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CN111727223A - 水凝胶和水凝胶的制造方法 - Google Patents

水凝胶和水凝胶的制造方法 Download PDF

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CN111727223A CN201980011000.2A CN201980011000A CN111727223A CN 111727223 A CN111727223 A CN 111727223A CN 201980011000 A CN201980011000 A CN 201980011000A CN 111727223 A CN111727223 A CN 111727223A
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Abstract

水凝胶具备第1网络结构和第2网络结构。第2网络结构与第1网络结构交织。第1网络结构包含通过第1交联剂交联的聚合物。第2网络结构包含通过第2交联剂交联的聚合物。第1交联剂中的、50mol％以上不含降解性键。第2交联剂中的、50mol％以上不含降解性键。

Description

水凝胶和水凝胶的制造方法
相关申请的相互参照
本国际申请要求基于2018年4月23日向日本国特许厅申请的日本国专利申请第2018-82339号的优先权，将日本国专利申请第2018-82339号的全部内容通过参照引入至本国际申请。
技术领域
本公开涉及水凝胶和水凝胶的制造方法。
背景技术
以往，已知有具备第1网络结构和第2网络结构的水凝胶。第2网络结构与第1网络结构交织。第1网络结构和第2网络结构分别通过使单体聚合、并交联而形成。专利文献1中公开了水凝胶。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4381297号公报
发明内容
发明要解决的问题
以往的水凝胶在酸性条件下弹性模量、强度容易降低。本公开的一个方面中，优选提供在酸性条件下弹性模量、强度不易降低的水凝胶和水凝胶的制造方法。
用于解决问题的方案
本公开的一个方面为一种水凝胶，其具备：第1网络结构、和与前述第1网络结构交织的第2网络结构，前述第1网络结构包含通过第1交联剂交联的聚合物，前述第2网络结构包含通过第2交联剂交联的聚合物，前述第1交联剂中的、50mol％以上不含降解性键，前述第2交联剂中的、50mol％以上不含降解性键。
作为本公开的一个方面的水凝胶在酸性条件下也不易引起交联点的水解。因此，作为本公开的一个方面的水凝胶在酸性条件下弹性模量、强度也不易降低。
本公开的另一方面为一种水凝胶的制造方法，所述制造方法如下进行：使第1单体聚合，通过第1交联剂进行交联，从而形成第1网络结构，在前述第1网络结构中导入第2单体和第2交联剂，使前述第2单体聚合，通过前述第2交联剂进行交联，从而形成与前述第1网络结构交织的第2网络结构，前述第1交联剂中的、50mol％以上不含降解性键，前述第2交联剂中的、50mol％以上不含降解性键。
通过作为本公开的另一方面的水凝胶的制造方法制造的水凝胶在酸性条件下也不易引起交联点的水解。因此，通过作为本公开的另一方面的水凝胶的制造方法制造的水凝胶在酸性条件下弹性模量、强度也不易降低。
附图说明
图1为示出各实施例和各比较例的水凝胶中的初始弹性模量比XT的测定结果的图。
图2为示出实施例1和比较例2的水凝胶中的初始弹性模量比XT与T的关系的图。
具体实施方式
对本公开的示例的实施方式进行说明。
1.水凝胶
本公开的水凝胶具备第1网络结构和第2网络结构。第2网络结构与第1网络结构交织。
第1网络结构和第2网络结构分别包含单体聚合而形成的聚合物。将构成第1网络结构的单体称为第1单体。另外，将构成第2网络结构的单体称为第2单体。
