[发明专利]一种高强韧多功能水凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种高强韧多功能水凝胶及其制备方法和应用，以天然高分子多糖和疏水侧链修饰的亲水聚合物为基体，通过双物理网络的结构设计，得到具备高强韧、自愈合、生物相容的双物理网络水凝胶。与现有技术相比，本发明水凝胶具有可恢复和自愈合能力，并且生物相容性好，机械性能优异，可作为软骨修复材料应用于生物组织工程。

技术领域

本发明涉及一种水凝胶技术领域，具体地说，涉及一种具有可恢复、自愈合、生物相容性的高强度水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

水凝胶是具有三维交联网络结构、且含有大量水(50-90％)的一种高分子软湿性材料。根据网络结构中交联点的键合方式，水凝胶被分为化学水凝胶和物理水凝胶。当前，水凝胶已广泛应用于人们日常生活的方方面面，比如其不仅可以作为保护细胞及其它物质的介质，而且还具有高的传导性。此外，水凝胶还可注射且便于3D打印，这使得其在可定制医疗方面具有高的应有价值，比如水凝胶已广泛应用于药物控释、再生医学、体外诊断等。然而，传统的水凝胶由于其固有的结构异质性或缺乏有效的能量耗散机制，使得其机械性能较差(物理凝胶较脆，合成水凝胶较弱)，极大地限制了水凝胶在高机械性能需求领域的应用，比如再生软组织修复、可拉伸功能器件等。

目前有多种方法增强增韧水凝胶，以提高水凝胶的力学性能。如纳米复合水凝胶、高分子微球复合水凝胶、拓扑水凝胶、超分子水凝胶及双网络水凝胶。其中，具有高强韧的双网络水凝胶受到了广泛的关注，并成为水凝胶中研究的热点之一。双网络水凝胶是指凝胶内部包含着两个相互穿插的网络：(i)刚性和脆性的第一网络(例如：海藻酸盐，纤维素，琼脂等)提供牺牲键并在巨大变形期间耗散能量，(ii)柔软且可伸展的第二网络(例如：聚丙烯酸(PAA)，聚丙烯酰胺(PAAm)等)在应力作用下仍保持完整。通过在各种柔软的亲水聚合物组合中引入双网络结构，可以获得高强度水凝胶。

在双网络水凝胶中，化学交联双网络水凝胶表现出高机械性能，但由于共价键断裂的不可逆性及化学交联剂的细胞毒性，传统化学交联水凝胶通常表现抗疲劳性低、生物相容性差等问题，其极大限制了可拉伸水凝胶在生物组织工程等领域的应用。

中国专利CN107011609A公开了一种具有自恢复能力的高强化学-物理双网络水凝胶，以亲水性单体聚合或由亲水性大分子混合并反应得到第一化学网络，由多糖及其衍生物通过物理交联形成第二物理网络，由于含有非共价键交联而成的物理网络，该水凝胶具有一定的缺口不敏感性和自恢复能力，但由于该水凝胶中仍含有化学网络，且在化学网络形成的过程中引入具有细胞毒性的化学交联剂，因此其生物相容性差。

中国专利CN108047465A了一种甲基丙烯酸酯明胶/壳聚糖互穿网络水凝胶，所制备的互穿网络水凝胶无毒、无味、可生物降解，具有良好的生物相容性，可用于细胞、组织培养，作为组织修复材料或组织工程支架应用于组织工程领域。该水凝胶的强度较低，模量低，这限制了其在高机械强度需求领域如作为软骨支撑材料的应用，且由于其第一重网络通过共价键交联形成，因此也不具备自愈合功能。

综上所述，特提出本发明，一种新型的高强韧、多功能水凝胶的制备方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高强韧、多功能水凝胶及其制备方法和应用。该水凝胶具有可恢复和自愈合能力，并且生物相容性好，机械性能优异，可作为软骨修复材料应用于生物组织工程。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高强韧多功能水凝胶，其特征在于，以天然高分子多糖和疏水侧链修饰的亲水聚合物为基体，通过双物理网络的结构设计，得到具备高强韧、自愈合、生物相容的双物理网络水凝胶；双物理网络水凝胶包括由天然高分子多糖及其衍生物通过非共价作用(离子缔合)所形成的第一网络；由疏水单体与亲水单体在表面活性剂的作用下，通过胶束共聚，形成的非共价作用(疏水缔合)第二网络。

所述的高分子多糖具有热可逆特性，包括卡拉胶、结冷胶、甲基纤维素、羟甲基纤维素、可德胶、明胶及其衍生物中的一种或几种。