[发明专利]基于红光响应的纳米光电复合半导体构建的仿生水凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于红光响应的纳米光电复合半导体构建的仿生水凝胶的制备方法，首先利用分散有水溶性阴离子表面活性剂和导体材料的分散液、n型半导体溶液和p型半导体溶液为原料经水热反应制备光电复合半导体纳米颗粒；再以胶原的醋酸溶液和改性氧化透明质酸的光引发剂缓冲液为原料制备水凝胶前驱体混合液；将光电复合半导体纳米颗粒添加到水凝胶前驱体混合液中经过静置和光照得到仿生水凝胶。本发明所制备的仿生水凝胶具有良好的红光响应，可作为光诱导的电刺激治疗平台，以调节电生理和再生微环境。

技术领域

本发明属于生物医学材料和生物医学工程技术领域，涉及光电复合半导体、水凝胶，具体涉及一种红光响应型光电复合半导体与胶原基水凝胶构建远端电刺激仿生水凝胶及其制备方法。

背景技术

电信号与各种生物过程有关，例如神经冲动、细胞迁移和伤口愈合。细胞固有的趋电性使电刺激成为非药物治疗和再生的有效方法。然而，直接电刺激通常需要复杂的电路和外部电源设备。因此，在生物应用中，通常需要借助生物相容性载体或信号转换来实现可控的远端刺激，以实现对目标位置的影响。而且远程光电刺激作为一种外源性光敏方法，具有无源、无创和精确可控等优点。

光伏半导体可以被光子激活以产生电信号，从而实现可控的远端刺激，已广泛应用于能源领域。然而，现阶段常见的光伏半导体一般需借助高能射线(例如紫外线辐射)进行激发，其带来的低组织穿透和的生物危害极大地限制了其在生物医学工程领域的应用。迄今为止，构建异质结构是扩大光吸收范围和防止电子-空穴对复合的最有效方法之一。一般来说，理想的复合半导体，应该具‘p-n’结的异质结构，使电子-空穴对有效的分离。其中n型半导体以自由电子为主导，作为电子给体，在被光子激发时光生电子能够迁移到以空穴为主导的p型半导体的导带，从而避免电子-空穴对的快速复合，实现增强的光伏转换。进一步，当这种光伏异质结构与导体(例如碳基材料、导电聚合物、金属氧化物等)共轭复合时，其充当载体和电子导体以转移光生电子，将进一步提高光转换效率。

尽管光伏半导体已在能源及环境方面取得了良好的应用，但配合生物相容性支架，并在生物医学工程领域中替代传统有线电刺激，实现无源、非药物及非侵入性的电刺激治疗平台亟待研究和开发。

发明内容

本发明的目的旨在针对上述现有技术的不足之处，提供一种红光响应的纳米光电复合半导体构建的仿生水凝胶及其制备方法，制备得到的光电导电胶原基水凝胶具有生物相容性良好、具有红光激发的电响应性、理化性能稳定、导电性良好，从而可以实现远端电刺激的组织修复材料，有望为神经再生、皮肤修复等提供生物治疗平台。

本发明的发明思路为，首先制备光电复合半导体纳米颗粒，再将制备的光电复合半导体纳米颗粒与水凝胶前驱体混合，之后经胶原自组装与光交联得到光电导电的仿生水凝胶。

基于上述发明思路，本发明提供的基于红光响应的纳米光电复合半导体构建的仿生水凝胶的制备方法包括以下步骤：

(1)制备光电复合半导体纳米颗粒，包括以下分步骤：

(11)在搅拌条件下，将分散有水溶性阴离子表面活性剂和导体材料的分散液、n型半导体溶液和p型半导体溶液混合，并加入促水解剂；

(12)在搅拌条件下，向步骤(11)所得悬浮液中加入还原剂，并混合均匀；之后于180～200℃进行水热反应，所得反应液经过滤、洗涤、烘干即得到光电复合半导体纳米颗粒；

所述n型半导体与p型半导体分别为钛盐和铋盐，所述钛盐中钛离子和铋盐中铋离子的摩尔比为2：1～1：2；所述导体材料与n型半导体和p型半导体的质量比1：(70～120)；

(2)制备水凝胶前驱体混合液

将胶原的醋酸溶液和改性氧化透明质酸的光引发剂缓冲液按照体积比1：1混合均匀得到水凝胶前驱体混合液；

所述胶原的醋酸溶液中胶原浓度为8～12mg/mL；