双交联自修复水凝胶材料及其制成的仿真人脑的制作方法

本发明涉及智能仿生材料领域，特别涉及一种双交联自修复水凝胶材料、添加壳聚糖的双交联自修复水凝胶材料，以及该材料制成的仿真人脑。

背景技术：

颅脑创伤是外界暴力直接或间接作用于头部所造成的损伤，是威胁人类生命的主要疾病、导致死亡和伤残的重要原因之一。近年来颅脑创伤的发生率呈持续增高的趋势，对脑损伤的研究模型的需求也愈发迫切，而以动物脑组织作为研究模型存在实验数据离散、实验可重复性差的局限，因此亟需一种能够在力学性能上近似人脑组织的材料，同时在现有材料成型与加工技术下，能制成具有复杂中空结构的器件，从而用于制造仿真人脑。

开发上述材料与器件的困难在于，理想的仿人脑组织材料应该在力学性能上接近脑组织，这意味着材料本身十分柔软，而仿真人脑需要有复杂的中空结构用于模拟人脑脑室结构。传统模具制造难以实现器件的中空结构，而增材制造往往又难以解决柔软材料在制造大尺度器件的过程中面临的自支撑问题。

例如，中国专利申请号为201710855985.x、发明名称为“一种高强度自修复三网络水凝胶的制备方法”，公开了一种高强度自修复水凝胶的制备方法，具体公开了所述方法，第一步：聚乙烯醇、琼脂和丙烯酸复合溶液的制备；第二步：高强度自修复三网络水凝胶的制备。利用一锅法通过聚合、冷却和冷冻解冻循环制备高强度水凝胶，三种聚合物通过氢键和大分子缠结作用使水凝胶具有高机械强度，制备过程加入铁离子，铁离子可以和聚丙烯酸的羧基形成很好的配位作用从而使水凝胶具有很好的自修复性。但其强度、韧性较高，在人造肌肉、生物传感器及药物载体方面有很好的应用前景，其柔软性及力学性能方面不符合仿真人脑材料的条件。

因此，开发一类力学性能接近人脑的材料，并以此材料制造一种力学性能、三维结构与人脑组织接近的仿真人脑，对于搭建脑损伤模型的研究平台非常有意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述仿人脑材料存在的问题，提供一种双交联自修复水凝胶材料，所述双交联自修复水凝胶材料的力学性能接近人脑组织，同时具有良好的透光率与一定的自修复性能。

本发明的技术方案如下：一种双交联自修复水凝胶材料，具有聚合物a和铁离子形成的交联结构，其中，所述聚合物a具有下述化学式：

其中，n是1到3000的整数。

优选的，所述铁离子与聚合物a的侧链的羧酸基团之间形成配位键。

优选的，所述水凝胶材料通过以丙烯酸、甲叉双丙烯酰胺、硝酸铁、去离子水为原料，以过硫酸铵作为引发剂，加热3～4h交联制得；其中，加热温度为60～80℃，丙烯酸的摩尔浓度为2～3mol/l，甲叉双丙烯酰胺的摩尔分数为0.01～0.1％，硝酸铁的摩尔分数为0.1～0.7％，过硫酸铵的摩尔分数为0.05～0.15％。

优选的，上述水凝胶材料的原料中还包括壳聚糖，所述壳聚糖相对于丙烯酸的质量分数为6～12％。

优选的，上述水凝胶材料的原料中还包括戊二醛，所述戊二醛相对于丙烯酸的质量分数为0.6～1.2％。

本发明的另一个技术方案如下：一种仿真人脑，其特征在于，由上述任一种双交联自修复水凝胶材料制成。

优选的，所述仿真人脑由模具注塑成型。

优选的，所述模具包括可分离的脑室部。

本发明双交联自修复水凝胶材料，通过引入铁离子，使材料具有自修复性能。由于铁离子的存在，凝胶体系中铁离子和分子链侧的羧酸基团之间形成配位键，这种共价键的形成与断裂是可逆的，这使得凝胶具有一定的自修复性能。由该材料制得的仿真人脑，力学性能更加接近人脑组织，对于搭建脑损伤模型的研究平台非常有意义。

