一种热敏、导电及具超拉伸性的胶原基即时自愈合水凝胶的制作方法

本发明涉及胶原生物材料技术领域，尤其是一种热敏、导电及具超拉伸性的胶原基即时自愈合水凝胶。

背景技术：

胶原是细胞外基质的主要组成成分，约占动物体内总蛋白质的三分之一。水凝胶是一种高分子网络体系，在水中可迅速溶胀平衡并能保持其形状与三维空间网络结构。近年来，水凝胶作为一类重要的生物材料被大量应用于生物医药和组织工程领域。

皮肤是人类重要的触觉感知器官。电子皮肤是人机交互技术和人工智能的主要研究领域，电子皮肤在医疗健康领域也有重要的作用。近年来，电子皮肤的研究方兴未艾，如利用氧化石墨烯与聚合物纳米纤维复合材料制备仿生电子皮肤材料。电子皮肤正朝着高柔弹性、高灵敏度、自愈合等方向发展。胶原作为一种来源于动物体的天然高分子材料，胶原基水凝胶具有仿生性高、生物相容性好、易被人体吸收及能促进细胞的存活和生长等诸多优越性能，因而受到了广泛的关注，并已经在药物控释载体、软组织支架构建及活性细胞包载等生物医用材料和美容护肤材料方面得到了一定的应用。然而，胶原水凝胶在电子皮肤方面的应用尚未见到报道。这主要是受到胶原水凝胶固有的一些缺点所限。

目前，胶原水凝胶的制备方法主要有物理法与化学法。物理水凝胶是由于分子链缠结和离子、氢键、疏水相互作用而形成的网络结构，如通过胶原聚集自组装、循环冻融、与其它物质共混等方法获取胶原水凝胶。化学水凝胶主要通过在胶原分子内或分子间的活性基团之间生成交联键而形成交联网络结构，常见的化学交联剂有碳化二亚胺、戊二醛等。单一作用力的物理型胶原水凝胶，往往力学性能和成形性较差；通过化学交联制备的胶原水凝胶，分子间作用力强，导致柔韧性差。

另外，以现有技术制备的胶原水凝胶普遍存在的问题有：1.拉伸性能差，受到拉力时易断裂，不能实现大范围变形；2.在外力作用下易破损且无法自主修复。这种脆性、不可自愈合性大大限制胶原水凝胶材料在生物医学、电子皮肤等领域的应用。3.纯的胶原水凝胶导电性不佳，信号传导效果不好；4.水凝胶对皮肤周边的温度变化无响应能力。

技术实现要素：

针对现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种具有良好热敏性、导电性及超强拉伸性和制备简单可靠的热敏、导电及具超拉伸性的胶原基即时自愈合水凝胶。

为了实现上述的技术目的，本发明采用的技术方案为：

一种热敏、导电及具超拉伸性的胶原基即时自愈合水凝胶，其包括如下步骤：

（1）将瓜尔胶溶解于水中，制得浓度为30～50mg/ml的瓜尔胶溶液，然后加入n-异丙基丙烯酰胺（nipam），使其溶解后，保持质量浓度为0.2%～0.8%；

（2）将胶原海绵溶解于醋酸溶液中，制得浓度为30～50mg/ml的胶原溶液，然后加入n-异丙基丙烯酰胺，使其溶解后，保持质量浓度为0.2%～0.8%；

（3）瓜尔胶/胶原/氧化石墨烯复合溶液的配置：将经过步骤（1）和步骤（2）处理后的瓜尔胶溶液和胶原溶液按等体积混合，且控制混合体系固含量为30～50mg/ml，然后再依序加入浓度为0.1～0.5mol/l的pbs缓冲液、浓度为2mol/l的氢氧化钠溶液和氯化钠并搅拌均匀，继而再加入氧化石墨烯溶液且继续搅拌均匀并经超声处理后，制得瓜尔胶/胶原/氧化石墨烯复合溶液；

