一种可控双向三维形变水凝胶薄膜及其制备方法和柔性微电极阵列技术

本发明专利技术提供一种可控双向三维形变水凝胶薄膜，所述水凝胶薄膜由含羧基聚合物经二价或三价阳离子交联形成，所述水凝胶薄膜沿厚度方向形成交联度梯度，所述水凝胶薄膜的一侧表面设置有定向排列的多个微通道，所述水凝胶薄膜朝向具有所述微通道的一面卷曲产生正向形变。该水凝胶薄膜可在一价阳离子、pH值和螯合试剂的刺激下触发反向形变，且通过控制一价阳离子的浓度、pH值的大小和螯合试剂的浓度可实现水凝胶薄膜形变程度的可控调节。本发明专利技术还提供了该可控双向三维形变水凝胶薄膜的制备方法和柔性微电极阵列。

A Controllable Bidirectional Three-Dimensional Deformation Hydrogel Film and Its Preparation Method and Flexible Microelectrode Array

The invention provides a controllable bidirectional three-dimensional deformed hydrogel film, which is formed by crosslinking carboxyl-containing polymers with divalent or trivalent cations. The hydrogel film forms a gradient of crosslinking degree along the thickness direction. A plurality of directional micro-channels are arranged on one side of the hydrogel film, and the hydrogel film curls toward one side with the micro-channels. Produce positive deformation. The hydrogel film can trigger reverse deformation under the stimulation of monovalent cation, pH value and chelating reagent, and the deformation of the hydrogel film can be controlled by controlling the concentration of monovalent cation, pH value and the concentration of chelating reagent. The invention also provides a preparation method of the controllable bidirectional three-dimensional deformed hydrogel film and a flexible microelectrode array.

