用于尿道海绵体缺损修复的离子压电水凝胶及其制备方法

本发明属于生物医用材料与组织修复，涉及一种用于尿道海绵体缺损修复的离子压电水凝胶及其制备方法。

背景技术：

1、尿道海绵体损伤及缺损是泌尿系统组织修复中的难点问题，常由外伤、医源性损伤及先天性畸形等因素引起。尿道海绵体不仅需要维持尿道结构完整性，还承担局部血流调节、组织支撑及感觉传导等功能，因此其修复不仅要求实现组织填充，更要求恢复血管化、平滑肌重建及组织力学功能。

2、目前临床修复主要采用自体组织移植及生物支架材料。自体组织移植存在供区损伤、组织来源有限及术后瘢痕形成等问题；脱细胞基质材料虽具有一定生物相容性，但其力学性能及组织诱导能力有限；聚乳酸、聚乙醇酸等合成高分子材料则存在降解酸化、组织匹配性不足等缺陷。普通水凝胶材料虽具有良好的柔韧性与生物相容性，但普遍缺乏主动生物电刺激能力，难以有效模拟天然组织中的电微环境。细菌纤维素因具有纳米纤维网络结构、高含水率、良好生物相容性及可调控力学性能，在组织工程支架领域受到广泛关注，但目前关于细菌纤维素在湿态环境下产生离子压电响应的研究尚未见报道，其离子迁移行为、压电输出方向性及结构调控机制仍不明确。

3、近年来研究发现，生物电信号在血管生成、神经修复及细胞行为调控过程中具有重要作用，因此具有机械刺激与电信号转换能力的压电生物材料受到广泛关注。然而，传统无机压电材料存在柔韧性不足及生物相容性较差的问题；有机压电聚合物则普遍存在疏水性强、生物整合性不足等缺陷。此外，传统压电材料主要依赖电子极化机制，其压电性能在湿润生理环境中易受到衰减，难以适用于离子环境复杂的尿道组织修复。超声刺激具有非侵入性、组织穿透性强及可远程调控等特点，适用于植入组织工程材料的原位激活。

4、离子压电材料通过固定电荷调控的离子迁移实现机械刺激与电信号之间的转换，具有柔软、生物相容性好及适用于湿态环境等特点，在组织工程领域展现出良好的应用前景。近年来，已有研究提出利用离子迁移机制构建离子压电水凝胶，以实现湿态环境中的机械刺激与电信号转换。

5、例如cn120586153b公开了一种用于周围神经损伤治疗的离子压电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：将聚乙烯醇溶液和植酸溶液混合反应后冻融，得到所述离子压电水凝胶。该发明的离子压电水凝胶中植酸的磷酸基团与聚乙烯醇的羟基存在氢键作用，可以改善水凝胶的机械性能；植酸的磷酸基团与钠离子之间存在静电作用，限制钠离子的运动，使得钠离子和氯离子的扩散系数相差较大，进而大大提高水凝胶的压电输出。

6、又例如专利申请cn120248226a提供了一种pam离子压电水凝胶及其制备方法和应用，包括：制备水凝胶溶液：将am、pam加入至去离子水中搅拌，混合溶解得到前驱体溶液，将盐酸缓慢加入至前驱体溶液中，后添加葡萄糖酸钠/氯化钠，并以60℃的温度搅拌，加入mbaa和紫外光引发剂，与加入am的质量比分别为0.01和0.016，混合得到未固化的水凝胶溶液；合成添加气泡的pam离子压电水凝胶：将未固化的水凝胶溶液进行降温处理，在紫外线灯照射下搅拌，加入碳酸氢钠粉末进行搅拌，搅拌后将混合溶液倒入模具中继续放置紫外灯下照射，形成带有气泡的pam离子压电水凝胶。

7、目前离子压电水凝胶主要应用于皮肤、神经或软组织修复领域。尿道海绵体是一种兼具结构支撑、血流调节及生理功能传导的高度特化海绵状组织，其修复难度明显高于普通软组织，主要具有以下特殊性：

