CN114133486A - 一种仿生各向异性杂化交联水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

一种仿生各向异性杂化交联水凝胶及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114133486A
CN114133486A CN202111571939.XA CN202111571939A CN114133486A CN 114133486 A CN114133486 A CN 114133486A CN 202111571939 A CN202111571939 A CN 202111571939A CN 114133486 A CN114133486 A CN 114133486A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydrogel
bionic
anisotropic
solution
natural polymer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111571939.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN114133486B (zh
Inventor
王艳洁
刘思俊
俞炜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Shanghai Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Jiaotong University filed Critical Shanghai Jiaotong University
Priority to CN202111571939.XA priority Critical patent/CN114133486B/zh
Publication of CN114133486A publication Critical patent/CN114133486A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114133486B publication Critical patent/CN114133486B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F251/00—Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to polysaccharides or derivatives thereof
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/16—Macromolecular materials obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/20—Polysaccharides
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/22—Polypeptides or derivatives thereof, e.g. degradation products
    • A61L27/222—Gelatin
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/52—Hydrogels or hydrocolloids
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2400/00—Materials characterised by their function or physical properties
    • A61L2400/12—Nanosized materials, e.g. nanofibres, nanoparticles, nanowires, nanotubes; Nanostructured surfaces
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/06—Materials or treatment for tissue regeneration for cartilage reconstruction, e.g. meniscus
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/24—Materials or treatment for tissue regeneration for joint reconstruction

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Processes Of Treating Macromolecular Substances (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

