本發(fā)明涉及水凝膠領(lǐng)域，具體涉及一種可自成管狀或杯狀的高強(qiáng)度水凝膠及其制備方法。

背景技術(shù)：

水凝膠是一種柔而濕的“水”材料，它是由親水性大分子鏈三維交聯(lián)形成的溶脹性網(wǎng)絡(luò)。水凝膠具有類似于人體組織的結(jié)構(gòu)和特性，其內(nèi)部自由水分子的自由擴(kuò)散賦予了水凝膠很好的小分子交換特性及柔韌性。目前水凝膠的應(yīng)用已從藥物緩釋、隱形眼鏡、化妝品及食品等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到軟骨、血管、肌肉及椎間盤(pán)等軟組織修復(fù)領(lǐng)域。但是，要實(shí)現(xiàn)水凝膠廣泛應(yīng)用于缺損或壞死人體組織的修復(fù)，目前仍存在很多問(wèn)題，如強(qiáng)度低、生物相容性以及成型性差等。因此，如何制備出一種高強(qiáng)度、生物相容性好的水凝膠成為目前水凝膠研究領(lǐng)域的重要研究方向。

生物體內(nèi)的各種軟組織如軟骨、血管、肌肉及椎間盤(pán)等通常具有良好的機(jī)械性能，這主要?dú)w結(jié)于生物體在分子級(jí)別上的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建。而人工合成的大多數(shù)水凝膠由于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不均一或者缺乏有效的能量分散機(jī)制導(dǎo)致其機(jī)械性能較差。經(jīng)過(guò)科研工作者十多年的研究，眾多高強(qiáng)度水凝膠應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)將物理交聯(lián)的天然大分子網(wǎng)絡(luò)（海藻酸-Ca²⁺（Nature, 2012, 489(7414), 133-136）、殼聚糖(Advanced Materials, 2016, 28(33), 7178-7184 )、瓊脂(Advanced Materials 2013, 25(30), 4171-4176) ）等引入到共價(jià)交聯(lián)的聚丙烯酰胺（PAAm）網(wǎng)絡(luò)中，可以得到一系列具有高強(qiáng)度、良好循環(huán)載荷特性的雙網(wǎng)絡(luò)(DN)水凝膠。但是這些水凝膠中均包含有無(wú)法降解且生物活性較差的PAAm組分。Truong等人提出以功能化改性的PEG和透明質(zhì)酸為原料（Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(4), 1618-1622 ），制備得到一種同時(shí)兼具有良好生物相容性和高機(jī)械強(qiáng)度的水凝膠，但是化學(xué)改性過(guò)程極為繁瑣且復(fù)雜。最近張俐娜課題組提出了采用甲殼素(Advanced Materials, 2016. 235(6), 1985-1990 )和纖維素(Advanced Functional Materials, 2016. 138(5), 1385-1387 )為原料，運(yùn)用一種簡(jiǎn)單的制備方法，制備了一種多重交聯(lián)結(jié)構(gòu)的具有良好生物相容性的高強(qiáng)度水凝膠。綜上分析可知，構(gòu)建多重交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是有效分散外界載荷的有效手段。

良好的機(jī)械性能和生物相容性對(duì)于水凝膠的生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，而制備出一種具有特殊結(jié)構(gòu)的水凝膠，如管狀水凝膠也引起了眾多科研工作者的研究興趣。中空的管狀結(jié)構(gòu)可以用作藥物、生長(zhǎng)因子及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送通道；此外，管狀水凝膠還可以用于替代缺損或者壞死的血管組織。然而目前空心結(jié)構(gòu)水凝膠的制備過(guò)程較為復(fù)雜，制備條件較為苛刻，此外空心管狀水凝膠制備過(guò)程中會(huì)涉及到復(fù)雜模具的制備，這些因素的存在均大大制約了其在組織工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種可自成管狀或杯狀的高強(qiáng)度水凝膠及其制備方法，該方法采用兩種可再生的天然大分子殼聚糖和明膠為原料，通過(guò)簡(jiǎn)單的兩步法制備出了一種的高強(qiáng)度水凝膠，通過(guò)控制離子交聯(lián)時(shí)間，這種水凝膠具有一種獨(dú)特的可自成管狀或杯狀結(jié)構(gòu)的特性。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

一種可自成管狀或杯狀特性的高強(qiáng)度水凝膠的制備方法，包括以下步驟：

1)熱可逆的殼聚糖/明膠水凝膠的制備

首先將殼聚糖和明膠分散在醋酸水溶液中，攪拌溶解，得到透明溶液；然后將此透明溶液密封在燒杯中，在烘箱中靜置以脫除溶液中的氣泡；接著將所得均一的溶液倒入圓柱形模具中凝膠化，得一種熱可逆的殼聚糖/明膠水凝膠；

2) 高強(qiáng)度水凝膠的制備

將步驟1）制備的熱可逆殼聚糖/明膠水凝膠浸泡在小分子交聯(lián)劑水溶液中，得高強(qiáng)度水凝膠。

優(yōu)選的，步驟1）所述透明溶液中殼聚糖和明膠的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-30%。

