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新制備的抗溶脹表層復(fù)合水凝膠可減少由溶脹引起的界面張力
來源:浙江工業(yè)大學(xué) 中國科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)研究所 瀏覽 258 次 發(fā)布時間:2025-05-21
摘要:本發(fā)明涉及水凝膠技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及抗溶脹表層復(fù)合水凝膠、制備方法及其應(yīng)用,通過在水凝膠表層形成聚電解質(zhì)層,以實現(xiàn)對水凝膠溶脹行為的有效控制。該聚電解質(zhì)層通過滲透到水凝膠表面,能夠有效減緩水凝膠的溶脹速率,減少由溶脹引起的界面張力,從而改善水凝膠在基底上的粘附性和機械穩(wěn)定性。此技術(shù)適用于多種基底材料,尤其是在需要控制水凝膠溶脹特性和提高界面附著力的醫(yī)療和工程應(yīng)用中。通過該技術(shù),可以顯著提高水凝膠的功能性和應(yīng)用性能,尤其在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。
水凝膠是一類具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的親水性高分子材料,廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、環(huán)境、食品和工業(yè)領(lǐng)域。在生物醫(yī)用領(lǐng)域,水凝膠通常被用作藥物傳遞系統(tǒng)、創(chuàng)傷敷料等。然而,由于水凝膠具有較高的溶脹性,它在體內(nèi)或濕潤環(huán)境中可能會過度溶脹,導(dǎo)致機械性能下降,甚至影響與基底的粘附性,產(chǎn)生不利的生物反應(yīng)。因此,如何有效控制水凝膠的溶脹行為,減緩其溶脹速率,避免由溶脹引起的界面張力,是水凝膠材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域應(yīng)用中的一個關(guān)鍵技術(shù)難題。
目前,一些研究嘗試通過改變水凝膠的交聯(lián)度或在水凝膠中加入不同的填料來調(diào)節(jié)其溶脹性能。然而,這些方法往往難以在控制溶脹行為的同時,維持水凝膠的良好功能性和生物相容性。因此,迫切需要一種新的技術(shù)手段,既能有效控制水凝膠的溶脹,又能確保其在應(yīng)用過程中的穩(wěn)定性和功能。
目前,關(guān)于抗溶脹水凝膠的研究中,已有一些技術(shù)方案試圖解決上述問題,但仍存在一定的局限性。
中國發(fā)明專利申請CN202011427315.6公開一種高強度多層級水凝膠及其制備方法和應(yīng)用。聚電解質(zhì)溶液中加入第一強酸溶液或第一金屬離子溶液后,進行冷凍,得水凝膠;將所得水凝膠解凍后,浸泡至第二強酸溶液或第二金屬離子溶液中,清洗,得所述水凝膠。雖然這種水凝膠在機械性能有所突破,但過程中涉及浸泡強酸溶液,會刺激生物組織表面,不宜使用在人體皮膚。
中國發(fā)明專利申請CN202110814384.0公開一種具有超強基底粘附性能的聚電解質(zhì)水凝膠涂層及其制備方法。該方案采用混合聚陽離子聚合物、聚合單體、硅氧烷交聯(lián)劑以及引發(fā)劑得到預(yù)聚物溶液,抽真空除去氣泡后涂覆到氧等離子體活化的基底表面,氮氣或稀有氣體氣氛下原位聚合,固化形成水凝膠涂層。該復(fù)合涂層能夠廣泛應(yīng)用醫(yī)療器械,提高強力粘附,涂層能夠與醫(yī)療器械表面結(jié)合牢固。然而,該方案的缺陷在液體環(huán)境中水凝膠無法控制溶脹,整體機械性能下降,無法保證粘附穩(wěn)定性。
鑒于上述缺陷,本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過長時間的研究和實踐終于獲得了本發(fā)明。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決如何有效控制水凝膠的溶脹行為,減緩其溶脹速率,避免由溶脹引起的界面張力的問題,提供了抗溶脹表層復(fù)合水凝膠、制備方法及其應(yīng)用。
