CN109897194B - 一种仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物质材料领域，涉及一种仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶的制备方法，包括如下步骤：1）对甲壳素进行部分脱乙酰化处理；2）将步骤1）所得产物用乙酸溶液稀释后进行研磨处理；3）将步骤2）所得产物用蒸馏水稀释、超声处理，然后真空过滤成膜；4）将步骤3）所得产物充分浸渍于明胶溶液中；5）将步骤4）所得产物浸入醌交联反应溶液中使其在室温下发生醌交联反应，得到部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶。本发明方法操作简单、快速，且制备的复合凝胶力学性能优异，在人造皮肤、生物传感、软组织工程材料等领域具有潜在的应用价值。

Description

一种仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶制备方法

技术领域

本发明涉及一种仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶的制备方法，具体地说是一种仿昆虫表皮合成机理及组织结构特征、构建高强度部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶的制备方法，属于生物质材料领域。

背景技术

生物组织工程材料，如软骨、韧带等，一旦受伤就无法在生物体内自发再生。其中肌腱和韧带等部位具备承载能力，极易因受外界机械力作用而发生断裂或撕裂。水凝胶是一种吸水、锁水而又不溶于水的高分子三维网络结构，能够提供与天然组织相似的高度水合环境。因此，基于生物质基材的人工合成水凝胶，常作为软组织损伤后的有效替代物使用。然而，人工合成的水凝胶通常存在凝胶强度低、韧性差等缺点，无法满足使用的要求。

明胶是胶原蛋白的变性形式，因其易得、廉价、可生物降解和良好的生物相容性而被广泛用作医用生物材料。尽管有这些优点，但研究发现，仅含明胶的人造软组织由于机械性能差而不适合用作承重材料。为了解决这一问题，研究者多关注于如何增强明胶基水凝胶的机械增强方法上。具体包括：化学交联双网络水凝胶、互穿网络结构的水凝胶以及纳米纤维增强水凝胶等。然而这些方法大多操作复杂，成本高或大量使用化学添加物或合成条件严酷等。

自然界生物常为我们提供一些构建高性能复合材料的启示。自然界中的昆虫大多具有高强度的外骨骼或角质层，以在恶劣的环境条件下保护自己的身体得以生存，而昆虫的甲壳成分主要包括甲壳素与蛋白质。甲壳素是自然界储存量第二大的天然可再生生物资源，是一种具有氨基的多糖，由于其低毒性，可用于多种生物医学应用。甲壳素通常存在于甲壳纲动物的表皮中（如虾蟹、昆虫等），并且在生物体内起到结构增强的作用。例如，昆虫在蜕皮后，新形成的角质层表皮中的甲壳素纳米纤维骨架及蛋白质基质将经历表皮的硬化过程。在硬化过程中，甲壳素纳米纤维与蛋白质经生物质酶交联作用后形成硬质的昆虫外表皮，或称为甲壳，以保护自身得以生存。

发明内容

本发明的目的在于：基于昆虫表皮硬化反应和模仿昆虫表皮纳米纤维骨架结合蛋白质的生物结构，设计一种仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶的制备方法，以解决明胶基水凝胶承载力差、机械性能不足的问题。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶制备方法，包括如下步骤：

1）对甲壳素进行部分脱乙酰化处理，得到部分脱乙酰甲壳素；

2）将所得部分脱乙酰甲壳素用乙酸溶液稀释后进行研磨处理，得到部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液；

3）将所得部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液用蒸馏水稀释、超声处理、真空过滤，得到部分脱乙酰甲壳素纳米纤维湿膜；

4）将所得部分脱乙酰甲壳素纳米纤维湿膜浸渍于明胶溶液中直至明胶分子充分浸入部分脱乙酰甲壳素纳米纤维膜内，得到部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜；

5）将所得部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜浸入醌交联反应溶液中使其在室温下发生醌交联反应，得到部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶。

进一步地，步骤1）中对甲壳素进行部分脱乙酰化处理的具体方法为：将甲壳素粉末置于30 wt%-35 wt% NaOH溶液中，80-90℃条件下机械搅拌2-4小时，得到部分脱乙酰化的甲壳素碱性产物，然后通过真空抽滤，将所得部分脱乙酰化的甲壳素碱性产物充分冲洗至中性，制得部分脱乙酰甲壳素。

