CN110894301A - 可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶及其制备方法，通过自由基引发丙烯腈(AN)和甲基丙烯酰化明胶(GelMA)在二甲基亚砜(DMSO)中交联聚合，再将得到的有机凝胶浸泡在磷酸盐缓冲液(PBS)中，制得可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶。本发明体系简单，制备方法便捷，实现了“较高的力学强度”与“生物可降解性能”的结合，且表现出优良的生物相容性，具有潜在的生物医用价值。
Description
技术领域
本发明涉及高强度水凝胶技术领域，更具体地说涉及一种可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶及其制备方法。
背景技术
为了解决传统水凝胶力学性能较差的问题，研究人员对于高强度水凝胶的构建方法进行了大量探索，并开发了一系列高强凝胶体系，如双网络水凝胶、氢键增强水凝胶、偶极-偶极相互作用增强水凝胶等。然而，大多数高强度水凝胶由合成高分子构成，故生物相容性较差且在生物体内不可降解，因而大大限制了高强度水凝胶在承载组织工程支架方面的应用。
天然高分子广泛存在于自然界，具有优良的生物相容性和可生物降解性能，然而大多数天然高分子水凝胶的力学性能较差，无法承受较高的载荷。
以天然高分子(如明胶等)作为基体，通过引入在水中可稳定存在的物理作用(如氢键作用、偶极-偶极相互作用)，可以构建同时具有“优良力学性能”与“优良生物性能”的天然高分子基水凝胶。其中，天然高分子基体作为“生物组分”，为体系提供了优良的生物相容性和可生物降解性能；稳定的物理相互作用作为“力学增强组分”，为体系提供了“高模量”和“高强度”的力学行为。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶及其制备方法，利用甲基丙烯酸酐对明胶进行改性，获得甲基丙烯酰化明胶(GelMA)，再将甲基丙烯酰化明胶(GelMA)、丙烯腈(AN)、光引发剂2959和二甲基亚砜(DMSO)混合，待单体充分溶解后置于紫外交联仪中进行UV辐照接枝共聚得到具有优良生物相容性的可生物降解高强度水凝胶，该凝胶实现了“较高的力学强度”与“生物可降解性能”的结合，且表现出优良的生物相容性，具有潜在的生物医用价值。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶及其制备方法，按照下述步骤进行：
步骤1，35-45℃下，将明胶溶于去离子水中，并用氢氧化钠将明胶溶液调至pH 7-9后，向上述溶液中缓慢加入N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)，搅拌10-20min使之完全分散后，再向其中缓慢滴加甲基丙烯酸酐，搅拌反应1-10h后，无水乙醇沉降、抽滤后，将上述产物溶于去离子水中透析2-4天每天更换2-3次水后，将所得液体进行冷冻干燥处理，即得到甲基丙烯酰化明胶(GelMA)，其中，明胶溶液中明胶与去离子水的固液比为1:(40-60)(g/mL)，去离子水与DMF的体积比为(4-2):(3-1)，沉降时无水乙醇与反应液的体积比为(9-12):1，明胶与甲基丙烯酸酐的比例为2:(145-582)(g/μL)，溶解产物时，产物与所需去离子水的固液比为1:(30-50)(g/mL)；
步骤2，将步骤1制备得到的甲基丙烯酰化明胶(GelMA)与丙烯腈(AN)置于离心管中，加入二甲基亚砜(DMSO)，涡旋后，放入35-40℃的恒温培养箱中使之完全溶解，再向其中加入光引发剂，涡旋溶解，获得预聚物溶液，其中，甲基丙烯酰化明胶(GelMA)与丙烯腈(AN)的质量比为(1-4):1，总体固含量为8-16wt％，光引发剂的加入量为甲基丙烯酰化明胶(GelMA)与丙烯腈(AN)总质量的1-2％，总体固含量为甲基丙烯酰化明胶(GelMA)和丙烯腈(AN)的质量之和/(甲基丙烯酰化明胶(GelMA)、丙烯腈(AN)和二甲基亚砜(DMSO)的质量之和)；
