[发明专利]一种高强度立体化中空水凝胶结构体的制备方法

说明书

本发明公开了一种高强度立体化水凝胶结构体的制备方法，该方法包括：根据水凝胶结构体的特征需求设计相应的的实体单元模型；将金属催化剂混合到热塑性聚合物或者光固化型树脂材料中；通过3D打印机，打印出三维立体化的含金属催化剂聚合物结构体；将聚合物结构体浸入到水凝胶单体溶液中进行表面引发聚合，聚合物结构体表面便可原位生长出厚度可调控的水凝胶薄膜；将生长了凝胶层的聚合物结构体浸入到离子溶液中进行网络强度增强；除去聚合物结构体便可得到与设计模型一样的高强度立体化中空水凝胶结构体。本发明通过计算机软件建模，依靠高精度3D打印技术平台，可制备得到任意形状、尺寸的立体化中空水凝胶结构体材料。

技术领域

本发明属于结构化水凝胶制备领域，具体涉及一种高强度立体化中空水凝胶结构体的制备方法。

背景技术

通过新型制造技术制备仿生组织器官将给临床医学带来根本变革，具有重要科学和实际应用意义。如何精确构建出与器官和组织体结构体相似的系统，成为21世纪医用生物材料领域发展的关键性挑战之一。而高分子水凝胶作为一种湿软材料，在很多方面与人体器官和组织具有相似性，已经在生物医用领域呈现出良好的应用前景。因此，研究制备与人体器官和组织体结构相似的水凝胶结构单元体具有重要的意义。然而，至今水凝胶结构单元体的制备并未取得突破性的进展，仍处于实验室研发阶段，其难点在于如何根据实际模型需要精确控制水凝胶结构体在成型过程中的形状和尺寸。传统水凝胶结构体的立体化成型方法主要依赖于模板法，如专利CN 102198022 A所报道。即先通过激光加工或其它技术手段制备得到水凝胶结构体的物理原型，接着将硅胶溶液浇筑到物理原型之中固化，脱模得到水凝胶结构单元体的负型；将水凝胶单体预聚液倒入负型硅胶模具中，用正型模具进行封端，水凝胶在正负型模具间隙中聚合；脱去正负型模具便得到立体化的水凝胶结构体。该制备方法步骤繁琐且费时，水凝胶结构体特征对正负型模具依赖性较大，水凝胶结构体尺寸在聚合过程中不可原位控制。最近，3D生物打印技术的发展为制备立体化水凝胶结构体提供了可能性。例如来自美国北卡罗莱纳州维克森林大学（Wake Forest University）再生医学研究所的科学家们宣布他们通过搭建水凝胶生物3D打印机平台，可成功打印出与组织和器官结构相似的水凝胶结构体。3D生物打印技术具有相对较高的成型精度、能够将水凝胶结构体成型从二维扩展至三维、且打印过程高度可控。然而，通过3D生物打印技术制备的水凝胶结构体强度较差，无法作为组织和器官结构体模型直接使用。此外，采用传统的3D生物打印技术无法制备得到具有中空结构的水凝胶立体化结构单元。因此，发展简单易行的水凝胶结构体成型制备方法仍然是一项具有挑战性的工作。

发明内容

为克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种高强度立体化中空水凝胶结构体的制备方法，实现立体化复杂中空水凝胶结构单元材料的制备。

一种高强度立体化中空水凝胶结构体的制备方法，包括以下步骤：

1）根据所需中空水凝胶结构体的特征需求，通过CAD或Simens NX UG制图软件，构建与所需中空水凝胶结构体相符的三维实体模型，并以STL格式导出；

2）将热塑性聚合物和金属催化剂加入到有机溶剂中搅拌溶解，通过热固法制备得到含金属催化剂的聚合物复合材料，然后将复合材料粉碎成颗粒，通过螺杆挤出成型技术制备得到复合材料的线材，利用挤出型3D打印机将线材变为与STL文件模型一致的三维聚合物复合材料结构体；

或者将金属催化剂加入到光固化型树脂溶液中搅拌，混合均匀后，通过DLP光固化3D打印机，制备得到与STL文件模型一致的三维聚合物复合材料结构体；

3）将三维聚合物复合材料结构体浸入水凝胶单体溶液中，采用表面引发水凝胶聚合技术在结构体表面原位生长出水凝胶层；

4）将生长了水凝胶层的三维聚合物复合材料结构体浸入到离子溶液中进行水凝胶网络强度增强，浸泡后取出，除去三维聚合物复合材料结构体，即得立体化的高强度中空水凝胶结构体材料。