CN117180521A

CN117180521A - 一种芯鞘结构湿滑水凝胶光纤的制备方法及应用

Info

Publication number: CN117180521A
Application number: CN202311166314.4A
Authority: CN
Inventors: 王晓龙; 朱彬; 蒋盼; 刘德胜; 吴家宇
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2023-09-11
Filing date: 2023-09-11
Publication date: 2023-12-08

Abstract

本发明公开了一种芯鞘结构湿滑水凝胶光纤的制备方法及应用，该方法包含：将芯层水凝胶前驱体溶液注入模具中，并在紫外灯下进行固化交联，得到交联固化的水凝胶光纤芯层；将交联固化的水凝胶光纤芯层浸泡在亚铁离子溶液中，得到亚铁离子负载的芯层纤维；将芯层纤维浸渍在鞘层水凝胶前驱体溶液中生长水凝胶鞘层。本发明解决了现有芯鞘双层结构水凝胶光纤材料体系单一，方法也仅局限于海藻酸盐的快速离子交联的问题。本发明的制备方法不局限于特定材料的特定反应，对自由基聚合反应体系具有通用性，对于前驱体的状态没有特定要求，可以是溶液状态，获得的双层结构水凝胶光纤具有良好的光传导能力，在体液环境中表现出高度的稳定性。

Description

一种芯鞘结构湿滑水凝胶光纤的制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种水凝胶光纤的制备方法，具体涉及一种芯鞘结构湿滑水凝胶光纤的制备方法及应用。

背景技术

近年来，光医学作为一种新兴的医疗手段因其具有良好的治疗效果和可靠的安全性而受到广泛关注。目前光医学主要包括光动力疗法、光热疗法以及光遗传学技术，其共同点是都需要光源进入组织内部深处刺激光敏试剂或特殊神经来达到治疗目的。然而，由于组织的吸收和光的散射，使得光在近红外区域处的穿透组织深度限制在几毫米，且在波长更短的区域穿透深度更小，这无法满足实际医疗的需求。因此，需要在体内植入导光材料将外部光源传导至组织深处来实现光医学治疗。传统的可植入导光材料主要包括硅基玻璃光纤和聚合物光纤，这两类材料均具有较高的硬度，其杨氏模量介于1.0×10³～1.0×10⁵MPa，这远高于生物软组织的生物力学范围，这种机械性能的不适配将会造成植入后生物软组织的损伤，从而会给生物体带来二次伤害。

相比之下，水凝胶基聚合物纤维因其优异的柔韧性、可伸缩性和生物相容性而被开发用于替代传统的硬质植入光纤。同时水凝胶可以通过分子设计来赋予其与生物软组织适配的力学性能和环境刺激响应能力(温度、pH、磁、电)，从而满足在实现光传导的同时达到特定功能。为此，近年来聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、聚丙烯酰胺(PAAm)、琼脂糖和明胶等被广泛研究用于水凝胶光纤。为了提高光纤的光导能力，具有芯鞘双层结构的水凝胶光纤是临床上的最佳选择，其不仅具有良好的光导能力，而且还集成了双层水凝胶的功能特点和结构优势。双层结构水凝胶纤维可以在单层水凝胶纤维的基础上进一步拓展其功能性，例如其能够实现更为精细的可穿戴电子器件和多药物控释等功能。但是由于水凝胶的湿滑特性导致与之适配的双层结构水凝胶纤维的制备技术有限，这进一步限制了水凝胶光纤的实际应用。目前双层结构水凝胶光纤的制备技术主要是在单层结构的基础上通过一定的处理方式得到，主要包括同轴方式的湿法纺丝技术和浸渍方式的表面涂层技术。前者虽然可以实现连续大规模的制备，但对水凝胶前驱体的状态要求较高，且必须满足特定的要求才能制备。后者通过涂层技术在单层纤维表面涂覆一层水凝胶涂层来制备双层结构，在现阶段的研究中海藻酸盐凝胶因其快速的离子交联特性常被用于构筑凝胶鞘层。目前制备芯鞘双层结构水凝胶光纤的材料体系相对单一，方法也仅局限于海藻酸盐的快速离子交联。