步骤3，将步骤2制备得到的预聚物溶液注入模具中，放入紫外交联仪内进行聚合，反应时间为40-60min后，除去模具，获得有机凝胶；
步骤4，将步骤3制备得到的有机凝胶浸泡在20-25℃的磷酸盐缓冲液(PBS)中进行溶剂交换以及除去杂质，得到可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶。
在步骤1中，明胶与甲基丙烯酸酐的比例为2:(290-295)(g/μL)。
在步骤1中，明胶与甲基丙烯酸酐的反应时间为2-3h。
在步骤1中，溶解产物时，产物与所需去离子水的固液比为1:(45-50)(g/mL)。
在步骤2中，所述的光引发剂采用IRGACURE 2959，光引发剂用量为甲基丙烯酰化明胶(GelMA)与丙烯腈(AN)总质量的1-2％。
在步骤2中，甲基丙烯酰化明胶(GelMA)与丙烯腈(AN)的质量比为(1-3):1，总体固含量为9-15wt％。
在步骤3中，预聚物溶液在紫外交联仪内辐照时间为40-50min。
如图1所示，将凝胶裁成哑铃型试样(有效长度10mm，宽2mm，厚度0.5mm)后，以100mm/min的应变速率进行拉伸，得到的水凝胶杨氏模量为0.046-1.238MPa，断裂应力为0.25-1.53MPa；此外，将凝胶裁成圆柱状试样后，以10mm/min的应变速率进行压缩，得到的水凝胶压缩模量为0.022-0.534MPa，应变80％下的压缩强度为0.37-1.66MPa。本图证明，本发明制备得到的水凝胶具有“高强度”、“高模量”的力学特性，且可以通过改变固含量和GelMA/AN质量比来调节水凝胶的力学性能。
如图2所示，将凝胶裁成圆形试样(直径10mm，厚度2mm)后，用电子天平称量初始质量M0。之后，将总体固含量为15wt％的可生物降解的天然高分子基高强度(GelMA-PAN)水凝胶放入50mL的离心管中，加入10mL PBS溶液(pH 7.4)和120μL浓度为1mg/mL的II型胶原酶的PBS溶液，并置于37℃的恒温培养箱中进行培养，一定时间后取出凝胶，用滤纸将表面水分擦干，用电子天平进行称量，记录质量Mt。通过以下公式计算残余质量百分比(％)：
图2证明，本发明制备得到的水凝胶可以在II型胶原酶环境中发生降解，且可以通过改变GelMA/AN质量比来调节凝胶的降解速率。
如图3所示，由图中可以看出，L929细胞呈现出伸展形态，且均匀分散在凝胶表面。本图说明，L929细胞可以较好的黏附在GelMA-PAN水凝胶表面。
如图4所示，由图中可以看出，总体固含量为15wt％的GelMA-PAN水凝胶表现出较低的细胞毒性，GelMA-PAN-15-2和GelMA-PAN-15-3的细胞存活率均达到80％以上。本图说明，本发明制备得到的水凝胶具有良好的生物相容性。
本发明的有益效果为：本发明体系简单，制备方法便捷，实现了“较高的力学强度”与“生物可降解性能”的结合，且表现出优良的生物相容性，具有潜在的生物医用价值。
附图说明
图1是本发明实施例1、2、3制备得到的水凝胶的力学性能测试图，其中a为压缩性能测试图，b为拉伸性能测试图，其中1为实施例3制备得到的水凝胶，2为实施例2制备得到的水凝胶，3为实施例1制备得到的水凝胶；
图2是本发明实施例4、5、6制备得到的水凝胶的力学性能测试图，其中a为压缩性能测试图，b为拉伸性能测试图，其中1为实施例6制备得到的水凝胶，2为实施例2制备得到的水凝胶，3为实施例4制备得到的水凝胶；
图3是本发明实施例7、8、9制备得到的水凝胶的力学性能测试图，其中a为压缩性能测试图，b为拉伸性能测试图，其中1为实施例9制备得到的水凝胶，2为实施例8制备得到的水凝胶，3为实施例7制备得到的水凝胶；
