一种凝胶微管及其制备方法与流程

本发明涉及凝胶微管及其制备方法。

背景技术：

1、水凝胶微管在药物释放、组织工程、仿生器官和体外细胞培养等领域有着广泛的应用和研究价值，但存在一些技术问题限制了它们的发展和应用。首先，制备结构可控的水凝胶微管是一项技术挑战，特别是在小管径微管的制备方面(直径小于4mm)。目前公开的技术中，制备的凝胶微管的尺寸较大，而管径小于4mm的微管则难以制备。其次，凝胶微管的水中存储稳定性。水凝胶材料的稳定性对于其使用寿命至关重要，特别是在长期浸泡在水或组织液中的情况下。但现有的凝胶微管在水中长期浸泡会导致微管溶胀，管壁结构强度会显著降低，。此外，水凝胶微管的机械强度较低，受限于水凝胶的强度，这限制了凝胶的结构稳定性。这些问题都需要研究和解决，以便更好地应用水凝胶微管。

2、目前，cn115814152a公开了一种具有定向排列纤维微结构的高强度互穿网络水凝胶血管的制备方法，即首先利用3d打印技术快速制备ipn水凝胶管，随后使用自制夹具对管状水凝胶进行限制性风干处理，在失水的过程中，水凝胶内部在特定方向会产生应力，高分子聚合物在应力作用下逐渐形成分层级的定向排列纤维结构，这一结构在水凝胶复水之后依然能够保持，极大提高了血管的强度。此外，cn106810704a公开了一种聚乙烯醇水凝胶的制备方法，在制备聚乙烯醇溶液时，采用了恰当配比的dmso和dmf混合液作为溶剂，使所得聚乙烯溶液无需经过冷冻-解冻的反复循环过程，只需通过静置自然冷却的方式即可制得聚乙烯醇水凝胶，并且所得聚乙烯醇水凝胶具有优异的机械强度。再通过模具制造的办法可以获得结构可控的微管。

3、尽管水凝胶微管技术已有报道，但相关技术需要复杂的光固化成型或涉及使用生物毒性的有机溶剂，而且目前的技术研究均不涉及水凝胶微管的长期使用稳定性，特别是在浸水环境中的稳定性问题。

技术实现思路

1、针对管状结构凝胶制备技术复杂，小管径凝胶微管难以制备的问题，本发明提供了一种凝胶微管。

2、具体地，一种凝胶微管，管壁厚度为0.02mm-2mm，管径为0.02-100mm；管壁中水凝胶的水含量为20％-95％，由水溶性聚合物10-60份，非水溶性聚合物10-60份，填料0-10份、助剂0-5份和水20-80份为主要成分的水凝胶制备而成。

3、凝胶微管管壁厚度优选为0.02mm-1mm，管径为0.02-4mm。

4、所述水凝胶微管的延展率大于100％，杨氏模量为100kpa-5 mpa。

5、本发明中，水溶性聚合物为可以吸水形成凝胶结构，采用含有羟基，酰胺基或羧基官能团的聚合物，可以为聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸羟乙酯、水溶性纤维素、海藻酸钠和壳聚糖等的一种或多种组合。

6、其中，所述非水溶性聚合物是可以与水溶性聚合物相互作用，形成氢键相互作用，静电相互作用，疏水相互作用等，从而形成稳定的亲疏水界面，增加水溶性聚合物的结构稳定性，可以为聚乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚氨酯、聚四氟乙烯、有机硅和氟弹性体等的一种或多种组合。

7、进一步地，所述的非水溶性聚合物为水性乳液，以增加非水溶性聚合物和水溶性聚合物在混合过程的均匀性，促进形成稳定的相分离。

8、其中，所述填料增加凝胶的结构强度，促进凝胶形成稳定的聚合物网络，起到增强凝胶机械性能的作用，可以为调节凝胶结构强度和稳定性的无机材料，可以为二氧化硅、氧化镁、氧化铝、硅藻土和镁铝水滑石等一种或多种。

9、其中，所述助剂是增加制备过程体系稳定性，避免混合液体系失稳分相，以延展工艺操作时间；其次助剂还增加凝胶成型的表面光滑，减少界面粘附等作用，可以是表面活性剂，如聚乙烯吡咯烷酮、f127等，或者小分子醇类，如乙醇，异丙醇，乙二醇或丙三醇的一种或多种。

10、本发明另一个目的是提供上述凝胶微管的制备方法。

11、具体地，所述凝胶微管的制备方法，包括以下步骤：

12、s1：取水溶性聚合物10-60份，非水溶性聚合物10-60份，填料0-10份、助剂0-5份和水20-80份制成凝胶前体溶液；

13、s2：模板表面涂布凝胶前体溶液；

14、s3：溶剂浸出；将涂布凝胶前体溶液的模板浸泡与溶剂中；

15、s4：热处理；增加凝胶聚合物形成微相界面；

16、s5：再水化；将热处理后的凝胶微管半成品浸泡于水中进行再水化处理形成凝胶；

17、s6：移除模板，即可获取凝胶微管。

18、本发明所述模板在进行涂布前，需进行表面处理。即在模板表面涂覆水溶性聚合物涂覆形成转模层，增加凝胶前体在模板表面的附着力同时有助于再水化脱除模板。水溶性聚合物可以是聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等一种或多种，用于修饰模板表面的聚合物的要求是具有很好的水溶解性，同时具有很好的成膜性，可以在模板表面形成均匀细致的聚合薄层，而且在步骤s4的热处理中，模板表面修饰的水溶性聚合物能够溶解到水中，使得水化后的凝胶微管通过物理剥离从模板表面取下。