作为第1单体和第2单体，例如可以举出具有电荷的单体。作为具有电荷的单体，例如可以举出2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、甲基丙烯酸、和它们的盐等。
作为第1单体和第2单体，例如可以举出为电中性的单体。作为为电中性的单体，例如可以举出丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、乙烯基吡啶、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、含氟的不饱和单体、丙烯酸羟乙酯、和乙酸乙烯酯等。作为含氟的不饱和单体，例如可以举出丙烯酸三氟乙酯等。
第1单体和第2单体可以为彼此不同种类的单体，或者也可以为相同种类的单体。
对于第1单体和第2单体，为彼此不同种类的单体的情况下，例如，第1单体和第2单体中的一者为具有电荷的单体，第1单体和第2单体中的另一者是为电中性的单体。另外，第1单体和第2单体也可以均为具有电荷的单体。第1单体和第2单体均为具有电荷的单体的情况下，可以从2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、甲基丙烯酸、和它们的盐中选择彼此不同的单体。另外，第1单体和第2单体可以均为电中性。第1单体和第2单体均为电中性的情况下，可以从丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、乙烯基吡啶、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、含氟的不饱和单体、丙烯酸羟乙酯、和乙酸乙烯酯中选择彼此不同的单体。
第1网络结构中，第1单体聚合而形成聚合物。该聚合物通过第1交联剂进行交联，从而形成第1网络结构。第1交联剂中的、50mol％以上为不含降解性键的交联剂。由此，在酸性条件下也不易引起交联点的水解。由于在酸性条件下也不易引起交联点的水解，因此，本公开的水凝胶在酸性条件下弹性模量、强度也不易降低。优选第1交联剂中的、60mol％以上为不含降解性键的交联剂，进一步优选第1交联剂中的、75mol％以上为不含降解性键的交联剂。第1交联剂中的、不含降解性键的交联剂的比率越高，在酸性条件下本公开的水凝胶的弹性模量、强度越不易进一步降低。
第2网络结构中，第2单体聚合而形成聚合物。该聚合物通过第2交联剂进行交联，从而形成第2网络结构。第2交联剂中的、50mol％以上为不含降解性键的交联剂。由此，在酸性条件下也不易引起交联点的水解。由于在酸性条件下也不易引起交联点的水解，因此，本公开的水凝胶在酸性条件下弹性模量、强度也不易降低。优选第2交联剂中的、60mol％以上为不含降解性键的交联剂，进一步优选第2交联剂中的、75mol％以上为不含降解性键的交联剂。第2交联剂中的、不含降解性键的交联剂的比率越高，在酸性条件下本公开的水凝胶的弹性模量、强度越不易进一步降低。作为第2交联剂，可以使用与第1交联剂同样的物质。
第1交联剂和第2交联剂中，降解性键是指，在酸性条件下容易水解的键。作为降解性键，例如可以举出酯键、酰胺键、硫代酯键等。作为不含降解性键的第1交联剂和不含降解性键的第2交联剂，例如彼此独立地可以举出二乙烯基苯、二乙烯基吡啶、二乙烯基联苯、二乙烯基砜等。第1交联剂的全部可以为不含降解性键的交联剂，第1交联剂的一部分可以为包含降解性键的交联剂。第2交联剂的全部可以为不含降解性键的交联剂，第2交联剂的一部分可以为包含降解性键的交联剂。第1交联剂和第2交联剂中，作为包含降解性键的交联剂，例如可以举出N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇二甲基丙烯酸酯等。第1交联剂和第2交联剂可以为彼此相同的交联剂，也可以为不同的交联剂。
构成第1网络结构和第2网络结构的主链优选不含降解性键。主链是指，由第1单体形成的聚合物的主链或由第2单体形成的聚合物的主链。构成第1网络结构和第2网络结构的主链不含降解性键的情况下，在酸性条件下也不易引起主链的水解。在酸性条件下也不易引起主链的水解，结果在酸性条件下本公开的水凝胶的弹性模量、强度也不易进一步降低。
