一种用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法及应用

1.本发明涉及功能高分子材料组织工程材料领域，具体涉及一种用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法及应用。


背景技术：

2.人体组织中的关节软骨在人体运动中起着重要的作用，然而人体关节软骨随着年龄增大和伤病增加会逐渐老化，研究者们通常会采取关节置换的方法，因此对于人体关节软骨替代品需要具备以下优点：(1)良好的力学性能，以承受人体的压力并支持日常运动；(2)低摩擦，减少对周围组织的损伤。水凝胶作为一种富含水而且具有良好生物相容性的高分子材料，其具有与人体关节软骨类似的多网络结构，可以作为人体关节软骨置换材料的潜在替代品。传统水凝胶由于其网络结构不均匀、缺乏能量耗散机制以及聚合物网络损伤后不可逆等原因，作为关节软骨材料难以满足复杂环境下所带来的润滑需求。因此，制备出高强度低摩擦水凝胶材料，应用为人体软骨材料，表现出粘弹性以及相当的压缩刚度，是一项巨大的挑战。


技术实现要素：

3.本发明为解决传统水凝胶力学强度和韧性差的技术问题，提供一种用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法。
4.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
5.步骤1)将pva(聚乙烯醇)与去离子水混合油浴加热至95℃全部溶解，获得pva溶液；
6.步骤2)称取cmc(羧甲基纤维素)加入到步骤1)中的pva溶液中，对混合物溶液进行加热，并搅拌反应一定时间；
7.步骤3)向步骤2)的pva/cmc溶液中加入一定量的浓hcl，然后将一定质量的mtms(甲基三甲氧基硅烷)加入到pva/cmc溶液中，反应时间为48小时；
8.步骤4)将pva/cmc/mtms溶液倒入模具，室温静置12h除气泡；
9.步骤5)将pva/cmc/mtms溶液在-25℃的温度下冷冻18小时，室温环境下解冻4小时；三次冻融循环后，得到pva/cmc/mtms水凝胶。
10.进一步的，步骤1)pva溶液的浓度为10wt％。
11.进一步的，步骤2)中pva与cmc质量分数比为10：0.5，步骤2)中加热反应的温度为85℃，搅拌反应时间为3小时。
12.进一步的，步骤3)中浓hcl的加入量为每5g 10wt％pva溶液中加入0.01g浓hcl。
13.进一步的，步骤3)中pva、cmc及mtms的质量比为20:1:1.1-10.587。
14.进一步的，步骤4)中模具的直径9cm，厚度5mm。
15.另外，本发明还提供上述的制备方法制备的多网络水凝胶在人体组织工程领域中
的应用。
16.本发明还提供上述的制备方法制备的多网络水凝胶在制备人体软骨材料中的应用。
17.与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
18.利用溶胶-凝胶法和冻融两步法制备了pva/cmc/mtms水凝胶。将mtms(甲基三甲氧基硅烷)引入cmc/pva水凝胶中，mtms酸性条件下可水解为sio2，通过改变mtms浓度可控增强复合水凝胶的力学性能，这些增强主要是由于纳米sio2颗粒的本质刚度、pva和cmc的羟基与mtms的三甲氧基之间的化学交联、si-oh与pva和cmc之间的氢键相互作用以及均匀的互穿网络结构的协同作用；另一方面，随着mtms的过量，-si-oh易与pva/cmc网络中的-oh结合形成更多氢键，网络间水分子量增加，促进水凝胶的润滑，降低水凝胶的cof，实现自润滑。
19.本发明方法制备的水凝胶具有优异的力学性能和低的cof，可应用与人体软骨材料，在人体组织工程领域具有良好的应用前景。
附图说明
20.图1为hpc/pva-ft水凝胶的sem图；其中a为对比例1中制备的pva水凝胶的sem图，b为实例1中制备的pva/cmc水凝胶的sem图，c和d为实例3中制备的pva/cmc/mtms水凝胶的sem图。
21.图2为实例3中制备的pva/cmc/mtms水凝胶的eds谱分析。
22.图3为实例1-6不同mtms含量下的pva/cmc/mtms水凝胶拉伸应力-应变曲线图与对比例1pva水凝胶的拉伸应力-应变曲线对比图。
23.图4为实例1-6不同mtms含量下的pva/cmc/mtms水凝胶压缩应力-应变曲线图与对比例1pva水凝胶的压缩应力-应变曲线对比图。
24.图5为实例2-6不同mtms含量下的pva/cmc/mtms水凝胶在载荷为1n时不同水凝胶的摩擦系数随时间变化曲线。
25.图6为实例2-6不同mtms含量下的pva/cmc/mtms水凝胶在载荷为3n时不同水凝胶的摩擦系数随时间变化曲线。
26.图7为实例2-6不同mtms含量下的pva/cmc/mtms水凝胶在载荷为5n时不同水凝胶的摩擦系数随时间变化曲线。
27.图8为实例2-6不同mtms含量下的pva/cmc/mtms水凝胶在载荷为7n时不同水凝胶的摩擦系数随时间变化曲线。
28.图9为实例2-6不同mtms含量下的pva/cmc/mtms水凝胶平均摩擦系数在不同载荷时的对比图。
具体实施方式
29.以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
30.实施例1
