[发明专利]一种抗疲劳的全水凝胶复合材料及其制备方法和应用

说明书

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/msupgt;2/supgt;，得到大幅提升；且该复合材料的疲劳门槛值超过400J/msupgt;2/supgt;，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。

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。