本发明属于水凝胶领域，特别涉及一种在湿表面具强粘性的水凝胶及其制备和应用。
背景技术：
目前，由于运动不当导致的软骨损伤越来越多。另外，过度行走以及长期负重也是骨关节软骨缺损的常见诱因。关节软骨一旦损伤，自身不能修复，而且预后不佳，没有特效的治疗方法。目前，软骨组织工程的研究为软骨损伤的治疗带来了极大的希望。组织工程的三大基本要素是支架材料、种子细胞以及生长因子。目前的支架材料易从组织部位流失，严重的限制了支架材料的临床应用。因此，开发一种具备强粘性的支架材料迫在眉睫。
新近《science》报道了一种新型的强粘合剂，该粘合剂具有桥接聚合物表面和可以耗散能量的水凝胶基质两层形成，前者用带氨基的桥接聚合物和偶联剂处理基质表面得到，并利用静电相互作用、共价键和物理相互渗透使其具有强粘附能力，后者通过滞后效应放大能量耗散(lij,celizad,yangj,yangq,wamalai,whytew,seobr,vasilyevnv,vlassakjj,suoz,mooneydj.toughadhesivesfordiversewetsurfaces.science.2017；357(6349):378.)。这两层协同作用使该粘合剂在湿润表面的粘附能达到1000jm-2以上，明显高于现有的粘合剂，但其还存在力学强度不够、易从组织流失的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决目前软骨组织工程的支架材料水凝胶粘性和力学性能优化之间的矛盾，解决水凝胶在软骨组织工程应用过程中力学强度不够、易从组织流失的问题，而提供一种粘合剂型水凝胶及其制备方法和应用。
本发明粘合剂型水凝胶是在杂化水凝胶的表面复合(引入)桥接聚合物，其中杂化水凝胶是在壳聚糖或壳聚糖的衍生物和聚乙二醇交联的水凝胶内杂化有无机纳米粒子而得到的；所述的聚乙二醇是端基为醛基的聚乙二醇；所述的桥接聚合物包括生物大分子材料和无机纳米粒子；其中生物大分子材料为壳聚糖、壳聚糖的衍生物、明胶或胶原；
所述的无机纳米粒子为二氧化硅纳米粒子、羟基磷灰石纳米粒子、氧化铝纳米粒子或纳米银。
本发明粘合剂型水凝胶的制备方法按下列步骤实现：
一、将壳聚糖或壳聚糖的衍生物溶于去离子水中，得到壳聚糖溶液，将端基为醛基的聚乙二醇溶于去离子水中，再加入无机纳米粒子，得到聚乙二醇溶液，壳聚糖溶液和聚乙二醇溶液相混合，得到水凝胶；
二、将生物大分子材料溶液和无机纳米粒子混合，充分搅拌后得到桥接聚合物；
三、将桥接聚合物加入至水凝胶的表面，粘压后得到粘合剂型水凝胶；
其中所述的无机纳米粒子为二氧化硅纳米粒子、羟基磷灰石纳米粒子、氧化铝纳米粒子或纳米银；
步骤二中所述的生物大分子材料为壳聚糖、壳聚糖的衍生物、明胶或胶原。
本发明将粘合剂型水凝胶作为支架材料在软骨损伤修复中的应用。
与现有技术相比，本发明粘合剂型水凝胶及其制备方法包含以下优点和技术效果：
1、本发明水凝胶具有强粘性，其粘性主要是由于桥接聚合物的作用；
2、本发明的水凝胶具有优异的力学性能，其力学性能主要是由于无机纳米粒子的杂化作用；
3、本发明的水凝胶分层设计，可同时提高水凝胶的力学性能和粘性；
4、本发明的水凝胶具有多孔结构，可以作为药物载体；
5、本发明的水凝胶生物相容性好，能够包覆种子细胞进行软骨缺损的修复；
6、本发明桥接聚合物中的无机纳米粒子可以作为交联剂，交联聚合物，使得聚合物分子之间的作用力更为紧密，有效的提高粘性。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式粘合剂型水凝胶是在杂化水凝胶的表面复合(引入)桥接聚合物，其中杂化水凝胶是在壳聚糖或壳聚糖的衍生物和聚乙二醇交联的水凝胶内杂化有无机纳米粒子而得到的；所述的聚乙二醇是端基为醛基的聚乙二醇；所述的桥接聚合物包括生物大分子材料和无机纳米粒子；其中生物大分子材料为壳聚糖、壳聚糖的衍生物、明胶或胶原；
所述的无机纳米粒子为二氧化硅纳米粒子、羟基磷灰石纳米粒子、氧化铝纳米粒子或纳米银。
本实施方式端基为醛基的聚乙二醇可通过raft直接合成，也可通过聚乙二醇与含醛基的小分子化合物反应得到的。含醛基的小分子化合物包括对羧基苯甲醛等。
本实施方式杂化水凝胶中加入无机纳米粒子，无机纳米粒子镶嵌于水凝胶的三维网络结构中，水凝胶的三维结构更加密实，提高水凝胶的力学性能。桥接聚合物中无机纳米粒子的作用原理：桥接聚合物中的无机纳米粒子可以作为交联剂，交联聚合物，使得聚合物分子之间的作用力更为紧密，有效的提高粘性。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的壳聚糖的衍生物为羧甲基壳聚糖或羟乙基壳聚糖。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是所述的聚乙二醇的分子量为500～10kda。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是所述无机纳米粒子的粒径为10～100纳米。
