高强度和韧性的光交联水凝胶材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于生物材料领域，尤其是涉及一种高强度和韧性的光交联水凝胶材料及其制备方法与应用。
背景技术
水凝胶是一类高度含水的具有三维网络交联结构的聚合物材料，由于其具有优异的生物相容性及一定的机械强度，可以高度拟合生物组织的微环境，因此广泛应用于组织工程和再生医学。在临床应用中，原位固化的水凝胶具有优异的组织赋型能力，光敏型水凝胶由于具有时空精确可控以及原位光固化的优势而更具备临床的实际操作性。然而当前光交联制备的水凝胶机械性能较差，传统光交联水凝胶的强度只有几十千帕，近年来发展的双网络水凝胶虽然一定程度上提高了光交联水凝胶的机械性能，但是能够适用于动态环境下的共价双网络水凝胶的强度最高也只有2MPa，远远没有达到人体一些软组织的强度需求，并且这些水凝胶还存在强度韧性不可兼得的矛盾，这些问题大大限制了光交联水凝胶的进一步应用。
在中国专利CN201711132472.2中公开了一种光交联凝胶技术，其中包含邻硝基苄基类光扳机修饰的聚乙二醇及其衍生物、双键官能团修饰的高分子衍生物以及光引发剂通过光交联凝胶化制备水凝胶的技术。中国专利CN201711132472.2的方案中，主要通过组分B-光引发剂的引入来提高原有邻硝基苄基类光扳机的交联速度及交联效率(通过产生极强反应活性的亚硝基自由基进行交联)，而且可以将光引发自由基聚合交联的高分子衍生物和光偶合反应交联的高分子衍生物混合后形成复合的光敏高分子溶液，在一次光照下，可以激活引发剂产生自由基，分别进行自由基交联，也可以发生光偶合反应交联及光致亚硝基交联，实现多重光交联制备复合型水凝胶。该技术制备的水凝胶材料光固化速度快，组织粘附力强，生物相容性好，并且具有较好的延展性和强度。
然而，通过本申请发明人在创造本申请过程中的研究发现，在中国专利CN201711132472.2提交时其并未发现聚乙二醇及其衍生物的平均臂长会对水凝胶机械性能产生影响，所以，中国专利CN201711132472.2公开的技术方案中并不涉及这方面的内容，因此中国专利CN201711132472.2制备的水凝胶的强度仅为1-2MPa左右，机械性能十分有限。
发明内容
针对当前光交联制备水凝胶机械性能差的不足，本发明提出一种高强度和韧性的光交联水凝胶材料及其制备方法与应用。
本发明通过光交联制备高强度、高韧性水凝胶。通过光敏分子基团修饰的高分子衍生物之间的交联反应将高分子骨架通过化学键连接在一起，从而有利于力在高分子骨架间的传递，提高水凝胶的机械性能，拓宽水凝胶的应用范围。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明第一个目的，提供邻硝基苄基类光扳机修饰的光敏高分子衍生物。
所述邻硝基苄基类光扳机修饰的光敏高分子衍生物(即组分A)，具有式I结构：
其中，R’选自氢、卤原子、羟基、巯基、胺基、硝基、氰基、醛基、酮基、酯基、酰胺基、膦酸基、膦酸酯基、磺酸基、磺酸酯基、砜基、亚砜基、芳基、杂芳基、烷基、亚烷基、改性烷基或改性亚烷基等，
R”选自C、N、O或S；
R1选自氢、醚键类取代基、酯键类取代基、碳酸酯键类取代基、胺基甲酸酯键类取代基、巯基甲酸酯键类取代基或磷酸酯键类取代基等，
R2，R3，R4，R5独立地选自氢、卤原子、羟基、巯基、胺基、硝基、氰基、醛基、酮基、酯基、酰胺基、膦酸基、膦酸酯基、磺酸基、磺酸酯基、砜基、亚砜基、芳基、杂芳基、烷基、亚烷基、改性烷基或改性亚烷基等；
式I中，P1与R2，R3，R4，R5中任意的一个或多个基团相连接，P1不与R1连接。
当式I结构中R2，R3，R4，R5中至少两个相互连接，与碳原子一起形成饱和或不饱和的脂环或脂杂环，或形成芳环或芳杂环时，P1还可以连接于R2，R3，R4，R5之间形成的饱和或不饱和脂环或脂杂环，或形成的芳环或芳杂环。
对于P1与R2，R3，R4，R5中任意的一个或多个基团相连接，或连接于R2，R3，R4，R5之间形成的饱和或不饱和脂环或脂杂环，或形成的芳环或芳杂环上时，连接键选自P1-O-,P1-S-,P1-NH-,P1-CH-,P1-COO-,P1-CONH-，该连接键的一端与P1相连，另一端连接在式I所示分子的苯环上。
式I中，P1为一种亲水或水溶性的多臂聚乙二醇或其衍生物，P1具有以下通式：
式II中PEG为单链聚乙二醇，
X，Y独立地选自聚乙二醇、聚丙二醇、聚乳酸、聚酯、聚羟基乙酸、聚乙烯醇、聚氨基酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮以及各种亲水性单体与亲水性单体、亲水性单体与疏水性单体、疏水性单体与疏水性单体的共聚物；
式II中，m≥1，R6为多臂支化中心，支化度为2-8，式II中连接R6结构部分分子量不小于6000，R6选自以下结构中一种或两种以上的组合：
其中两臂支化中心包括以下结构：
其中三臂支化中心包括以下结构：
其中四臂支化中心包括以下结构：
其中五臂支化中心包括以下结构：
其中六臂支化中心包括以下结构：
其中八臂支化中心包括以下结构：
相同臂数的其它支化中心可以采用商业产品或者能够被简单聚合得到的结构。
进一步优选地，P1为两臂聚乙二醇、三臂聚乙二醇、四臂聚乙二醇、六臂聚乙二醇或八臂聚乙二醇。
进一步优选地，P1为20000分子量以上的两臂聚乙二醇或40000分子量以上的四臂聚乙二醇。
式I中，n≥2，即单条P1高分子链上的邻硝基苄基类光扳机(即式Ⅰ中括号内的结构)的平均个数大于或等于2。
优选地，式I结构中，R2，R3，R4，R5中至少两个相互连接，与碳原子一起形成饱和或不饱和的脂环或脂杂环，或形成芳环或芳杂环。
进一步地，所述烷基为具有1～30个碳原子的饱和或不饱和脂肪族直链或支链的烷基；
所述亚烷基为具有1～30个碳原子的饱和或不饱和脂肪族直链或支链的亚烷基；
所述改性烷基为烷基的任意碳原子被选自卤原子、-OH、-SH、-NO2、-CN、-CHO、-COOH、酯基、酰胺基、芳基、亚芳基、-CO-、-O-、-S-、-SO-、-SO2-、伯胺基、仲胺基、叔胺基、季铵盐基、饱和或不饱和的单环或双环亚环烃基、桥联脂杂环中的至少一种基团置换所得的基团，所述改性烷基具有1～30个原子，其碳碳单键可任意地被碳碳双键或碳碳叁键替换；
所述改性亚烷基为亚烷基的任意碳原子被选自卤原子、-OH、-SH、-NO2、-CN、-CHO、-COOH、酯基、酰胺基、芳基、亚芳基、-CO-、-O-、-S-、-SO-、-SO2-、伯胺基、仲胺基、叔胺基、季铵盐基、饱和或不饱和的单环或双环亚环烃基、桥联脂杂环中的至少一种基团置换所得的基团，所述改性亚烷基具有1～30个原子，其碳碳单键可任意地被碳碳双键或碳碳叁键替换；
所述醚键类取代基选自以下结构：
-O(CH2)xCH3、-(CH2CH2O)xCH3、-(CH2)x(CH2CH2O)yCH3、或
所述酯键类取代基选自以下结构：
-OCO(CH2)xCH3、O-CO(CH2CH2O)xCH3、-OCO(CH2)x(CH2CH2O)yCH3等，其中x和y≥0且为整数；
所述碳酸酯键类取代基选自以下结构：
-OCOO(CH2)xCH3、-OCOO(CH2CH2O)xCH3、-OCOO(CH2)x(CH2CH2O)yCH3等，其中x和y≥0且为整数；
所述胺基甲酸酯键类取代基选自以下结构：
-OCONH(CH2)xCH3、-OCONH(CH2CH2O)xCH3、-OCONH(CH2)x(CH2CH2O)yCH3等，其中x和y≥0且为整数；
所述巯基甲酸酯键类取代基选自以下结构：
-OCOS(CH2)xCH3、-OCOS(CH2CH2O)xCH3、-OCOS(CH2)x(CH2CH2O)yCH3等，其中x和y≥0且为整数；
所述磷酸酯键类取代基选自以下结构：
-POOO(CH2)xCH3、-POOO(CH2CH2O)xCH3、-POOO(CH2)x(CH2CH2O)yCH3等，其中x和y≥0且为整数；
所述芳基为5～10元芳香单环或芳香稠合双环结构；
所述杂芳基为环上含有选自O、S、N或Si中的至少一种杂原子的5～10元芳香单环或芳香稠合双环结构；
所述卤原子各自独立地选自F、Cl、Br、I。
所述脂环为饱和或不饱和的3～10元单环或多环脂环；
所述脂杂环为环上含有选自O、S、N或Si中的至少一种杂原子的饱和或不饱和的3-10元单环或多环脂杂环，所述脂杂环上含有S原子时，其任选为-S-、-SO-或-SO2-；所述脂环或脂杂环上的H还可任意地被卤原子、硝基、芳基、烷基或改性烷基取代；
所述芳环为5～10元芳香单环或芳香稠合双环；
所述芳杂环为环上含有选自O、S、N或Si中的至少一种杂原子的5～10元芳香单环或芳香稠合双环；所述芳环或芳杂环上的H还可任意地被卤原子、硝基、芳基、烷基或改性烷基取代。
进一步地，烷基类取代基优选结构，如直链烷基-(CH2)xCH3、支链烷基-(CH2)x(CY’Y”)yCH3(Y’，Y”为氢、烷基或改性烷基)等，其中x和y≥0且为整数；
进一步地，醚类取代基优选结构，如-O(CH2)xCH3、-O(CH2CH2O)xCH3、-O(CH2)x(CH2CH2O)yCH3等，其中x和y≥0且为整数；
