CN112111073B - 一种抗疲劳的全水凝胶复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抗疲劳的全水凝胶复合材料及其制备方法和应用，所述抗疲劳的全水凝胶复合材料包括水凝胶骨架和填充并粘接于所述水凝胶骨架中的水凝胶基体；所述水凝胶骨架的模量是所述水凝胶基体模量的10倍以上。该全水凝胶复合材料由具有较大模量对比度的水凝胶骨架和水凝胶基体组成，并且它们的聚合物网络在拓扑上缠结，该复合材料能有效限制裂纹的扩展，相对于骨架材料和基体材料而言，其具有适中的模量，但其断裂性能超过4000J/m2，得到大幅提升；且该复合材料的疲劳门槛值超过400J/m2，这对于需要承受循环载荷的应用场景具有重要意义。该复合材料兼具机械瓣膜的抗疲劳性和组织瓣膜的生物相容性。

Description

一种抗疲劳的全水凝胶复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物组织材料技术领域，具体涉及一种全水凝胶复合材料及其制备方法和应用，尤其涉及一种具有复杂结构、良好抗疲劳性和可设计性的全水凝胶复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
血管瓣膜的正常生理功能是在血液循环过程中，进行定期打开和关闭，使血液单向流动。瓣膜结构承受循环载荷，具有良好的抗疲劳性能。水凝胶和生物组织具有良好的相似性，生物组织通常由大量的水(30-80wt％)与聚合物网络组成。水提供了液体环境，使得其它物质能在其中进行交换和反应。聚合物网络维持固体形态，产生诸如模量，韧性和抗疲劳性等特性。生物组织通常具有复杂的形状和复合异质结构。例如，心脏瓣膜由细胞外基质和多层胶原纤维束组成，而两者均可视为天然水凝胶。心脏瓣膜的复杂形式使其具有极好的机械性能，如人的心脏在一生中运动约30亿次。
心脏瓣膜疾病往往需要进行瓣膜替换。当前，临床上可用的替换瓣膜仅限于经过轻微修饰的机械瓣膜和生物瓣膜。尽管机械瓣膜和生物瓣膜已经使用了半个多世纪，并且在其性能方面已经取得了一些进步，但其临床结果并未取得重大变化，这表明有必要进一步改进瓣膜替代物。理想情况下，人造聚合物心脏瓣膜应兼具机械瓣膜的抗疲劳性和组织瓣膜的生物相容性。
长期以来，人们一直致力于开发能模仿甚至替代生物组织结构和功能的水凝胶，主要的挑战在于模拟形状复杂且承受循环载荷组织，例如心脏瓣膜，肌肉和声带。耐疲劳的软材料通常通过具有模量差和粘接效果的复合结构获得。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种全水凝胶复合材料及其制备方法和应用，尤其提供一种具有复杂结构、良好抗疲劳性和可设计性的全水凝胶复合材料及其制备方法和应用。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种抗疲劳的全水凝胶复合材料，所述抗疲劳的全水凝胶复合材料包括水凝胶骨架和填充并粘接于所述水凝胶骨架中的水凝胶基体；所述水凝胶骨架的模量是所述水凝胶基体模量的10倍以上。
本发明创造性地开发了一种新的全水凝胶复合材料，其由具有较大模量对比度的水凝胶骨架和水凝胶基体组成，并且它们的聚合物网络在拓扑上缠结，该复合材料能有效限制裂纹的扩展，具有远高于基体材料和骨架材料的断裂韧性，使其兼具机械瓣膜的抗疲劳性和组织瓣膜的生物相容性。
优选地，所述水凝胶骨架的模量为0.2-2MPa，例如0.2MPa、0.5MPa、0.8MPa、1MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.5MPa、1.8MPa或2MPa等，上述数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述水凝胶基体的模量为20-200kPa，例如20kPa、50kPa、80kPa、100kPa、120kPa、150kPa、180kPa或200kPa等，上述数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
所述水凝胶骨架或水凝胶基体的模量进一步地需要满足上述数值范围，若水凝胶骨架的模量值过大则导致整体结构无法产生与正常生物组织相似的形变；若模量值小于上述范围则不能产生抗疲劳效果；若水凝胶基体的模量值超过上述范围则要求骨架结构模量更高、导致整体材料模量过高。小于上述范围则无法承受外界载荷。