8、首先，尿道海绵体长期处于复杂动态力学环境中。其组织需要承受尿流冲击、排尿过程中的周期性舒缩以及局部组织形变，因此修复材料不仅需要具备良好的柔韧性和组织匹配性，还需要在湿态环境下维持长期稳定的力学性能及结构完整性，否则易发生塌陷、瘢痕收缩或再狭窄。

9、其次，尿道海绵体属于高度血管化组织，内部富含血窦结构、平滑肌束及微血管网络，其功能依赖于血流灌注和平滑肌协同调控。因此，尿道海绵体修复不仅需要实现组织填充，更需要促进血管生成、平滑肌重建以及组织有序再生，才能恢复正常组织功能，而非形成简单纤维瘢痕。

10、最后，尿道海绵体长期处于高含水、高离子浓度的生理环境中，天然组织内部存在由离子迁移、跨膜电位及固定电荷共同形成的动态生物电微环境，该微环境在血管生成、细胞迁移及组织再生中发挥重要作用。因此，理想修复材料不仅需要具备良好力学适配性，还应能够在湿态离子环境中提供稳定、仿生的电刺激信号。

11、现有技术的离子压电水凝胶虽具有一定的力电转换能力，但仍难以满足尿道海绵体修复的特殊需求，主要原因如下：

12、（1）现有技术的离子压电水凝胶多采用无序聚合物网络结构，其内部离子迁移路径随机，机械刺激作用下形成的离子迁移方向性较弱，容易导致电荷分离效率低及压电输出不稳定，难以形成持续有效的方向性电刺激信号。

13、（2）现有技术的离子压电水凝胶大多未针对尿道海绵体组织的长轴向结构特点进行设计。尿道海绵体属于具有明显方向性的管状组织，其血管与平滑肌排列具有轴向特征，因此更需要沿组织方向的面内电刺激（d31模式输出）以诱导组织有序再生。然而现有材料普遍表现弱各向异性离子压电特性，难以形成有效的方向性电刺激。

14、（3）现有技术的离子压电水凝胶多基于paam、pva、peg、海藻酸钠等均质聚合物体系构建，缺乏天然层状纳米纤维结构，难以形成连续低阻离子迁移通道，无法有效提高离子迁移效率及压电性能。

15、因此，有必要提出一种用于尿道海绵体缺损修复的离子压电水凝胶及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种用于尿道海绵体缺损修复的离子压电水凝胶及其制备方法。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种用于尿道海绵体缺损修复的离子压电水凝胶，包括结构网络以及分布于结构网络中的盐溶液，结构网络为由菌种直接培养得到的细菌纤维素纳米纤维网络；

4、离子压电水凝胶在超声强度为0.3~2w/cm2的超声刺激下能够产生379.6~1944.7mv的离子压电输出电压（离子压电输出电压=d31模式离子压电输出电压+d33模式离子压电输出电压），且d31模式离子压电输出电压高于d33模式离子压电输出电压；

5、离子压电水凝胶在植入体内后能够促进血管生成、平滑肌重建及尿道海绵体组织修复，植入体内3个月后成熟血管面积占比达到6.4%~9.8%，平滑肌面积占比24.8%~38%，成熟血管面积占比和平滑肌面积占比能达到正常尿道海绵体的水平。

6、本发明发现，由菌种直接培养得到的细菌纤维素纳米纤维网络在湿态离子环境中经超声刺激后能够产生离子压电响应。这是因为即便未化学改性，细菌纤维素纳米纤维网络在水相环境中也具有一定的负表面电位（zeta电位值为-16.6mv），在受到超声刺激时，该天然层状纳米纤维网络负表面电位可诱导正、负离子发生非对称迁移与重新分布，从而产生离子压电电信号。

7、由菌种直接培养得到的细菌纤维素纳米纤维网络为天然层状纳米纤维网络，若采用溶解再生这类非直接培养工艺制备细菌纤维素水凝胶，材料内部纤维素晶型、纳米纤维直径均会发生改变，无法形成天然层状纳米纤维网络结构。天然层状纳米纤维网络可诱导离子沿面内方向优先迁移，从而形成面内主导的各向异性离子压电输出特性，这种面内主导的输出本质上对应于以d31为主导的各向异性离子压电输出特性——即超声沿厚度3方向作用时，产生的电场沿面内1方向输出，实现厚度方向超声与面内方向电能之间的交叉转换，这种天然的方向性与尿道海绵体的轴向组织结构高度匹配，因为沿组织长轴方向施加的定向电刺激能够通过趋电性机制引导细胞沿轴向定向迁移和排列，因此以由菌种直接培养得到的细菌纤维素纳米纤维网络为结构网络的离子压电水凝胶可用于尿道海绵体缺损修复。

