CN110982125A - 一种形状自恢复多孔复合凝胶及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种形状自恢复多孔复合凝胶及其制备方法与应用。通过将壳聚糖溶液与琼脂溶液混合，经定向冷冻干燥后浸入碱液中，能够制备出具有双网络结构和多孔结构的形状自恢复多孔复合凝胶，并使该形状自恢复多孔复合凝胶能够应用于微创手术、人造皮肤及软组织修复领域。通过上述方式，本发明能够利用壳聚糖与琼脂分别形成的可逆物理交联网络有效提高复合凝胶的机械性能，并使复合凝胶在水分子诱导下快速恢复形状，实现形状自恢复功能；同时，定向冷冻干燥不仅能够使复合凝胶具有有序的多孔结构，还能够对壳聚糖及琼脂产生富集效应，提高复合凝胶的力学性能。且制备方法简单快速，无需精密仪器，可大规模制备，能够满足工业生产的需求。

Description

一种形状自恢复多孔复合凝胶及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及凝胶技术领域，特别是涉及一种形状自恢复多孔复合凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

基于伤口的湿性愈合理论，水凝胶作为敷料在皮肤修复及组织工程领域有着重要的研究和应用价值，同时也面临着较高的性能要求。在外科微创手术中，该凝胶需要有一定的形状自恢复功能；在避免伤口感染及促进创面愈合的过程中，该凝胶需要一定的药物负载及缓释功能；在创面恢复期，该凝胶需要一定的孔隙结构供组织细胞生长；在创面愈合后期，该凝胶需要可控的降解速率来匹配伤口愈合不同阶段；在创面完成后，该凝胶还需要完全降解，避免二次手术给患者带来不必要的痛苦。同时，该凝胶还需要具有较高的力学性能，以满足实际应用的需求。

然而，传统水凝胶一般力学性能较差，导致其应用受限。当前通常通过共价交联或物理交联的方式来提高水凝胶的力学性能，其中，通过共价交联所形成水凝胶材料往往受限于所使用的有毒试剂，具有难以降解的缺点；而通过物理交联作用形成的水凝胶力学性能通常改善不大，若通过提高材料组分浓度对水凝胶进行增强，在提高力学性能的同时经常会因形成致密结构而牺牲其透气透湿性能。

公开号为CN107011609A的专利提供了一种具有自恢复能力的高强化学-物理双网络水凝胶及其制备方法与应用，该专利通过使亲水性单体聚合形成第一化学网络，并使多糖及其衍生物经物理交联形成第二物理网络，利用物理-化学双网络结构使制得的水凝胶具有良好的力学性能和自恢复性。但该专利在制备水凝胶的过程中仍需要引入多种交联剂和引发剂，容易对生物体造成毒性伤害，生物相容性较低；同时，该专利制备的水凝胶不具有多孔结构，在实际应用时不利于组织细胞生长；更重要的是，第一层网络引用了化学交联结构，无法实现材料的自降解过程，限制了其在组织工程领域的应用。因此，如何在有效提高凝胶力学性能的同时，使其具有形状自恢复功能和多孔结构，并保持良好的生物相容性、透气透湿性和可控的生物降解性，是当前凝胶在实际应用中面临的关键问题。

有鉴于此，当前仍有必要提供一种形状自恢复多孔复合凝胶及其制备方法与应用，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种形状自恢复多孔复合凝胶及其制备方法与应用，通过将壳聚糖溶液与琼脂溶液混合，经定向冷冻干燥后浸入碱液中，制备出具有双网络结构和多孔结构的复合凝胶；该双网络结构均为可逆物理交联网络，不仅能够提高复合凝胶的机械强度，还能够使复合凝胶在水分子诱导下快速恢复形状，实现形状自恢复功能。

为实现上述目的，本发明提供了一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，包括如下步骤：

S1、将壳聚糖溶于去离子水中，利用酸液调节其pH至2～4，待壳聚糖完全溶解后过滤除杂，得到预定浓度的壳聚糖溶液；将琼脂加热溶解于去离子水中，配制成预定浓度的琼脂溶液；再将所述壳聚糖溶液与所述琼脂溶液按预设体积比混合均匀，冷却成型后，得到复合凝胶；

S2、将步骤S1制得的所述复合凝胶置于模具内，并将所述模具置于液氮液面上方，使所述模具与所述液氮液面保持预设的距离，基于液氮所导致的梯度低温环境，诱导所述复合凝胶内部的水分子定向生长为冰晶；待所述冰晶完全成型后，再将所述模具置于冷冻干燥机内，经冷冻干燥，所述冰晶升华后得到多孔复合凝胶；