优选地，所述水凝胶骨架中的水凝胶单体包括丙烯酸、丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇双丙烯酸酯、甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚氧乙烯、聚乙烯醇、海藻酸钠、透明质酸或肝素中的任意一种或至少两种的组合。
所述至少两种的组合例如丙烯酸和丙烯酰胺的组合、N-异丙基丙烯酰胺和聚乙二醇丙烯酸酯的组合等，其他任意的组合方式均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述水凝胶骨架中的水凝胶单体为丙烯酸和丙烯酰胺的组合。其中，丙烯酸含有的羧基，可进一步在金属离子(如铁离子)的作用下交联，使得材料模量得到明显提高。但过多的羧基会导致凝胶在进一步处理过程中模量过高，不适合模拟生物组织。丙烯酰胺作用在于，与丙烯酸形成共聚网络，减少羧基含量至合适范围，从而形成柔软可拉伸材料。
优选地，所述水凝胶基体中的水凝胶单体包括丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇双丙烯酸酯、甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚氧乙烯、聚乙烯醇、海藻酸钠、透明质酸或肝素中的任意一种或至少两种的组合。
所述至少两种的组合例如丙烯酰胺和N-异丙基丙烯酰胺的组合、聚乙二醇双丙烯酸酯和甲基丙烯酸羟乙酯的组合等，其他任意的组合方式均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述水水凝胶基体中的水凝胶单体为丙烯酰胺。此处选用丙烯酰胺，易于通过改变交联剂含量调节其模量；另一方面，丙烯酰胺凝胶易于打印、且易于与骨架材料形成强粘接。
优选地，所述水凝胶骨架是通过3D打印法制备得到的。
优选地，所述3D打印法优选为数字光处理3D打印法。
使用数字光处理(DLP)3D打印技术，能够模拟生物组织的多级复杂结构，且打印精度很高可达低于100μm的水平，只需将得到的生物组织模型导入到DLP打印机中，即可制备出具有生物组织外形和类似功能的复合水凝胶。
第二方面，本发明提供一种如上所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)制备水凝胶骨架预聚液，以其作为打印材料，通过3D打印机打印出水凝胶骨架结构；
(2)将步骤(1)得到的水凝胶骨架结构浸没于铁离子溶液中，浸泡，清洗，得到高模量的水凝胶骨架结构；
(3)将水凝胶基体预聚液浇筑在步骤(2)得到的高模量的水凝胶骨架结构上，使其凝固，得到所述抗疲劳的全水凝胶复合材料。
本发明所涉及的抗疲劳的全水凝胶复合材料的制备方法操作简单，易于工业化生产。
优选地，步骤(1)所述水凝胶骨架预聚液包括预聚单体、交联剂、光引发剂和光抑制剂。
优选地，所述预聚单体包括丙烯酸、丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇双丙烯酸酯、甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚氧乙烯、聚乙烯醇、海藻酸钠、透明质酸或肝素中的任意一种或至少两种的组合。
所述至少两种的组合例如丙烯酸和丙烯酰胺的组合、丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺的组合、丙烯酸和聚乙二醇丙烯酸酯的组合等，其他任意的组合方式均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述预聚单体为丙烯酸和丙烯酰胺的组合。
优选地，所述交联剂包括N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、N,N’-双(丙烯酰胱胺)、聚乙二醇双丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、四臂聚乙二醇丙烯酸酯或四臂聚乙二醇甲基丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的组合。
