CN109081893B - 水凝胶、水凝胶微通道及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水凝胶、水凝胶微通道及其制备方法和应用。一种水凝胶，以质量份数计，制备水凝胶的原料包括1份的海藻酸钠、7份～9份的丙烯酰胺、0.0996份～0.1660份的硫酸钙、0.00075份～0.00225份的光交联剂、0.04份～0.12份的光引发剂及0.04份～0.12份催化剂。经证实，上述水凝胶容易制成水凝胶微通道，且具有良好的伸展性，适用于激光雕刻。
Description
技术领域
本发明涉及一种水凝胶、水凝胶微通道及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，兼具柔性和弹性的微通道系统因其可伸展和弯曲的性能，在可穿戴设备、组织工程、器官芯片和药物缓释等多个领域都有着重要的应用。其中水凝胶材料因其含水量高，多种化学、生物分子均可渗透以及生物兼容性等独特的优越性能，被广泛应用于组织打印和细胞外基质构建。
随着器官芯片研究的快速发展，人们对于柔弹性微通道系统尤其是水凝胶微通道系统的需求量不断增加。目前，常用传统的配备水凝胶微通道的方法有光刻胶法、软刻蚀法、生物打印法等。但这些方法存在制作步骤复杂、对材料要求高、设备要求高等不足。
发明内容
基于此，有必要提供一种容易制备成水凝胶微通道的水凝胶。
此外，还提供一种水凝胶微通道及其制备方法和应用。
一种水凝胶，以质量份数计，原料包括1份的海藻酸钠、7份～9份的丙烯酰胺、0.0996份～0.1660份的硫酸钙、0.00075份～0.00225份的光交联剂、0.04份～0.12份的光引发剂及0.04份～0.12份催化剂。
经证实，上述水凝胶容易制成水凝胶微通道，并且具有良好的伸展性。
在其中一个实施例中，以质量份数计，制备所述水凝胶的原料包括1份的海藻酸钠、7份～8.5份的丙烯酰胺、0.0996份～0.1496份的硫酸钙、0.00075份～0.001875份的光交联剂、0.04份～0.10份的光引发剂及0.04份～0.10份催化剂。
在其中一个实施例中，所述海藻酸钠与所述丙烯酰胺的质量之比为1：7.5～9，所述海藻酸钠与所述硫酸钙的质量之比为1：0.1162～0.1660。
在其中一个实施例中，所述光引发剂选自过硫酸铵、2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、二苯基(2，4，6-三甲基苯甲酰基)氧化膦及过硫酸钾中的至少一种。
一种水凝胶微通道的制备方法，包括以下步骤：
将上述水凝胶半固化，得到第一半固化水凝胶及第二半固化水凝胶；
在所述第一半固化水凝胶上激光雕刻出凹槽；及
将所述第二半固化水凝胶与所述第一半固化水凝胶贴合，并使所述第二半固化水凝胶遮蔽所述凹槽，得到所述水凝胶微通道。
在其中一个实施例中，所述将所述水凝胶前体溶液半固化，得到第一半固化水凝胶及第二半固化水凝胶步骤包括：将部分所述水凝胶前体溶液55℃～65℃加热0.2h～1h，冷却至35℃～55℃，得到第一半固化水凝胶；及将另一部分所述水凝胶前体溶液55℃～65℃加热0.2h～1h，冷却至35℃～55℃，得到第二半固化水凝胶。
在其中一个实施例中，所述激光雕刻的功率为4.5W～18W、雕刻速度为4mm/s～100mm/s。
在其中一个实施例中，所述将第二半固化水凝胶与所述第一半固化水凝胶贴合，并使所述第二半固化水凝胶遮蔽所述凹槽的步骤包括：将所述第二半固化水凝胶与具有凹槽的所述第一半固化水凝胶叠合，并使所述第二半固化水凝胶遮蔽所述凹槽，得到水凝胶叠合体；将所述水凝胶叠合体50℃～60℃加热1h～2h；及将所述水凝胶叠合体紫外照射1h～2h。
一种水凝胶微通道，由上述水凝胶微通道的制备方法制备而成。
上述水凝胶微通道在制备器官芯片或制备穿戴设备或制备缓释药物中的应用。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面对本发明进行更全面的描述。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本发明公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