S3、将步骤S2制得的所述多孔复合凝胶在预定浓度的碱液中浸泡一段时间后，用去离子水洗净，得到形状自恢复多孔复合凝胶。

进一步地，在步骤S1中，所述壳聚糖溶液的浓度为0.5％～8％。

进一步地，在步骤S1中，所述琼脂溶液的浓度为0.5％～8％。

进一步地，在步骤S1中，所述壳聚糖溶液与所述琼脂溶液的预设体积比为1:1。

进一步地，在步骤S2中，所述预设的距离为0.5～3cm，所述定向生长的时间为1～10min。

进一步地，在步骤S3中，所述碱液为浓度为0.01～10mol/L的NaOH溶液。

进一步地，在步骤S3中，所述浸泡的时间为0.5～24h。

为实现上述目的，本发明还提供了一种形状自恢复多孔复合凝胶，该形状自恢复多孔复合凝胶根据上述技术方案中任一技术方案制备得到，包括由壳聚糖形成的第一可逆物理网络和由琼脂形成的第二可逆物理网络，所述第一可逆物理网络和所述第二可逆物理网络相互穿插形成互穿结构。

进一步地，被压缩变形的所述形状自恢复多孔复合凝胶在外部水分子刺激作用下，能够恢复原始形状。

本发明还提供了所述形状自恢复多孔复合凝胶在微创手术、人造皮肤及软组织修复领域中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过将壳聚糖溶液与琼脂溶液混合，经定向冷冻干燥后浸入碱液中，能够制备出具有双网络结构和多孔结构的复合凝胶；该双网络结构均为可逆物理交联网络，不仅能够提高复合凝胶的机械强度，还能够使复合凝胶在水分子诱导下快速恢复形状，具有形状自恢复功能；从而在提高复合凝胶力学性能的同时，使复合凝胶具有形状自恢复功能和多孔结构，并保持良好的生物相容性、透气透湿性和可控的生物降解性，使该复合凝胶能够应用于微创手术、人造皮肤及软组织修复领域中。

2、本发明通过将复合凝胶置于液氮液面上方进行定向冷冻，能够利用液氮形成的低温环境诱导凝胶内的水分子快速成核形成冰晶，并沿着温度梯度方向取向生长，其生长过程中的空间占位效应能够使壳聚糖及琼脂的分子链富集于冰晶周围的微环境内，从而利用该富集效应大幅提高复合凝胶的力学性能；此外，当冰晶生长结束后，本发明通过对复合凝胶进行低温真空冷冻干燥，能够使冰晶直接升华去除，从而得到具有有序多孔结构的复合凝胶，且该有序多孔结构的孔径大小、孔隙率及其取向均能通过调节相关参数进行调控，适用范围较广；同时，该复合凝胶的有序微孔结构有利于供组织细胞取向生长，能够满足实际应用的需求。

3、本发明通过将制得的多孔复合凝胶置于碱液中浸泡，能够使碱液中的氢氧根离子扩散进入复合凝胶内部，诱导壳聚糖去质子化并发生原位物理交联，并与琼脂网络形成互穿结构，从而形成两组互相穿插的可逆物理网络；该双网络结构能够有效提高复合凝胶的机械强度，以保证其内部微孔结构在外力作用下不被破坏，从而赋予该复合凝胶特殊的水刺激形状记忆功能；当本发明提供的形状自恢复多孔复合凝胶受到挤压或折叠后，将其置于水溶液中，水分子可快速渗透进入复合凝胶内，撑开坍塌的微孔结构，使复合凝胶快速恢复初始形状，具有较好的形状自恢复效果。

4、本发明提供的形状自恢复多孔复合凝胶由壳聚糖和琼脂复合而成，能够同时具有壳聚糖的pH响应性和琼脂的温度响应性，且两种刺激响应性相互独立；因而可以利用外界pH和温度刺激，实现对该复合凝胶的分步溶蚀，从而对其降解过程进行调控；同时，该复合凝胶可负载生物活性药物，并可通过控制该复合凝胶的溶蚀过程对药物的释放过程进行调控。

5、本发明提供的形状自恢复多孔复合凝胶的组分均为天然多糖材料，不仅具有较好的生物相容性和降解性，而且广泛存在于自然界中，取材方便、成本低廉；同时，本发明提供的制备方法简单快速，无需精密仪器，可大规模制备，能够满足工业生产的需求。