进一步地，步骤2）中用乙酸溶液稀释的具体方法为：使用浓度为1 wt%的乙酸溶液将所得部分脱乙酰甲壳素稀释至0.8-1wt%；研磨的条件为：研磨机转速为1500 rpm/min，磨盘间隙为0.25-0.35 mm。

进一步地，步骤3）中用蒸馏水稀释的具体方法为：将所得部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液用蒸馏水稀释至0.3-0.5 wt %；超声处理的时间为2-5分钟；真空过滤的具体方法为：利用内部设置有孔径为0.1微米的聚四氟乙烯膜的真空抽滤器进行真空过滤。

进一步地，步骤4）中明胶溶液的浓度为5wt-10 wt%，浸渍过程在40℃的温度下进行，浸渍时间为12小时。

进一步地，步骤4）还包括浸渍后，将含明胶的部分脱乙酰甲壳素纳米纤维膜从明胶溶液中移出，除去表面多余的明胶，然后在4℃下储存2-4小时的步骤。

进一步地，步骤5中）醌交联反应溶液的制备方法为：配制0.1M、pH = 7.4的磷酸二氢钾/氢氧化钠缓冲溶液30ml，在缓冲溶液中加入醋酸铜和对苯二酚，搅拌均匀后即得。

进一步地，步骤5中）醌交联反应的时间控制为6-48小时。

进一步地，所述甲壳素来源为废弃虾蟹壳。

另外，本发明还提供了一种仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶，其由上述仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶制备方法制备而得。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1）本发明独创性地模仿自然界昆虫表皮硬化现象，基于昆虫表皮甲壳素纳米纤维骨架-蛋白质基质结构，采用醌交联反应，制备高强度甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶；

2）通过对甲壳素纳米纤维进行部分脱乙酰处理，提高醌交联反应效率，进一步提高了复合凝胶的拉伸强度，解决了常见水凝胶机械性能与承载力差的问题，该实验方法操作简单、快速，凝胶合成只需要在室温条件下浸泡处理即可。

3）通过调整醌交联反应时间，可有效控制该部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶的力学强度，经力学性能测试：该复合凝胶的拉伸强度可达3.01 MPa，为未经醌交联反应样品拉伸强度的7倍；本发明所得复合凝胶在生物医学软组织工程等急需高强度凝胶材料等应用中显示出巨大的潜力；

4）本发明中的甲壳素来源主要包括废弃虾蟹壳，体现了对废弃农副产品剩余物的综合利用，节约了生产成本，提高了产品的附加值；此外，甲壳素和明胶作为原材料具有天然的生物相容性和可持续性等优点，符合环境保护与可持续发展原则。

附图说明

图1 示出了本发明实施例4制备的部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶的表面（左）、断面（右）微观结构图；

图2示出了本发明实施例4中经醌交联处理制得的部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶与对比例中未经醌交联处理的部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜的拉伸应力-应变曲线图；

图3示出了醌交联反应时间由6小时至48小时所对应的复合凝胶样品的外观形态变化。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

以下为本发明的仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶制备方法的具体步骤：

1）将10-20g甲壳素粉末（来源于废弃虾蟹壳）置于500-800ml，30 wt%-35 wt%NaOH溶液中，80-90℃条件下机械搅拌2-4小时，对甲壳素进行部分脱乙酰化处理。通过真空抽滤，将所得部分脱乙酰甲壳素进行充分冲洗直至中性。

2）使用1 wt%浓度的乙酸溶液将上述部分脱乙酰甲壳素稀释至0.8-1wt%，并通过研磨机进行研磨处理，制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液。研磨条件为：研磨机转速为1500 rpm/min，磨盘间隙为0.25-0.35 mm。

3）用蒸馏水将上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液稀释至0.3-0.5 wt %，超声处理2-5分钟，再将孔径为0.1微米的聚四氟乙烯膜置于真空抽滤器中砂芯漏斗内，通过真空过滤将悬浮液脱水，以制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维湿膜。

4）将上述湿膜样品浸渍于20ml, 5wt-10 wt%明胶溶液中，并置于40℃烘箱中，以促进明胶分子充分浸入纳米纤维膜内；12小时后，将含明胶的部分脱乙酰甲壳素纳米纤维膜从明胶溶液中移出，并用滤纸除去表面多余的明胶，在4℃下储存2-4小时，制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜。

