[发明专利]一种高强度的天然高分子水凝胶薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高强度的天然高分子水凝胶薄膜，由卡拉胶和壳聚糖通过离子键、氢键键合形成，该水凝胶薄膜的最大断裂应力不小于6.7MPa，最大伸长量不小于120％。本发明还公开了上述高强度的天然高分子水凝胶薄膜的制备方法，包括：将卡拉胶和壳聚糖的稀醋酸溶液室温下混合均匀，得到白色的混合溶液体系；再将混合溶液转移至平底容器中，70～90℃真空干燥，得到干态薄膜；再将该干态薄膜浸泡在去离子水中，达到溶胀平衡，即得到了卡拉胶/壳聚糖水凝胶薄膜。本发明制备得到的高强度的天然高分子水凝胶薄膜透明、均匀、韧性好、抗细胞黏附性能强，可以作为生物隔膜材料应用于医学领域。

技术领域

本发明属于生物高分子领域，具体涉及一种高强度的天然高分子水凝胶薄膜及其制备方法。

背景技术

人体器官和组织周围分布有大量生物薄膜，比如硬脑膜、骨膜和筋膜等，除去生物学上的功能，这些薄膜通常具有优异的机械性能，比如硬脑膜的断裂强度为4～6MPa，断裂应变约为110％；在生物材料领域，研发具有和人体自身薄膜匹配的力学性能的替代材料，以修复自身组织的损伤，是一个重要且具有实际意义的课题。

目前，在外科手术中硬脑膜的替代材料主要为牛心包膜和自体薄膜。然而牛心包膜不透明，且在处理的过程中会使用到化学试剂；自体组织薄膜的取用会导致二次伤害，且来源有限。在人体组织中，生物薄膜往往处于凝胶状态，采用高强度水凝胶薄膜作为硬脑膜等组织的替代材料或者手术的防粘连材料具有重大的应用价值。在过去20年间，高强度水凝胶得到了快速发展；通过设计水凝胶的网络结构并引入特定的能量耗散机制，研究者们开发出了多种与软骨等生物组织相匹配的高强度水凝胶。但是，大部分强韧性水凝胶中都包含了大量合成聚合物，导致较差的生物相容性及降解性能，限制其潜在应用。

相比于合成聚合物，天然高分子在生物相容性和降解性能上具有独特的优势，但是由于天然高分子水凝胶的网络结构可设计性不高，其力学强度通常较差。近年来，该领域取得了一些进展，现有报道中，Zhang等人(Zhao,D.；Huang,J.；Zhong,Y.；Li,K.；Zhang,L.；Cai,J.Adv.Funct.Mater.2016,26,6279–6287.)通过连续的物理交联和化学交联构筑了双交联的纤维素凝胶，凝胶的强度达到2.7MPa，断裂伸长率为80％；但凝胶制备过程中需要添加化学交联剂，具有潜在毒害性。Costa等(Costa,R.R.；Costa,A.M.S.；Caridade,S.G.；Mano,J.F.Chem.Mater.2015,27,7490–7502.)制备了壳聚糖/海藻酸钠凝胶，整个过程只用到了两种天然高分子，力学强度达到1.9MPa，断裂伸长率也达到80％。但是和人体中的生物膜(如硬脑膜)相比，力学强度仍有较大差距。

发明内容

为了克服以上现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高强度的天然高分子水凝胶薄膜，该薄膜透明、均匀、韧性好、抗细胞黏附性能强。

一种高强度的天然高分子水凝胶薄膜，包括通过离子键、氢键键合的卡拉胶和壳聚糖，该水凝胶薄膜的最大断裂应力不小于6.7MPa，且最大伸长量不小于120％。

本发明还提供了上述高强度的天然高分子水凝胶薄膜的制备方法，条件温和、简单易行，包括如下步骤：

(1)将天然高分子卡拉胶和壳聚糖分别溶解于稀醋酸溶液中，配制浓度为0.4～3.6mg/mL卡拉胶溶液和浓度为0.4～3.6mg/mL的壳聚糖溶液；

(2)强烈搅拌条件下，将步骤(1)得到的卡拉胶溶液和壳聚糖溶液同时滴加到稀醋酸溶液中，得到白色的悬浮溶液；

(3)将步骤(2)得到的悬浮溶液转移到平底容器中，真空干燥，得到干态的凝胶薄膜，再将该干态凝胶薄膜浸泡在大量去离子水中，除去未挥发的稀醋酸，凝胶溶胀，达到平衡状态，即得到高强度的天然高分子水凝胶薄膜。

所述的卡拉胶为κ型卡拉胶、ι型卡拉胶或λ型卡拉胶，分别带有1个、2个和3个磺酸根离子，其溶液呈负电性；