发明内容

本发明的目的是提供一种芯鞘结构湿滑水凝胶光纤的制备方法及应用，解决了现有芯鞘双层结构水凝胶光纤材料体系单一，方法也仅局限于海藻酸盐的快速离子交联的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种芯鞘结构湿滑水凝胶光纤的制备方法，该方法包含：

(1)将芯层水凝胶前驱体溶液注入模具中，并在紫外灯下进行固化交联，得到交联固化的水凝胶光纤芯层，所述水凝胶光纤芯层的直径与所述模具的内径相一致；所述芯层水凝胶前驱体溶液由聚乙二醇双丙烯酸酯水溶液和水溶性光引发剂均匀混合制得的；

(2)将交联固化的水凝胶光纤芯层浸泡在亚铁离子溶液中，得到亚铁离子负载的芯层纤维；所述亚铁离子溶液由亚铁离子水溶液和柠檬酸混合均匀制得；所述亚铁离子水溶液中亚铁离子的浓度为0.1～0.2mol/L；所述浸泡的时间为1～10min；

(3)将芯层纤维浸渍在鞘层水凝胶前驱体溶液中生长水凝胶鞘层，获得所述芯鞘结构湿滑水凝胶光纤；所述生长水凝胶鞘层的时间为10～60s；所述鞘层水凝胶前驱体溶液由不饱和单体水溶液、水溶性光引发剂和热引发剂均匀混合制得的；所述不饱和单体水溶液为丙烯酰胺、N-丙烯酰甘氨酸酰胺(NAGA)和N,N-二甲基丙烯酰胺中的任意一种或两种以上；。

优选地，在步骤(1)中，所述聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)的分子量为700～20000；在芯层水凝胶前驱体溶液中，所述聚乙二醇双丙烯酸酯的质量分数为15～45wt％。

优选地，在步骤(1)中，所述模具的内直径为300～3000μm；所述固化交联的时间为5～15min。

优选地，在步骤(2)中，所述亚铁离子水溶液为硫酸亚铁、氯化亚铁、碳酸亚铁中的任意一种或两种以上；所述亚铁离子溶液中的柠檬酸的添加量为0.1～0.3mol/L。

优选地，在步骤(3)中，所述不饱和单体水溶液的质量分数为15～50wt％。

优选地，在步骤(1)、(3)中，所述水溶性光引发剂为苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基磷酸锂、偶氮二异丁脒盐酸盐(V-50)、苯基双2,4,6-三甲基苯甲酰基磷酸钠盐、苯基双2,4,6-三甲基苯甲酰基磷酸锂盐和聚乙二醇/苯基双2,4,6-三甲基苯甲酰基氧化膦中的任意一种或两种以上。

优选地，在步骤(3)中，所述热引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠中的任意一种；所述热引发剂的质量是鞘层水凝胶前驱体溶液中不饱和丙烯酰胺单体质量的0.3～1wt％。