具体实施方式五：本实施方式粘合剂型水凝胶的制备方法按下列步骤实施：
一、将壳聚糖或壳聚糖的衍生物溶于去离子水中，得到壳聚糖溶液，将端基为醛基的聚乙二醇溶于去离子水中，再加入无机纳米粒子，得到聚乙二醇溶液，壳聚糖溶液和聚乙二醇溶液相混合，得到水凝胶；
二、将生物大分子材料溶液和无机纳米粒子混合，充分搅拌后得到桥接聚合物；
三、将桥接聚合物加入至水凝胶的表面，粘压后得到粘合剂型水凝胶；
其中所述的无机纳米粒子为二氧化硅纳米粒子、羟基磷灰石纳米粒子、氧化铝纳米粒子或纳米银；
步骤二中所述的生物大分子材料为壳聚糖、壳聚糖的衍生物、明胶或胶原。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤一中聚乙二醇溶液的浓度为0.5wt％～5wt％。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是步骤一中水凝胶中无机纳米粒子的浓度为5wt％～10wt％。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是步骤二中桥接聚合物中无机纳米粒子的浓度为5wt％～10wt％。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是步骤二中桥接聚合物中生物大分子材料的浓度为10～50mg/ml。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五至九之一不同的是步骤二中桥接聚合物中还含有n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)和亚胺盐酸盐(edc)。
本实施方式中的n-羟基琥珀酰亚胺作为催化剂，亚胺盐酸盐作为脱水剂。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是桥接聚合物中n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)的(终)浓度为6～12mg/ml，1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(edc)的(终)浓度为6～12mg/ml。
具体实施方式十二：本实施方式将具体实施方式一中所述的粘合剂型水凝胶作为支架材料在软骨损伤修复中的应用。
实施例一：本实施例粘合剂型水凝胶的制备方法按下列步骤实施：
一、将羟乙基壳聚糖溶于去离子水中，得到羟乙基壳聚糖溶液(40mg/ml，20kda)，将对羧基苯甲醛封端的聚乙二醇溶于去离子水中，再加入10wt％的纳米二氧化硅粒子(9nm)，混合3min得到聚乙二醇溶液(60mg/ml，5kda)，壳聚糖溶液和聚乙二醇溶液相混合，得到水凝胶；
二、向羟乙基壳聚糖(40mg/ml，20kda)溶液中加入10wt％的纳米二氧化硅粒子(9nm)，混合后，充分搅拌12h，得到桥接聚合物；
三、将桥接聚合物加入至水凝胶的表面，按压1min后得到粘合剂型水凝胶。
水凝胶的力学性能用流变仪来进行测定。水凝胶的流变行为在taar2000ex应力控制流变仪(tainstruments,usa)上进行测试，夹具为直径为20mm的平行板。将制备好的水凝胶溶液迅速加到已预热到37℃的平板上，间隙值为1mm。检测弹性模量(g')和损耗模量(g″)随时间的函数来表征制剂的凝胶化性质。该实施例的水凝胶的g’为859pa。
水凝胶的粘性表征是通过粘接聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(pet膜)来进行测定的。将所制备的粘性水凝胶切片，长、宽、厚分别为50mm、10mm和4mm。pet膜也使用相同的大小，粘接面积为20mm2。粘接后按压1min后，在instron拉伸仪上进行测试，初始的距离为20mm，拉伸速度为5mm/min。该实施例的粘性水凝胶的粘合强度为412kpa。
实施例二：本实施例粘合剂型水凝胶的制备方法按下列步骤实施：
一、将羟乙基壳聚糖溶于去离子水中，加入稀醋酸溶液调节ph，得到壳聚糖溶液(100mg/ml，10kda，ph＝6.5)，将端基为醛基的聚乙二醇溶于去离子水中，再加入10wt％的纳米氧化铝粒子(25nm)，混合1min得到聚乙二醇溶液(100mg/ml，1kda)，壳聚糖溶液和聚乙二醇溶液相混合，得到水凝胶；
