本发明专利技术属于材料科学领域、纳米材料领域、生物医学工程领域，具体是一种天然高分子有机纳米复合的可注射可二次力学增强的双网络水凝胶的制备方法。水凝胶材料由天然有机高分子纳米颗粒组装而成形成水凝胶网络；有机纳米颗粒的尺寸10nm～20um；占水凝胶总质量的2～80wt％，分散性良好，该方法利用有机纳米颗粒之间的静电组装，氢键作用疏水作用等非共价作用力进行自组装，形成凝胶网络，经增材制造得到凝胶支架，兼具优异的打印性能和较高力学强度。水凝胶网络具有微观小孔，孔隙尺寸为0.1～100μm，还可以进一步通过聚乙烯醇网络共价交联形成高强度水凝胶来实现为了机械性能与与目标组织适配。可作为骨修复支架，软骨修复支架，药物缓释载体应用于生物医学领域。药物缓释载体应用于生物医学领域。
【技术实现步骤摘要】
一种天然高分子有机纳米复合的可注射可二次力学增强的双网络水凝胶的制备方法
[0001]本专利技术属于材料科学领域、纳米材料领域、生物医学工程领域，具体是一种天然高分子有机纳米复合的颗粒组装的水凝胶材料及其在组织工程中的应用，公开了一种由非共价键和共价键双重交联的、可注射、可塑形、可打印的双网络水凝胶材料及其制备方法和应用
技术介绍
[0002]随着我国经济水平的飞速发展以及人口的老龄化的加剧，人们对健康以及医疗的需求日益加强，然而许多外伤造成的创伤是不可逆的，对这种组织来说创伤会在数年内都一直保留下来，进一步退化并最终引发疾病，如骨关节炎，导致关节功能受损，生活质量下降。目前的治疗策略包括自体或异体器官移植植入，这些方法大大改善了缺陷修复的结果，然而有一定的缺陷，可能会导致免疫排斥反应以及引发伦理问题，以及配型供不应求，无法作为长期的临床解决方案面向广大群体普遍应用。因此，迫切需要有潜力的的替代治疗方法。
[0003]通过三维(3D)打印模拟复合组织结构的挤出式增材制造因其快速原型设计和创建复杂配方而在组织工程中越来越受欢迎。能够制造患者特定的解剖结构，以满足个性化再生医学的需求。生物墨水需要满足的几个基本标准包括适当的粘度，用于控制在生物打印过程中创建独立结构的灵活性，以及生物打印后保持建筑完整性。此外，剪切变稀用于在低喷嘴压力下挤出生物墨水，以保护细胞免受物理压力源的影响，适配新组织生成的生物降解性，仿生特性以及其结构和机械稳定性是同样重要的标准。为解决传统的胶体凝胶力学强度差的问题，双网络水凝胶的设计策略提供了新的手段。双网络水凝胶是一类具有高机械强度和韧性的水凝胶材料。其通过将两种可独立形成水凝胶网络的高分子复合在同一水凝胶中实现优异的机械性能。目前报道的双网络水凝胶往往基于高分子组成，不具有可注射的性能，颗粒水凝胶是一种基于“自下而上”设计理念，以微、纳米颗粒为基本单元，形成具有精细微观结构和稳定宏观结构的新型水凝胶材料。以天然高分子有机微纳米颗粒为基本结构单元，通过自下而上的组装策略，控制基本结构单元之间的相互作用如：磁力、疏水相互作用、静电力、空间位阻等诱导其自组装形成的支架。由于物理“交联”的胶体颗粒间作用的可逆性保障双网络水凝胶力学强度增强的同时具有优异的剪切变稀自修复性能满足3D打印的需求。
技术实现思路
[0004]本专利技术开发了一种天然高分子有机纳米复合的可注射可二次力学增强的双网络水凝胶的制备方法。本专利技术以聚乙烯醇和有机高分子明胶纳米颗粒为基本机构单元构建了双网络水凝胶，明胶颗粒具有优异的生物相容性以及RGD多肽序列为细胞提供黏附位点，并且可以组装形成胶体凝胶网络。由于明胶颗粒表面具有带有正电荷的氨基和负电荷的羧基