进一步地，硫醚类取代基优选结构，如-S(CH2)xCH3、-S(CH2CH2O)xCH3、-S(CH2)x(CH2CH2O)yCH3等，其中x和y≥0且为整数；
进一步地，胺基类取代基优选结构，如-NH(CH2)xCH3、-NH(CH2)x(CY’Y”)yCH3、-N(CY’Y”)x(CY’Y”)y、
进一步地，酯类取代基优选结构，如-COO(CH2)xCH3、-COO(CH2CH2O)xCH3、-COO(CH2)x(CH2CH2O)yCH3等，其中x和y≥0且为整数；
进一步地，酰胺类取代基优选结构，如-CONH(CH2)xCH3、-CONH(CH2CH2O)xCH3、-CONH(CH2)x(CH2CH2O)yCH3等，其中x和y≥0且为整数；
进一步地，芳香族类取代基优选结构，如-Ph、
进一步地，脂环或脂杂环的优选结构包括：
等；
进一步地，芳环或芳杂环的优选结构包括：
R’的一些优选结构包括：
-H、-CH3、-CH2CH3、-CH＝CH-CH＝CH-CH3、-F、-Cl、-Br、-I、-CF3、-CCl3、-CBr3、-CI3、-CN、-COOH、-Ph、
R2，R3，R4，R5的一些优选结构包括：-H、-OH、-SH、-NH2、-F、-Cl、-Br、-I、-CF3、-CCl3、-CBr3、-CI3、-NO2、-CN、-CHO、-COOH、-COONH2、-SO3H等。
进一步优选，所述式I可选自以下组分A-1～组分A-30中的结构：
本发明的第二个目的，提供高强度和韧性的光交联水凝胶材料。
所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料由三种组分为原料制备而成，三种原料分别为：
邻硝基苄基类光扳机修饰的光敏高分子衍生物，简称组分A；
双键官能团修饰的高分子衍生物，简称组分B；
光引发剂，简称组分C。
本发明的光交联水凝胶材料，也可以称为复合型光交联水凝胶材料。
其中，组分A即本发明第一方面提供的邻硝基苄基类光扳机修饰的光敏高分子衍生物。
所述双键官能团修饰的高分子衍生物，简称组分B，具有式III所示结构：
式III中，R1’，R2’、R3’独立地选自氢、卤原子、芳环、杂芳环、脂环、脂杂环、烷基或改性烷基；R4’选自烷基、醚键类取代基、酯键类取代基、碳酸酯键类取代基、酰胺键类取代基、胺基甲酸酯键类取代基、巯基甲酸酯键类取代基或磷酸酯键类取代基；
n≥2，即单条P1’高分子链上的双键官能团的平均个数大于或等于2。
式III中卤原子、芳环、杂芳环、脂环、脂杂环、烷基、改性烷基、醚键类取代基、酯键类取代基、碳酸酯键类取代基、酰胺键类取代基、胺基甲酸酯键类取代基、巯基甲酸酯键类取代基或磷酸酯键类取代基的定义与式I中卤原子、芳环、杂芳环、脂环、脂杂环、烷基、改性烷基、醚键类取代基、酯键类取代基、碳酸酯键类取代基、酰胺键类取代基、胺基甲酸酯键类取代基、巯基甲酸酯键类取代基或磷酸酯键类取代基的定义相同，只是式III中卤原子、芳环、杂芳环、脂环、脂杂环、烷基、改性烷基、醚键类取代基、酯键类取代基、碳酸酯键类取代基、酰胺键类取代基、胺基甲酸酯键类取代基、巯基甲酸酯键类取代基或磷酸酯键类取代基的选择可以不同于式I。
P1’为一种亲水或水溶性天然高聚物或合成高聚物，或P1’独立的选自多种亲水或水溶性天然高聚物或合成高聚物等；
所述亲水或水溶性天然高聚物包括天然多糖类物质及其修饰物或降解物，蛋白及其修饰物、改性物和降解的多肽类物质等；
所述天然多糖类物质包括透明质酸、羧甲基纤维素、甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、海藻酸、葡聚糖、琼脂糖、肝素、硫酸软骨素、乙二醇壳聚糖、丙二醇壳聚糖、壳聚糖乳酸盐、羧甲基壳聚糖或壳聚糖季铵盐；
所述蛋白包括各种亲水性或水溶性动植物蛋白、胶原蛋白、血清蛋白、丝素蛋白、弹性蛋白，所述蛋白降解物包括明胶或多肽；
亲水或水溶性合成高聚物包括两臂或多臂聚乙二醇、聚乙烯亚胺、树枝体、合成多肽、聚氨基酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮以及各种亲水性单体与亲水性单体、亲水性单体与疏水性单体的亲水或水溶性共聚物。
可选地，P1’选自透明质酸、羧甲基纤维素、甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、海藻酸、葡聚糖、琼脂糖、肝素、硫酸软骨素、乙二醇壳聚糖、丙二醇壳聚糖、壳聚糖乳酸盐、羧甲基壳聚糖、壳聚糖季铵盐。
进一步优选地，所述式III双键官能团修饰的高分子衍生物，可选自以下组分B-1～组分B-8中的结构：
组分B-1～组分B-8中，m,n≥2。
所述光引发剂，简称组分C，为光照下能够产生自由基的物质。
可选地，组分C为水溶性光引发剂或可分散在水中的光引发剂；
可选地，组分C为LAP(组分C-1)，I 2959(组分C-2)，Eosin-Y(组分C-3)，二苯甲酮(组分C-4)，Na-TPO(组分C-5)等及其衍生物；
可选地，组分C为LAP，Na-TPO及其衍生物；
本发明的目的之三，在于提供所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料的制备方法。
所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
组分A，组分B和组分C溶于生物相容性介质得到水凝胶前体溶液；
水凝胶前体溶液在光源照射下，发生光交联形成水凝胶。
其中，获得水凝胶前体溶液的方式可以采用以下两种方式：
方式一：将组分A溶于生物相容性介质得到溶液A；将组分B溶于生物相容性介质得到溶液B；将组分C溶于生物相容性介质得到溶液C；将溶液A，溶液B和溶液C混合均匀得到水凝胶前体溶液。
方式二：将组分A，组分B和组分C混合溶于生物相容性介质得到水凝胶前体溶液。
在本发明的一些实施方式中，所述生物相容性介质选自蒸馏水、生理盐水、缓冲液、脱细胞基质或细胞培养基溶液。根据不同的应用，可选取不同的介质。
在本发明的一些实施方式中，混合均匀形成的水凝胶前体溶液中，组分A浓度为0.1％wt-60％wt，优选为1％wt-40％wt，组分B的浓度为0.01％wt-20％wt，优选为0.05％wt-10％wt，组分C的浓度为0.01％wt-5％wt，优选为0.1％wt-3％wt，高分子总浓度为0.1％wt-60％wt，优选为1％wt-10％wt。
在本发明的一些实施方式中，光源的波长根据邻硝基苄类光扳机及光引发剂的吸收波长来确定，可以为250-500nm，优选为300-450nm，进一步优选为365、375、385、395、405nm。
水凝胶前体溶液在光源照射下，发生光交联的技术原理为：组分A中的邻硝基苄基类光扳机与组分C-光引发剂在光照下，发生自由基反应，同时组分B中的双键官能团与组分C-光引发剂在光照下发生自由基聚合，两种反应产生的自由基进一步反应交联形成水凝胶。
本发明提供的光交联水凝胶材料的特征主要在于：组分A(邻硝基苄基类光扳机修饰的光敏高分子衍生物)与组分B(双键官能团修饰的高分子衍生物)通过组分C(光引发剂)聚合形成水凝胶，当组分A中聚乙二醇及其衍生物的平均臂长达到一定分子量时，水凝胶的强度和韧性显著提高(具体数据如实施例19～22)。基于此发现，本发明将这类水凝胶的强度和/或韧性提高了一个数量级甚至更高，解决了当前水凝胶机械性能差的瓶颈问题，拓宽了水凝胶的应用范围。
本发明的目的之四，在于提供一种用于制备本发明所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料的试剂盒。
所述试剂盒包含：组分A-邻硝基苄基类光扳机修饰的光敏高分子衍生物；组分B-双键官能团修饰的高分子衍生物，组分C-光引发剂及有关水凝胶制备及应用的说明书。
对于以上试剂盒中还可包含生物相容性介质，如蒸馏水、生理盐水、缓冲液和细胞培养基。
对于以上试剂盒中的说明书上记载着水凝胶的应用包括其在术后创面封闭、组织液渗漏封堵、止血材料、组织工程支架材料、3D打印的生物墨水及作为细胞、蛋白或药物载体上的应用。
本发明的目的之五，在于提供所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料的应用。
本发明提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备术后创面封闭-组织免缝合材料或药物的应用。