优选地，在步骤(3)中，所述生长水凝胶鞘层的时间为10～60s；所述水溶性光引发剂的质量是鞘层水凝胶前驱体溶液中不饱和丙烯酰胺单体质量的0.2～1wt％。

一种如所述的制备方法制得的芯鞘结构湿滑水凝胶光纤。

一种如所述的芯鞘结构湿滑水凝胶光纤子在生物光纤材料和生物医疗器械领域中的应用。

本发明的一种芯鞘结构湿滑水凝胶光纤的制备方法及应用，解决了现有芯鞘双层结构水凝胶光纤材料体系单一，方法也仅局限于海藻酸盐的快速离子交联的问题，具有以下优点：

1、本发明的水凝胶光纤芯鞘双层结构制备方法是首次提出，其中芯层水凝胶前驱体浓度、鞘层水凝胶前驱体浓度、芯纤维在亚铁离子中的浸泡时间、亚铁离子的浓度以及鞘层的生长时间对水凝胶光纤的制备具有较大的影响。芯层水凝胶前驱体的浓度决定了芯层纤维的光学传导效率，芯层和鞘层水凝胶前驱体的浓度决定了能否有效的构建芯鞘层之间的全内反射界面；芯纤维在亚铁离子中的浸泡时间和亚铁离子的浓度决定了亚铁离子的负载量，亚铁离子的负载量的变化会影响鞘层的生长效率；鞘层的生长时间和亚铁离子的负载量共同决定了鞘层的厚度。

2、本发明制备方法不局限于特定材料的特定反应，对自由基聚合反应体系具有通用性，对于前驱体的状态没有特定要求，可以是溶液状态，通过模板成型的方式制备单层纤维，再通过在单层纤维表面负载金属离子催化剂的方式利用基于氧化还原反应机理的界面自催化聚合方法，在芯层水凝胶基底上原位自生长水凝胶鞘层结构。

3、本发明通过简单的浸渍生长方式可以获得不同直径(300～3000μm)和鞘层厚度(0～500μm，且不为0)的双层结构水凝胶光纤。该水凝胶光纤具有良好的光传导能力，能够有效在组织内部进行光学传导并用于体内定点光热治疗和药物控制释放。在体液环境中表现出高度的稳定性同时具有与人体组织相似的模量(杨氏模量1.0×10³～1.0×10⁵Pa)和良好的生物润滑特性(平均摩擦系数～0.065)，在可植入光医疗器械方面具有很大的应用潜力。

附图说明

图1为本发明添加Fe²⁺催化溶液后鞘层水凝胶前驱体迅速凝胶化的实物图；

图2为本发明实施例1制备芯鞘双层结构水凝胶光纤的流程示意图；

图3为本发明宏观光纤结构的全内反射效应示意图；

图4为本发明不同浓度芯层材料和鞘层材料的透过率以及折射率图；

图5为本发明不同芯层直径的双层结构光纤的光学显微镜截面图；

图6为本发明光纤实物的机械性能展示图；

图7为本发明在不同催化溶液浓度下的水凝胶光纤鞘层的厚度变化趋势图；

图8为本发明在亚铁离子浸泡不同时间的光纤鞘层的厚度变化趋势图；

图9为本发明不同催化溶液浓度下的光纤鞘层的生长过程图；

图10为本发明实施例5制备的双层结构光纤的光传导性能展示图；

图11为本发明不同水凝胶鞘层在PBS溶液中的鞘层厚度变化和双层结构光纤的直径变化图；

图12为本发明对比例3利用鞘层为海藻酸盐凝胶制得的水凝胶光纤在PBS溶液中的实物图；

图13为本发明实施例5利用PNAGA的鞘层制得的水凝胶光纤在PBS溶液中的实物图；

图14为本发明实施例5制得的光纤材料模量测试示意图和材料模量以及摩擦示意图和摩擦曲线图；

图15为本发明的芯鞘结构水凝胶光纤生物组织下的光热治疗模拟测试图。

图16为本发明实施例5制备的水凝胶光纤用于药物控制释放的研究图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种芯鞘结构湿滑水凝胶光纤的制备方法，如图2所示流程，制备芯鞘结构双层水凝胶光纤，该方法包含：

(1)配制50mL的0.1mol/L亚铁离子溶液(以氯化亚铁或其他的亚铁离子溶液为例)，按照0.1mol/L的浓度添加柠檬酸；将4g聚乙二醇双丙烯酸酯(分子量700)、0.012g水溶性光引发剂LAP，溶解于6mL去离子水(40wt％)制备芯层水凝胶前驱体溶液；将10g N-丙烯酰甘氨酸酰胺、0.03g水溶性光引发剂LAP、0.1g热引发剂过硫酸铵溶于40mL去离子水(20wt％)制备鞘层水凝胶前驱体溶液；

