一种自愈合水凝胶的制备方法及其产品和应用

技术领域

本发明属于生物医药材料技术领域，具体涉及一种自愈合水凝胶的制备方法及其产品和应用。

背景技术

水凝胶因其柔软的性能特点与人体软组织极为相似，使得水凝胶材料广泛应用于生物医学、仿生材料等领域。但是常规水凝胶在使用过程中往往会因为破坏或疲劳性失去原有性能，发生不可逆的损伤，这严重限制了水凝胶应用领域和场景的扩展。自愈合水凝胶作为一种在受损后可自我修复的功能性水凝胶，在外部刺激(光、热量、pH调节及自修复剂)或水凝胶内部官能团的相互作用(动态共价键等)下实现自愈合，将有效解决水凝胶在应用中受损的问题，扩展了水凝胶的应用范围。例如，水凝胶目前被广泛应用于创面敷料等领域，使用过程容易受到环境和皮肤的变化而发生形变，因此具有自修复性能的水凝胶是创面修复所急需的。然而，创面愈合是一个复杂的动态过程，受到许多刺激信号的综合调控，其中，机械力信号发挥着重要作用，现有的水凝胶敷料通常具有固定的力学强度，无法适应创面修复所需的力学强度。因此，开发具有可控、可变强度的水凝胶有利于进一步开发水凝胶的应用领域。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本发明提供一种自愈合水凝胶的制备方法及其产品和应用。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自愈合水凝胶的制备方法，以明胶(Gelatin，在本发明中用Gel指代)为原料，以醛官能化二芳基乙烯为交联剂进行交联反应，得到自愈合水凝胶。

进一步地，所述自愈合水凝胶的制备方法包括以下具体步骤：

1)将明胶溶于碳酸氢盐缓冲液中，得到明胶水溶液；

2)将醛官能化二芳基乙烯溶解于有机溶剂中，得到交联剂溶液；

3)在水浴超声振荡下，在得到的明胶水溶液中加入交联剂溶液，静置，即得到自愈合水凝胶(Gel-AFD)。

进一步地，步骤1)中，所述碳酸氢盐缓冲液的pH为8.5。

进一步地，步骤2)中，所述醛官能化二芳基乙烯为4,4-(环戊二烯-1-烯-1,2-叉基)二(5-甲基噻吩-2-甲醛)(简称AFD)；所述有机溶剂为二甲基亚砜(DMSO)。

进一步地，所述明胶与醛官能化二芳基乙烯的质量比为(10-20):(0.5-0.12)。

进一步地，步骤3)中，所述水浴温度为50℃。

进一步地，步骤3)中，所述明胶水溶液与交联剂溶液的体积比为1:1。

进一步地，步骤3)中，所述静置时间为12h。

本发明还提供一种利用上述自愈合水凝胶的制备方法制备而成的自愈合水凝胶。

本发明还提供一种上述自愈合水凝胶在创面敷料制备中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的目的是构筑具有光响应可调控机械性能及自修复性能的自愈合水凝胶，制备方法原料易得，制备过程简单快速，制备形成的水凝胶性能良好。在本发明中，我们以醛官能化二芳基乙烯(4,4-(环戊二烯-1-烯-1,2-叉基)二(5-甲基噻吩-2-甲醛)为交联剂，将明胶连接在一起形成水凝胶，然后利用形成的水凝胶进行自愈合能力、机械性能调控能力的测试。结果显示，二芳基乙烯交联的明胶水凝胶具有良好的自愈合能力和机械性能的可调控能力。

本发明将明胶与醛官能化二芳基乙烯(4,4-(环戊二烯-1-烯-1,2-叉基)二(5-甲基噻吩-2-甲醛)通过动态共价键的方式进行交联形成水凝胶，明胶中的氨基与二芳基乙烯中的醛基在碱性条件下形成席夫碱健，该化学键动态可逆，赋予了水凝胶自愈合的性能；同时，醛官能化二芳基乙烯(4,4-(环戊二烯-1-烯-1,2-叉基)二(5-甲基噻吩-2-甲醛)具有在紫外-可见光下发生开环-关环的可逆变化，导致分子结构发生伸长-缩短的可逆变化，该分子结构的变化会引发其作为交联剂的水凝胶网络间隙的大小变化，从而可逆地改变水凝胶的硬度和体积。该方法制备的水凝胶具有自愈合以及光响应调控机械性能的功能，在组织工程和创面修复中有潜在的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为对明胶、二芳基乙烯、组装后的Gel-AFD水凝胶进行傅里叶红外变换光谱分析；

