一种基于定向退火铸造法制备强韧水凝胶的方法及其应用技术

本发明专利技术属于生物组织材料制备技术领域，具体涉及一种基于定向退火铸造法制备强韧水凝胶的方法及其应用

【技术实现步骤摘要】
一种基于定向退火铸造法制备强韧水凝胶的方法及其应用


[0001]本专利技术属于生物组织材料制备
，具体涉及一种基于定向退火铸造法制备强韧水凝胶的方法及其应用
。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术
。
[0003]各种天然的生物组织，从柔软的大脑
、
皮肤组织到坚韧的韧带
、
肌腱
、
软骨等承重组织，都具备有序且各向异性的结构和力学性能，同时具有一定的水含量，能够维持个体在日常生活中的各项功能
。
然而，长期的剧烈磨损中可能会导致上述天然软组织的退化或损伤，并且难以自发再生，严重时会影响生命健康和日常活动
。
因此人体组织的仿生及修复研究对个性化治疗和健康管理非常有益
。
[0004]水凝胶材料具有可调的机械性能和含水量以及良好的生物相容性，被认为是生物医学和生物工程应用中模拟自然组织的最佳候选材料之一，近年来快速促进了新型生物电子
、
软机器人
、
大数据和智慧医疗以及人工组织和器官的发展
。
然而，由于传统水凝胶内部结构均匀松散，交联密度低，水含量较高，导致强度不足且韧性差，易发生疲劳断裂，普遍缺乏足够的强度和韧性限制了水凝胶材料在人体组织修复中的应用前景
。
因此，亟需通过一种简单r/>、
高效的方法来开发强韧性水凝胶
。
此外，拓展新的策略来构建力学性能可调的水凝胶材料匹配不同性质的人体天然组织，也是生物电子学领域的最大挑战之一
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于定向退火铸造法制备强韧水凝胶的方法及其应用
。
采用上述制备方法，实现了高抗拉强度
、
高韧性的强韧水凝胶的制备以及力学性能的按需调控，从而匹配不同的天然软组织，用于损伤组织修复
。
同时，上述制备方法具有通用
、
简单
、
安全
、
绿色
、
低成本的优良特性
。
基于上述研究成果，从而完成本专利技术
。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术的第一个方面，提供一种基于定向退火铸造法制备强韧水凝胶的方法，所述方法包括将水凝胶前驱体溶液置于低温环境进行冻融循环得到预凝胶，将所述预凝胶进行定向退火铸造处理；以及将定向退火铸造后的水凝胶进行再水化达到平衡；
[0008]其中，所述定向退火铸造处理包括：将所述预凝胶的两端固定在夹具上，除夹具固定的两端之外，预凝胶其他部分施加涂覆材料，退火温度控制为
20
‑
300℃
，进一步为
25
‑
100℃
，如
25、50、75
和
100℃
；退火时间为
0.1
‑
50h
，进一步为1‑
10h
，如
1、4、7、10h。
通过控制退火温度和退火时间，从而实现对水凝胶的机械强度的精准调控，从而使其力学性能能够匹配不同的机体
(
如人体
)
组织，用于损伤组织修复
。
[0009]本专利技术的第二个方面，提供上述方法制得的强韧水凝胶
。
[0010]本专利技术的第三个方面，提供上述强韧水凝胶在制备机体仿生和
/
或修复材料中的应用
。
[0011]所述机体仿生和
/
或修复材料的适用对象可以是人或非人动物，其中，人是优选的
。
所述机体仿生和
/
或修复材料可以为人造皮肤
、
人造肌肉
、
人造肌腱
、
人造韧带和人造骨骼
(
如人造软骨
)
等，在此不做具体限定
。
[0012]上述一个或多个技术方案的有益技术效果：
[0013]上述技术方案所提供了定向退火铸造法制备的强韧水凝胶，采用聚乙烯醇高分子作为水凝胶的聚合物网络，具有制造成本低
、
生物相容性好
、
机械性能易于调控等优良特性，该方法具有安全可靠，绿色低成本和简单通用的特性；制备过程中水凝胶原位形成了各向异性的仿生多孔结构，同时得到了增强的结晶度，使水凝胶具备优异的抗拉强度和机械抗疲劳特性；具有良好的生物相容性；同时水凝胶的机械强度可以通过优化定向退火铸造的温度和时间参数进行调控，进而与不同的对人体组织相匹配，定向退火铸造制备的低模量水凝胶下能够模仿人体皮肤，作为皮肤电极实现电生理信号的采集，另外，此方法制备的高模量水凝胶，能够代替人体结缔组织例如韧带和肌腱，有望用于结缔组织损伤患者的移植修复，因此具有良好的实际应用之价值
。
附图说明
[0014]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定
。
[0015]图1为本专利技术定向退火铸造法制水凝胶的流程示意图；其中1‑
水，2‑
聚乙烯醇分子链，3‑
结晶域，4‑
固定夹具，5聚二甲基硅氧烷包覆层，6‑
水分子；
[0016]图2为实施例1定向退火铸造法制备水凝胶相关光学照片；其中，
a
为水凝定向退火铸造后的光学照片，
b
为最终得到的强韧水凝胶负重
10kg
的光学照片；
[0017]图3为实施例2定向退火铸造制备水凝胶的扫描电镜表征图；其中，
a
为水凝胶的纵截面图，
b
为水凝胶的横截面图；
[0018]图4为实施例3定向退火铸造制备水凝胶的应力应变曲线图；
[0019]图5为实施例4定向退火铸造温度与水凝胶结晶度结果图；
[0020]图6为实施例5定向退火铸造时间与水凝胶杨氏模量和韧性图；
[0021]图7为实施例6定向退火铸造制备水凝胶的长循环拉伸结果图；
[0022]图8为实施例
7、
实施例8定向退火铸造制备水凝胶分别用于电生理信号采集图
(a)
和仿生韧带移植体外模型的光学照片
(b)。
具体实施方式
[0023]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明
。
除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义
。
[0024]需要注意的是，这里所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于定向退火铸造法制备强韧水凝胶的方法，其特征在于，所述方法包括将水凝胶前驱体溶液置于低温环境进行冻融循环得到预凝胶，将所述预凝胶进行定向退火铸造处理；以及将定向退火铸造后的水凝胶进行再水化达到平衡；其中，所述定向退火铸造处理包括：将所述预凝胶的两端固定在夹具上，除夹具固定的两端之外，预凝胶其他部分施加涂覆材料，退火温度控制为
20
‑
300℃
；退火时间为
0.1
‑
50h。2.
如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂覆材料包括但不限于
Ecoflex
有机硅胶材料
、
共聚物材料
、
聚酰胺和聚酰亚胺类材料
、
聚酯类材料和金属无机材料；进一步的，所述涂覆材料为聚二甲基硅氧烷；所述预凝胶包括聚乙烯醇类聚合物
、
聚丙烯酰胺类聚合物
、
聚丙烯酸类聚合物
、
纤维素类化合物
、
海藻酸钠
、
琼脂
、
壳聚糖或多肽类化合物中的任意一种或多种；进一步的，所述预凝胶为聚乙烯醇类聚合物
。3.
如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低温环境进行冻融循环的具体条件包括：冻融循环的冷冻的温度为
‑
20
～
‑
5℃
，冷冻时间为1‑
5h
；进一步的，解冻温度为
20
‑
40℃
；进一步的，冻融循环的次数为1‑5次
。
此时，水凝胶前驱体溶液是采用如下方法制备得到：...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱凯，朱赫，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：