CN113004542A - 一种中空水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及结构化功能水凝胶技术领域，尤其涉及一种中空水凝胶及其制备方法和应用。本发明通过3D打印技术能够制备得到复杂结构的固态凝胶模板作为水凝胶牺牲模板；通过在固态凝胶模板表面负载第一配位剂后，进一步在水凝胶前驱体溶液中浸渍，在所述固态凝胶模板表面生长水凝胶层；将制备得到的核壳水凝胶复合结构浸渍于第二配位剂溶液中进一步强化表面水凝胶层的交联网络，然后加热去除内部的水凝胶牺牲模板，即可制备出具有任意复杂结构的中空水凝胶结构。所述制备方法绿色、高效、易于执行；制备得到的中空水凝胶具有优异的力学性能、负载的结构特征以及良好的生物兼容性。

Description

一种中空水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及结构化功能水凝胶技术领域，尤其涉及一种中空水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，模拟生物体组织器官模型能够作为生物医学平台用于医疗器械测试、生物医学技能训练、术前辅助诊疗以及精准医疗等方面，受到研究者的广泛关注。但是目前主要的材料体系是硅胶体系，主要通过注模的方法制备具有一定生物学结构特征的组织器官模型，以此来代替人体、动物模型以及虚拟现实模型，在低成本、道德伦理以及易于获得等方面具有显著的优势。但是和真实的生理环境和形态相比，硅胶材料以及注模的成型方法不能构筑模拟相似的生理环境和逼真的组织形态，严重制约了其在模拟生物医学模型方面的应用。
水凝胶作为一种高含水量的高分子材料，具有和生物体组织器官匹配的力学性能以及良好的生物兼容性，在生物医学方面广泛使用，特别是3D打印水凝胶结构在组织工程等方面表现出良好的发展前景。目前的3D打印水凝胶体系主要涉及块体组织结构以及简单的木堆结构的打印制备，很难用于直接打印具有复杂结构的三维组织器官模型，特别是具有中空结构的模型结构。目前已经报道了通过牺牲模板的策略制备中空水凝胶结构(ACSApplied Materials&Interfaces,2018,10,12424-12430；ACS Applied Materials&interfaces，2019,11,51，48564-48573)，但是该方法制备的中空结构形态差，结构单一，不能直接应用于复杂的组织器官模型的制造。公开号为CN108164736A提供了一种高强度立体化中空水凝胶结构体的制备方法，但是该方法需要高温打印牺牲模板，使用有机溶剂如初热塑性模板等，不利于生物医学应用。因此，发展一种快速、绿色的复杂结构化中空水凝胶组织器官模型，特别是制备具有个性化形状和尺寸的生物学结构模型仍然是目前面临的一个重要挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中空水凝胶及其制备方法和应用，所述制备方法绿色、高效、易行。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种中空水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
提供热可逆水凝胶墨水；
建立三维数字模型，将所述热可逆水凝胶墨水经3D打印成凝胶模板前驱体后，进行凝胶化，得到固态凝胶模板；
将所述固态凝胶模板在第一配位剂溶液中进行第一浸渍，得到活化固态凝胶模板；
将所述活化固态凝胶模板在水凝胶前驱体溶液中进行第二浸渍，得到核壳水凝胶复合结构；
将所述核壳水凝胶复合结构在第二配位剂溶液中进行第三浸渍后，加热，得到所述中空水凝胶。
优选地，所述热可逆水凝胶墨水包括溶质和溶剂，所述热可逆水凝胶墨水中溶质的质量百分浓度为15～30％；
所述溶质包括明胶和/或卡拉胶，所述卡拉胶为ι-卡拉胶、κ-卡拉胶或λ-卡拉胶；
当所述溶质为明胶和卡拉胶的混合物时，所述卡拉胶的质量为溶质质量的1～5％。
优选地，所述明胶的分子量为50000～120000；所述卡拉胶的分子量＞200000。