(2)将芯层水凝胶前驱体溶液注入直径为300μm的硅橡胶管模具中，并在紫外灯下进行固化交联，得到交联固化的水凝胶光纤芯层，紫外灯的光源波长为365nm、光源强度为400mW，交联时间为5分钟；

(3)交联固化的水凝胶光纤芯层浸泡在亚铁离子溶液中，浸泡时间为5分钟得到芯层纤维；参见图2，芯层纤维在负载亚铁离子后引发鞘层凝胶单体在芯层纤维上快速聚合生长；

(4)将芯层纤维浸渍在鞘层水凝胶前驱体溶液中生长水凝胶鞘层，生长时间为10～60秒。

实施例2

一种芯鞘结构湿滑水凝胶光纤的制备方法与实施例1基本相同，区别在于：

在步骤(1)中，配制0.15mol/L的亚铁离子溶液；

在步骤(2)中，将芯层水凝胶前驱体溶液注入直径为500μm的硅橡胶管模具中。

实施例3

在步骤(1)中，配制0.2mol/L的亚铁离子溶液，按照0.1mol/L的浓度添加柠檬酸；将4.5g聚乙二醇双丙烯酸酯(分子量700)、0.014g水溶性光引发剂LAP，溶解于5.5mL去离子水(45wt％)制备芯层水凝胶前驱体溶液；将10g N-丙烯酰甘氨酸酰胺、0.02g水溶性光引发剂LAP、0.03g热引发剂过硫酸铵溶于40mL去离子水(20wt％)制备鞘层水凝胶前驱体溶液。

在步骤(2)中，将芯层水凝胶前驱体溶液注入直径为800μm的硅橡胶管模具中。

实施例4

一种芯鞘结构湿滑水凝胶光纤的制备方法与实施例3基本相同，区别在于：

在步骤(1)中，配制0.15mol/L的亚铁离子溶液，按照0.2mol/L的浓度添加柠檬酸；

在步骤(2)中，将芯层水凝胶前驱体溶液注入直径为1000μm的硅橡胶管模具中。

实施例5

在步骤(2)中，将芯层水凝胶前驱体溶液注入直径为3000μm的硅橡胶管模具中。

实施例6

在步骤(1)中，聚乙二醇双丙烯酸酯的分子量为15000或20000。

实施例7

在步骤(1)中，将N-丙烯酰甘氨酸酰胺调整为N,N-二甲基丙烯酰胺或丙烯酰胺，质量不变。

对比例1

一种原位自生长的芯鞘双层结构水凝胶光纤的制备方法，该方法与实施例1基本相同，区别在于：

在步骤(1)中，不配置亚铁离子溶液。

没有步骤(3)。

对比例2

在步骤(1)中，鞘层水凝胶前驱体溶液中未添加引发剂过硫酸铵。

对比例3

一种鞘层为海藻酸盐的传统水凝胶光纤的制备方法与实施例1基本相同，区别在于：

在步骤(1)中，配制质量分数为2wt％的海藻酸钠水溶液以及质量分数为4wt％的氯化钙水溶液(不配置亚铁离子溶液和鞘层水凝胶前驱体溶液)；

在步骤(3)中，将交联固化的水凝胶光纤芯层浸泡在氯化钙溶液中，得到芯层纤维，其中浸泡时间为5-10分钟；

在步骤(4)中，将芯层纤维浸渍在海藻酸钠溶液中制备鞘层，浸渍时间为1-5分钟，得到芯鞘纤维，将得到的芯鞘纤维浸泡在氯化钙溶液中后固化15分钟。

实验例1光纤的制备与不同条件的探究

1、凝胶化速度

本发明探究对比例1、实施例1～6添加Fe²⁺催化溶液后鞘层水凝胶前驱体凝胶化的速度。

如图1所示，本发明添加Fe²⁺催化溶液后鞘层水凝胶前驱体迅速凝胶化的实物图。在配置好的鞘层前驱体溶液中滴加1滴Fe²⁺催化溶液后观察鞘层前驱体状态，由图1可知，在亚铁离子催化作用下鞘层水凝胶前驱体在5秒钟快速凝胶化，证明鞘层水凝胶前驱体在Fe²⁺的催化能够快速的发生凝胶化反应，为鞘层水凝胶的快速生长提供了保障。而对比例1，在没有Fe²⁺的情况下鞘层水凝胶前驱体无法在芯层纤维上生长。