8、本发明的离子压电水凝胶用于尿道海绵体缺损修复可采用超声作为非接触驱动方式，如此可实现深部组织持续机械刺激，使植入材料在体内持续产生稳定的离子压电信号，形成更加接近天然组织离子电活动的仿生生物电微环境。

9、本发明的离子压电水凝胶能够在超声作用下，通过天然层状纳米纤维网络与固定电荷调控的离子迁移产生离子压电电信号，以模拟尿道海绵体组织中的生物电微环境。本发明基于离子迁移机制实现压电响应，相较于传统依赖电子极化机制的压电材料，其离子压电行为更接近天然生物组织中的离子电传导与生物电信号产生方式，尤其适用于富水、富离子生理环境中的组织修复。

10、作为优选的技术方案：

11、如上所述的一种用于尿道海绵体缺损修复的离子压电水凝胶，细菌纤维素纳米纤维的直径为22~85nm，离子压电水凝胶的含水率为84.8wt%~93.2wt%。

12、如上所述的一种用于尿道海绵体缺损修复的离子压电水凝胶，盐溶液为氯化钠溶液、氯化钾溶液或氯化钙溶液，盐溶液的浓度为0.1~1m。

13、如上所述的一种用于尿道海绵体缺损修复的离子压电水凝胶，盐溶液为氯化钠溶液，盐溶液的浓度为0.15m。

14、本发明发现离子压电性能与生理盐环境存在协同关系，通过调控盐溶液的浓度可以实现最佳离子迁移状态，其中采用0.15m的氯化钠溶液可获得最佳离子压电输出，使材料在生理环境中具有更稳定的电刺激能力。

15、如上所述的一种用于尿道海绵体缺损修复的离子压电水凝胶，细菌纤维素纳米纤维经过机械拉伸定向训练形成取向排列结构，取向方向与面内1方向一致，hermans取向因子为0.40~0.80。

16、本发明通过机械拉伸定向训练使细菌纤维素纳米纤维沿预设方向取向排列，一方面可构建连续低阻离子迁移通道，使离子优先沿面内方向迁移，从而进一步提高力电转换效率和离子压电输出能力，另一方面有利于促进血管和平滑肌沿组织轴向定向迁移，有序重建，此外还能提高材料沿取向方向的力学性能。

17、如上所述的一种用于尿道海绵体缺损修复的离子压电水凝胶，细菌纤维素纳米纤维具有通过化学改性引入的固定电荷基团，固定电荷基团用于限制正离子和负离子中的一种离子的运动，细菌纤维素纳米纤维中固定电荷基团的分布密度为0.13~1.15mmol/g（计算分布密度时，分母中的质量是绝干细菌纤维素纳米纤维的质量）。

18、本发明通过化学改性在细菌纤维素纳米纤维中引入固定电荷基团，增强了材料内部双电层结构及离子不对称迁移能力，从而显著提高离子压电输出特性。在盐离子环境中，固定电荷基团与可迁移离子形成动态离子分布结构。当水凝胶受到超声刺激或机械变形时，可诱导离子的非对称迁移与重新分布，从而产生离子压电电信号。通过固定电荷密度、取向程度及盐离子浓度协同调控，可实现离子压电输出性能的有效调节。