优选地，所述3D打印的条件为：料筒的温度为35～50℃，挤出气压为0.07～0.10MPa，挤出喷头的移动速度为3～10mm/s，挤出喷头的内径为0.25～0.6mm，打印环境的温度为室温，湿度为30～40％。
优选地，所述第一配位剂溶液中的第一配位剂和第二配位剂溶液中的第二配位剂独立地包括氯化亚铁、硝酸亚铁、氯化铁、硝酸银、氯化铜、硝酸铜、氯化钙、硝酸钙、氯化铝、硝酸铝、氯化锰、硝酸锰、氯化镍、硝酸镍、氯化锌、硝酸锌、氯化锶、十四水合硼酸钠、柠檬酸钠或柠檬酸钾。
优选地，所述第一配位剂溶液的浓度为0.05～0.5mol/L；所述第二配位剂溶液的浓度0.05～1mol/L。
优选地，所述水凝胶前驱体溶液为丙烯酸类前驱体溶液、海藻酸钠水凝胶溶液、聚乙烯醇溶液或水溶性壳聚糖溶液。
优选地，所述第一浸渍的时间为0.5～15min；
所述第二浸渍的时间为10～90min；
所述第三浸渍的时间为30～90min；
所述加热的温度为60～70℃。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的中空水凝胶。
本发明还提供了上述技术方案所述的中空水凝胶在脏器模型、临床体外模拟导丝介入、药物控释模型以及制备器官芯片中的应用。
本发明提供了一种中空水凝胶的制备方法，包括以下步骤：提供热可逆水凝胶墨水；建立三维数字模型，将所述热可逆水凝胶墨水经3D打印成凝胶模板前驱体后，进行凝胶化，得到固态凝胶模板；将所述固态凝胶模板在第一配位剂溶液中进行第一浸渍，得到活化固态凝胶模板；将所述活化固态凝胶模板在水凝胶前驱体溶液中进行第二浸渍，得到核壳水凝胶复合结构；将所述核壳水凝胶复合结构在第二配位剂溶液中进行第三浸渍后，加热，得到所述中空水凝胶。本发明通过3D打印技术能够制备得到复杂结构的固态凝胶模板作为水凝胶牺牲模板；通过在固态凝胶模板表面负载第一配位剂后，进一步在水凝胶前驱体溶液中浸渍，在所述固态凝胶模板表面生长水凝胶层；将制备得到的核壳水凝胶复合结构浸渍于第二配位剂溶液中进一步强化表面水凝胶层的交联网络，然后加热去除内部的水凝胶牺牲模板，即可制备出具有任意复杂结构的中空水凝胶结构。本发明提供的制备方法绿色、高效、易行；制备得到的中空水凝胶具有优异的力学性能、负载的结构特征以及良好的生物兼容性。该方法能够很容易的制造任意具有复杂结构的中空水凝胶结构，所述中空水凝胶能够用于制备脏器模型、临床体外模拟导丝介入、药物控释模型以及制备器官芯片。
附图说明
图1为本发明所述中空水凝胶的制备流程示意图；
图2为实施例1制备得到的中空水凝胶的实物照片；
图3为实施例1制备得到的中空水凝胶的力学性能图；
图4为实施例2制备得到的中空水凝胶的实物照片；
图5为实施例3制备得到的中空水凝胶的实物照片。
具体实施方式
本发明提供了一种中空水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
提供热可逆水凝胶墨水；
建立三维数字模型，将所述热可逆水凝胶墨水经3D打印成凝胶模板前驱体后，进行凝胶化，得到固态凝胶模板；
将所述固态凝胶模板在第一配位剂溶液中进行第一浸渍，得到活化固态凝胶模板；
将所述活化固态凝胶模板在水凝胶前驱体溶液中进行第二浸渍，得到核壳水凝胶复合结构；
将所述核壳水凝胶复合结构在第二配位剂溶液中进行第三浸渍后，加热，得到所述中空水凝胶。
在本发明中，若无特殊说明，所有制备原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。
本发明提供热可逆水凝胶墨水。在本发明中，所述热可逆水凝胶墨水包括溶质和溶剂，所述热可逆水凝胶墨水中溶质的质量百分浓度优选为15～30％，更优选为20～25％；所述溶剂优选为水，所述水优选为去离子水。在本发明中，所述溶质优选包括明胶和/或卡拉胶；所述明胶的分子量优选为50000～120000；所述卡拉胶的分子量优选＞200000；所述卡拉胶优选为ι-卡拉胶、κ-卡拉胶或λ-卡拉胶。在本发明中，当所述溶质优选为明胶和卡拉胶的混合物时，所述卡拉胶的质量优选为溶质质量的1～5％，更优选为2～4％，最优选为2.5～3.5％。
