一种贯通孔双网络聚合物水凝胶支架的制备方法与流程

本发明涉及一种水凝胶的制备技术，特别涉及一种具有良好机械能和贯通孔双网络聚合物水凝胶支架的构成方法，属于生物医用高分子材料领域。

背景技术：

由于具有良好的生物相容性以及在能保持大量水分的条件下不溶解等特征，水凝胶一直被视为软组织工程修复用最佳材料。而在实际应用中，通常需要把医用水凝胶加工成与缺损组织解剖学结构一致结构的支架，同时该水凝胶支架在微观尺度（约为50-5000微米范围内）还应该具有在三维方向相互贯通的孔隙以便细胞和组织能进入水凝胶内生长并再生组织，以及在水凝胶支架孔隙内的细胞和组织能有效的进行营养和废物的代谢等一系列生理活动。

为了获得既具有与缺损组织解剖学结构一致结构，在微观范围又具有丰富的三维贯通孔隙的水凝胶支架，当前一个被称为增材制造或被称为三维打印的技术被用来制备如此结构的水凝胶支架。然而，受制备技术方法的限制，即增材制造是通过层层叠加的方式来制造支架，这就要求层与层之间的水凝胶进行交联。为了获得层与层之间能有效交联的三维多孔水凝胶支架，目前只有可光辐射交联的水凝胶能用于制造具有三维结构的水凝胶支架，这就极大的限制了特定聚合物水凝胶，特别是天然聚合物水凝胶多孔支架的制备。而且使用直接打印的方法制备的三维多孔支架水凝胶，其宏观结构也不能完全按照设计的结构成型，在制备过程中通常会有一定的变形从而导致与设计的支架结构不一致现象，这最终导致打印出的支架不可用。

此外，制备的水凝胶支架还需要具有良好的机械性能和弹性，以便水凝胶支架植入到体内后在经受机械挤压等力学影响后能维持结构。然而当前的水凝胶的机械性能普遍较差。这就极大的限制了水凝胶作为组织工程支架的应用。为了提高水凝胶的机械性能，专利200510027603.1和专利201410259494.5分别公开了两类双网络聚合物水凝胶。把两种不同聚合物相混合形成双网络聚合物水凝胶可以极大的改善水凝胶的机械性能从而可以很好的满足组织支架的力学性能的要求。尽管如此，这些公开的技术没有涉及把水凝胶制备成为具有三维贯通孔隙的支架，这就限制该水凝胶在软组织工程中的应用。

技术实现要素：

为了克服当前由直接三维打印技术制备水凝胶支架的局限性，以及克服由双网络聚合物因缺乏三维贯通孔隙而无法实现在软组织工程的应用，本发明提出使用由三维打印制造的多孔支架作为模板，并结合两步聚合物灌注成型方法制备贯通孔双网络聚合物水凝胶支架。由本发明制备的贯通孔双网络聚合物水凝胶支架，不但具有孔隙可控的、三维贯通的孔隙，而且具有良好的机械性能和弹性。

为实现上述目的，本发明是采用以下措施构成的技术方案来实现的。

本发明所述的贯通孔双网络聚合物水凝胶支架的制备技术，包含下面连续制备步骤：

a)贯通孔模板制备：使用三维打印机制造多孔支架模板；

b)单网络聚合物预型体sn制备：将水、第一种聚合物p1和戊二醛按照重量比为(90-99):(1-10):(0-5)进行混合并灌注进入多孔模板，然后置于低温冷冻干燥器中干燥获得多孔支架模板/单网络聚合物预型体sn；

c)双网络聚合物预型体dn制备：把水、不饱和烯单体、多烯交联剂、过硫酸铵和四甲基乙二胺按照重量比为(30-50):(10-50):(5-20):(0.1-1):(0.1-1)混合并灌注进入多孔支架模板/单网络聚合物预型体sn，然后置于温度为20-80℃，湿度为70-100%的氮气环境中反应6-96小时，获得的多孔支架模板/双网络聚合物预型体dn；

d)多孔模板除去工艺：把多孔支架模板/双网络聚合物预型体dn在有机溶剂中浸泡12-72小时除去模板，获得贯通孔双网络聚合物水凝胶支架；

上述方案中，步骤a)中所述的多孔支架的孔隙是三维贯通的；

上述方案中，步骤a)中所述的多孔支架的孔隙直径为10-5000微米；

上述方案中，步骤a)中所述的多孔支架的组成是聚乳酸或者abs；

上述方案中，步骤b)中所述的第一种聚合物p1是海藻酸钠、壳聚糖、透明质酸、聚乙烯醇、聚乙二醇双丙烯酸酯、i-型胶原、或者ii-型胶原；

上述方案中，步骤c)中所述的不饱和烯单体是丙烯酰胺、丙烯酰胺衍生物、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺衍生物中的一种或一种以上；