本发明提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备术后创面封闭-组织修复材料或药物的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备术后创面封闭-术后防黏连材料或药物的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备术后创面封闭-口腔溃疡材料或药物的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备组织液渗漏封堵-肠漏封堵材料或药物的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备组织液渗漏封堵-脑脊液封堵材料或药物的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备组织液渗漏封堵-胃漏封堵材料或药物的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备止血材料-肝脏止血材料或药物的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备止血材料-肾脏止血材料或药物的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备止血材料-脾脏止血材料或药物的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备止血材料-胰止血材料或药物的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备止血材料-骨断面止血材料或药物的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备止血材料-动脉止血材料或药物的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备止血材料-心脏止血材料或药物的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备粘合材料-补片固定材料的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备粘合材料-瓣膜固定材料的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备粘合材料-黏膜固定材料的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备粘合材料-组织固定材料的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备粘合材料-骨固定材料的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备组织加固材料-贴片材料的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备组织工程支架材料-软骨修复材料或药物的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备组织工程支架材料-骨修复材料或药物的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备组织工程支架材料-骨/软骨复合缺损修复材料或药物的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料在3D打印(FDM)材料-生物墨水的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料在3D打印(SLA)材料-生物墨水的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料在3D打印(DLP)材料-生物墨水的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料在3D打印-结合介入科手术的应用。
本发明还提供了所述高强度和韧性的光交联水凝胶材料作为制备细胞、蛋白、药物载体上的应用。
本发明通过控制组分A中聚乙二醇及其衍生物的平均臂长，以及邻硝基苄基类光扳机与聚乙二醇及其衍生物的摩尔比，从而实现对水凝胶性质的显著提升，本发明相比于现有技术(如CN201711132472.2)制备的水凝胶强度和/或韧性提高了一个数量级甚至更高(具体数据如实施例19～22)，解决了当前水凝胶机械性能差的瓶颈问题，拓宽了水凝胶的应用范围。
同时，本发明保留了水凝胶制备技术固化速度快，组织粘附力强，生物相容性好等技术优势，因此，与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
(1)机械性能优异，具有非常高的强度(最高15MPa)和韧性(最高12MJm-3)，改变了水凝胶的力学属性，其强度/韧性超过当前绝大多数水凝胶；
(2)组织粘附力强，能在组织表面原位凝胶化，同时光照产生的醛基/酮基和亚硝基能与组织表面的巯基、胺基、羧基发生反应，实现水凝胶与周围组织的化学键键连一体化整合，克服了自由基聚合交联需要额外底涂的问题；
(3)生物相容性好，原料主要来源于天然高分子材料，且形成的水凝胶可降解；
(4)光固化速度快，能在10s内达到成胶点，20s达到最终模量；
(5)临床操作便捷，由于光交联具有优异的时空可控性，使用时可将水凝胶前体溶液涂抹或喷涂于组织表面，在光照下快速与组织粘附整合，无需底涂，一步实现组织表面原位成胶。
附图说明
图1为水凝胶前体溶液(30％组分A-25/5％组分B-1/1％组分C-1)，(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)，(30％4APEG50/5％组分B-1/2％组分C-1)以及(4％4APEG50/3％组分B-1/0.2％组分C-1)光照成胶的实时流变图。
图2为水凝胶(30％组分A-25/5％组分B-1/1％组分C-1)，(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)，(30％4APEG50/5％组分B-1/2％组分C-1)以及(4％4APEG50/3％组分B-1/0.2％组分C-1)的压缩应力应变曲线。
图3为水凝胶(30％组分A-25/5％组分B-1/1％组分C-1)，(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)，(30％4APEG50/5％组分B-1/2％组分C-1)以及(4％4APEG50/3％组分B-1/0.2％组分C-1)的拉伸应力应变曲线。
图4为水凝胶(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)的创面封闭-组织免缝合效果直观图。
图5为水凝胶(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)的创面封闭-皮肤修复的效果直观图。
图6为水凝胶(3％组分A-22/2％组分B-1/0.2％组分C-1)创面封闭-宫颈切除术后促修复的效果直观图。
图7为水凝胶(3％组分A-12/2％组分B-1/0.2％组分C-1)创面封闭-痔疮切除术后促修复的效果直观图。
图8为水凝胶(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)创面封闭-腹腔术后防黏连的效果直观图。
图9为水凝胶(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)创面封闭-声带术后防黏连的效果直观图。
图10为水凝胶(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)创面封闭-口腔溃疡的效果直观图。
图11为水凝胶(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)作为止血材料-肝脏止血的效果直观图。
图12为水凝胶(3％组分A-22/2％组分B-1/0.2％组分C-5)作为止血材料-肾脏止血的效果直观图。
图13为该水凝胶(3％组分A-12/2％组分B-1/0.2％组分C-1)作为止血材料-心脏止血的效果直观图。
图14为水凝胶(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)作为疝气补片固定材料的效果直观图。
图15为水凝胶(30％组分A-26/5％组分B-1/1％组分C-1)作为心脏贴片的效果直观图。
图16为水凝胶(30％组分A-25/5％组分B-1/1％组分C-1)作为生物墨水的3D打印(DLP)效果直观图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例一：组分A-2的合成
(1)化合物1的合成：参考文献Yunlong Yang；Jieyuan Zhang；Zhenzhen Liu；Qiuning Lin；Xiaolin Liu；Chunyan Bao；Yang Wang；Linyong Zhu.Adv.Mater.2016,28,2724.公开的方法进行合成。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ＝7.71(s,1H),7.35(d,1H),7.22(d,1H),4.96(s,2H),4.13(t,J＝6.1Hz,2H),3.32(dd,J＝11.6,5.7Hz,2H),2.82(t,J＝5.9Hz,2H),2.44(t,J＝7.2Hz,2H),2.26-2.17(m,2H).