本公开的水凝胶中，优选以以下的式(1)定义的初始弹性模量比X为50％以上。
式(1)X＝(E2/E1)×100
(式(1)中的E2为浸渍于盐酸浓度为0.05mol/L、温度为60℃的盐酸水溶液72小时的处理后的水凝胶的弹性模量。E1为前述处理前的水凝胶的弹性模量。)
初始弹性模量比X为50％以上的情况下，本公开的水凝胶在酸性条件下弹性模量、强度也不易进一步降低。
第1网络结构中的交联度例如优选0.1～50mol％的范围。交联度是指，以百分率单位表示交联剂的摩尔浓度相对于单体的投入摩尔浓度之比的值。实际上不参与聚合的单体、不参与交联的交联剂有时仅处于微量，但上述情况下，本说明书中的交联度的含义也如前述。第2网络结构中的交联度例如优选0.001～20mol％的范围。第1网络结构和第2网络结构中的交联度为上述范围内的情况下，本公开的水凝胶的机械强度进一步高。
优选第1网络结构为高硬度，第2网络结构为高扩张性。第1网络结构为高硬度、第2网络结构为高扩张性的情况下，本公开的水凝胶的强度进一步高。
第2网络结构中的交联度优选小于第1网络结构中的交联度。第2网络结构中的交联度小于第1网络结构中的交联度的情况下，第1网络结构成为高硬度，第2网络结构成为高扩张性。其结果，本公开的水凝胶的强度进一步变高。
将本公开的水凝胶中的第1单体的成分量设为M1(mol)。将本公开的水凝胶中的第2单体的成分量设为M2(mol)。M1与M2的摩尔比(以下中记作M1：M2)优选1：2～1：100的范围、进一步优选1：3～1：50的范围、特别优选1：3～1：30的范围。M1：M2为上述范围的情况下，可以进一步改善本公开的水凝胶的机械强度。
本公开的水凝胶的含水率优选10～99.9％。本公开的水凝胶的压缩断裂应力优选1～100MPa。本公开的水凝胶的拉伸断裂应力优选0.1～100MPa。
作为本公开的水凝胶的用途，例如可以举出人工软骨、人工关节、人工脏器、細胞培养基材、药物释放系统(DDS)、隐形眼镜、人工晶状体、中空纤维、药物运载工具、特定物质的感应器或导管的前端中利用的软智能执行器、防褥疮性溃疡·褥疮垫、垫子、润滑剂、化妆水等的稳定剂、增稠剂、燃料电池用材料、电池分隔件、尿布、卫生用品、缓释剂、土木材料、建筑材料等。作为人工脏器，例如可以举出人工血管、人工皮肤等。
2.水凝胶的制造方法
本公开的水凝胶的制造方法中，形成第1网络结构。第1网络结构例如可以如以下形成。制备包含第1单体、第1交联剂和聚合引发剂的第1聚合溶液。接着，使第1单体聚合，通过第1交联剂进行交联，从而形成第1网络结构。
接着，形成第2网络结构。第2网络结构例如可以如以下形成。制备包含第2单体、第2交联剂和聚合引发剂的第2聚合溶液。接着，使具有第1网络结构的凝胶浸渍于第2聚合溶液，在浸渍的状态下保存。此时，将第2单体和第2交联剂导入至第1网络结构中，并扩散、渗透。接着，将具有第1网络结构的凝胶从第2聚合溶液取出。接着，使导入至第1网络结构中的第2单体聚合，通过第2交联剂进行交联。其结果，形成与第1网络结构交织的第2网络结构。
本公开的水凝胶的制造方法中使用的第1交联剂和第2交联剂如前述“1.水凝胶”的项中所述。因此，通过本公开的水凝胶的制造方法制造的水凝胶在酸性条件下也不易引起交联点的水解。由于在酸性条件下也不易引起交联点的水解，结果通过本公开的水凝胶的制造方法制造的水凝胶在酸性条件下弹性模量、强度也不易降低。
第1聚合溶液和第2聚合溶液中所含的聚合引发剂没有特别限定，可以根据单体的种类而适宜选择。使单体热聚合的情况下，作为聚合引发剂，例如可以使用过硫酸钾等水溶性热催化剂、过硫酸钾-硫代硫酸钠等氧化还原引发剂、偶氮二异丁腈(AIBN)、过氧化苯甲酰(BPO)等。使单体光聚合的情况下，作为聚合引发剂，例如可以使用2-氧代戊二酸、二苯甲酮、双氧水等。