附图说明

图1是本发明提供的形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法示意图；

图2是本发明实施例1制备的薄膜状的形状自恢复多孔复合凝胶的扫描电镜图；

图3是本发明实施例1制备的薄膜状的形状自恢复多孔复合凝胶的卷曲状态图；

图4是本发明实施例2制备的圆柱状的形状自恢复多孔复合凝胶的实物图；

图5是本发明实施例2制备的圆柱状的形状自恢复多孔复合凝胶在酸碱和升温降温循环处理下的状态变化图；

图6是本发明实施例2制备的圆柱状的形状自恢复多孔复合凝胶在不同pH环境下的应力应变图；

图7是本发明实施例2制备的形状自恢复多孔复合凝胶作为支架在酸环境刺激下的状态变化图；

图8是本发明实施例3制备的形状自恢复多孔复合凝胶的形状自恢复图；

图9是本发明实施例4制备的形状自恢复多孔复合凝胶的形状自恢复图；

图10是本发明实施例5及对比例1制备的负载有胰岛素的形状自恢复多孔复合凝胶在酸性环境下的胰岛素累计释放率变化图；

图11是本发明提供的载药形状自恢复多孔复合凝胶在微创手术中的应用示意图；

图12是本发明实施例8～10与对比例2制备的形状自恢复多孔复合凝胶在水刺激作用下的形状恢复动态曲线；

图13是本发明实施例14制备的形状自恢复多孔复合凝胶的扫描电镜图；

图14是本发明实施例1与对比例3～4制备的形状自恢复多孔复合凝胶的形状记忆循环测试图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

本发明提供了一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，其制备过程如图1所示，包括如下步骤：

S1、将壳聚糖溶于去离子水中，利用酸液调节其pH至2～4，待壳聚糖完全溶解后过滤除杂，得到预定浓度的壳聚糖溶液；将琼脂加热溶解于去离子水中，配制成预定浓度的琼脂溶液；再将所述壳聚糖溶液与所述琼脂溶液按预设体积比混合均匀，冷却成型后，得到复合凝胶；

S2、将步骤S1制得的所述复合凝胶置于模具内，并将所述模具置于液氮液面上方，使所述模具与所述液氮液面保持预设的距离，基于液氮所导致的梯度低温环境，诱导所述复合凝胶内部的水分子定向生长为冰晶；待所述冰晶完全成型后，再将所述模具置于冷冻干燥机内，经冷冻干燥，所述冰晶升华后得到多孔复合凝胶；

S3、将步骤S2制得的所述多孔复合凝胶在预定浓度的碱液中浸泡一段时间后，用去离子水洗净，得到形状自恢复多孔复合凝胶。

在步骤S1中，所述壳聚糖溶液的浓度为0.5％～8％；所述琼脂溶液的浓度为0.5％～8％；所述壳聚糖溶液与所述琼脂溶液的预设体积比为1:1。

在步骤S2中，所述预设的距离为0.5～3cm，所述定向生长的时间为1～10min。

在步骤S3中，所述碱液为浓度为0.01～10mol/L的NaOH溶液；所述浸泡的时间为0.5～24h。

本发明还提供了一种形状自恢复多孔复合凝胶，包括由壳聚糖形成的第一可逆物理网络和由琼脂形成的第二可逆物理网络，所述第一可逆物理网络和所述第二可逆物理网络相互穿插形成互穿结构；被压缩的所述形状自恢复多孔复合凝胶在外部水分子刺激作用下，能够恢复原始形状。

本发明还提供了所述形状自恢复多孔复合凝胶在微创手术、人造皮肤及软组织修复领域中的应用。

下面结合实施例、对比例及附图对本发明的形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法进行说明。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供了一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，包括如下步骤：

S1、将4g壳聚糖加入到96mL去离子水中，利用1％的HCl调节溶液的pH至3，待壳聚糖完全溶解后，将不溶杂质过滤除去，得到浓度为4％的壳聚糖溶液；将2g琼脂加入到98mL去离子水中，磁力搅拌并加热至90℃，持续5min使其完全溶解，得到浓度为2％的琼脂溶液。将所述壳聚糖溶液和所述琼脂溶液在37℃下按体积比1:1进行混合，待搅拌均匀后，将混合溶液倒入表面皿中并自然冷却至室温，得到复合凝胶，该复合凝胶呈薄膜状。

