【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于生物醫學材料，具體涉及一種兼具高彈性和超潤滑性能的水凝膠微球及其制備方法與應用。
技術介紹
1、傳統水凝膠材料存在固有的機械局限性，例如由于強度低而容易變形，盡管彈性差，但卻具有脆性，這對其廣泛應用構成了重大障礙。在對水凝膠進行改性的過程中，科研人員面臨著一個常見的難題，即在“剛性”和“韌性”，“彈性”和“潤滑”之間如何進行權衡。
2、以往的研究表明，平衡水凝膠的“韌性”和“剛度”可以通過多種方法來實現，例如包括構建多網絡水凝膠體系、晶域交聯、高密度動態鍵合體系或主客體相互作用。然而，想要在水凝膠結構中整合“彈性”和“潤滑”性能卻很少能夠得到解決。這種差距主要源于增強“彈性”在很大程度上依賴于增強聚合物鏈的纏結和鏈段之間的分子間作用力，從而通過能量耗散降低凝膠在變形過程中破裂的可能性，從而導致高鏈間摩擦和低含水量。恰恰相反，“潤滑”性能取決于聚合物分子鏈吸附大量水分子以促進水化潤滑。與水分子的強結合不可避免地削弱了聚合物鏈之間的分子間作用力，從而導致鏈膨脹、軟化、變形增加和結構脆弱性。因此，無論從結構角度還是從理論角度，水凝膠的“脫水”增強彈性和“水化”潤滑本質上是一種“彈性”與“潤滑”的矛盾關系。
3、彈性水凝膠的構建主要依靠增加鏈纏結、誘導結晶、增強分子間作用力等方法。例如，suo的團隊在低含水量條件下提高了長鏈聚合物的纏結密度。這種密集的纏結網絡促進了聚合物鏈內的張力傳遞，從而防止了由應力集中引起的鏈斷裂，并獲得了顯著的凝膠彈性。qiu的團隊設計了聚乙烯醇水凝膠，通過減少水化和增強鹽析
4、現有方法中，雖然已有開始嘗試以提升水凝膠微球的力學強度，并且保持低摩擦系數的方法，但目前的研究獲得的效果較為有限，無法實現水凝膠微球在高彈性與低摩擦之間的良好兼備，從而影響了其在骨修復方面的效果。
5、例如，已有報道表明采用納米鋰皂石能夠增強水凝膠的力學性能，然而其提升的幅度十分有限，復合水凝膠的彈性模量難以實現大幅度提升，同時，由于權衡了彈性，水凝膠的潤滑性能無法實現超低摩擦。
6、因此，如何提供一種具備高彈性模量和低摩擦系數，能夠兼顧水凝膠微球同時具備高彈性和超潤滑性能的方法，很好解決水凝膠微球在“彈性”與“潤滑”之間的矛盾，并更好地將其用于骨修復領域，成為現階段亟待解決的技術問題。
技術實現思路
1、本專利技術就是為了解決上述技術問題，從而提供一種兼具高彈性和超潤滑性能的水凝膠微球及其制備方法與應用。本專利技術的技術目的在于，提供一種具備高彈性模量，同時具備低摩擦系數，能夠很好整合“彈性”和“潤滑”之間矛盾的水凝膠微球，使其兼具高彈性和超潤滑性能，以更好地用于骨損傷的修復。
2、為了實現上述技術目的，本專利技術采用的技術方案如下：
3、本專利技術首先提供了一種兼具高彈性和超潤滑性能的水凝膠微球的制備方法，包括以下步驟：
4、(1)合成光交聯gelma單體溶液；
5、(2)將鋰皂石納米片與步驟(1)所得gelma單體溶液混合，通過微流控技術制備鋰皂石交聯雜化的水凝膠微球；
6、(3)通過表面接枝方法，采用2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿和丙烯酰胺對步驟(2)所得水凝膠微球進行改性，即得兼具高彈性和超潤滑性能的水凝膠微球。
7、“高彈性”和“高潤滑性”的同時存在是生物體的獨特特征，因為它們具有可調節的生物活性。然而，在無生命的水凝膠中，“脫水”的彈性增強和“水化”的潤滑特性從本質上造成了“彈性”與“潤滑”的矛盾關系。本專利技術通過上述方法成功開發出一種“活的”可生物降解水凝膠微球來解決這一挑戰，該微球內部由圓盤狀晶體鋰皂石納米片增強，外部由原位形成的分子刷潤滑，從而解決了無生命的水凝膠中“彈性”和“潤滑”互斥的悖論。
8、本專利技術采用微流控和表面接枝聚合技術，開發了具有內補強和外潤滑的可生物降解水凝膠微球。這些微球旨在最大限度地減少水化滲透并防止水分流失，從而解決“彈性”和“潤滑”互斥的具有挑戰性的悖論。首先，通過強大的靜電/氫鍵相互作用，鋰皂石納米片以插層結構均勻地分散在gelma基段中，聚合物鏈通過光引發自由基聚合在片附近生長，導致網絡段之間的張力分布均勻，增強了微球彈性。同時，鋰皂石的多層結構通過填充層間空間創造了“活的和可移動的”物理限制，從而限制了水分子的自由運動，防止它們滲透到聚合物框架中。隨后，聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿)(pmpc)分子通過表面接枝聚合技術被化學接枝到微球表面。通過與水分子“活躍而動態”的電荷偶極子相互作用，形成水合潤滑層，最終實現可降解彈性/潤滑水凝膠微球的構建。
