CN101396569A - 以生物体组织为支架的复合水凝胶、其制备方法及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合水凝胶、其制备方法以及其用途，更具体地，本发明涉及一种以生物体组织为支架的新型复合水凝胶，以及制备该复合水凝胶的方法，其中所述方法包括以下步骤：首先从生物体中获取具有规整网络结构的生物体组织，然后将其浸泡在溶有单体的水溶液中一定时间，由此在生物体组织的网络结构中引入单体，随后使单体聚合和交联，从而制得性能优越的复合水凝胶。本发明的复合水凝胶是生物凝胶与合成凝胶的结合体，不仅具有生物凝胶规整的微结构，还具有合成凝胶的性能相对稳定、不易生物降解的特点。此外，本发明的复合水凝胶具有高的机械强度，在工业和生物医学等领域具有广泛的应用前景。

Description

以生物体组织为支架的复合水凝胶、其制备方法及其用途

技术领域

本发明涉及一种复合水凝胶、其制备方法以及它们的用途。

背景技术

水凝胶在最近二三十年中一直是研究热点。已经有许多水凝胶被合成出来并应用于生产和生活领域。但是合成水凝胶普遍存在结构不规整及分子链分布不均匀的缺点，这些缺点使得合成的水凝胶在强度上不能跟天然水凝胶(如人体的一些器官组织)相比，并且溶胀慢及溶胀之后回复性能不好，所以其应用大大受到了限制。因此合成规整结构水凝胶吸引了研究者的兴趣。

水凝胶是自然界中普遍存在着的一种物质形态。人们经常接触的琼脂、魔芋、皮肉冻等都是凝胶物质。一些海洋生物如水母、海葵等体内的含水量高达90％以上，但它们的身体依然具有较高的机械强度，并且能够对环境刺激做出迅速的响应。构成这些海洋生物的主要物质就是水凝胶。人体中一些软组织(如肌腱、韧带、半月板软骨等)也是由凝胶物质构成的，这些组织具有柔软、坚韧、抗冲击、低摩擦、通透性好等特点。而目前的人工生物组织(如人造心脏、人造关节等)都是由固体材料(如金属、陶瓷)制作的，它们机械强度高，但不具有人体组织的前述优点，且与人体的相容性差。如果能制备出一种与人体软组织性能接近并与人体相容性好的水凝胶，则用它们来代替受损的软组织，将是一种更好的选择。但现在的主要问题是，人造水凝胶无论是从机械性能还是从响应速度来讲都无法和生物凝胶相比。因为生物的水凝胶的结构之规整是目前普通合成方法所无法企及的。目前认为它的规整性基于细胞的规则排列，人工合成难以做到这一点。

近年来，通过科研人员的共同努力，在合成规整结构的水凝胶方面有一些进展。其中，冷冻-解冻法(又称“循环冷冻法”)是一种物理交联制备水凝胶的方法，用该方法制得的PVA(聚乙烯醇)水凝胶可以在较高含水量时有较好的机械性能。2005年Tanaka和龚剑萍“Novel hydrogels with excellent mechanical performance.”(Progress in Polymer Science，2005.30(1)：p.1-9.)综述了具有高强度的几种不同结构相对规整的水凝胶，包括：拓扑水凝胶(TPgel)、纳米复合水凝胶(NC gel)及双网络水凝胶(DN gel)。不仅如此，通过结构的规整化，可以使得水凝胶的回复性能有所提高，甚至能够具备一些特殊的性能。Okumura等人“The polyrotaxane gel：a topological gel by figure-of-eight cross-links.”(Advanced Materials，2001.13(7)：p.485-487.)首先合成并命名的拓扑凝胶，是一种具有“8”字形结构的超分子来充当交联点的水凝胶。这种凝胶的高分子链带有大体积端基，通过呈“8”字形具有拓扑结构的超分子充当交联剂而连接在一起。受力作用时，这些起交联作用的超分子在经过修饰的高分子链上自由滑动，使其分子链间距离相对统一，力学性能有较大的提高。Haraguchi等人“Nanocomposite hydrogels：aunique organic-inorganic network structure with extraordinarymechanical，optical，and swelling/deswelling properties.”(AdvancedMaterials，2002.14(16)：p.1120-1124.)以无机粘土纳米粒子作为交联点，使单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)在纳米粒子表面引发聚合，制备出具有高机械强度的纳米复合凝胶(NC gel)。这种凝胶通过高分子长链与粘土粒子表面相互作用，保证高分子链的引发是从粘土片层的表面开始的，由于粘土粒子在体系中是均匀分布的，比较规整地堆积在一起，粘土粒子之间的距离基本相同，所以用这种方法制得的大分子链分布也相对均匀，结构相对规整。