19、本发明还提供制备如上所述的一种用于尿道海绵体缺损修复的离子压电水凝胶的方法，包括以下步骤：

20、（a）对细菌纤维素水凝胶进行化学改性以引入固定电荷基团；

21、（b）将化学改性后的细菌纤维素水凝胶中的水置换为有机溶剂（例如n-甲基吡咯烷酮、丙二醇或乙二醇中的一种或几种），得到细菌纤维素有机凝胶；

22、溶剂置换的目的是打开纤维之间的氢键，有利于下一步的拉伸定向；

23、（c）对细菌纤维素有机凝胶进行机械拉伸定向训练；

24、（d）将机械拉伸定向训练后的细菌纤维素有机凝胶在水中浸泡3~5d，以将其中的有机溶剂置换为水，得到改性拉伸细菌纤维素水凝胶；

25、（e）将改性拉伸细菌纤维素水凝胶在盐溶液中浸泡以进行离子平衡处理，得到用于尿道海绵体缺损修复的离子压电水凝胶。

26、现有技术对水凝胶进行定向拉伸，往往需要进行后交联处理，以固定取向结构，本发明不需要进行后交联处理，因为在机械拉伸过程中，原本部分无序排列的纳米纤维束沿拉伸方向发生重新取向排列，同时纤维间氢键网络重新构建，从而形成稳定的各向异性取向纤维结构，由于该结构本质上属于纳米纤维骨架的重排，而非单纯聚合物链构象变化，因此在外力解除后不易发生明显回缩。

27、此外，本发明在有机溶剂置换后进行定向训练，有机溶剂能够降低纤维之间的水化作用，促进纳米纤维靠近与重排，提高纤维束之间的接触稳定性，使拉伸形成的取向结构更容易被“锁定”。随后经复水处理后，细菌纤维素原有高结晶氢键网络重新稳定，从而进一步固定取向结构，因此无需额外后交联即可长期保持较高取向度。

28、作为优选的技术方案：

29、如上所述的方法，步骤（a）中，对细菌纤维素水凝胶进行化学改性即对细菌纤维素水凝胶进行氧化改性或季铵化改性；

30、氧化改性采用2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物/次氯酸钠氧化体系，或者先采用2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物/次氯酸钠氧化体系，再采用亚氯酸钠氧化体系；

31、采用2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物/次氯酸钠体系对细菌纤维素水凝胶进行氧化改性的过程为：首先将0.016~0.032g 2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物和0.1~0.2g溴化钠加入20~40ml水（蒸馏水）中后，倒入细菌纤维素水凝胶中（干重1g，含水率为99wt%），然后加入0.47~2.84g次氯酸钠溶液（有效氯7.5wt%）引发反应，维持体系的ph值在10.5左右，反应1~2h，反应结束后调节体系的ph值至中性，再浸泡清洗；

32、采用亚氯酸钠氧化体系对细菌纤维素水凝胶进行氧化改性的过程为：将经2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物/次氯酸钠体系氧化后的细菌纤维素水凝胶（干重1g）置于200~400ml、ph值为4-5的亚氯酸钠水溶液中，避光搅拌反应24~48h，反应结束后浸泡清洗；

33、季铵化改性采用3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵；

34、季铵化改性的过程为：将细菌纤维素水凝胶（干重1g，含水率为99wt%）浸泡在200~400ml、浓度为1~2wt%的氢氧化钠水溶液中后，逐滴加入3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵（共加入4~8g 3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵）后，在60~65℃下反应10~12h，反应结束后浸泡清洗。

35、如上所述的方法，步骤（c）中，机械拉伸定向训练的过程为：采用万能材料试验机以10mm/min的拉伸速率进行湿拉伸，拉伸应变为20%~40%，并保持拉伸状态12~24h进行定型。

36、如上所述的方法，步骤（e）中，浸泡的时间为12~24h。

37、有益效果

38、（1）本发明以细菌纤维素纳米纤维网络为结构网络构建离子压电水凝胶，可在超声刺激下产生离子压电电信号，无需外接电源实现无线生物电刺激，解决现有修复材料缺乏主动生物电刺激能力、难以模拟天然组织生物电微环境的问题。

39、（2）本发明所制离子压电水凝胶具有各向异性离子压电输出特性，d31模式离子压电输出高于d33模式输出，可匹配尿道海绵体轴向组织结构，解决现有离子压电水凝胶离子迁移方向性弱、无法提供有效方向性电刺激的问题。

40、（3）本发明所制离子压电水凝胶植入尿道海绵体缺损部位后，可促进血管生成、平滑肌重建及尿道海绵体组织修复，实现尿道海绵体组织的功能性重建，解决现有材料难以促进尿道海绵体功能性修复的问题。