CN112708146B - 一种制备各向异性水凝胶的方法 - Google Patents

一种制备各向异性水凝胶的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及3D打印和生物材料领域，具体涉及一种制备各向异性水凝胶的方法，由所述方法制备的水凝胶，以及所述水凝胶的用途。本发明的方法可以基于同种材料制备各向异性水凝胶，具有较高的精度和简化的工艺。

Description

一种制备各向异性水凝胶的方法
技术领域
本发明涉及3D打印和生物材料领域，具体涉及一种制备各向异性水凝胶的方法，由所述方法制备的水凝胶，以及所述水凝胶的用途。
背景技术
水凝胶(Hydrogel)是一种以水为分散介质的凝胶，是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。由生物相容性高分子形成的水凝胶可以被用于细胞培养、组织工程、药物释放等领域。
生物组织(例如皮肤、肌肉等)是各向异性的，而且生物体内不同部位的组织通常具有不同的各向异性。用于组织移植材料的水凝胶需要满足生物组织的各向异性需求，才容易实现组织移植。
现有的形成各向异性水凝胶的策略大致包括以下两类：(1)宏观加入各向异性的策略，例如：通过打印拓扑结构网络使水凝胶整体产生各向异性(He,Cao et al.2017)，光刻拓扑结构模仿心肌组织的趋向性(Zhang,Montgomery et al.2016)等；(2)微观引入各向异性的策略，例如在水凝胶中加入纳米纤维素、在打印剪切的过程中产生各向异性(Gladman,Matsumoto et al.2016)，通过纳米纤维与聚丙烯酰胺的交联产生高机械强度的各向异性水凝胶(Kong,Wang et al.2018)等。然而，现有的各向异性水凝胶都是由不同种类的水凝胶制备而成，各向异性产生的策略简单，不符合生物体内高度复杂的结构组成特征。
发明内容
本发明人通过深入的研究和创造性的劳动，得到了一种灵活可控的基于同种材料制备各向异性水凝胶的方法，本发明的方法具有较高的精度和简化的工艺，可用于制备用于组织移植等领域的材料。
在一个方面，本申请提供了一种制备各向异性的水凝胶的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：提供第一溶液、第二溶液、模具和3D打印机；
其中，所述第一溶液和第二溶液包含相同种类的可形成水凝胶的高分子，所述高分子以不同的浓度存在于所述第一溶液和第二溶液中；
所述3D打印机包含料筒、打印机平台和打印机喷头；
所述模具由一个或多个相同的矩形框架组成，当所述模具包含多个矩形框架时，所述多个矩形框架在水平面内平行连接；
步骤2：将模具置于打印机平台上；在料筒中加入第一溶液；将打印机喷头的温度设置为等于第一溶液的凝胶温度或低于第一溶液的凝胶温度2℃以内；将打印机平台的温度设置为第一溶液的凝胶温度以下10℃-20℃；
步骤3：使打印机喷头位于模具的至少一个矩形框架的上方，按照预设图案对第一溶液进行打印，使第一溶液在打印平台位于所述矩形框架内的区域中固化，形成具有预设图案的水凝胶；
任选地，重复步骤3一次或多次，以在多个矩形框架中形成具有预设图案的水凝胶；
任选地，步骤3还包括：使用交联剂对第一溶液形成的水凝胶进行化学交联；
步骤4：将第二溶液加至步骤3中所述的矩形框架中，使第二溶液覆盖所述具有预设图案的水凝胶并填充所述图案中的间隙；使用交联剂对第二溶液进行化学交联，得到各向异性的水凝胶；
任选地，重复步骤4一次或多次，以在多个矩形框架中形成各向异性的水凝胶；
任选地，所述方法还包括步骤5：对得到的各向异性的水凝胶进行洗涤。
溶液
本发明中，以可形成水凝胶的高分子作为制备各向异性水凝胶的原料。可形成水凝胶的高分子优选地是具有生物相容性的高分子。在某些实施方案中，所述高分子是天然存在的高分子，例如淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等多糖类高分子，或胶原蛋白、明胶等多肽或蛋白质类高分子。在某些实施方案中，所述高分子是人工合成的高分子，例如聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮等。本发明中，可形成水凝胶的高分子优选为水溶性高分子。