第1聚合溶液和第2聚合溶液中的溶剂没有特别限定，可以适宜选择。作为溶剂，例如可以举出水、有机溶剂、水与有机溶剂的混合溶剂等。作为有机溶剂，例如可以举出二甲基亚砜、2-甲基-2-丙醇、四氢呋喃等。第1聚合溶液中的溶剂和第2聚合溶液中的溶剂优选相同。第1聚合溶液中的溶剂和第2聚合溶液中的溶剂相同的情况下，第1网络结构与第2网络结构容易进一步交织。
作为使第1单体聚合的方法，例如可以举出热聚合、光聚合。作为光聚合中使用的光，例如可以举出紫外线。作为使由第1单体形成的聚合物通过第1交联剂交联的方法，例如可以举出热交联、光交联。作为光交联中使用的光，例如可以举出紫外线。第1单体的聚合、使用第1交联剂的交联可以同时进行，也可以在聚合后进行交联。
作为使第2单体聚合的方法，例如可以举出热聚合、光聚合。作为光聚合中使用的光，例如可以举出紫外线。作为使由第2单体形成的聚合物通过第2交联剂交联的方法，例如可以举出热交联、光交联。作为光交联中使用的光，例如可以举出紫外线。第2单体的聚合、使用第2交联剂的交联可以同时进行，也可以在聚合后进行交联。
3.实施例
(3-1)实施例1的水凝胶的制造
在混合溶剂中加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、二乙烯基苯(DVB)和2-氧代戊二酸，制备第1聚合溶液。第1聚合溶液中的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的浓度为1mol/L。第1聚合溶液中的二乙烯基苯的浓度为0.04mol/L。第1聚合溶液中的2-氧代戊二酸的浓度为0.01mol/L。混合溶剂为纯水与二甲基亚砜(DMSO)的混合溶剂。
2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸对应于第1单体。二乙烯基苯对应于第1交联剂。2-氧代戊二酸对应于聚合引发剂。
接着，用氮气将第1聚合溶液脱氧。接着，在玻璃制的聚合容器中注入第1聚合溶液。接着，用UV灯，对第1聚合溶液照射紫外线。紫外线的波长为365nm。UV灯的功率为22W。UV灯的输出电流为0.34A。紫外线的照射在常温下进行8小时。此时，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和二乙烯基苯聚合，二乙烯基苯交联，形成AMPS凝胶。AMPS凝胶对应于第1网络结构。
接着，在混合溶剂中加入N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAAm)、二乙烯基苯和2-氧代戊二酸，制备第2聚合溶液。第2聚合溶液中的N,N-二甲基丙烯酰胺的浓度为2mol/L。第2聚合溶液中的二乙烯基苯的浓度为0.002mol/L。第2聚合溶液中的2-氧代戊二酸的浓度为0.005mol/L。混合溶剂为纯水与二甲基亚砜的混合溶剂。
N,N-二甲基丙烯酰胺对应于第2单体。二乙烯基苯对应于第2交联剂。2-氧代戊二酸对应于聚合引发剂。
接着，使AMPS凝胶浸渍于第2聚合溶液。此时，将第2聚合溶液导入至AMPS凝胶内，并扩散·渗透。以下中，将第2聚合溶液扩散·渗透了的AMPS凝胶记作扩散·渗透凝胶。
接着，从第2聚合溶液取出扩散·渗透凝胶，裁切成适当的大小。接着，用UV灯，对扩散·渗透凝胶照射紫外线。紫外线的波长为365nm。UV灯的功率为22W。UV灯的输出电流为0.34A。紫外线的照射在常温下进行8小时。此时，扩散·渗透凝胶中，作为第2聚合溶液的成分的N,N-二甲基丙烯酰胺和二乙烯基苯聚合，二乙烯基苯交联，形成第2网络结构。第2网络结构与第1网络结构交织。通过以上的工序得到了水凝胶。得到的水凝胶为独立地形成第1网络结构与第2网络结构的双网凝胶。将得到的水凝胶在纯水内静置直至达到平衡溶胀为止。进一步，用纯水清洗直至未反应的单体等在水凝胶内消失为止。
(3-2)实施例2、3、和比较例1、2的水凝胶的制造