所述至少两种的组合例如N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和N,N’-双(丙烯酰胱胺)的组合、聚乙二醇双丙烯酸酯和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的组合等，其他任意的组合方式均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述光引发剂包括水溶性TPO、α-酮戊二酸、2-羟基-甲基苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮或2-甲基-2(4-吗啉基)-1-[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮中的任意一种或至少两种的组合。
所述至少两种的组合例如水溶性TPO和α-酮戊二酸的组合、2-羟基-甲基苯基丙酮和1-羟基环己基苯基甲酮的组合等，其他任意的组合方式均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述光抑制剂包括柠檬黄、姜黄素或花青素中的任意一种或至少两种的组合。
所述至少两种的组合例如柠檬黄和姜黄素的组合、姜黄素和花青素的组合等，其他任意的组合方式均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述水凝胶骨架预聚液还包括保水剂。
优选地，所述保水剂包括氯化锂、短链聚丙烯酰胺或纤维素中的任意一种或至少两种的组合。
所述至少两种的组合例如氯化锂和短链聚丙烯酰胺的组合、氯化锂和纤维素的组合等，其他任意的组合方式均可选择，在此便不再一一赘述。
在本发明所涉及的水凝胶骨架预聚液中加入保水剂是为了直接在空气中打印水凝胶时，防止打印过程中出现凝胶失水现象，导致打印结构变形。
优选地，步骤(1)所述水凝胶骨架预聚液在打印前搅拌并除气泡1-5min，例如1min、2min、3min、4min或5min等，上述范围内的其他任意点值均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述搅拌的速度为1000-3000rpm，例如1000rpm、1500rpm、2000rpm、2500rpm或3000rpm等，上述范围内的其他任意点值均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，步骤(2)所述铁离子溶液的浓度为0.02-0.08mol/L，例如0.02mol/L、0.03mol/L、0.04mol/L、0.05mol/L、0.06mol/L、0.07mol/L或0.08mol/L等，上述范围内的其他任意点值均可选择，在此便不再一一赘述。
所述铁离子溶液的浓度特定选择为0.02-0.08mol/L的数值范围是因为，浓度进一步升高会导致骨架凝胶模量过高，浓度进一步降低会导致骨架凝胶模量过低，无法形成抗疲劳复合结构。
优选地，步骤(2)所述浸泡的时间为3-8h，例如3h、4h、5h、6h、7h或8h等，上述范围内的其他任意点值均可选择，在此便不再一一赘述。
所述铁离子溶液浸泡的时间特定选择为3-8h，是因为浸泡时间过长会导致骨架凝胶模量过高，浸泡时间过短会导致骨架凝胶模量过低，无法形成抗疲劳复合结构。
优选地，步骤(3)所述水凝胶基体预聚液包括预聚单体、交联剂和热引发剂。
所述预聚单体包括丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇双丙烯酸酯、甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚氧乙烯、聚乙烯醇或肝素中的任意一种或至少两种的组合。
所述至少两种的组合例如丙烯酰胺和N-异丙基丙烯酰胺的组合、聚乙二醇丙烯酸酯和丙烯酰胺的组合等，其他任意的组合方式均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述预聚单体为丙烯酰胺。
优选地，所述交联剂包括N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、N,N’-双(丙烯酰胱胺)、聚乙二醇双丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、四臂聚乙二醇丙烯酸酯或四臂聚乙二醇甲基丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的组合。