在本发明中，当所述溶剂优选为明胶和卡拉胶的混合物时，当所述溶剂为水时；所述热可逆水凝胶墨水的制备方法优选包括以下步骤：将明胶和水混合至完全溶解，得到明胶溶液；将所述明胶溶液与卡拉胶混合，得到所述热可逆水凝胶墨水。在本发明中，所述明胶和水的混合优选为先将明胶和水混合并静置10min使明胶完全水化后，在加热和搅拌的条件下使明胶完全溶解；所述加热的温度优选为50～60℃，更优选为53～56℃；所述搅拌的转速优选为120～240rpm，更优选为150～200rpm；本发明对所述搅拌的时间没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的时间保证所述明胶完全溶解至水中并形成均一透明的明胶溶液即可。在本发明中，所述明胶溶液与卡拉胶的混合温度优选为60～70℃，更优选为62～66℃；所述明胶溶液与卡拉胶的混合优选在搅拌的条件下进行，所述搅拌的转速优选为100～200rpm，更优选为120～180rpm，最优选为140～160rpm；本发明对所述搅拌的时间没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的时间保证能够形成均一透明的水凝胶墨水即可。
在本发明中，所述热可逆水凝胶墨水的打印窗口区间优选为35～50℃。
得到热可逆水凝胶墨水后，本发明建立三维数字模型，将所述热可逆水凝胶墨水经3D打印成凝胶模板前驱体后，进行凝胶化，得到固态凝胶模板。
在本发明中，所述建立三维数字模型的过程优选根据实际情况或者是目标结构进行常规的三维数字模型的建立。例如，当目标产物的中空水凝胶为病理模型时，可以根据实际病人的CT或者NMI数据信息建立个性化的病理模型。
在本发明中，所述3D打印的条件优选为：料筒的温度优选为35～50℃，进一步优选为35～45℃，更优选为40～45℃；挤出气压优选为0.07～0.10MPa，更优选为0.08～0.09MPa；挤出喷头的移动速度优选为3～10mm/s，更优选为6～9mm/s；挤出喷头的内径优选为0.25～0.6mm，更优选为0.3～0.4mm；打印环境的温度优选为室温；湿度优选为30～40％，更优选为33～35％。
在本发明中，所述3D打印的过程具体为：将热可逆水凝胶墨水转移至3D打印机的料筒中，调控所述料筒的温度场分布，让所述热可逆水凝胶墨水呈现合适的打印状态，利用三维建模软件建立目标模型，并导入3D打印软件获得代码驱动打印机进行3D打印。
在本发明中，所述凝胶化优选在低温环境中进行，所述低温环境的温度优选为4～10℃，更优选为4～6℃。
在本发明中，所述固态凝胶模板为热可逆模板，经加热即可变为溶胶状态，除去。
得到固态凝胶模板后，本发明将所述固态凝胶模板在第一配位剂溶液中进行第一浸渍，得到活化固态凝胶模板。
在本发明中，所述第一配位剂溶液的浓度优选为0.05～0.5mol/L，更优选为0.075～0.15mol/L。在本发明中，所述第一配位剂溶液的配位剂优选包括氯化亚铁、硝酸亚铁、氯化铁、硝酸银、氯化铜、硝酸铜、氯化钙、硝酸钙、氯化铝、硝酸铝、氯化锰、硝酸锰、氯化镍、硝酸镍、氯化锌、硝酸锌、氯化锶、十四水合硼酸钠、柠檬酸钠或柠檬酸钾。在本发明中，所述第一浸渍的温度优选为20～25℃，所述第一浸渍的时间优选为0.5～15min，更优选为5～8min。
得到活化固态凝胶模板后，本发明将所述活化固态凝胶模板在水凝胶前驱体溶液中进行第二浸渍，得到核壳水凝胶复合结构。
在本发明中，所述水凝胶前驱体溶液优选为海藻酸钠水凝胶溶液、聚乙烯醇溶液或水溶性壳聚糖溶液或丙烯酸类前驱体溶液。