(2)组分A-2的合成：将聚乙二醇(8g)溶解在无水CH2Cl2(100mL)中，加入4-二甲基氨基吡啶(DAMP；0.005g)和三乙胺(0.101g)，将上述混合溶液滴加到4-硝基氯甲酸苯酯(0.201g)的无水CH2Cl2(3mL)溶液中。将溶液在室温下搅拌5小时。减压除去溶剂至溶剂约为原始体积的一半，将反应体系倒入Et2O中，过滤收集得到的白色固体，重复上述重沉过程至完全除去4-硝基氯甲酸苯酯等未反应的原料，得到化合物1(7.8g)。将干燥后的化合物溶于无水DMF(50mL)中，再加入0.1mL TEA和化合物1(0.327g)。得到的混合物在室温下再搅拌6小时。减压除去溶剂，将混合物用CH2Cl2重新溶解并依次用NaOH水溶液(1.0M)和HCl水溶液(1.0M)洗涤三次，分别除去对硝基苯酚和NB，TEA等杂质。有机相用无水Na2SO4干燥，减压除去溶剂至溶剂约为原始体积的一半，将其倒入Et2O中。过滤收集得到的浅黄色固体，得到组分A-2(7.2g)，产率90％。通过1H NMR光谱测定，7.3-7.9ppm处的峰属于端基中的质子，并且可通过该位移计算标记率(3.4-3.6)。1H NMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,1818H),7.33(s,2H),7.43(s,2H),7.81(s,2H),4.96(s,4H)，2.43(q,4H),2.12(m,4H)。
实施例二：组分A-3的合成
(1)化合物2的合成：参考文献Yunlong Yang；Jieyuan Zhang；Zhenzhen Liu；Qiuning Lin；Xiaolin Liu；Chunyan Bao；Yang Wang；Linyong Zhu.Adv.Mater.2016,28,2724.公开的方法进行合成。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ＝7.71(s,1H),7.22(s,1H),4.96(q,2H),4.13(t,J＝6.1Hz,2H),3.99(s,3H),3.32(dd,J＝11.6,5.7Hz,2H),2.82(t,J＝5.9Hz,2H),2.44(t,J＝7.2Hz,2H),2.26-2.17(m,2H),1.56(t,3H).
(2)组分A-3的合成：参照组分A-2的合成方法。通过1H NMR光谱测定标记率(3.4-3.6)。1H NMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,1818H),7.33(s,2H),7.81(s,2H),4.96(q,4H),2.43(q,4H),2.12(m,4H)。
实施例三：组分A-9的合成
组分A-9的合成：参照组分A-2的合成方法。通过1H NMR光谱测定标记率(3.4-3.6)。1H NMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,3636H),7.33(s,3H),7.81(s,3H),4.96(q,6H),2.43(q,6H),2.12(m,6H)。
实施例四：组分A-12的合成
组分A-12的合成：参照组分A-2的合成方法。通过1H NMR光谱测定标记率(3.4-3.6)。1H NMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,3636H),7.33(s,4H),7.81(s,4H),4.96(q,8H),2.43(q,8H),2.12(m,8H)。
实施例五：组分A-16的合成
(1)化合物3的合成：参考文献Emmanuel Riguet and Christian G.Bochet,Org.Lett.2007,9,26,5453-545.公开的方法进行合成。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ2.90(bs,1H),3.05(s,3H),3.40(m,4H),3.85(m,4H),4.94(s,2H),6.75(dd,1H),7.03(d,1H),8.14(d,1H)。
(2)组分A-16的合成：参照组分A-2的合成方法。通过1H NMR光谱测定标记率(3.4-3.6)。1H NMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,3636H),4.94(s,8H),6.75(dd,4H),7.03(d,4H),8.14(d,4H)。
实施例六：组分A-18的合成
(1)化合物4的合成：参考文献Emmanuel Riguet and Christian G.Bochet,Org.Lett.2007,9,26,5453-545.公开的方法进行合成。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.71(s,1H),7.22(s,1H),4.24(s,2H),3.32(t,2H),2.82(t,2H),2.75(t,2H),2.00-1.91(m,2H).
(2)组分A-18的合成：参照组分A-2的合成方法。通过1H NMR光谱测定标记率(3.4-3.6)。1H NMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,3636H),4.24(s,8H),7.71(s,4H),7.22(s,4H)。
实施例七：组分A-20的合成
(1)化合物5的合成：参考文献Emmanuel Riguet and Christian G.Bochet,Org.Lett.2007,9,26,5453-545.公开的方法进行合成。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.71(s,1H),7.22(s,1H),4.24(s,2H),3.32(m,2H),2.82(t,2H),2.75(t,2H),2.00-1.91(m,2H).
(2)组分A-20的合成：参照组分A-2的合成方法。通过1H NMR光谱测定标记率(3.4-3.6)。1H NMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,3636H),4.24(s,8H),7.71(s,4H),7.22(s,4H)。
实施例八：组分A-21的合成
组分A-21的合成：参照组分A-2的合成方法。通过1H NMR光谱测定标记率(3.4-3.6)。1H NMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,3220H),7.33(s,4H),7.81(s,4H),4.96(s,8H),1.53(s,420H)。
实施例九：组分A-22的合成
组分A-22的合成：参照组分A-2的合成方法。通过1H NMR光谱测定标记率(3.4-3.6)。1H NMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,2940H),7.33(s,4H),7.81(s,4H),4.96(s,8H),1.53(s,420H)。
实施例十：组分A-23的合成
组分A-23的合成：参照组分A-2的合成方法。通过1H NMR光谱测定标记率(3.4-3.6)。1H NMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,2900H),7.33(s,4H),7.81(s,4H),4.96(s,8H),2.53(m,180H),1.53(m,500H)。
实施例十一：组分A-26的合成
组分A-26的合成：参照组分A-2的合成方法。通过1H NMR光谱测定标记率(3.4-3.6)。1H NMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,6400H),7.33(s,4H),7.81(s,4H),4.96(s,8H),1.53(s,850H)。
实施例十二：组分A-27的合成