31.一种可用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
32.步骤1)首先量取54ml去离子水，然后称量6g pva与去离子水混合，加入到三颈烧
瓶中，油浴加热至95℃全部溶解，获得10wt％的pva溶液。
33.步骤2)接下来称取0.3g cmc(pva和cmc质量分数比pva/cmc＝10/0.5)将称得的cmc加入pva溶液中，对混合物溶液进行加热，反应温度为85℃，并进一步搅拌反应3小时，得到pva/cmc溶液。
34.步骤3)将pva/cmc溶液倒入模具(直径9cm厚度5mm)中，室温静置12h除气泡。
35.步骤4)将pva/cmc溶液在-25℃的冰箱中冷冻18小时，室温环境下解冻4小时。三次冻融循环后，得到pva/cmc水凝胶。
36.实例2：
37.一种可用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
38.步骤1)首先量取54ml去离子水，然后称量6g pva与去离子水混合，加入到三颈烧瓶中，油浴加热至95℃全部溶解，获得10wt％的pva溶液。
39.步骤2)接下来称取0.3g cmc(pva和cmc质量分数比pva/cmc＝10/0.5)将称得的cmc加入pva溶液中，对混合物溶液进行加热，反应温度为85℃，并进一步搅拌反应3小时。
40.步骤3)为了催化三甲氧基的水解，按照每5g 10wt％pva溶液中加入0.01g浓hcl。将0.337g mtms加入到pva/cmc溶液中，反应时间为48小时。
41.步骤4)将pva/cmc/mtms溶液倒入模具(直径9cm厚度5mm)中，室温静置12h除气泡。
42.步骤5)将pva/cmc/mtms溶液在-25℃的冰箱中冷冻18小时，室温环境下解冻4小时。三次冻融循环后，得到pva/cmc/mtms水凝胶。
43.实例3：
44.一种可用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
45.步骤1)首先量取54ml去离子水，然后称量6g pva与去离子水混合，加入到三颈烧瓶中，油浴加热至95℃全部溶解，获得10wt％的pva溶液。
46.步骤2)接下来称取0.3g cmc(pva和cmc质量分数比pva/cmc＝10/0.5)将称得的cmc加入pva溶液中，对混合物溶液进行加热，反应温度为85℃，并进一步搅拌反应3小时。
47.步骤3)为了催化三甲氧基的水解，按照每5g 10wt％pva溶液中加入0.01g浓hcl。将1.022g mtms加入到pva/cmc溶液中，反应时间为48小时。
48.步骤4)将pva/cmc/mtms溶液倒入模具(直径9cm厚度5mm)中，室温静置12h除气泡。
49.步骤5)将pva/cmc/mtms溶液在-25℃的冰箱中冷冻18小时，室温环境下解冻4小时。三次冻融循环后，得到pva/cmc/mtms水凝胶。
50.实例4：
51.一种可用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
52.步骤1)首先量取54ml去离子水，然后称量6g pva与去离子水混合，加入到三颈烧瓶中，油浴加热至95℃全部溶解，获得10wt％的pva溶液。
53.步骤2)接下来称取0.3g cmc(pva和cmc质量分数比pva/cmc＝10/0.5)将称得的cmc加入pva溶液中，对混合物溶液进行加热，反应温度为85℃，并进一步搅拌反应3小时。
54.步骤3)为了催化三甲氧基的水解，按照每5g 10wt％pva溶液中加入0.01g浓hcl。将1.724g mtms加入到pva/cmc溶液中，反应时间为48小时。
55.步骤4)将pva/cmc/mtms溶液倒入模具(直径9cm厚度5mm)中，室温静置12h除气泡。
56.步骤5)将pva/cmc/mtms溶液在-25℃的冰箱中冷冻18小时，室温环境下解冻4小
时。三次冻融循环后，得到pva/cmc/mtms水凝胶。
57.实例5：
58.一种可用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
59.步骤1)首先量取54ml去离子水，然后称量6g pva与去离子水混合，加入到三颈烧瓶中，油浴加热至95℃全部溶解，获得10wt％的pva溶液。
60.步骤2)接下来称取0.3g cmc(pva和cmc质量分数比pva/cmc＝10/0.5)将称得的cmc加入pva溶液中，对混合物溶液进行加热，反应温度为85℃，并进一步搅拌反应3小时。
61.步骤3)为了催化三甲氧基的水解，按照每5g 10wt％pva溶液中加入0.01g浓hcl。将2.442g mtms加入到pva/cmc溶液中，反应时间为48小时。
62.步骤4)将pva/cmc/mtms溶液倒入模具(直径9cm厚度5mm)中，室温静置12h除气泡。
63.步骤5)将pva/cmc/mtms溶液在-25℃的冰箱中冷冻18小时，室温环境下解冻4小时。三次冻融循环后，得到pva/cmc/mtms水凝胶。
64.实例6：
65.一种可用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
66.步骤1)首先量取54ml去离子水，然后称量6g pva与去离子水混合，加入到三颈烧瓶中，油浴加热至95℃全部溶解，获得10wt％的pva溶液。