在本发明中，所述丙烯酸类前驱体溶液的溶质优选包括丙烯酸类单体、交联剂和引发剂；所述丙烯酸类单体优选为丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸乙酯或丙烯酰吗啉；所述交联剂优选为N,N-二甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯200、聚乙二醇二丙烯酸酯400或聚乙二醇二丙烯酸酯600；所述引发剂优选为过硫酸铵或过硫酸钾。在本发明中，所述丙烯酸类单体在所述丙烯酸类前驱体溶液中的质量浓度优选为5～30％，更优选为10～25％，最优选为13～21％。在本发明中，所述丙烯酸类单体、交联剂和引发剂的质量比优选为(5～30)：(0.5～5)：(0.1～1)，更优选为(10～25)：(1.0～4.0)：(0.2～0.8)，最优选为(13～21)：(2.0～3.0)：(0.3～0.5)。在本发明中，所述丙烯酸类前驱体溶液的溶剂优选为水。
在本发明中，所述藻酸钠水凝胶溶液、聚乙烯醇溶液和水溶性壳聚糖溶液的质量百分浓度独立的优选为2～10％，更优选为4～8％。
在本发明中，当所述水凝胶前驱体溶液为丙烯酸类前驱体溶液时，采用表面引发自由基聚合原理制备水凝胶壳层，所述第一配位剂溶液中的第一配位剂优选为氯化亚铁、硝酸亚铁、氯化铁、硝酸银、氯化铜或硝酸铜。
在本发明中，当所述水凝胶前驱体溶液为海藻酸钠水凝胶溶液时，采用表面超分子组装原理，所述第一配位剂溶液中的第一配位剂优选为氯化铜、硝酸铜、氯化钙、硝酸钙、氯化铝、硝酸铝、氯化锰、硝酸锰、氯化镍、硝酸镍、氯化锌、硝酸锌或氯化锶。
在本发明中，当所述水凝胶前驱体溶液为聚乙烯醇溶液时，采用表面超分子组装原理，所述第一配位剂溶液中的第一配位剂优选为十四水合硼酸钠；
当所述水凝胶前驱体溶液为水溶性壳聚糖溶液时，采用表面超分子组装原理，所述第一配位剂溶液中的第一配位剂优选为柠檬酸钠或柠檬酸钾。
在本发明中，所述第二浸渍的温度优选为20～25℃，所述第二浸渍的时间优选为10～90min，更优选为30～60min。
所述第二浸渍完成后，本发明还优选包括清洗，所述清洗采用的清洗剂优选为去离子水；所述清洗的目的为去除表面不稳定的水凝胶。
得到核壳水凝胶复合结构后，本发明将所述核壳水凝胶复合结构在第二配位剂溶液中进行第三浸渍后，加热，得到所述中空水凝胶。在本发明中，所述第二配位剂溶液的第二配位剂的种类选择优选与第一配位剂种类选择的原则一致，在此不再赘述。在本发明中，所述第二配位剂溶液的浓度优选为0.05～1mol/L，更优选为0.1～0.15mol/L。
在本发明中，所述第三浸渍的温度优选为20～25℃，更优选为22～23℃；所述第三浸渍的时间优选为30～90min，更优选为60～80min。
在本发明中，所述第三浸渍的目的是进一步强化表面组装的水凝胶层，提高所述水凝胶层的力学性能和稳定性。
在本发明中，所述加热的温度优选为60～70℃，更优选为64～68℃；所述加热的时间优选为10～30min，更优选为15～20min。在本发明中，所述加热的方式优选为将第三浸渍后的水凝胶置于热水中加热。在本发明中，所述加热的目的为去除内层的固态凝胶模板。
图1为本发明提供的中空水凝胶的制备流程示意图，具体为：先经3D打印和胶凝化，得到固态凝胶模板，对应图1中的3D打印热可逆模板；然后将固态凝胶模板浸渍在第一配位剂溶液中，在3D打印热可逆模板的表面负载金属离子(第一配位剂)，继而再浸渍入水凝胶前驱体溶液中，通过表面化学工程制备水凝胶层，再浸渍入第二配位剂溶液中，经表面强化及去除模板，得到最终的中空水凝胶。
本发明还提供了上述技术方案所述的中空水凝胶。
本发明还提供了上述技术方案所述的中空水凝胶在脏器模型、临床体外模拟导丝介入、药物控释模型以及制备器官芯片中的应用。本发明对所述应用没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
下面结合实施例对本发明提供的中空水凝胶及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将2.5g明胶加入到7.5g去离子水中静置10min，使明胶完全水化，然后在200rpm的转速和60℃的温度下，搅拌至明胶完全溶解，得到质量浓度为25％的明胶溶液后，加入0.25gι-卡拉胶，在150rpm的转速和65℃的温度下搅拌，得到均以透明的热可逆水凝胶墨水，所述热可逆水凝胶墨水的打印窗口区间为35～50℃。