S2、将步骤S1制得的所述复合凝胶置于铜质模具内，并将模具置于液氮液面上方2cm处，基于液氮所导致的梯度低温环境，诱导所述复合凝胶内部的水分子定向生长为冰晶，定向生长5min后，模具内的多孔复合凝胶内的冰晶完全成型，再将所述模具置于冷冻干燥机内，在-40℃的条件下真空冷冻干燥4h，使冰晶完全升华，得到多孔复合凝胶。

S3、将步骤S2制得的所述多孔复合凝胶置于1mol/L的NaOH溶液中，浸泡1h后用去离子水洗净，得到形状自恢复多孔复合凝胶。

图1为本发明提供的形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法示意图，图中含有字母“T”的锁表示改变温度，以使复合凝胶中的琼脂处于不同状态，其中闭合的锁表示降低温度使琼脂转化为凝胶状态，打开的锁表示升高温度使琼脂转化为溶液状态；含有字母“pH”的锁表示改变pH值，以使复合凝胶中的壳聚糖处于不同状态，其中闭合的锁表示提高pH值使壳聚糖转化为凝胶状态，打开的锁表示降低pH值使壳聚糖转化为溶液状态。同理，其余附图中的锁状图标均表示相同含义。

由图1可以看出，在步骤S1中，壳聚糖在酸性环境下发生质子化作用而溶解，呈溶液状态，而琼脂溶液冷却至室温后，形成凝胶状态，将质子化的壳聚糖包埋于凝胶内部；经步骤S2定向冷冻后，凝胶内部的水分子快速形成冰晶并沿温度梯度取向生长，冰晶的空间占位作用使壳聚糖及琼脂富集于冰晶周围的微环境内，经冷冻干燥后，冰晶完全升华，形成具有有序多孔结构的复合凝胶；在步骤S3中，多孔复合凝胶置于碱液中，使壳聚糖在碱性环境下去质子化并发生原位可逆物理交联，从而与琼脂网络形成互穿结构，得到形状自恢复多孔复合凝胶。

图2为本实施例制备的形状自恢复多孔复合凝胶的扫描电镜图，图2中a、b、c分别为该复合凝胶的表面形貌放大50倍、200倍、1000倍时的观察结果，图2中d为该复合凝胶的截面形貌放大200倍时的观察结果；由图2可以看出，本实施例制备的形状自恢复多孔复合凝胶具有高度有序的微孔结构，其内部微孔结构相互连接并形成取向排列的微流通道，该微流通道壁的厚度较厚，表明在冰晶生长过程中，大量壳聚糖及琼脂分子被富集于通道壁内，使复合凝胶具有较高的机械强度，且冰晶升华后形成了有序微孔空腔结构，能够促进组织细胞的取向生长。

通过外力对本实施例制备的形状自恢复多孔复合凝胶进行折叠卷曲，结果如图3所示。由图3可以看出，本实施例制备的形状自恢复多孔复合凝胶呈薄膜状，并表现出较强的机械性能，能够在外力作用下对复合凝胶薄膜进行卷曲且不损坏该复合凝胶薄膜，使其形成具有更加复杂3D形貌的卷曲状，以适应不同情况下的应用需求，适用范围更广。

实施例2

本实施例提供了一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于在步骤S1中，将壳聚糖溶液与琼脂溶液形成的混合溶液倒入24孔板中，经自然冷却至室温后，得到呈圆柱状的复合凝胶，其他步骤均与实施例1相同，在此不再赘述。

如图4所示，本实施例制得的形状自恢复多孔复合凝胶呈圆柱状，对该圆柱状形状自恢复多孔复合凝胶进行酸碱和升温降温循环处理，其状态变化如图5所示。其中，本实施例制备的形状自恢复多孔复合凝胶为壳聚糖可逆物理网络和琼脂可逆物理网络相互穿插形成的双网络结构。

当进行酸碱循环处理时，壳聚糖发生可逆溶胶-凝胶转变，其转变过程如下所示：

表明壳聚糖的转变酸度系数为6.3，当壳聚糖所处环境的酸度系数达到6.3时，壳聚糖转变为凝胶状态，而当壳聚糖所处环境的酸度系数低于6.3时，壳聚糖转变为溶液状态。如图5所示，对本实施例制得的形状自恢复多孔复合凝胶进行酸处理时，氢离子由外向内扩散，复合凝胶外层的壳聚糖由凝胶状态转化为溶液状态，使复合凝胶外层呈半透明；随着酸性逐渐增强，至pH为3时，复合凝胶中的壳聚糖完全转化为溶液状态，双网络结构仅剩琼脂网络，整体呈半透明状态；此时对其进行碱处理，氢氧根离子由外向内扩散，复合凝胶外层的壳聚糖由溶液状态转化为凝胶状态，使复合凝胶外层呈不透明状态；随着碱性逐渐增强，至pH为10时，复合凝胶中的壳聚糖完全转化为凝胶状态，其形成的物理网络与原有的琼脂网络相互穿插，恢复双网络结构。