在某些实施方案中，所述第一溶液和第二溶液包含的高分子为明胶，例如A型明胶。在某些实施方案中，所述明胶为来源于猪皮的明胶。在某些实施方案中，所述明胶为猪皮明胶(CAS编号：9000-70-8)。
在某些实施方案中，所述所述第一溶液和第二溶液包含的高分子具有相同的平均分子量或相近的分子量分布，例如平均分子量约1k至10k，或10k至100k。
用于形成第一溶液和第二溶液的溶剂可以是水或缓冲溶液(例如磷酸盐缓冲溶液)。在某些实施方案中，所述第一溶液和第二溶液使用相同的溶剂。在某些实施方案中，所述高分子在第一溶液中的浓度为80g/L～140g/L，例如80g/L、100g/L、120g/L或140g/L。在某些实施方案中，所述高分子在第二溶液中的浓度为80g/L～140g/L，例如80g/L、100g/L、120g/L或140g/L。在某些实施方案中，所述高分子在第一溶液中的浓度高于在第二溶液中的浓度。在某些实施方案中，所述高分子在第一溶液中的浓度低于在第二溶液中的浓度。在某些实施方案中，所述高分子在第一溶液中的浓度为80g/L，在第二溶液中的浓度为100g/L。在某些实施方案中，所述高分子在第一溶液中的浓度为100g/L，在第二溶液中的浓度为80g/L。
打印机及其参数设置
本发明中，使用3D打印机对第一溶液进行打印，以形成具有预设图案的水凝胶。所使用的3D打印机包括料筒、打印机平台和喷头等部分。在某些实施方案中，所使用的3D打印机为Bio-Architect生物3D打印机。
图1示例性地显示了本发明使用的一个3D打印机整体(图1A)以及料筒(图1B)和喷头(图1C)。
本发明的方法中，第一溶液从打印机喷头挤出到打印机平台上，之后在打印机平台上冷却固化。为使溶液顺利地从喷头挤出，喷头温度应当不低于第一溶液的凝胶温度。任选地，在实施打印之前，可以使用流变仪测定第一溶液的凝胶温度，据此确定打印机喷头的温度，使打印机喷头的温度等于或略低于第一溶液的凝胶温度(低于第一溶液的凝胶温度2℃以内(包括2℃))。打印机平台的温度应当低于第一溶液的凝胶温度，例如，可以将打印机平台的温度设置为第一溶液的凝胶温度以下10℃-20℃。
在某些实施方案中，所述第一溶液为明胶溶液(例如由明胶溶解于磷酸盐缓冲溶液形成的溶液)，其中，明胶的浓度为80g/L～140g/L(例如80g/L、100g/L、120g/L或140g/L)。在这些实施方案中，打印机喷头的温度可以被设置为24℃-28℃(例如24℃、26℃、26.5℃或28℃)，打印机平台的温度可以被设置为0～15℃，例如4～10℃。
在某些实施方案中，3D打印机的打印气压被控制在0.05～0.40MPa，例如0.05～0.10MPa、0.10～0.20MPa、0.20～0.30MPa或0.30～0.40MPa，例如0.12MPa。
在某些实施方案中，3D打印机的打印速度被控制在5～60mm/s，例如5～10mm/s、10～20mm/s、20～30mm/s、30～40mm/s、40～50mm/s或5～60mm/s，例如30mm/s。
任选地，将第一溶液加入料筒之后，可以对打印机进行设置，使得料筒的温度低于室温并且高于第一溶液的凝胶温度。在某些实施方案中，在安装料筒之前，可以对盛装有第一溶液的料筒进行预低温处理(例如置于金属浴中冷却)，以使料筒的温度降低得更快。
模具
本发明的方法中，使用矩形(例如长方形或正方形)框架作为模具避免溶液流动，辅助水凝胶成型。所述模具可以是单个的矩形框架，也可以由多个(例如2-10个)相同的矩形框架通过侧面相连形成。所述矩形框架可以稳定地被置于打印机平台上。当所述模具包含多个矩形框架时，所述多个矩形框架在水平面内平行连接(即，所述多个矩形框架在水平面内的x方向和/或y方向平行连接，其中x方向和y方向成90°)。模具的尺寸可根据要制备的各向异性水凝胶的尺寸确定。
在某些实施方案中，所述矩形框架为正方形框架。在某些实施方案中，所述正方形框架的边长为10mm-50mm。在某些实施方案中，所述正方形框架的厚度为1-5mm。
