[发明专利]一种高强度-多孔结构聚乙烯醇-单宁酸水凝胶的制备方法及应用

说明书

本发明属于关节软骨修复材料领域，提供一种高强度‑多孔结构聚乙烯醇‑单宁酸水凝胶的制备方法及应用，该水凝胶是一种潜在的关节软骨替代材料。该制备方法采用聚乙烯醇为基体材料，引入单宁酸和微气泡提升了水凝胶前驱溶液的冰晶形成能力，同时由于单宁酸与聚乙烯醇的分子间作用，极大地强化了水凝胶的力学性能。本发明实现了“一步”制备兼具多孔结构和高强度的水凝胶，制备过程简单，重复性高，所得水凝胶具有良好的生物相容性，满足软骨细胞黏附、增殖的多孔环境，以及与天然关节软骨相似的力学性能，可应用于关节软骨替代材料领域。

技术领域

本发明属于生物材料领域，特别是关节软骨修复领域，具体涉及一种具有高强度和多孔结构的聚乙烯醇-单宁酸水凝胶的制备方法及其在软骨修复领域的应用。

背景技术

水凝胶是由高分子聚合物通过物理结合或化学交联得到的三维网络结构，由于其具有大量的亲水性基团，水凝胶对水具有很高的亲和力，可以吸收大量的水分，高含水量使得它们比其他合成生物材料更类似于天然活体组织。其中聚乙烯醇(PVA)水凝胶由于具有化学性质稳定、无毒、无副作用、生物相容性良好等特点，被认为是理想的关节软骨替代材料。

尽管聚乙烯醇水凝胶一定程度上能够满足关节软骨替代材料的需要，但仍存在两个亟待解决的关键问题。一方面，聚乙烯醇水凝胶通常缺乏足够的生物活性，这主要归因于其缺乏足够的孔隙结构，孔隙尺寸通常在纳米到微米量级。研究认为，具有孔径分布在150-300μm的多孔水凝胶有利于软骨细胞的黏附、增殖和迁移，并利于软骨细胞分泌细胞外基质，与软骨组织长期结合，以获得良好的修复效果。为了获得较大孔径的多孔结构，通常采用成孔剂法、发泡法、相分离法、模板法等，其中冷凝胶法是一种低温冷冻下形成冰晶、解冻后冰晶融化留下孔隙的致孔方法，其制备方法简单、不引入有毒物质，常用于生物医药领域。使用冷凝胶法制备的多孔聚乙烯醇水凝胶通常仅具有10μm以下的孔径，与适合软骨细胞生长的多孔结构仍有较大差距。因此，如何在聚乙烯醇溶液中生成大尺寸冰晶以形成大孔结构是我们研究的重点之一。

另一方面，尽管聚乙烯醇水凝胶具有良好的力学性能，但多孔结构通常会大幅降低水凝胶的力学性能。对于关节软骨替代材料，良好的力学性能不仅能够维持材料的功能，并且对于材料的可使用性、耐用性有着重要影响。化学交联、纳米材料共混、双交联网络/半互穿网络水凝胶等方法常用以提升多孔水凝胶的力学性能，但这些方法多为材料带来毒性问题、孔结构问题，并且制备过程复杂。因此，在多孔结构的基础上维持甚至增强水凝胶的力学性能，以满足天然关节软骨的性能要求，是我们面临的另一大挑战。

本方法提出一种多孔结构-高强度聚乙烯醇-单宁酸水凝胶制备方法。在聚乙烯醇中引入单宁酸(TA)和微气泡，提升了水凝胶前驱溶液的冰晶形成能力，同时由于单宁酸与聚乙烯醇的分子间作用，极大地强化了水凝胶的力学性能，实现了“一步”制备兼具多孔结构和高强度的水凝胶。该法制备过程简单，所得的水凝胶具有满足软骨细胞黏附、增殖的多孔环境，以及与天然关节软骨相似的力学性能，可应用于关节软骨替代材料领域。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种兼具高强度与多孔结构的聚乙烯醇-单宁酸(PVA-TA)水凝胶制备方法。采用聚乙烯醇为基体材料，利用冷凝胶法制备多孔结构，并通过冷冻解冻法交联成胶，避免了化学交联剂对材料生物相容性的影响。引入单宁酸，通过其与聚乙烯醇分子链之间的强氢键作用增强水凝胶的力学性能。通过盐与酸的反应生成气体，引入微气泡，与单宁酸共同增强冰晶的生成和生长能力。制备所得PVA-TA水凝胶孔隙尺寸可达50-300μm，力学性能相比同等浓度纯聚乙烯醇水凝胶大幅提升。该制备方法操作简单，同时实现多孔结构的制备与力学性能的强化，制备所得的水凝胶具有良好的生物相容性，有利于其在关节软骨替代材料领域的应用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种高强度-多孔结构聚乙烯醇-单宁酸水凝胶的制备方法，包括以下步骤：