龚剑萍等“Double network hydrogels with extremely mechanicalstrength”(Advanced Materials2003，15，1155-1158.)报道了一种具有高机械强度的双网络(DN)结构水凝胶的制备及其结构性能研究。双网络法是指首先由自由基聚合法制备一个具有较高交联密度的三维网络(如PAMPS网络)来作为该体系的第一网络，之后将该网络在另一单体(如AAm)和交联剂的水溶液中进行溶胀，再次引发聚合，制备一个具有较低交联密度甚至是不交联的网络。两个三维网络相互贯穿，从而使体系的机械性能获得了极大的提高，其抗压能力可以提高几十倍到上百倍。

本发明的发明人用事先辐照接上过氧基团的高分子微球作为引发剂和交联剂，使单体在一定温度下引发体系聚合，得到了具有高机械强度的大分子微球复合(MMC)水凝胶(Huang T，Xu HG，JiaoKX，Zhu LP，Brown H R，Wang H L.A Novel hydrogel with highmechanical strength：a macromolecular microsphere compositehydrogel.Adv.Mater.2007.19(12)：p.1622-1626.)。

因为超分子自组装可以形成结构非常规整的分子膜，所以超分子自组装在合成规整结构的高强度水凝胶方面很有应用价值。Tang等“Nanostructured artificial nacre.”(Nature Materials，2003.2(6)：p.413-418.)用交替沉积法获得了无机/有机复合的层状结构，这种复合膜材料的强度可以同人的骨头相媲美。由于交替层状组装技术(LBL)技术与生物的生长顺序一样都是层层渐进的过程，用这种方法获得的合成水凝胶有着层层叠加的规整结构。自组装技术用在蛋白质凝胶的合成比较多，先使多肽链折叠，然后自组装到水凝胶体系，得到许多具有特殊响应性能的水凝胶。最近Um等人“Enzyme-catalysed assembly of DNA hydrogel.”(Nature Materials，2006.5(10)：p.797-801.)用特殊的DNA链组装得到形状可控的规整结构的DNA水凝胶，这种水凝胶的形状可以控制，并且完全生物降解、生物相容，在人工组织、药物缓释、细胞工程方面具有应用前景。

如上文所述，水凝胶在人工肌肉组织上有广阔的应用前景，所以水凝胶的研究一个很重要的目的便是作为生物组织的替代物。可以看出，目前制备水凝胶用到了大量的天然的高分子材料，大致可以分成以下几类：阴离子聚合物，如：透明质酸、褐藻酸、角夹胶、软骨素硫酸盐、葡聚糖硫酸盐及胶质等。阳离子聚合物，如：壳聚糖及多溶素。两性聚合物，如：胶原(明胶)、甲壳质羧甲基及纤维蛋白。中性聚合物，如：葡聚糖、琼脂、魔芋甘露聚糖及淀粉。

生物组织主要由蛋白质及糖类构成，其中胶原蛋白在生物体中具有举足轻重的作用，因为它是构成维持生物组织的形貌的ECM(细胞外基质)蛋白的主要成分。同时它又以低抗原性及多孔性著称，且容易生物降解，被广泛用于组织工程。因为其低抗原性，所以具有非常好的生物相容性，因为其多孔性，便于细胞的进入及氧气和营养物质的富集和传递，可以用于细胞培养。现在通用生物材料的一个研究目标就是制备出临时的支架来支撑新的组织物形成。因为胶原质优良的生物相容性，是人体动脉的主要组成成分，所以它在人工血管的合成上有着非同寻常的作用。人们在多种材料上接枝胶原质，包括：聚丙烯(PP)、聚氨酯(PU)等聚合物，也包括各类纤维，来增加其生物相容性。目前人们所使用的胶原质主要来源于牛、猪、兔等动物，其主要类型是I型胶原，还有少数III型胶原。而构成海蜇中胶层的物质中含有较多的II型胶原。I型胶原主要存在于皮肤、肌腱及韧带中，具有很强的抗张能力；II型胶原存在于软骨、玻璃体中，有抗压能力；III型胶原在伸展性大的组织中比较多见，如疏松的结缔组织等，具有伸展性及应变性。Song“Collagen scaffolds derived from a marine source and theirbiocompatibility.”(Biomaterials 2006，27，2951-2961)研究发现海蜇体中提取的胶原相比取自于其它动物的胶原(明胶)具有更好的生物相容性。他们对海洋生物胶原的研究申请了专利(KR2006091350)