67.步骤2)接下来称取0.3g cmc(pva和cmc质量分数比pva/cmc＝10/0.5)将称得的cmc加入pva溶液中，对混合物溶液进行加热，反应温度为85℃，并进一步搅拌反应3小时。
68.步骤3)为了催化三甲氧基的水解，按照每5g 10wt％pva溶液中加入0.01g浓hcl。将3.176g mtms加入到pva/cmc溶液中，反应时间为48小时。
69.步骤4)将pva/cmc/mtms溶液倒入模具(直径9cm厚度5mm)中，室温静置12h除气泡。
70.步骤5)将pva/cmc/mtms溶液在-25℃的冰箱中冷冻18小时，室温环境下解冻4小时。三次冻融循环后，得到pva/cmc/mtms水凝胶。
71.对比例1：
72.一种可用于人体软骨的多网络水凝胶及其制备方法，包括以下步骤：
73.步骤同实例1，区别仅在于未添加cmc。
74.上述实施例中mtms加入量如表1所示：
75.表1组分配比
[0076][0077]
对上述所制备的pva/cmc/mtms水凝胶的进行测试：
[0078]
测试方法如下：
[0079]
1)pva/cmc/mtms水凝胶的结构检测
[0080]
将水凝胶进行冷冻干燥72h后取出，将水凝胶断截面贴在含有导电胶的样品台上
制备测试sem的样品。用su-1500扫描电子显微镜在15kv的加速电压和10mm的工作距离条件下对水凝胶进行表征。
[0081]
2)pva/cmc/mtms水凝胶的拉伸性能测试
[0082]
通过电子万能试验机对水凝胶的机械性能进行测试，测试过程中采用恒定速度拉伸测试方法。通过模具制备出8cm
ⅹ
1cm
ⅹ
0.5cm的水凝胶样品，检测参数为，载荷：100n，拉伸速度：50mm
·
min-1
。通过五组重复测量，取平均值。
[0083]
3)pva/cmc/mtms水凝胶的压缩性能测试
[0084]
将水凝胶样品(直径30mm，高度20mm的圆柱体)使用电子万能试验机进行压缩性能测试，检测参数为，检测速度：20mm
·
min-1
，压缩范围为原高度的80％。通过五组重复测量，取平均值。
[0085]
4)pva/cmc/mtms水凝胶的摩擦性能测试
[0086]
将水凝胶(直径60mm，高度8mm)使用nanovea t100进行水凝胶的cof的测试。摩擦副采用直径为10mm的钢球，进行循环往复摩擦运动。研究载荷对摩擦系数的(cof)影响，载荷分别为1n、3n、5n、7n。检测参数为，摩擦行程：10mm，摩擦速率：1mm
·
s-1
，测试时间：5min。
[0087]
测试结果如下：
[0088]
1)pva/cmc/mtms水凝胶的结构检测：
[0089]
将实施例1-6和对比例1制得的水凝胶进行扫描电镜检测，结果见图1，图1-a看出纯pva水凝胶外观较为平整，未出现明显的多孔结构；图1-b可以看出添加了cmc后的pva/cmc水凝胶与纯pva水凝胶相比，孔数增加，意味着引入cmc与pva形成密集网络结构，交联密度的增加；图1-c-d，与前两种水凝胶相比，pva/cmc/mtms水凝胶结构更加均匀，孔壁致密，在多孔网络出现sio2颗粒的聚集，sio2颗粒在pva/cmc网络中紧密嵌入，sio2颗粒在水凝胶中的分布均匀，这原因在于mtms的原位水解。
[0090]
2)pva/cmc/mtms水凝胶的eds谱分析
[0091]
多孔结构周围和网络结构表面si元素分布明显，说明si元素有向颗粒聚集的趋势，证明水凝胶中存在si元素，而不是pva团聚体。
[0092]
3)pva/cmc/mtms水凝胶的拉伸性能分析
[0093]
实例6水凝胶的拉伸应力最大为1.35mpa，同样明显大于对比例1水凝胶最大拉伸应力(0.55mpa)和实例1水凝胶的最大拉伸应力(0.62mpa)；实例4水凝胶断裂伸长率达到了341％，明显大于对比例1水凝胶的断裂伸长率(145％)和实例1水凝胶的断裂伸长率(180％)。mtms酸性条件下水解产生的sio2提升了水凝胶的力学性能，力学性能的提高是由于sio2本身具有一定刚度，另一方面，mtms中的-si-oh基团可与pva/cmc网络形成氢键进一步增强了水凝胶的力学性能。
[0094]
4)pva/cmc/mtms水凝胶的压缩性能分析
[0095]
实例3水凝胶在80％的压缩应变条件下，压缩应力是对比例1水凝胶压缩应力(1.04mpa)的4.2倍，相同条件下，是实例1水凝胶压缩应力(1.8mpa)的2.4倍。mtms原位水解后的pva/cmc/mtms复合水凝胶明显增强，水解生成的sio2不仅增强了水凝胶的抗拉性能而且增强了水凝胶的抗压性能；pva/cmc/mtms水凝胶这种特殊的多孔结构在水凝胶受到外力作用时可抵消一部分外力，提升了pva/cmcmtms水凝胶的抗压性能。
[0096]
5)pva/cmc/mtms水凝胶的摩擦性能分析
[0097]
随着载荷的增大，同一水凝胶在高载荷时所对应的cof与时间曲线更稳定且具有较低的cof。
[0098]
6)pva/cmc/mtms水凝胶的平均摩擦系数分析
[0099]
随着载荷的增大，作用在水凝胶表面的应力增大，水凝胶的平均cof逐渐减小。在载荷为7n，摩擦速度为1mm/s时，实例6水凝胶平均cof最小为0.043。引入的mtms酸化条件下水解产生的sio2不仅增加了不仅增强了网络间之间的粘性阻力，使得水凝胶材料在高载荷下更耐磨；而且高载荷条件下水凝胶表面结构挤出的水量会逐渐增大，促进润滑。pva/cmc/mtms水凝胶平均cof最低为0.043，低于天然软骨(cof＝0.11)的摩擦系数。