5） 配置0.1M，pH = 7.4的磷酸二氢钾/氢氧化钠缓冲溶液30ml，在缓冲溶液中加入5-8 mg 醋酸铜和6-10 mg对苯二酚，搅拌均匀后制得用于醌交联反应的溶液；再将上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜在室温下浸入配置好的醌交联反应溶液中，反应时间控制为6-48小时；待反应完全后，将上述部分样品充分冲洗，以去除未反应的化学残余物，最终制备获得部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶。将样品储存于水中待测。

6）利用万能力学实验机、扫描电子显微镜（FE-SEM）、X射线衍射仪(XRD)等对上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶的力学性能、微观结构、结晶结构等进行表征。

实施例1

1）将20g甲壳素粉末置于800ml，33 wt% NaOH溶液中，90℃条件下机械搅拌4小时，对甲壳素进行部分脱乙酰化处理，经元素分析测试后得甲壳素的脱乙酰度为40%。通过真空抽滤，将所得部分脱乙酰甲壳素样品进行充分冲洗直至中性。

2）使用1 wt%浓度的乙酸溶液将上述部分脱乙酰甲壳素稀释至0.8 wt%，并通过研磨机进行研磨处理，制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液。研磨条件为：研磨机转速为1500 rpm/min，磨盘间隙为0.3 mm。

3）用蒸馏水将上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液稀释至0.5 wt %，超声处理2分钟，再将孔径为0.1微米的聚四氟乙烯膜置于真空抽滤器中砂芯漏斗内，通过真空过滤将悬浮液脱水，以制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维湿膜。

4）将上述湿膜样品浸渍于20ml, 10 wt%明胶溶液中，并置于40℃烘箱中；12小时后，将含明胶的部分脱乙酰甲壳素纳米纤维膜从明胶溶液中移出，并用滤纸除去表面多余的明胶，在4℃下储存2小时，制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜。

5） 配置0.1M，pH = 7.4的磷酸二氢钾/氢氧化钠缓冲溶液30ml，在缓冲溶液中加入6 mg 醋酸铜和8 mg对苯二酚，搅拌均匀后制得用于醌交联反应的试剂；再将上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜在室温下浸入配置好的醌交联反应试剂，反应时间为6小时，待反应完全后，将上述部分样品充分冲洗制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶，待测。

6）利用万能力学实验机、扫描电子显微镜（FE-SEM）、X射线衍射仪(XRD)等对上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶的力学性能、微观结构、结晶结构等进行表征。具体测试条件为：用场发射扫描电子显微镜( FE - SEM，JSM - 6700F日本东京JEOL有限公司)观察样品的表面及断面结构。使用X射线衍射仪( UltraX 18HF；东京里加库公司) 在40kV，300毫安条件下，以1 度/分钟的扫描速度，在5到40度的范围内记录衍射图，所有样品在测试前均干燥处理。将待测复合凝胶膜切成宽度为5mm、长度为35mm的样条，将万能力学试验机（Model3365; Instron Corp., Canton, MA）加载速度设定为10 mm/min，测试样品的拉伸强度以及杨氏模量等。所有数据都被报告为至少五个样本测量的平均值。拉伸性能测试结果表明，复合凝胶断裂伸长率为35.2± 3.1%、弹性模量为5.20± 0.21MPa、拉伸强度为1.87± 0.24 MPa；XRD测试结果表明，脱乙酰化反应仅作用于甲壳素表面，且凝胶化反应并未影响其原有的结晶结构；FE-SEM表征结果表明复合凝胶膜表面较平整，能清晰观察到直径为20-50nm的甲壳素纳米纤维，且纤维孔洞中填充明胶基质；其断面呈现均匀的层状结构，赋予复合凝胶优异的力学强度。

实施例2

1）将10g甲壳素粉末置于500ml，30 wt% NaOH溶液中，80℃条件下机械搅拌4小时，对甲壳素进行部分脱乙酰化处理，经元素分析测试后得甲壳素的脱乙酰度为30%。通过真空抽滤，将所得部分脱乙酰甲壳素样品进行充分冲洗直至中性。

2）使用1 wt%浓度的乙酸溶液将上述部分脱乙酰甲壳素稀释至1 wt%，并通过研磨机进行研磨处理，制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液。研磨条件为：研磨机转速为1500rpm/min，磨盘间隙为0.35 mm。