所述至少两种的组合例如N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和N,N’-双(丙烯酰胱胺)的组合，聚乙二醇双丙烯酸酯和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的组合等，其他任意的组合方式均可选择，在此便不再一一赘述。
优选地，所述热引发剂包括过硫酸铵、N,N,N’,N’-四甲基乙二胺或偶氮二异丁氰中的任意一种或至少两种的组合。
第三方面，本发明提供一种如上所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料在制备生物组织材料中的应用。
优选地，所述生物组织材料包括心脏瓣膜、周围血管瓣膜、人造血管、肌肉或声带。
示例性地，本发明提供一种抗疲劳的全水凝胶人工心脏瓣膜，其制备方法包括如下步骤：
(1)由实际病例中获取心脏瓣膜的CT图像转化为完整可编辑三维模型，进一步抽取特征，形成具有纤维结构的框架模型；
(2)使用水凝胶骨架预聚液作为打印材料，通过数字化处理(DLP)3D打印机对步骤(1)得到的框架模型进行打印，打印出水凝胶骨架结构；所述水凝胶骨架预聚液的组成配方如上所述；
(3)将得到的水凝胶骨架结构浸没于铁离子溶液中，浸泡，清洗，得到高模量的水凝胶骨架结构；
(4)将水凝胶基体预聚液浇筑在得到的高模量的水凝胶骨架结构上，使其凝固，最终得到抗疲劳的全水凝胶人工心脏瓣膜。所述水凝胶基体预聚液的组成配方如上所述。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明创造性地开发了一种新的全水凝胶复合材料，其由具有较大模量对比度的水凝胶骨架和水凝胶基体组成，并且它们的聚合物网络在拓扑上缠结，该复合材料能有效限制裂纹的扩展，相对于骨架材料和基体材料而言，其具有适中的模量，但其断裂性能超过4000J/m2，得到大幅提升，具有远高于基体材料和骨架材料的断裂韧性(模量应小于1MPa较好，断裂韧性则越高越好)；且该复合材料的疲劳门槛值超过400J/m2，即在外加载荷产生的能量释放率低于该值时，复合材料中存在的裂纹不会扩展，这对于需要承受循环载荷的应用场景具有重要意义。该复合材料兼具机械瓣膜的抗疲劳性和组织瓣膜的生物相容性。
进一步地，该复合材料中的水凝胶骨架使用数字光处理(DLP)3D打印技术，其能够模拟生物组织的多级复杂结构，且打印精度很高，只需将得到的生物组织模型导入到DLP打印机中，即可制备出具有生物组织外形和类似功能的复合水凝胶。且该复合材料的制备工艺简单易操作，适于工业化生产。
附图说明
图1是实施例1中心脏瓣膜的CT图像(A)以及提取出的三维模型(B)；
图2是实施例1制备得到的全水凝胶复合结构抗疲劳人造心脏瓣膜，其中A为复合水凝胶瓣膜结构数字模型，B为根据该模型制备的复合水凝胶瓣膜结构；
图3是实施例1制备抗疲劳的全水凝胶人造心脏瓣膜的流程示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
下述实施例中所涉及的材料模型的测定方法为：患者心脏瓣膜的CT模型由Siemens SOMATOM Definition Flash Dual-source仪获得。得到的CT图像进一步在Medical 21.0软件进行特征提取。然后在Materialise 3-matic Medical 13.0中对模型进行修复并到处可打印模型。
所涉及的材料断裂韧性的测定方法为：采用软材料断裂测量常用的纯剪切试验。完整试样宽50mm,标距10mm,厚1mm。带裂纹试样在完整试样基础上预制10mm裂纹。以50mm/s速率拉伸试样。带裂纹试样断裂拉伸比为λc，并对完整试样拉伸曲线1-λc进行积分。断裂韧性Γ计算公式如下：
Γ＝HW(λc)
其中，H为标距，W表示对拉伸比的函数计算。
所涉及的材料的疲劳门槛值的测定方法为：采用软材料疲劳性能测量常用方法。制备试样与断裂韧性试样相同。在循环实验过程中，对带裂纹试样拉伸比逐渐减小，直至裂纹不发生扩展。由该拉伸比计算得到的断裂韧性即视为疲劳门槛值。
所涉及的材料间粘接能的测定方法为：粘接能采用典型180°剥离实验。计算公式为：
Γp＝2*F/b
其中，F为剥离平台区的力，b为试样宽度。
实施例1
本实施例提供一种抗疲劳的全水凝胶人造心脏瓣膜，其制备方法如下：
