[发明专利]一种光固化3D打印水凝胶超材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种光固化3D打印水凝胶超材料的制备方法及应用，该方法包括以下步骤：步骤1、将不饱和单体、水性光引发剂、交联剂和光吸收剂溶于溶剂中，制备光敏3D打印水凝胶墨水；步骤2、利用软件建立三维超材料结构模型，将光敏3D打印水凝胶墨水放入料槽中，进行光固化3D打印，得到共价交联的水凝胶超材料结构；步骤3、将共价交联的水凝胶超材料置于金属盐溶液中浸泡交联；步骤4、将共价交联的双网络水凝胶超材料结构经过水透析平衡，制得光固化3D打印水凝胶超材料。本发明通过对光敏水凝胶墨水组分和金属离子配位浓度的调控，调节水凝胶超材料生物抗菌支架的力学性能，水凝胶超材料生物抗菌支架具有很好的支撑性和柔软性。

技术领域

本发明属于光固化水凝胶材料和医用器械领域，具体涉及一种光固化3D打印水凝胶超材料的制备方法及应用。

背景技术

随着寿命的延长，人们患心血管疾病、食管癌、支气管肺癌的风险也急骤加大，已经成为威胁人生命健康的主要疾病。支架作为介入手术中常用的一种医疗器械，是目前治疗这些疾病最常见、有效的治疗措施。然而，目前临床使用的支架多为金属和高分子聚合物材质。金属支架在植入人体后会引起各种严重的并发症，例如引起皮内细胞结构和功能的受损、侵蚀气管黏膜血管引起的大出血、支架选择或置入不当引起的移位和变形等。此外，金属支架植入物无法依据食管、气管、血管的狭窄程度进行有差异化的支撑，会造成支撑力度不足或支撑力度过大的情况发生。近年来，随着3D打印技术的快速发展，研究者开始致力于研发具有复杂结构的个性化定制3D打印聚合物支架，而目前可用于3D打印聚合物支架的材料主要为ABS、PLA、PA等工程塑料和光敏树脂。然而，这些聚合物支架的力学性能和柔顺性较差，在弯曲程度较大、区域较长的管壁服役时容易造成管壁再狭窄、血栓形成、管壁损等问题，并且这类支架在扩张时会发生严重的轴向缩短现象，较难实现好的治疗效果。因此，从临床实用要求考虑，生物支架必须具有一定的柔韧性和支撑性、能同机体组织相缝合和贴合，能经受手术操作而不破碎、并不对机体组织造成机械损伤的力学性能。

在众多柔性聚合物材料中，水凝胶凭借其与生物组织相近的性质，引起了研究人员的关注。水凝胶作为一类具有三维交联网络结构的亲水性高分子材料，因其良好的生物相容性、物质交换能力、可调的力学性能、柔韧性和弹性，在组织工程领域、药物缓释领域、细胞培养支架领域得到广泛应用。然而，现有的水凝胶存在的主要问题是力学强度不够高、溶胀性较差、弹性和可加工性差、稳定性不能满足要求，进而制约了其在生物医用领域的应用。

近年来，光固化3D打印水凝胶因其更能精确的构建模拟人体软组织的高度复杂三维立体结构，因而在生物领域被广泛地用于支架的构建。但是对于体内生物支架而言，对材料性能和尺寸精度的要求比较高。然而现有的光固化3D打印水凝胶机械性能较差、打印分辨率低、易溶胀、功能性较差，不适于构建具有超高精度的复杂三维体内生物支架。在功能性方面，水凝胶在体内移植会面临被细菌感染病变的风险，因此需要设计具有抗菌功能的水凝胶支架材料。在机械性能方面，水凝胶生物支架的一个重要特点是必须富有弹性、柔软性以及良好的支撑性，因此需要通过从分子网络和几何结构设计来获得所需的材料特性。寻求和研制兼具生物相容性好、柔韧性和弹性好、机械强度较高、安全性的光固化3D打印高强度耐溶胀水凝胶体系是目前要解决的难题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种光固化3D打印水凝胶超材料的制备方法及应用，解决了现有的光固化3D打印水凝胶机械性能较差、打印分辨率低、易溶胀、功能性较差的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种光固化3D打印水凝胶超材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将不饱和单体、水性光引发剂、交联剂和光吸收剂溶于溶剂中，制备光敏3D打印水凝胶墨水。

步骤2、利用软件建立三维超材料结构模型，将步骤1中光敏3D打印水凝胶墨水放入料槽中，进行光固化3D打印，得到共价交联的水凝胶超材料结构。

步骤3、将步骤2中共价交联的水凝胶超材料置于金属盐溶液中浸泡，进行溶剂置换和金属配位交联。