在某些实施方案中，所述模具由多个相同的正方形框架组成，所述多个正方形框架在水平面内平行连接。在某些实施方案中，所述正方形框架的边长为10mm-50mm，厚度为1-5mm。
图2示例性地显示了本发明使用的一个模具，其由四个相同的正方形框架组成，其中，每个正方形框架的边长为20mm，厚度为5mm。
模具的材料没有特殊的限制，可以是常见的用于水凝胶成型的模具材料(例如聚乳酸等高分子材料)。模具可以通过购买获得，也可通过3D打印制得。在某些实施方案中，所述模具是通过使用聚乳酸进行3D打印制得的。
预设的图案
步骤3中，第一溶液被按照预设的图案打印，并固化形成水凝胶。所述预设的图案可以是连续或非连续的，由此得到的水凝胶也可以是连续或非连续的。所述图案不能是90°旋转对称的，即，在x方向上和y方向上是不一样的(x方向和y方向成90°)。
图3示例性地显示了一些预设的图案。
在某些实施方案中，所述预设的图案为一组(至少三条)相互平行且相邻两线间距(丝间距)相等的直线，如图3A所示。在某些实施方案中，丝间距可以为1mm。
在某些实施方案中，所述预设的图案为一组(至少三条)相互平行的波浪线，各波浪线的周期和振幅分别相同，且丝间距相等，如图3B和3C所示。在某些实施方案中，丝间距可以为1mm，周期可以为2mm，振幅可以为1mm。在某些实施方案中，丝间距可以为1mm，周期可以为2mm，振幅可以为2mm。
当所述模具具有多个矩形框架时，任选地可以进行多次打印，以在多个矩形框架中形成相同或不同的具有预设图案的水凝胶，例如形成具有相同或不同预设图案的水凝胶，或者形成具有相同预设图案但具有不同层数的水凝胶。
层数和厚度
可以对打印层数进行设置，例如打印层数被设置为1层，即获得1层具有预设图案的水凝胶。打印层数也可以被设置为多层(例如2-10层，例如2层、3层、4层或5层)，即获得多层具有预设图案的水凝胶。
根据打印出的水凝胶是否溶胀以及溶胀的程度，各层水凝胶的厚度可以为200μm-600μm(例如200μm-300μm、300μm-400μm、400μm-500μm或500μm-600μm)。
灌注和交联
在第一溶液形成的水凝胶固化之后，向模具中加入第二溶液，使第二溶液覆盖由第一溶液形成的具有预设图案的水凝胶并填充所述图案中的间隙。可以手动加入第二溶液。所加入的第二溶液的体积可以根据要制备的水凝胶的大小进行调整。在某些实施方案中，加入的第二溶液的体积为2～15mL。
任选地，在加入第二溶液之前，可以使用交联剂对第一溶液形成的水凝胶进行化学交联，以增强第一溶液形成的水凝胶的力学性能。
在灌注第二溶液之后，向第二溶液中加入交联剂，以使第二溶液形成的水凝胶发生化学交联，并且使第二溶液形成的水凝胶与第一溶液形成的水凝胶结合更加稳定。
步骤3和步骤4中，可选用的交联剂包括但不限于：1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺和谷氨酰胺转氨酶。
在某些实施方案中，步骤3和/或步骤4中所使用的交联剂为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺的组合。在某些实施方案中，1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺的摩尔比为1：1～10：1，例如5：2。在某些实施方案中，1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺分别被配制成水溶液(例如6～15mM的水溶液)使用。
在某些实施方案中，第二溶液的体积为2～15mL(例如2～4.5mL或4.5mL～15mL)，1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺溶液的体积为600μL～1mL或1～10mL，N-羟基琥珀酰亚胺溶液的体积为600μL～1mL或1～10mL。在某些实施方案中，1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺溶液和N-羟基琥珀酰亚胺溶液以相同的体积被使用。