9、本專利技術中的鋰皂石納米片作為“活的”和“可移動的”交聯點，通過占據層間空間提供物理限制，從而防止活性水滲透到聚合物框架中，并保持實質性的凝聚力。同時，分子刷與水分子之間通過電荷偶極子相互作用的“主動和動態”通信顯著增強了可持續潤滑。這種“活的”設計使微球的彈性模量在14pa到4000pa之間可控，摩擦系數在0.12到0.04之間可調。進一步通過體外和體內實驗均證實了本專利技術的水凝膠微球在減少軟骨摩擦和減緩骨關節炎進展方面的優異性能。因此，這種新型的協同設計策略解決了平衡“彈性”和“潤滑”的挑戰，為水凝膠在制藥、醫療和機械潤滑等領域的應用鋪平了道路。
10、另外，如本專利技術對比例所示，本專利技術人在研究過程中曾嘗試以甲基丙烯酸酯化透明質酸替代甲基丙烯酸酯化明膠，結果發現，在本專利技術的體系下制備的微球的彈性模量明顯較低，因而無法獲得高彈性和高潤滑性的水凝膠微球。
11、同時，本專利技術人還嘗試了將本專利技術體系中的原料通過一鍋法進行直接混合交聯制備水凝膠微球，結果發現，通過一鍋法制備的水凝膠微球的彈性模量同樣明顯較低，仍然無法獲得高彈性和高潤滑性的水凝膠微球。
12、進一步的是，步驟(1)中所述光交聯gelma單體的制備方法為將明膠溶液與甲基丙烯酸酐進行反應，并與光引發劑混合，得到光交聯gelma單體溶液。
13、進一步的是，步驟(2)中鋰皂石納米片與gelma單體的重量比為5：1～5。本專利技術中采用的上述重量比，經過實驗發現，若減少配比，會使得微球的彈性無法增加。若增加配比，將無法滿足微流控液體的粘度條件。
14、進一步的是，步驟(2)中鋰皂石納米片的直徑為20-50nm，厚度為1-2nm。
15、進一步的是，步驟(2)中gelma單體溶液的濃度為4～7wt％。
16、進一步的是，步驟(3)中2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿、丙烯酰胺與鋰本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種兼具高彈性和超潤滑性能的水凝膠微球的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)中所述光交聯GelMA單體的制備方法為將明膠溶液與甲基丙烯酸酐進行反應，并與光引發劑混合，得到光交聯GelMA單體溶液。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)中鋰皂石納米片與GelMA單體的重量比為5：1～5。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)中鋰皂石納米片的直徑為20-50nm，厚度為1-2nm。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)中GelMA單體溶液的濃度為4～7wt％。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(3)中2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿、丙烯酰胺與鋰皂石納米片的重量比為0.5～2：0.5：1～5。
7.權利要求1-6任一項所述方法制備得到的水凝膠微球，其特征在于，所述水凝膠微球兼具高彈性和超潤滑性能。
8.根據權利要求7所述的水凝膠微球，其特征在于，所述水凝膠微球的彈性模量在14Pa～400
9.權利要求1-6任一項所述方法制備得到的水凝膠微球或是權利要求7-8任一項所述的水凝膠微球在制藥、醫療和機械潤滑領域方面的應用。
10.權利要求1-6任一項所述方法制備得到的水凝膠微球或是權利要求7-8任一項所述的水凝膠微球在制備治療骨關節炎的醫用材料或是藥物方面的應用。
...【技術特征摘要】
1.一種兼具高彈性和超潤滑性能的水凝膠微球的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)中所述光交聯gelma單體的制備方法為將明膠溶液與甲基丙烯酸酐進行反應，并與光引發劑混合，得到光交聯gelma單體溶液。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)中鋰皂石納米片與gelma單體的重量比為5：1～5。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)中鋰皂石納米片的直徑為20-50nm，厚度為1-2nm。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)中gelma單體溶液的濃度為4～7wt％。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，...
【專利技術屬性】
技術研發人員：崔文國，李曉曉，李星辰，
申請(專利權)人：上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院，
類型：發明
國別省市：
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