技术特征：
1.一种用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1）将 pva与去离子水混合油浴加热至95℃全部溶解，获得pva溶液；步骤2）称取cmc加入到步骤1）中的pva溶液中，对混合物溶液进行加热，并搅拌反应一定时间；步骤3）向步骤2）的pva/cmc溶液中加入一定量的浓hcl，然后将一定质量的mtms加入到pva/cmc溶液中，反应时间为48小时；步骤4）将pva/cmc/mtms溶液倒入模具，室温静置12 h除气泡；步骤5）将pva/cmc/mtms溶液在-25℃的温度下冷冻18小时，室温环境下解冻4小时；三次冻融循环后，得到pva/cmc/mtms水凝胶。2.根据权利要求1所述的一种用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1）pva溶液的浓度为10 wt%。3.根据权利要求1所述的一种用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤2）中pva与cmc质量分数比为10：0.5 ，步骤2）中加热反应的温度为85 ℃，搅拌反应时间为3小时。4. 根据权利要求1所述的一种用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤3）中浓hcl的加入量为每5 g 10 wt % pva溶液中加入0.01 g 浓hcl。5.根据权利要求1所述的一种用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤3）中pva、cmc及mtms的质量比为20:1:1.1-10.587。6. 根据权利要求1所述的一种用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤4）中模具的直径9 cm，厚度5 mm。7.一种如权利要求1-7任一项所述的制备方法制备的多网络水凝胶在人体组织工程领域中的应用。8.一种如权利要求1-7任一项所述的制备方法制备的多网络水凝胶在制备人体软骨材料中的应用。

技术总结
本发明涉及功能高分子材料组织工程材料领域，具体涉及一种用于人体软骨的多网络水凝胶的制备方法及应用；本发明多网络水凝胶是由如下原料制备而成：聚乙烯醇、羧甲基纤维素、甲基三甲氧基硅烷等；本发明水凝胶中PVA链和CMC链交联形成的多孔网络结构可以为更多的水分子的存在提供大量空间，在受到外力作用时，实现快速响应的自润滑特性；另一方面，引入MTMS在酸性条件下可以迅速水解生成大量Si-OH，凝结产生微小SiO2颗粒，并且Si-OH可以与周围的-OH连接形成氢键。此外，该水凝胶力学性能良好，同时具有良好的生物相容性、热稳定性和低摩擦性能，可以成为人体软骨材料的潜在替代品，在人体组织工程领域具有良好的应用前景。人体组织工程领域具有良好的应用前景。人体组织工程领域具有良好的应用前景。


技术研发人员：李巧玲 顾伟 郝莉 陈欣良 刘振兴 张耀 于呈呈
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/15