在某些实施方案中，步骤3和/或步骤4中所使用的交联剂为谷氨酰胺转氨酶。在某些实施方案中，谷氨酰胺转氨酶被配制成水溶液(例如浓度为1～10u/mg的水溶液)使用。在某些实施方案中，谷氨酰胺转氨酶溶液按照50～100u/g明胶溶液的量加入。
在某些实施方案中，步骤3和步骤4使用同样的交联剂进行交联。
在某些实施方案中，交联的步骤包括：将含有交联剂的溶液滴加到水凝胶上，并静置一段时间。
在某些实施方案中，静置的时间为10min至1h。
在某些实施方案中，交联在避光条件下进行。
在某些实施方案中，交联在20～40℃(例如37℃)或0～10℃(例如4℃)下进行。
洗涤
可使用洗涤剂对得到的各向异性水凝胶进行一次或多次洗涤，以除去残留的交联剂。优选的洗涤剂为用于形成第一溶液和第二溶液的溶剂，例如磷酸盐缓冲液。
在一个方面，本申请还涉及由如上方法制备的各向异性的水凝胶。
由本发明的方法制备的各向异性水凝胶可用于材料科学、生物医学、组织工程学、仿生学等多领域。因此，在一个方面，本申请还涉及包含所述水凝胶的材料、装置或设备。
在另一个方面，本申请还涉及所述水凝胶用于制备材料、装置或设备的用途。
在某些实施方案中，所述材料、装置或设备被用于材料科学、生物医学、组织工程学或仿生学。在某些实施方案中，所述材料、装置或设备被用作受试者的组织或器官的替代物或填充物。
在本发明中，除非另有说明，否则本文中使用的科学和技术名词具有本领域技术人员所通常理解的含义。并且，本文中所涉及的实验室操作步骤均为相应领域内广泛使用的常规步骤。同时，为了更好地理解本发明，下面提供相关术语的定义和解释。
如本文中使用的，术语“高分子”是指相对分子质量为几千到几百万的化合物，例如相对分子质量为1k至10k或10k至100k。
如本文中使用的，术语“水溶性高分子”是指能溶解或溶胀于水中形成水溶液或分散体系的高分子。本发明中，术语“溶液”并不限定溶质要完全溶解于溶剂，例如用于形成水凝胶的高分子可以溶解的状态存在于溶液中，也可以溶胀的状态存在于溶液中。
如本文中使用的，术语“各向异性”是指材料在不同方向上的应力应变曲线不同。例如，对于本发明中的层状水凝胶材料，各向异性可以被理解为在x方向和y方向上的应力应变曲线不同(x方向和y方向成90°)。
如本文中使用的，术语“受试者”是指动物，例如脊椎动物。优选地，受试者为哺乳动物，例如人，牛科动物，马科动物，猫科动物，犬科动物，啮齿类动物或灵长类动物。特别优选地，受试者为人。在本文中，该术语可以与“患者”互换使用。
发明的有益效果
本发明的方法可以基于同种材料制备各向异性水凝胶，灵活可控，可以通过调节原料溶液的浓度、打印的图案等改变水凝胶的力学性能，同时，具有较高的精度和简化的工艺。本发明的方法可用于制备用于组织移植等领域的水凝胶材料。
下面将结合附图和实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是，本领域技术人员将理解，下列附图和实施例仅用于说明本发明，而不是对本发明的范围的限定。根据附图和优选实施方案的下列详细描述，本发明的各种目的和有利方面对于本领域技术人员来说将变得显然。
附图说明
图1示例性地显示了本发明使用的3D打印机整体(图1A)以及料筒(图1B)和喷头(图1C)。
图2示例性地显示了本发明使用的一个模具，其由四个相同的正方形框架组成，其中，每个正方形框架的边长为20mm，厚度为5mm。
图3示例性地显示了一些预设的图案；其中，图3A为一组相互平行且丝间距相等的直线；图3B和图3C各自为一组相互平行的波浪线，各波浪线的周期和振幅分别相同，且丝间距相等。
图4显示了80g/L、100g/L、120g/L和140g/L明胶溶液的储能模量和损耗模量相对于温度的变化曲线。
图5显示了实施例1、2、3中使用拉力仪对水凝胶进行力学性能测试的拉伸方向。
图6显示了实施例1、2、3得到的各向异性水凝胶的应力应变曲线。
图7显示了实施例1制得的水凝胶与实施例5制得的水凝胶的应力应变曲线。