组分A-27的合成：参照组分A-2的合成方法。通过1H NMR光谱测定标记率(3.4-3.6)。1H NMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,6000H),7.33(s,4H),7.81(s,4H),4.96(s,8H),1.53(s,850H)。
实施例十三：组分A-28的合成
组分A-28的合成：参照组分A-2的合成方法。通过1H NMR光谱测定标记率(3.4-3.6)。1H NMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,5800H),7.33(s,4H),7.81(s,4H),4.96(s,8H),2.53(m,360H),1.53(m,1000H)。
对比实施例十四：
PEG50的合成：参照组分A-2的合成方法。通过1H NMR光谱测定标记率(3.4-3.6)。1HNMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,454H),7.33(s,2H),7.81(s,2H),4.96(s,4H)。
对比实施例十五：
PEG100的合成：参照组分A-2的合成方法。通过1H NMR光谱测定标记率(3.4-3.6)。1H NMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,900H),7.33(s,2H),7.81(s,2H),4.96(s,4H)。
对比实施例十六：
4APEG25的合成：参照组分A-2的合成方法。通过1H NMR光谱测定标记率(3.4-3.6)。1H NMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,450H),7.33(s,4H),7.81(s,4H),4.96(s,8H)。
对比实施例十七：
4APEG50的合成：参照组分A-2的合成方法。通过1H NMR光谱测定标记率(3.4-3.6)。1H NMR(400MHz,D2O):δ3.72(s,900H),7.33(s,4H),7.81(s,4H),4.96(s,8H)。
实施例十八：光交联方法制备水凝胶
按照本发明方法，于37℃下操作，制得不同的水凝胶前体溶液，如表1所示。
表1
将上述不同凝胶溶液分别在365、395nm或405nm(20mW/cm2)条件下光照一定时间，即可得到不同化学组成的水凝胶。不同的凝胶材料具有不同的生物效应，可以根据不同的应用针对性地选择凝胶材料的组成。
注：组分A…为组分A-2～A-30，(4A)PEG…为PEG50，PEG100，4APEG25，4APEG50；组分C…为组分C-1～C-5。
表1中1-40wt％为水凝胶前体溶液优选的质量浓度范围。
实施例十九：光交联方法制备水凝胶流变测试
流变分析采用HAAKE MARS流变仪，在37℃的测试平台
表2
实施例二十：光交联水凝胶压缩性能测试
压缩性能测试采用GT-TCS-2000拉力机，压缩测试样品为直径10mm，高3mm的圆柱形试样，测试速度为1mm/min。图2为实验组水凝胶(30％组分A-25/5％组分B-1/1％组分C-1)和水凝胶(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)，以及对照组水凝胶(30％4APEG50/5％组分B-1/2％组分C-1)和水凝胶(4％4APEG50/3％组分B-1/0.2％组分C-1)的压缩性能。从图2中看出，实验组水凝胶(30％组分A-25/5％组分B-1/1％组分C-1)和水凝胶(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)压缩强度为分别为36.4MPa(图2a)和2.2MPa(图2b)；对照组水凝胶(30％4APEG50/5％组分B-1/2％组分C-1)和水凝胶(4％4APEG50/3％组分B-1/0.2％组分C-1)压缩强度为5.4MPa(图2c)和0.4MPa(图2d)。实验组水凝胶压缩强度分别是对照组的6.7倍和5.5倍，说明无论是高质量浓度还是低质量浓度，实验组水凝胶的压缩强度均显著高于对照组。其它不同配比的水凝胶压缩强度也均显著高于对照组，具体数据如表3所示。
表3
实施例二十一：光交联水凝胶拉伸性能测试
拉伸性能测试采用GT-TCS-2000拉力机，拉伸测试样品为长20mm，宽3mm，厚2mm的哑铃型试样，测试速度为5mm/min。图3为实验组水凝胶(30％组分A-25/5％组分B-1/1％组分C-1)和水凝胶(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)，以及对照组水凝胶(30％4APEG50/5％组分B-1/2％组分C-1)和水凝胶(4％4APEG50/3％组分B-1/0.2％组分C-1)的拉伸性能。从图3看出，实验组水凝胶(30％组分A-25/5％组分B-1/1％组分C-1)和水凝胶(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)拉伸强度分别为15.1MPa(图3a)和1.2MPa(图3b)；对照组水凝胶(30％4APEG50/5％组分B-1/2％组分C-1)和水凝胶(4％4APEG50/3％组分B-1/0.2％组分C-1)拉伸强度为1.8MPa(图3c)和0.4MPa(图3d)。实验组水凝胶拉伸强度分别是对照组的8倍和3倍，说明无论是高质量浓度还是低质量浓度，实验组水凝胶的拉伸强度均显著高于对照组。其它不同配比的水凝胶拉伸强度也均显著高于对照组，具体数据如表4所示。
表4
实施例二十二：光交联水凝胶韧性测试
通过拉伸测试得到水凝胶的应力应变曲线，韧性(断裂功)(MJ m-3)由拉伸应力应变曲线下方积分面积计算而来。拉伸性能测试采用GT-TCS-2000拉力机，拉伸测试样品为长20mm，宽3mm，厚2mm的哑铃型试样，测试速度为5mm/min。表5为实验组水凝胶(30％组分A-25/5％组分B-1/1％组分C-1)和水凝胶(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)，以及对照组水凝胶(30％4APEG50/5％组分B-1/2％组分C-1)和水凝胶(4％4APEG50/3％组分B-1/0.2％组分C-1)的韧性。从表5可以看出，实验组水凝胶(30％组分A-25/5％组分B-1/1％组分C-1)和水凝胶(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)韧性分别为11.8MJ m-3和1.2MPa；对照组水凝胶(30％4APEG50/5％组分B-1/2％组分C-1)和水凝胶(4％4APEG50/3％组分B-1/0.2％组分C-1)韧性为0.8MPa和0.21MPa。实验组水凝胶韧性分别是对照组的15倍和6倍，说明无论是高质量浓度还是低质量浓度，实验组水凝胶的韧性均显著高于对照组。其它不同配比的水凝胶韧性也均显著高于对照组，具体数据如表5所示。
表5
实施例二十三：光交联水凝胶应用于创面封闭-组织免缝合
实验中，巴马小型猪表皮做3cm长伤口，清理创面，对齐创面，将600μL水凝胶前体溶液(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)均匀涂在伤口表面。然后，在395nm LED光源照射下，在皮肤创面处原位制备了水凝胶，实现了对组织的免缝合粘接。并同时对比了空白，3-0手术缝线及该水凝胶的修复效果(图4)。10d时水凝胶组已经基本完全愈合，与缝线组与空白组相比明显减少了瘢痕产生，起到了良好的修复效果。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于创面封闭-组织免缝合。
实施例二十四：光交联水凝胶应用于创面封闭-皮肤修复
实验中，在巴马猪背部皮肤构造3*3cm的正方形皮肤全层缺损伤口。然后将1mL水凝胶前体溶液(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)填充到伤口部位。由于该溶液具有良好的流动性，伤口可以被水凝胶前体溶液充分填充和渗透。然后，在395nm LED光源照射下，在皮肤缺损处原位制备了水凝胶，实现了对创面的封闭(图5)。接下来，对比了光交联水凝胶，壳聚糖类凝胶和仅用凡士林油砂覆盖的巴马猪背部皮肤伤口在21天内的修复效果。光交联水凝胶伤口修复速率要明显快于其他两组，7d时就有明显的修复效果。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于创面封闭-皮肤修复。
