一种柔性光纤及其制备方法和应用

本发明属于生物医用材料，具体涉及一种柔性光纤及其制备方法和应用。

背景技术：

1、3d生物打印技术已经广泛应用到组织工程，神经科学等生命科学领域，生物墨水的配方研发受到了研究人员的广泛关注，已经开发的很多生物墨水主要应用于细胞支架、组织模型的打印。

2、光遗传技术是近几年正在迅速发展的一项整合了基因工程、光学、神经电生理以及生物医学工程的多学科交叉的生物技术，其主要原理是采用基因技术将光感基因表达在特定类型的神经细胞中，使其在细胞膜上形成光敏感离子通道，然后通过一定波长的光对这些神经细胞进行选择性地兴奋或抑制，达到选择性神经调控的目的。为了在活体水平实现光遗传调控，人们通常通过埋植于体内的光学波导将特定波长的激光导入到目标位置。因此，光遗传技术的两大基础是光感基因技术和激光传导技术，激光传导技术的要点之一在于光纤材料的选择。

3、玻璃光纤因为其高透性，已广泛应用于中枢系统。例如cn117101019a公开了一种多通道光纤光遗传刺激系统，包括光遗传光源、双轴扫描镜、具有多个传输光纤的多模光纤，多个传输光纤提供可供激光传输的多个光纤通道，多模光纤的尾部扇出多个刺激光纤；其中，多模光纤为全玻璃光纤，包括玻璃套管、设置在玻璃套管中的多个传输光纤，传输光纤包括纤芯以及包层，包层的折射率＜纤芯的折射率，纤芯的折射率≥玻璃套管的折射率≥包层的折射率。该多通道光纤光遗传刺激系统利用扇出的玻璃光纤束和双轴扫描镜扫描结合的方式，可以实现多点刺激，适合大规模神经环路的操控和研究。但是，随着光遗传技术的发展，玻璃光纤已难以满足应用需求，原因在于：中枢有颅骨的支持，大脑内的各个位置基本保持固定，玻璃光纤也容易固定，因而应用较为广泛；然而在外周系统中，外周神经很多没有骨骼依附，穿行复杂，活体的自由行为会带来神经组织大的形变，玻璃光纤很难固定照射到某一特定点位，因此难以适用。

4、为了匹配光遗传技术在外周神经系统的应用要求，研究人员提出使用柔性光纤来替代传统高模量的玻璃光纤。例如cn111939472a公开了一种颅内刺激记录系统，其包括柔性光纤、激光器和柔性深部脑电极，柔性光纤与激光器连接，柔性深部脑电极通过夹具固定于柔性光纤上。该颅内刺激记录系统将柔性深部脑电极附着于柔性光纤的表面，以激光器作为光源，可以集光脉冲神经刺激与神经电生理信号采集功能于一体，同时实现光遗传学兴奋和抑制；采用蚕丝蛋白作为柔性深部脑电极的衬底层、绝缘层和封装层的主要材料，并结合柔性光纤材料，能够改善植入器件对脑组织的机械顺应性。

5、目前大部分柔性光纤采用3d生物打印技术进行制备，但3d打印得到的柔性光纤导光性差，不满足柔性可拉伸光纤的条件；其他工艺制备的光纤也存在柔性弱、可拉伸程度小的问题，无法满足外周大形变神经组织的调控需求，而且制备成本高，光损大，导光性不佳，不利于植入体内的激光传导。因此，本领域亟需开发一种导光性好、柔性可拉伸、制备方法便捷的光纤材料，以满足光遗传技术中的应用要求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种柔性光纤及其制备方法和应用，通过双组分墨水的设计及其与同轴打印技术的相互结合，使所述制备方法能够可靠便捷地获得定制尺寸、质地均一、导光率高、柔性和可拉伸性能好的柔性光纤，满足了光遗传技术中生物体水平上对大形变神经组织调控的需求。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种柔性光纤的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