(1)将实际病例中获取心脏瓣膜的CT图像(如图1的A所示)并将其转化为完整可编辑三维模型(如图1的B所示)；进一步抽取特征，形成具有纤维结构的框架模型。
(2)使用去离子水制备水凝胶骨架预聚液，配比为丙烯酰胺(AAm)29wt％，丙烯酸(AA)3.1wt％，氯化锂(LiCl)4wt％，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)0.116wt％，TPO改性光引发剂0.1wt％和柠檬黄光抑制剂0.78×10-4g/mL。
(3)将上述预聚液使用行星搅拌仪以2000rpm的速度混合并除气泡2min后，将其倒入光固化3D打印机中。此处，我们使用ENCA打印机，紫外光强3.51mW/cm2。将步骤(1)获得的需要打印的模型文件，导入到3D打印机中进行切片，层厚50μm。使用步骤(2)的预聚液作为打印材料，得到具有该形状的水凝胶骨架。
(4)将步骤(3)得到的水凝胶骨架浸没至铁离子(氯化铁)溶液中，浓度为0.06mol/L，浸泡时间5h，取出后用去离子水清洗浸泡掉多余的铁离子，得到具有高模量的水凝胶骨架。该框架材料的模量经测量为0.6MPa，断裂韧性710J/m2。
(5)制备水凝胶基体预聚液，其配方为：丙烯酰胺(AAm)24wt％，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)0.02wt％，热引发剂过硫酸铵(APS)0.01wt％和N,N,N’,N’-四甲基乙二胺(TEMED)0.15μL/mL，在去离子水中搅拌均匀。该基体材料的模量经测量为40kPa，断裂韧性为180J/m2，其与水凝胶骨架之间的粘接能经测量为110J/m2，与自身断裂能接近。
(6)将其浇筑在上述得到的高模量水凝胶骨架上，置于氮气范围内形成凝胶，且产生与骨架之间的良好粘接，形成抗疲劳的全水凝胶人造心脏瓣膜，如图2所示(其中A为复合水凝胶瓣膜结构数字模型，B为根据该模型制备的复合水凝胶瓣膜结构)。
该全水凝胶人造心脏瓣膜的模量经测量为0.2MPa，断裂韧性超过4600J/m2，由此可见，相对于骨架材料和基体材料，制得的复合材料具有介于骨架材料和基体材料的适中的模量，更接近生物组织的性质，而其断裂性能远超过骨架材料和基体材料。现有技术中有报道显示，单材料水凝胶的疲劳门槛值仅为7-65J/m2，而该复合材料的疲劳门槛值为440J/m2，即该复合材料更能承受循环载荷。
该实施例的制备流程示意图如图3所示。
实施例2
本实施例提供一种抗疲劳的全水凝胶人造心脏瓣膜，其制备方法如下：
(1)与实施例1同。
(2)使用去离子水制备水凝胶骨架预聚液，配比为聚乙二醇双丙烯酸酯(M-PEG，分子量10000)30wt％，丙烯酸(AA)3.1wt％，聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA，分子量1000)0.15wt％，α-酮戊二酸0.5wt％。
(3)将上述预聚液使用行星搅拌仪以1000rpm的速度混合并除气泡4min后，将其倒入光固化3D打印机中。此处，我们使用ENCA打印机，紫外光强3.51mW/cm2。将步骤(1)获得的需要打印的模型文件，导入到3D打印机中进行切片，层厚50μm。使用步骤(2)的预聚液作为打印材料，得到具有该形状的水凝胶骨架。
(4)将步骤(3)得到的水凝胶骨架浸没至氯化铁溶液中，浓度为0.04mol/L，浸泡时间5h，取出后用去离子水清洗浸泡掉多余的铁离子，得到具有高模量的水凝胶骨架。该框架材料的模量经测量为0.8MPa，断裂韧性870J/m2。
(5)制备水凝胶基体预聚液，其配方为：聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA，分子量20000)30wt％，热引发剂过硫酸铵(APS)0.02wt％和N,N,N’,N’-四甲基乙二胺(TEMED)0.2μL/mL，在去离子水中搅拌均匀。该基体材料的模量经测量为41kPa，断裂韧性为160J/m2，其与水凝胶骨架之间的粘接能经测量为90J/m2。
(6)将其浇筑在上述得到的高模量水凝胶骨架上，置于氮气范围内形成凝胶，且产生与骨架之间的良好粘接，形成抗疲劳全水凝胶人造心脏瓣膜。
该全水凝胶人造心脏瓣膜的模量经测量为280kPa，断裂韧性为2300J/m2，由此可见，相对于骨架材料和基体材料，制得的复合材料具有介于骨架材料和基体材料的适中的模量，而其断裂性能远超过骨架材料和基体材料。
实施例3
本实施例提供一种抗疲劳的全水凝胶人造心脏瓣膜，其制备方法如下：
