[发明专利]一种果胶基双物理交联水凝胶及制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种果胶基双物理交联水凝胶及制备方法和应用，该凝胶制备过程分为三步：首先制备凝胶前驱液：将疏水单体增溶到十二烷基硫酸钠胶束溶液，果胶粉末、丙烯酰胺及光引发剂均匀分散在胶束溶液后获得前驱液；其次紫外光引发自由基聚合使凝胶前驱液转变为单交联水凝胶；最后是浸泡处理：将单交联水凝胶浸泡于Fe³⁺溶液中后，取出再置于去离子水中浸泡，得到具有高强韧性的果胶基双物理交联水凝胶。该水凝胶具有可调节的力学性能：拉伸强度0.60‑2.0MPa，断裂应变130‑1500％，弹性模量0.3‑2.0MPa，韧性1.0‑12.0MJ m^‑3。该水凝胶具有良好的生物相容性，可用于3D细胞培养。

技术领域

本发明涉及一种果胶基双物理交联水凝胶及制备方法和应用，尤其是涉及制备一种具有优异生物相容性的双物理交联可用于3D细胞培养的果胶基水凝胶的方法，属于功能材料领域。

背景技术

水凝胶是由亲水性聚合物通过物理或化学交联作用，物理交联作用有疏水缔合，配位络合，氢键等作用，化学交联主要是形成各种共价键交联而成的三维立体网状结构，通过自由扩散和亲水基团的吸引将水分子结合并保留在网络内部，使水凝胶质地柔软弹性并具有一定形状。其独特的“软湿”性质与天然组织细胞外基质相似,是开发新型骨及软骨组织修复用支架的理想材料。天然多糖具有良好的生物相容性、可降解性及免疫原性，成为构建组织工程用水凝胶的极佳原料。然而传统多糖基水凝胶固有的脆性及弱稳定性限制了他们在组织工程领域的应用。

针对上述问题，人们从能量耗散或应力分散角度出发，开发了一系列高强高韧性水凝胶：纳米复合水凝胶，大分子微球水凝胶，滑环结构水凝胶，双网络水凝胶，四臂PEG水凝胶等。双网络水凝胶硬而脆的第一网络在承受应力时首先断裂以分散应力，软而韧的第二网络则受力伸展变形并负责维持凝胶的完整性，这种高效能量耗散机制使双网络水凝胶成为近年来构建高强高韧水凝胶广泛采取的策略。然而由共价键作用交联而成的双网络水凝胶存在抗疲劳性差的问题，用于耗散能量扮演“牺牲键”角色的共价键一经断裂再难恢复，而在实际应用场景中，通常要求水凝胶可以忍受多次重复拉伸或压缩。构建基于纯物理交联的高强韧性双网络水凝胶是解决上述问题有效手段之一，物理交联作用的动态性使其在断裂后可以实现重新恢复。因此，在凝胶网络中引入动态物理交联键如氢键，离子键，疏水缔合等构建具有自恢复、抗疲劳甚至自愈合特性的高强韧性双网络水凝胶成为研究热点。目前已有弹性模量或拉伸强度达到MPa水平物理交联水凝胶的报道，但多专注于力学性能的增强，缺乏生物相容性方面的探究，限制了所开发水凝胶的应用领域。本发明中以来源广泛，价廉易得，兼具生物相容性与可降解性的天然聚合物为原料，采取“双网络”策略，开发出兼具优异力学性能和生物相容性的高强韧性水凝胶，体外细胞培养证明该凝胶可用作3D细胞培养支架，在组织工程领域具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有多糖基双网络高强韧性水凝胶缺乏力学自恢复性、抗疲劳性弱、生物相容性差等缺点，提供一种制备过程简单、具有力学自恢复性和抗疲劳性，兼具优异生物相容性的果胶基物理交联水凝胶及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种果胶基双物理交联水凝胶；本发明的技术方案如说明书附图1所示；首先制备凝胶前驱液：将疏水单体甲基丙烯酸十八烷基酯(SMA)增溶到十二烷基硫酸钠(SDS)胶束溶液，随后将果胶粉末均匀分散在含有疏水单体的胶束溶液中，加入丙烯酰胺及光引发剂；其次光引发条件下将水凝胶前驱液转变为单交联的单网络水凝胶：紫外光照射下引发原位自由基聚合形成丙烯酰胺与甲基丙烯酸甲酯共聚链poly(AM-co-SMA)，该共聚链以SMA之间疏水缔合形成的疏水微域为交联点形成单网络水凝胶；随后是两步浸泡处理：将单网络水凝胶浸泡于三价铁离子溶液中后，果胶链上的-COO-与Fe³⁺与形成多齿配位络合，得到双网络水凝胶；将该双网络水凝胶置于去离子水中浸泡，除去不稳定交联的Fe³⁺，得到含有稳定三齿配位作用的高强韧性果胶基双物理交联水凝胶。