一种可自成管状或杯状的高强度水凝胶及其制备方法与流程

本发明涉及水凝胶领域，具体涉及一种可自成管状或杯状的高强度水凝胶及其制备方法。

背景技术：

水凝胶是一种柔而湿的“水”材料，它是由亲水性大分子链三维交联形成的溶胀性网络。水凝胶具有类似于人体组织的结构和特性，其内部自由水分子的自由扩散赋予了水凝胶很好的小分子交换特性及柔韧性。目前水凝胶的应用已从药物缓释、隐形眼镜、化妆品及食品等生物医学领域扩展到软骨、血管、肌肉及椎间盘等软组织修复领域。但是，要实现水凝胶广泛应用于缺损或坏死人体组织的修复，目前仍存在很多问题，如强度低、生物相容性以及成型性差等。因此，如何制备出一种高强度、生物相容性好的水凝胶成为目前水凝胶研究领域的重要研究方向。

生物体内的各种软组织如软骨、血管、肌肉及椎间盘等通常具有良好的机械性能，这主要归结于生物体在分子级别上的网络结构构建。而人工合成的大多数水凝胶由于交联网络结构不均一或者缺乏有效的能量分散机制导致其机械性能较差。经过科研工作者十多年的研究，众多高强度水凝胶应运而生。通过将物理交联的天然大分子网络（海藻酸-Ca²⁺（Nature, 2012, 489(7414), 133-136）、壳聚糖(Advanced Materials, 2016, 28(33), 7178-7184 )、琼脂(Advanced Materials 2013, 25(30), 4171-4176) ）等引入到共价交联的聚丙烯酰胺（PAAm）网络中，可以得到一系列具有高强度、良好循环载荷特性的双网络(DN)水凝胶。但是这些水凝胶中均包含有无法降解且生物活性较差的PAAm组分。Truong等人提出以功能化改性的PEG和透明质酸为原料（Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(4), 1618-1622 ），制备得到一种同时兼具有良好生物相容性和高机械强度的水凝胶，但是化学改性过程极为繁琐且复杂。最近张俐娜课题组提出了采用甲壳素(Advanced Materials, 2016. 235(6), 1985-1990 )和纤维素(Advanced Functional Materials, 2016. 138(5), 1385-1387 )为原料，运用一种简单的制备方法，制备了一种多重交联结构的具有良好生物相容性的高强度水凝胶。综上分析可知，构建多重交联网络结构是有效分散外界载荷的有效手段。

良好的机械性能和生物相容性对于水凝胶的生物医学方面的应用来说至关重要，而制备出一种具有特殊结构的水凝胶，如管状水凝胶也引起了众多科研工作者的研究兴趣。中空的管状结构可以用作药物、生长因子及营养物质的输送通道；此外，管状水凝胶还可以用于替代缺损或者坏死的血管组织。然而目前空心结构水凝胶的制备过程较为复杂，制备条件较为苛刻，此外空心管状水凝胶制备过程中会涉及到复杂模具的制备，这些因素的存在均大大制约了其在组织工程领域的实际应用。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种可自成管状或杯状的高强度水凝胶及其制备方法，该方法采用两种可再生的天然大分子壳聚糖和明胶为原料，通过简单的两步法制备出了一种的高强度水凝胶，通过控制离子交联时间，这种水凝胶具有一种独特的可自成管状或杯状结构的特性。

本发明通过以下技术方案实现。

一种可自成管状或杯状特性的高强度水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

1)热可逆的壳聚糖/明胶水凝胶的制备

首先将壳聚糖和明胶分散在醋酸水溶液中，搅拌溶解，得到透明溶液；然后将此透明溶液密封在烧杯中，在烘箱中静置以脱除溶液中的气泡；接着将所得均一的溶液倒入圆柱形模具中凝胶化，得一种热可逆的壳聚糖/明胶水凝胶；