图4是本发明实施例1、2、3制备得到的水凝胶的体外酶降解曲线，其中GelMA-PAN-15-3为实施例1制备得到的水凝胶，GelMA-PAN-15-2为实施例2制备得到的水凝胶，GelMA-PAN-15-1为实施例3制备得到的水凝胶；
图5为本发明实施例1、2、3制备得到的水凝胶的细胞黏附情况，其中GelMA-PAN-15-3为实施例1制备得到的水凝胶，GelMA-PAN-15-2为实施例2制备得到的水凝胶，GelMA-PAN-15-1为实施例3制备得到的水凝胶；
图6为本发明实施例1、2、3制备得到的水凝胶的体外细胞毒性结果，其中GelMA-PAN-15-3为实施例1制备得到的水凝胶，GelMA-PAN-15-2为实施例2制备得到的水凝胶，GelMA-PAN-15-1为实施例3制备得到的水凝胶。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
步骤1，35℃下，将2g明胶溶于100mL去离子水中，并用氢氧化钠溶液将反应液调至pH 7。之后，缓慢加入66mL N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)，搅拌10min使之完全分散后，加入291μL甲基丙烯酸酐，搅拌反应2h。反应结束后，将反应液倒入1.5L无水乙醇中进行沉降，抽滤获得产物。最后，在35℃下，将产物溶于100mL去离子水中，用透析膜进行透析3d，每天更换两次水，并将透析后的液体进行冷冻干燥处理，获得白色泡沫状物质—甲基丙烯酰化明胶(GelMA)。
步骤2，用电子分析天平称量1.125g的GelMA，放入10mL离心管中，用移液枪量取8500μL的DMSO，涡旋后置于37℃恒温培养箱内使其完全溶解后，加入463μL AN，然后加入0.0015g的2959光引发剂，涡旋使之完全溶解。
步骤3，用注射器将步骤2制备得到的预聚物溶液注入模具中，放入紫外交联仪内进行聚合交联，辐照时间为40min。反应结束后，除去模具，得到有机凝胶。
步骤4，将步骤3制备得到的有机凝胶浸泡在25℃的磷酸盐缓冲液(PBS)中进行溶剂交换以及除去杂质，每日更换3次，持续5天，得到生物可降解的天然高分子基高强度水凝胶。
实施例2
步骤1，40℃下，将2g明胶溶于100mL去离子水中，并用氢氧化钠溶液将反应液调至pH 8。之后，缓慢加入66mL N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)，搅拌15min使之完全分散后，加入291μL甲基丙烯酸酐，搅拌反应10h。反应结束后，将反应液倒入1.5L无水乙醇中进行沉降，抽滤获得产物。最后，在37℃下，将产物溶于100mL去离子水中，用透析膜进行透析2d，每天更换三次水，并将透析后的液体进行冷冻干燥处理，获得白色泡沫状物质—甲基丙烯酰化明胶(GelMA)。
步骤2，用电子分析天平称量1.0g的GelMA，放入10mL离心管中，用移液枪量取8500μL的DMSO，并置入37℃恒温培养箱内使其完全溶解后，加入617μL AN，然后加入0.0015g的2959光引发剂，涡旋使之完全溶解。
步骤3，用注射器将步骤2制备得到的预聚物溶液注入模具中，放入紫外交联仪内进行聚合交联，辐照时间为40min。反应结束后，除去模具，得到有机凝胶；
步骤4，将步骤3制备得到的有机凝胶浸泡在25℃的磷酸盐缓冲液(PBS)中进行溶剂交换并除去杂质，每日更换3次，持续5天，得到生物可降解的天然高分子基高强度水凝胶。
实施例3
步骤1，45℃下，将2g明胶溶于100mL去离子水中，并用氢氧化钠溶液将反应液调至pH 9。之后，缓慢加入66mL N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)，搅拌20min使之完全分散后，加入291μL甲基丙烯酸酐，搅拌反应9h。反应结束后，将反应液倒入1.5L无水乙醇中进行沉降，抽滤获得产物。最后，在40℃下，将产物溶于100mL去离子水中，用透析膜进行透析4d，每天更换两次水，并将透析后的液体进行冷冻干燥处理，获得白色泡沫状物质—甲基丙烯酰化明胶(GelMA)。
