紅外吸收峰曲線。在傅里葉紅外光譜圖中1250cm—1人造承重軟骨水凝膠出現(xiàn)了 C-O-C的吸收峰，說明PVA分子鏈上的羥基和PVP分子鏈上的羰基在酸性條件下發(fā)生了自組裝的親電重排，使得兩種聚合物之間通過共價鍵連接成均一的齊次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
[0056]實施例2
[0057]除了將步驟3)中PVP溶液質(zhì)量百分比濃度改變?yōu)?%以外，按照實施例1相同的制備步驟制得人造承重軟骨水凝膠(PVP-3)。
[0058]實施例3
[0059]除了將步驟3)中PVP溶液質(zhì)量百分比濃度改變?yōu)?%以外，按照實施例1相同的制備步驟制得人造承重軟骨水凝膠(PVP-5)。
[0060]實施例4
[0061 ]除了將步驟3)中PVP溶液質(zhì)量百分比濃度改變?yōu)?0%以外，按照實施例1相同的制備步驟制得人造承重軟骨水凝膠(PVP-10)。
[0062]實施例5
[0063]除了將步驟3)中PVP溶液質(zhì)量百分比濃度改變?yōu)?5%以外，按照實施例1相同的制備步驟制得人造承重軟骨水凝膠(PVP-15)。
[0064]實驗實施例1:單軸拉伸試驗
[0065]采用力學(xué)試驗機(jī)(UTM6530)對實施例1至5中制備的人造承重軟骨水凝膠進(jìn)行拉伸性能進(jìn)行研究。拉伸試驗使用的樣品大小為:5X2X0.5cm3的長方體，拉伸加載速率為:60mm/mino
[0066]圖3為根據(jù)實施例1至5中制備的人造承重軟骨水凝膠的單軸拉伸試驗圖，從圖中可以看出隨著PVP含量的不斷增加，人造承重軟骨水凝膠的拉伸應(yīng)力不斷升高，從0.1MPa提升到1.16MPa，伸長率也從350%提升到720%。
[0067]實驗實施例2:無側(cè)限壓縮試驗
[0068]采用力學(xué)試驗機(jī)(UTM6530)對實施例1至5中制備的人造承重軟骨水凝膠進(jìn)行拉伸性能進(jìn)行研究。拉伸試驗使用的樣品大小為:高4cm、直徑2cm的圓柱體，壓縮加載/卸載速率為10_/111；[11和80_/111；[11，循環(huán)10次。
[0069]圖4為根據(jù)實施例1至5中制備的人造承重軟骨水凝膠在不同PVP濃度條件下的無側(cè)限壓縮實驗圖。從圖中可以看出隨著PVP含量的不斷增加，人造承重軟骨水凝膠的拉伸壓縮應(yīng)力不斷升高，從1MPa提升到50MPa。
[0070]圖5為根據(jù)實施例1至5中在不同PVP濃度條件下制備的人造承重軟骨水凝膠的無側(cè)限壓縮循環(huán)實驗圖。隨著PVP含量的不斷增加，人造承重軟骨水凝膠的拉伸/壓縮應(yīng)力不斷升高，循環(huán)10次后可恢復(fù)率也從85.5 %提升到96.2 %。說明隨著PVP含量的增加，三維的聚合物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更加均一，賦予了水凝膠更高的力學(xué)性能。
[0071]圖6為根據(jù)實施例1至5中不同PVP濃度條件下制備的人造承重軟骨水凝膠的單軸拉伸/無側(cè)限壓縮實驗過程展示圖。
[0072]實驗實施例3:冷凍/解凍循環(huán)試驗
[0073]對實施例1中制備的人造承重軟骨水凝膠進(jìn)行冷凍/解凍循環(huán)試驗對其性能進(jìn)行研究。冷凍/解凍循環(huán)試驗的條件為_25°C到25°C，所用的樣品為PVP含量為20%的樣品。如圖7所示。先將樣品放入_25°C條件下冷凍，待樣品完全結(jié)冰后取出，在25°C條件下解凍，循環(huán)三次。人造承重軟骨水凝膠任然保持其透明度，說明沒有因PVA鏈間的氫鍵作用引起的結(jié)晶導(dǎo)致的光散射，進(jìn)一步證明了 PVA鏈上的羥基在反應(yīng)過程中被消耗參與了親電重排。
[0074]實驗實施例4:溶脹實驗