4、提供a组分墨水，所述a组分墨水包括丙烯酰胺类单体、海藻酸钠、交联剂、光引发剂和水的组合；

5、提供b组分墨水，所述b组分墨水包括钙盐、天然聚合物和水的组合；

6、将所述a组分墨水置于同轴打印针头的芯层、将所述b组分墨水置于同轴打印针头的包层进行同轴打印和光固化，得到所述柔性光纤。

7、本发明设计了特定双组分的生物墨水，其中a组分墨水包括丙烯酰胺类单体、海藻酸钠、交联剂和光引发剂，b组分墨水包括钙盐和天然聚合物；该生物墨水通过同轴打印技术形成柔性光纤，所述a组分墨水通过内径较小的同轴打印针头的芯层挤出作为光纤内芯，所述b组分墨水通过内径较大的同轴打印针头的包层挤出作为光纤包层，同轴打印过程中进行光固化，促进丙烯酰胺类单体、海藻酸钠和交联剂的光交联而使内芯成型，同时b组分墨水中的钙离子也会和海藻酸钠络合二次交联，稳固包层的形成。

8、本发明通过双组分生物墨水的设计及其与同轴打印技术的结合，提出了一种定制的质地均一的可拉伸的柔性光纤的新制备方法，所述制备方法具有便捷可靠的特点，得到的柔性光纤具有优良的生物相容性、高导光率和优异的拉伸性能，可以长期植入在自由活动的生物体中，应用于外周神经组织的光遗传调控，充分满足了光遗传技术中生物体水平上对大形变神经组织调控的需求。

9、需要说明的是，所述同轴打印针头包括同轴设置的芯层和包层，所述芯层套设于包层中，芯层的直径＜包层的直径；即所述同轴打印针头的截面具有同心圆结构，芯层为内圆，包层为外圆；所述a组分墨水从同轴打印针头的芯层挤出，所述b组分墨水从同轴打印针头的包层挤出，实现同轴打印。

10、以下作为本发明的优选技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的目的和有益效果。

11、优选地，所述丙烯酰胺类单体包括丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、n-异丙基丙烯酰胺、n,n-二甲基丙烯酰胺、n,n-二乙基丙烯酰胺中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选丙烯酰胺。

12、优选地，所述a组分墨水中丙烯酰胺类单体的质量百分含量为20-40％，例如可以为22％、25％、28％、30％、32％、35％或38％，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

13、优选地，所述a组分墨水中海藻酸钠的质量百分含量为0.5-5％，例如可以为0.6％、0.8％、1％、1.2％、1.5％、1.8％、2％、2.2％、2.5％、2.8％、3％、3.2％、3.5％、3.8％、4％、4.2％、4.5％或4.8％，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，进一步优选1-3％。

14、优选地，所述交联剂为双丙烯酰胺类交联剂。

15、优选地，所述交联剂包括n,n'-亚甲基双丙烯酰胺、n,n'-亚乙基双丙烯酰胺、n,n'-(丙烷-1,3-二基)二丙烯酰胺中的任意一种或至少两种的组合。

16、优选地，以所述丙烯酰胺类单体的质量为100％计，所述交联剂的质量为0.1-3％，例如可以为0.2％、0.5％、0.6％、0.8％、1％、1.2％、1.5％、1.8％、2％、2.2％、2.5％或2.8％，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，进一步优选0.5-2％。

17、优选地，所述光引发剂包括2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(光引发剂1173)、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦(光引发剂tpo)、2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(光引发剂2959)中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(光引发剂1173)。

18、优选地，以所述丙烯酰胺类单体的质量为100％计，所述光引发剂的质量为0.01-1％，例如可以为0.02％、0.05％、0.08％、0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％或0.9％，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，进一步优选0.1-1％。

19、优选地，所述a组分墨水的制备方法包括：将海藻酸钠与水混合，搅拌直至海藻酸钠完全溶解，再加入丙烯酰胺类单体、交联剂和光引发剂，充分混合均匀，得到所述a组分墨水。

20、优选地，所述钙盐包括氯化钙和/或硝酸钙，进一步优选氯化钙。

21、优选地，所述b组分墨水中钙离子的浓度为0.01-0.5mol/l，例如可以为0.02mol/l、0.05mol/l、0.08mol/l、0.1mol/l、0.15mol/l、0.2mol/l、0.25mol/l、0.3mol/l、0.35mol/l、0.4mol/l或0.45mol/l，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，进一步优选0.05-0.3mol/l。