2、光纤的光学显微镜表征

将实施例1～4制得的光纤进行光学显微镜表征。

如图5所示，本发明不同芯层直径的双层结构光纤的光学显微镜截面图，其中A为实施例1制得的光纤；B为实施例2制得的光纤；C为实施例3制得的光纤；D为实施例4制得的光纤。由图5可知，不同直径的管模具可以获得不同芯层直径的水凝胶光纤，同时实施例1至4所制备的水凝胶光纤具有清晰的芯鞘双层结构，以及不同的鞘层厚度。

3、不同鞘层的制得的光纤实物

探究对比例3、实施例5利用不同材料制备不同水凝胶鞘层的芯鞘双层结构光纤在PBS中的稳定性，结果详见图12至13。

如图12所示，本发明对比例3利用鞘层为海藻酸盐凝胶制得的水凝胶光纤在PBS溶液中的实物图。由图12可知，海藻酸盐凝胶鞘层在PBS溶液中快速溶解剥离失去对芯层的包覆效果。

如图13所示，本发明实施例5利用PNAGA的鞘层制得的水凝胶光纤在PBS溶液中的实物图。由图13可知，PNAGA鞘层在PBS模拟体液环境下具有高度的稳定性，在整个测试周期中鞘层没有明显变化。

4、不同生长时间、不同催化溶液浓度下的生长过程

探究在不同催化溶液浓度和不同生长时间下水凝胶光纤鞘层的厚度变化。将实施例5制备的芯层直径为3000μm的芯纤维分别浸泡在0.1mol/L、0.15mol/L、0.2mol/L的氯化亚铁溶液中，时间为5min。亚铁离子负载后的水凝胶芯纤维浸泡在鞘层前驱体(PNAGA)溶液中生长鞘层，每间隔10s取截面在显微镜下测量其鞘层厚度。

如图7所示，本发明在不同催化溶液浓度下的鞘层厚度变化趋势图，其中横坐标为时间，纵坐标为厚度。

如图9所示，本发明不同催化溶液浓度下的光纤鞘层的生长过程图，其中第一行为实施例5在浓度为0.1M的亚铁离子下水凝胶光纤鞘层的生长过程，第二行为实施例5在浓度为0.15M的亚铁离子下水凝胶光纤鞘层的生长过程，第三行为实施例5在浓度为0.2M的亚铁离子下水凝胶光纤鞘层的生长过程。由图9可知，在不同亚铁离子催化作用下水凝胶光纤鞘层逐步生长并表现出不同的鞘层生长速率。催化剂的浓度决定生长速率，浓度越高速度越快，催化剂的含量由亚铁离子的量决定。

5、芯纤维在亚铁离子中的浸泡时间对鞘层生长的影响

探究在亚铁离子中浸泡时间对鞘层生长的影响，将实施例5制备芯纤维浸泡在0.1mol/L的亚铁离子溶液中，时间分别为1min、3min、5min。负载亚铁离子后的芯纤维浸泡在鞘层前驱体溶液中生长鞘层，每隔10s取截面在光学显微镜下测量鞘层厚度。

如图8所示，本发明在亚铁离子浸泡不同时间的光纤鞘层的厚度变化趋势图。由图8可知，在在亚铁离子溶液中浸泡不同时间，鞘层的厚度随着浸泡时间的不同表现出不同的生长速率和鞘层厚度。