步骤2，分别用分析天平称量0.75g的GelMA，放入10mL离心管中，用移液枪量取8500μL的DMSO，涡旋后置于37℃恒温培养箱内使其完全溶解后，加入926μL AN，然后加入0.0015g的2959光引发剂，涡旋使之完全溶解。
步骤3，用注射器将步骤2制备得到的预聚物溶液注入模具中，放入紫外交联仪内进行聚合交联，辐照时间为40min。反应结束后，除去模具，得到有机凝胶；
步骤4，将步骤3制备得到的有机凝胶浸泡在25℃的磷酸盐缓冲液(PBS)中进行溶剂交换并除去杂质，每日更换3次，持续5天，得到生物可降解的天然高分子基高强度水凝胶。
实施例4
步骤1，35℃下，将2g明胶溶于100mL去离子水中，并用氢氧化钠溶液将反应液调至pH 7。之后，缓慢加入66mL N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)，搅拌10min使之完全分散后，加入291μL甲基丙烯酸酐，搅拌反应8h。反应结束后，将反应液倒入1.5L无水乙醇中进行沉降，抽滤获得产物。最后，在35℃下，将产物溶于100mL去离子水中，用透析膜进行透析3d，每天更换两次水，并将透析后的液体进行冷冻干燥处理，获得白色泡沫状物质—甲基丙烯酰化明胶(GelMA)。
步骤2，用电子分析天平称量0.9g的GelMA，放入10mL离心管中，用移液枪量取8800μL的DMSO，涡旋后置于35℃恒温培养箱内使其完全溶解后，加入370μL AN，然后加入0.0012g的2959光引发剂，涡旋使之完全溶解。
步骤3，用注射器将步骤2制备得到的预聚物溶液注入模具中，放入紫外交联仪内进行聚合交联，辐照时间为40min。反应结束后，除去模具，得到有机凝胶。
步骤4，将步骤3制备得到的有机凝胶浸泡在25℃的磷酸盐缓冲液(PBS)中进行溶剂交换以及除去杂质，每日更换3次，持续5天，得到生物可降解的天然高分子基高强度水凝胶。
实施例5
步骤1，40℃下，将2g明胶溶于100mL去离子水中，并用氢氧化钠溶液将反应液调至pH 7。之后，缓慢加入66mL N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)，搅拌15min使之完全分散后，加入291μL甲基丙烯酸酐，搅拌反应6h。反应结束后，将反应液倒入1.5L无水乙醇中进行沉降，抽滤获得产物。最后，在35℃下，将产物溶于100mL去离子水中，用透析膜进行透析3d，每天更换两次水，并将透析后的液体进行冷冻干燥处理，获得白色泡沫状物质—甲基丙烯酰化明胶(GelMA)。
步骤2，用电子分析天平称量0.8g的GelMA，放入10mL离心管中，用移液枪量取8800μL的DMSO，涡旋后置于36℃恒温培养箱内使其完全溶解后，加入494μL AN，然后加入0.0012g的2959光引发剂，涡旋使之完全溶解。
步骤3，用注射器将步骤2制备得到的预聚物溶液注入模具中，放入紫外交联仪内进行聚合交联，辐照时间为40min。反应结束后，除去模具，得到有机凝胶。
步骤4，将步骤3制备得到的有机凝胶浸泡在25℃的磷酸盐缓冲液(PBS)中进行溶剂交换以及除去杂质，每日更换3次，持续5天，得到生物可降解的天然高分子基高强度水凝胶。
实施例6
步骤1，45℃下，将2g明胶溶于100mL去离子水中，并用氢氧化钠溶液将反应液调至pH 7。之后，缓慢加入66mL N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)，搅拌20min使之完全分散后，加入291μL甲基丙烯酸酐，搅拌反应5h。反应结束后，将反应液倒入1.5L无水乙醇中进行沉降，抽滤获得产物。最后，在35℃下，将产物溶于100mL去离子水中，用透析膜进行透析3d，每天更换两次水，并将透析后的液体进行冷冻干燥处理，获得白色泡沫状物质—甲基丙烯酰化明胶(GelMA)。