附图说明

图1为本发明实施例中铁离子与凝胶体系中分子链侧的羧酸基团之间形成配位键的示意图；

图2为本发明实施例中内含脑室模具的人脑形凝胶；

图3为本发明实施例的仿真人脑；

图4为本发明双交联自修复水凝胶材料的自修复性能演示图；

图5为本发明实施例1未掺杂壳聚糖组材料的应力应变曲线图；

图6为本发明实施例2添加壳聚糖组材料的应力应变曲线图；

图7为本发明实施例1水凝胶材料制备的仿真人脑拉伸曲线图；

图8为本发明实施例2水凝胶材料制备的人脑应力-应变曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。以下实施例中对所有原料的来源并没有特殊的限制，所用的原料均为市售。

本发明提供一种双交联自修复水凝胶材料，包含下述化学式所示的聚合物a和为了使材料具有自修复性能而向凝胶体系中引入的铁离子：

通过力学模型和试验计算，n为1到3000的整数，优选n为500到2000的整数，进一步优选n为1000到1500的整数。

如图4所示，材料被破坏断开之后，断裂端对应接触能自修复重新连接到一起。

上述聚合物是一种具有离子/共价杂化双交联结构的聚丙烯酸，以丙烯酸、甲叉双丙烯酰胺、硝酸铁、去离子水为原料，在引发剂过硫酸铵的作用下，加热交联制得。制备过程包括：将丙烯酸(aac)溶于去离子水中，其摩尔浓度为2～4mol/l，依次加入甲叉双丙烯酰胺(mbaa)、fe(no3)3·9h2o、过硫酸铵(ap)，使其相对于丙烯酸的摩尔分数分别为0.08％、0.1％、0.11％。充分搅拌混合后，在60℃～80℃下加热3～4h，得到聚合产物即为双交联自修复水凝胶。

如图1所示，由于铁离子的存在，凝胶体系内高分子侧链的羧酸基团可与铁离子形成配位键，这种共价键的形成与断裂是可逆的，从而使得制得的凝胶材料具有一定的自修复性能。

本发明还提供了一种添加壳聚糖的双交联自修复水凝胶材料，以丙烯酸、壳聚糖、甲叉双丙烯酰胺、铁离子、去离子水为原料，在引发剂过硫酸铵的作用下，加热交联制得。制备过程包括：将丙烯酸(aac)溶于去离子水中，其摩尔浓度为2～4mol/l，搅拌状态下将壳聚糖(cts)缓缓加入溶液中，搅拌至少30min，使其溶解，依次加入甲叉双丙烯酰胺(mbaa)、戊二醛、fe(no3)3·9h2o、过硫酸铵，使得甲叉双丙烯酰胺、fe(no3)3·9h2o、过硫酸铵相对于丙烯酸的摩尔分数分别为0.08％、0.1％、0.11％，壳聚糖相对于丙烯酸的摩尔分数为6～10％，戊二醛相对于cts的质量分数为10％。充分搅拌混合后，在60℃～80℃下加热3～4h，得到聚合产物即为双交联自修复水凝胶。

通过添加壳聚糖可调节材料的力学性能。通过测试可以发现，添加了壳聚糖的水凝胶材料的断裂应力、韧性明显降低，这使得材料的力学性能更加接近人脑组织。

本发明还提供了一种新型仿真人脑，所述仿真人脑由前述的双交联自修复水凝胶材料制成，并且具有形状与人脑脑室相近的空腔结构。

现有技术中，大多采用增材制造的方式制造具有复杂中空结构的目标器件。但当原材料像脑组织一样柔软，而目标器件又比较大时，增材制造又往往无法解决制造过程中材料的自支撑问题。本发明提供双交联自修复水凝胶在受到破坏后可实现一定程度的自修复，以此材料注塑成型、取出凝胶内包埋模具后，凝胶可维持形状结构不变，从而制成人脑尺度的、柔软的、具有复杂中空结构的器件。