胶原质便于成孔，可以通过改变其制备条件而获得2D(two-dimensional)及3D(three-dimensional)结构，应用于组织工程。Kang等“Coculture of endothelial and smooth muscle cells on acollagen membrane in the development of a small-diameter vasculargraft.”(Biomaterials 2007，28，1385-1392)先用化学交联法使明胶形成凝胶，然后在不同的环境下冷冻-解冻，得到一维规整、二维规整及三维规整的，可以完全生物降解的水凝胶。现在胶原质主要来源于牛、猪、兔等动物。

至于将生物体直接与化学物质结合起来作为凝胶材料的研究还鲜见报道。Mang等(US20040170663A1，US20070048291A1)将高分子链接枝到软骨上面，对软骨等生物组织进行改性，使得其强度增加。

本发明所涉及的生物组织的利用与已报道的研究工作有着本质的不同。首先，本发明直接利用具有规整微结构的生物体组织作为支架来制备水凝胶，而不是如前人利用从生物体提取的胶原来制备水凝胶。本发明直接利用了生物组织的规整结构，从而使制备得到的水凝胶相比同材料水凝胶具有与生物体俱来的优势——规整的微结构。其次，相比与本发明制备方法相类似所得到的水凝胶，即在通过在一个凝胶体系中引入另一个凝胶体系的得到的水凝胶，如龚剑萍等人的DN水凝胶(WO2002057368A1)，该类水凝胶也具有优势：本发明的发明人所使用的第一网络是微结构规整且具有较高机械强度的，而龚剑萍等使用的第一网络是完全无序的，所以此类水凝胶在结构上就比前人制备出来的水凝胶更加规整，其性能也有某些优势。DN水凝胶在含水量为90％时弹性模量为0.3MPa，其压缩断裂强度为10MPa左右。而该类复合水凝胶(含水量在85％左右)在进行压缩机械性能测试时大多不发生断裂，在压缩比为95％时压缩强度就达到10MPa以上。此外，相比其它合成高强度水凝胶的方法，本方法也具有其独特的优越性，不管NC水凝胶、MMC凝胶还是自组装获得的性能优越的水凝胶，其制备过程都没有此类以生物组织为支架的复合水凝胶的制备来得简便。最后，从化学残余上说，这种生物组织为支架的水凝胶是相对低的，这将更有助于该类水凝胶在生物医学及组织工程领域的应用。总而言之，本发明的发明人开发了一种全新的生物体组织的应用方式，得到了一类全新的具有广阔的应用前景的复合水凝胶。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种新型复合水凝胶，该复合水凝胶是通过以生物体组织为支架，并使扩散在该支架中的水溶性单体聚合而制得的，本发明制备的复合水凝胶利用了生物体组织的规整结构，得到规整结构的复合水凝胶。

本发明的另一目的是提供一种制备以生物体组织作为支架的复合水凝胶的方法，其中利用经过选取、分离后裁切成合适形状的生物体组织直接作为支架，然后将其浸泡在含有一定浓度的单体的水溶液中，浸泡时间足够长，以便使单体和交联剂能够充分扩散生物体组织中，最后用适当的方法使之交联聚合得到复合水凝胶，本发明的水凝胶制备方法具有相当大的普适性，可以适用于大多数具有规整三维的网络结构的生物体组织及对应的水溶性单体。

在本发明的一方面，提供了一种复合水凝胶，包括作为支架的生物体组织以及分布在该生物体组织支架中的高分子链化合物。

在一个实施方式中，所述生物体组织来源于具有规整结构的海洋软体动物或者陆地动物的组织或器官。

在优选实施方式中，所述生物体组织是具有规整结构的海蜇中胶原部分或者去皮的海参体。

在一个实施方式中，所述高分子链化合物是通过使在水溶液中水溶性单体聚合而形成的。

在优选实施方式中，所述单体选自：中性单体如丙烯酰胺及其衍生物、N-乙烯吡咯烷酮、羟乙基丙烯酸酯、乙烯基甲基醚；阴离子型的单体如丙烯酸及其衍生物、巴豆酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸基丙磺酸；阳离子型单体如甲基丙烯酰乙氧基季铵氯化物、乙烯基吡啶。

在一个实施方式中，在所述水溶液中还包括与所述单体相匹配的水溶性交联剂，所述水溶性交联剂选自N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇、聚乙二醇、丁二酸或己二酸。

在本发明的另一方面，提供了一种制备以生物体组织为支架的复合水凝胶的方法，包括：将作为支架的生物体组织浸泡在溶有水溶性单体的水溶液中，使所述水溶性单体扩散到所述生物体组织中，然后使所述水溶性单体聚合，形成穿插在所述生物体组织中的高分子链化合物，从而获得所述复合水凝胶。