本发明涉及一种仿生各向异性杂化交联水凝胶及其制备方法和应用，以天然高分子和合成亲水聚合物为基体，通过机械预拉伸、受限干燥和杂化交联的方法，构筑获得高强度、高模量的各向异性杂化交联水凝胶。与现有技术相比，本发明制备得到的各项异性杂化交联水凝胶具有与生物软组织韧带相似的微观结构、相近的力学性质、良好的生物相容性，在韧带组织工程领域具有良好的应用前景。

Description

一种仿生各向异性杂化交联水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种水凝胶技术领域，具体地说，涉及一种具有仿生的各向异性结构的杂化交联双网络水凝胶及其制备方法。
背景技术
许多生物体组织呈现出各向异性结构，在生物体的机械性能和生物功能中起着至关重要的作用。例如，韧带由大量胶原纤维和弹力纤维彼此交织，沿平行方向高度取向并紧密排列，这使韧带在纤维排列方向上表现很高的机械强度。此外，胶原纤维维持韧带的强度，弹力纤维维持韧带的弹性，二者协同，使韧带组织既强韧且富有弹性，并作为理想的承重组织用于维持关节组织的运动和稳定性。然而，生物体的韧带组织一旦遭到破坏，难以自行修复。如果治疗不及时，损伤部位还会因外力牵引或磨损造成更严重的损伤。因此，开发出一种具有与天然韧带组织类似结构及机械性能的软材料，对于生物组织领域至关重要。
水凝胶是一类具有亲水性的三维交联网络结构，且高含水量的高分子软湿性材料，具有与天然细胞外基质相似的物理特性和良好的生物相容性，已广泛应用于药物控释、体外诊断及再生医学等。然而，传统的水凝胶由于其缺乏有效的能量耗散机制，机械性能通常较差，比如天然多糖水凝胶模量高但延展性差，呈现脆性，而合成水凝胶延展性好，但强度较低，这都无法满足高机械性能需求的韧带组织中的应用。
目前用于提高水凝胶的力学性能的方法有很多，如复合水凝胶、超分子水凝胶、拓扑水凝胶及双网络水凝胶。其中，具有高强韧的双网络水凝胶由于与天然组织如软骨和韧带相媲美的韧性而受到了广泛的关注。中国专利CN103739861A公开了一种高强度双网络水凝胶，通过简单快速的“一锅煮”法，形成了具有优异机械性能和韧性的双网络水凝胶。然而，该类水凝胶结构无序，呈现出各向同性，这与生物体的组织结构有差异，无法满足水凝胶在具有各向异性的韧带组织结构中的应用需求。
目前，有多种方法用于诱导聚合物链取向来构建各向异性水凝胶，如自组装、定向冷冻，静电纺丝、机械预拉伸等。由于刚性/半刚性天然高分子链更容易受到机械信号的影响，预拉伸是制备各向异性水凝胶的一种有效方法。中国专利CN107619482A公开了一种各向异性双交联纤维素水凝胶，通过将化学交联的天然纤维素进行机械预拉伸后再进行第二重物理交联，构建了高强度物理化学双交联的各向异性纤维素水凝胶膜。然而，天然高分子链由于刚性特征，虽具强度却缺乏延展性，在外力拉伸作用下易发生脆性断裂从而丧失其固有强度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种仿生各向异性杂化交联水凝胶及其制备方法和应用，该水凝胶具有与人体组织相似的各向异性结构，并具有与之匹配的高机械性能和良好的生物相容性，可作为软骨或关节的替代材料应用于生物组织工程。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种仿生各向异性杂化交联水凝胶的制备方法，其特征在于，以天然高分子和合成亲水聚合物为基体，通过机械预拉伸、受限干燥和杂化交联的方法，构筑获得高强度、高模量的各向异性杂化交联水凝胶。
具体包括以下步骤：
(1)将天然高分子进行溶解，离心以除气泡，以获得均匀透明的天然高分子溶液，再通过凝胶化过程，形成天然高分子水凝胶；
(2)将步骤(1)得到的天然高分子水凝胶置于可伸缩的拉伸夹具上，并进行机械预拉伸至特定应变后固定，并置于空气中恒温至完全干燥；
(3)称取亲水性单体、交联剂、引发剂溶解于去离子水中，并调节pH，以形成预聚合溶液；
(4)将步骤(2)得到的干燥的天然高分子干凝胶从夹具中取出，并将其置于步骤(3)配制的预聚合溶液进行溶胀；
(5)一定溶胀程度后，将凝胶取出，并使用聚乙烯膜密封，通过光或热引发形成交联聚合物网络，进而获得各向异性杂化交联水凝胶。
进一步地，所述的天然高分子，包括壳聚糖、羧甲基纤维素、明胶、结冷胶、卡拉胶、海藻酸钠、可德兰胶及其衍生物中的一种或几种。
进一步地，步骤(1)中所述天然高分子溶液中，天然高分子在溶液中的质量含量为1～10wt％。
进一步地，步骤(1)中所述天然高分子溶解的方法为：将天然高分子加入溶剂中分散均匀，置于-40℃～90℃，3～36小时后取出，并在3～25℃下恒温2-24小时。
进一步地，步骤(2)中，预拉伸的应变为0～200％；干燥温度为25～95℃，干燥时间1小时～72小时。
进一步地，步骤(3)中，亲水性单体、交联剂、引发剂的质量比为：1:0.001～0.1:0.003～0.1；所述的亲水性单体与去离子水的质量比为0.1～1.5:1,pH为5.0-10.0；
