一种水凝胶及其制备方法和应用

技术领域

本申请属于生物医用材料技术领域，尤其涉及一种水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

医用敷料作为伤口护理中的一个重要部分，不仅为创面提供屏障保护功能，同时也为伤口构建一个有利的微环境，在一定程度上提高伤口愈合的速度。一般可用于伤口的长期护理，比如常见的褥疮、压疮等造成的慢性创面的长期护理，另外在创伤手术或医美术后的疤痕修复也有着显著疗效。

水凝胶是目前广泛应用于高端医用敷料领域的一种新型材料。它是一种含有大量水分子的三维网状结构材料，由亲水性聚合物链交联而成，其含水量高达99％以上，具有和天然组织相似的生物物理学特性，在生物组织、药物载体、仿生智能材料等领域都有广泛的应用前景。但传统的高分子水凝胶往往存在着结构单一、力学性能弱等缺陷，从而大大限制了水凝胶的实际应用。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种水凝胶及其制备方法和应用，以解决相关技术中存在的水凝胶韧性较弱的技术问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种水凝胶，所述水凝胶包括2.5-20重量份甲基丙烯酸羟乙酯、5-25重量份甲基丙烯酰明胶、28-112重量份亲水性两性离子、0.02-2重量份引发剂、100重量份水。

可选的，所述的亲水性两性离子选自羧酸甜菜碱丙烯酰胺(CBAA)、羧基甜菜碱丙烯酸甲酯(CBMA)、硫代甜菜碱丙烯酸甲酯(SBMA)中的一种或多种，优选硫代甜菜碱丙烯酸甲酯(SBMA)。

可选的，所述水凝胶还包括用于和水进行置换的有机溶剂，进一步地，所述的有机溶剂选自甘油、山梨糖醇、异丙醇、乙醇、乙二醇中的一种或多种，其中优选甘油。

可选的，所述亲水性两性离子和甲基丙烯酸羟乙酯共聚反应为分子链，分子链通过甲基丙烯酰明胶进行交联形成多重网络。

可选的，所述水凝胶在紫外光照成胶后还浸泡于有机溶剂进行置换，需要说明的是，这里的置换可以是部分置换或全部置换，具体由置换前水凝胶组合物自身性质决定。

可选的，所述的有机溶剂选自甘油、山梨糖醇、异丙醇、乙醇、乙二醇中的一种或多种。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种水凝胶的制备方法，该方法包括：

将2.5-20重量份甲基丙烯酸羟乙酯、5-25重量份甲基丙烯酰明胶、28-112重量份亲水性两性离子、0.02-2重量份引发剂、100重量份水混合；

混合后用紫外光照，亲水性两性离子和甲基丙烯酸羟乙酯共聚反应为分子链，分子链通过甲基丙烯酰明胶进行交联形成多重网络。

可选的，所述甲基丙烯酰明胶的分子量为4w-5w，取代度为50％-90％。

可选的，所述引发剂为苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐、2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、氧化剂过硫酸铵、过硫酸钾、还原剂亚硫酸氢钠中的一种，其中优选苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐。

可选的，所述紫外光照的强度为50-200w。

可选的，该方法还包括：将水凝胶浸泡在有机溶剂中进行置换，得到有机水凝胶；进一步地，所述的有机溶剂选自甘油、山梨糖醇、异丙醇、乙醇、乙二醇中的一种或多种。

根据本发明实施例的第三方面，提供第一方面所述的水凝胶在生物材料3D打印中的应用。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请制备过程较为简单，所使用的是甲基丙烯酰明胶和亲水性两性离子，均可直接溶解在去离子水中，制备得到的水凝胶具有良好生物相容性、优异的机械性能。进一步将水凝胶浸泡在有机溶剂中进行置换，得到有机水凝胶，具有高韧性和优异的保水性，在生物医用领域具有较大的应用前景。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1为本发明实施例1-3所得的水凝胶拉伸的应力-应变曲线；

图2为本发明实施例4-6所得的水凝胶拉伸的应力-应变曲线；

图3为本发明实施例7-9所得的水凝胶拉伸的应力-应变曲线；

图4为本发明实施例10-12所得的水凝胶拉伸的应力-应变曲线；

图5为本发明实施例1-3所得水凝胶浸泡甘油前后的透光率曲线图；

图6为本发明实施例4-6所得水凝胶浸泡甘油前后的透光率曲线图；

图7为本发明实施例7-9所得水凝胶浸泡甘油前后的透光率曲线图；

图8为本发明实施例5所得的水凝胶的压缩性能；

图9为本发明实施例5所得的水凝胶的保水性能。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式给出详细介绍，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1

(1)将5g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。

(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。

(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图1，拉伸强度为0.21MPa，断裂应变为211％。在可见光波长内的透过率如图5所示，具有良好的透光率(＞90％)。