此外，当进行升温降温循环处理时，琼脂发生可逆溶胶-凝胶转变，其转变过程如下所示：

表明琼脂的转变温度为30℃，当琼脂所处环境的温度低于30℃时，琼脂转变为凝胶状态，而当琼脂所处环境的温度达到30℃时，壳聚糖转变为溶液状态。如图5所示，当本实施例制得的形状自恢复多孔复合凝胶与25℃升温至45℃时，复合凝胶中的琼脂分子在温度刺激诱导下逐渐转化为溶液状态，使复合凝胶逐渐透明；当升温至80℃时，复合凝胶中的琼脂分子完全转化为溶液状态，此时双网络结构仅剩壳聚糖网络，整体呈半透明状态；再对该复合凝胶进行降温处理，当温度降低至45℃时，未达到琼脂的转化温度，琼脂仍为溶液状态；当继续降温至25℃时，琼脂由溶液状态转换为凝胶状态，琼脂呈不透明状态，其形成的物理网络与原有的壳聚糖网络相互穿插，恢复双网络结构。

采用万能压力测试机对本实例制备的形状自恢复多孔复合凝胶在不同pH环境下的机械性能进行测试，结果如图6所示。图6中曲线i为本实施例步骤S2中制得的多孔复合凝胶的应力应变图，此时还未进行碱液处理，复合凝胶中的壳聚糖呈溶液状态，复合凝胶中仅含有琼脂网络；曲线ii为本实施例步骤S3制得的形状自恢复多孔复合凝胶，与曲线i相比，经过了NaOH处理，复合凝胶中的壳聚糖由溶液状态转化为凝胶状态，形成物理网络结构，与琼脂网络穿插形成双网络结构；曲线iii为对本实施例步骤S3制得的形状自恢复多孔复合凝胶进行HCl处理，使壳聚糖由凝胶状态转化为溶液状态，复合凝胶中仅含琼脂网络。

由图6可以看出，经NaOH处理后得到的双网络凝胶相对于单一的琼脂凝胶表现出明显较高的机械强度，对双网络凝胶进行HCl处理后，破坏了壳聚糖的交联网络结构，其机械性能会显著降低至碱处理前的水平。因此，可以通过形成双网络结构有效提高复合凝胶的力学性能，同时，还可以通过外界pH刺激，对复合凝胶的力学性能进行调控。

本实施例制备的形状自恢复多孔复合凝胶可以作为支架应用于微创手术、人造皮肤及软组织修复领域中。对本实施例制备的形状自恢复多孔复合凝胶进行酸处理，其在酸环境刺激下的状态变化如图7所示。图7中a为该复合凝胶在酸处理后的溶蚀过程示意图，b为该复合凝胶在酸处理不同时间下的溶蚀状态对应的扫描电镜图，其中由左至右依次为酸刺激0天、3天、5天、7天和14天。

由图7可以看出，在酸处理前，该形状自恢复多孔复合凝胶为由琼脂和壳聚糖组成的双网络多孔支架，经酸处理后，复合凝胶中的壳聚糖开始由凝胶状态转化为溶液状态，可以从琼脂多孔支架内缓慢释放出来，并且释放时间可持续一周以上，而琼脂三维多孔材料在酸处理后仍能保持较为完整的形貌。同理，如果对该形状自恢复多孔复合凝胶进行温度处理，则能使琼脂网络发生变化，并使壳聚糖网络保持较为完成的形貌。因此，本实施例制备的形状自恢复多孔复合凝胶可以通过外界pH刺激及温度刺激，分别破坏壳聚糖网络及琼脂网络结构，以使该复合凝胶的分步溶蚀，实现其程序化降解过程，通过对外界刺激的优化及调控，能够使该复合凝胶的降解过程与创面的愈合过程相匹配，从而满足实际应用的需求。