将所述热可逆水凝胶墨水转移至3D打印机的料筒中，调控所述料筒的温度为40±5℃，保温10～20min，让所述热可逆水凝胶墨水呈现合适的打印状态；利用三维建模软件建立生物组织器官模型(管状结构)，并导入3D打印软件获得代码驱动打印机制造，挤出气压为0.08MPa；挤出喷头的移动速度为5mm/s；挤出喷头的内径为0.5mm；打印环境的温度为室温；湿度为35％；打印完成后，放置在温度为4℃的低温环境中进行凝胶化，得到固态凝胶模板。
将所述固态凝胶模板在100mL(视实际的水凝胶结构尺寸而定，要求浸没水凝胶结构)浓度为0.15mol/L的氯化钙溶液中浸渍5min，得到活化固态凝胶模板。
将所述活化固态凝胶模板在100mL(视实际的水凝胶结构尺寸而定，要求浸没水凝胶结构)质量浓度为2％的海藻酸钠水溶液中浸渍60min后，用去离子水清洗，得到核壳水凝胶复合结构。
将所述核壳水凝胶复合结构在100mL(视实际的水凝胶结构尺寸而定，要求浸没水凝胶结构)浓度为0.15mol/L的氯化钙溶液中浸渍60min后，置于70℃的热水30min，得到管状的中空水凝胶，实物图如图2所示。
利用万能材料试验机，对所述圆柱状的中空水凝胶的力学性能进行测试，测试结果如图3所示，由图3可知，在应变为55％时，拉伸强度达到0.7MPa，由应力应变曲线计算得到弹性模量为2.62MPa，整体力学性能和生物体血管先匹配。此外，所述管状的中空水凝胶能够承受0.1MPa的气压。
实施例2
制备过程参考实施例1，区别仅在于，制备得到的中空水凝胶为支化血管状的中空水凝胶，实物图如图4所示。
实施例3
制备过程参考实施例1，区别仅在于，制备得到的中空水凝胶为人体消化系统状的中空水凝胶，实物图如图5所示。
实施例4
固态凝胶模板的制备过程参考实施例1。
将所述固态凝胶模板在100mL(视实际的水凝胶结构尺寸而定，要求浸没水凝胶结构)浓度为0.05mol/L的氯化亚铁溶液中浸渍5min，得到亚铁离子负载的活化固态凝胶模板。
将所述活化固态凝胶模板在100mL(视实际的水凝胶结构尺寸而定，要求浸没水凝胶结构)丙烯酸类的水凝胶前驱体溶液(包括4.23g丙烯酰胺、0.4g丙烯酸、0.01g N,N-二甲基双丙烯酰胺、0.1g过硫酸铵和40mL去离子水)中浸渍60min后，用去离子水清洗，得到核壳水凝胶复合结构。
将所述核壳水凝胶复合结构在100mL(视实际的水凝胶结构尺寸而定，要求浸没水凝胶结构)浓度为0.05mol/L的氯化铁溶液中浸渍60min后，置于70℃的热水20min，得到中空水凝胶。
实施例5
固态凝胶模板的制备过程参考实施例1。
将所述固态凝胶模板在100mL(视实际的水凝胶结构尺寸而定，要求浸没水凝胶结构)浓度为0.075mol/L的氯化亚铁溶液中浸渍10min，得到亚铁离子负载的活化固态凝胶模板。
将所述活化固态凝胶模板在100mL(视实际的水凝胶结构尺寸而定，要求浸没水凝胶结构)丙烯酸类的水凝胶前驱体溶液(包括4.23g丙烯酰胺、0.4g N-异丙基丙烯酰胺酸、0.01gN,N-二甲基双丙烯酰胺、0.1g过硫酸铵和40mL去离子水)中浸渍10min后，用去离子水清洗，得到核壳水凝胶复合结构。
将所述核壳水凝胶复合结构在100mL(视实际的水凝胶结构尺寸而定，要求浸没水凝胶结构)浓度为0.1mol/L的氯化铁溶液中浸渍60min后，置于70℃的热水20min，得到中空水凝胶(所述中空水凝胶具有温敏性能)。
实施例6
固态凝胶模板的制备过程参考实施例1。
将所述固态凝胶模板在100mL(视实际的水凝胶结构尺寸而定，要求浸没水凝胶结构)浓度为0.1mol/L的十四水合硼酸钠溶液中浸渍5min，得到硼酸根离子负载的活化固态凝胶模板。
将所述活化固态凝胶模板在100mL(视实际的水凝胶结构尺寸而定，要求浸没水凝胶结构)质量浓度为10％的聚乙烯醇水凝胶强躯体溶液中浸渍30min后，用去离子水清洗，得到核壳水凝胶复合结构。
将所述核壳水凝胶复合结构在100mL(视实际的水凝胶结构尺寸而定，要求浸没水凝胶结构)浓度为0.1mol/L的十四水合硼酸钠溶液中浸渍60min后，置于70℃的热水20min，得到中空水凝胶(所述中空水凝胶具有自修复功能)。