一实施方式的水凝胶，以质量份数计，制备水凝胶的原料包括1份的海藻酸钠、7份～9份的丙烯酰胺、0.0996份～0.1660份的硫酸钙、0.00075份～0.00225份的光交联剂、0.04份～0.12份的光引发剂及0.04份～0.12份催化剂。
在其中一个实施例中，制备水凝胶的原料包括1份的海藻酸钠、7份～8.5份的丙烯酰胺、0.0996份～0.1496份的硫酸钙、0.00075份～0.001875份的光交联剂、0.04份～0.10份的光引发剂及0.04份～0.10份催化剂。
在其中一个实施例中，制备水凝胶的原料包括1份的海藻酸钠、7.5份～9份的丙烯酰胺、0.1162份～0.1660份的硫酸钙、0.001125份～0.00225份的光交联剂、0.06份～0.12份的光引发剂及0.06份～0.12份催化剂。
在其中一个实施例中，海藻酸钠与丙烯酰胺的质量之比为1：7.5～9，海藻酸钠与硫酸钙的质量之比为1：0.1162～0.1660。进一步地，海藻酸钠与丙烯酰胺的质量之比为1：7.5～8.5，海藻酸钠与硫酸钙的质量之比为1：0.1162～0.1494。
进一步地，光引发剂选自过硫酸铵、2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、二苯基(2，4，6-三甲基苯甲酰基)氧化膦及过硫酸钾中的至少一种。优选地，光引发剂选自过硫酸铵、2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮及二苯基(2，4，6-三甲基苯甲酰基)氧化膦中的至少一种。进一步优选地，光引发剂为过硫酸铵或2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
进一步地，光交联剂选自N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、三羟甲基丙烷、三羟基聚氧化丙烯醚及戊二醛中的至少一种。优选地，光交联剂选自N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、三羟甲基丙烷及三羟基聚氧化丙烯醚中的至少一种。进一步优选地，光交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺或三羟甲基丙烷。
进一步地，催化剂选自四甲基乙二胺、三氯化铁(III)六水合物、溴化铁及4-二甲氨基吡啶中的至少一种。优选地，催化剂选自四甲基乙二胺、三氯化铁(III)六水合物及溴化铁中的至少一种。进一步优选地，催化剂为四甲基乙二胺或三氯化铁(III)六水合物。
经证实，上述水凝胶的原料配比合理，具有良好的伸展性，适用于激光雕刻制备水凝胶微通道。
一种水凝胶微通道的制备方法，包括步骤S110～S170。
S110、将水凝胶的原料与水按照质量比1：3.3～5.2混合，加热0.2h～1h，得到水凝胶。
在其中一个实施例中，将水凝胶的原料混合，形成预混物。将预混物与水按照质量比1：3.3～5.2混合，加热0.2h～1h，得到水凝胶。进一步地，预混物与水的质量比1：4～4.5，加热时间为0.2h～0.25h。先将原料混合形成预混物再与水混合，更有利于原料的各组分与水混合均匀。
在其中一个实施例中，采用搅拌混合，混合时间1h～2h。
在其中一个实施例中，在加热0.2h～1h之后，还包括冷却。根据冷却的时间，可使得水凝胶呈现固态或者半固态。冷却成固态的水凝胶便于运输保存。
当然，在一些实施例中，也可以直接将水凝胶的原料与水混合，只要将原料与水混合均匀即可。
S130、将水凝胶半固化，得到第一半固化水凝胶及第二半固化水凝胶。
具体地，半固化是指水凝胶的交联程度达到完全固化的交联程度的45％～55％。
在其中一个实施例中，水凝胶为固态，此时，将水凝胶55℃～65℃加热0.2h～1h，然后分装、冷却至35℃～55℃，得到第一半固化水凝胶及第二半固化水凝胶。第一半固化水凝胶的50％水凝胶前体溶液已经呈凝固状态，第二半固化水凝胶的50％水凝胶前体溶液已经呈凝固状态。进一步地，加热温度为55℃～65℃，加热时间为1h～2h，冷却至35℃～55℃。