实施例3～4

实施例3～4分别提供了一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于步骤S1中将壳聚糖溶液和琼脂溶液形成的混合溶液倒入了不同的模具中，其他步骤均与实施例1相同，在此不再赘述。。实施例3和实施例4分别将混合溶液倒入了“Y”型字母模具和“D”型字母模具中。

分别对实施例3和实施例4制得的形状自恢复多孔复合凝胶进行压缩，并将其置于外界水分子的刺激下，观察其形状恢复状态，结果分别如图8和图9所示。

由图8可以看出，实施例3制备的原始形状为“Y”型的形状自恢复多孔复合凝胶经压缩后，在去离子水中能够恢复原有形状，表现出优异的形状记忆性。

由图9可以看出，实施例4制备的原始形状为“D”型的形状自恢复多孔复合凝胶经任意方向压缩后，所滴加的水分子能够快速刺激该复合凝胶恢复其原始形状，且该过程可循环进行，表现出优异的形状记忆性及循环性能。

实施例5及对比例1

实施例5提供了一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于在步骤S1中，将壳聚糖溶液与琼脂溶液等体积混合后，还向混合溶液中加入了0.1％的胰岛素，其他步骤均与实施例1相同，在此不再赘述，本实施例最终制得负载有胰岛素的形状自恢复多孔复合凝胶。

对比例1提供了一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，与实施例5相比，不同之处在于在步骤S1中，未使用壳聚糖溶液，仅将琼脂溶液与胰岛素混合，最终制得负载有胰岛素的形状自恢复多孔复合凝胶。

将实施例5及对比例1制备的负载有胰岛素的形状自恢复多孔复合凝胶置于不同pH的磷酸缓冲溶液中，利用紫外分光光度计在其特征吸收峰处测试胰岛素不同时间段内的累计释放率，结果如图10所示。图10中，由上至下的三条曲线分别表示对比例1在pH＝3的磷酸缓冲溶液中的胰岛素释放情况、实施例5在pH＝3的磷酸缓冲溶液中的胰岛素释放情况以及实施例5在pH＝7的环境下的胰岛素释放情况。

由图10可以看出，与对比例1中未添加壳聚糖相比，实施例5中引入壳聚糖，能够降低所得复合凝胶的渗透性，使药物达到缓释效果；同时，实施例5制备的形状自恢复多孔复合凝胶在酸性环境下，能够诱导壳聚糖网络发生溶蚀，使壳聚糖分子缓慢释放出来，从而逐渐提高复合凝胶的渗透性，提高胰岛素的释放速率。因此，本发明提供的形状自恢复多孔复合凝胶负载药物时，能够更有效地控制药物的释放速率，以满足实际需求。

因此，本发明提供的形状自恢复多孔复合凝胶能够负载药物，并应用于微创手术中，其应用示意图如图11所示。由图11可以看出，本发明提供的形状自恢复多孔复合凝胶能够作为多孔支架，经任意方向压缩后置入各种形状的创面中，在创口渗液及水分子的刺激下，恢复原有形状以填满创面，并在伤口酸性环境的刺激下，使复合凝胶中的壳聚糖网络逐渐溶蚀，促使药物缓慢释放，从而促进创面愈合，并随着复合凝胶的降解实现创面恢复。

同理，本发明提供的形状自恢复多孔复合凝胶还能够依旧同样的原理应用于人造皮肤及软组织修复领域中，具有较高的应用价值。

实施例6～10及对比例2

实施例6～10及对比例2分别提供了一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于改变了步骤S1中壳聚糖溶液和琼脂溶液的浓度，各实施例及对比例对应的浓度如表1所示。

表1 实施例6～10及对比例2的步骤S1中壳聚糖溶液和琼脂溶液的浓度

实施例6～10制得的形状自恢复多孔复合凝胶均具有较高的机械强度、有序的多孔结构以及优异的形状自恢复功能。

其区别在于，当壳聚糖溶液和琼脂溶液浓度均较低时，由壳聚糖和琼脂构成的交联网络相对薄弱，使得到的形状自恢复多孔复合凝胶的力学性能及形状恢复速率相对较差，且不易冷却成型；而当壳聚糖溶液和琼脂溶液浓度均较高时，得到的形状自恢复多孔复合凝胶的力学性能及形状恢复速率均显著提高，并能保证混合溶液快速冷却成型；但当壳聚糖溶液和琼脂溶液的浓度过高时，形成的复合凝胶结构过于致密，容易影响复合凝胶的透气透湿性能。因此，为保证制备的形状自恢复多孔复合凝胶具有较优的综合性能，本发明优选壳聚糖溶液的浓度为0.5％～8％，琼脂溶液的浓度为0.5％～8％。