在一个实施方式中，所述生物体组织来源于具有规整结构的海洋软体动物或者陆地动物的组织或器官。

在优选实施方式中，所述生物体组织是具有规整结构的海蜇中胶原部分或者去皮的海参体。

在一个实施方式中，所述高分子链化合物是通过在水溶液中聚合水溶性单体而形成的。

在优选实施方式中，所述单体选自：中性单体如丙烯酰胺及其衍生物、N-乙烯吡咯烷酮、羟乙基丙烯酸酯、乙烯基甲基醚；阴离子型的单体如丙烯酸及其衍生物、巴豆酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸基丙磺酸；阳离子型单体如甲基丙烯酰乙氧基季铵氯化物、乙烯基吡啶。

在一个实施方式中，在所述水溶液中还包括与所述单体相匹配的水溶性交联剂，所述水溶性交联剂选自N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇、聚乙二醇、丁二酸或己二酸。

在一个优选实施方式中，单体的浓度在0.5-4M之间，所述交联剂的浓度为所述单体浓度的0-5.0mol％。

在一个优选实施方式中，在生物组织中使单体发生聚合交联形成高分子链化合物的方法包括辐照引发聚合交联法(简称：辐照法)和化学引发聚合交联法(简称：化学法)。

在一个优选实施方式中，通过辐照法在生物体组织中形成高分子链化合物，其中采用高能辐射源⁶⁰Co产生的γ射线、电子加速器产生的高能电子束来实施辐照，并且通过辐照高能射线使生物体组织中的单体(可选地存在交联剂)发生聚合交联，从而制得所述复合水凝胶。

在进一步优选的实施方式中，在采用高能辐射源为⁶⁰Co产生的γ射线制备复合水凝胶时，辐照剂量为5-60kGy，辐照时间随剂量率不同而改变。

在一个优选实施方式中，通过化学法即采用化学法引发浸泡过的生物组织体内的单体聚合得到复合水凝胶。其中通过加入引发剂如APS(过硫酸铵)/NaHSO₃体系、在0-40℃下引发所述生物组织体内的所述单体聚合而在生物体组织中形成高分子链化合物，从而制得所述复合水凝胶。

对比同等条件下制备得到的不含生物组织的单一水凝胶，本发明的复合水凝胶具有很多优越的性能，如机械强度高、回复性能好及响应能性更多等。

在又一方面，本方面提供了上述复合水凝胶或上述方法获得的复合水凝胶在制备人工生物组织中的应用。

在一个优选实施方式中，所述人工生物组织选自：人造肌腱、人造韧带、人造半月板软骨、人造心脏或人造关节。

附图说明

根据参照附图的详细描述，本发明的其它特征和优点将更加明显，其中：

图1(a)～(b)示出了海蜇中胶原的微结构的SEM(扫描电子显微镜)照片；

图2示出了根据本发明一个实施方式通过辐照法制得的以海蜇中胶原为支架的PAA复合水凝胶的SEM照片；

图3示出了根据本发明的对比实验的PAA水凝胶的SEM照片；

图4示出了根据本发明的各类样品典型的压缩应力-应变曲线；

图5示出了根据本发明的各类样品典型的拉伸应力-应变曲线；

图6示出了在辐照时间为1h，单体浓度为2M下获得的PAA凝胶。

具体实施方式

在一个实施方式中，本发明提供了一种复合水凝胶，包括作为支架的生物体组织以及分布在该生物体组织支架中的高分子链化合物。

在一个实施方式中，所述生物体组织来源于具有规整结构的海洋软体动物或者陆地动物的组织或器官。

在优选实施方式中，所述生物体组织是具有规整结构的海蜇中胶原部分或者去皮的海参体。

在一个实施方式中，所述高分子链化合物是通过使在水溶液中水溶性单体聚合而形成的。

在优选实施方式中，所述单体选自：中性单体如丙烯酰胺及其衍生物、N-乙烯吡咯烷酮、羟乙基丙烯酸酯、乙烯基甲基醚；阴离子型的单体如丙烯酸及其衍生物、巴豆酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸基丙磺酸；阳离子型单体如甲基丙烯酰乙氧基季铵氯化物、乙烯基吡啶。

在一个实施方式中，在所述水溶液中还包括与所述单体相匹配的水溶性交联剂，所述水溶性交联剂选自N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇、聚乙二醇、丁二酸或己二酸。