優(yōu)選的，步驟1）所述殼聚糖和明膠的質(zhì)量比為1:0.5-1:5。

優(yōu)選的，步驟1）所述醋酸水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2-4%。

優(yōu)選的，步驟1）所述攪拌溶解的溫度為20-60℃，時(shí)間為1-2h。

優(yōu)選的，步驟1）所述在烘箱中靜置的溫度為20-60℃，時(shí)間為1-3天。

優(yōu)選的，步驟1）所述凝膠化的溫度為-4-20℃，時(shí)間為2-5h。

優(yōu)選的，步驟2）所述小分子交聯(lián)劑為磷酸鈉、檸檬酸鈉、植酸鈉或草酸鈉。

優(yōu)選的，步驟2）所述浸泡的時(shí)間為10-600min。

優(yōu)選的，步驟2）所述小分子交聯(lián)劑水溶液的濃度為0.01mol/L-0.50mol/L。

由以上所述的制備方法制得的一種可自成管狀或杯狀特性的高強(qiáng)度水凝膠。

優(yōu)選的，該高強(qiáng)度水凝膠成管狀或杯狀水凝膠的方法如下：切除所得高強(qiáng)度水凝膠的一端或者兩端，并放在水中進(jìn)行熱溶出處理，最終得到了一種管狀或杯狀水凝膠；所述熱溶出處理的溫度為20-40℃，時(shí)間為10min-60min。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）本發(fā)明所用原料均為可再生的純天然材料，其來(lái)源豐富，價(jià)格便宜。

2）本發(fā)明采用的制備方法簡(jiǎn)單易行，其制備條件很溫和。

3）本發(fā)明制備得到的水凝膠不僅具有良好的力學(xué)性能，而且還具有良好的生物相容性。

4）本發(fā)明制備管狀水凝膠的方法簡(jiǎn)單而又快捷，在成管過(guò)程中沒(méi)有用到任何磨具。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的圓柱狀水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例2制備的圓柱狀水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例3制備的杯狀及管狀水凝膠的實(shí)例圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1制備的圓柱狀水凝膠的脂肪干細(xì)胞生物相容性實(shí)驗(yàn)圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施進(jìn)行舉例說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)不限于此。

實(shí)施例1

用于壓縮強(qiáng)度測(cè)試的高強(qiáng)度水凝膠的制備：

將6.67g殼聚糖和3.33g明膠粉末分散于100g的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%醋酸水溶液中，在20℃下攪拌1h得到均一的溶液，然后將此混合溶液密封在燒杯中，在20℃烘箱中靜置1天脫除溶液中的氣泡。接著將此溶液倒入圓柱形模具中，將其放在20℃環(huán)境中凝膠化2h，最終得到了均一熱可逆的殼聚糖/明膠水凝膠。將上述熱可逆水凝膠在0.01mol/L的植酸鈉水溶液中浸泡600min，最終得到了高強(qiáng)度水凝膠。圖1是采用這種配比所得水凝膠的壓縮強(qiáng)度曲線圖，從圖中可以看出這種水凝膠的壓縮形變量為75%，其壓縮強(qiáng)度為5.5MPa。以這種組分的水凝膠為基材，將脂肪干細(xì)胞種植在其表面，在培養(yǎng)24h后，由圖4可以看出脂肪干細(xì)胞密集的附著在這種水凝膠的表面，表明這種水凝膠具有很好的生物相容性。

實(shí)施例2

用于壓縮強(qiáng)度測(cè)試的高強(qiáng)度水凝膠的制備：

將5.33g殼聚糖和14.67g明膠粉末分散于100g的3%醋酸水溶液中，在40℃下攪拌1.5h得到均一的溶液，然后將此混合溶液密封在燒杯中，在40℃烘箱中靜置2天脫除溶液中的氣泡。接著將此溶液倒入圓柱形模具中，將其放在8℃環(huán)境中凝膠化3.5h，最終得到了均一熱可逆的殼聚糖/明膠水凝膠。將上述熱可逆水凝膠在0.255mol/L的植酸鈉水溶液中浸泡305min，最終得到了高強(qiáng)度水凝膠。圖2是通過(guò)改變配比所得到的水凝膠的壓縮曲線圖，其壓縮強(qiáng)度和壓縮形變量分別為0.46MPa和59%。

實(shí)施例3

杯狀或管狀水凝膠的制備：

將5g殼聚糖和25g明膠粉末分散于100g的4%醋酸水溶液中，在60℃下攪拌2h得到均一的溶液，然后將此混合溶液密封在燒杯中，在60℃烘箱中靜置3天脫除溶液中的氣泡。接著將此溶液倒入到圓柱形容器中，將其放在-4℃環(huán)境中凝膠化5h，最終得到了均一熱可逆的殼聚糖/明膠水凝膠。將上述熱可逆的殼聚糖/明膠水凝膠放入0.5mol/L的植酸鈉水溶液中浸泡10min，取出并切除一端或者兩端，然后將其放入40℃的去離子水中熱溶出處理60min，最終得到了杯狀或管狀水凝膠。圖3左側(cè)圖是采用以上方法得到的管徑為1cm，管壁為1mm的管狀水凝膠的實(shí)例圖。圖3右側(cè)是采用相同辦法，切除柱狀殼聚糖/明水凝膠的一端，經(jīng)過(guò)后續(xù)熱溶出處理得到的直徑為2cm，管壁為2mm的杯狀水凝膠的實(shí)例圖。