[0075]對實施例1中制備的人造承重軟骨水凝膠在生理條件下進(jìn)行溶脹實驗。用到磷酸鹽緩沖液(10 X PBS，無鈣鎂)模擬生理條件:主要由NaCl、KC1、NaHP04、KH2P04等組成。進(jìn)行常規(guī)的實驗按照10 XPBS:去離子水= 1:9進(jìn)行稀釋，即取10 XPBSl份、去離子水9份，充分混勻，即獲得PBS工作液。將實施例1中制備人造承重軟骨水凝膠在工作液中進(jìn)行溶脹實驗，樣品大小為:高為4cm和直徑為2cm的圓柱，溶脹率計算公式:Q= (Ws—Wd)/Wd(Q為溶脹率，Ws為溶脹后的重量，Wd為樣品的初始重量)。如圖8所示。溶脹率隨著PVP含量的增加而降低，相應(yīng)的凝膠量隨著PVP含量的增加而增加，說明PVP含量的增加提高了水凝膠的凝膠量進(jìn)而提高了聚合物間的交聯(lián)密度，所以使水凝膠可以在生理條件下抑制腫脹現(xiàn)象，保持自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。
[0076]對比實施例1
[0077]I)將30g PVA顆粒(PVA17-88，分子量為17-22萬，醇解度約為88%)加入345mL去離子水中在磁力攪拌，溫度為80°C條件下加熱15min，得到聚乙烯醇的質(zhì)量百分比濃度為8%的PVA溶液；
[0078]2)將5g PVP粉末(PVP粉末K-30，分子量1-7萬)加入到20mL去離子水中在超聲波條件下分散15min配制成溶中的聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量百分比濃度為20%的PVP溶液；
[0079]3)前驅(qū)體溶液制備
[0080]將步驟I)所得到的PVA溶和步驟2)所得到的PVP溶液按體積比7:3的比例混合攪拌均勻后，加入占混合溶液體積I %的質(zhì)量百分比濃度為10%的硫酸得到前驅(qū)體溶液；
[0081 ] 4)磁力攪拌加熱
[0082]將前驅(qū)體溶液在80°C條件下磁力攪拌加熱30min，使前驅(qū)體溶液中PVA和PVP反應(yīng)，使前驅(qū)體溶液變得粘稠，然后轉(zhuǎn)移到室溫條件下冷卻得到水凝膠。
[0083]對比實施例1中得到的水凝膠反應(yīng)不均勻，水凝膠產(chǎn)品不透明，且性能不符合要求，而且反應(yīng)所需時間要長。
[0084]這是由于普通的磁力攪拌加熱是通過局部受熱，然后再經(jīng)過熱傳遞進(jìn)行加熱，使受熱不均勻。相比較而言，微波輔助加熱具有加熱速度快、熱量損失小、操作方便等特點，既可以縮短工藝時間、提高生產(chǎn)率、降低成本，又可以提高產(chǎn)品質(zhì)量。與傳統(tǒng)加熱方式相比，微波加熱有以下特點:加熱均勻、速度快一般的加熱方法憑借加熱周圍的環(huán)境，以熱量的輻射或通過熱空氣對流的方式使物體的表面先得到加熱，然后通過熱傳導(dǎo)傳導(dǎo)物體的內(nèi)部。這種方法效率低，加熱時間長。微波加熱的最大特點是，微波是在被加熱物內(nèi)部產(chǎn)生的，熱源來自物體內(nèi)部，加熱均勻，不會造成“外焦里不熟”的夾生現(xiàn)象，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時由于“里外同時加熱”大大縮短了加熱時間，加熱效率高，有利于提高產(chǎn)品產(chǎn)量。微波加熱的慣性很小，可以實現(xiàn)溫度升降的快速控制，有利于連續(xù)生產(chǎn)地額自動控制。
[0085]以上實施例僅是作為本發(fā)明的實施方案的例子列舉，并不對本發(fā)明構(gòu)成任何限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解在不偏離本發(fā)明的實質(zhì)和構(gòu)思的范圍內(nèi)的修改均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種通過微波輔助加熱法制備水凝膠的方法，其包括如下步驟: 1)將聚乙烯醇顆粒加入到去離子水中，使溶液中聚乙烯醇的質(zhì)量百分比濃度為5-20 %，然后在溫度為800C、磁力攪拌下加熱10-20min，配制成溶液A; 2)將聚乙烯吡咯烷酮粉末加入去離子水中，使溶液中聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量百分比濃度為10-30%，在超聲細(xì)胞粉碎機(jī)下繼續(xù)分散10-20min，配制成溶液B; 3)將步驟I)、2)中得到的溶液A和B按照體積比為5:1至1:1的比例混合得到前驅(qū)體溶液； 4)向步驟3)中得到的前驅(qū)體溶液中加入占前驅(qū)體溶液體積I%的質(zhì)量百分比濃度為10%的硫酸，在微波輔助下加熱，然后冷卻至室溫即可得到在生理條件下具有高機(jī)械性和可恢復(fù)性的人造承重軟骨水凝膠，其中所述微波輔助加熱為微波600W下反應(yīng)3-5min。