图8为实施例1制得的水凝胶的照片。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实验试剂：猪皮明胶(G1890)、磷酸盐缓冲液、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺、谷氨酰胺转氨酶
实验仪器：Bio-Architect生物3D打印机、Anton Paar流变测试仪、Mark-10拉力测试仪
制备例：
将猪皮明胶(G1890)溶解于磷酸盐缓冲液中，制备得到浓度为80g/L、100g/L、120g/L和140g/L的明胶溶液，使用流变仪测试其温度变化曲线，确定打印温度。
图4显示了80g/L、100g/L、120g/L和140g/L明胶溶液的储能模量和损耗模量相对于温度的变化曲线。由储能模量曲线和损耗模量曲线的交叉点，得到80g/L、100g/L、120g/L和140g/L水凝胶的凝胶温度分别为24℃、26℃、26.5℃和28℃，从而确定各明胶溶液的打印温度。
以市售的可用于3D打印的PLA丝线为原料，使用3D打印机打印模具。PLA丝线规格如下：直径2.85±0.10mm，最大圆度偏差0.10mm，丝线净重350g/750g，丝线长度～44m/～95m。
实施例1
将浓度为80g/L的明胶溶液加入到3D打印机的料筒中，3D打印机平台的温度控制在10℃，喷头的温度控制在24℃，打印气压设置为0.12MPa，打印速度设置为30mm/s，预设图案如图3A所示，丝间距设置为1mm，打印层数设置为1层。待打印出的80g/L明胶溶液固化后，将100g/L的明胶溶液4.5mL手动加入到模具中，加入15mM的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺的水溶液600μL和6mM的N-羟基琥珀酰亚胺水溶液600μL，在4℃避光交联一小时，之后用磷酸盐缓冲液洗去交联剂，15min/次，共洗3次，得到水凝胶。
使用拉力测试仪对本实施例得到的水凝胶的力学性能进行测试。水凝胶在垂直于预设图案中线条的拉伸方向上(如图5A中箭头1所示)的断裂应力为32.8kPa，断裂应变为114.67％，杨氏模量为27.35kPa；在平行于预设图案中线条的拉伸方向上(如图5A中箭头2所示)的断裂应力为5.2kPa，断裂应变为46.67％，杨氏模量为11.50kPa。
实施例2
将浓度为80g/L的明胶溶液加入到3D打印机的料筒中，3D打印机平台的温度控制在10℃，喷头的温度控制在24℃，打印气压设置为0.12MPa，打印速度设置为30mm/s，预设图案如图3B所示，丝间距设置为1mm，周期设置为2mm，振幅设置为1mm，打印层数设置为1层。待打印出的80g/L明胶溶液固化后，将100g/L的明胶溶液4.5mL手动加入到模具中，加入15mM的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺的水溶液600μL和6mM的N-羟基琥珀酰亚胺水溶液600μL，在4℃避光交联一小时，用磷酸盐缓冲液洗去交联剂，15min/次，共洗3次，得到水凝胶。
使用拉力测试仪对本实施例得到的水凝胶的力学性能进行测试。水凝胶在垂直于预设图案中线条的拉伸方向上(如图5B中箭头1所示)的断裂应力为45.2kPa，断裂应变为114.33％，杨氏模量为40.69kPa；在平行于预设图案中线条的拉伸方向上(如图5B中箭头2所示)的断裂应力为10.8kPa，断裂应变为51％，杨氏模量为22.68kPa。
实施例3
将浓度为80g/L的明胶溶液加入到3D打印机的料筒中，3D打印机平台的温度控制在10℃，喷头的温度控制在24℃，打印气压设置为0.12MPa，打印速度设置为30mm/s，预设图案如图3C所示，丝间距设置为1mm，周期设置为2mm，振幅设置为2mm，打印层数设置为1层。待打印出的80g/L明胶溶液固化后，将100g/L的明胶溶液4.5mL手动加入到模具中，加入15mM的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺的水溶液600μL和6mM的N-羟基琥珀酰亚胺水溶液600μL，在4℃避光交联一小时，用磷酸盐缓冲液洗去交联剂，15min/次，共洗3次，得到水凝胶。
