摘 要

高分子水凝胶自首次合成以来，由于其良好的亲水特性和生物相容性等一系列特性，就备受研究学者们的青睐，并在伤口修复、药物控制释放、生物组织工程、器件设计等应用领域大放异彩。但是传统水凝胶的机械强度较弱和可恢复性能差的劣势严重地限制了水凝胶在生物软组织替代材料领域的应用。因此，研究和制备高强度可恢复的水凝胶具有极为重要的科研价值。

本文采用简单又快捷的“一锅煮”加铁离子浸泡增强的方法，以海藻酸钠(SA)、丙烯酰胺(Am)和丙烯酸(AAc)为原料制备了海藻酸钠/聚丙烯酰胺-丙烯酸高强度可恢复双网络水凝胶。接着探究了不同原料比对水凝胶力学强度的影响，从而确定了制备力学强度最佳的原料比。最后考察了该原料比制备的双网络水凝胶的可恢复性能，结果表明，海藻酸钠/聚丙烯酰胺-丙烯酸双网络水凝胶不仅具有较好的力学强度（断裂强度为2.7 MPa，断裂应变为9.55），而且拥有良好的可恢复性能（30分钟后的恢复效率达40%）。这种高强度可恢复双网络水凝胶改善了水凝胶的力学强度和可恢复性能，有望成为代替生物软组织潜在的候选材料。

关键词: 双网络；水凝胶；力学强度；可恢复

Abstract

Owing to the superb hydrophilic performance and biocompatibility, polymer hydrogels have been favored by researchers since they were firstly synthesized. And they have been extensively studied in applications such as wound repair, drug controlled release, biological tissue engineering, device design, etc. However, the weak mechanical strength and poor self-recovery performance of traditional hydrogels severely limit their application, especially in the field of biological soft tissue. Therefore, the development of high-strength high-recoverable hydrogels is of great importance.

In this work, a high-strength, self-recoverable dual-network hydrogel is prepared by a simple “one-pot” method with sodium alginate (SA), acrylamide (Am) and acrylic acid (AAc) as raw materials. And then the effects of different raw materials on the mechanical strength of hydrogels were investigated to determine the best ratio. Finally, we investigated the recoverability of this dual network hydrogels in this ratio. The results show that sodium alginate / polyacrylamide - acrylic DN hydrogel has not only good mechanical strength, but also good recoverability, which is expected to be a substitute for biological soft tissue potential candidate materials.

Key words: Double-Network；Hydrogels；Mechanical Strength；Recoverability；

目 录

摘 要 III

Abstract IV

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 高分子水凝胶概述 1

1.3 水凝胶的制备方法 2

1.3.1 化学交联 2

1.3.2 物理交联 3

1.3.3 辐射交联 3

1.4水凝胶的应用 3

1.4.1 伤口修复 3

1.4.2药物控制释放 3

1.4.3生物组织工程 4

1.4.4器件设计 4

1.5高强度水凝胶的研究进展 5

1.5.1双网络水凝胶 5

1.5.2拓扑型水凝胶 7

1.5.3 tetra-PEG水凝胶 8

1.5.4纳米复合水凝胶 9

1.5.5大分子微球复合水凝胶 10

1.5.6疏水缔合水凝胶 11

1.6本课题的研究目的及内容 11

第2章 海藻酸钠/聚丙烯酰胺-丙烯酸双网络水凝胶的制备与性能表征 13

2.1 实验内容 13

2.1.1 海藻酸钠/聚丙烯酰胺-丙烯酸双网络水凝胶样品的制备 13

2.1.2 循环拉伸性能测试 13

2.2 试剂与仪器 14

2.2.1 实验所用试剂及原料 14

2.2.2 实验所用设备和仪器 14

2.3 实验过程 15

2.3.1溶液的配制 15

2.3.2 制备海藻酸钠/聚丙烯酰胺-丙烯酸双网络水凝胶及拉伸性能测试 15

2.3.3 Alg/(Am AAc)质量比的探究 15

2.3.4 AAc/Am摩尔比的探究 16

2.3.5铁离子浓度的探究 16

2.4 水凝胶循环拉伸性能测试 17

第3章 实验结果分析与讨论 18

3.1 海藻酸钠/聚丙烯酰胺-丙烯酸双网络水凝胶的制备 18

3.2 Alg/(Am AAc)质量比分析 18

3.3 AAc/Am摩尔比分析 19

3.4 铁离子浓度分析 20

3.5 循环拉伸性能分析 21

第4章 总结和展望 23

4.1 总结 23

4.2 展望 23

参考文献 25

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 引言

随着生物材料研究的不断深入，科研人员已经开发出了种类繁多的人工组织和器官，并且部分成果已经应用于常规的临床治疗。但是这些产品大都为含水量低、硬度大的无机材料或有机材料，如金属、塑料以及橡胶等材料。虽然这些材料具有很好的力学性能，但是在考虑使用这类材料代替生物软组织时，需要看到其在含水率、硬度、柔软性和摩擦系数等方面和生物软组织有着较为显著的差异，用这些材料代替生物软组织的效果显然是差强人意的^[1]，而高分子水凝胶的出现打破了这种僵局。水凝胶是由亲水性聚合物组成的高分子网络，所以能够吸附大量的水从而变得柔软而富有弹性，而这一结构和性能与生物软组织的类似，水凝胶材料的优势可以弥补传统无机和有机医用材料在替代生物软组织上的劣势。

而随着水凝胶材料研究的不断推进，其弊端也开始显现。研究发现虽然水凝胶材料在结构和性质方面与生物软组织类似，但是在机械性能方面两者相去甚远，传统的高分子水凝胶一般软而脆弱，机械强度低且可恢复性差，而软骨、肌腱等生物软组织虽然柔软，但是机械性能好，可恢复性强，能承受一定强度的负载和耐疲劳。软弱的机械性能严重地限制了高分子水凝胶材料在对力学强度有较高要求领域的应用，特别是在生物软组织替代材料领域，因此，研究高强度可恢复的水凝胶具有重要的科研价值。

1.2 高分子水凝胶概述

高分子水凝胶材料优良的亲水特性和生物相容性使得水凝胶从Wichterle和Lim第一次合成以来备受生物材料界的关注^[2]。高分子水凝胶是一类具有化学或物理交联结构、能够吸收大量水分并且能够保持水分、不溶于水的三维网络结构的亲水性聚合体^[3]。图1.1为高分子水凝胶网络结构示意图。这种具有三维网络结构的材料含有大量的亲水基团，能够吸收大量的水分，从而具有优良的亲水特性，其中，水溶剂通常以键合水、束缚水和自由水等形式存在高分子网络之中^[4]。水凝胶类似于生命软组织材料，性质上类似于细胞外基质，如蛋白质、多糖等，因而具有良好的生物相容性。此外，水凝胶吸水溶胀后摩擦系数降低，能够有效地减少组织之间的摩擦损伤^[5-7]。人类利用水凝胶良好的湿软性、高含水量、保水性能及优良的亲水特性和生物相容性等其他特点，将其广泛应用于伤口修复^[8]、药物控制释放^[9]、生物组织工程^[10]、器件设计^[11]等各个领域。