在其中一个实施例中，水凝胶为固态。将固态的水凝胶分装，然后分别对分装后的水凝胶55℃～65℃加热0.2h～1h，冷却至35℃～55℃，得到第一半固化水凝胶及第二半固化水凝胶。
当然，可以理解的是，在一些实施例中，还可以由步骤130制备的液态的水凝胶经冷却半固化，得到第一半固化水凝胶及第二半固化水凝胶。
S150、在第一半固化水凝胶上激光雕刻出凹槽。
在其中一个实施例中，激光雕刻的功率为4.5W～18W、雕刻速度为4mm/s～100mm/s。进一步地，激光雕刻的功率为9W～18W、雕刻速度为20mm/s～100mm/s。
在其中一个实施例中，激光雕刻的功率为4.5W，雕刻速度为4mm/s。
在其中一个实施例中，激光雕刻的功率为9W，雕刻速度为20mm/s。
在其中一个实施例中，激光雕刻的功率为18W，雕刻速度为100mm/s。
S170、将第二半固化水凝胶与具有凹槽的第一半固化水凝胶贴合，并使第二半固化水凝胶遮蔽凹槽，得到水凝胶微通道。
具体地，将第二半固化水凝胶与具有凹槽的第一半固化水凝胶叠合，并使第二半固化水凝胶遮蔽凹槽，得到水凝胶叠合体。然后将水凝胶叠合体50℃～60℃加热1h～2h。接着，紫外照射1h～2h。
在其中一个实施例中，将水凝胶叠合体加热50℃～60℃1h～2h。同时，紫外照射1h～2h。
在其中一个实施例中，将水凝胶叠合体50℃～60℃加热1h～2h，并紫外照射1h～2h。也即是说。水凝胶叠合体的加热与紫外照射同时进行。
进一步地，第一半固化水凝胶可以为长条形，还可以为圆片形、柱形或球形等其他形状。凹槽的形状可以是长条形，也可以是曲线型。当然，凹槽的形状可根据实际需求做调整。凹槽从第一半固化水凝胶的一侧延伸至另一侧，从而能够与第二半固化水凝胶直接形成两侧连通的通道。当然，凹槽也可以不必由第一半固化水凝胶的一侧延伸至另一侧。此时，凹槽与第二半固化凝胶形成的密闭的槽道，在后期应用时，可以通过调整，比如切割，形成两侧连通的通道。
上述水凝胶微通道的制备方法所需的设备简单，工艺步骤简捷，原料易获得，易实现工业化生产。
一种水凝胶微通道，由上述的水凝胶微通道的制备方法制备而成。
经证实，按照上述水凝胶微通道的制备方法制得的水凝胶微通道剥离力能够达到50N/m，同时通道精度能够达到0.05mm，同时拉伸倍数能够达到6倍。
上述水凝胶微通道在制备可穿戴设备中的应用。
具体地，上述水凝胶微通道在制备可拉伸电极中的应用。
在其中一个实施例中，上述水凝胶微通道作为可拉伸电极的柔性基底。
上述水凝胶微通道在制备器官芯片中的应用。
具体地，上述水凝胶微通道作为器官芯片的细胞外模型。
上述水凝胶微通道在制备缓释药物中应用。
具体地，上述水凝胶微通道作为可缓释药物的载体。
以下结合具体实施例进行详细说明。
以下实施例中如未特殊说明，则不包含除不可避免的杂质外的其他组分。
原料特质如下：
海藻酸钠，购自Aladdin，纯度为95％。
丙烯酰胺，购自Sigma，纯度为95％。
硫酸钙，购自Aladdin，纯度为99％。
光交联剂：N,N'-亚甲基双丙烯酰胺购自Macklin，纯度为97％。光引发剂：过硫酸铵购自Sigma，纯度为98％。
催化剂：四甲基乙二胺购自Sigma，纯度为99％。
实施例1～32
(1)按照表1的份数称取海藻酸钠、丙烯酰胺、硫酸钙、光交联剂、光引发剂及催化剂。其中，光交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，光引发剂为过硫酸铵及催化剂为四甲基乙二胺。
表1
(2)分别将各实施例的原料与36份的去离子水搅拌混合3h，加热，各实施例加热温度、时间见表2，得到各实施例的水凝胶。
(3)将各实施例的水凝胶分为两份、冷却，得到各实施例的第一半固化水凝胶及第二半固化水凝胶。各实施例冷却至半固化时的温度见表2。
表2
(4)分别在各实施例的第一半固化水凝胶上激光雕刻出凹槽，激光雕刻的参数见表2，得到各实施例的具有凹槽的第一半固化水凝胶。