实施例7
固态凝胶模板的制备过程参考实施例1。
将所述固态凝胶模板在100mL(视实际的水凝胶结构尺寸而定，要求浸没水凝胶结构)浓度为0.5mol/L的柠檬酸钠溶液中浸渍5min，得到柠檬酸根离子的负载的活化固态凝胶模板。
将所述活化固态凝胶模板在100mL(视实际的水凝胶结构尺寸而定，要求浸没水凝胶结构)质量浓度为10％的水溶性壳聚糖水凝胶前驱体溶液中浸渍30min后，用去离子水清洗，得到核壳水凝胶复合结构。
将所述核壳水凝胶复合结构在100mL(视实际的水凝胶结构尺寸而定，要求浸没水凝胶结构)浓度为1mol/L的柠檬酸钠溶液溶液中浸渍60min后，置于70℃的热水30min，得到中空水凝胶(所述中空水凝胶结构中的水凝胶为壳聚糖基水凝胶，具有抗菌功能)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种中空水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供热可逆水凝胶墨水；
建立三维数字模型，将所述热可逆水凝胶墨水经3D打印成凝胶模板前驱体后，进行凝胶化，得到固态凝胶模板；
将所述固态凝胶模板在第一配位剂溶液中进行第一浸渍，得到活化固态凝胶模板；
将所述活化固态凝胶模板在水凝胶前驱体溶液中进行第二浸渍，得到核壳水凝胶复合结构；
将所述核壳水凝胶复合结构在第二配位剂溶液中进行第三浸渍后，加热，得到所述中空水凝胶。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热可逆水凝胶墨水包括溶质和溶剂，所述热可逆水凝胶墨水中溶质的质量百分浓度为15～30％；
所述溶质包括明胶和/或卡拉胶，所述卡拉胶为ι-卡拉胶、κ-卡拉胶或λ-卡拉胶；
当所述溶质为明胶和卡拉胶的混合物时，所述卡拉胶的质量为溶质质量的1～5％。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述明胶的分子量为50000～120000；所述卡拉胶的分子量＞200000。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述3D打印的条件为：料筒的温度为35～50℃，挤出气压为0.07～0.10MPa，挤出喷头的移动速度为3～10mm/s，挤出喷头的内径为0.25～0.6mm，打印环境的温度为室温，湿度为30～40％。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述第一配位剂溶液中的第一配位剂和第二配位剂溶液中的第二配位剂独立地包括氯化亚铁、硝酸亚铁、氯化铁、硝酸银、氯化铜、硝酸铜、氯化钙、硝酸钙、氯化铝、硝酸铝、氯化锰、硝酸锰、氯化镍、硝酸镍、氯化锌、硝酸锌、氯化锶、十四水合硼酸钠、柠檬酸钠或柠檬酸钾。
6.如权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，所述第一配位剂溶液的浓度为0.05～0.5mol/L；所述第二配位剂溶液的浓度0.05～1mol/L。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水凝胶前驱体溶液为丙烯酸类前驱体溶液、海藻酸钠水凝胶溶液、聚乙烯醇溶液或水溶性壳聚糖溶液。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一浸渍的时间为0.5～15min；
所述第二浸渍的时间为10～90min；
所述第三浸渍的时间为30～90min；
所述加热的温度为60～70℃。
9.权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到的中空水凝胶。