实施例二十五：光交联水凝胶应用于创面封闭-宫颈切除术后促修复
实验中，在雌性新西兰白兔宫颈口处用电刀制造缺损伤口。将两个宫颈口分为两组进行处理。一组为将水凝胶前体溶液(3％组分A-22/2％组分B-1/0.2％组分C-1)涂抹到伤口部位，然后，在395nm LED光源照射下，将水凝胶前体溶液完全固化成水凝胶，实现了对创面的封闭。另一侧不做处理。观察宫颈口在7天内的修复效果。如图所示，左侧宫颈口为水凝胶组，右侧宫颈口为空白组，其中光交联水凝胶伤口修复速率要明显快于空白组，创面已完全愈合，而空白组仍有充血(图6)。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于创面封闭-宫颈切除术后促修复。
实施例二十六：光交联水凝胶应用于创面封闭-痔疮切除术后促修复
实验中，在巴马猪肛门处用电刀制造缺损伤口，伤口对称位于肛门两侧。一组为将水凝胶前体溶液(3％组分A-12/2％组分B-1/0.2％组分C-1)涂抹到伤口部位，然后，在395nm LED光源照射下，将水凝胶前体溶液完全固化成水凝胶，实现了对创面的封闭。另一侧不做处理。观察肛门伤口在7天内的修复效果。如图所示，左侧为空白组，右侧为凝胶组，其中光交联水凝胶伤口修复速率要明显快于空白组，7天后创面已完全愈合，而空白组仍有创面(图7)。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于创面封闭-痔疮切除术后促修复。
实施例二十七：光交联水凝胶应用于创面封闭-腹腔术后防黏连
实验中，采用SD大鼠构建腹壁-盲肠刮擦的腹腔黏连模型。由于盲肠是腹腔内最粗、通路最多，血管分布最丰富的肠段，当其对应的腹壁同时发生损伤并且不采取措施的前提下发生腹腔黏连的概率极大，构造的黏连模型稳定。在手术过程中，水凝胶前体溶液(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)可以充分的覆盖盲肠和腹壁的伤口，并且在垂直的组织面上有充足的驻留时间至其光照成胶。在给予30s光照后，得到的水凝胶固定在了创伤部位，利用外科手术刀片对其施加一定的力的情况下并不能将该水凝胶从创伤部位剥离。上述从水凝胶前体溶液的给予到完全成胶的过程在1min内可以结束。手术后，在无菌的环境下饲养上述SD大鼠14天。14d后，再次打开SD大鼠的腹腔，对其腹腔黏连情况进行了记录(图8，其中a为对照组，b为实验组)。在水凝胶处理的实验组的10只大鼠中，有8只大鼠14d后没有出现任何的肠-腹壁，肠-肠之间的黏连；1只大鼠出现了中等程度的腹壁与盲肠之间的黏连；1只大鼠出现了肠与肠之间一点薄层黏连。另外，上述9只没有发生肠-腹壁黏连的SD大鼠中看不见任何的水凝胶残留，腹壁上的伤口完全愈合。对照组的10只大鼠都发生了严重的腹壁和盲肠的黏连。接下来对实验组和对照组手术中伤口部位的组织切片通过H&E染色的方式进行了组织学分析。实验组中的SD大鼠14d后盲肠和腹壁的损伤基本完全恢复，表层已经再上皮化。而对照组中的SD大鼠14d后盲肠的平滑肌同腹壁的肌肉组织完全融合，成纤维细胞和炎症细胞在黏连处沉积。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于创面封闭-腹腔术后防黏连。
实施例二十八：光交联水凝胶应用于创面封闭-声带术后防黏连
实验中，采用比格犬声带受损黏连模型。通过喉镜手术方式用电刀将两侧声带破坏。实验组中，用水凝胶前体溶液(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)充分的覆盖受损声带，并用395nm光光照30s至完全成胶。空白组不做处理。14d后，再次观察比格犬声带，对其黏连情况进行了记录。如图9所示，在水凝胶处理的实验组中，14d后只有将近四分之一声带有粘连。而对照组的比格犬声带有一半处于黏连。接下来对实验组和对照组手术中伤口部位的组织切片通过H&E染色的方式进行了组织学分析。实验组中的比格犬声带的损伤基本完全恢复，表层已经再上皮化。而对照组中的比格犬声带中成纤维细胞和炎症细胞在黏连处沉积。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于创面封闭-声带术后防黏连。
实施例二十九：光交联水凝胶应用于创面封闭-口腔溃疡
实验中，在SD大鼠口腔构造直径1.0cm的口腔溃疡缺损伤口。然后将200μL水凝胶前体溶液(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)填充到伤口部位。由于该溶液具有良好的流动性，伤口可以被水凝胶前体溶液充分填充和渗透。然后，在395nm LED光源照射下，在口腔缺损处原位制备了水凝胶，实现了对口腔创面的封闭。接下来，对比原位成型的水凝胶和仅用生理盐水清洗处理的SD大鼠口腔伤口在5天内的修复效果，对实验组和对照组手术中伤口部位的组织切片通过H&E染色的方式进行了组织学分析(图10)。原位成型的水凝胶伤口修复速率要明显快于对照组，5d时粘膜基本恢复正常水平；没有水凝胶填充的伤口修复速率明显慢一些，说明了该光交联水凝胶作为细胞支架材料对口腔溃疡修复具有促进作用。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于创面封闭-口腔溃疡。
实施例三十：光交联水凝胶应用于组织渗液封堵-肠漏封堵
采用新西兰雄性大白兔，分为两组进行盲肠渗漏封堵实验：a：水凝胶处理(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)组；b：不做处理的对照组。实验中，在兔子盲肠处制造渗漏的模型，然后将水凝胶前体溶液涂抹到伤口处，待充分渗透后光照原位成胶，成胶后水凝胶能牢固的黏附在缺损处，不需要额外的固定。在手术4周后，通过静脉注射空气的方法处死实验中的兔子，并提取盲肠对实验修复效果进行评价。结果显示，使用水凝胶封堵的盲肠没有发生渗漏的情况，而没用水凝胶处理的盲肠发生了严重的渗漏。经过几周的修复，原来盲肠有缺损的部位经水凝胶处理过后得到了明显的修复，因此，该水凝胶不仅能够有效封堵渗漏，还有利于术后受损组织的修复。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于渗液封堵-肠漏封堵。
实施例三十一：光交联水凝胶应用于组织渗液封堵-胃漏封堵
采用SD大鼠，分为三组进行胃部组织免缝合实验：a：水凝胶处理(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)组；b：不做处理的对照组；c:3-0手术缝合线缝合。实验中，在大鼠胃部制造伤口的模型，然后将水凝胶前体溶液涂抹到伤口处，待充分渗透后光照原位成胶，成胶后水凝胶能牢固的黏附在缺损处，不需要额外的固定。缝线组选用3-0手术线缝合。术后10天，安乐死处死SD大鼠，并提取胃部对实验结果进行评价。结果显示，使用水凝胶封堵的胃部完好，没有发生渗漏的情况，缝线组胃部完好，而没作处理组的大鼠在术后一天均死亡。经过十天的修复，原来胃部有缺损的部位经水凝胶处理过后得到了明显的修复，因此，该水凝胶不仅能够有效封堵渗漏，还有利于术后受损组织的修复。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于组织渗液封堵-胃漏封堵。
实施例三十二：光交联水凝胶应用于止血材料-肝脏止血