3）用蒸馏水将上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液稀释至0.3 wt %，超声处理5分钟，再将孔径为0.1微米的聚四氟乙烯膜置于真空抽滤器中砂芯漏斗内，通过真空过滤将悬浮液脱水，以制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维湿膜。

4）将上述湿膜样品浸渍于20ml, 8 wt%明胶溶液中，并置于40℃烘箱中；12小时后，将含明胶的部分脱乙酰甲壳素纳米纤维膜从明胶溶液中移出，并用滤纸除去表面多余的明胶，在4℃下储存2小时，制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜。

5） 配置0.1M，pH = 7.4的磷酸二氢钾/氢氧化钠缓冲溶液30ml，在缓冲溶液中加入8 mg 醋酸铜和10 mg对苯二酚，搅拌均匀后制得用于醌交联反应的试剂；再将上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜在室温下浸入配置好的醌交联反应试剂，反应时间为12小时，待反应完全后，将上述部分样品充分冲洗制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶，待测。

6）利用万能力学实验机、扫描电子显微镜（FE-SEM）、X射线衍射仪(XRD)等对上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶的力学性能、微观结构、结晶结构等进行表征。具体测试条件为：用场发射扫描电子显微镜( FE - SEM，JSM - 6700F日本东京JEOL有限公司)观察样品的表面结构。使用X射线衍射仪( UltraX 18HF；东京里加库公司) 在40kV，300毫安条件下，以1 度/分钟的扫描速度，在5到40度的范围内记录衍射图，所有样品在测试前均干燥处理。将待测复合凝胶膜切成宽度为5mm，长度为35mm的样条，将万能力学试验机（Model3365; Instron Corp., Canton, MA）加载速度设定为10 mm/min，测试样品的拉伸强度以及杨氏模量等。所有数据都被报告为至少五个样本测量的平均值。拉伸性能测试结果表明，复合凝胶断裂伸长率为30.2± 2.6%、弹性模量为7.20± 0.26MPa、拉伸强度为2.37± 0.18 MPa；XRD测试结果表明，脱乙酰化反应仅作用于甲壳素表面，且凝胶化反应并未影响其原有的结晶结构；FE-SEM表征结果表明复合凝胶膜表面较平整，能清晰观察到直径为30-50nm的甲壳素纳米纤维，且纤维孔洞中填充明胶基质；其断面呈现均匀的层状结构，赋予复合凝胶优异的力学强度。

实施例3

1）将10g甲壳素粉末置于600ml，35 wt% NaOH溶液中，90℃条件下机械搅拌3小时，对甲壳素进行部分脱乙酰化处理，经元素分析测试后得甲壳素的脱乙酰度为35%。通过真空抽滤，将所得部分脱乙酰甲壳素样品进行充分冲洗直至中性。

2）使用1 wt%浓度的乙酸溶液将上述部分脱乙酰甲壳素稀释至0.8 wt%，并通过研磨机进行研磨处理，制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液。研磨条件为：研磨机转速为1500 rpm/min，磨盘间隙为0.25 mm。

3）用蒸馏水将上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液稀释至0.5 wt %，超声处理2分钟，再将孔径为0.1微米的聚四氟乙烯膜置于真空抽滤器中砂芯漏斗内，通过真空过滤将悬浮液脱水，以制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维湿膜。

4）将上述湿膜样品浸渍于20ml, 5 wt%明胶溶液中，并置于40℃烘箱中；12小时后，将含明胶的部分脱乙酰甲壳素纳米纤维膜从明胶溶液中移出，并用滤纸除去表面多余的明胶，在4℃下储存4小时，制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜。

5） 配置0.1M，pH = 7.4的磷酸二氢钾/氢氧化钠缓冲溶液30ml，在缓冲溶液中加入8 mg 醋酸铜和8 mg对苯二酚，搅拌均匀后制得用于醌交联反应的试剂；再将上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜在室温下浸入配置好的醌交联反应试剂，反应时间为48小时，待反应完全后，将上述部分样品充分冲洗制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶，待测。