(5)分别将各实施例的具有凹槽的第一半固化水凝胶与其对应的第二半固化水凝胶叠合，并使第二半固化凝胶遮蔽凹槽，得到各实施例的水凝胶叠合体。然后，将水凝胶叠合体加热，并紫外照射，得到各实施例的水凝胶微通道。各实施例的水凝胶叠合体加热温度、加热时间、紫外照射时间见表2。
(6)利用万用电子拉力计分别测定各实施例得到的水凝胶微通道的第一半固化凝胶与第二半固化凝胶的交联面的交联程度(剥离力)。利用万用电子拉力计分别测定各实施例得到的水凝胶微通道的拉伸倍数。利用显微镜、游标卡尺，测定各实施例得到的水凝胶微通道的精密度及深度。测定结果见表3。
表3
由表3可以看出，实施例1～10、13～16及19～32的水凝胶的交联程度较好，体现为两水凝胶交联面剥离力大于45N/m，且水凝胶微通道精度较高，体现为水凝胶微通道精密度小于0.1mm，同时均具有不低于4倍的拉伸倍数。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种水凝胶，其特征在于，以质量份数计，所述水凝胶由制备所述水凝胶的原料与水按照质量比1：(3.3～5.2)直接混合并加热后冷却而得，所述制备所述水凝胶的原料包括1份的海藻酸钠、7份～9份的丙烯酰胺、0.0996份～0.1660份的硫酸钙、0.00075份～0.00225份的光交联剂、0.04份～0.12份的光引发剂及0.04份～0.12份催化剂。
2.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于，以质量份数计，制备所述水凝胶的原料包括1份的海藻酸钠、7份～8.5份的丙烯酰胺、0.0996份～0.1496份的硫酸钙、0.00075份～0.001875份的光交联剂、0.04份～0.10份的光引发剂及0.04份～0.10份催化剂。
3.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于，所述海藻酸钠与所述丙烯酰胺的质量之比为1：7.5～9，所述海藻酸钠与所述硫酸钙的质量之比为1：0.1162～0.1660。
4.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于，所述光引发剂选自2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮和二苯基(2，4，6-三甲基苯甲酰基)氧化膦中的至少一种。
5.一种水凝胶微通道的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将权利要求1～4任一项所述的水凝胶半固化，得到第一半固化水凝胶及第二半固化水凝胶；
在所述第一半固化水凝胶上激光雕刻出凹槽；及
将所述第二半固化水凝胶与所述第一半固化水凝胶贴合，并使所述第二半固化水凝胶遮蔽所述凹槽，得到所述水凝胶微通道。
6.根据权利要求5所述的水凝胶微通道的制备方法，其特征在于，将所述水凝胶半固化，得到第一半固化水凝胶及第二半固化水凝胶步骤包括：
将部分所述水凝胶55℃～65℃加热0.2h～1h，冷却至35℃～55℃，得到第一半固化水凝胶；及
将另一部分所述水凝胶55℃～65℃加热0.2h～1h，冷却至35℃～55℃，得到第二半固化水凝胶。
7.根据权利要求5所述的水凝胶微通道的制备方法，其特征在于，所述激光雕刻的功率为4.5W～18W、雕刻速度为4mm/s～100mm/s。
8.根据权利要求5所述的水凝胶微通道的制备方法，其特征在于，将所述第二半固化水凝胶与所述第一半固化水凝胶贴合，并使所述第二半固化水凝胶遮蔽所述凹槽的步骤包括：
将所述第二半固化水凝胶与具有凹槽的所述第一半固化水凝胶叠合，并使所述第二半固化水凝胶遮蔽所述凹槽，得到水凝胶叠合体；
将所述水凝胶叠合体50℃～60℃加热1h～2h；及
将所述水凝胶叠合体紫外照射1h～2h。
9.一种水凝胶微通道，其特征在于，由权利要求5～8任一项所述的水凝胶微通道的制备方法制备而成。
10.权利要求9所述的水凝胶微通道在制备器官芯片或制备穿戴设备或制备缓释药物中的应用。
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