所述的亲水性单体包括：聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸、聚N,N-二甲基丙烯酰胺、聚N-异丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酰胺、聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸中的一种或几种；
所述的交联剂包括：N,N-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醛、戊二醛、乙二醇中的一种或几种。
所述的引发剂包括：α-酮戊二酸；2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(I2959)、过硫酸钾、过硫酸铵。
进一步地，步骤(4)中，溶胀温度为25～60℃，溶胀时间为5分钟～2小时，pH为5.0-10.0。
进一步地，步骤(5)中，引发聚合方式为光引发或热引发，其中，光引发采用紫外波长300～400nm，光照时间为1分钟～24小时；热引发温度为25～80℃，聚合时间为5分钟～72小时。
本发明还提供一种仿生各向异性杂化交联水凝胶，采用所述方法制备而成。
本发明还提供一种仿生各向异性杂化交联水凝胶的应用，将仿生水凝胶应用在生物组织工程领域，如韧带等组织替代材料，作为软骨或关节的替代材料应用于生物组织工程。
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
(1)本发明选用天然高分子作为第一网络基体，其来源广泛，成本低；此外由于它们来源于生物体，具有丰富的生物学功能和优异的生物相容性。
(2)本发明杂化交联双网络的结构设计将高强度的却脆性的多糖网络和高延展性却低强度的合成水凝胶网络协同，形成有效的能量耗散机制，使得水凝胶具备高强韧的力学性能。
(3)本发明机械预拉伸和受限干燥后再溶胀结合的方法。预拉伸使天然高分子链沿应力方向定向排列，使水凝胶的强度在平行于力的方向高于其它方向，表现出力学各向异性。受限干燥过程中，水凝胶的宽度和厚度会由于水的蒸发而收缩，干燥过程使天然高分子浓度增加，当高于临界浓度后，天然高分子链之间通过氢键相互作用聚集形成定向排列的纳米纤维，此时的纳米纤维强度高但延展性差。进一步地，再溶胀过程中，亲水小分子单体会扩散填充在纳米纤维之间的空隙中，以在取向的纳米纤维和高延展性的亲水聚合物基体间形成强大的界面结合力，最终获得微观结构更接近于天然的韧带组织的高强韧各向异性杂化交联水凝胶。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备仿生各向异性杂化交联水凝胶的扫描电子显微镜结构图；
图2为本发明实施例1以及对比例1～4所制备的仿生各向异性杂化交联水凝胶的含水量与溶胀时间的关系；
图3为本发明实施例1以及对比例5～8所制备的仿生各向异性杂化交联水凝胶的机械性能与预拉伸应变的关系；
图4为本发明实施例1所制备的仿生各向异性杂化交联水凝胶通过与C2C12细胞共培养1，3，5天后的Calcein-AM/PI染色荧光图像。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
为进一步理解本发明，下面结合具体实施例具体描述，但本发明的保护范围并不局限于这些实施例，本领域技术人员对本发明做出的非本质改进和调整，均属于本发明保护范围。
实施例1
将2.5g壳聚糖粉末加入到50g重量比为4:6:8:82的LiOH/KOH/尿素/H2O溶液中，待分散均匀后，置于-30℃的冰箱中，24小时后取出，并在5℃下恒温3小时以完全解冻，搅拌均匀后以4000rpm离心10分钟去除气泡后，获得透明的壳聚糖碱溶液。然后，将上述壳聚糖碱性溶液倒入模具中，并浸入37℃热水中30分钟使之发生凝胶化，以转化为碱性壳聚糖水凝胶。将碱性壳聚糖水凝胶浸入去离子水中3天，去除残余的碱和尿素，最终获得壳聚糖水凝胶。
将壳聚糖水凝胶置可伸缩的拉伸夹具上，并进行预拉伸至20％的应变后固定，并于空气中恒温至完全干燥，干燥温度25℃，干燥时间为72小时。
称取20g亲水性单体丙烯酰胺、0.4g交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺、1g热引发剂过硫酸钾溶解于30g去离子水中，并调节pH为6.3，以形成预聚合溶液
将干燥的壳聚糖干凝胶从夹具中取出，并将其置于配制好的预聚合溶液中进行溶胀，溶胀时间为20分钟。
将溶胀后的壳聚糖水凝胶取出，并使用聚乙烯膜密封，然后放入60℃的烘箱中热引发聚合3小时形成聚丙烯酰胺网络，冷却后最终获得各向异性壳聚糖/聚丙烯酰胺杂化交联水凝胶。
对比例1除溶胀时间为5分钟外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
对比例2除溶胀时间为10分钟外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
对比例3除溶胀时间为30分钟外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
对比例4除溶胀时间为40分钟外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
对比例5除预拉伸应变为0％外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