使用拉力测试仪对本实施例得到的水凝胶的力学性能进行测试。水凝胶在垂直于预设图案中线条的拉伸方向上(如图5C中箭头1所示)的断裂应力为26.4kPa，断裂应变为122.17％，杨氏模量为23.56kPa；在平行于预设图案中线条的拉伸方向上(如图5C中箭头2所示)的断裂应力为23.6kPa，断裂应变为101.83％，杨氏模量为20.03kPa。
图6显示了实施例1、2、3得到的水凝胶的应力应变曲线。从图中可以看出，实施例1、2、3得到的水凝胶在各自垂直于预设图案中线条的拉伸方向上和平行于预设图案中线条的拉伸方向上的应力应变曲线有区别，说明实施例1、2、3得到的水凝胶具有各向异性。其中，实施例1的水凝胶和实施例2的水凝胶的各向异性较为明显。
实施例4
将浓度为100g/L的明胶溶液加入到3D打印机的料筒中，3D打印机平台的温度控制在10℃，喷头的温度控制在26℃，打印气压设置为0.26MPa，打印速度设置为30mm/s，预设图案如图3A所示，丝间距设置为1mm，打印层数设置为1层。待打印出的100g/L明胶溶液固化后，将80g/L的明胶溶液4.5mL手动加入到模具中，用谷氨酰胺转氨酶溶液在37℃下避光交联10min，谷氨酰胺转氨酶溶液的浓度为1u/mg，按50u/g明胶溶液加入。用磷酸盐缓冲液洗去交联剂，15min/次，共洗3次，得到水凝胶。
实施例5
将浓度为100g/L的明胶溶液加入到料筒中，将3D打印机平台温度控制在10℃，喷头温度控制在26℃，打印气压设置为0.26MPa，打印速度设置为30mm/s，预设图案如图3A所示，丝间距设置为1mm，打印层数设置为1层。待打印出的100g/L明胶溶液固化后，将80g/L的明胶溶液4.5mL手动加入到模具中，加入15mM的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺的水溶液600μL和6mM的N-羟基琥珀酰亚胺水溶液600μL，在4℃避光交联一小时，用磷酸盐缓冲液洗去交联剂，15min/次，共洗3次，得到水凝胶。
使用拉力测试仪对本实施例得到的水凝胶的力学性能进行测试。所得水凝胶在垂直于预设图案中线条的拉伸方向上的断裂应力为4kPa，断裂应变为22.8％，杨氏模量为20.16kPa；在平行于预设图案中线条的拉伸方向上的断裂应力为40.02kPa，断裂应变为74.5％，杨氏模量为54.57kPa。
实施例6
将浓度为100g/L的明胶溶液加入到料筒中，将3D打印机平台温度控制在10℃，喷头温度控制在26℃，打印气压设置为0.26MPa，打印速度设置为30mm/s，预设图案如图3B所示，丝间距设置为1mm，周期设置为2mm，振幅设置为1mm，打印层数设置为1层。待打印出的100g/L明胶溶液固化后，将80g/L的明胶溶液4.5mL手动加入到模具中，加入15mM的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺的水溶液600μL和6mM的N-羟基琥珀酰亚胺水溶液600μL，在4℃避光交联一小时，用磷酸盐缓冲液洗去交联剂，15min/次，共洗3次，得到水凝胶。
使用拉力测试仪对本实施例得到的水凝胶的力学性能进行测试。所得水凝胶在垂直于预设图案中线条的拉伸方向上的断裂应力为7.6kPa，断裂应变为44.83％，杨氏模量为18.55kPa；在平行于预设图案中线条的拉伸方向上的断裂应力为27.2kPa，断裂应变为123.33％，杨氏模量为21.20kPa。
实施例7
将浓度为100g/L的明胶溶液加入到料筒中，将3D打印机平台温度控制在10℃，喷头温度控制在26℃，打印气压设置为0.26MPa，打印速度设置为30mm/s，预设图案如图3C所示，丝间距设置为1mm，周期设置为2mm，振幅设置为2mm，打印层数设置为1层。待打印出的100g/L明胶溶液固化后，将80g/L的明胶溶液4.5mL手动加入到模具中，加入15mM的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺的水溶液600μL和6mM的N-羟基琥珀酰亚胺水溶液600μL，用磷酸盐缓冲液洗去交联剂，15min/次，共洗3次，得到水凝胶。