对实施例8～10与对比例2制得的形状自恢复多孔复合凝胶在水刺激作用下的形状恢复率进行测试，结果如图12所示。结合表1与图12可以看出，与对比例2中不添加壳聚糖相比，本发明实施例8～10中添加了壳聚糖得到的复合凝胶的形状恢复速率明显较高，表明壳聚糖的添加能够提高复合凝胶的力学性能，从而维持较高的形状恢复速率。此外，对比实施例8～10可以看出，当琼脂溶液浓度一定时，提高壳聚糖溶液浓度，能够显著提高该复合凝胶整体的力学性能，以保证该复合凝胶拥有更好的力学弹性，以保证内部多孔形貌在受外力挤压时不被破坏，维持较高的形状恢复速率。

实施例11～14

实施例11～14分别提供了一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于改变了步骤S2中模具与液氮液面间的距离及定向生长的时间，各实施例对应的距离和生长时间如表2所示。

表2 实施例11～14的步骤S2中模具与液氮液面的距离及定向冷冻时间

实施例	模具与液氮液面的距离(cm)	定向生长时间(min)
			实施例11	0.5	5
实施例12	3	5
			实施例13	2	1
实施例14	2	10

实施例11～14制得的形状自恢复多孔复合凝胶均具有较高的机械强度、有序的多孔结构以及优异的形状自恢复功能。

其区别在于，当定向生长时间一定时，增加模具与液氮液面的距离，会导致冰晶生长过慢；当模具与液氮液面过低，会导致冰晶成核速度过快，无法进行有效定向生长及调控。因此，选择适当的定向冷冻距离可调控冰晶成核速率，即对该材料最终孔隙结构进行调控，本发明优选模具与液氮液面间的定向冷冻距离为0.5～3cm。

当模具与液氮液面的距离一定时，增加定向生长时间，会导致冰晶持续生长，形成孔径较大的微孔结构；冷冻时间过低会导致该冰晶生长过程未完全贯穿材料整体，导致孔隙结构不均一。图13为实施例14制备的形状自恢复多孔复合凝胶的扫描电镜图，图13中a、b分别为该复合凝胶的表面形貌放大200倍、1000倍时的观察结果。将图13与图2对比可以看出，延长冷冻时间后，冰晶定向生长时间延长，得到的形状自恢复多孔复合凝胶的孔径变大，且孔壁变薄。因此，选择适当的冷冻时间可调控冰晶生长过程，即对该材料最终孔隙结构进行调控，本发明优选定向生长时间为1～10min。

实施例15～19及对比例3～4

实施例15～19及对比例3～4分别提供了一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，与实施例1相比，实施例15～19的不同之处在于改变了步骤S3中NaOH的浓度及在NaOH溶液中浸泡的时间，各实施例对应的NaOH的浓度及浸泡时间如表3所示；与实施例1相比，对比例3的不同之处在于步骤S3中将NaOH替换为去离子水，而对比例4的不同之处在于步骤S3中将NaOH替换为HCl。

表3 实施例15～19的步骤S3中NaOH的浓度及浸泡时间

实施例	NaOH溶液的浓度(mol/L)	浸泡时间(h)
			实施例15	1	0.5
实施例16	1	12
			实施例17	1	24
实施例18	0.01	1
			实施例19	10	1

实施例15～19制得的形状自恢复多孔复合凝胶均具有较高的机械强度、有序的多孔结构以及优异的形状自恢复功能。

其区别在于，当NaOH溶液的浓度一定时，增加浸泡时间，能够保证壳聚糖网络结构充分交联，浸泡时间过短，可能导致壳聚糖分子被部分交联导致材料结构不均一，影响力学性能及形状恢复性质。

当浸泡时间一定时，增加NaOH溶液浓度，能够有效缩短壳聚糖网络的形成时间，并且保证该材料充分交联，力学性能及形状恢复作用有一定程度上的提升。当未使用NaOH浸泡或NaOH浓度较低时，无法保证壳聚糖分子被完全物理交联，此时力学性能及形状恢复性质均会受到影响。