在另一种实施方式中，本发明提供了一种用于制备以生物体组织为支架的复合水凝胶的方法，其中包括将单体引入经过选择裁切的生物组织，然后在温和(尽可能不破坏生物组织规整的结构)条件下使单体聚合交联，得到以生物组织为支架含有合成高分子的复合水凝胶。

本发明的方法选用的生物组织包括：具有三维网络结构，含水量比较高，能够在水中溶胀的动物组织。这些动物组织可以是软体动物身体的大部分，如海蜇、海参等，也可以是其它非软体动物身体的某一部分。如图1(a)～(b)所示，其通过SEM照片示出了海蜇中胶原的规整的微结构，从图中可以看到由大量的“链束”组成的孔洞结构及规则的“层层排列”，有理由认为正是这些精细的微结构使得海蜇这种天然凝胶具有前面所述优越的性能。

本发明的方法选用的单体包括：丙烯酸(AA)及其衍生物、丙烯酰胺(AM)及其衍生物、酸酐类等适合用来制备水凝胶的反应性单体。用含有一定单体浓度的水溶液来浸泡生物体组织，这就要求单体必须是水溶性的，亦即任何水溶性的单体都是可以用来制备这种复合水凝胶的。单体的种类和浓度是影响水凝胶性能的一个重要方面。单体的种类直接关系到所合成水凝胶的性能，如选用N-异丙基丙烯酰胺来制备该类复合水凝胶，则所得到的水凝胶便具有温敏性；而选用丙烯酸则可以得到制备pH敏的水凝胶；若将几种单体的共同使用又会使得该类复合水凝胶的性能有更多的改变。与此同时，浸泡液的单体浓度可以在不破坏生物体组织的前提下改变，0.5-5M是比较合适的一个范围，在这个范围的单体浓度都可以得到或柔软有弹性或坚韧有强度的复合水凝胶。一般说来，单体浓度小于3M时，所得到的复合水凝胶较为柔软有弹性，随着单体浓度的增大，凝胶渐渐变得强韧。但是单体浓度并不能无限增大，过浓的溶液会使得生物体组织失水、变性。

交联剂的加入可以在一定程度上提高交联度，在其它相同的情况下，交联剂的加入有助于提高复合水凝胶的强度。但是交联剂过量会导致水凝胶过度交联而变脆，通过实验证明，合适的交联剂浓度范围在单体浓度的0-5mol％之间。交联剂的选择应与单体相匹配，如选择丙烯酸时，相应的交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺。

为了实现在常温常压下交联聚合，环保而高效的辐照法首先被采用。辐照法所采用的辐射源：⁶⁰Co-γ射线、电子加速器产生的高能电子速等(辐照剂量为5-60kGy)。辐照剂量的大小直接影响到水凝胶的性能。辐照的时间视剂量率而定，在同一剂量率和其它条件相同时，辐照时间短者，交联度低，产品柔软，弹性好；反之随着辐照时间的延长，交联度增高，产品变韧，最终变得硬而脆。

尽管辐照法应用起来简单方便，但是辐照源不是特别容易获得。该类复合水凝胶还可以通过化学法得到。使用化学法时，如何实现聚合条件的温和是实现本发明的另一个关键。本发明首先通过选用合适的引发体系达到了目的。同辐照法相比较，化学法需要加入引发剂。其过程是将事先裁切好的生物组织浸泡在含有一定浓度单体及交联剂溶液中，一段时间后，在其中加入引发剂，然后使其在室温条件下缓慢聚合，制备得到复合水凝胶。交联剂对复合水凝胶性能的影响同辐照法的类似。

如上文所述，就化学法来说，选择合适的引发体系是制备复合水凝胶成功的关键。如丙烯酸这种单体，用常规的热引发体系，常规的热引发剂(如过硫酸铵，过硫酸钾)，其分解温度高于40℃，这对于在高温中变性的生物组织是不适用。而在其中加入NaHSO₃(亚硫酸氢钠)，便可以降低反应的活化能，从而实现了较低温度聚合的条件。对于丙烯酰胺单体系列，还可以通过加入加速剂TEMED(N，N，N’，N’-四甲基乙二胺)来加快反应速度，缩短反应时间。