（4）自愈合水凝胶制备：往步骤（3）制得的瓜尔胶/胶原/氧化石墨烯复合溶液中依序加入n,n-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾，然后搅拌均匀后，再滴加n,n四甲基乙二胺并搅拌使其引发聚合，形成水凝胶，然后再加入硼砂溶液进行混合均匀后，经静置处理，制得热敏、导电及具超拉伸性的胶原基即时自愈合水凝胶。

进一步，步骤（1）中的瓜尔胶为瓜尔胶粉末，且其溶解于去离子水中。

进一步，步骤（1）和步骤（2）中的n-异丙基丙烯酰胺均为粉末。

进一步，步骤（2）中的胶原海绵由如下步骤制得：

1)将动物皮切块后，再经绞碎处理，然后加入相当于其3%湿重的胃蛋白酶和0.1～0.5mol/l的醋酸进行混合，再将混合体系放入温度为4℃的恒温摇床中振荡提取处理，摇床转速为180r/min，处理时间为48～72h；

2）将振荡提取处理后的溶液进行依序离心、盐析和再次离心后，将离心所得固形物溶于0.1～0.5mol/l的醋酸中，然后将溶解好的溶液装入透析袋中对去离子水透析处理48～72h，最后将处理所得产物进行真空冷冻干燥处理72h后，制得胶原海绵。

优选的，所述的动物皮为陆生或水生动物皮，且制得的胶原海绵需置于4℃的恒温干燥环境中避光保存。

进一步，步骤（2）和步骤（3）均为冰浴条件下完成。

进一步，步骤（3）中瓜尔胶溶液、胶原溶液、pbs缓冲液、氢氧化钠溶液和氧化石墨烯溶液的混合体积比为1∶1∶0.5∶0.002～0.01∶0.05～0.4，所述瓜尔胶溶液与氯化钠的添加比为1ml∶1～10mg。

优选的，所述pbs缓冲液的ph为8，氧化石墨烯溶液的浓度为1%，所述氧化石墨烯溶液在使用前还经过3h超声混合处理。

优选的，步骤（4）中加入n,n-亚甲基双丙烯酰胺的用量为步骤（1）或步骤（2）中n-异丙基丙烯酰胺用量的0.6%～1.5%；过硫酸钾的质量浓度为0.5%～2%；n,n四甲基乙二胺的滴加量与步骤（3）中瓜尔胶溶液的添加体积比为0.01～0.03∶1。

优选的，步骤（4）中硼砂溶液的浓度为0.1mol/l，硼砂溶液与步骤（3）中瓜尔胶溶液的添加体积比为0.1～0.5∶1。

采用上述方案制得的热敏、导电及具超拉伸性的胶原基即时自愈合水凝胶在受热时（37℃），会由透明状变成白色不透明状，并有一定程度收缩；可取2g水凝胶样品将其拉伸至1m以上不断裂；另外，该方案制得的水凝胶可随意变形，分成几部分后可重新在5-60秒内黏合在一起，且水凝胶性质不发生任何改变。

一种电子皮肤，其包括上述所述的热敏、导电及具超拉伸性的胶原基即时自愈合水凝胶。

采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本发明方案基于统筹解决的思路，提出一种新的方法，将可生物降解、高粘度的瓜尔胶溶液引入胶原溶液中，形成双重网络结构，并加入氧化石墨烯，增强水凝胶的导电性，然后引入温敏性的聚异丙基丙烯酰胺，形成三重网络结构，最后引入硼砂，与大分子间形成可逆的离子交联作用，从而获得热敏性导电性及超拉伸性的胶原基自修复水凝胶。该凝胶制备简单快速、条件温和，可自主修复，无需环境刺激；且具备良好的温敏性和导电性，可进一步拓宽胶原水凝胶的应用范围至电子皮肤等领域。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述：