6）利用万能力学实验机、扫描电子显微镜（FE-SEM）、X射线衍射仪(XRD)等对上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶的力学性能、微观结构、结晶结构等进行表征。具体测试条件为：用场发射扫描电子显微镜( FE - SEM，JSM - 6700F日本东京JEOL有限公司)观察样品的表面结构。使用X射线衍射仪( UltraX 18HF；东京里加库公司) 在40kV，300毫安条件下，以1 度/分钟的扫描速度，在5到40度的范围内记录衍射图，所有样品在测试前均干燥处理。将待测复合凝胶膜切成宽度为5mm，长度为35mm的样条，将万能力学试验机（Model3365; Instron Corp., Canton, MA）加载速度设定为10 mm/min，测试样品的拉伸强度以及杨氏模量等。所有数据都被报告为至少五个样本测量的平均值。拉伸性能测试结果表明，复合凝胶断裂伸长率为19.2± 1.6%、弹性模量为9.25± 0.32MPa、拉伸强度为2.52± 0.23 MPa；XRD测试结果表明，脱乙酰化反应仅作用于甲壳素表面，且凝胶化反应并未影响其原有的结晶结构；FE-SEM表征结果表明复合凝胶膜表面较平整，能清晰观察到直径为50nm左右的甲壳素纳米纤维，且纤维孔洞中填充明胶基质；其断面呈现均匀的层状结构，赋予复合凝胶优异的力学强度。

实施例4

1）将10g甲壳素粉末置于600ml，33 wt% NaOH溶液中，90℃条件下机械搅拌4小时，对甲壳素进行部分脱乙酰化处理，经元素分析测试后得甲壳素的脱乙酰度为40%。通过真空抽滤，将所得部分脱乙酰甲壳素样品进行充分冲洗直至中性。

2）使用1 wt%浓度的乙酸溶液将上述部分脱乙酰甲壳素稀释至1 wt%，并通过研磨机进行研磨处理，制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液。研磨条件为：研磨机转速为1500rpm/min，磨盘间隙为0.35 mm。

3）用蒸馏水将上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液稀释至0.5 wt %，超声处理5分钟，再将孔径为0.1微米的聚四氟乙烯膜置于真空抽滤器中砂芯漏斗内，通过真空过滤将悬浮液脱水，以制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维湿膜。

4）将上述湿膜样品浸渍于20ml, 10 wt%明胶溶液中，并置于40℃烘箱中；12小时后，将含明胶的部分脱乙酰甲壳素纳米纤维膜从明胶溶液中移出，并用滤纸除去表面多余的明胶，在4℃下储存4小时，制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜。

5） 配置0.1M，pH = 7.4的磷酸二氢钾/氢氧化钠缓冲溶液30ml，在缓冲溶液中加入5 mg 醋酸铜和6 mg对苯二酚，搅拌均匀后制得用于醌交联反应的试剂；再将上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜在室温下浸入配置好的醌交联反应试剂，反应时间为24小时，待反应完全后，将上述部分样品充分冲洗制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶，待测。

6）利用万能力学实验机、扫描电子显微镜（FE-SEM）、X射线衍射仪(XRD)等对上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶的力学性能、微观结构、结晶结构等进行表征。具体测试条件为：用场发射扫描电子显微镜( FE - SEM，JSM - 6700F日本东京JEOL有限公司)观察样品的表面结构。使用X射线衍射仪( UltraX 18HF；东京里加库公司) 在40kV，300毫安条件下，以1度/分钟的扫描速度，在5到40度的范围内记录衍射图，所有样品在测试前均干燥处理。将待测复合凝胶膜切成宽度为5mm、长度为35mm的样条，将万能力学试验机（Model3365; Instron Corp., Canton, MA）加载速度设定为10 mm/min，测试样品的拉伸强度以及杨氏模量等。所有数据都被报告为至少五个样本测量的平均值。拉伸性能测试结果表明，复合凝胶断裂伸长率为29.4± 1.3%、弹性模量为8.37± 0.52MPa、拉伸强度为2.43± 0.18 MPa；XRD测试结果表明，脱乙酰化反应仅作用于甲壳素表面，且凝胶化反应并未影响其原有的结晶结构；FE-SEM表征结果表明复合凝胶膜表面较平整，能清晰观察到直径为30-50nm左右的甲壳素纳米纤维，且纤维孔洞中填充明胶基质；其断面呈现均匀的层状结构，赋予复合凝胶优异的力学强度。