实验例2性能测试

1、反射效应

为了证明芯层和鞘层材料因折射率差异造成的全内反射效应，以上述实施例1～5中提到的两种材料(PEGDA和PNAGA)为原材料制备了宏观的夹层结构来验证这种材料折射率差异带来的全内反射现象。实验结果显示实施例1～5中采用的材料组合能够形成全内放射现象，制备宏观夹层结构的意图是便于直观的观察这种现象。

如图3所示，本发明宏观光纤结构的全内反射效应示意图，将波长为532nm的光源聚焦于夹层结构的中间层(PEGDA层)观察不同入射光角度下的光纤在夹层结构中的传播路径变化。其中A为光线沿直线在宏观光纤中的传播；B为光线以一定角度(45°)在宏观光纤中传播时的的全内反射现象，可以清晰的观察到光线在芯层和鞘层界面处反射，光线被限制在芯层内传播；C为光线入射角大于临界角(90°)时在宏观光纤中的传播效果。由图3可知，芯层材料和鞘层材料具有明显的折射率差异能够在芯鞘界面处有效构建全内反射界面。

同时考察了材料本征的光学属性对光纤性能的影响，高光学传输性能要求材料必须具有较高的透过率，透过率反应了材料对光线的吸收效果，反应了光在材料中的衰减情况，其值越大，表明光在介质中的衰减越小，传播效果越好。同时要求芯层材料的折射率要高于鞘层材料的折射率才能有效的构建芯鞘之间的全内反射界面。

如图4所示，本发明不同浓度芯层材料和鞘层材料的透过率以及折射率图，其中A为不同浓度芯层材料(PEGDA)的透过率，横坐标为波长，纵坐标为透过率；B为不同浓度鞘层材料(PNAGA)的透过率，横坐标为波长，纵坐标为透过率；C为芯层和鞘层在400～800nm的折射率，横坐标为波长，纵坐标为折射率。由图4的A可知，芯层前驱体的浓度决定了芯纤维的透过率，芯层前驱体的浓度越高芯层材料的透过率越高，芯层的传播效果越好。由图4的B可知鞘层前驱体的浓度决定了鞘纤维的透过率。由图4的C可知，芯层(45wt％)表现出比鞘层(20wt％)更高的折射率，符合光纤光学传输和构建全内反射的材料要求。

本发明用不同的材料构建不同的水凝胶光纤鞘层，材料本征的光学性质决定了芯鞘双层光纤的光传输效率。对实施例6～7的材料也做了上述性能测试，实验结果显示，本发明实施例1～7提及的不饱和单体都具有较高的透过率和光学性能，具备构建水凝胶光纤的条件。

2、机械性能

实施例4制得的光纤作为一种体内植入物，在保证光传输性能的同时，还能够承受复杂的变形以符合器官曲率的变化。

如图6所示，本发明光纤实物(实施例4)的机械性能展示图，其中A为水凝胶光纤缠绕在圆柱形物体上的展示图；B为水凝胶光打结的展示图。由图6可知，所制备的水凝胶光纤具有良好的机械柔韧性能够有效的承受各种复杂的变形如扭曲和打结。

3、光传导性能

将波长为450nm、532nm和660nm的光源分别聚焦于实施例5制备的双层结构光纤前端测试其光传输性能。

如图10所示，本发明实施例5制备的双层结构光纤的光传导性能展示图，其中A为波长为450nm、532nm和660nm的光源沿水凝胶光纤以直线传播的能力；B为波长为450nm、532nm和660nm的光源沿水凝胶光纤以曲线形式传播；C、D为波长为450nm、532nm和660nm的光源能够沿固定路径在生物组织内传播。由图10可知，波长为450nm、532nm和660nm的光源沿水凝胶光纤能以直线、曲线的形式传播，同时波长为450nm、532nm和660nm的光源能够沿固定路径在生物组织内传播并穿透组织，表明实施例5所制备的水凝胶光纤能有效在生物组织中以直线或曲线的形式进行光传导。