图1为本发明方案制得的自愈合水凝胶的自修复效果演示示意图；

图2为本发明方案制得的自愈合水凝胶的拉伸效果演示示意图。

具体实施方式

一种热敏、导电及具超拉伸性的胶原基即时自愈合水凝胶，其包括如下步骤：

（1）将瓜尔胶粉末溶解于去离子水中，制得浓度为30～50mg/ml的瓜尔胶溶液，然后加入n-异丙基丙烯酰胺粉末，使其溶解后，保持质量浓度为0.2%～0.8%；

（2）将胶原海绵溶解于醋酸溶液中，制得浓度为30～50mg/ml的胶原溶液，然后加入n-异丙基丙烯酰胺粉末，使其溶解后，保持质量浓度为0.2%～0.8%，其中，胶原海绵由如下步骤制得：

a)将动物皮切块后，再经绞碎处理，然后加入相当于其3%湿重的胃蛋白酶和0.1～0.5mol/l的醋酸进行混合，再将混合体系放入温度为4℃的恒温摇床中振荡提取处理，摇床转速为180r/min，处理时间为48～72h，优选的，所述的动物皮为陆生或水生动物皮，例如：猪皮、牛皮或鱼皮等等；

b）将振荡提取处理后的溶液进行依序离心、盐析和再次离心后，将离心所得固形物溶于0.1～0.5mol/l的醋酸中，然后将溶解好的溶液装入透析袋中对去离子水透析处理48～72h，最后将处理所得产物进行真空冷冻干燥处理72h后，制得胶原海绵，制得的胶原海绵需置于4℃的恒温干燥环境中避光保存；

（3）瓜尔胶/胶原/氧化石墨烯复合溶液的配置：将经过步骤（1）和步骤（2）处理后的瓜尔胶溶液和胶原溶液按等体积混合，且控制混合体系固含量为30～50mg/ml，然后再依序加入浓度为0.1～0.5mol/l且ph为8的pbs缓冲液、浓度为2mol/l的氢氧化钠溶液和氯化钠并搅拌均匀，继而再加入浓度为1%的氧化石墨烯溶液（所述氧化石墨烯溶液在使用前还经过3h超声混合处理）且继续搅拌均匀并经超声处理后，制得瓜尔胶/胶原/氧化石墨烯复合溶液，其中，瓜尔胶溶液、胶原溶液、pbs缓冲液、氢氧化钠溶液和氧化石墨烯溶液的混合体积比为1∶1∶0.5∶0.002～0.01∶0.05～0.4，所述瓜尔胶溶液与氯化钠的添加比为1ml∶1～10mg；

（4）自愈合水凝胶制备：往步骤（3）制得的瓜尔胶/胶原/氧化石墨烯复合溶液中依序加入n,n-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾，然后搅拌均匀后，再滴加n,n四甲基乙二胺并搅拌使其引发聚合，形成水凝胶，然后再加入硼砂溶液进行混合均匀后，经静置处理，制得热敏、导电及具超拉伸性的胶原基即时自愈合水凝胶，其中，加入n,n-亚甲基双丙烯酰胺的用量为步骤（1）或步骤（2）中n-异丙基丙烯酰胺用量的0.6%～1.5%；过硫酸钾的质量浓度为0.5%～2%；n,n四甲基乙二胺的滴加量与步骤（3）中瓜尔胶溶液的添加体积比为0.01～0.03∶1，优选的，步骤（4）中硼砂溶液的浓度为0.1mol/l，硼砂溶液与步骤（3）中瓜尔胶溶液的添加体积比为0.1～0.5∶1。

如图1或2所示，采用上述方案制得的热敏、导电及具超拉伸性的胶原基即时自愈合水凝胶在受热时（37℃），会由透明状变成白色不透明状，并有一定程度收缩；可取2ml水凝胶样品将其拉伸至1m以上不断裂；另外，该方案制得的水凝胶可随意变形，分成几部分后可重新在5-60秒内黏合在一起，且水凝胶性质不发生任何改变。