二、向壳聚糖(10mg/ml，10kda，ph6.5)溶液中加入n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(edc)，再加入10wt％的纳米氧化铝粒子(25nm)，混合后，充分搅拌12h，得到桥接聚合物，桥接聚合物中羟乙基壳聚糖的浓度为12mg/ml，n-羟基琥珀酰亚胺的浓度为12mg/ml，1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐的浓度为12mg/ml；
三、将桥接聚合物加入至水凝胶的表面，按压1min后得到粘合剂型水凝胶。
水凝胶的力学性能用流变仪来进行测定。水凝胶的流变行为在taar2000ex应力控制流变仪(tainstruments,usa)上进行测试，夹具为直径为20mm的平行板。将制备好的水凝胶溶液迅速加到已预热到37℃的平板上，间隙值为1mm。检测弹性模量(g')和损耗模量(g″)随时间的函数来表征制剂的凝胶化性质。该实施例的水凝胶的g’为1350pa。
水凝胶的粘性表征是通过粘接聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(pet膜)来进行测定的。将所制备的粘性水凝胶切片，长、宽、厚分别为50mm、10mm和4mm。pet膜也使用相同的大小，粘接面积为20mm2。粘接后按压1min后，在instron拉伸仪上进行测试，初始的距离为20mm，拉伸速度为5mm/min。该实施例的粘性水凝胶的粘合强度为363kpa。
对比实施例一：未引入桥接聚合物
用去离子水分别配置羟乙基壳聚糖溶液(60mg/ml，80kda)和端基为醛基的聚乙二醇溶液(100mg/ml，2kda)，再加入5wt％的纳米羟基磷灰石(25nm)，混合1min形成水凝胶。
水凝胶的力学性能用流变仪来进行测定。水凝胶的流变行为在taar2000ex应力控制流变仪(tainstruments,usa)上进行测试，夹具为直径为20mm的平行板。将制备好的水凝胶溶液迅速加到已预热到37℃的平板上，间隙值为1mm。检测弹性模量(g')和损耗模量(g″)随时间的函数来表征制剂的凝胶化性质。该实施例的水凝胶的g’为1096pa。
水凝胶的粘性表征是通过粘接聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(pet膜)来进行测定的。将所制备的粘性水凝胶切片，长、宽、厚分别为50mm、10mm和4mm。pet膜也使用相同的大小，粘接面积为20mm2。粘接后按压1min后，在instron拉伸仪上进行测试，初始的距离为20mm，拉伸速度为5mm/min。该实施例的粘性水凝胶的粘合强度为0.6kpa，基本不具备粘附性能。
对比实施例二：桥接聚合物中未引入无机纳米粒子
用去离子水分别配置羟乙基壳聚糖溶液(60mg/ml，80kda)和端基为醛基的聚乙二醇溶液(100mg/ml，2kda)，再加入5wt％的纳米羟基磷灰石(25nm)，混合1min形成水凝胶。
桥接聚合物是羟乙基壳聚糖溶液(终浓度为12mg/ml，80kda)备用。
水凝胶的粘性表征是通过粘接聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(pet膜)来进行测定的。将所制备的粘性水凝胶切片，长、宽、厚分别为50mm、10mm和4mm。pet膜也使用相同的大小，粘接面积为20mm2。粘接后按压1min后，在instron拉伸仪上进行测试，初始的距离为20mm，拉伸速度为5mm/min。该实施例的粘性水凝胶的粘合强度为92kpa，具有一定的粘性，但是相对于含有无机纳米粒子的桥接聚合物，粘性明显降低。
对比实施例三：水凝胶中未引入杂化纳米粒子
用去离子水分别配置羟乙基壳聚糖溶液(60mg/ml，80kda)和端基为醛基的聚乙二醇溶液(100mg/ml，2kda)，混合1min形成水凝胶；
向羟乙基壳聚糖(12mg/ml，80kda)溶液中加入10wt％的纳米二氧化硅粒子(9nm)，混合后，充分搅拌12h，得到桥接聚合物。
将所制备的桥接聚合物加入至水凝胶的表面，按压1min即可得到粘合剂型水凝胶。
水凝胶的力学性能用流变仪来进行测定。水凝胶的流变行为在taar2000ex应力控制流变仪(tainstruments,usa)上进行测试，夹具为直径为20mm的平行板。将制备好的水凝胶溶液迅速加到已预热到37℃的平板上，间隙值为1mm。检测弹性模量(g')和损耗模量(g″)随时间的函数来表征制剂的凝胶化性质。该实施例的水凝胶的g’为521pa。
水凝胶的粘性表征是通过粘接聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(pet膜)来进行测定的。将所制备的粘性水凝胶切片，长、宽、厚分别为50mm、10mm和4mm。pet膜也使用相同的大小，粘接面积为20mm2。粘接后按压1min后，在instron拉伸仪上进行测试，初始的距离为20mm，拉伸速度为5mm/min。该实施例的粘性水凝胶的粘合强度为193kpa，具有优异的组织粘附性，但是力学性能较弱。