图2为Gel-AFD水凝胶与单纯明胶的快速自修复性能图；

图3为Gel-AFD水凝胶紫外光照射前的自愈合能力流变测试；

图4为Gel-AFD水凝胶紫外光照射后的自愈合能力流变测试；

图5为Gel-AFD水凝胶的光响应调控机械性能的微观力学测试；

图6为Gel-AFD水凝胶的光响应调控机械性能的流变测试；

图7为Gelatin水凝胶的光响应调控机械性能的微观力学测试；

图8为Gelatin水凝胶的光响应调控机械性能的流变测试。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

一种自愈合水凝胶的制备方法，以明胶(Gelatin，在本发明中用Gel指代)为原料，以醛官能化二芳基乙烯为交联剂进行交联反应，得到自愈合水凝胶。

在一些优选实施例中，所述制备方法包括以下具体步骤：

1)将明胶溶于碳酸氢盐缓冲液中，得到明胶水溶液；

2)将醛官能化二芳基乙烯溶解于有机溶剂中，得到交联剂溶液；

3)在水浴超声振荡下，在得到的明胶水溶液中加入交联剂溶液进行反应，直至溶液均匀澄清，然后静置，即得到自愈合水凝胶(Gel-AFD)。

在一些优选实施例中，步骤1)中，所述碳酸氢盐缓冲液的pH为8.5。所述碳酸氢盐缓冲液为10mM的碳酸氢钠缓冲液。

在一些优选实施例中，步骤2)中，所述醛官能化二芳基乙烯为4,4-(环戊二烯-1-烯-1,2-叉基)二(5-甲基噻吩-2-甲醛)(简称AFD)；所述有机溶剂为二甲基亚砜(DMSO)。

在一些优选实施例中，所述明胶与醛官能化二芳基乙烯的质量比为(10-20):(0.5-0.12)。优选为，10:0.5，20:0.12。

在一些优选实施例中，步骤3)中，所述水浴温度为50℃。

在一些优选实施例中，步骤3)中，所述明胶水溶液与交联剂溶液的体积比为1:1。

在一些优选实施例中，步骤3)中，所述静置时间为12h。

本发明还提供一种利用上述自愈合水凝胶的制备方法制备而成的自愈合水凝胶。

本发明还提供一种上述自愈合水凝胶在创面敷料制备中的应用。

本发明实施例所有原料购买自麦克林。

本发明所称“室温”，无特殊说明的情况下，是指25℃。

实施例1

Gel-AFD水凝胶制备：

1)将明胶(Gelatin)溶于pH＝8.5的碳酸氢钠缓冲液中，得到质量浓度为200mg/mL的明胶水溶液；

2)将4,4-(环戊二烯-1-烯-1,2-叉基)二(5-甲基噻吩-2-甲醛)(简称AFD)溶解于二甲基亚砜(DMSO)中，得到质量浓度为10mg/mL的交联剂溶液；

3)在50℃水浴超声振荡下，在得到的明胶水溶液中缓慢滴加交联剂溶液进行反应30min，明胶水溶液与交联剂溶液的体积比为1:1，直至溶液均匀澄清；

其中，明胶与醛官能化二芳基乙烯的质量比为10:0.5；

4)将得到的凝胶液静置12h，即得到自愈合水凝胶(Gel-AFD)。

图1为对明胶、AFD、组装后的Gel-AFD水凝胶进行傅里叶红外变换光谱分析，图中显示出的1641处的透过峰为Gel-AFD水凝胶形成后的动态共价键(亚胺键)的特征峰。

实施例2

Gel-AFD水凝胶制备：

1)将明胶(Gelatin)溶于pH＝8.5的碳酸氢钠缓冲液中，得到质量浓度为400mg/mL的明胶水溶液；

2)将4,4-(环戊二烯-1-烯-1,2-叉基)二(5-甲基噻吩-2-甲醛)(简称AFD)溶解于二甲基亚砜(DMSO)中，得到质量浓度为2.4mg/mL的交联剂溶液；

3)在50℃水浴超声振荡下，在得到的明胶水溶液中缓慢滴加交联剂溶液进行反应30min，明胶水溶液与交联剂溶液的体积比为1:1，直至溶液均匀澄清；

其中，明胶与醛官能化二芳基乙烯的质量比为20:0.12；

4)将得到的凝胶液静置12h，即得到自愈合水凝胶(Gel-AFD)。

1、对本实施制备的Gel-AFD水凝胶及原料明胶进行修复性能试验，具体为：将步骤3)形成的凝胶液在加热(50℃)状态下置于模具中，待其冷却至室温形成凝胶后对半切开后重新贴合，室温静置3min后观察是否能将凝胶从一边夹起，再通过紫外照射2min、室温静置1min的方式再次观察。