(1)与实施例1同。
(2)使用去离子水制备水凝胶骨架预聚液，配比为丙烯酰胺(AAm)24wt％，丙烯酸(AA)2.8wt％，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)0.1wt％，改性TPO光引发剂0.1wt％和姜黄素光抑制剂0.6×10-4g/mL。
(3)将上述预聚液使用行星搅拌仪以3000rpm的速度混合并除气泡1min后，将其倒入光固化3D打印机中。此处，我们使用ENCA打印机，紫外光强3.51mW/cm2。将步骤(1)获得的需要打印的模型文件，导入到3D打印机中进行切片，层厚50μm。使用步骤(2)的预聚液作为打印材料，得到具有该形状的水凝胶骨架。
(4)将步骤(3)得到的水凝胶骨架浸没至氯化铁溶液中，浓度为0.06mol/L，浸泡时间5h，取出后用去离子水清洗浸泡掉多余的铁离子，得到具有高模量的水凝胶骨架。该框架材料的模量经测量为0.93MPa，断裂韧性1030J/m2。
(5)制备水凝胶基体预聚液，其配方为：丙烯酰胺(AAm)24wt％，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)0.02wt％，热引发剂偶氮二异丁氰0.002g/mL，在去离子水中搅拌均匀，加热至60℃保持1h该基体材料的模量经测量为36kPa，断裂韧性为170J/m2，其与水凝胶骨架之间的粘接能经测量为120J/m2，与自身断裂能接近。
(6)将其浇筑在上述得到的高模量水凝胶骨架上，置于氮气范围内形成凝胶，且产生与骨架之间的良好粘接，形成抗疲劳的全水凝胶人造心脏瓣膜。
该全水凝胶人造心脏瓣膜的模量经测量为240kPa，断裂韧性为3180J/m2，由此可见，相对于骨架材料和基体材料，制得的复合材料具有介于骨架材料和基体材料的适中的模量，而其断裂性能远超过骨架材料和基体材料。
实施例4
本实施例提供一种抗疲劳的全水凝胶人造心脏瓣膜，其制备方法如下：
(1)与实施例1同。
(2)与实施例1同。
(3)与实施例1同。
(4)将步骤(3)得到的水凝胶骨架浸没至氯化铁溶液，浓度为0.02mol/L，浸泡时间5h，取出后用去离子水清洗浸泡掉多余的铁离子，得到具有高模量的水凝胶骨架。该框架材料的模量经测量为0.7MPa，断裂韧性810J/m2。
(5)制备水凝胶基体预聚液，其配方为：丙烯酰胺(AAm)24wt％，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)0.02wt％，热引发剂过硫酸铵(APS)0.01wt％和N,N,N’,N’-四甲基乙二胺(TEMED)0.15μL/mL，在去离子水中搅拌均匀。该基体材料的模量经测量为40kPa，断裂韧性为180J/m2，其与水凝胶骨架之间的粘接能经测量为114J/m2，与自身断裂能接近。
(6)将其浇筑在上述得到的高模量水凝胶骨架上，置于氮气范围内形成凝胶，且产生与骨架之间的良好粘接，形成抗疲劳的全水凝胶人造心脏瓣膜。该全水凝胶人造心脏瓣膜的模量经测量为0.2MPa，断裂韧性为1500J/m2。
实施例5
本实施例提供一种抗疲劳的全水凝胶人造心脏瓣膜，其制备方法如下：
(1)与实施例1同。
(2)与实施例1同。
(3)与实施例1同。
(4)将步骤(3)得到的水凝胶骨架浸没至氯化铁)中，浓度为0.08mol/L，浸泡时间5h，取出后用去离子水清洗浸泡掉多余的铁离子，得到具有高模量的水凝胶骨架。该框架材料的模量经测量为1.7MPa，断裂韧性1450J/m2。
(5)制备水凝胶基体预聚液，其配方为：丙烯酰胺(AAm)24wt％，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)0.02wt％，热引发剂过硫酸铵(APS)0.01wt％和N,N,N’,N’-四甲基乙二胺(TEMED)0.15μL/mL，在去离子水中搅拌均匀。该基体材料的模量经测量为40kPa，断裂韧性为180J/m2，其与水凝胶骨架之间的粘接能经测量为110J/m2，与自身断裂能接近。
(6)将其浇筑在上述得到的高模量水凝胶骨架上，置于氮气范围内形成凝胶，且产生与骨架之间的良好粘接，形成抗疲劳的全水凝胶人造心脏瓣膜。该全水凝胶人造心脏瓣膜的模量经测量为0.7MPa，断裂韧性为6900J/m2，。
实施例6
本实施例提供一种抗疲劳的全水凝胶人造心脏瓣膜，其制备方法如下：
(1)与实施例1同。