实施例2

(1)将10g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。

(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。

(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图1，拉伸强度为0.88MPa，断裂应变为222％。在可见光波长内的透过率如图5所示，具有良好的透光率(＞90％)。

实施例3

(1)将25g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。

(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。

(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图1，拉伸强度为1.20MPa，断裂应变为155％。在可见光波长内的透过率如图5所示，具有良好的透光率(＞90％)。

实施例4

(1)将15g甲基丙烯酰明胶、2.5g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。

(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。

(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图2，拉伸强度为0.92MPa，断裂应变为91％。在可见光波长内的透过率如图6所示，,具有良好的透光率(＞90％)。

实施例5

(1)将15g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。

(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。

(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图2，拉伸强度为0.88MPa，断裂应变为222％。在可见光波长内的透过率如图6所示，,具有良好的透光率(＞90％)。

实施例6

(1)将15g甲基丙烯酰明胶、20g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。

(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。

(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图2，拉伸强度为0.45MPa，断裂应变为44％。在可见光波长内的透过率如图5所示，具有良好的透光率(＞90％)。

实施例7

(1)将15g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和28g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。

(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。

(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图3，拉伸强度为0.33MPa，断裂应变为166％。在可见光波长内的透过率如图7所示，具有良好的透光率(＞90％)。

实施例8

(1)将15g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和84g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。

(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。

(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图3，拉伸强度为1.00MPa，断裂应变为176％。在可见光波长内的透过率如图7所示，具有良好的透光率(＞90％)。

实施例9

(1)将15g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和112g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。

(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。

(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡3h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图3，拉伸强度为0.75MPa，断裂应变为44％。在可见光波长内的透过率如图7所示，具有良好的透光率(＞90％)。

实施例10

(1)将15g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。

(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。

(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡15min，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图4，拉伸强度为0.03MPa，断裂应变为16％。

实施例11

(1)将15g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。

(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。

(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡2h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图4，拉伸强度为0.66MPa，断裂应变为222％。

实施例12

(1)将15g甲基丙烯酰明胶、10g甲基丙烯酸羟乙酯和56g硫代甜菜碱丙烯酸甲酯加入到100mL去离子水中，搅拌均匀。需要说明的是，这里去离子水也可用普通的水来替代，当然优选还是去离子水，这里去离子水的密度为1g/mL。

(2)向上述溶液中2g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐引发剂，搅拌均匀后超声至溶液中气泡完全除尽。

(3)将上述溶液注射到密封的玻璃模具中，室温下用365nm、200w紫外光照1min，反应结束，将得到的凝胶在甘油中浸泡4h，得到甲基丙烯酰明胶/甲基丙烯酸羟乙酯/SBMA/甘油水凝胶，拉伸应力-应变曲线如图4，拉伸强度为0.67MPa，断裂应变为64％。

材料表征和性能测试

(1)拉伸机械性能测试：用2mm厚的玻璃模具，制备出长为60mm，宽为10mm的水凝胶样条，使用“哑铃”形裁刀制得标距为50mm，宽4mm，厚2mm的水凝胶样条。取水凝胶样条在CMT4101微机控制电子万能试验机上进行力学拉伸实验，拉伸速度50mm/min，测定其力学性能。

(2)压缩机械性能测试：用直径为8mm的玻璃模具制备高为8mm的圆柱形水凝胶样品，取水凝胶样条在Instron 5966万能材料试验机上进行力学拉伸实验，压缩速度5mm/min，测定其力学性能。

(3)保水性：制备圆柱形水凝胶分别置于室温(RT)和37℃水浴中，放置不用时间称重一次水凝胶，通过计算水凝胶的质量变化率来评价水凝胶的保水性能。每组测量三个样品并取平均值。

(4)透光度实验：制备直径为2.5cm的圆形水凝胶样品，用紫外/可见/近红外分光光度计测定样品的透光率。

需要说明的是，以上各个实施例中所述硫代甜菜碱丙烯酸甲酯(SBMA)可以由羧酸甜菜碱丙烯酰胺(CBAA)、羧基甜菜碱丙烯酸甲酯(CBMA)、硫代甜菜碱丙烯酸甲酯中的一种或多种所替代；苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐可以由2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(I2959)/氧化剂过硫酸铵、过硫酸钾、还原剂亚硫酸氢钠中的一种所替代。所述的甘油可以被甘油、山梨糖醇、异丙醇、乙醇、乙二醇中的一种或多种所替代。所述紫外光照的强度在50-200w都可以，只是200w为最优选的。紫外光照时间1min，和在甘油中浸泡3h，所述光照时间及甘油浸泡时间不局限于1min及3h，具体由水凝胶的成胶情况及所需力学性能决定。

当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。