4、直径变化

对实施例5和对比例3制得的光纤的直径变化、鞘层厚度变化进行研究，将不同鞘层材料的水凝胶光纤浸泡在PBS溶液(主要成分为Na₂HPO₄、KH₂PO₄、NaCl和KCl，pH7.4)中模拟体液环境，分别在1、3、5、7天使用光学显微镜测量其整体直径以及鞘层厚度的变化。

如图11所示，本发明不同水凝胶鞘层在PBS溶液中的鞘层厚度变化和双层结构光纤的直径变化图，其中SA为对比例3的鞘层、PNAGA为实施例5的鞘层，PEGDA@SA为对比例3制得的光纤、PEGDA@PNAGA为实施例5制得的光纤；A为不同鞘层的厚度变化，横坐标为时间，纵坐标为厚度；B为不同鞘层材料的水凝胶光纤的直径变化，横坐标为时间，纵坐标为直径。

如图12所示，本发明对比例3利用鞘层为海藻酸盐凝胶制得的水凝胶光纤在PBS溶液中的实物图。

如图13所示，本发明实施例5利用PNAGA的鞘层制得的水凝胶光纤在PBS溶液中的实物图。

由图11至13可知，相较于对比例3制得的传统的海藻酸盐鞘层，实施例5制得的PNAGA鞘层表现出更高的体液环境稳定性，在整个测试周期中鞘层厚度和光纤直径无明显变化。

5、摩擦性能

实施例5制得的光纤作为一种植入物需要具有与组织类似的力学性能和良好的润滑特性以提供与生物组织良好的界面接触，对芯层和鞘层材料进行了旋转流变测试，观察其力学性能。

如图14所示，对本发明实施例5制得的光纤材料模量测试示意图和材料模量以及摩擦示意图和摩擦曲线图，其中A为水凝胶光纤材料的模量测试示意图；B为PEGDA(水凝胶光纤芯层材料)的模量测试，横坐标为剪切应力，纵坐标为模量；C为PNAGA(水凝胶光纤鞘层材料)的模量测试，横坐标为剪切应力，纵坐标为模量。测试参数为:剪切频率为0.1～100rad/s，应力范围为0.1～1500pa；采用球盘滑动接触摩擦试验机对材料的润滑性能进行了研究，其中D为水凝胶光纤的摩擦测试示意图；E为水凝胶光纤的摩擦曲线。测试参数为：载荷为1N，频率1Hz，摩擦副为玻璃球。由图14可知，水凝胶光纤具有良好的类组织模量(杨氏模量1.0×10³～1.0×10⁵Pa)、良好的生物润滑特性(平均摩擦系数～0.065)，能够为生物组织提供良好的接触界面。

6、光热治疗

将实施例5制得的光纤进行光热治疗测试，验证制备的芯鞘结构水凝胶光纤的光热治疗和药物释放的能力。其中，光热治疗具体的测试过程为，将实施例5制得的光纤整体包埋在猪皮下组织中，将808nm的近红外光源聚焦于光纤的一端，同时在光纤尽头放置有预先准备好的光热试剂(明胶包覆纳米四氧化三铁)。同时将没有水凝胶光纤介导的红外光源直接照射预定位置作为对照试验组。

如图15所示，本发明的芯鞘结构水凝胶光纤在生物组织下的光热治疗模拟测试图，其中第一行No optical fiber为不带光纤，在0min、10min和20min下的测试图，第二行With optical fiber为带光纤，在0min、10min和20min下的测试图。由图15可知，在没有光纤介导的情况下，由于组织的散射和吸收光源无法达到组织深处，通过红外照片上的局部温度变化可以看出，在20min的照射时间里只有接近光源的局部组织有微弱的温度变化，预先包埋的光热试剂没有被触发。同时在光纤介导的情况下，对比无光纤的实验组可以清晰的看到预先包埋的光热试剂有明显的温度变化，同时可以清晰的观察到光源沿水凝胶光纤的传播轨迹。这证明本发明实施例5所制备的芯鞘结构水凝胶光纤能够有效将光源传输至组织深处，具备用于光热治疗的传播媒介的潜力。

