[发明专利]由纳米胶体颗粒组装的、高强度、自修复、可注射复合胶体凝胶材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了由纳米胶体颗粒组装的、高强度、自修复、可注射复合胶体凝胶材料及其制备方法和应用，本发明通过将带相反电荷的两相胶体颗粒在碱性(或酸性)环境中均匀共混，后加入酸化剂(或碱化剂)诱导溶液pH恢复中性，从而引发两相胶体颗粒间的静电自组装而形成均匀分散的复合凝胶网络。凝胶的力学强度高、且调控范围大：弹性模量可在10Pa～100kPa间调控；自修复效率≥100％。最终本发明成功的制备了兼具高机械强度和自修复性能的二氧化硅/明胶复合胶体凝胶，并证实该复合凝胶在受多次剪切力破坏后仍能快速恢复其力学强度。并且，该复合凝胶具有优异的可注射性和可塑性，并可作为可注射生物材料用于体外细胞培养的基质材料。

本申请为分案申请，原申请的申请日：2016.3.22、申请号：201610165057.6；发明名称：由纳米胶体颗粒组装的、高强度、自修复、可注射复合胶体凝胶材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及由微米或纳米颗粒组装成的、高强度、可自修复、可注射的复合材料胶体凝胶材料及其制备方法和应用；属于材料科学领域、纳米材料领域、生物医学工程领域。

背景技术

胶体凝胶是由胶体颗粒组装成具有连续网络结构的胶体分散液，被广泛应用于如陶瓷/玻璃加工成型领域，油漆和涂料制备，食品加工，化妆品加工和生物医学工程。与传统的聚合物凝胶不同，胶体凝胶结构更加独特，它通过胶体颗粒间的非共价键作用构建成力学性能稳定的胶体颗粒网络结构。这一特殊微观结构赋予胶体凝胶特有的粘弹性能，具有广泛的应用价值。胶体凝胶材料具有特殊的力学性能：它在相对较低的剪切力作用下保持稳定，表现出固体材料特有的刚性行为；而在剪切力超过材料的屈服强度时，它表现出类似于液体的流动性。这些独特的粘弹行为使胶体凝胶在许多新兴领域具有重要的应用价值，其中包括3D打印技术的打印材料，和用于组织工程的可注射生物材料。

自修复材料是近年来新型的一大类新材料体系，这类材料的主要特性是在受到外力破坏后能自动修复全部或部分结构和力学强度，已经成为一大类重要的工程材料。其中，自修复水凝胶材料由于其独特的力学行为和高含水率在许多领域(3D打印，生物医用材料领域等)都具有重要的应用价值。具有自修复能力的水凝胶普遍采用的自修复机制是基于可逆的高分子间相互作用，即高分子间的键合可被打破和重建。常用的高分子间作用包括氢键、金属离子配体的配位作用、静电作用或疏水性作用[1-3]。其中胶体凝胶自修复材料作为新兴材料体系备受关注。然而，目前的自修复胶体凝胶主要由聚合物胶体颗粒构成，机械强度较弱，这限制了它们的应用。而有机/无机组分的复合材料设计是实现机械性能增强的普遍方法，同时也可以赋予材料体系更多的功能性[4]。由无机纳米粒子增强的聚合物凝胶材料是获得高强度水凝胶的有效方法[5,6]，但已有报道指出这一方法设计制备的胶态凝胶体系虽然力学强度显著提高，但自修复能力大大减弱了。因此，设计出具有复合材料组分，且具有高力学强度和强自修复能力的胶体凝胶体系仍是技术空白。

自修复水凝胶材料在生物医学领域具有重要的应用价值。然而传统的自修复高分子水凝胶材料存在诸多难以克服的瓶颈，包括力学强度较弱，无法对药物释放进行准确控制，同时难以兼顾生物相容性和生物降解性。这些都限制了其在生物医药领域，尤其是作为可植入生物材料的应用。

发明内容