步骤2，用电子分析天平称量0.6g的GelMA，放入10mL离心管中，用移液枪量取8800μL的DMSO，涡旋后置于38℃恒温培养箱内使其完全溶解后，加入741μL AN，然后加入0.0012g的2959光引发剂，涡旋使之完全溶解。
步骤3，用注射器将步骤2制备得到的预聚物溶液注入模具中，放入紫外交联仪内进行聚合交联，辐照时间为40min。反应结束后，除去模具，得到有机凝胶。
步骤4，将步骤3制备得到的有机凝胶浸泡在25℃的磷酸盐缓冲液(PBS)中进行溶剂交换以及除去杂质，每日更换3次，持续5天，得到生物可降解的天然高分子基高强度水凝胶。
实施例7
步骤1，35℃下，将2g明胶溶于100mL去离子水中，并用氢氧化钠溶液将反应液调至pH 7。之后，缓慢加入66mL N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)，搅拌12min使之完全分散后，加入291μL甲基丙烯酸酐，搅拌反应4h。反应结束后，将反应液倒入1.5L无水乙醇中进行沉降，抽滤获得产物。最后，在35℃下，将产物溶于100mL去离子水中，用透析膜进行透析3d，每天更换两次水，并将透析后的液体进行冷冻干燥处理，获得白色泡沫状物质—甲基丙烯酰化明胶(GelMA)。
步骤2，用电子分析天平称量0.675g的GelMA，放入10mL离心管中，用移液枪量取9100μL的DMSO，涡旋后置于39℃恒温培养箱内使其完全溶解后，加入278μL AN，然后加入0.0009g的2959光引发剂，涡旋使之完全溶解。
步骤3，用注射器将步骤2制备得到的预聚物溶液注入模具中，放入紫外交联仪内进行聚合交联，辐照时间为40min。反应结束后，除去模具，得到有机凝胶。
步骤4，将步骤3制备得到的有机凝胶浸泡在25℃的磷酸盐缓冲液(PBS)中进行溶剂交换以及除去杂质，每日更换3次，持续5天，得到生物可降解的天然高分子基高强度水凝胶。
实施例8
步骤1，40℃下，将2g明胶溶于100mL去离子水中，并用氢氧化钠溶液将反应液调至pH 7。之后，缓慢加入66mL N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)，搅拌18min使之完全分散后，加入291μL甲基丙烯酸酐，搅拌反应2h。反应结束后，将反应液倒入1.5L无水乙醇中进行沉降，抽滤获得产物。最后，在35℃下，将产物溶于100mL去离子水中，用透析膜进行透析3d，每天更换两次水，并将透析后的液体进行冷冻干燥处理，获得白色泡沫状物质—甲基丙烯酰化明胶(GelMA)。
步骤2，用电子分析天平称量0.6g的GelMA，放入10mL离心管中，用移液枪量取9100μL的DMSO，涡旋后置于40℃恒温培养箱内使其完全溶解后，加入370μL AN，然后加入0.0009g的2959光引发剂，涡旋使之完全溶解。
步骤3，用注射器将步骤2制备得到的预聚物溶液注入模具中，放入紫外交联仪内进行聚合交联，辐照时间为40min。反应结束后，除去模具，得到有机凝胶。
步骤4，将步骤3制备得到的有机凝胶浸泡在25℃的磷酸盐缓冲液(PBS)中进行溶剂交换以及除去杂质，每日更换3次，持续5天，得到生物可降解的天然高分子基高强度水凝胶。
实施例9
步骤1，45℃下，将2g明胶溶于100mL去离子水中，并用氢氧化钠溶液将反应液调至pH 7。之后，缓慢加入66mL N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)，搅拌16min使之完全分散后，加入291μL甲基丙烯酸酐，搅拌反应1h。反应结束后，将反应液倒入1.5L无水乙醇中进行沉降，抽滤获得产物。最后，在35℃下，将产物溶于100mL去离子水中，用透析膜进行透析3d，每天更换两次水，并将透析后的液体进行冷冻干燥处理，获得白色泡沫状物质—甲基丙烯酰化明胶(GelMA)。
步骤2，用电子分析天平称量0.45g的GelMA，放入10mL离心管中，用移液枪量取9100μL的DMSO，涡旋后置于37℃恒温培养箱内使其完全溶解后，加入555μL AN，然后加入0.0009g的2959光引发剂，涡旋使之完全溶解。