【技术实现步骤摘要】
一种可控双向三维形变水凝胶薄膜及其制备方法和柔性微电极阵列
本专利技术涉及水凝胶
，特别是涉及一种可控双向三维形变水凝胶薄膜及其制备方法和柔性微电极阵列。
技术介绍
刺激响应水凝胶是以水为分散介质的三维网状结构，其在外界环境如温度、pH、光、离子等刺激下能够产生显著的体积溶胀或收缩变化，此外水凝胶具有质地柔软富有弹性与活体软组织质感十分接近的优势使其在软体机器人、药物缓释、组织工程等领域有着广泛的应用。刺激响应水凝胶结合厚度方向上梯度交联或局部区域杨氏模量的差异可以实现区域化差异性地溶胀或收缩，产生弯曲、扭曲等多样化的形变。现有基于可控形变水凝胶的报道大多基于热敏性聚合物聚异丙基丙烯酰胺，结合多材料与光聚合的技术实现区域化杨氏模量的差异，以及厚度上交联度的差异，在面内应力和面外应力的协同作用下产生可控形变，此外可在此基础上结合光热材料、磁性材料、导电材料实现非接触式的光、磁、电驱动水凝胶的可控形变。然而，所用材料的生物兼容较差，很大程度上限制了水凝胶材料在生物医药等领域的应用。基于天然高分子的水凝胶如海藻酸钠、明胶、壳聚糖，因其优异的生物兼容性被广泛应用于生物医药领域的研究。德国的LeonidIonov教授2017年在《AdvancedMaterials》上报道了一篇基于4D打印技术构筑海藻酸钠与透明质酸的水凝胶，实现水凝胶的自卷曲形成闭合管状结构，细胞培养实验展现该材料优异的生物兼容性。然而，该方法未能加工出更为复杂的结构，且无法调控水凝胶材料的形变程度。因此，如何构筑生物兼容性高的水凝胶，同时实现温和触发方式，构筑多样化复杂结构，以及实现形变程度的可控调节仍是该领域一大挑战。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术第一方面提供一种近生理环境触发、生物兼容性好、制备工艺简单、形变可控的水凝胶薄膜材料。具体地，第一方面，本专利技术提供了一种可控双向三维形变水凝胶薄膜，所述水凝胶薄膜由含羧基聚合物经二价或三价阳离子交联形成，所述水凝胶薄膜沿厚度方向形成交联度梯度，所述水凝胶薄膜的一侧表面设置有定向排列的多个微通道，所述水凝胶薄膜朝向具有所述微通道的一面卷曲产生正向形变。其中，所述含羧基聚合物包括海藻酸钠、明胶、透明质酸、壳聚糖、纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基甲壳素、淀粉、蛋白质、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酸、羧酸封端的聚(N-异丙基丙烯酰胺)、聚L-谷氨酸、聚组氨酸、聚天冬氨酸、聚乙基丙烯酸、聚丙基丙烯酸、聚乙烯基苯甲酸、聚衣康酸、肽聚糖、谷胱甘肽、双甘肽、弹性蛋白样多肽、羧基化聚乙烯醇、羧基化聚丙二醇、羧基化聚乙二醇、聚(4-羧基苯磺酰胺)、聚[(R)-3-羟基丁酸]、聚癸二酸、聚马来酸酐、聚-DL-丙氨酸、聚-DL-赖氨酸、聚-DL-鸟氨酸、聚-L-精氨酸、聚左旋脯氨酸、聚乙醇酸、聚甘氨酸、聚(1,3-丙烯基己二酸)、聚(1,3-丙烯基戊二酸)、聚(1,3-丙烯琥珀酸)、聚环氧琥珀酸、其他含羧基聚合物以及含上述单位的衍生物和共聚物中的一种或多种。本专利技术中，所述水凝胶薄膜的厚度为1μm-5cm，进一步地，厚度为50μm-1mm。本专利技术中，所述微通道为凹槽结构，所述微通道均匀排布在所述水凝胶薄膜一侧表面，所述微通道的宽度为10nm-5cm，所述微通道相对所述一侧表面的深度为10nm-4.5cm。进一步地，所述微通道的宽度为1μm-5mm，所述微通道的深度为1μm-5mm；更进一步地，宽度为2μm-900μm，1mm-5mm，深度为2μm-900μm，1mm-5mm。其中微通道的宽度是指微通道在所述一侧表面的开口的宽度。本专利技术中，对所述微通道的具体截面形状不作特殊限定，可以是任意规则或不规则形状，例如可以是方形、三角形、半圆形等。微通道的存在使得所述水凝胶薄膜不同区域存在厚度上的差异，从而带来差异化的抗弯模量。本专利技术中，所述水凝胶薄膜沿厚度方向形成交联度梯度具体为：所述水凝胶薄膜的交联度由具有所述微通道的一侧表面至相对的另一侧表面逐渐增大，所述交联度梯度使所述水凝胶薄膜在厚度方向上形成杨氏模量差异，差异程度在0.0001Pa-2000Gpa范围内。进一步地，差异程度在10KPa-100MPa。本专利技术中，所述二价阳离子为Ca2+、Mg2+、Ba2+、Cu2+、Be2+、Sr2+、Ra2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Hg2+、Cr2+、Cd2+、Pd2+、Pt2+、Sn2+、Pb2+、Mn2+中的一种或多种。进一步地，二价阳离子为Ca2+、Mg2+、Fe2+、Zn2+。本专利技术中，所述三价阳离子为Fe3+、Al3+、Bi3+、Sc3+、La3+、Pr3+、Gd3+、Co3+、Ce3+中的一种或多种。进一步地，三价阳离子为Fe3+、Al3+。本专利技术中，通过控制交联过程中二价或三价阳离子溶液的浓度和交联时间，可调节所述正向形变的程度，所述二价或三价阳离子溶液的浓度为0.1mmol/L-10mol/L。进一步地，二价或三价阳离子的浓度范围为10mmol/L-1mol/L。本专利技术提供的水凝胶薄膜可通过多种方式实现可控双向三维形变。本专利技术中，所述水凝胶薄膜可以置于一价阳离子溶液或一价阳离子与二价或三价阳离子的混合溶液中，利用一价阳离子来部分取代二价或三价阳离子的交联位点，降低体系的交联度，触发水凝胶的溶胀，低交联度的微通道一侧溶胀率更大，由此触发水凝胶薄膜的反向三维形变；还可通过调节一价阳离子与二价或三价阳离子的混合溶液中的一价阳离子和二价或三价阳离子的浓度，利用两者的竞争作用来可控调节取代交联位点的比例，从而实现对水凝胶薄膜力学性能的精准调控，以此来实现水凝胶薄膜形变程度的可控调节。当所述水凝胶薄膜置于一价阳离子溶液或置于一价阳离子与二价或三价阳离子的混合溶液中时，所述水凝胶薄膜朝向未设置所述微通道的一面卷曲产生反向形变，进一步增加所述一价阳离子溶液的浓度可使所述水凝胶薄膜完全溶解。所述一价阳离子为Na+、K+、Rb+、Cs+、Fr+、Ag+中的一种或多种，进一步地，一价阳离子为Na+、K+。使所述水凝胶薄膜产生反向形变的一价阳离子溶液的浓度范围为0.1mmol/L-10mol/L；进一步地，浓度范围为1mmol/L-1mol/L。使所述水凝胶完全溶解的一价阳离子溶液的浓度范围为0.25mol/L-10mol/L，进一步地为5mol/L-10mol/L。本专利技术中，对于一定浓度的不同体积分数的一价阳离子与二价或三价阳离子的混合溶液，当一价阳离子的体积分数为零时，水凝胶薄膜呈现出紧密的微通道朝内的正向形变的三维结构，当一价阳离子的体积分数逐步升高，被取代的交联位点逐步增加，紧密的三维结构会逐渐打开乃至形成二维平整结构，进一步增加一价阳离子体积分数，溶胀率进一步增大，水凝胶薄膜会逐渐沿反方向弯曲形成微通道朝外的三维结构。本专利技术中，所述水凝胶薄膜可以通过调节pH实现可控双向三维形变，pH范围为1-14。进一步地，pH为1-14。例如将水凝胶薄膜置于pH＝3的水溶液中，此时由于体系的pH小于羧基的pKa，羧基质子化，分子链段蜷缩，体系收缩使得水凝胶薄膜收缩变紧，逐渐增大体系pH，羧基去质子化，分子链段舒展，体系溶胀，水凝胶材料会逐渐打开变成平，pH进一步增大，水凝胶会逐渐沿反方向卷曲形成微通道朝外的三维结构。当pH&本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可控双向三维形变水凝胶薄膜，其特征在于，所述水凝胶薄膜由含羧基聚合物经二价或三价阳离子交联形成，所述水凝胶薄膜沿厚度方向形成交联度梯度，所述水凝胶薄膜的一侧表面设置有定向排列的多个微通道，所述水凝胶薄膜朝向具有所述微通道的一面卷曲产生正向形变。