实施例1

一种热敏、导电及具超拉伸性的胶原基即时自愈合水凝胶，其包括如下步骤：

（1）将瓜尔胶粉末溶解于去离子水中，制得浓度为30mg/ml的瓜尔胶溶液，然后加入n-异丙基丙烯酰胺粉末，使其溶解后，保持质量浓度为0.2%,溶解后，将溶液置于冰箱中冷藏保存；

（2）在冰浴条件下，将冻干的胶原海绵溶解于0.01mol/l的醋酸溶液中，制得浓度为30mg/ml的胶原溶液，然后加入n-异丙基丙烯酰胺粉末，使其溶解后，保持质量浓度为0.2%，溶解后，将溶液置于冰箱中冷藏保存；

（3）瓜尔胶/胶原/氧化石墨烯复合溶液的配置：在冰浴条件下，将经过步骤（1）和步骤（2）处理后的30mg/l的瓜尔胶溶液和30mg/l的胶原溶液各取1ml量进行等体积混合，且控制混合体系固含量为30mg/ml，然后再依序加入0.5ml浓度为0.1mol/l且ph为8的pbs缓冲液、2ul浓度为2mol/l的氢氧化钠溶液和1mg氯化钠并搅拌均匀，继而再加入50ul质量浓度为1%的氧化石墨烯溶液（所述氧化石墨烯溶液在使用前还经过3h超声混合处理）且继续搅拌均匀并经超声处理后，制得瓜尔胶/胶原/氧化石墨烯复合溶液；

（4）自愈合水凝胶制备：在冰浴条件和同时施以氮气保护的条件下，往步骤（3）制得的瓜尔胶/胶原/氧化石墨烯复合溶液中依序加入n,n-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾，然后搅拌均匀后，再滴加n,n四甲基乙二胺并搅拌10s使其引发聚合，形成水凝胶，然后再加入硼砂溶液进行混合均匀后，经静置处理，制得热敏、导电及具超拉伸性的胶原基即时自愈合水凝胶，其中，加入n,n-亚甲基双丙烯酰胺的用量为步骤（1）或步骤（2）中n-异丙基丙烯酰胺用量的0.6%；过硫酸钾的质量浓度为0.5%；n,n四甲基乙二胺的滴加量为10ul，优选的，步骤（4）中硼砂溶液的浓度为0.1mol/l，硼砂溶液的添加量为100ul。

实施例2

一种热敏、导电及具超拉伸性的胶原基即时自愈合水凝胶，其包括如下步骤：

（1）将瓜尔胶粉末溶解于去离子水中，制得浓度为40mg/ml的瓜尔胶溶液，然后加入n-异丙基丙烯酰胺粉末，使其溶解后，保持质量浓度为0.5%,溶解后，将溶液置于冰箱中冷藏保存；

（2）在冰浴条件下，将冻干的胶原海绵溶解于0.01mol/l的醋酸溶液中，制得浓度为40mg/ml的胶原溶液，然后加入n-异丙基丙烯酰胺粉末，使其溶解后，保持质量浓度为0.5%，溶解后，将溶液置于冰箱中冷藏保存；

（3）瓜尔胶/胶原/氧化石墨烯复合溶液的配置：在冰浴条件下，将经过步骤（1）和步骤（2）处理后的40mg/l的瓜尔胶溶液和40mg/l的胶原溶液各取1ml量进行等体积混合，且控制混合体系固含量为40mg/ml，然后再依序加入0.5ml浓度为0.3mol/l且ph为8的pbs缓冲液、5ul浓度为2mol/l的氢氧化钠溶液和5mg氯化钠并搅拌均匀，继而再加入200ul质量浓度为1%的氧化石墨烯溶液（所述氧化石墨烯溶液在使用前还经过3h超声混合处理）且继续搅拌均匀并经超声处理后，制得瓜尔胶/胶原/氧化石墨烯复合溶液；

