快速制备密实化和力学增强的水凝胶的方法及应用

本发明属于生物力学工程，特别是涉及一种水凝胶处理方法及应用，尤其涉及一种快速制备密实化和力学增强的水凝胶的方法及应用。

背景技术：

1、水凝胶如胶原、透明质酸等有着独特的物理和化学性质，如优异的吸水性和保水性、良好的生物相容性和生物降解性以及独特的刺激反应性。特别地，水凝胶可以为细胞生长提供一个相似的生理环境，使得其在组织工程和生物医学领域得到了广泛的应用。然而水凝胶力学性能的不足和结构上的差异是长期以来限制其生物力学应用的一个关键挑战。随着力学、材料、工程和生物医学等的交叉融合，通过力学调控对水凝胶进行改性，提高水凝胶的力学性能成为了当前研究的一个热点问题，为改善水凝胶应用的局限性、分析和解决生物医学中的问题提供了新的思路。

2、当前研究的一些先进的水凝胶改性技术如拉伸-干化法、生物电纺、定向冷冻干燥等通过改变水凝胶的微观结构实现纤维定向在很大程度上提高了水凝胶的力学性能，使水凝胶的模量高达几十至上百兆帕，但是这些方法也存在许多问题，如制备过程生物相容性较差、需要专用的设备或引入附加的材料组分等。另一方面，塑性压缩法、凝胶抽吸-挤出法等技术也在一定程度上促进水凝胶的密实化和提高了水凝胶的力学性能，但是其或难以调控水凝胶的结构方向性，或制备过程可控性不足，力学增强能力有限等。

3、综上所述，亟需发展一种新的快速制备密实化和力学增强水凝胶的方法。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。本发明的目的在于提供一种能够快速制备密实化和力学增强的水凝胶的方法，应用该方法可以快速制备密实化水凝胶组织，而且操作简单且可以快速地获得密实化和力学增强水凝胶并刺激组织细胞的形态分化。此外，还能根据需要设计模板凹槽的形状和厚度以实现对密实化水凝胶的形状和尺寸控制。