实施例

实施例1：辐照法制备以海蜇中胶层为支架的PAA复合水凝胶

用自来水及去离子水洗去市场上买来的海蜇皮(即海蜇伞部)的盐分。然后将其切成直径为1.5-2cm的圆块，或者2×2cm的方块，在去离子水中溶胀至平衡后，用刀片去除上下表皮(余下的为海蜇中胶层，其主要成分为胶原蛋白)。将处理过的海蜇中胶层块浸泡在一定浓度的如丙烯酸的单体溶液(可选地加入如N，N’-亚甲基双丙烯酰胺的交联剂)中24小时，例如溶液质量为海蜇中胶层质量的约6倍，使浸泡完全。然后将浸过的海蜇中胶层移出浸泡液，用⁶⁰Co-γ射线(平均剂量率10kGy/h)辐照使交联聚合复合水凝胶。图2示出了通过辐照法制得的以海蜇中胶原为支架的PAA复合水凝胶的SEM照片，如图2所示，通过本发明的辐照法获得复合水凝胶保持有海蜇胶原的一些形貌。

<对比实施例1>

取浸泡过海蜇中胶层的含有丙烯酸单体(可选地加入交联剂)的溶液适量，分装在青霉素小瓶中，同样用⁶⁰Co-γ射线进行辐照，辐照时间与复合水凝胶的相同，得到聚丙烯酸(PAA)水凝胶，如图3所示。

<对比实施例2>

海蜇中胶层不经过单体溶液的浸泡，同样用⁶⁰Co-γ射线辐照与复合水凝胶相同时间，海蜇中胶层维持基本形貌。

详细实例如下：

1)取圆形的海蜇中胶层一块(2.5g)，浸泡在15mL的(2.5×6)含有丙烯酸和N，N’-亚甲基双丙烯酰胺的溶液中，单体AA的浓度为2M，交联剂用量是AA浓度的0.2％(摩尔百分比)。海蜇中胶层在其中浸泡18个小时，然后转移到青霉素小瓶中(用原液覆盖以保持海蜇中胶层的形貌)。用⁶⁰Co-γ射线(平均剂量率10kGy/h)辐照2个小时，碎瓶取样。另外将海蜇中胶层裁切成6×6×50mm长条，用同上述相同条件制得长条的复合水凝胶，用于拉伸测试。

在25℃条件下，用电子万能实验机对其压缩强度进行测试，控制横梁速度为5mm/min，用Instron3365以横梁速度为50mm/min对其进行拉伸性能测试。

得到的复合水凝胶在压缩测试过程中在压缩比为92％时出现屈服，断裂强度为18.5MPa；拉伸性能测试结果为：伸长率为247％，断裂强度为104kPa。而其对比实例，PAA凝胶在压缩测试过程中在压缩比为88.5％时发生屈服，断裂强度仅为2.93MPa；拉伸性能测试结果为：伸长率为229％，断裂强度为12.1kPa。而海蜇中胶原在在压缩测试过程中在压缩比为78.7％时出现屈服，断裂强度为0.98MPa。图4示出了各类样品典型的压缩应力-应变曲线；从图中也可以看出，复合水凝胶的抗压强度要比AA凝胶和海蜇都要高出许多。

2)取圆形的海蜇中胶层一块(2.8g)，浸泡在17mL的3M的AA(丙烯酸)溶液中18个小时。然后转移到青霉素小瓶中(用原液覆盖以保持海蜇中胶层的形貌)，辐照2个小时，碎瓶取样。得到的复合水凝胶压缩测试过程没有出现屈服，压缩比为95％时，压缩强度为19.4MPa。而其对比实例，即PAA凝胶在压缩比为90.3％时发生屈服，断裂强度仅为4.82MPa。对长条样品进行拉伸性能测试，其伸长率在320％，断裂强度为66kPa，其对比实例的伸长率为1200％，但是断裂强度为36kPa。图5示出了各类样品典型的拉伸应力-应变曲线，可以看出，对比实例的伸长率大，而海蜇中胶原的模量高，而复合凝胶综合了二者的优点，是兼具柔韧和强度的凝胶。

3)其他操作同2)，改变单体浓度为2M，辐照时间为1小时。得到的复合水凝胶含水量为86.3％。该凝胶在压缩测试过程没有出现屈服，压缩比为95％时，压缩强度为8.6MPa。图6示出了在辐照时间为1h，单体浓度为2M下获得的PAA凝胶。如图6所示，在对比实例中，即PAA凝胶，软不成型，几无强度可言，无法进行测试。

4)其他操作同3)，只是辐照时间为2个小时。得到的复合水凝胶含水量为85.8％，该凝胶在压缩测试过程没有出现屈服，压缩比为95％时，压缩强度为13.6MPa。而其对比实例，即PAA凝胶在压缩比为80％时屈服，断裂强度仅为0.35MPa。

5)其它条件同2)，辐照时间为3个小时。得到的复合水凝胶含水量为84.3％，压缩比为90.4％时屈服，断裂强度为7.84MPa。而其对比实例，即PAA凝胶在压缩比为92.5％时发生屈服，断裂强度仅为2.65MPa。