对比例6除预拉伸应变为40％外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
对比例7除预拉伸应变为60％外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
对比例8除预拉伸应变为100％外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
对比例9除预拉伸应变为120％外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
实施例2
将2g壳聚糖粉末加入到50g重量比为4:6:8:82的LiOH/KOH/尿素/H2O溶液中，待分散均匀后，置于-30℃的冰箱中，24小时后取出，并在5℃下恒温3小时以完全解冻，搅拌均匀后以4000rpm离心10分钟去除气泡后，获得透明的壳聚糖碱溶液。然后，将上述壳聚糖碱性溶液倒入模具中，并浸入37℃热水中30分钟使之发生凝胶化，以转化为碱性壳聚糖水凝胶。将碱性壳聚糖水凝胶浸入去离子水中3天，去除残余的碱和尿素，最终获得壳聚糖水凝胶。
将壳聚糖水凝胶置可伸缩的拉伸夹具上，并进行预拉伸至40％的应变后固定，并于空气中恒温至完全干燥，干燥温度40℃，干燥时间为48小时。
称取15g亲水性单体丙烯酰胺、0.3g交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.45g光引发剂2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解于35g去离子水中，并调节pH为6.3，以形成预聚合溶液。
将干燥后的壳聚糖干凝胶从夹具中取出，并将其置于配制好的预聚合溶液中进行溶胀，溶胀时间为40分钟。
将溶胀后的壳聚糖水凝胶取出，并使用聚乙烯膜密封，然后放入光固化箱中紫外光引发聚合5分钟形成交联聚丙烯酰胺网络，冷却后最终获得各向异性壳聚糖/聚丙烯酰胺杂化交联水凝胶。
实施例3
将0.5g壳聚糖粉末加入到20g重量比为4:6:8:82的LiOH/KOH/尿素/H2O溶液中，待分散均匀后，置于-30℃的冰箱中，24小时后取出，并在5℃下恒温3小时以完全解冻，搅拌均匀后以4000rpm离心10分钟去除气泡后，获得透明的壳聚糖碱溶液。然后，将上述壳聚糖碱性溶液倒入模具中，并浸入50℃热水中30分钟使之形成交联，以转化为碱性壳聚糖水凝胶。将碱性壳聚糖水凝胶浸入去离子水中3天，去除残余的碱和尿素，最终获得壳聚糖水凝胶。
将壳聚糖水凝胶置可伸缩的拉伸夹具上，并进行预拉伸至30％的应变后固定，并于空气中恒温至完全干燥，干燥温度25℃，干燥时间为72小时。
称取20g亲水性单体N-异丙基丙烯酰胺、0.3g交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.6g热引发剂过硫酸铵溶解于30g去离子水中，并调节pH为6.3，以形成预聚合溶液
将干燥后的壳聚糖干凝胶从夹具中取出，并将其置于配制好的预聚合溶液中进行溶胀，溶胀时间为10分钟。
将溶胀后的壳聚糖水凝胶取出，并使用聚乙烯膜密封，然后放入60℃烘箱热引发聚合5小时形成交联聚N-异丙基丙烯酰胺网络，冷却后最终获得各向异性壳聚糖/聚N-异丙基丙烯酰胺杂化交联水凝胶。
实施例4
将1g壳聚糖粉末加入到30g重量比为4:6:8:82的LiOH/KOH/尿素/H2O溶液中，待分散均匀后，置于-30℃的冰箱中，24小时后取出，并在5℃下恒温3小时以完全解冻，搅拌均匀后以4000rpm离心10分钟去除气泡后，获得透明的壳聚糖碱溶液。然后，将上述壳聚糖碱性溶液倒入模具中，并浸入45℃热水中30分钟使之发生凝胶化，以转化为碱性壳聚糖水凝胶。将碱性壳聚糖水凝胶浸入去离子水中3天，去除残余的碱和尿素，最终获得壳聚糖水凝胶。
将壳聚糖水凝胶置可伸缩的拉伸夹具上，并进行预拉伸至60％的应变后固定，并于空气中恒温至完全干燥，干燥温度40℃，干燥时间为48小时。
称取30亲水性单体2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、0.6g交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.9g光引发剂2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解于20g去离子水中，并调节pH为6.3，以形成预聚合溶液
将干燥后的壳聚糖干凝胶从夹具中取出，并将其置于配制好的预聚合溶液中进行溶胀，溶胀时间为5分钟。
将溶胀后的壳聚糖水凝胶取出，并使用聚乙烯膜密封，然后放入光固化箱中紫外光引发聚合10分钟形成交联聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸网络，冷却后最终获得各向异性壳聚糖/聚丙2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸杂化交联水凝胶。
实施例5