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過微波輔助加熱法制備水凝膠的方法，其特征在于，步驟I)中所述聚乙烯醇顆粒為具有17-22萬的重均分子量且醇解度約為88%的聚乙烯醇顆粒，進(jìn)一步優(yōu)選為PVAl 7-88。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過微波輔助加熱法制備水凝膠的方法，其特征在于，步驟I)中所述溶液中聚乙烯醇的質(zhì)量百分比濃度為7-15%，進(jìn)一步優(yōu)選為8-10%，更進(jìn)一步優(yōu)選為8% ο4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過微波輔助加熱法制備水凝膠的方法，其特征在于，步驟2)中所述聚乙烯吡咯烷酮粉末為具有1-7萬的重均分子量的聚乙烯吡咯烷酮粉末，優(yōu)選為聚乙烯吡咯烷酮K-30。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過微波輔助加熱法制備水凝膠的方法，其特征在于，步驟2)中所述溶液中的聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量百分比濃度為10-25% ;進(jìn)一步優(yōu)選為20-25%，更進(jìn)一步優(yōu)選為20%。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過微波輔助加熱法制備水凝膠的方法，其特征在于，步驟3)中所述步驟I)、2)中得到的溶液A和B的混合體積比優(yōu)選為3:1至2:1，進(jìn)一步優(yōu)選為7:3至5:3，更進(jìn)一步優(yōu)選為7:3。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過微波輔助加熱法制備水凝膠的方法，其特征在于，所述方法中不添加有機(jī)溶劑、交聯(lián)劑、引發(fā)劑，以及不采用紫外光誘導(dǎo)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過微波輔助加熱法制備水凝膠的方法，其包括如下步驟: 1)將30g聚乙烯醇顆粒PVA17-88加入345mL去離子水中在磁力攪拌加熱條件下配制成溶液，其中聚乙烯醇的質(zhì)量百分比濃度為8%的聚乙烯醇溶液； 2)將5g聚乙烯吡咯烷酮粉末K-30加入到20mL去離子水中在超聲波條件下配制成溶液，其中的聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量百分比濃度為20%的聚乙烯吡咯烷酮溶液； 3)前驅(qū)體溶液制備 將步驟I)所得到的聚乙烯醇溶液和步驟2)所得到的聚乙烯吡咯烷酮溶液按體積比7:3的比例混合攪拌均勻后，加入占混合溶液體積1%的質(zhì)量百分比濃度為10%的硫酸得到前驅(qū)體溶液； 4)微波輔助加熱 將步驟3)中得到的前驅(qū)體溶液在600W微波下反應(yīng)3min，使前驅(qū)體溶液中聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮發(fā)生自組裝的親電重排交聯(lián)成二嵌段的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移到室溫下冷卻即可得到能夠在生理條件下保持高韌性、延展性、機(jī)械強(qiáng)度，并且維持自身形態(tài)的穩(wěn)定，具有良好的自恢復(fù)性能的人造承重軟骨水凝膠。9.一種人造承重軟骨水凝膠，其特征在于，所述水凝膠通過權(quán)利要求1至6中任意一項所述的制備方法制備;所述水凝膠在承受1.16MPa的拉應(yīng)力下，伸長率可達(dá)到780%，在壓縮形變量為90%條件下可承受50MPa以上的壓應(yīng)力。
【文檔編號】A61L27/50GK105963793SQ201610299016
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】馬明國, 劉艷軍, 劉姍, 付連花, 孟玲燕
【申請人】北京林業(yè)大學(xué)