10.权利要求9所述的中空水凝胶在脏器模型、临床体外模拟导丝介入、药物控释模型以及制备器官芯片中的应用。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114106227A (zh) * 2021-12-23 2022-03-01 中国科学院兰州化学物理研究所 一种结构化水凝胶和水凝胶心脏及瓣膜的制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105949690A (zh) * 2016-06-20 2016-09-21 潘盈 一种快速成型高强度水凝胶及其制备方法
EP3090862A1 (en) * 2015-05-07 2016-11-09 Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Microporous hydrogels
CN107320780A (zh) * 2017-06-27 2017-11-07 上普博源（北京）生物科技有限公司 一种中空管结构的多层水凝胶及其制备方法与应用
CN109251323A (zh) * 2018-07-25 2019-01-22 华南理工大学 一种丝素蛋白-明胶双交联水凝胶及其制备方法
US20190039269A1 (en) * 2016-11-15 2019-02-07 Lanzhou Institute Of Chemical Physics, Chinese Academy Of Sciences Method for preparing double-network hydrogel tube with complex structure

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3090862A1 (en) * 2015-05-07 2016-11-09 Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Microporous hydrogels
CN105949690A (zh) * 2016-06-20 2016-09-21 潘盈 一种快速成型高强度水凝胶及其制备方法
US20190039269A1 (en) * 2016-11-15 2019-02-07 Lanzhou Institute Of Chemical Physics, Chinese Academy Of Sciences Method for preparing double-network hydrogel tube with complex structure
CN107320780A (zh) * 2017-06-27 2017-11-07 上普博源（北京）生物科技有限公司 一种中空管结构的多层水凝胶及其制备方法与应用
CN109251323A (zh) * 2018-07-25 2019-01-22 华南理工大学 一种丝素蛋白-明胶双交联水凝胶及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
OUYANG LILIANG ET AL.: "Facile biofabrication of heterogeneous multilayer tubular hydrogels by fast diffusion-induced gelation", 《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES》 *
WU BAOYI ET AL.: "Supramolecular fabrication of complex 3d hollow polymeric hydrogels with shape and function diversity", 《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114106227A (zh) * 2021-12-23 2022-03-01 中国科学院兰州化学物理研究所 一种结构化水凝胶和水凝胶心脏及瓣膜的制备方法

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