[发明专利]一种矿化水凝胶及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种矿化水凝胶及其制备方法与应用，其中，制备方法包括步骤：提供水凝胶墨水，所述水凝胶墨水包括用于形成水凝胶的聚合单体、高分子聚合物、交联剂、光引发剂、无机填料、经过固定化处理的矿化酶以及去离子水；将所述水凝胶墨水转移至3D打印机料筒中，按数字模型文件生成打印路径，成型过程中使用紫外光照射，得到固化成型结构；将所述固化成型结构放入无机盐矿化溶液中进行浸泡，得到所述矿化水凝胶。本发明提供的水凝胶墨水具有良好的可打印性，使用矿化酶诱导矿化是一种既绿色环保,又方便快捷的方式，本发明实现了3D打印制备矿化水凝胶，其制得的矿化水凝胶具有优异的力学性能和结构复杂性。

技术领域

本发明涉及水凝胶技术领域，尤其涉及一种矿化水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

水凝胶是一种具有交联结构的水溶性高分子网络体系，具有与人体组织相似的力学性能和高含水量，并且因为良好的生物相容性，被认为是人造组织、药物递送和生物研究模型的理想材料。3D打印即增材制造，它是一种通过逐层打印的方式来构造物体的技术，3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，常备用于定制化的模型制造、复杂结构成型等方面，该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航空航天、医疗产业、教育、土木工程以及其他领域都有所应用。因此，水凝胶3D打印技术结合可以发挥两者的优势，可以实现定制化水凝胶的结构和组分，为新兴生物电子的开发、个性化医疗器械和康复治疗的发展提供强有力的支持。

虽然3D打印水凝胶材料体系在上述新兴科技领域展现出广阔的发展前景，但依然面临诸多挑战，比如力学强度差，韧性低，无法实现复杂打印结构的支撑等。过去十几年来，研究人员开发出了各种利用矿化实现水凝胶性能增强的水凝胶体系。

例如CN110642980A公开了一种超高强度矿化水凝胶、合成方法及其应用，其制备方法是：(1)令阳离子型聚合物占整个体系10wt％，将其分别溶于20wt％、30wt％、40wt％、50wt％的水中；(2)待其溶解完毕后分别加入70wt％、60wt％、50wt％、40wt％的磷酸氢二(甲基丙烯酰胺氧乙基)酯(BMAP)、，光引发剂0.02-0.1g，混合于玻璃模具内超声分散30min，放置于紫外灯下照射20-60min后得到未矿化的水凝胶；(3)在阳离子溶解完成后的体系加入与BMAP物质的量相同的氯化钙固体，待其溶解完成后重复上述步骤(2)的合成方法即可得到高强度矿化水凝胶。该水凝胶具有超高的抗压性能以及良好的生物相容性。CN109369929A公开了一种矿化水凝胶及其制备方法和应用，属于人工皮肤技术领域。该矿化水凝胶包括以下原料组分：3～6vol％聚丙烯酸、0.05～0.15wt％壳聚糖和18～22wt％无定形磷酸钙；所述聚丙烯酸的分子量是100000，所述壳聚糖为中等分子量；所述无定形磷酸钙是由2～2.5wt％的无水氯化钙和5.5～6wt％的十二水合磷酸氢二钠在水凝胶形成过程中生成的。N109675104B公开了一种矿化水凝胶及仿生矿化骨修复材料的制备方法，该矿化水凝胶以光活化生物大分子和光活化磷酸酶为原料，通过光照射引发交联或通过自由基引发剂引发聚合交联形成水凝胶，水凝胶在矿化液中，磷酸酶能够促使磷酸盐在凝胶中均匀沉积，得到均匀矿化的矿化水凝胶。当在水凝胶制备过程中加入磷酸蛋白样分子，该磷酸蛋白样分子能够促使磷酸盐沿生物大分子的分子网络均匀沉积，得到高强度矿化水凝胶。

这些矿化水凝胶材料的力学性能仍然有待提高，并不能通过3D打印实现复杂且可自支撑的水凝胶结构。因此，如何得到一种具有较好的力学性能和可打印性且制作方法简单的水凝胶墨水，已成为目前亟待解决的问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种矿化水凝胶及其制备方法与应用，旨在解决现有矿化水凝胶的力学性能较差，且不能通过3D打印实现复杂且可自支撑的水凝胶结构问题。

本发明的技术方案如下：

一种矿化水凝胶的制备方法，其中，包括步骤：