6)其它条件同2)，只是丙烯酸溶液的浓度变为4M。得到的复合水凝胶压缩测试过程没有出现屈服，压缩比为95％时，压缩强度为28.8MPa。而在对比实例中，即PAA凝胶在压缩比为81.2％时屈服，断裂强度仅为1.79MPa。

7)其它条件同1)，即丙烯酸溶液的浓度为2M，交联剂用量是单体浓度的0.1％(摩尔百分比)，辐照时间为2个小时。得到的复合水凝胶在压缩测试过程没有出现屈服，压缩比为95％时，抗压强度为13.9MPa。拉伸性能测试结果为：伸长率为306％，断裂强度为74.3kPa。而其对比实例，即PAA凝胶在压缩测试过程中在压缩比为77％时发生屈服，断裂强度仅为0.31MPa；拉伸性能测试结果为：伸长率为319％，断裂强度为8.63kPa。

8)其它条件同1)，交联剂用量是单体浓度的0.1％(摩尔百分比)。得到的复合水凝胶压缩测试过程没有出现屈服，压缩比为95％时，压缩强度为15MPa；拉伸性能测试结果为：其伸长率为214％，断裂强度为82kPa。而其对比实例，PAA凝胶在压缩比为83.8％时发生屈服，压缩强度仅为0.42MPa；拉伸性能测试结果为：伸长率为342％，断裂强度为8.61kPa。

9)其它条件同1)，交联剂用量是单体浓度的0.3％(摩尔百分比)。得到的复合水凝胶压缩比为90％时屈服，断裂强度为6.6MPa。拉伸性能测试结果为：伸长率为199％，断裂强度为55.3kPa，其弹性模量为28.4kPa。而在其比实例，PAA凝胶在压缩比为92.3％时发生屈服，断裂强度仅为3.78MPa；拉伸性能测试结果为：伸长率为284％，断裂强度为38.1kPa，其弹性模量为21.7kPa。

实施例2：化学法制备以海蜇中胶层为支架的PAA复合水凝胶

海蜇中胶层块的获取同实施例1。然后将海蜇中胶层块浸泡在一定浓度的丙烯酸溶液(交联剂)中24小时使浸泡完全，然后加入适量的过硫酸铵/亚硫酸氢钠作为引发体系，加入N，N’-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，室温静置，使交联聚合，一段时间后，得到复合水凝胶。所得到的复合水凝胶同样具备与辐照法所得到的凝胶类似的优越性能，对其进行压缩性能测试，在压缩比为95％时，其压缩强度在10MPa以上；对其进行拉伸性能测试，伸长率在300％以上。

<对比实施例3>

操作同实施例2中一样，只是不使用海蜇皮胶层块，而是将AA、过硫酸铵/亚硫酸氢钠及N，N-亚甲基双丙烯酰胺一样浓度的体系，在40℃水浴中反应6h，得到PAA普通凝胶，其强度及韧性远不及实施例2中所获得的复合水凝胶。大部分样品用手便可以轻易地使之断裂，例如单体浓度为3M时，对其进行压缩性能测试，在压缩比为87％时发生屈服，其断裂强度为2.34MPa。

实施例3：辐照法制备以海蜇中胶层为支架的PAM(聚丙烯酰胺)复合水凝胶

所用海蜇中胶层块的获取同实施例1。将处理过的海蜇中胶层块浸泡在一定浓度的丙烯酰胺溶液(交联剂)中24小时，使浸泡完全。然后将浸过的海蜇中胶层移出浸泡液，用⁶⁰Co-γ射线(平均剂量率10kGy/h)辐照一定时间，使单体交联聚合，在浓度和辐照时间相同条件下，得到的PAM复合水凝胶，其硬度高于PAA复合水凝胶的，对其进行压缩性能测试，它们在较低的压缩比时发生屈服，其断裂强度在15MPa左右。同时，该类凝胶也具有很好的拉伸性能，其弹性模量均为几十甚至上百个千帕。

<对比实例4>

将浸泡过海蜇的AM溶液，用青霉素小瓶分装，用同<实施实例4>相同的条件对其辐照，得到PAM凝胶。对其进行压缩性能进行测试，发现其强度不及实例3中获得的复合水凝胶。对其进行拉伸性能测试，得知其拉伸模量为几个千帕。

