[发明专利]一种具有方向性微结构的聚乙烯醇-琼脂糖水凝胶的制备方法及应用

说明书

本发明属于人造组织/器官修复材料领域，提出一种具有方向性微结构的聚乙烯醇‑琼脂糖水凝胶的制备方法及应用。以聚乙烯醇和琼脂糖为基质材料，利用琼脂糖的交联特性，形成琼脂糖大分子糖链，依靠前驱液的流动引导琼脂糖大分子链在前驱液内产生方向性，在冷冻循环的过程中聚乙烯醇围绕琼脂糖的糖链进行结晶，形成具有方向性的纤维状微结构的水凝胶。该制备方法无需借助外加物理场的作用，制备水凝胶具有各向异性；而且制备流程简单，可重复性高，对设备要求低等优点。制备的水凝胶具有均匀的方向性的纤维状微结构，提升材料的抗拉伸性能，并通过注射器制得任意形状的具有方向性的水凝胶。得到的水凝胶有望应用于人造组织/器官修复材料领域。

技术领域

本发明属于生物材料领域，特别是人造韧带、肌肉、心血管等组织/器官修复材料领域，具体涉及一种具有方向性微结构的聚乙烯醇-琼脂糖水凝胶的制备方法及应用。

背景技术

水凝胶材料具有高含水率、低摩擦系数、良好的化学稳定性等特点，有望用于生物组织损伤的修复。各向同性的水凝胶材质均匀，但难以满足韧带、肌肉、心血管等组织/器官对力学强度、柔顺性等各向异性的要求。这种力学性能的生物不相容性，常导致移植的失败，不仅难以替代组织/器官的功能，甚至诱发严重的医疗事故。

各向异性的水凝胶可以通过非均质结构或成分在不同方向上显示出差异显著的力学、物理特性。如各向异性的水凝胶可以沿其结构的方向性表现出优异的抗拉伸和抗疲劳性能，有望作为人造韧带、肌肉、心血管等组织/器官的修复或替代材料。

Zhao等(Advanced Materials,2017,29(45):1703045)总结了具有高序结构的纳米复合水凝胶的主要制备策略，包括磁场引导磁性纳米颗粒、电场引导电响应纳米材料、机械应变诱导纳米材料沿变形方向形成内部结构顺序、温度场进行冷冻诱导的结构顺序。这些方法需要外加电、磁、温度场等物理场，通过外加场产生的力在材料内部形成有序结构，设备要求高、工艺复杂。利用纳米材料的自组装形成有序内部结构的纳米复合水凝胶是另一种策略(Advanced Materials,2017,29(45):1703045)。自组装纳米复合水凝胶使用单分散的0D胶体颗粒可以组装形成紧密排列的结构顺序，基于功能分子和纳米材料的超分子交互作用，这些自组装单元的1D聚集可以在水溶液中发生，在水凝胶内产生有序结构。该方法依赖纳米尺度对材料的处理，流程复杂、对操作技术要求高、制备成本高。此外，Chen等(Advanced Materials,2021,34(5):2102877)总结了通过3D打印特定结构的复合材料，从而得到各向异性的水凝胶。但受设备和制备工艺的约束，3D技术对材料的组成、物性等提出了苛刻的要求，适用范围有限。

本发明提出一种基于琼脂糖和聚乙烯醇的有方向性纤维状水凝胶的制备方法。已报导的有方向性结构的水凝胶的制备方法，主要依赖外加物理场对材料的方向性结构进行引导，或是提前对材料进行纳米尺度的结构预处理，使水凝胶材料组装为具有方向性的结构。而本发明主要依靠琼脂糖分子的交联特性，在前驱液中形成大分子糖链，依靠前驱液的流动引导琼脂糖大分子链在前驱液内产生方向性，在冷冻循环的过程中聚乙烯醇围绕琼脂糖的糖链进行结晶，形成了具有方向性的纤维状微结构的水凝胶。该方法具有制备流程简单，可重复性高，对设备要求低等优点，制备水凝胶具有各向异性的力学性能。

发明内容

针对各向异性水凝胶制备工艺复杂、设备要求高等问题，本发明提供一种聚乙烯醇-琼脂糖(PVA-AG)水凝胶的制备方法。采用聚乙烯醇和琼脂糖为材料，通过琼脂糖在静置时缓慢形成分子间氢键，在前驱液中交联为琼脂糖大分子链，同时前驱液保留流动性，在静置后，将前驱液倒进模具，聚乙烯醇在冷冻循环过程中围绕琼脂糖大分子链进行结晶，产生具有方向性微结构的水凝胶。该制备方法操作简单，成胶速度快，成胶后胶体抗拉伸的力学性能显著提升。而且，由于在水凝胶中引入天然多糖，制备的水凝胶表现出良好的生物相容性，有望作为人造韧带、肌肉、心血管等材料。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：