采用SD大鼠，对水凝胶的止血效果进行评价，分为两组进行肝脏止血实验：a：水凝胶处理(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)组；b空白对照组。实验大鼠通过水合氯醛(4％水溶液)腹腔注射进行麻醉，注射计量为0.9ml/100g，深度麻醉后，用剃毛器将大鼠前胸部位毛剃光，碘酒消毒。然后沿着腹腔中线切开大约4cm长切口，打开腹腔，暴露肝脏部位。在肝脏左叶做一约2cm切口。a组在切口处加水凝胶前体溶液覆盖切面，395nm LED光照1min成胶止血；b组不做任何处理，让肝脏切口渗血自然凝固，用纱布吸去渗血，通过减重法记录出血量，和出血时间(图11)。实验结束后，a组水凝胶在切口原位交联并将切面伤口隔离，将肝脏放回腹腔，缝合。b组不做处理直接缝合。14d后，观察SD大鼠肝脏恢复情况，通过腹腔注射过量麻醉剂水合氯醛(4％水溶液，2.7ml/100g)处死大鼠，沿胸腔中线打开腹腔，观察三组大鼠肝脏恢复情况，并拍照记录。同时对肝脏损伤部位组织取样，标本用4％福尔马林溶液固定2d，脱水处理后，石蜡包埋，在用切片机进行组织切片操作，样片厚度5μm。最后对标本进行H&E染色，用光学显微镜拍照观察记录。实验结果显示，a组肝脏恢复良好，水凝胶降解完全，未发生粘连，肝脏切口长出新生肝脏组织。b组普遍存在肝脏与网膜粘连的情况。H&E染色显示实验组肝脏表面光滑圆润，有丰富的血管分布，肝脏界面清晰。而发生粘连的肝脏经H&E染色发现肝脏界面凹凸不平，肝脏与网膜组织粘连在一起，界面处有沉积的炎症细胞。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于止血材料-肝脏止血。
实施例三十三：光交联水凝胶应用于止血材料-肾脏止血
采用新西兰白兔，对水凝胶的止血效果进行评价，分为两组进行肾脏止血实验：a：水凝胶处理(3％组分A-22/2％组分B-1/0.2％组分C-5)组；b空白对照组。实验新西兰白兔深度麻醉后，用剃毛器将新西兰白兔侧腹部位毛剃光，碘酒消毒。然后沿着侧腹部切开大约5cm长切口，打开腹腔，暴露肾脏部位。在肾脏做一直径约1cm，深度约3mm的圆形损伤切口。a组在切口处加水凝胶前体溶液覆盖切面，395nm LED光照1min成胶止血；b组不做任何处理，用纱布吸去渗血。实验结束后，a组水凝胶在切口原位交联并将切面伤口隔离，将肾脏放回腹腔，缝合。b组不做处理直接缝合。几小时后，空白组新西兰白兔失血死亡，而凝胶组新西兰白兔止血完全，无异常反应(图12)。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于止血材料-肾脏止血。
实施例三十四：光交联水凝胶应用于止血材料-脾脏止血
采用比格犬，对水凝胶的止血效果进行评价，分为三组进行脾脏止血实验：a：明胶海绵组；b：水凝胶处理((4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1))组；c阳性对照组。实验比格犬通过巴比妥类麻醉剂进行肌肉注射麻醉，注射计量为0.5ml/kg，深度麻醉后，用剃毛器将比格犬侧腹部位毛剃光，碘酒消毒。然后沿着侧腹部切开大约10cm长切口，打开腹腔，暴露脾脏部位。在脾脏做一直径8mm的切口。a组用明胶海绵进行止血；b组在切口处加水凝胶前体溶液覆盖切面，395nmLED光照1min成胶止血；c组不做任何处理，让脾脏伤口渗血自然凝固，用纱布吸去渗血，通过减重法记录出血量，和出血时间。实验结束后，a组将粘附在切面的明胶海绵一并留在比格犬体内进行缝合。b组水凝胶在切口原位交联并将切面伤口隔离，将脾脏放回腹腔，缝合。c组不做处理直接缝合。14d后，观察比格犬脾脏恢复情况，通过肌肉注射过量麻醉剂巴比妥类麻醉剂处死比格犬，沿腹腔侧部打开腹腔，观察三组比格犬脾脏恢复情况，并拍照记录。同时对脾脏损伤部位组织取样，标本用4％福尔马林溶液固定2d，脱水处理后，石蜡包埋，在用切片机进行组织切片操作，样片厚度5μm。最后对标本进行H&E染色，用光学显微镜拍照观察记录。实验结果显示，b组脾脏恢复良好，水凝胶降解完全，未发生粘连，脾脏伤口长出新生脾脏组织。a组比格犬体内明胶海绵仍未降解，并且比格犬普遍器脏与网膜粘连严重。c组普遍存在脾脏与网膜粘连的情况。H&E染色显示实验组脾脏表面光滑圆润，有丰富的血管分布，脾脏界面清晰。而发生粘连的脾脏经H&E染色发现脾脏界面凹凸不平，脾脏与网膜组织粘连在一起，界面处有沉积的炎症细胞。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于止血材料-脾脏止血。
实施例三十五：光交联水凝胶应用于止血材料-骨断面止血
采用新西兰雄性大白兔，分为三组进行骨断面止血实验：a：水凝胶处理(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)组；b：骨蜡处理组；c：不做处理的对照组。实验中，在兔子股骨制造骨断面出血模型，a组是将水凝胶前体溶液涂抹到伤口处，待充分渗透后光照原位成胶，实现对骨断面出血的有效封堵，由于该水凝胶优异的组织粘附力及光固化速度，能够起到及时、有效的止血效果；b组是用常规的骨蜡处理出血伤口；c组是对出血伤口不做处理。在手术8周后，通过静脉注射空气的方法处死实验中的兔子，并取样对实验修复效果进行评价。结果显示，使用水凝胶处理的伤口有较好的止血效果，基本与骨蜡组的效果差不多，而不做处理的伤口会有持续的出血状况。经过2周的修复，原来伤口出血部位经水凝胶处理过后组织得到了明显的修复，而经骨蜡处理的伤口没有得到修复，主要是由于骨蜡在体内不降解，因此，该水凝胶不仅能够有效实现骨断面止血，还有利于术后受损组织的修复。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于止血材料-骨断面止血。
实施例三十六：光交联水凝胶应用于止血材料-心脏止血
采用比格犬，用10mL注射器针头造成心脏出血模型。分为三组进行心脏止血实验：a：水凝胶处理(3％组分A-12/2％组分B-1/0.2％组分C-1)组；b：纤维蛋白原胶处理组；c：不做处理的对照组。a组是将水凝胶前体溶液涂抹到伤口处，用395nm光光照原位成胶，实现对心脏出血的有效封堵，由于该水凝胶优异的组织粘附力及光固化速度，能够起到及时、有效的止血效果；b组是用纤维蛋白原胶处理出血伤口；c组是对出血伤口不做处理。后两组因为止血材料粘附力差，胶本身强度不够，均不能达到肺动脉出血的止血效果。而光交联水凝胶组因为其优异的组织粘附力和强度，可以快速止住心脏出血(图13)。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于止血材料-心脏止血。
实施例三十七：光交联水凝胶应用于疝气补片的固定
采用SD大鼠，分为两组进行疝气补片固定实验：a：水凝胶固定(水凝胶(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)组；b：缝线组。实验中，在SD大鼠腹部做边长3cm的正方形缺口，a组是用水凝胶前体溶液涂在补片上，待充分渗透后光照原位成胶，实现固定补片的作用；b组是用缝线方法固定补片。在手术2周后，通过腹腔注射麻醉剂处死大鼠，并取样对实验修复效果进行评价(图14左侧为b组，右侧为去a组)。结果显示，使用水凝胶固定的补片完好固定，并有包膜在补片与组织接触位置生成，将补片包裹在里面。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于疝气补片的固定。
实施例三十八：光交联水凝胶应用于翼状胬肉术后结膜瓣的固定
采用新西兰雄性大白兔，分为两组进行翼状胬肉术后结膜瓣的固定实验：a：水凝胶固定(3％组分A-12/2％组分B-1/0.2％组分C-1)组；b：缝线组。实验中，在兔子眼睛上取下一块结膜瓣，a组是将水凝胶前体溶液涂抹到伤口处，待充分渗透后覆盖结膜瓣并光照原位成胶，实现结膜瓣的固定粘接；b组是用缝线固定结膜瓣。在手术2周后，通过静脉注射空气的方法处死实验中的兔子，并取样对实验修复效果进行评价。结果显示，使用水凝胶处理的伤口与缝线组恢复效果相同。经过2周的修复，结膜瓣与虹膜完全贴附在一起，与周围结膜组织无区别。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于翼状胬肉术后结膜瓣的固定。
实施例三十九：光交联水凝胶材料应用于心脏贴片