(2)使用去离子水制备水凝胶骨架预聚液，配比为丙烯酰胺(AAm)29wt％，丙烯酸(AA)3.1wt％，氯化锂(LiCl)4wt％，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)0.116wt％，TPO改性光引发剂0.1wt％和柠檬黄光抑制剂0.78×10-4g/mL。
(3)将上述预聚液使用行星搅拌仪以2000rpm的速度混合并除气泡2min后，将其倒入光固化3D打印机中。此处，我们使用ENCA打印机，紫外光强3.51mW/cm2。将步骤(1)获得的需要打印的模型文件，导入到3D打印机中进行切片，层厚50μm。使用步骤(2)的预聚液作为打印材料，得到具有该形状的水凝胶骨架。
(4)将步骤(3)得到的水凝胶骨架浸没至氯化铁溶液中，浓度为1.5mol/L，浸泡时间5h，取出后用去离子水清洗浸泡掉多余的铁离子，得到具有高模量的水凝胶骨架。该框架材料的模量为3.5MPa，断裂韧性2300J/m2。
(5)制备水凝胶基体预聚液，其配方为：丙烯酰胺(AAm)24wt％，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)0.005wt％，热引发剂过硫酸铵(APS)0.01wt％和N,N,N’,N’-四甲基乙二胺(TEMED)0.15μL/mL，在去离子水中搅拌均匀。该基体材料的模量经测量为15kPa，断裂韧性为480J/m2，其与水凝胶骨架之间的粘接能经测量为140J/m2。
(6)将其浇筑在上述得到的高模量水凝胶骨架上，置于氮气范围内形成凝胶，且产生与骨架之间的良好粘接，形成抗疲劳的全水凝胶人造心脏瓣膜。该全水凝胶人造心脏瓣膜的模量经测量为1.4MPa，断裂韧性为7300J/m2。
对实施例1-7涉及的水凝胶骨架、水凝胶基体以及最终全水凝胶人造心脏瓣膜(复合材料)的模量值以及断裂韧性值进行归纳，如表1所示：
表1
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的一种抗疲劳的全水凝胶复合材料及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (17)

1.一种抗疲劳的全水凝胶复合材料，其特征在于，所述抗疲劳的全水凝胶复合材料包括水凝胶骨架和填充并粘接于所述水凝胶骨架中的水凝胶基体；所述水凝胶骨架的模量是所述水凝胶基体模量的10倍以上；
所述抗疲劳的全水凝胶复合材料由包括如下步骤的制备方法制得：
(1)制备水凝胶骨架预聚液，以其作为打印材料，通过数字光处理3D打印机打印出水凝胶骨架结构；
所述水凝胶骨架预聚液包括预聚单体、交联剂、光引发剂和光抑制剂；所述预聚单体包括丙烯酸、丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、聚乙二醇丙烯酸酯或甲基丙烯酸羟乙酯中的任意一种或至少两种的组合；
(2)将步骤(1)得到的水凝胶骨架结构浸没于浓度为0.02-0.08mol/L的铁离子溶液中，浸泡3-8h，清洗，得到高模量的水凝胶骨架结构；
(3)将水凝胶基体预聚液浇筑在步骤(2)得到的高模量的水凝胶骨架结构上，使其凝固，得到所述抗疲劳的全水凝胶复合材料；
所述水凝胶基体预聚液包括预聚单体、交联剂和热引发剂；所述预聚单体包括丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、聚乙二醇丙烯酸酯或甲基丙烯酸羟乙酯中的任意一种或至少两种的组合。
2.如权利要求1所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料，其特征在于，所述水凝胶骨架的模量为0.2-2MPa。
3.如权利要求1所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料，其特征在于，所述水凝胶基体的模量为20-200kPa。
4.如权利要求1-3中任一项所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)制备水凝胶骨架预聚液，以其作为打印材料，通过3D打印机打印出水凝胶骨架结构；
所述水凝胶骨架预聚液包括预聚单体、交联剂、光引发剂和光抑制剂；所述预聚单体包括丙烯酸、丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、聚乙二醇丙烯酸酯或甲基丙烯酸羟乙酯中的任意一种或至少两种的组合；
