一种基于定向退火铸造法制备强韧水凝胶的方法及其应用

本发明属于生物组织材料制备，具体涉及一种基于定向退火铸造法制备强韧水凝胶的方法及其应用。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、各种天然的生物组织，从柔软的大脑、皮肤组织到坚韧的韧带、肌腱、软骨等承重组织，都具备有序且各向异性的结构和力学性能，同时具有一定的水含量，能够维持个体在日常生活中的各项功能。然而，长期的剧烈磨损中可能会导致上述天然软组织的退化或损伤，并且难以自发再生，严重时会影响生命健康和日常活动。因此人体组织的仿生及修复研究对个性化治疗和健康管理非常有益。

3、水凝胶材料具有可调的机械性能和含水量以及良好的生物相容性，被认为是生物医学和生物工程应用中模拟自然组织的最佳候选材料之一，近年来快速促进了新型生物电子、软机器人、大数据和智慧医疗以及人工组织和器官的发展。然而，由于传统水凝胶内部结构均匀松散，交联密度低，水含量较高，导致强度不足且韧性差，易发生疲劳断裂，普遍缺乏足够的强度和韧性限制了水凝胶材料在人体组织修复中的应用前景。因此，亟需通过一种简单、高效的方法来开发强韧性水凝胶。此外，拓展新的策略来构建力学性能可调的水凝胶材料匹配不同性质的人体天然组织，也是生物电子学领域的最大挑战之一。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种基于定向退火铸造法制备强韧水凝胶的方法及其应用。采用上述制备方法，实现了高抗拉强度、高韧性的强韧水凝胶的制备以及力学性能的按需调控，从而匹配不同的天然软组织，用于损伤组织修复。同时，上述制备方法具有通用、简单、安全、绿色、低成本的优良特性。基于上述研究成果，从而完成本发明。

2、为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明的第一个方面，提供一种基于定向退火铸造法制备强韧水凝胶的方法，所述方法包括将水凝胶前驱体溶液置于低温环境进行冻融循环得到预凝胶，将所述预凝胶进行定向退火铸造处理；以及将定向退火铸造后的水凝胶进行再水化达到平衡；

4、其中，所述定向退火铸造处理包括：将所述预凝胶的两端固定在夹具上，除夹具固定的两端之外，预凝胶其他部分施加涂覆材料，退火温度控制为20-300℃，进一步为25-100℃，如25、50、75和100℃；退火时间为0.1-50h，进一步为1-10h，如1、4、7、10h。通过控制退火温度和退火时间，从而实现对水凝胶的机械强度的精准调控，从而使其力学性能能够匹配不同的机体(如人体)组织，用于损伤组织修复。

5、本发明的第二个方面，提供上述方法制得的强韧水凝胶。

6、本发明的第三个方面，提供上述强韧水凝胶在制备机体仿生和/或修复材料中的应用。

7、所述机体仿生和/或修复材料的适用对象可以是人或非人动物，其中，人是优选的。所述机体仿生和/或修复材料可以为人造皮肤、人造肌肉、人造肌腱、人造韧带和人造骨骼(如人造软骨)等，在此不做具体限定。

8、上述一个或多个技术方案的有益技术效果：

9、上述技术方案所提供了定向退火铸造法制备的强韧水凝胶，采用聚乙烯醇高分子作为水凝胶的聚合物网络，具有制造成本低、生物相容性好、机械性能易于调控等优良特性，该方法具有安全可靠，绿色低成本和简单通用的特性；制备过程中水凝胶原位形成了各向异性的仿生多孔结构，同时得到了增强的结晶度，使水凝胶具备优异的抗拉强度和机械抗疲劳特性；具有良好的生物相容性；同时水凝胶的机械强度可以通过优化定向退火铸造的温度和时间参数进行调控，进而与不同的对人体组织相匹配，定向退火铸造制备的低模量水凝胶下能够模仿人体皮肤，作为皮肤电极实现电生理信号的采集，另外，此方法制备的高模量水凝胶，能够代替人体结缔组织例如韧带和肌腱，有望用于结缔组织损伤患者的移植修复，因此具有良好的实际应用之价值。

技术特征：

1.一种基于定向退火铸造法制备强韧水凝胶的方法，其特征在于，所述方法包括将水凝胶前驱体溶液置于低温环境进行冻融循环得到预凝胶，将所述预凝胶进行定向退火铸造处理；以及将定向退火铸造后的水凝胶进行再水化达到平衡；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂覆材料包括但不限于ecoflex有机硅胶材料、共聚物材料、聚酰胺和聚酰亚胺类材料、聚酯类材料和金属无机材料；进一步的，所述涂覆材料为聚二甲基硅氧烷；

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低温环境进行冻融循环的具体条件包括：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，加热温度为60-200℃，搅拌时间为1-10h；

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在水凝胶表面施加涂覆材料的厚度为100-1000μm。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将定向退火铸造后的水凝胶进行再水化的具体方法包括将定向退火铸造后的水凝胶置于再水化溶剂进行再水化处理；

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述含盐水溶液为柠檬酸钠的水溶液；进一步的，柠檬酸钠溶液的浓度为0.1-3m。

8.权利要求1-7任一项所述方法制得的强韧水凝胶。

9.权利要求8所述强韧水凝胶在制备机体仿生和/或修复材料中的应用。

10.如权利要求9所述应用，其特征在于，所述机体仿生和/或修复材料的适用对象是人或非人动物；

技术总结
本发明属于生物组织材料制备技术领域，具体涉及一种基于定向退火铸造法制备强韧水凝胶的方法及其应用。所述方法包括将水凝胶前驱体溶液置于低温环境进行冻融循环得到预凝胶，将所述预凝胶进行定向退火铸造处理；以及将定向退火铸造后的水凝胶进行再水化达到平衡即得。制备过程中水凝胶原位形成了各向异性的仿生多孔结构，同时得到了增强的结晶度，使水凝胶具备优异的抗拉强度和机械抗疲劳特性；具有良好的生物相容性，同时能够对其机械性能精准调控，且方法简单、低成本，同时具备绿色环保和通用特性，因此具有良好的实际应用之价值。

技术研发人员：钱凯,朱赫
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15