将1.5g壳聚糖粉末加入到30g重量比为4:6:8:82的LiOH/KOH/尿素/H2O溶液中，待分散均匀后，置于-30℃的冰箱中，24小时后取出，并在5℃下恒温3小时以完全解冻，搅拌均匀后以4000rpm离心10分钟去除气泡后，获得透明的壳聚糖碱溶液。然后，将上述壳聚糖碱性溶液倒入模具中，并浸入37℃热水中30分钟使之发生凝胶化，以转化为碱性壳聚糖水凝胶。将碱性壳聚糖水凝胶浸入去离子水中3天，去除残余的碱和尿素，最终获得壳聚糖水凝胶。
将壳聚糖水凝胶置可伸缩的拉伸夹具上，并进行预拉伸至80％的应变后固定，并于空气中恒温至完全干燥，干燥温度40℃，干燥时间为48小时。
称取20g亲水性单体丙烯酸、0.3g交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺、1g热引发剂过硫酸钾溶解于35g去离子水中，并调节pH为6.3，以形成预聚合溶液
将干燥后的壳聚糖干凝胶从夹具中取出，并将其置于配制好的预聚合溶液中进行溶胀，溶胀时间为10分钟。
将溶胀后的壳聚糖水凝胶取出，并使用聚乙烯膜密封，然后放入60℃箱中热引发聚合5小时形成交联聚丙烯酸网络，冷却后最终获得各向异性壳聚糖/聚丙烯酸杂化交联水凝胶。
实施例6
将5g壳聚糖粉末加入到50g重量比为4:6:8:82的LiOH/KOH/尿素/H2O溶液中，待分散均匀后，置于-30℃的冰箱中，24小时后取出，并在5℃下恒温3小时以完全解冻，搅拌均匀后以8000rpm离心10分钟去除气泡后，获得透明的壳聚糖碱溶液。然后，将上述壳聚糖碱性溶液倒入模具中，并浸入37℃热水中30分钟使之发生凝胶化，以转化为碱性壳聚糖水凝胶。将碱性壳聚糖水凝胶浸入去离子水中3天，去除残余的碱和尿素，最终获得壳聚糖水凝胶。
将壳聚糖水凝胶置可伸缩的拉伸夹具上，并进行预拉伸至20％的应变后固定，并于空气中恒温至完全干燥，干燥温度95℃，干燥时间为1小时。
称取20g亲水性单体N-异丙基丙烯酰胺、0.2g交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.6g光引发剂α-酮戊二酸溶解于80g去离子水中，并调节pH为6.3，以形成预聚合溶液。
将干燥后的壳聚糖干凝胶从夹具中取出，并将其置于配制好的预聚合溶液中进行溶胀，溶胀时间为2小时。
将溶胀后的壳聚糖水凝胶取出，并使用聚乙烯膜密封，然后放入光固化箱中紫外光引发聚合1小时形成交联聚N-异丙基丙烯酰胺网络，冷却后最终获得各向异性壳聚糖/聚N-异丙基丙烯酰胺杂化交联水凝胶。
实施例7
将1g结冷胶粉末加入到50g的去离子水中，90℃搅拌2小时至完全溶解，向溶液中添加2ml 1M的NaCl溶液，搅拌均匀后将溶液倒入模具中，室温25℃下冷却1小时使之发生凝胶化，以获得结冷胶水凝胶。
将结冷胶水凝胶置于可伸缩的拉伸夹具上，并进行预拉伸至10％的应变后固定，并于空气中恒温至完全干燥，干燥温度25℃，干燥时间为72小时。
称取30g亲水性单体丙烯酰胺、0.3g交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.9g光引发剂2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解于20g去离子水中，以形成预聚合溶液
将干燥后的结冷胶干凝胶从夹具中取出，并将其置于配制好的预聚合溶液中，在60℃下进行溶胀，溶胀时间为30分钟。
将溶胀后的结冷胶凝胶取出，并使用聚乙烯膜密封，然后放入光固化箱紫外光引发聚合10分钟形成交联聚丙烯酰胺网络，冷却后最终获得各向异性结冷胶/聚丙烯酰胺杂化交联水凝胶。
实施例8
将1.5g卡拉胶粉末加入到50g的去离子水中，70℃搅拌2小时至完全溶解，向溶液中添加2ml 1M的KCl溶液，搅拌均匀后将溶液倒入模具中，室温25℃下冷却1小时使之发生凝胶化，以获得卡拉胶水凝胶
将卡拉胶水凝胶置可伸缩的拉伸夹具上，并进行预拉伸至20％的应变后固定，并于空气中恒温至完全干燥，干燥温度25℃，干燥时间为72小时。
称取20g亲水性单体丙烯酰胺、0.4g交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.6g光引发剂2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解于30g去离子水中，以形成预聚合溶液
将干燥后的卡拉胶干凝胶从夹具中取出，并将其置于配制好的预聚合溶液中，在40℃下进行溶胀，溶胀时间为20分钟。
将溶胀后的卡拉胶水凝胶取出，并使用聚乙烯膜密封，然后放入光固化箱紫外光引发聚合10分钟形成交联聚丙烯酰胺网络，冷却后最终获得各向异性卡拉胶/聚丙烯酰胺杂化交联水凝胶。
实施例9
将2g可徳兰粉末加入到50g且pH＝12的氢氧化钠水溶液中，搅拌2小时至完全溶解，然后，将上述可徳兰胶溶液倒入1mm厚的模具中，并浸入pH＝6的去离子水中30分钟使之发生凝胶化，后将可徳兰凝胶浸入去离子水中3天，去除残余的离子，最终获得可徳兰水凝胶。
将可徳兰水凝胶置可伸缩的拉伸夹具上，并进行预拉伸至30％的应变后固定，并于空气中恒温至完全干燥，干燥温度25℃，干燥时间为72小时。
称取20g亲水性单体丙烯酰胺、0.4g交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺、1g热引发剂过硫酸钾溶解于30g去离子水中，并调节pH为9.0，以形成预聚合溶液