19、模板表面处理可以通过溶液浸涂实现，用于浸涂的水溶性聚合物溶液浓度为1％-5％，然后干燥在模板表面形成一层修饰层，干燥温度为60-120度。

20、所述模板材质可以是玻璃，金属，陶瓷或有机树脂等，模板形状可以是圆柱型，表面螺纹型或其它结构，即模板的形状决定凝胶微管的内部形状。模板的直径为10微米-50毫米。

21、步骤s1中，凝胶前体溶液的固含量为10％-50％。

22、步骤s2中，所述涂布采用喷雾喷涂、电喷涂或浸涂。本发明优选喷雾喷涂。喷雾喷涂中，液体流速1-20ml/min；气体流速1-20l/min；前体溶液、环境和模板表面温度为35-85度；喷涂时间为1-50分钟。进一步地，为提高喷涂的均匀性，模板被置于自动旋转牵引台，旋转速度为10rpm-120rpm。

23、步骤s3中，凝胶前体喷涂到模板表面后仍具有流动性，在重力作用下会造成凝胶微管壁厚的不均匀，因此，本发明采用溶剂浸出处理使喷涂后的凝胶前体快速紧固到模板表面。所采用的溶剂为醇类等混合溶液，包含醇类如乙醇，异丙醇或乙二醇的一种或多种，和酯类，如乙酸乙酯，乙酰乙酸乙酯，乙酸正丁酯等，醇和酯的比例为5:1-1:5。溶剂浸出时间为1-10分钟。

24、步骤s4中，采用烘箱干燥，烘箱温度：60-120度；加热时间30分钟-24小时。

25、步骤s5中，浸泡温度20-50度，浸泡时间30分钟-24小时。

26、本发明与现有技术相比的有益效果：

27、1.本发明提供的凝胶微管的管壁为水凝胶材料，即一种含有水的聚合物复合材料，管壁厚度为0.02mm-2mm，管径为0.02-100mm；管壁中水凝胶的水含量为20％-95％；所述凝胶微管的延展性大于100％；所述凝胶微管的杨氏模量为100kpa-5 mpa。

28、2.本发明提供的凝胶微管在水、生理盐水或培养基中浸泡稳定，浸泡一周后微管的质量变化率小于10％，微管管径和管壁尺寸变化率小于10％。

29、3.本发明中提供水凝胶既能制备大管径凝胶微管，又能制备管径小于4mm以及管壁厚度小于1mm的小管径凝胶微管。

30、4.本发明提供的凝胶微管可以作为人工生物组织替代物，可用于人造血管，人造气管等生物管道，用于生物医学或生物教学用具。

31、5.本发明中提供水凝胶可以适用于在水中长期稳定使用。

32、控制水凝胶聚合物网络形成亲疏水两相结构是水凝胶抗溶胀的基本原理，实现可以在水中长期稳定的水凝胶的制备。故本发明的重点在于如何促进水溶性聚合物和非水溶性聚合物形成强相互作用两相界面和结构稳定的两相结构。

33、(1)亲水聚合物的类型。亲水聚合物吸水形成蓬松的网络是水凝胶的形成的前提，没有亲水聚合物就不能形成凝胶，但亲水聚合物无限的吸水溶胀直至溶解也是制约水凝胶在水中长期使用的根本原因。本发明所选用的亲水聚合物为含有羟基，酰胺基或羧基官能团的聚合物，其在水中可以部分水化形成凝胶，同时聚合物链间的相互作用以及聚合物链疏水微相的存在又限制其在水中的完全溶解。

34、(2)亲疏水界面的形成。非水溶性聚合物的引入可以和水溶性聚合物形成亲疏水界面，这一作用的结果类似于将水溶性聚合物分子链通过亲疏水界面锚定在非水溶性聚合物外围，形成亲水疏水的连续网络。这种亲疏水界面的形成是在步骤s4过程中，通过干燥除去水份，混合溶液形成固态薄膜，在步骤s5水化过程中，水溶性聚合物可以再吸水水化形成凝胶，而非水溶性聚合物不能再水化，因此构成了非水聚合物支撑的水凝胶网络。

35、(3)填料的引入。本发明的填料可以填充在聚合物网络中提升凝胶的结构稳定性，增加凝胶的机械强度。

36、(4)助剂的选择。助剂是为了促进亲疏水界面的形成，助剂增加了水溶性水聚合物和非水溶性聚合物乳液的稳定性，改善填料在其中的分散稳定性，避免两者相分离，有助于形成均匀连续的两相微观结构。

37、(5)本发明得到的水凝胶具有优良的抗溶胀特性，可以在水中长期存储或使用。水凝胶的延展率大于100％，断裂拉伸应力大于500kp，杨氏模量为50kpa-5 mpa，可以在水、生理盐水或生物培养液中长期浸泡，浸泡时间超过3个月，浸泡前后凝胶力学性能保持稳定，在浸泡前后质量变化率小于10％。

38、6.本发明提供的制备方法中，通过引入水溶性修饰层增加外层涂覆材料的凝胶的粘结性，同时在水化中再溶解增加脱模效率，减小脱模的凝胶微管的破坏，因此可以实现螺纹型内壁的凝胶微管的制备。

39、7.本发明提供的制备方法中，通过溶剂浸出和热处理两步增加凝胶微管强度，即提高加工效率，减少管壁成型时间，同时增加管壁强度。

40、8.本发明的制备方法简单，原料成本低，机械强度高，可以在水介质或生物液体介质(组织液，培养液等)中稳定长期使用。