步骤3，用注射器将步骤2制备得到的预聚物溶液注入模具中，放入紫外交联仪内进行聚合交联，辐照时间为40min。反应结束后，除去模具，得到有机凝胶。
步骤4，将步骤3制备得到的有机凝胶浸泡在25℃的磷酸盐缓冲液(PBS)中进行溶剂交换以及除去杂质，每日更换3次，持续5天，得到生物可降解的天然高分子基高强度水凝胶。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶，其特征在于：按照下述步骤进行：
步骤1，35-45℃下，将明胶溶于去离子水中，并用氢氧化钠将明胶溶液调至pH 7-9后，向上述溶液中缓慢加入N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)，搅拌10-20min使之完全分散后，再向其中缓慢滴加甲基丙烯酸酐，搅拌反应1-10h后，无水乙醇沉降、抽滤后，将上述产物溶于去离子水中透析2-4天每天更换2-3次水后，将所得液体进行冷冻干燥处理，即得到甲基丙烯酰化明胶(GelMA)，其中，明胶溶液中明胶与去离子水的固液比为1:(40-60)(g/mL)，去离子水与DMF的体积比为(4-2):(3-1)，沉降时无水乙醇与反应液的体积比为(9-12):1，明胶与甲基丙烯酸酐的比例为2:(145-582)(g/μL)，溶解产物时，产物与所需去离子水的固液比为1:(30-50)(g/mL)；
步骤2，将步骤1制备得到的甲基丙烯酰化明胶(GelMA)与丙烯腈(AN)置于离心管中，加入二甲基亚砜(DMSO)，涡旋后，放入35-40℃的恒温培养箱中使之完全溶解，再向其中加入光引发剂，涡旋溶解，获得预聚物溶液，其中，甲基丙烯酰化明胶(GelMA)与丙烯腈(AN)的质量比为(1-4):1，总体固含量为9-16wt％，光引发剂的加入量为甲基丙烯酰化明胶(GelMA)与丙烯腈(AN)总质量的1-3％，总体固含量为甲基丙烯酰化明胶(GelMA)和丙烯腈(AN)的质量之和/(甲基丙烯酰化明胶(GelMA)、丙烯腈(AN)和二甲基亚砜(DMSO)的质量之和)；
步骤3，将步骤2制备得到的预聚物溶液注入模具中，放入紫外交联仪内进行聚合，反应时间为40-60min后，除去模具，获得有机凝胶；
步骤4，将步骤3制备得到的有机凝胶浸泡在20-25℃的磷酸盐缓冲液(PBS)中进行溶剂交换以及除去杂质，得到可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶。
2.根据权利要求1所述的可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶，其特征在于：在步骤1中，明胶与甲基丙烯酸酐的比例为2:(290-295)(g/μL)，明胶与甲基丙烯酸酐的反应时间为2-3h，溶解产物时，产物与所需去离子水的固液比为1:(45-50)(g/mL)。
3.根据权利要求1所述的可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶，其特征在于：在步骤2中，所述的光引发剂采用IRGACURE 2959，光引发剂用量为甲基丙烯酰化明胶(GelMA)与丙烯腈(AN)总质量的1-2％，甲基丙烯酰化明胶(GelMA)与丙烯腈(AN)的质量比为(1-3):1，总体固含量为9-15wt％。
4.根据权利要求1所述的可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶，其特征在于：在步骤3中，预聚物溶液在紫外交联仪内辐照时间为40-50min。
5.制备如权利要求1-4任一所述的可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶的方法，其特征在于：按照下述步骤进行：