使用单独的明胶溶液再次尝试上述步骤做为对照。

图2为Gel-AFD水凝胶与单纯明胶的快速自修复性能图；从图中可以看出，Gel-AFD水凝胶具有快速自修复的性能，而在同等的条件下，单纯的明胶形成的水凝胶不具有自修复性能。

2、对本实施例制备的Gel-AFD水凝胶进行紫外光照射，观察其自愈合流变性能，具体为：将步骤3)形成的凝胶液在加热状态(50℃)下置于模具中，待其冷却至室温形成凝胶后置于测试平台上进行流变测试并在紫外照射2min后再次重复该测试，同时利用流变仪时间扫描模式进行低应变和高应变的循环测试，循环周期为30min。

图3和图4分别为Gel-AFD水凝胶紫外光照射前、后的自愈合能力流变测试图。

从图3中可以看出，紫外光照前，在低应变测试中，储能模量(storagemodulus)高于损耗模量(lossmodulus)，表明此时为凝胶状态，反之，在高应变测试中，损耗模量高于储能模量，表明凝胶状态受到破坏；静置3min后循环进行低应变和高应变测试，结果表明，在第一个循环中，储能模量能恢复至初始测试的约60％，在第二个循环中能恢复至约40％，表明Gel-AFD水凝胶在物理结构被破坏后仍能恢复一定程度模量，表现出了自愈合能力。

从图4可以看出，Gel-AFD在紫外光照后，其水凝胶在物理结构被破坏后模量恢复比例增加，第一次循环能储能模量能恢复至初始测试状态的约80％，第二次循环能恢复至约70％，表现出了更强的自愈合能力；且在各个循环测试中光照后储能模量相比未光照前上升，表明水凝胶强度在光照后得到提高。

图3和图4说明本实施例制备的Gel-AFD水凝胶在低应变和高应变的循环下模量能稳定的恢复，且在紫外照射后愈合能力得到进一步增强。

3、对本实施例制备的Gel-AFD水凝胶进行光响应机械能力调控微观力学测试，具体为：将步骤3)形成的凝胶液在加热状态下(50℃)置于模具中，待其冷却至室温形成凝胶后分别进行紫外照射、可见光照射，然后置于微观力学测试平台上进行微观力学测试(参见图5)。

从图5中可以看出，初始状态下挤压Gel-AFD凝胶一定距离所需的回复力约为12000μN而紫外光(UV)照射后挤压Gel-AFD水凝胶所需的回复力上升为18000μN，在可见光(Vis)照射后Gel-AFD水凝胶所需的回复力下降为12000μN，表明Gel-AFD的强度可以通过紫外-可见进行可控地调控。

4、对本实施例制备的Gel-AFD水凝胶进行光响应力学强度的流变测试，具体为：将步骤3)形成的凝胶液在加热状态下(50℃)置于模具中，待其冷却至室温形成凝胶分别进行紫外光、可见光照射，然后置于测试平台上利用流变仪进行频率扫描模式测试(参见图6)。

从图6中可以看出，在紫外照射后，Gel-AFD水凝胶的模量(包括储能模量和损耗模量，储能模量为实心图标，损耗模量为空心图标)出现了上升，而在可见光下条件下进行照射后，模量则有一定程度的下降。说明紫外-可见光可以对Gel-AFD的强度进行可控地调控。

5、对本实施例制备的用于对照的单独明胶水凝胶进行光响应机械能力调控微观力学测试，具体为：将步骤3)形成的凝胶液在加热状态下(50℃)置于模具中，待其冷却至室温形成凝胶后分别进行紫外照射、可见光照射，然后置于微观力学测试平台上进行微观力学测试(参见图7)。

从图7中可以看出，初始状态下挤压Gelatin凝胶一定距离所需的回复力约为13000μN，而紫外光(UV)照射后挤压Gelatin凝胶所需的回复力维持在14000μN，在可见光(Vis)照射后Gelatin凝胶所需的回复力仍然在14000μN，表明单纯明胶凝胶的强度并不能通过紫外-可见进行可控地调控。

6、对本实施例制备的用于对照的单纯明胶水凝胶进行光响应力学强度的流变测试，具体为：将步骤3)形成的凝胶液在加热状态下(50℃)置于模具中，待其冷却至室温形成凝胶分别进行紫外光、可见光照射，然后置于测试平台上利用流变仪进行频率扫描模式测试(参见图8)。

从图8中可以看出，在紫外照射后，单纯明胶水凝胶的模量(包括储能模量和损耗模量，储能模量为实心图标，损耗模量为空心图标)并未出现变化，在可见光条件下进行照射后，模量也依然未见明显改变。说明紫外-可见光不能对单纯明胶凝胶的强度进行可控地调控。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。