将干燥后的可徳兰干凝胶从夹具中取出，并将其置于配制好的预聚合溶液中进行溶胀，溶胀时间为30分钟。
将溶胀后的可徳兰水凝胶取出，并使用聚乙烯膜密封，然后放入60℃的烘箱中热引发聚合3小时形成交联聚丙烯酰胺网络，冷却后最终获得各向异性可徳兰/聚丙烯酰胺杂化交联水凝胶。
仿生各向异性杂化交联水凝胶的结构：按照实施例1所示的方法，制备得到各向异性壳聚糖/聚丙烯酰胺杂化交联水凝胶，如图1所示，从冻干后凝胶的电镜照片可以看到，凝胶呈现出各向异性结构，其中，取向的天然高分子(壳聚糖)纤维包埋在合成聚合物(聚丙烯酰胺)基体里，这与天然的韧带组织结构相似。
仿生各向异性杂化交联水凝胶的含水量：按照实施例1以及对比例1～4所示的方法，通过调控壳聚糖凝胶的溶胀时间制备得到不同含水量的各向异性壳聚糖/聚丙烯酰胺杂化交联水凝胶，含水量与溶胀时间的关系如图2所示，可以看出，通过调控壳聚糖凝胶的溶胀时间，可以有效控制水凝胶的含水量，以满足韧带组织工程对仿生材料含水量的需求。
仿生各向异性杂化交联水凝胶的机械性能：按照实施例1以及对比例5～8所示的方法，通过调控壳聚糖水凝胶机械预拉伸的应变，制备得到不同取向程度的各向异性壳聚糖/聚丙烯酰胺杂化交联水凝胶，机械性能与预拉伸应变的关系如图3所示，通过机械预拉伸和受限干燥再溶胀的方法结合来调控壳聚糖水凝胶的取向程度，进而可以调控水凝胶的机械性能，以满足韧带组织工程对仿生材料机械性能的需求。
仿生各向异性杂化交联水凝胶的生物相容性：按照实施例1所示的方法，制备得到各向异性壳聚糖/聚丙烯酰胺杂化交联水凝胶，再将C2C12细胞接种在水凝胶表面，通过共培养1，3，5天后，进行Calcein-AM/PI染色并拍摄荧光图像，结果如图4所示，细胞能在水凝胶上进行正常的生长和增殖，说明水凝胶具有优异的生物相容性。
将各实施例和对比例进行性能测试，结果如下：
Figure BDA0003424053540000101
Figure BDA0003424053540000111
从上表可以看出，通过调控溶胀时间、预拉伸应变，可以获得取向程度、含水量不同的水凝胶，进而得到可调控机械性能的各向异性杂化交联，以满足韧带组织工程对仿生材料机械性能的需求。

Claims (10)

1.一种仿生各向异性杂化交联水凝胶的制备方法，其特征在于，以天然高分子和合成亲水聚合物为基体，通过机械预拉伸、受限干燥和杂化交联的方法，构筑获得高强度、高模量的各向异性杂化交联水凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种仿生各向异性杂化交联水凝胶的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)将天然高分子进行溶解，离心以除气泡，以获得均匀透明的天然高分子溶液，再通过凝胶化过程，形成天然高分子水凝胶；
(2)将步骤(1)得到的天然高分子水凝胶置于可伸缩的拉伸夹具上，并进行机械预拉伸至特定应变后固定，并置于空气中恒温至完全干燥；
(3)称取亲水性单体、交联剂、引发剂溶解于去离子水中，并调节pH，以形成预聚合溶液；
(4)将步骤(2)得到的干燥的天然高分子干凝胶从夹具中取出，并将其置于步骤(3)配制的预聚合溶液进行溶胀；
(5)一定溶胀程度后，将凝胶取出，并使用聚乙烯膜密封，通过光或热引发形成交联聚合物网络，进而获得各向异性杂化交联水凝胶。
3.根据权利要求1或2所述的一种仿生各向异性杂化交联水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的天然高分子，包括壳聚糖、羧甲基纤维素、明胶、结冷胶、卡拉胶、海藻酸钠、可德兰胶及其衍生物中的一种或几种。
4.根据权利要求2所述的一种仿生各向异性杂化交联水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述天然高分子溶液中，天然高分子在溶液中的质量含量为1～10wt％。
步骤(1)中所述天然高分子溶解的方法为：将天然高分子加入溶剂中分散均匀，置于-40℃～90℃，3～36小时后取出，并在3～25℃下恒温2-24小时。
5.根据权利要求2所述的一种仿生各向异性杂化交联水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，预拉伸的应变为0～200％；干燥温度为25～95℃，干燥时间1小时～72小时。
6.根据权利要求2所述的一种仿生各向异性杂化交联水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，亲水性单体、交联剂、引发剂的质量比为：1:0.001～0.1:0.03～0.1；所述的亲水性单体与去离子水的质量比为0.1～1.5:1，pH为5.0-10.0；
所述的亲水性单体包括：聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸、聚N,N-二甲基丙烯酰胺、聚N-异丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酰胺、聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸中的一种或几种；