实施例1

本实施例提供一种双交联自修复水凝胶材料，制备过程如下：将丙烯酸溶于100g去离子水中，其摩尔浓度为2～4mol/l，依次加入mbaa28.6mg～115mg、fe(no3)3·9h2o40mg～400mg、过硫酸铵32mg～100mg，使得mbaa、fe(no3)3·9h2o、ap相对于aac的摩尔分数分别为0.08％、0.1％、0.11％。充分搅拌混合后，在70℃下加热4h，得到聚合产物即为双交联自修复水凝胶

将本实施例未添加壳聚糖的双交联自修复水凝胶材料进行力学性能检测，如图5所示，其应力应变曲线图示出了随着应力的增加其应变也随之增长。

实施例2

本实施例提供一种添加壳聚糖的双交联自修复水凝胶材料，制备过程如下：将丙烯酸溶于100g去离子水中，其摩尔浓度为2～4mol/l，搅拌状态下将1g～2.88g壳聚糖(cts)缓缓加入溶液中，搅拌至少30min，使其溶解，依次加入甲叉双丙烯酰胺(mbaa)、戊二醛、fe(no3)3·9h2o、过硫酸铵，使得甲叉双丙烯酰胺、fe(no3)3·9h2o、过硫酸铵相对于丙烯酸的摩尔分数分别为0.08％、0.1％、0.11％，壳聚糖相对于丙烯酸的摩尔分数为6～10％，戊二醛相对于cts的质量分数为10％。充分搅拌混合后，在80℃下加热3h，得到聚合产物即为双交联自修复水凝胶。

将实施例添加壳聚糖的双交联自修复水凝胶材料进行力学性能检测，如图6所示，其应力应变曲线图示出了随着应力的增加其应变也随之增长。

实施例3：仿真人脑的制备

本实施例提供一种仿真人脑，如图2和图3所示，制备过程包括：

(1)模具注塑成型

按实施例1或实施例2中任意一种原料配比配置足量溶液，配置溶液体积以模具容积为准。脑室模具按实际位置连接在人脑模具内部，以生料带和特氟龙胶带密封模具并用g形夹夹紧，模具与g形夹之间垫有金属板或高硬度亚克力板用以分散应力。将准备好的溶液注入模具并密封，在60℃～80℃下加热3～4h使凝胶聚合成型，优选60℃～70℃下加热2～4h使凝胶聚合成型；进一步优选70℃下加热3h使凝胶聚合成型。

(2)分离脑室模具

凝胶聚合成型后，取下g形夹。首先分离包埋了脑室模具的凝胶与人脑模具。之后以刀片沿侧脑室前角-中央部-后角部分切开，旋转侧脑室前角与中央部，并扯动切割线与模具室间孔部分之间的凝胶，使模具侧脑室前角、中央部连同室间孔部分从切割线处取出，之后再取出侧脑室后角部分模具并带出侧脑室下角部分模具。将前述过程中变化位置的凝胶复位，在切口处涂抹5ml～10ml浓度为3mg/ml～4mg/ml的硝酸铁溶液促进切口处凝胶修复。

通过上述实施例可知，本发明提供的双交联自修复水凝胶材料、添加壳聚糖的双交联自修复水凝胶材料、以及使用上述两种材料之一制成的仿真人脑，其力学性能与真实人脑组织相近，同时具备一定的自修复能力。如图7示出的实施例1水凝胶材料制备的仿真人脑的拉伸曲线图，显示了材料的力学性能与铁离子含量的关系；如图8示出的实施例2水凝胶材料制备的仿真人脑的应力应变曲线，显示了材料的力学性能与含水量的关系。具有与脑室形状相近的精细结构，可被用于脑损伤模型的研究与重现，或是医学训练等其他用途。双交联自修复水凝胶材料、添加壳聚糖的双交联自修复水凝胶材料也可用于制造其他仿生器件。

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。