（4）自愈合水凝胶制备：在冰浴条件和同时施以氮气保护的条件下，往步骤（3）制得的瓜尔胶/胶原/氧化石墨烯复合溶液中依序加入n,n-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾，然后搅拌均匀后，再滴加n,n四甲基乙二胺并搅拌20s使其引发聚合，形成水凝胶，然后再加入硼砂溶液进行混合均匀后，经静置处理，制得热敏、导电及具超拉伸性的胶原基即时自愈合水凝胶，其中，加入n,n-亚甲基双丙烯酰胺的用量为步骤（1）或步骤（2）中n-异丙基丙烯酰胺用量的1.0%；过硫酸钾的质量浓度为1.0%；n,n四甲基乙二胺的滴加量为20ul，优选的，步骤（4）中硼砂溶液的浓度为0.1mol/l，硼砂溶液的添加量为300ul。

实施例3

一种热敏、导电及具超拉伸性的胶原基即时自愈合水凝胶，其包括如下步骤：

（1）将瓜尔胶粉末溶解于去离子水中，制得浓度为50mg/ml的瓜尔胶溶液，然后加入n-异丙基丙烯酰胺粉末，使其溶解后，保持质量浓度为0.8%,溶解后，将溶液置于冰箱中冷藏保存；

（2）在冰浴条件下，将冻干的胶原海绵溶解于0.01mol/l的醋酸溶液中，制得浓度为50mg/ml的胶原溶液，然后加入n-异丙基丙烯酰胺粉末，使其溶解后，保持质量浓度为0.8%，溶解后，将溶液置于冰箱中冷藏保存；

（3）瓜尔胶/胶原/氧化石墨烯复合溶液的配置：在冰浴条件下，将经过步骤（1）和步骤（2）处理后的50mg/l的瓜尔胶溶液和50mg/l的胶原溶液各取1ml量进行等体积混合，且控制混合体系固含量为50mg/ml，然后再依序加入0.5ml浓度为0.5mol/l且ph为8的pbs缓冲液、10ul浓度为2mol/l的氢氧化钠溶液和10mg氯化钠并搅拌均匀，继而再加入400ul质量浓度为1%的氧化石墨烯溶液（所述氧化石墨烯溶液在使用前还经过3h超声混合处理）且继续搅拌均匀并经超声处理后，制得瓜尔胶/胶原/氧化石墨烯复合溶液；

（4）自愈合水凝胶制备：在冰浴条件和同时施以氮气保护的条件下，往步骤（3）制得的瓜尔胶/胶原/氧化石墨烯复合溶液中依序加入n,n-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾，然后搅拌均匀后，再滴加n,n四甲基乙二胺并搅拌30s使其引发聚合，形成水凝胶，然后再加入硼砂溶液进行混合均匀后，经静置处理，制得热敏、导电及具超拉伸性的胶原基即时自愈合水凝胶，其中，加入n,n-亚甲基双丙烯酰胺的用量为步骤（1）或步骤（2）中n-异丙基丙烯酰胺用量的1.5%；过硫酸钾的质量浓度为2.0%；n,n四甲基乙二胺的滴加量为30ul，优选的，步骤（4）中硼砂溶液的浓度为0.1mol/l，硼砂溶液的添加量为500ul。

本发明方案在胶原中引入瓜尔胶和n-异丙基丙烯酰胺，并通过原位聚合，形成三重网络结构的水凝胶，使水凝胶具有一定的强度，且具有温敏性；加入氧化石墨烯，可进一步改善胶原基水凝胶导电性，且氧化石墨烯与高分子网络形成更多的可逆物理交联点，进一步增强水凝胶的韧性（可拉伸性）；在胶原、瓜尔胶大分子间引入离子交联作用，生成大量可逆的结合位点，赋予能量耗散机制，使凝胶具有较好的可拉伸性与自修复性；本发明为制备具热敏性导电性及超强拉伸性的胶原基自修复水凝胶提供了一种可行途径。

上所述为本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。