和羟基，有明显的非共价相互作用形成第二重网络，聚乙烯醇是一种极安全的高分子有机物，对人体无毒，无副作用，具有良好的生物相容性，尤其在医疗中的如其水性凝胶在眼科、伤口敷料和人工关节方面的有广泛应用，保证了有机纳米复合凝胶在生物医学领域应用的可行性。通过氢键相互作用，使有机纳米复合凝胶更加稳定。通过二次交联的方法，有机纳米复合凝胶在未进行二重交联时具有剪切变稀、自修复的优异力学性能，可以用于可注射填充材料用于微创手术以及3D生物打印墨水用于生物制造。然后，通过控制聚合交联网络后，得到的有机纳米复合凝胶具有稳定和优异的力学强度的。进一步通载细胞生物打印3D生物打印，我们证实了通过3D生物制造将胶体凝胶加工成具有精细结构的三维细胞支架。
[0005]有益效果
[0006]本专利技术通过一种新型的有机纳米复合水凝胶的概念，将明胶有机纳米颗粒引入传统的聚合物网络，构建了一种区别去传统复合水凝胶材料的有机纳米复合材料，基于明胶纳米颗粒之间丰富的静电相互作用，氢键作用等可逆的非共价相互作用，赋予了这种复合凝胶材料优异的剪切变稀自修复特性，反映到材料来说就是良好的的精细的的一种可塑型性，同时可进行二次交联二次力学增强，用以匹配不同组织部位组织工程的需求，本专利技术精细的探究了聚乙烯醇与明胶纳米颗粒共混时，通过共聚焦显微镜观察了颗粒与聚合物之间的排空力诱导胶体网络的形成过程以及最终胶体凝胶网络结构。这种有机纳米复合凝胶材料提高了传统的生物打印墨水的力学性能，实现了高强度生物打印墨水的开发。制备简单，极大的扩宽了可注射材料和3D打印支架的应用领域。
[0007]本专利所述的双网络水凝胶具有良好的生物相容性和生物降解性，可作为细胞二维培养或三维培养的基质，实现对细胞三维环境的构建，并支持细胞的生长繁殖等功能，可作为载细胞的三维可注射凝胶支架和3D打印支架用于组织工程和再生医学的应用。
附图说明
[0008]图1是高分子网络未形成时，水凝胶粘度随剪切速率变化趋势，表明水凝胶具有剪切变稀的力学性能，且光学图像表明水凝胶的可注射性能。
[0009]图2是高分子网络未形成时，水凝胶模量经受剪切应变后恢复曲线，表明水凝胶具有自修复的力学性能，且光学图像表明水凝胶的自修复性能；
[0010]图3是实施例2中双网络水凝胶，聚乙烯醇高分子网络聚合过程，双网络水凝胶模量的变化
[0011]图4是实施例2和对比例2双网络水凝胶和明胶胶体凝胶微观结构的扫描电镜图；
[0012]图5是实施例3中明胶颗粒组装成网络结构的共聚焦显微镜图片；
[0013]图6是实施例10中双网络水凝胶作为载小鼠间充质干细胞支架细胞培养实验结果；
具体实施方式
[0014]以下结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不以任何方式限制本专利技术。
[0015]实施例1
[0016]1.明胶颗粒的制备：5gA型明胶溶解在100mL去离子水溶液中，并保持加热到 40℃，得到澄清透明的明胶水溶液，滴加盐酸将溶液pH值调节至2.5，分别将240,350mL的丙酮
溶液滴加至上述明胶水溶液中并保持加热40℃和持续搅拌(1000rpm)，滴加总时间为20min，向上述纳米颗粒悬液中加入74μL 的交联剂戊二醛(25wt％水溶液)，交联时间12hrs，待反应结束后，向混合物中加入100mM浓度的甘氨酸，终止未反应完全的戊二醛的端基。将纳米颗粒悬浮液反复离心和在去离子水中重悬。将悬浊液在
‑
60℃下冷冻干燥，得到明胶纳米颗粒干粉。通过纳米粒度仪测试明胶颗粒的颗粒尺寸和表面电荷。 (表1)