步骤1，35-45℃下，将明胶溶于去离子水中，并用氢氧化钠将明胶溶液调至pH 7-9后，向上述溶液中缓慢加入N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)，搅拌10-20min使之完全分散后，再向其中缓慢滴加甲基丙烯酸酐，搅拌反应1-10h后，无水乙醇沉降、抽滤后，将上述产物溶于去离子水中透析2-4天每天更换2-3次水后，将所得液体进行冷冻干燥处理，即得到甲基丙烯酰化明胶(GelMA)，其中，明胶溶液中明胶与去离子水的固液比为1:(40-60)(g/mL)，去离子水与DMF的体积比为(4-2):(3-1)，沉降时无水乙醇与反应液的体积比为(9-12):1，明胶与甲基丙烯酸酐的比例为2:(145-582)(g/μL)，溶解产物时，产物与所需去离子水的固液比为1:(30-50)(g/mL)；
步骤2，将步骤1制备得到的甲基丙烯酰化明胶(GelMA)与丙烯腈(AN)置于离心管中，加入二甲基亚砜(DMSO)，涡旋后，放入35-40℃的恒温培养箱中使之完全溶解，再向其中加入光引发剂，涡旋溶解，获得预聚物溶液，其中，甲基丙烯酰化明胶(GelMA)与丙烯腈(AN)的质量比为(1-4):1，总体固含量为8-16wt％，光引发剂的加入量为甲基丙烯酰化明胶(GelMA)与丙烯腈(AN)总质量的1-3％，总体固含量为甲基丙烯酰化明胶(GelMA)和丙烯腈(AN)的质量之和/(甲基丙烯酰化明胶(GelMA)、丙烯腈(AN)和二甲基亚砜(DMSO)的质量之和)；
步骤3，将步骤2制备得到的预聚物溶液注入模具中，放入紫外交联仪内进行聚合，反应时间为40-60min后，除去模具，获得有机凝胶；
步骤4，将步骤3制备得到的有机凝胶浸泡在20-25℃的磷酸盐缓冲液(PBS)中进行溶剂交换以及除去杂质，得到可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶。
6.根据权利要求5所述的可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤1中，明胶与甲基丙烯酸酐的比例为2:(290-295)(g/μL)，明胶与甲基丙烯酸酐的反应时间为2-3h，溶解产物时，产物与所需去离子水的固液比为1:(45-50)(g/mL)。
7.根据权利要求5所述的可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤2中，所述的光引发剂采用IRGACURE 2959，光引发剂用量为甲基丙烯酰化明胶(GelMA)与丙烯腈(AN)总质量的1-2％。
8.根据权利要求5所述的可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤2中，甲基丙烯酰化明胶(GelMA)与丙烯腈(AN)的质量比为(1-3):1，总体固含量为9-15wt％。
9.根据权利要求5所述的可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤3中，预聚物溶液在紫外交联仪内辐照时间为40-50min。
10.如权利要求1-4任一所述的可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶在生物医药材料上的应用，其特征在于：可生物降解的天然高分子基高强度水凝胶的杨氏模量为0.046-1.238MPa，断裂应力为0.25-1.53MPa，该水凝胶的压缩模量为0.022-0.534MPa，应变80％下的压缩强度为0.37-1.66MPa，且通过改变总体固含量和甲基丙烯酰化明胶(GelMA)/丙烯腈(AN)质量比能够调节水凝胶的力学性能，该水凝胶能够在II型胶原酶环境中发生降解，且通过改变甲基丙烯酰化明胶(GelMA)/丙烯腈(AN)质量比能够调节该水凝胶的降解速率。
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