基本上与实施例1同样地操作，制造实施例2、3、和比较例1、2的水凝胶。其中，第1交联剂和第2交联剂的种类中，不同于实施例1。需要说明的是，第1交联剂的总摩尔数和第2交联剂的总摩尔数在实施例1～3和比较例1、2中相同。
实施例2中的第1交联剂和第2交联剂分别为二乙烯基苯与N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)的混合物。N,N'-亚甲基双丙烯酰胺具有酰胺键。酰胺键对应于降解性键。
将二乙烯基苯与N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的摩尔比在以下中记作DVB/MBAA。实施例2中的第1交联剂和第2交联剂中的DVB/MBAA分别为75/25。
实施例3中的第1交联剂和第2交联剂分别为二乙烯基苯与N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的混合物。实施例3中的第1交联剂和第2交联剂中的DVB/MBAA分别为50/50。
比较例1中的第1交联剂和第2交联剂分别为二乙烯基苯与N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的混合物。比较例1中的第1交联剂和第2交联剂中的DVB/MBAA分别为25/75。
比较例2中的第1交联剂和第2交联剂分别仅为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺。
表1中，对于实施例1-4和比较例1、2，示出第1网络结构中的交联度和第1交联剂中的、不含降解性键的交联剂的摩尔比、第2网络结构中的交联度和第2交联剂中的、不含降解性键的交联剂的摩尔比、以及M1：M2(摩尔比)。
[表1]
Figure BDA0002610032430000101
交联度：用百分率单位表示交联剂的摩尔浓度相对于单体的投入摩尔浓度之比的值。
M1：M2(摩尔比)：第1单体与第2单体的投入量的摩尔比
(3-3)比较例3、4的单网水凝胶的制造
用实施例1中的第1聚合溶液，制造比较例3的单网水凝胶。比较例3的单网水凝胶具有单一的网络结构。另外，使用实施例1中的第2聚合溶液，制造比较例4的单网水凝胶。比较例4的单网水凝胶具有单一的网络结构。
(3-4)压缩试验
对于实施例1的水凝胶、和比较例3、4的单网水凝胶，进行压缩试验。压缩试验中使用Orientec Co.,Ltd.制的Tensilon万能试验机。压缩试验的方法如以下所述。
从凝胶切下试验体。用试验机的压缩试验夹具夹持试验体，以规定的压缩速度进行压缩。压缩试验夹具由2张平的板构成。压缩速度设为在1分钟内压缩试验体的厚度的10％的速度。在上述的条件下，测定压缩断裂应力和压缩断裂应变。另外，根据应力-应变曲线中的、应变初始的部分中的线性近似的斜率算出初始弹性模量。将实施例1和比较例3、4的水凝胶的压缩断裂应力、压缩断裂应变、和初始弹性模量的测定结果示于表2。
[表2]
实施例1 比较例3 比较例4
压缩断裂应力(MPa) 8.8 0.08 0.8
压缩断裂应变(％) 88 29 90
初始弹性模量(MPa) 0.6 0.2 0.01
溶胀度(％) 9 60 30
实施例1的水凝胶与比较例3、4的单网水凝胶相比，初始弹性模量和压缩断裂应力明显大。由该结果可以确认：实施例1的水凝胶为双网凝胶。
(3-5)溶胀度的测定
对于实施例1的水凝胶、和比较例3、4的单网水凝胶，根据以下的式(2)求出溶胀度。将求出的溶胀度示于上述表1。
式(2)溶胀度＝溶胀后的凝胶的重量(WW)/干燥凝胶的重量(WD)
实施例1的水凝胶与比较例3、4的单网水凝胶相比，溶胀度小。
(3-6)劣化试验
对于实施例1～3和比较例1、2的水凝胶，进行劣化试验。劣化试验的方法如以下所述。
水凝胶刚刚制造后测定弹性模量。将此时的弹性模量设为E1。接着，在25℃下使水凝胶浸渍于盐酸浓度为0.05mol/L、pH为1.3的盐酸水溶液中24小时。通过该浸渍，盐酸水溶液渗透至水凝胶内。接着，使水凝胶浸渍于盐酸浓度为0.05mol/L、温度为60℃的盐酸水溶液中T小时。T为0～72的范围内。接着，将水凝胶从盐酸水溶液取出，测定水凝胶的弹性模量。将此时的弹性模量设为E2T。算出以以下的式(3)定义的初始弹性模量比XT(％)。