药物控制释放具体的测试过程为，用明胶包覆纳米四氧化三铁并添加柠檬黄作为模拟药物，将其浸泡在100mL去离子水中。将实施例5制备的水凝胶光纤用作光源在水中的传播介质，无光纤的药物在水下自由释放作为对照组。每隔5min取4mL样品并通过紫外可见光谱定量分析药品中所含柠檬黄的含量，评估释放速率，在这个过程中，取4mL样品对应的加入4mL去离子水维持体系容积不变。

如图16，本发明实施例5制备的水凝胶光纤用于药物控制释放的研究图。由图16可知，在光纤介导(infrared irradiation)的情况下药物的释放速率显著高于没有光纤的自由释放的对照组(without infrared)，这是因为在光纤介导的光源刺激下光热试剂的温度会上升，明胶融化促进药物的加速释放。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种芯鞘结构湿滑水凝胶光纤的制备方法，其特征在于，该方法包含：

(1)将芯层水凝胶前驱体溶液注入模具中，并在紫外灯下进行固化交联，得到交联固化的水凝胶光纤芯层，所述水凝胶光纤芯层的直径与所述模具的内径相一致；

所述芯层水凝胶前驱体溶液由聚乙二醇双丙烯酸酯水溶液和水溶性光引发剂均匀混合制得的；

(2)将交联固化的水凝胶光纤芯层浸泡在亚铁离子溶液中，得到亚铁离子负载的芯层纤维；所述浸泡的时间为1～10min；

所述亚铁离子溶液由亚铁离子水溶液和柠檬酸混合均匀制得；所述亚铁离子水溶液中亚铁离子的浓度为0.1～0.2mol/L；

(3)将芯层纤维浸渍在鞘层水凝胶前驱体溶液中生长水凝胶鞘层，获得所述芯鞘结构湿滑水凝胶光纤；所述生长水凝胶鞘层的时间为10～60s；

所述鞘层水凝胶前驱体溶液由不饱和单体水溶液、水溶性光引发剂和热引发剂均匀混合制得的；

所述不饱和单体水溶液为丙烯酰胺、N-丙烯酰甘氨酸酰胺和N,N-二甲基丙烯酰胺中的任意一种或两种以上。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述聚乙二醇双丙烯酸酯的分子量为700～20000；在芯层水凝胶前驱体溶液中，所述聚乙二醇双丙烯酸酯的质量分数为15～45wt％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述模具的内直径为300～3000μm；所述固化交联的时间为5～15min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述亚铁离子水溶液为硫酸亚铁、氯化亚铁、碳酸亚铁中的任意一种或两种以上；所述亚铁离子溶液中的柠檬酸的添加量为0.1～0.3mol/L。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述不饱和单体水溶液的质量分数为15～50wt％。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)、(3)中，所述水溶性光引发剂为苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基磷酸锂、偶氮二异丁脒盐酸盐、苯基双2,4,6-三甲基苯甲酰基磷酸钠盐、苯基双2,4,6-三甲基苯甲酰基磷酸锂盐和聚乙二醇/苯基双2,4,6-三甲基苯甲酰基氧化膦中的任意一种或两种以上。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述热引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠中的任意一种；所述热引发剂的质量是鞘层水凝胶前驱体溶液中不饱和丙烯酰胺单体质量的0.3～1wt％。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述水溶性光引发剂的质量是鞘层水凝胶前驱体溶液中不饱和丙烯酰胺单体质量的0.2～1wt％。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的芯鞘结构湿滑水凝胶光纤。

10.一种如权利要求9所述的芯鞘结构湿滑水凝胶光纤子在生物光纤材料和生物医疗器械领域中的应用。