(2)将步骤(1)得到的水凝胶骨架结构浸没于浓度为0.02-0.08mol/L的铁离子溶液中，浸泡3-8h，清洗，得到高模量的水凝胶骨架结构；
(3)将水凝胶基体预聚液浇筑在步骤(2)得到的高模量的水凝胶骨架结构上，使其凝固，得到所述抗疲劳的全水凝胶复合材料；
所述水凝胶基体预聚液包括预聚单体、交联剂和热引发剂；所述预聚单体包括丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、聚乙二醇丙烯酸酯或甲基丙烯酸羟乙酯中的任意一种或至少两种的组合。
5.如权利要求4所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述预聚单体为丙烯酸和丙烯酰胺的组合。
6.如权利要求4所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述交联剂包括N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、N,N’-双(丙烯酰胱胺)、聚乙二醇双丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、四臂聚乙二醇丙烯酸酯或四臂聚乙二醇甲基丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的组合。
7.如权利要求4所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述光引发剂包括水溶性TPO、α-酮戊二酸、2-羟基-甲基苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮或2-甲基-2(4-吗啉基)-1-[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮中的任意一种或至少两种的组合。
8.如权利要求4所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述光抑制剂包括柠檬黄、姜黄素或花青素中的任意一种或至少两种的组合。
9.如权利要求4所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述水凝胶骨架预聚液还包括保水剂。
10.如权利要求9所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述保水剂包括氯化锂或纤维素中的任意一种或两种的组合。
11.如权利要求4所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述水凝胶骨架预聚液在打印前搅拌并除气泡1-5min。
12.如权利要求11所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述搅拌的速度为1000-3000rpm。
13.如权利要求4所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述预聚单体为丙烯酰胺。
14.如权利要求4所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述交联剂包括N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、N,N’-双(丙烯酰胱胺)、聚乙二醇双丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、四臂聚乙二醇丙烯酸酯或四臂聚乙二醇甲基丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的组合。
15.如权利要求4所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述热引发剂包括过硫酸铵或偶氮二异丁腈中的任意一种或两种的组合。
16.如权利要求1-3中任一项所述的抗疲劳的全水凝胶复合材料在制备生物组织材料中的应用。
17.如权利要求16所述的应用，其特征在于，所述生物组织材料包括心脏瓣膜、周围血管瓣膜、人造血管、肌肉或声带。
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