22、优选地，所述天然聚合物包括明胶和/或胶原蛋白，进一步优选明胶。

23、优选地，所述b组分墨水中天然聚合物的质量百分含量为15-40％，例如可以为16％、18％、20％、22％、25％、28％、30％、32％、35％或38％，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，进一步优选20-30％。

24、优选地，所述b组分墨水的制备方法包括：将天然聚合物(优选明胶)与水混合，使天然聚合物(优选明胶)充分溶解后，再加入钙盐，混合均匀，得到所述b组分墨水。

25、优选地，所述天然聚合物与水混合的温度为50-70℃，例如可以为52℃、55℃、58℃、60℃、62℃、65℃或68℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

26、优选地，将所述a组分墨水注入打印装置的料筒a，所述料筒a与同轴打印针头的芯层连通；将所述b组分墨水注入打印装置的料筒b，所述料筒b与同轴打印针头的包层连通；

27、所述a组分墨水从料筒a通过同轴打印针头的芯层挤出、所述b组分墨水从料筒b通过同轴打印针头的包层挤出，实现同轴打印。

28、优选地，所述同轴打印中a组分墨水与b组分墨水的体积比为(4-8):1，例如可以为4.5:1、4.8:1、5:1、5.2:1、5.5:1、5.7:1、6:1、6.2:1、6.5:1、6.8:1、7:1、7.2:1、7.5:1或7.8:1等，进一步优选(5-6):1。

29、优选地，所述同轴打印的温度为40-60℃，例如可以为42℃、45℃、48℃、50℃、52℃、55℃或58℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

30、优选地，所述光固化的光源为紫外光源。

31、优选地，所述紫外光源的波长为350-400nm，例如可以为355nm、360nm、365nm、370nm、375nm、380nm、385nm、390nm或395nm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

32、优选地，所述制备方法包括如下步骤：

33、提供a组分墨水，所述a组分墨水包括丙烯酰胺类单体、海藻酸钠、双丙烯酰胺类交联剂、光引发剂和水；所述a组分墨水中丙烯酰胺类单体的质量百分含量为20-40％，海藻酸钠的质量百分含量为1-3％；所述丙烯酰胺类单体、双丙烯酰胺类交联剂和光引发剂的质量比为100％:(0.5-2％):(0.1-1％)；

34、提供b组分墨水，所述b组分墨水包括钙盐、明胶和水的组合，所述b组分墨水中钙离子的浓度为0.05-0.3mol/l，明胶的质量百分含量为20-30％；

35、将所述a组分墨水注入打印装置的料筒a，所述料筒a与同轴打印针头的芯层连通；将所述b组分墨水注入打印装置的料筒b，所述料筒b与同轴打印针头的包层连通；

36、所述a组分墨水从料筒a通过同轴打印针头的芯层挤出、所述b组分墨水从料筒b通过同轴打印针头的包层挤出进行同轴打印和紫外光固化，得到所述柔性光纤；

37、所述同轴打印中a组分墨水与b组分墨水的体积比为(4-8):1，所述同轴打印的温度为40-60℃。

38、第二方面，本发明提供一种柔性光纤，所述柔性光纤通过如第一方面所述的制备方法制备得到。

39、优选地，所述柔性光纤的直径为100-500μm，例如可以为150μm、180μm、200μm、220μm、250μm、280μm、300μm、320μm、350μm、380μm、400μm、420μm、450μm或480μm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值，进一步优选200-400μm。

40、优选地，所述柔性光纤的导光率≥60％，例如可以为62％、65％、68％、70％、75％、80％、85％、90％或95％等。

41、第三方面，本发明提供一种如第二方面所述的柔性光纤在光纤植入体、生物传感器或植入医疗设备中的应用。

42、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

43、本发明提供的柔性光纤的制备方法中，通过双组分生物墨水的设计及其与同轴打印技术的结合，能够便捷可靠地获得定制、质地均一的柔性光纤。所述柔性光纤具有优良的生物相容性、高导光率、优异的柔性和拉伸性能，导光率≥60％，光损低，光传输性能好，可以长期植入在自由活动的生物体中，应用于外周神经组织的光遗传调控，充分满足了光遗传技术中生物体水平上对大形变神经组织的调控需求。