使用拉力测试仪对本实施例得到的水凝胶的力学性能进行测试。所得水凝胶在垂直于预设图案中线条的拉伸方向上的断裂应力为13.2kPa，断裂应变为70.67％，杨氏模量为18.55kPa；在平行于预设图案中线条的拉伸方向上的断裂应力为19.6kPa，断裂应变为90.33％，杨氏模量为20.29kPa。
图7显示了实施例1制得的水凝胶与实施例5制得的水凝胶的应力应变曲线。如图所示，这两个实施例制得的水凝胶在垂直方向上和水平方向上的力学性能都有明显差异，说明可以通过调节原料溶液的浓度来改变水凝胶的力学性能。
图8为实施例1制得的水凝胶的照片。
尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述，但本领域技术人员将理解：根据已经公开的所有教导，可以对细节进行各种修改和变动，并且这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims (9)

1.一种制备各向异性的水凝胶的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：提供第一溶液、第二溶液、模具和3D打印机；
其中，所述第一溶液和第二溶液包含相同种类的可形成水凝胶的高分子，所述高分子以不同的浓度存在于所述第一溶液和第二溶液中；所述高分子为明胶；
所述3D打印机包含料筒、打印机平台和打印机喷头；
所述模具由一个或多个相同的矩形框架组成，当所述模具包含多个矩形框架时，所述多个矩形框架在水平面内平行连接；
步骤2：将模具置于打印机平台上；在料筒中加入第一溶液；将打印机喷头的温度设置为等于第一溶液的凝胶温度或低于第一溶液的凝胶温度2℃以内；将打印机平台的温度设置为第一溶液的凝胶温度以下10℃-20℃；
步骤3：使打印机喷头位于模具的至少一个矩形框架的上方，按照预设图案对第一溶液进行打印，使第一溶液在打印平台位于所述矩形框架内的区域中固化，形成具有预设图案的水凝胶；所述预设图案是连续或非连续的，且不能是90°旋转对称的；
任选地，重复步骤3一次或多次，以在多个矩形框架中形成具有预设图案的水凝胶；
任选地，步骤3还包括：使用交联剂对第一溶液形成的水凝胶进行化学交联；
步骤4：将第二溶液加至步骤3中所述的矩形框架中，使第二溶液覆盖所述具有预设图案的水凝胶并填充所述图案中的间隙；使用交联剂对第二溶液进行化学交联，得到各向异性的水凝胶；
任选地，重复步骤4一次或多次，以在多个矩形框架中形成各向异性的水凝胶；
任选地，所述方法还包括步骤5：对得到的各向异性的水凝胶进行洗涤。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述高分子在第一溶液中的浓度为80g/L～140g/L，和/或，所述高分子在第二溶液中的浓度为80g/L～140g/L。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，打印机喷头的温度被设置为24℃-28℃，和/或，打印机平台的温度被设置为0～15℃。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3和步骤4所使用的交联剂各自独立地选自：1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺和谷氨酰胺转氨酶。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3和/或步骤4所使用的交联剂为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺的组合。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3和/或步骤4所使用的交联剂为谷氨酰胺转氨酶。
7.如权利要求1-6任一项所述的制备方法制备的各向异性的水凝胶。
8.包含如权利要求7所述的水凝胶的材料或装置。
9.如权利要求7所述的水凝胶用于制备材料或装置的用途。
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