[发明专利]基于琼脂的自修复仿生低摩擦水凝胶关节软骨的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于琼脂的自修复仿生低摩擦水凝胶关节软骨的制备方法。所述方法采用琼脂水凝胶为物理交联网络，聚丙烯酸‑聚丙烯酰胺水凝胶为化学交联网络，构成双层网络结构，并引入铁离子与聚丙烯酸形成配位作用，制备出具有多孔含水结构的水凝胶。本发明利用网络间动态可逆的离子配位键和氢键，赋予琼脂/聚丙烯酸‑聚丙烯酰胺‑铁离子双网络水凝胶较高的自修复能力和力学性能。本发明的琼脂/聚丙烯酸‑聚丙烯酰胺‑铁离子双网络自修复水凝胶关节软骨与纯琼脂水凝胶相比，压缩模量提高80％～120％，并且实现了较好的自修复性能。

技术领域

本发明属于植入器件技术领域，涉及一种基于琼脂的自修复仿生低摩擦水凝胶关节软骨的制备方法。

背景技术

水凝胶是由化学交联、物理交联等方式将亲水性的高分子链连接形成的一类具有三维网络结构的功能高分子材料，因其三维网络间填充有大量的水介质而表现出“软”与“湿”的特性。由于水凝胶具有亲水性、生物相容性、软而韧等性能，在生物组织工程领域具有巨大的应用前景。

天然关节软骨主要由水(占70～80％的重量)和细胞外基质组成，细胞外基质的主要成分为构成纤维网络的胶原蛋白，赋予关节软骨较高的强度和弹性。多孔网络结构可以储存滑液，在运动中起到润滑和承载功能。天然关节软骨基本没有自修复的能力，受到损伤后，需要依靠外科手术等手段对其进行修复。

文献1报道了一种主要用于关节软骨损伤修复方面的CS/HA-g-CS的复合水凝胶(杨慎宇.壳聚糖/改性纳米羟基磷灰石复合水凝胶的制备及其软骨缺损修复有效性评价[D].广州：暨南大学，2016)。但该类水凝胶的修复性能通常以牺牲力学性能为代价，缺乏自修复的能力，严重限制了它的应用。

琼脂水凝胶具有良好的生物力学性质，例如良好的硬度和粘弹性，能够较好地与软骨组织相匹配，有望应用于软骨再生方面。K.J.Lee等人在制备的琼脂糖纳米复合水凝胶上培养成功了成骨细胞样细胞(MG63)(K.J.Lee,S.I.Yun.Nanocomposite hydrogelsbased on agarose and diphenylalanine[J].Polymer,2018,139:86-97)。但对于在骨组织工程中的应用，尤其是在关节软骨这种需要承受压力的条件下，其机械性能不够，并且缺乏受损后自修复的能力。

发明内容

针对传统水凝胶软骨机械性能不足和无自修复能力的问题，本发明提供一种基于琼脂的自修复仿生低摩擦水凝胶关节软骨的制备方法。该方法采用在琼脂水溶液中加入丙烯酰胺(AAm)和丙烯酸(AAc)单体，以及铁离子，先室温冷却构筑琼脂的物理交联网络，再经光引发和化学交联得到聚丙烯酸-丙烯酰胺的化学交联网络，同时铁离子与羧酸根形成离子交联，从而构筑出琼脂基双网络自修复低摩擦水凝胶关节软骨。

本发明的技术解决方案如下：

基于琼脂的自修复仿生低摩擦水凝胶关节软骨的制备方法，以琼脂为原料，先将琼脂溶于水中，再加入丙烯酸和丙烯酰胺单体、光引发剂、交联剂以及铁离子，经过室温冷却，琼脂分子在氢键作用下交联形成第一层三维网络结构，然后在紫外光辐照下形成PAAc-PAAm网络，同时铁离子与羧酸根形成配位交联，实现增强作用，具体步骤如下：

在丙烯酸(AAc)、丙烯酰胺单体(AAm)和Fe³⁺的混合溶液中加入交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)与光引发剂α-酮戊二酸(KA)，混合均匀后，95℃～100℃下加入到琼脂水溶液中，搅拌均匀后注入模具中，冷却至室温，紫外光辐照，得到琼脂/聚丙烯酸-聚丙烯酰胺-铁离子(琼脂/PAAc-PAAm-Fe³⁺)双网络水凝胶关节软骨；其中，所述的丙烯酸和丙烯酰胺的总摩尔量与琼脂的摩尔比为35：1～75:1，铁离子的摩尔量为丙烯酸摩尔量的0.5％～1％。

优选地，所述的琼脂水溶液的浓度为0.05～0.1mol/L。

优选地，所述的丙烯酸与丙烯酰胺的摩尔比为1：3。