上述方案中，步骤c)中所述的多烯交联剂是n,n-亚甲基-双丙烯酰胺、二（甲基）丙烯酸乙二醇酯、哌嗪二丙烯酰胺、戊二醛、含1,2二醇结构的交联剂中的一种或一种以上；

上述方案中，步骤d)中所述的有机溶剂是二氯甲烷、三氯甲烷、n,n-二甲基甲酰胺、丙酮、四氢呋喃，或者它们的组合。

本发明具有以下特点及有益的技术效果：

本发明的构成方法形成的贯通孔双网络聚合物水凝胶支架，因为使用的是由三维打印制备的多孔支架作为模板，其的宏观解剖学结构不但可以预先设定，而且微观结构孔隙的大小、结构和三维贯通性也是可以预先设计的，所以双网络聚合物水凝胶支架的宏观结构和微观的孔隙大小和结构也是可控的，而且孔隙在三维方向能保证是相互贯通的。

在保证孔隙在三维方向的相互贯通的同时，因为构成水凝胶的材料，第一次灌注的聚合物和第二次灌注并聚合形成的聚丙稀酰胺在水凝胶体系中能很好的相互形成交联的网络结构，这就保证了制备出的水凝胶具有良好的机械性能和弹性，可以很好的满足该水凝胶作为组织工程支架植入体内所需要的力学性能。

本发明所述的贯通孔双网络聚合物水凝胶支架，因为是往由三维打印制造的多孔支架孔隙内灌注水凝胶成分，所以就避免了直接三维打印的因层层叠加成型需要层与层之间进行交联的过程。

此外，使用本发明的构成方法，可以避免因直接打印水凝胶支架导致水凝胶支架变形的影响。

附图说明

图1是本发明实施例1所使用的由三维打印制备的贯孔通的聚乳酸支架作为模板的图片。

图2是本发明实施例1构成的贯通孔双网络聚合物水凝胶支架的图片。

具体实施方式

下面用具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但不应理解为是对本发明保护内容的任何限定。

实施例1

在本发明的步骤a)中，使用熔融沉积成型（fdm）增材制造打印机和聚乳酸作为耗材制造出如图1的孔径为500微米的、孔贯通的聚乳酸多孔支架模板；

步骤b)，把9.8克水，0.2克海藻酸钠和0.01克戊二醛进行混合并灌注进入多孔模板，然后置于低温冷冻干燥器中干燥获得多孔支架模板/单网络聚合物预型体sn；

步骤c),把1.0克水、0.5克丙烯酰胺单体、0.05克n，n-亚甲基-双丙烯酰胺交联剂、0.01克过硫酸铵和0.01克四甲基乙二胺混合并灌注进入多孔支架模板/单网络聚合物预型体sn，然后置于温度为50℃，湿度为90%的氮气环境中反应12小时，获得的多孔支架模板/双网络聚合物预型体dn；

步骤d)，把多孔支架模板/双网络聚合物预型体dn在二氯甲烷中浸泡60小时除去模板，获得如图2所示的孔隙直径为500微米的、且孔隙贯通的海藻酸-聚丙烯酰胺双网络聚合物水凝胶支架。

实施例2

使用abs作为打印耗材，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙直径为500微米的、且孔隙贯通的海藻酸-聚丙烯酰胺双网络聚合物水凝胶支架。

实施例3

步骤a)中，打印孔径为10微米的多孔聚乳酸支架，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙直径为10微米的、且孔隙贯通的海藻酸-聚丙烯酰胺双网络聚合物水凝胶支架。

实施例4

步骤a)中，打印孔径为5000微米的多孔聚乳酸支架，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙直径为5000微米的、且孔隙贯通的海藻酸-聚丙烯酰胺双网络聚合物水凝胶支架。

实施例5

使用壳聚糖作为第一种聚合物p1，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙直径为500微米的、且孔隙贯通的壳聚糖-聚丙烯酰胺双网络聚合物水凝胶支架。

实施例6

使用聚乙烯醇作为第一种聚合物p1，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙直径为500微米的、且孔隙贯通的聚乙烯醇-聚丙烯酰胺双网络聚合物水凝胶支架。

实施例7

使用i-型胶原作为第一种聚合物p1，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙直径为500微米的、且孔隙贯通的i-型胶原-聚丙烯酰胺双网络聚合物水凝胶支架。

实施例8

使用甲基丙烯酰胺作为不饱和烯单体，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙直径为500微米的、且孔隙贯通的海藻酸-聚甲基丙烯酰胺双网络聚合物水凝胶支架。

实施例9

使用戊二醛作为多烯交联剂，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙直径为500微米的、且孔隙贯通的海藻酸-聚丙烯酰胺双网络聚合物水凝胶支架。

实施例10

步骤d)中，使用三氯甲烷作为有机溶剂，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙直径为500微米的、且孔隙贯通的海藻酸-聚丙烯酰胺双网络聚合物水凝胶支架。