【技术特征摘要】
1.一种可控双向三维形变水凝胶薄膜，其特征在于，所述水凝胶薄膜由含羧基聚合物经二价或三价阳离子交联形成，所述水凝胶薄膜沿厚度方向形成交联度梯度，所述水凝胶薄膜的一侧表面设置有定向排列的多个微通道，所述水凝胶薄膜朝向具有所述微通道的一面卷曲产生正向形变。2.如权利要求1所述的水凝胶薄膜，其特征在于，所述含羧基聚合物包括海藻酸钠、明胶、透明质酸、壳聚糖、纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基甲壳素、淀粉、蛋白质、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酸、羧酸封端的聚(N-异丙基丙烯酰胺)、聚L-谷氨酸、聚组氨酸、聚天冬氨酸、聚乙基丙烯酸、聚丙基丙烯酸、聚乙烯基苯甲酸、聚衣康酸、肽聚糖、谷胱甘肽、双甘肽、弹性蛋白样多肽、羧基化聚乙烯醇、羧基化聚丙二醇、羧基化聚乙二醇、聚(4-羧基苯磺酰胺)、聚[(R)-3-羟基丁酸]、聚癸二酸、聚马来酸酐、聚-DL-丙氨酸、聚-DL-赖氨酸、聚-DL-鸟氨酸、聚-L-精氨酸、聚左旋脯氨酸、聚乙醇酸、聚甘氨酸、聚(1,3-丙烯基己二酸)、聚(1,3-丙烯基戊二酸)、聚(1,3-丙烯琥珀酸)、聚环氧琥珀酸、其他含羧基聚合物以及含上述单位的衍生物和共聚物中的一种或多种。3.如权利要求1所述的水凝胶薄膜，其特征在于，所述水凝胶薄膜的厚度为1μm-5cm。4.如权利要求1所述的水凝胶薄膜，其特征在于，所述微通道均匀排布在所述水凝胶薄膜一侧表面，所述微通道的宽度为10nm-5cm，所述微通道的深度为10nm-4.5cm。5.如权利要求1所述的水凝胶薄膜，其特征在于，所述水凝胶薄膜沿厚度方向形成交联度梯度具体为：所述水凝胶薄膜的交联度由具有所述微通道的一侧表面至相对的另一侧表面逐渐增大，所述交联度梯度使所述水凝胶薄膜在厚度方向上形成杨氏模量差异，差异程度在0.0001Pa-2000Gpa范围内。6.如权利要求1所述的水凝胶薄膜，其特征在于，所述二价阳离子为Ca2+、Mg2+、Ba2+、Cu2+、Be2+、Sr2+、Ra2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Hg2+、Cr2+、Cd2+、Pd2+、Pt2+、Sn2+、Pb2+、Mn2+中的一种或多种。7.如权利要求1所述的水凝胶薄膜，其特征在于，所述三价阳离子为Fe3+、Al3+、Bi3+、Sc3+、La3+、Pr3+、Gd3+、Co3+、Ce3+中的一种或多种。8.如权利要求1所述的水凝胶薄膜，其特征在于，通过控制交联过程中二价或三价阳离子溶液的浓度和交联时间，可调节所述正向形变的程度，所述二价或三价阳离子溶液的浓度为0.1mmol/L-10mol/L。9.如权利要求1所述的水凝胶薄膜，其特征在于，当所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜学敏，崔欢庆，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44