所述的交联剂包括：N,N-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醛、戊二醛、乙二醇中的一种或几种；
所述的引发剂包括：α-酮戊二酸；2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(I2959)、过硫酸钾、过硫酸铵。
7.根据权利要求2所述的一种仿生各向异性杂化交联水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，溶胀温度为25～60℃，溶胀时间为5分钟～2小时，pH为5.0-10.0。
8.根据权利要求2所述的一种仿生各向异性杂化交联水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，引发聚合方式为光引发或热引发，其中，光引发采用紫外波长300～400nm，光照时间为1分钟～24小时；热引发温度为25～80℃，聚合时间为5分钟～72小时。
9.一种仿生各向异性杂化交联水凝胶，其特征在于，采用权利要求1-8中任一所述方法制备而成。
10.一种仿生各向异性杂化交联水凝胶的应用，其特征在于，将仿生水凝胶应用在生物组织工程领域。
CN202111571939.XA 2021-12-21 2021-12-21 一种仿生各向异性杂化交联水凝胶及其制备方法和应用 Active CN114133486B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111571939.XA CN114133486B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 一种仿生各向异性杂化交联水凝胶及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111571939.XA CN114133486B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 一种仿生各向异性杂化交联水凝胶及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114133486A true CN114133486A (zh) 2022-03-04
CN114133486B CN114133486B (zh) 2023-03-14

Family

ID=80383018

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111571939.XA Active CN114133486B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 一种仿生各向异性杂化交联水凝胶及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114133486B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114716724A (zh) * 2022-03-16 2022-07-08 华南理工大学 一种基于墨鱼骨的仿生智能水凝胶及其制备方法
CN114752077A (zh) * 2022-04-11 2022-07-15 扬州大学 双组份各向异性水凝胶的制备方法
CN115364279A (zh) * 2022-09-22 2022-11-22 山西浙大新材料与化工研究院 一种正交各向异性结构的高分子复合材料的制备方法
CN115814152A (zh) * 2022-11-23 2023-03-21 中国人民解放军陆军军医大学 一种具有定向排列纤维微结构的高强度互穿网络水凝胶血管的制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070031499A1 (en) * 2005-07-28 2007-02-08 Huh Kang M Readily shapeable xerogels having controllably delayed swelling properties
CN108066819A (zh) * 2017-12-01 2018-05-25 浙江大学 一种高强度的天然高分子水凝胶薄膜及其制备方法
CN109021256A (zh) * 2018-06-08 2018-12-18 天津工业大学 一种杂化交联和预拉伸获得低溶胀高强度水凝胶的制备方法
CN113372582A (zh) * 2021-06-23 2021-09-10 太原理工大学 一种仿生复合水凝胶及其制备方法和应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070031499A1 (en) * 2005-07-28 2007-02-08 Huh Kang M Readily shapeable xerogels having controllably delayed swelling properties