采用SD大鼠，分为两组进行心脏贴片的试验。a组为心肌梗死模型组，b组为水凝胶贴片(30％组分A-26/5％组分B-1/1％组分C-1)组。手术前老鼠应用戊巴比妥钠(60mg/kg)腹腔麻醉，应用小动物喉镜经口腔气管插管，然后用小动物呼吸机(深圳瑞沃德，407)正压通气，呼吸频率70次/分，潮气量2.5ml/次。用肢体导联进行心电图监测。在左胸第5肋骨平面做竖直切口，分离肌肉，用止血钳刺破胸膜暴露心脏。小心撕开心包，将心脏挤出胸腔后，以5-0带针缝合线于左心耳下缘2mm处结扎左冠状动脉前降支；结扎成功的标志是Ⅱ导联心电图S-T段抬高及结扎部位以下心肌颜色泛白。在左心室前壁涂抹水凝胶，然后用紫外光照射至完全成胶。对假心肌梗死组大鼠进行同样手术过程，仅穿线不结扎冠状动脉。将心脏放入胸腔内，逐层缝合。术后一个月采用苏木精-伊红及马松三色染色法评价心梗后心室重构的情况。通过结果可以看出水凝胶组经过心室壁机械治疗后能减少心室扩张，心室收缩功能较MI组提高。在8周后对心梗区域还进行了组织学分析，空白组显示心室壁梗死区域显著变薄，局部结构紊乱。而水凝胶组梗死区室壁稍变薄，心室腔结构相对完整(图15)。Masson染色结果显示空白组显示大量的胶原纤维替代心肌组织，结构紊乱，而水凝胶组心室壁仅有少量的胶原纤维。这些结果表明，心肌梗死后立即应用水凝胶可大大减少心肌细胞死亡及损伤区域纤维化组织的继发性替代。水凝胶提供的力学支持对急性心肌梗死后的病理性心脏重构具有显著的逆转作用。该实验结果为今后的心肌梗塞的治疗提供新的思路。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于心脏贴片。
实施例四十：光交联水凝胶应用于组织工程支架材料-软骨修复
采用新西兰雄性大白兔，分为三组进行关节软骨的修复实验：a：包裹有软骨细胞的水凝胶(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)组，即Gel+软骨细胞组；b：单纯的水凝胶(4％组分A-15/3％组分B-1/0.2％组分C-1)组，即Gel组；c：不做处理的对照组，即Control组。在实验中，该水凝胶前体溶液可以充分的渗透并且填充兔子关节软骨的缺损处，光照成胶后牢固的黏附在缺损处，不需要额外的固定。在手术12周后，通过静脉注射空气的方法处死实验中的兔子，并提取损伤关节对实验修复效果进行评价。兔子关节软骨损伤处大体观照片结果显示，12周后Gel+软骨细胞组在关节缺损处长出了光滑的新生软骨组织，同时和旧的软骨组织进行了良好的整合；在Gel组中软骨也进行了一定的修复，但是还可以看出手术时软骨创伤的轮廓；而在Control组中，软骨组织基本没有修复的情况，损伤处还是明显的空洞。接下来，我们进一步利用H&E染色的方法评价了上述各组软骨的修复情况。H&E染色结果显示，Gel+软骨细胞组和Gel组都有新生的组织生成并且同旧的软骨组织整合良好；但是Gel+软骨细胞组的新生组织的厚度要好于Gel组，并且表面平整；而在Control组中难以找到明显新生组织的迹象。另外，采用番红-O和免疫组化染色的方法对新生软骨的成分进行了分析。在Gel+软骨细胞组和Gel组中，新生的软骨组织都表现出了番红-O染色活性，证明该新生的软骨组织内含有正常软骨的糖蛋白成分。同时，Gel+软骨细胞组和Gel组的新生软骨组织都表现出II型胶原的染色活性，证明该软骨组织中含有大量的II型胶原。上述番红-O和免疫组化染色结果证明利用新型光交联水凝胶材料进行软骨修复时，新生的软骨组织是透明软骨。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于组织工程支架材料-软骨修复。
实施例四十一：光交联水凝胶应用于组织工程支架材料-骨修复
采用SD大鼠，进行颅骨修复实验，并将上述SD大鼠随机分成3组：a：水凝胶(30％组分A-25/5％组分B-1/1％组分C-1)+羟基磷灰石的实验组；b：水凝胶处理(30％组分A-25/5％组分B-1/1％组分C-1)组；c：不用材料处理的对照组。实验中，用4％的水合氯醛溶液(0.9mL每克体重)对其进行腹腔麻醉，碘酒消毒。然后，利用外科手术刀片打开大鼠颅骨处头皮。利用牙环钻在老鼠颅骨左右处对称制造直径5mm的完全颅骨缺损模型。在实验组中，取200μL的水凝胶前体溶液填充到SD大鼠颅骨缺损处，使其充分向伤口边缘渗透；用395nmLED光源(20mW/cm2)光照30s使其完全成胶；最后用缝合线缝合老鼠的头皮。在对照组中，制造好SD大鼠颅骨缺损模型后，直接缝合头皮，不做其他任何处理。上述SD大鼠在无菌，37℃的环境中饲养8周的时间。然后，利用micro-CT扫描成像的方式对各组中SD大鼠颅骨的修复情况进行了评价。结果显示，在没有进行任何处理的对照组中，SD大鼠的颅骨缺损基本没有进行任何的修复，而用水凝胶填充的颅骨缺损处边缘有新生的成骨形成，但是新生骨组织的量较少，大部分缺损处并没有得到良好的修复，而用水凝胶+羟基磷灰石填充的颅骨缺损处基本得到了修复，大量的新生骨组织在缺损处形成。接着利用Van Gieson染色法对颅骨的组织切片进行了组织学染色分析。结果显示，水凝胶+羟基磷灰石处理的SD大鼠的颅骨缺损处都长出了完整的新生骨组织，而只用水凝胶处理的颅骨缺损处只有少量新生骨组织生成，大部分缺损处的骨组织依旧是缺损状态，在对照组中，几乎没有新生的骨组织生成。该组织染色结果进一步证实了包裹有羟基磷灰石的水凝胶对骨缺损有良好的修复效果。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于组织工程支架材料-骨修复。
实施例四十二：光交联水凝胶应用于3D打印(FDM)的生物墨水
3D打印技术是近些年来迅速发展的一种三维成型技术，已被广泛应用，目前3D打印技术包括熔融沉积式(FDM)、光固化成型(SLA)、激光烧结式(SLS)、连续液面制造式(CLIP)等。但是适用于带细胞打印的方式目前主要是FDM的方式，带细胞打印的材料主要是水凝胶材料，因此，发展3D打印的生物墨水-可打印的水凝胶材料以及提高水凝胶材料打印的分辨率是该领域研究的基本问题。以水凝胶(3％组分A-22/2％组分B-1/0.2％组分C-1)为例，将一定质量浓度的水凝胶前体溶液均匀混合细胞后，装入低温打印桶中，控制打印温度在25℃左右，通过温度来调整生物墨水的粘稠度，以获得最佳的打印状态，然后确定合适的打印压力和打印速度，进行不同结构的生物打印，打印完成后通过光照交联水凝胶(或是边打印边光照)，从而获得带细胞且带结构的水凝胶，进行3D细胞培养。
实施例四十三：光交联水凝胶应用于3D打印(DLP)的生物墨水
DLP(数字光处理)3D打印技术是近来年发展起来的一种新型的光固化打印方式，相比于SLA(立体光固化成型)式的打印机，DLP以其打印速度快、分辨率高而具有大多数打印方式所不可比拟的优势，目前在牙科模型、珠宝设计等领域已经具备一定的应用前景。但是，当前市场上使用的打印墨水仅限于光固化树脂，而水凝胶作为一种新兴的生物墨水还没有得到广泛的关注，主要是由于没有适合DLP打印的水凝胶材料，而本发明提出的复合型光交联水凝胶材料以其快的光固化速度，优异的机械性能非常适合于3D打印，而且具有更高的打印精度。以水凝胶组分(3％A-11/2％组分B-1/0.2％组分C-1)为例，将一定质量浓度的水凝胶前体溶液装入液体槽中，通过控制光源的强弱、曝光时间等参数来调整生物墨水的打印情况，以获得最佳的打印状态，从而得到了带结构的3D打印水凝胶(图16)。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于3D打印(DLP)的生物墨水。
实施例四十四：光交联水凝胶应用于药物的包裹与释放
水凝胶是一种能够在水中溶胀但不溶解的交联高分子网络，由于水凝胶大部分由水组成，因此具有非常好的生物相容性，特别适用于药物和生物活性大分子的载体。包裹于水凝胶材料中的药物或生物活性大分子通过分子的扩散作用和材料的降解作用实现药物持续释放的效果。以药物包裹与释放为例具体介绍如下：以水凝胶(30％组分A-25/5％组分B-1/1％组分C-1)为例，将其溶于生理盐水中，配成一定质量浓度的水凝胶前体溶液，加入一定量的药物分子，取200μL上述溶液置于圆形模具中光照成水凝胶，接着放入24孔细胞培养板中，加入一定量的生理盐水进行药物释放实验，通过紫外测试分析溶液中药物的释放量，以此来评价该材料对药物的释放效果。
其他不同材料组成的水凝胶体系同样可以应用于药物的包裹与释放。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