图14为实施例1与对比例3～4制备的形状自恢复多孔复合凝胶的形状记忆循环测试图，图14中碱性环境表示实施例1，中性环境表示对比例3，酸性环境表示对比例4。由图14可以看出，实施例1使用NaOH溶液进行浸泡，形成的碱性环境能够使制得的形状自恢复多孔复合凝胶在多次循环后持续保持较高的形状恢复率；对比例3使用去离子水进行浸泡，形成的中性环境能够使制得的形状自恢复多孔复合凝胶在多次循环后保持较为稳定的形状恢复率，但中性环境下的形状恢复率均低于碱性环境下的形状恢复率；对比例4使用HCl进行浸泡，形成的酸性环境会使制得的形状自恢复多孔复合凝胶的形状恢复率随循环次数的增加显著下降。因此，本发明使用碱液进行浸泡，能够使制得的形状自恢复多孔凝胶持续保持较高的形状恢复率。

需要说明的是，本领域技术人员应当理解，在本发明制备过程中，步骤S1中的使用酸液调节的pH值可以在2～4间调整，使壳聚糖能够完全溶解即可，不影响制备的形状自恢复多孔复合凝胶性能。同时，步骤S1中壳聚糖溶液与琼脂溶液的混合比例以及冷冻干燥的相关工艺参数可以根据实际需要进行调整，均属于本发明的保护范围。

综上所述，本发明通过将壳聚糖溶液与琼脂溶液混合，经定向冷冻干燥后浸入碱液中，能够制备出具有双网络结构和多孔结构的形状自恢复多孔复合凝胶，并使该形状自恢复多孔复合凝胶能够应用于微创手术、人造皮肤及软组织修复领域。通过上述方式，本发明能够利用壳聚糖与琼脂分别形成的可逆物理交联网络有效提高复合凝胶的机械性能，并使复合凝胶在水分子诱导下快速恢复形状，实现形状自恢复功能；同时，定向冷冻干燥能够不仅能够使复合凝胶具有有序的多孔结构，还能够对壳聚糖及琼脂产生富集效应，提高复合凝胶的力学性能。且制备方法简单快速，无需精密仪器，可大规模制备，能够满足工业生产的需求。

以上所述仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将壳聚糖溶于去离子水中，利用酸液调节其pH至2～4，待壳聚糖完全溶解后过滤除杂，得到预定浓度的壳聚糖溶液；将琼脂加热溶解于去离子水中，配制成预定浓度的琼脂溶液；再将所述壳聚糖溶液与所述琼脂溶液按预设体积比混合均匀，冷却成型后，得到复合凝胶；

S2、将步骤S1制得的所述复合凝胶置于模具内，并将所述模具置于液氮液面上方，使所述模具与所述液氮液面保持预设的距离，基于液氮所导致的梯度低温环境，诱导所述复合凝胶内部的水分子定向生长为冰晶；待所述冰晶完全成型后，再将所述模具置于冷冻干燥机内，经冷冻干燥，所述冰晶升华后得到多孔复合凝胶；

S3、将步骤S2制得的所述多孔复合凝胶在预定浓度的碱液中浸泡一段时间后，用去离子水洗净，得到形状自恢复多孔复合凝胶。

2.根据权利要求1所述的一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述壳聚糖溶液的浓度为0.5％～8％。

3.根据权利要求1所述的一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述琼脂溶液的浓度为0.5％～8％。

4.根据权利要求1所述的一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述壳聚糖溶液与所述琼脂溶液的预设体积比为1:1。

5.根据权利要求1所述的一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述预设的距离为0.5～3cm，所述定向生长的时间为1～10min。

6.根据权利要求1所述的一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，所述碱液为浓度为0.01～10mol/L的NaOH溶液。

7.根据权利要求1所述的一种形状自恢复多孔复合凝胶的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，所述浸泡的时间为0.5～24h。

8.一种形状自恢复多孔复合凝胶，其特征在于：该形状自恢复多孔复合凝胶根据权利要求1～7中任一权利要求所述的制备方法制备得到，包括由壳聚糖形成的第一可逆物理网络和由琼脂形成的第二可逆物理网络，所述第一可逆物理网络和所述第二可逆物理网络相互穿插形成互穿结构。

9.根据权利要求8所述的一种形状自恢复多孔复合凝胶，其特征在于：被压缩变形的所述形状自恢复多孔复合凝胶在外部水分子刺激作用下，能够恢复原始形状。

10.一种权利要求1～7中任一权利要求所述的制备方法制得的形状自恢复多孔复合凝胶或权利要求8～9中任一权利要求所述的形状自恢复多孔复合凝胶的应用，其特征在于：所述形状自恢复多孔复合凝胶能用于微创手术、人造皮肤及软组织修复领域。

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