CN108066819A (zh) * 2017-12-01 2018-05-25 浙江大学 一种高强度的天然高分子水凝胶薄膜及其制备方法
CN109021256A (zh) * 2018-06-08 2018-12-18 天津工业大学 一种杂化交联和预拉伸获得低溶胀高强度水凝胶的制备方法
CN113372582A (zh) * 2021-06-23 2021-09-10 太原理工大学 一种仿生复合水凝胶及其制备方法和应用

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114716724A (zh) * 2022-03-16 2022-07-08 华南理工大学 一种基于墨鱼骨的仿生智能水凝胶及其制备方法
CN114716724B (zh) * 2022-03-16 2023-08-22 华南理工大学 一种基于墨鱼骨的仿生智能水凝胶及其制备方法
CN114752077A (zh) * 2022-04-11 2022-07-15 扬州大学 双组份各向异性水凝胶的制备方法
CN114752077B (zh) * 2022-04-11 2024-02-13 扬州大学 双组份各向异性水凝胶的制备方法
CN115364279A (zh) * 2022-09-22 2022-11-22 山西浙大新材料与化工研究院 一种正交各向异性结构的高分子复合材料的制备方法
CN115364279B (zh) * 2022-09-22 2023-08-08 山西浙大新材料与化工研究院 一种正交各向异性结构的高分子复合材料的制备方法
CN115814152A (zh) * 2022-11-23 2023-03-21 中国人民解放军陆军军医大学 一种具有定向排列纤维微结构的高强度互穿网络水凝胶血管的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114133486B (zh) 2023-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114133486B (zh) 一种仿生各向异性杂化交联水凝胶及其制备方法和应用
CN110951096B (zh) 一种GelMA-氧化葡聚糖双网络水凝胶及其制备方法
Hu et al. Advances in crosslinking strategies of biomedical hydrogels
Haque et al. Super tough double network hydrogels and their application as biomaterials
Zhuang et al. In vitro biodegradation and biocompatibility of gelatin/montmorillonite-chitosan intercalated nanocomposite
CN111116824A (zh) 一种高强韧多功能水凝胶及其制备方法和应用
CN109749098B (zh) 一种物理/化学双交联网络高强度明胶水凝胶及其制备方法
CN101703805B (zh) 一种生物相容性和温敏性纳米复合水凝胶及其制备方法
CN106188442B (zh) 一种壳聚糖衍生物水凝胶及其制备方法
CN108409997B (zh) 一种含有纤维素纳米晶须的超高强度各向异性水凝胶的制备方法
CN105732999A (zh) 高强度交联水凝胶和弹性体及其制备方法
CN102206351B (zh) 一种丝胶基半互穿温敏纳米复合水凝胶及其制备方法
CN111040205A (zh) 一种基于聚乙二醇/明胶颗粒的双网络水凝胶及其制备方法和应用
Chen et al. Design of strong and tough methylcellulose-based hydrogels using kosmotropic Hofmeister salts
CN102961784A (zh) 一种细菌纤维素/聚乙烯醇复合材料及其制备方法和应用
CN110157012A (zh) 一种高强度高韧性明胶基水凝胶的制备方法
CN108276590A (zh) 可3d打印的琼脂/聚丙烯酰胺双氢键协同交联高韧性水凝胶的制备方法
CN110483809B (zh) 一种高强度的纳米甲壳素/聚丙烯酰胺/醋酸锌复合导电水凝胶及其制备方法
CN112111073B (zh) 一种抗疲劳的全水凝胶复合材料及其制备方法和应用
CN107973881A (zh) 一种高拉伸性羟乙基纤维素/聚丙烯酰胺水凝胶的制备
CN105418861B (zh) 一种基于聚氨基酸分子交联水凝胶及其制备方法
CN110128594A (zh) 一种温度/pH双敏型高强度纳米复合水凝胶及其制备方法
CN114437373B (zh) 一种氨基酸复合自由基聚合型水凝胶及其制备方法和用途
CN111138690A (zh) 一种海藻酸盐水凝胶支架的制备方法
CN116396499A (zh) 一种多巴胺改性纳米复合水凝胶及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant