一种自愈合超声穿刺用水凝胶材料及其制备方法和应用

技术领域

本申请涉及一种自愈合超声穿刺用水凝胶材料及其制备方法和应用，属于医用材料技术领域，尤其涉及超声显影材料技术领域。

背景技术

医学超声成像，即将超声波传播进入人体，随后经过采集、处理后可以生成人体内部组织的图像。超声成像技术广泛应用于临床医学领域，如妇产科、心脏病学、乳腺病学等。在妇产领域，超声成像用于妊娠检查、卵巢囊肿检查；在心脏病学中，超声心动图可以用于检查心脏的大小、形态和功能等；在腹部病学中，超声成像可以用于检查肝脏、胰腺等腹腔内器官。超声体模，即超声仿组织材料，通常用于培训超声成像系统技术操作人员。另外，科研人员通常以超声体模结合计算机模拟技术协助开发新的超声换能器、系统等。

水凝胶材料由于具有与生物体相似的高含水量、力学性能及声学性能等特点，是超声体模最常采用的材料。由于超声穿刺活检是有创操作，具有自修复性能的超声体模可以显著提高超声体膜的使用寿命，但是大部分水凝胶不具有自修复性能，难以应用于超声穿刺活检技术培训的广泛展开。另外，水凝胶中含有的大量水分通常随时间会慢慢挥发，水分的流失将导致体模各项性能发生变化，其稳定性受到很大影响。为了长时间保存，可以将水凝胶浸泡在水中以防止水分的流失，这就要求水凝胶具有良好的抗溶胀性能，但是通常水凝胶中含有大量的亲水性聚合物，抗溶胀性能较差。

综上，现有的水凝胶超声体模材料的超声性能与人体相似，但是通常不具有自修复性能，在用于超声穿刺活检等有创操作时，材料的使用寿命短。另外，由于水凝胶的水分易挥发、在水中易溶胀等缺点，导致材料的长期稳定性不理想。因此，亟需一种具有自修复性能、抗失水性和抗溶胀性能良好的水凝胶超声体模材料，以此满足耐穿刺超声体模的制备和使用需求。

发明内容

为了解决上述问题，提供了一种自愈合超声穿刺用水凝胶材料及其制备方法和应用，该水凝胶材料为双网络结构，其中一个网络中含有动态共价键，另一个网络中含有离子配位键，上述动态共价键和离子配位键的协同作用可以实现水凝胶的自修复并提高水凝胶材料的抗失水性能和抗溶胀性能。

根据本申请的一个方面，提供了一种自愈合超声穿刺用水凝胶材料，按重量份数计，包括：高分子量含羟基水性聚合物0.5-5份，交联剂0.1-3份，水溶性固化单体5-25份，含羧基或磺酸基的固化单体1-10份，含钙、铁或锆离子的无机盐1-10份，散射体1-5份，水60-90份，自由基引发剂0.1-5份。

该水凝胶材料中高分子量含羟基水性聚合物与交联剂室温下形成含动态硼酸酯键的第一交联网络，该动态共价键在室温下能够重新连接。水溶性固化单体和含羧基或磺酸基的固化单体固化后的聚合物链与钙、铁或锆离子形成离子配位键，形成水凝胶中的第二交联网络。该离子配位键在室温下或改变pH环境时也能实现动态交换，实现水凝胶的自修复功能。

上述第一交联网络中，高分子量含羟基水性聚合物中含有大量的羟基可以与水形成大量的氢键，提高材料的保水性；上述第二交联网络中的离子配位键，提高了水凝胶的交联密度，其致密的网络赋予水凝胶优异的抗溶胀性能。

含羧基或磺酸基的固化单体会溶于水，便于进行反应，并且使得第二交联网络中含有大量的羧基或磺酸基团作为亲水基团，也能够提高水凝胶材料的保水性。

可选地，所述高分子量含羟基水性聚合物选自聚乙烯醇、玻尿酸、海藻酸中的至少一种。

可选地，所述水溶性固化单体选自丙烯酰胺、丙烯酰吗啉、丙烯酸羟乙酯、N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮中的至少一种。

可选地，所述含羧基或磺酸基团的固化单体选自丙烯酸、甲基丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、乙烯基磺酸钠中的至少一种。

可选地，所述含钙、铁或锆离子的无机盐选自氯化钙、氯化铁、二氯氧化锆中的至少一种。

可选地，所述散射体选自纤维素纳米晶、羟乙基纤维素、乙基纤维素、纳米二氧化硅、纳米羟基磷灰石中的至少一种。

该散射体是超声体模材料的重要组成部分，是超声成像的关键。超声图像中的对比度有声反射产生，声反射则由基质和散射体之间的不同声阻抗引起。

可选地，所述交联剂选自硼酸或硼酸盐。

优选的，所述硼酸盐为硼酸钠或硼酸铵。

可选地，所述自由基引发剂为热引发剂或光引发剂；

优选的，所述热引发剂选自偶氮二异丁腈、过硫酸铵、过硫酸钾中的至少一种；

所述光引发剂选自(2,4,6-三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦、偶氮二甲基-2-羟丁基丙酰胺、苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦、(2,4,6-三甲基苯甲酰基)膦酸乙酯、二苯甲酮、异丙基硫杂蒽酮、2，4-二甲基硫杂蒽酮、苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂中的至少一种。

根据本申请的另一个方面，提供了上述任一项所述的自愈合超声穿刺用水凝胶材料的制备方法，包括下述步骤：

(1)将所述高分子量含羟基水性聚合物、交联剂、水溶性固化单体、含羧基或磺酸基的固化单体、含钙、铁或锆离子的无机盐、散射体、水和自由基引发剂在避光条件下搅拌均匀得到水凝胶树脂；

(2)将所述水凝胶树脂通过热固化或光固化得到所述自愈合超声穿刺用水凝胶材料。

可选地，所述热固化条件为30-70℃下固化2-5h；

所述光固化条件为在紫外254-420nm下照射10-30min。

根据本申请的又一个方面，提供了上述任一项所述的自愈合超声穿刺用水凝胶材料在超声体模中的应用。

本申请的有益效果包括但不限于：

1.本申请的自愈合超声穿刺用水凝胶材料，具有与人体组织相似的声速、声衰减系数能声学性能，能够用做超声体膜材料。

2.本申请的自愈合超声穿刺用水凝胶材料，具有优异的自修复性能，且自修复条件温和，在室温下即可进行自修复，室温下放置12h后修复率可达100％，因此能够在穿刺活检练习后通过自修复实现重复利用，从而显著提高超声体模的使用寿命。

3.本申请的自愈合超声穿刺用水凝胶材料，具有优异的抗失水性和抗溶胀性，该水凝胶材料的长期稳定性好，易储存，且力学性能与生物组织相近。

4.本申请自愈合超声穿刺用水凝胶材料的制备方法，原料易得，制备工艺简单好操作，能够降低生产成本，便于大范围推广使用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例1的自愈合超声穿刺用水凝胶材料的拉伸测试图。

图2为本申请实施例1的自愈合超声穿刺用水凝胶材料修复前、后对比图。

图3为本申请实施例1的自愈合超声穿刺用水凝胶材料修复前、后的拉伸测试图。

图4为本申请实施例1的自愈合超声穿刺用水凝胶材料在25℃、湿度60％条件下的重量随时间的变化图。

图5为本申请实施例1的自愈合超声穿刺用水凝胶材料在水中的重量随时间的变化图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。

实施例1

本实施例涉及一种自愈合超声穿刺用水凝胶材料的制备方法，包括下述步骤：

(1)将2份聚乙烯醇、1份硼酸、12份丙烯酰胺、4份丙烯酸、8份氯化钙、2份纤维素纳米晶、70份去离子水和1份苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂依次倒入搅拌器中，在避光条件下机械搅拌均匀得到水凝胶树脂；

(2)将制备的水凝胶树脂倒入聚四氟乙烯模具中，在405nm下固化20min，得到自愈合超声穿刺用水凝胶材料。

实施例2

本实施例涉及一种自愈合超声穿刺用水凝胶材料的制备方法，包括下述步骤：

(1)将3份玻尿酸、1份硼酸、16份丙烯酰胺、3份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、5份二氯氧化锆、1份纳米羟基磷灰石、70份去离子水和1份过硫酸铵依次倒入搅拌器中，在避光条件下机械搅拌均匀得到水凝胶树脂；

(2)将制备的水凝胶树脂倒入聚四氟乙烯模具中，在50℃下固化4h，得到自愈合超声穿刺用水凝胶材料。

实施例3

本实施例涉及一种自愈合超声穿刺用水凝胶材料的制备方法，包括下述步骤：

(1)将0.5份海藻酸、0.1份硼酸铵、5份丙烯酸羟乙酯、1份乙烯基磺酸钠、1份氯化铁、1份羟乙基纤维素、60份去离子水和0.1份(2,4,6-三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦依次倒入搅拌器中，在避光条件下机械搅拌均匀得到水凝胶树脂；