实施例5

1）将10g甲壳素粉末置于500ml，33 wt% NaOH溶液中，90℃条件下机械搅拌4小时，对甲壳素进行部分脱乙酰化处理，经元素分析测试后得甲壳素的脱乙酰度为40%。通过真空抽滤，将所得部分脱乙酰甲壳素样品进行充分冲洗直至中性。

2）使用1 wt%浓度的乙酸溶液将上述部分脱乙酰甲壳素稀释至0.8 wt%，并通过研磨机进行研磨处理，制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液。研磨条件为：研磨机转速为1500 rpm/min，磨盘间隙为0.35 mm。

3）用蒸馏水将上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液稀释至0.3 wt %，超声处理5分钟，再将孔径为0.1微米的聚四氟乙烯膜置于真空抽滤器中砂芯漏斗内，通过真空过滤将悬浮液脱水，以制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维湿膜。

4）将上述湿膜样品浸渍于20ml, 10 wt%明胶溶液中，并置于40℃烘箱中；12小时后，将含明胶的部分脱乙酰甲壳素纳米纤维膜从明胶溶液中移出，并用滤纸除去表面多余的明胶，在4℃下储存4小时，制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜。

5） 配置0.1M，pH = 7.4的磷酸二氢钾/氢氧化钠缓冲溶液30ml，在缓冲溶液中加入6 mg 醋酸铜和8 mg对苯二酚，搅拌均匀后制得用于醌交联反应的试剂；再将上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜在室温下浸入配置好的醌交联反应试剂，反应时间为24小时，待反应完全后，将上述部分样品充分冲洗制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶，待测。

6）利用万能力学实验机、扫描电子显微镜（FE-SEM）、X射线衍射仪(XRD)等对上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶的力学性能、微观结构、结晶结构等进行表征。具体测试条件为：用场发射扫描电子显微镜( FE - SEM，JSM - 6700F日本东京JEOL有限公司)观察样品的表面结构。使用X射线衍射仪( UltraX 18HF；东京里加库公司) 在40kV，300毫安条件下，以1 度/分钟的扫描速度，在5到40度的范围内记录衍射图，所有样品在测试前均干燥处理。将待测复合凝胶膜切成宽度为5mm，长度为35mm的样条，将万能力学试验机（Model3365; Instron Corp., Canton, MA）加载速度设定为10 mm/min，测试样品的拉伸强度以及杨氏模量等。所有数据都被报告为至少五个样本测量的平均值。拉伸性能测试结果表明，复合凝胶断裂伸长率为27.2± 2.4%、弹性模量为10.65± 0.37MPa、拉伸强度为3.01± 0.23 MPa；XRD测试结果表明，脱乙酰化反应仅作用于甲壳素表面，且凝胶化反应并未影响其原有的结晶结构；FE-SEM表征结果表明复合凝胶膜表面较平整，能清晰观察到直径为20-50nm左右的甲壳素纳米纤维，且纤维孔洞中填充明胶基质；其断面呈现均匀的层状结构，赋予复合凝胶优异的力学强度（如图1所示）。

下面将在实施例5的基础上给出对比例，以对经醌交联处理得到的部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶与未经醌交联处理的部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜的力学性能进行比较。

对比例

1）将10g甲壳素粉末置于500ml，33 wt% NaOH溶液中，90℃条件下机械搅拌4小时，对甲壳素进行部分脱乙酰化处理，经元素分析测试后得甲壳素的脱乙酰度为40%。通过真空抽滤，将所得部分脱乙酰甲壳素样品进行充分冲洗直至中性。

2）使用1 wt%浓度的乙酸溶液将上述部分脱乙酰甲壳素稀释至0.8 wt%，并通过研磨机进行研磨处理，制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液。研磨条件为：研磨机转速为1500 rpm/min，磨盘间隙为0.35 mm。

3）用蒸馏水将上述部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液稀释至0.3 wt %，超声处理5分钟，再将孔径为0.1微米的聚四氟乙烯膜置于真空抽滤器中砂芯漏斗内，通过真空过滤将悬浮液脱水，以制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维湿膜。

4）将上述湿膜样品浸渍于20ml, 10 wt%明胶溶液中，并置于40℃烘箱中；12小时后，将含明胶的部分脱乙酰甲壳素纳米纤维膜从明胶溶液中移出，并用滤纸除去表面多余的明胶，在4℃下储存4小时，制备部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜。