式(3)XT＝(E2T/E1)×100
将初始弹性模量比XT的测定结果示于图1。图1中的“60℃×72小时后”表示T为72小时时的初始弹性模量比XT。T为72时的初始弹性模量比XT对应于初始弹性模量比X。
实施例1～3的水凝胶中的初始弹性模量比XT明显大于比较例1、2的水凝胶中的初始弹性模量比XT。
将实施例1和比较例2的水凝胶中的初始弹性模量比XT与T的关系示于图2。实施例1的水凝胶中，即使T增加，初始弹性模量比XT也不易降低。与此相对，比较例2的水凝胶中，随着T增加，初始弹性模量比XT明显降低。
4.其他实施方式
以上，对本公开的实施方式进行了说明，但本公开不限定于上述的实施方式，可以加以各种变形而实施。
(1)可以使上述各实施方式中的1个构成要素所具有的功能由多个构成要素分担，或由1个构成要素发挥多个构成要素所具有的功能。另外，可以省略上述各实施方式的构成的一部分。另外，可以对其他上述实施方式的构成附加、置换等上述各实施方式的构成中的至少一部分。需要说明的是，由权利要求书中记载的文字特定的技术构思中所含的一切方案为本公开的实施方式。
(2)除上述水凝胶之外，可以以将该水凝胶作为构成要素的制品等各种形态实现本公开。

Claims (8)

1.一种水凝胶，其具备：
第1网络结构、和与所述第1网络结构交织的第2网络结构，
所述第1网络结构包含通过第1交联剂交联的聚合物，
所述第2网络结构包含通过第2交联剂交联的聚合物，
所述第1交联剂中的、50mol％以上不含降解性键，
所述第2交联剂中的、50mol％以上不含降解性键。
2.根据权利要求1所述的水凝胶，其中，
构成所述第1网络结构的主链、和构成所述第2网络结构的主链不含降解性键。
3.根据权利要求1或2所述的水凝胶，其中，
所述第1交联剂和所述第2交联剂中，所述降解性键各自独立地包含选自酰胺键、酯键、和硫代酯键中的1种以上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的水凝胶，其中，
包含所述降解性键的所述第1交联剂和所述第2交联剂各自独立地包含选自N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、和乙二醇二甲基丙烯酸酯的组中的1种以上。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的水凝胶，其中，
不含所述降解性键的所述第1交联剂和所述第2交联剂各自独立地包含选自二乙烯基苯、二乙烯基吡啶、二乙烯基联苯、和二乙烯基砜的组中的1种以上。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的水凝胶，其中，
以以下的式(1)定义的初始弹性模量比X为50％以上，
式(1) X＝(E2/E1)×100
式(1)中的E2为浸渍于盐酸浓度为0.05mol/L、温度为60℃的盐酸水溶液72小时的处理后的所述水凝胶的弹性模量，E1为所述处理前的所述水凝胶的弹性模量。
7.一种水凝胶的制造方法，
所述制造方法如下进行：
使第1单体聚合，通过第1交联剂进行交联，从而形成第1网络结构，
在所述第1网络结构中导入第2单体和第2交联剂，
使所述第2单体聚合，通过所述第2交联剂进行交联，从而形成与所述第1网络结构交织的第2网络结构，
所述第1交联剂中的、50mol％以上不含降解性键，
所述第2交联剂中的、50mol％以上不含降解性键。
8.根据权利要求7所述的水凝胶的制造方法，其中，
所述第1交联剂和所述第2交联剂中，所述降解性键各自独立地包含选自酰胺键、酯键、和硫代酯键的组中的1种以上。
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