2) 高强度水凝胶的制备

将步骤1）制备的热可逆壳聚糖/明胶水凝胶浸泡在小分子交联剂水溶液中，得高强度水凝胶。

优选的，步骤1）所述透明溶液中壳聚糖和明胶的总质量分数为10-30%。

优选的，步骤1）所述壳聚糖和明胶的质量比为1:0.5-1:5。

优选的，步骤1）所述醋酸水溶液的质量分数为2-4%。

优选的，步骤1）所述搅拌溶解的温度为20-60℃，时间为1-2h。

优选的，步骤1）所述在烘箱中静置的温度为20-60℃，时间为1-3天。

优选的，步骤1）所述凝胶化的温度为-4-20℃，时间为2-5h。

优选的，步骤2）所述小分子交联剂为磷酸钠、柠檬酸钠、植酸钠或草酸钠。

优选的，步骤2）所述浸泡的时间为10-600min。

优选的，步骤2）所述小分子交联剂水溶液的浓度为0.01mol/L-0.50mol/L。

由以上所述的制备方法制得的一种可自成管状或杯状特性的高强度水凝胶。

优选的，该高强度水凝胶成管状或杯状水凝胶的方法如下：切除所得高强度水凝胶的一端或者两端，并放在水中进行热溶出处理，最终得到了一种管状或杯状水凝胶；所述热溶出处理的温度为20-40℃，时间为10min-60min。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1）本发明所用原料均为可再生的纯天然材料，其来源丰富，价格便宜。

2）本发明采用的制备方法简单易行，其制备条件很温和。

3）本发明制备得到的水凝胶不仅具有良好的力学性能，而且还具有良好的生物相容性。

4）本发明制备管状水凝胶的方法简单而又快捷，在成管过程中没有用到任何磨具。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的圆柱状水凝胶的应力-应变曲线图。

图2为本发明实施例2制备的圆柱状水凝胶的应力-应变曲线图。

图3为本发明实施例3制备的杯状及管状水凝胶的实例图。

图4为本发明实施例1制备的圆柱状水凝胶的脂肪干细胞生物相容性实验图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施进行举例说明，但本发明的实施和保护不限于此。

实施例1

用于压缩强度测试的高强度水凝胶的制备：

将6.67g壳聚糖和3.33g明胶粉末分散于100g的质量分数为2%醋酸水溶液中，在20℃下搅拌1h得到均一的溶液，然后将此混合溶液密封在烧杯中，在20℃烘箱中静置1天脱除溶液中的气泡。接着将此溶液倒入圆柱形模具中，将其放在20℃环境中凝胶化2h，最终得到了均一热可逆的壳聚糖/明胶水凝胶。将上述热可逆水凝胶在0.01mol/L的植酸钠水溶液中浸泡600min，最终得到了高强度水凝胶。图1是采用这种配比所得水凝胶的压缩强度曲线图，从图中可以看出这种水凝胶的压缩形变量为75%，其压缩强度为5.5MPa。以这种组分的水凝胶为基材，将脂肪干细胞种植在其表面，在培养24h后，由图4可以看出脂肪干细胞密集的附着在这种水凝胶的表面，表明这种水凝胶具有很好的生物相容性。

实施例2

用于压缩强度测试的高强度水凝胶的制备：

将5.33g壳聚糖和14.67g明胶粉末分散于100g的3%醋酸水溶液中，在40℃下搅拌1.5h得到均一的溶液，然后将此混合溶液密封在烧杯中，在40℃烘箱中静置2天脱除溶液中的气泡。接着将此溶液倒入圆柱形模具中，将其放在8℃环境中凝胶化3.5h，最终得到了均一热可逆的壳聚糖/明胶水凝胶。将上述热可逆水凝胶在0.255mol/L的植酸钠水溶液中浸泡305min，最终得到了高强度水凝胶。图2是通过改变配比所得到的水凝胶的压缩曲线图，其压缩强度和压缩形变量分别为0.46MPa和59%。

实施例3

杯状或管状水凝胶的制备：

将5g壳聚糖和25g明胶粉末分散于100g的4%醋酸水溶液中，在60℃下搅拌2h得到均一的溶液，然后将此混合溶液密封在烧杯中，在60℃烘箱中静置3天脱除溶液中的气泡。接着将此溶液倒入到圆柱形容器中，将其放在-4℃环境中凝胶化5h，最终得到了均一热可逆的壳聚糖/明胶水凝胶。将上述热可逆的壳聚糖/明胶水凝胶放入0.5mol/L的植酸钠水溶液中浸泡10min，取出并切除一端或者两端，然后将其放入40℃的去离子水中热溶出处理60min，最终得到了杯状或管状水凝胶。图3左侧图是采用以上方法得到的管径为1cm，管壁为1mm的管状水凝胶的实例图。图3右侧是采用相同办法，切除柱状壳聚糖/明水凝胶的一端，经过后续热溶出处理得到的直径为2cm，管壁为2mm的杯状水凝胶的实例图。