5）利用万能力学实验机对上述4℃下储存4小时后所得部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜的力学性能进行表征。具体测试条件为：将待测复合膜切成宽度为5mm，长度为35mm的样条，将万能力学试验机（Model3365; Instron Corp., Canton, MA）加载速度设定为10 mm/min，测试样品的拉伸强度以及杨氏模量等。所有数据都被报告为至少五个样本测量的平均值。拉伸性能测试结果表明，弹性模量为1.95 ± 0.21MPa、拉伸强度为0.43 ±0.04 MPa。

通过实施例5与对比例比较可知，本发明所述醌交联反应同时作用于甲壳素纳米纤维以及明胶，由于甲壳素纳米纤维与明胶分子之间发生了交联反应，使得经醌交联处理制备的复合凝胶拉伸强度与弹性模量较未经醌交联处理的样品拉伸强度和弹性模量分别由0.43MPa、1.95MPa提高至3.01MPa、10.65MPa （如图2所示）。

另外，由实施例1至5可知：通过调控醌交联反应时间，所得复合凝胶的力学性能能够被有效调控；且其外观颜色随着醌交联反应时间由浅棕色逐渐变至深棕色，与自然界昆虫甲壳色彩相似。

以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对甲壳素进行部分脱乙酰化处理，得到部分脱乙酰甲壳素；

2)将所得部分脱乙酰甲壳素用乙酸溶液稀释后进行研磨处理，得到部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液；

3)将所得部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液用蒸馏水稀释、超声处理、真空过滤，得到部分脱乙酰甲壳素纳米纤维湿膜；

4)将所得部分脱乙酰甲壳素纳米纤维湿膜浸渍于明胶溶液中直至明胶分子充分浸入部分脱乙酰甲壳素纳米纤维膜内，得到部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜；

5)将所得部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合膜浸入醌交联反应溶液中使其在室温下发生醌交联反应，得到部分脱乙酰甲壳素纳米纤维/明胶复合凝胶；

其中，步骤1)中对甲壳素进行部分脱乙酰化处理的具体方法为：将甲壳素粉末置于30wt％-35wt％NaOH溶液中，80-90℃条件下机械搅拌2-4小时，得到部分脱乙酰化的甲壳素碱性产物，然后通过真空抽滤，将所得部分脱乙酰化的甲壳素碱性产物充分冲洗至中性，制得部分脱乙酰甲壳素。

2.根据权利要求1所述的仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶制备方法，其特征在于，步骤2)中用乙酸溶液稀释的具体方法为：使用浓度为1wt％的乙酸溶液将所得部分脱乙酰甲壳素稀释至0.8-1wt％；研磨的条件为：研磨机转速为1500rpm/min，磨盘间隙为0.25-0.35mm。

3.根据权利要求1所述的仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶制备方法，其特征在于，步骤3)中用蒸馏水稀释的具体方法为：将所得部分脱乙酰甲壳素纳米纤维悬浮液用蒸馏水稀释至0.3-0.5wt％；超声处理的时间为2-5分钟；真空过滤的具体方法为：利用内部设置有孔径为0.1微米的聚四氟乙烯膜的真空抽滤器进行真空过滤。

4.根据权利要求1所述的仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶制备方法，其特征在于，步骤4)中明胶溶液的浓度为5wt-10wt％，浸渍过程在40℃的温度下进行，浸渍时间为12小时。

5.根据权利要求1所述的仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶制备方法，其特征在于，步骤4)还包括浸渍后，将含明胶的部分脱乙酰甲壳素纳米纤维膜从明胶溶液中移出，除去表面多余的明胶，然后在4℃下储存2-4小时的步骤。

6.根据权利要求1所述的仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶制备方法，其特征在于，步骤5中)醌交联反应溶液的制备方法为：配制0.1M、pH＝7.4的磷酸二氢钾/氢氧化钠缓冲溶液，在缓冲溶液中加入醋酸铜和对苯二酚，搅拌均匀后即得。

7.根据权利要求1所述的仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶制备方法，其特征在于，步骤5中)醌交联反应的时间控制为6-48小时。

8.根据权利要求1所述的仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶制备方法，其特征在于，所述甲壳素来源为废弃虾蟹壳。

9.一种仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶，其由权利要求1-8任一项所述的仿昆虫表皮结构的高强度水凝胶制备方法制备而得。

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