[0017]2.光交联基团改性明胶纳米颗粒的制备：在50℃下将5g明胶A型粉末溶于 100mL去离子水中得到明胶溶液。分别加入0.0625，0.125,0.25,0.5,2g的甲基丙烯酸酐于高温下反应两小时，甲基丙烯酸酐与蛋白质分子链上游离的氨基发生亲核取代反应，同时产生等摩尔的甲基丙烯酸。用盐酸调节pH至7，并加入原溶液2倍体积的丙酮，破坏蛋白质分子表面的水化层，甲基丙烯酸酯明胶(GelMA)沉淀析出，使用去离子水反复清洗后，进行冷冻干燥，得到冻干的甲基丙烯酸酯明胶样品。通过核磁共振氢谱测试明胶表面的氨基的接枝度；根据相应基团谱图变化计算出的接枝度如表1所示本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于明胶的高强度纳米复合水凝胶的制备，其特征在于，所述制备方法为下述两种方法中的一种a)方法一构成第一重网络是通过将天然有机高分子纳米颗粒进行光交联基团的改性，通过共混，加入引发剂后与聚合物单体混合均匀得到预聚合胶体凝胶，通过单体聚合反应固化进行光固化的引发，从而将构成第一重网络，将有机纳米颗粒构成的第二重网络包封在第一重网络中，即得到所述双网络有机纳米复合凝胶；b)方法二将构成第一重网络的聚合物单体与光引发剂共同溶解在水性溶液中与构成第二重网络的天然高分子有机纳米颗粒共混，混合均匀得到预聚合胶体，第一重网络单体聚合反应固化从而将构成第二重网络的有机纳米颗粒包封在第一重网络中，即得到所述双网络有机纳米复合凝胶；c)其中，所述构成第一重网络的聚合物单体是将原始羟基进行修饰改性的有引发聚合反应的基团的聚乙烯醇基高分子，浓度为0.02
‑
1g/mL；聚乙烯醇基高分子为直链的或多支化的聚乙烯醇基高分子中的一种或几种的组合，所述聚乙烯醇的分子量为0.1kDa
‑
100kDa；d)所述构成第二重网络的胶体网络明胶颗粒尺寸为50nm～500μm；明胶颗粒表面电荷为
‑
40～20mV；所述构成第二重网络的胶体网络明胶颗粒的体积分数为φ＝0.5～1；方法一中明胶颗粒中明胶高分子链上共价交联基团的取代度为5～80％，明胶颗粒和聚乙二醇混合时的质量比例为0.1～10:1。2.一种天然高分子有机纳米复合的可注射可二次力学增强的双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，所述方法一对明胶颗粒进行改性，明胶溶液中分别加入可与明胶表面羧基或者氨基发生酰胺化反应的化合物，通过叠氮化物/炔烃，巯基/双键、硫醇/烯烃或双烯/单烯键等的组合引入可光交联的双键；方法二中所述构成第一重网络的聚乙烯醇基高分子的端基修饰的引发聚合反应的基团选自丙烯酸酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、烯丙基异氰酸酯、氨基/醛基、叠氮化物/炔烃、巯基/双键、双烯/单烯中的一种或几种的组合。3.根据权利要求1所述的一种天然高分子有机纳米复合的可注射可二次力学增强的双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，所述聚合反应为自由基聚合反应时，为紫外光诱导聚合反应或化学引发剂诱导聚合反应。4.根据权利要求3所述的一种天然高分子有机纳米复合的可注射可二次力学增强的双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，所述紫外光诱导聚合反应固化的引发剂选自2
‑
羟基
‑2‑
甲基
‑1‑
苯基丙酮、1
‑
羟基环己基苯基甲酮、2
‑
甲基
‑2‑
(4
‑
吗啉基)
‑1‑
[4
‑
(甲硫基)苯基]
‑1‑
丙酮、2,4,6
‑
三甲基苯甲酰基
‑
...
【专利技术属性】
技术研发人员：王华楠，刘运鹏，陈楷文，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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