為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明公開了抗溶脹表層復(fù)合水凝膠,包括基底材料、水凝膠層、聚電解質(zhì)層,所述水凝膠層設(shè)于所述基底材料上,所述聚電解質(zhì)層覆蓋在所述水凝膠層表面。
所述聚電解質(zhì)層的材料為聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚氨基酸、聚乙烯亞胺及其衍生物中的任意一種或多種組合。
所述聚電解質(zhì)層的厚度為1 nm~500μm。
所述基底材料為生物相容性材料,為金屬、陶瓷、聚合物、天然材料及其復(fù)合材料中的任意一種或多種組合。
所述水凝膠層為聚丙烯酰胺基水凝膠、聚(丙烯酸)基水凝膠、聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)基水凝膠中的任意一種或多種組合。
本發(fā)明還公開了上述抗溶脹表層復(fù)合水凝膠,包括以下步驟:
S1,對所選的基底材料進行表面處理,確保水凝膠層能夠均勻結(jié)合于基底材料上;
S2,將所選的水凝膠前體、助劑和溶劑混合后,得到水凝膠前體溶液,通過溶液聚合或其他交聯(lián)方法,在基底材料上形成水凝膠層;
S3,將聚電解質(zhì)溶液滲透至水凝膠層表面,形成聚電解質(zhì)層;
S4,對聚電解質(zhì)層進行固化處理,控制水凝膠的溶脹行為。
所述步驟S3中,滲透方式為浸泡、噴涂或涂覆中的任意一種,所述浸泡時間為2~12h。
所述步驟S4中,固化方式為化學(xué)交聯(lián)、熱處理或光固化中的任意一種;所述化學(xué)交聯(lián)的交聯(lián)劑的濃度為1%~80%,交聯(lián)反應(yīng)時間為10 min~24 h;所述熱處理的溫度為40℃~150℃,時間為5 min~100 min。
本發(fā)明還公開了上述抗溶脹表層復(fù)合水凝膠在醫(yī)療敷料、創(chuàng)傷修復(fù)中的應(yīng)用。
本發(fā)明還公開了上述抗溶脹表層復(fù)合水凝膠在藥物釋放系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)傳感器中的應(yīng)用。
聚電解質(zhì)與水凝膠表面形成致密的離子交聯(lián)表面層,通過半透性屏障的形成等機制調(diào)節(jié)水凝膠溶脹,這種機制限制了水的流入并降低了滲透壓。這種抗溶脹機制使水凝膠在濕態(tài)環(huán)境中使用時,不會對傷口產(chǎn)生過大的壓力,從而能夠穩(wěn)定地粘附在傷口上,提供有效的保護。
本發(fā)明中的這種表層復(fù)合水凝膠溶脹控制材料,該材料中,包含了基底材料、結(jié)合在基底材料上的水凝膠層以及通過聚電解質(zhì)層控制溶脹的聚電解質(zhì)層?;撞牧咸峁┝肆己玫臋C械支撐,水凝膠層作為高含水的功能模塊,在控制溶脹的同時保持其高度的親水性與生物相容性,而聚電解質(zhì)層則作為一個界面調(diào)控層,有效地減緩了水凝膠的溶脹速率,降低了由溶脹引起的界面張力。通過這種結(jié)構(gòu)設(shè)計,本發(fā)明的水凝膠溶脹控制材料能夠在濕潤環(huán)境中保持較好的機械穩(wěn)定性和功能性,避免了傳統(tǒng)水凝膠在生物醫(yī)用應(yīng)用中的溶脹過度問題。
與現(xiàn)有技術(shù)比較本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明通過在水凝膠表面形成聚電解質(zhì)層,有效控制水凝膠的溶脹行為,避免因溶脹引起的機械性能下降和界面張力問題;聚電解質(zhì)層的形成不干擾水凝膠的基本組成,能夠保持水凝膠的生物相容性和功能性;該方法簡單易行,且具有較好的可控性,適用于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。