实施例4：辐照法制备以海参体为支架的PAA复合水凝胶

将市场上买回来的干海参浸泡在去离子水中，使其充分溶胀，去除表皮，将中间部分切成同海蜇中胶原类似的形状。将处理过的海参体块浸泡在一定浓度的AA溶液(交联剂)中24小时，使浸泡完全。然后将浸过的海参体移出浸泡液，用⁶⁰Co-γ射线(平均剂量率10kGy/h)辐照一定时间，使其中的单体交联聚合，得到强度和韧性较好的复合水凝胶，经过对其进行压缩性能进行测试，该复合凝胶的含水量高于海蜇为支架的水凝胶，当丙烯酸浓度为2M，辐照时间为2小时时，对其进行压缩性能测试，在压缩比为92％时，断裂强度为23MPa。

<对比实例5>

将海参体的AA浸泡液，用青霉素小瓶分装，使用与实施实例4相同的条件对其辐照，得到PAA凝胶。对其进行压缩性能进行测试，其强度不及实施例4中获得的复合水凝胶，与<对比实施例1>方法得到的水凝胶强度接近。

<对比实例6>

海参体不经过单体溶液的浸泡，同样用⁶⁰Co-γ射线辐照与复合水凝胶相同时间，发现海参体基本上保持原来的形貌。

本发明提供的以生物体组织为支架的复合水凝胶相对于其它的水凝胶具有显著的优势，体现在以下几个方面：

(1)结构规整。直接利用具有规整结构的生物组织作为水凝胶的一个网络。基于这样的规整模板的水凝胶在结构上，具有其它方法合成的水凝胶可望不可及的规整性。

(2)生物相容性好，更环保。利用生物组织作为水凝胶的一个支架，这是完全生物相容的，相对于其它纯化学法得到的水凝胶更绿色，更环保。尤其是采用辐照法交联聚合时，可以达到基本没有化学残余物。倘若选用生物相容的单体，采用辐照法交联聚合，则可以得到完全生物相容的、对人体无毒无害的机械性能优异的“绿色水凝胶”，在作为人体替代组织很有应用前景。

(3)合成条件要求低，操作简单。在本发明中，不管是采用化学法还是辐照法来制备复合水凝胶，都不需要苛刻的合成条件，在室温条件下、在空气中就可以得到。

(4)方便制备出各种形状的样品。因为在制备水凝胶之前，对生物组织进行裁切，实验者可以根据需要将生物体切成各种形状，然后在其中引入合成高分子，形成该形状的复合凝胶。这一优点也是其它水凝胶所不具备的。

(5)适用范围广，样品种类多样化。如上所述，只要具有规整的三维网络结构的生物组织都可以作为支架；只要能够渗透到生物组织中，能够通过适当的方式聚合的单体，都可以被选作制备化学网络的单体。所以复合水凝胶的种类是多种多样的。

(6)成本低。由于制备本发明所用的原材料易得且方法简单等原因，所以获得本发明的复合水凝胶的成本很低。

正是由于本方面的复合水凝胶具有以上的优点，所以本发明的复合水凝胶可以用来生产人工生物组织，如人造肌腱、人造韧带、人造半月板软骨、人造心脏或人造关节等。

以上通过本发明的优选实施方式和实施例详细描述了本发明，但是在不背离本发明的所附权利要求限定的精神和范围的情况下，对于本领域的技术人员来说，可以对这些实施方式和实施例进行各种变化和更改，也就是说，这些变化和更改也属于本发明的构思范围。

Claims (10)

1.一种复合水凝胶，包括作为支架的生物体组织以及分布在所述支架中的高分子链化合物。

2.根据权利要求1所述的复合水凝胶，其中，所述生物体组织来源于具有规整结构的海洋软体动物或者陆地动物的组织或器官。

3.根据权利要求1所述的复合水凝胶，其中，所述高分子链化合物是通过在水溶液中聚合水溶性单体而形成的。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的复合水凝胶，其中，在所述水溶液中还包括与所述单体相匹配的水溶性交联剂。

5.一种制备复合水凝胶的方法，包括：将作为支架的生物体组织浸泡在溶有水溶性单体的水溶液中，使所述水溶性单体扩散到所述生物体组织中，然后使所述水溶性单体聚合以形成穿插在所述生物体组织中的高分子链化合物，从而获得所述复合水凝胶。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述生物体组织来源于具有规整结构的海洋软体动物或者陆地动物的组织或器官。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述水溶液中还包括与所述单体相匹配的水溶性交联剂。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的方法，其中，通过辐照法在所述生物体组织中形成所述高分子链化合物。

9.根据权利要求5-7中任一项所述的方法，其中，通过化学法在所述生物体组织中形成所述高分子链化合物。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的复合水凝胶或根据权利要求5-9中任一项所述的方法获得的复合水凝胶在制备人工生物组织中的应用。

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