2、为了实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

3、在本发明的第一方面提供了一种制备密实化和力学增强的水凝胶的方法，包括：

4、提供基质原料溶液，进行自组装交联处理，得到初级水凝胶；

5、对所述初级水凝胶进行扭转处理，以便得到经脱水和密实化的水凝胶；

6、将所述经脱水和密实化的水凝胶和交联剂进行第二交联处理，以便得到成品水凝胶。

7、根据本发明的实施例，所提供的方法还可以进一步包括如下技术特征：

8、根据本发明的实施例，所述基质原料选自明胶、胶原、明胶、海藻酸盐、透明质酸中的至少一种。

9、根据本发明的实施例，所述扭转处理包括：

10、将所述初级水凝胶的两端固定，对固定后的所述初级水凝胶施加扭矩，其中扭转角度为50～500°/mm，优选为100～300°/mm。

11、根据本发明的实施例，所述扭转处理利用模具完成，所述模具包括底板、定制模板、铺板、上盖板和弹性模板；

12、所述定制模板位于所述底板的上表面，所述定制模板为跑道形状；

13、所述铺板位于所述底板的上表面，所述铺板中间留有空腔，所述空腔大小至少大于所述定制模板的大小，所述定制模板位于所述铺板的空腔内；

14、所述上盖板位于所述铺板的上表面，所述上盖板上包括排气孔和注液孔；

15、所述弹性模板通过所述上盖板的注液孔注入弹性模板材料固化而成；

16、其中，将基质原料溶液加入到所述弹性模板的凹槽中。

17、根据本发明的实施例，所述弹性模板材料选自聚二甲基硅氧烷、橡胶、聚酯弹性体中的至少一种。

18、根据本发明的实施例，所述弹性模板材料和所述固化剂的质量比为(4～40)：1。

19、根据本发明的实施例，所述交联剂选自京尼平、谷氨酰胺转氨酶、四氯铂(ii)酸钾中的至少一种；

20、根据本发明的实施例，所述第二交联处理的时间为6～12小时。

21、根据本发明的实施例，所述基质原料溶液包括基质原料、无菌水、缓冲液和碱性溶液。

22、根据本发明的实施例，所述基质原料溶液还包括细胞悬液，所述细胞悬浮的浓度为105～108cells/ml，所得到的成品水凝胶为水凝胶组织。

23、在本发明的第二方面提供了一种制备密实化和力学增强的水凝胶的方法，包括：

24、提供基质原料溶液加入到弹性模板的凹槽中，进行自组装交联处理，得到初级水凝胶；

25、对所述初级水凝胶进行扭转处理，以便得到经脱水和密实化的水凝胶；

26、将所述经脱水和密实化的水凝胶和交联剂进行第二交联处理，以便得到成品水凝胶；

27、其中所述弹性模板通过模具制备获得，所述模具包括底板、定制模板、铺板、上盖板和弹性模板；

28、所述定制模板位于所述底板的上表面，所述定制模板为跑道形状，

29、所述铺板位于所述底板的上表面，所述铺板中间留有空腔，所述空腔大小至少大于所述定制模板的大小，所述定制模板位于所述铺板的空腔内；

30、所述上盖板位于所述铺板的上表面，所述上盖板上包括排气孔和注液孔；

31、所述弹性模板通过所述上盖板的注液孔注入弹性模板材料和固化剂固化而成。

32、在本发明的第三方面提供了模具在制备水凝胶中的用途，所述模具包括底板、定制模板、铺板、上盖板和弹性模板；

33、所述定制模板位于所述底板的上表面，所述定制模板为跑道形状，

34、所述铺板位于所述底板的上表面，所述铺板中间留有空腔，所述空腔大小至少大于所述定制模板的大小，所述定制模板位于所述铺板的空腔内；

35、所述上盖板位于所述铺板的上表面，所述上盖板上包括排气孔和注液孔；

36、所述弹性模板通过所述上盖板的注液孔注入弹性模板材料和固化剂固化而成。

37、本发明所取得的有益效果至少为：

38、本发明所提供的方法在得到初级水凝胶后，通过扭转处理，可以简单快速的实现水凝胶的脱水和密实化，密实化之后的水凝胶较自组装形成的水凝胶(未进行扭转处理，自组装形成的水凝胶的模量在千帕或者几百帕)力学性能得到了一定的提升，扭转后水凝胶的模量在兆帕级别；然后再进行交联来增强水凝胶的力学性能，由此更好的提升水凝胶的力学性能。

39、本发明所提供的方法通过锚定水凝胶的两端，并对水凝胶施加扭矩，操作简单快速。可以借助于模具实现水凝胶两端的锚定和扭转处理，借助于模具完成时，模具凹槽的形状和厚度都可以通过模具的设计来改变，进而控制密实化水凝胶组织的尺寸和形状以获得更加多样和与需求匹配的结果。

40、通过扫描电镜和力学拉伸测试发现本发明所提供的水凝胶处理方法所制备的水凝胶无论是结构还是韧性等表现非常优异，而且所制备的水凝胶组织密实。

技术特征：

1.一种制备密实化和力学增强的水凝胶的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基质原料选自胶原、丝素蛋白、海藻酸盐、透明质酸中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扭转处理包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扭转处理利用模具完成，所述模具包括底板、定制模板、铺板、上盖板和弹性模板；

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述弹性模板材料选自聚二甲基硅氧烷、橡胶、聚酯弹性体中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交联剂选自京尼平、谷氨酰胺转氨酶、四氯铂(ii)酸钾中的至少一种；

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基质原料溶液包括：基质原料、无菌水、缓冲液和碱性溶液。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基质原料溶液还包括细胞悬液，所述细胞悬浮的浓度为105～108cells/ml，所得到的成品水凝胶为水凝胶组织。

9.一种制备密实化和力学增强的水凝胶的方法，其特征在于，包括：

10.模具在制备水凝胶中的用途，其特征在于，所述模具包括底板、定制模板、铺板、上盖板和弹性模板；

技术总结
本发明提供了一种快速制备密实化和力学增强水凝胶的方法及应用。该方法包括：提供基质原料溶液，进行自组装交联处理，得到初级水凝胶；对所述初级水凝胶进行扭转处理，以便得到经脱水和密实化的水凝胶；将所述经脱水和密实化的水凝胶和交联剂进行第二交联处理，以便得到成品水凝胶。应用所提供的方法可以快速制备不同致密化程度、不同几何尺寸的组织结构并且能够调控水凝胶及基于水凝胶的工程化组织的结构和力学性能，操作简单，易于实现，具有良好的开发和应用前景。

技术研发人员：黄国友,李婷婷,周子星,谢炀
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5