(2)将制备的水凝胶树脂倒入聚四氟乙烯模具中，在254nm下固化30min，得到自愈合超声穿刺用水凝胶材料。

实施例4

本实施例涉及一种自愈合超声穿刺用水凝胶材料的制备方法，包括下述步骤：

(1)将5份聚乙烯醇、3份硼酸钠、25份N-乙烯基吡咯烷酮、10份对苯乙烯磺酸钠、10份氯化钙、5份纳米二氧化硅、90份去离子水和5份偶氮二异丁腈依次倒入搅拌器中，在避光条件下机械搅拌均匀得到水凝胶树脂；

(2)将制备的水凝胶树脂倒入聚四氟乙烯模具中，在30℃下固化5h，得到自愈合超声穿刺用水凝胶材料。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于，不含有聚乙烯醇和硼酸，其余物质及步骤与实施例1相同，即得自愈合超声穿刺用水凝胶材料。

对比例2

本对比例与实施例1的区别在于，不含有丙烯酰胺，其余物质及步骤与实施例1相同，即得自愈合超声穿刺用水凝胶材料。

对比例3

本对比例与实施例1的区别在于，不含有丙烯酸和氯化钙，其余物质及步骤与实施例1相同，即得自愈合超声穿刺用水凝胶材料。

对比例4

本对比例与实施例1的区别在于，不含有纤维素纳米晶，其余物质及步骤与实施例1相同，即得自愈合超声穿刺用水凝胶材料。

测试例1超声性能测试

对上述实施例及对比例制备的自愈合超声穿刺用水凝胶材料采用AIDS3040设备进行测试，得到水凝胶材料的声速、声衰减系数和密度，结果见表1。

表1

根据表1的内容可知，本申请制备的水凝胶材料具有与人体组织相似的声速、声衰减系数能声学性能，能够用于超声检测或穿刺活检的技术培训中。

测试例2自修复性能、抗失水性和抗溶胀性测试

自修复性能：将上述实施例及对比例初始制备(修复前)的水凝胶材料制备成哑铃样条进行拉伸测试，并且将一部分哑铃样条从中间切断，将断面接触，室温下放置12h(修复后)，再进行拉伸测试，计算水凝胶材料的自修复效率，结果见表2，其中自修复效率＝修复后的拉伸强度/原始样条的拉伸强度×100％。其中实施例1的水凝胶材料初始的拉伸测试图如图1所示，该水凝胶材料的拉伸强度为0.025MPa，断裂伸长率为681％。为了验证该水凝胶材料的自修复效果，将其制备为两种颜色的水凝胶，如图2(a)所示，将两种颜色的水凝胶切断，并且断面接触，在室温下放置12h后如图2(b)所示，采用镊子按照图2(c)的方式向两侧拉伸，结果显示修复后的水凝胶材料能够承受很大程度的拉伸。实施例1的水凝胶材料修复前、后的拉伸测试图如图3所示，结果表明，切断的样品经过室温修复12h后力学强度比原始样品稍高，主要的原因是由于样条差异等原因产生的，基于实际情况，自修复效率最高为100％，因此实施例1水凝胶材料的自修复效率达到100％，即代表水凝胶可完全恢复到原始的力学性能。

抗失水性：将上述实施例及对比例制备的水凝胶材料在25℃和60％相对湿度条件下放置24h，计算水凝胶材料的重量损失率，结果见表2，其中重量损失率＝(初始重量-放置24h后的重量)/初始重量*100。

实施例1的水凝胶材料的测试结果见图4，其重量损失率仅为1.0％，这是由于该水凝胶材料中存在大量的氢键，使得水凝胶材料具有很强的保水能力。

抗溶胀性：将上述实施例及对比例制备的水凝胶材料放置在水中浸泡24h，计算水凝胶材料的重量增加率，结果见表2，其中重量增加率＝(浸泡24h后的重量-初始重量)/初始重量*100。

实施例1的水凝胶材料的测试结果见图5，其重量增加率小于3％，说明水凝胶材料中双交联网络和离子配位键的存在使得水凝胶具有显著的抗溶胀特性。

表2

以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。