一种含互穿网络结构的水凝胶复合物及其制备方法与应用

本发明涉及生物医用材料，更具体的说是涉及一种含互穿网络结构的水凝胶复合物及其制备方法与应用。

背景技术：

1、医用超声耦合剂是在超声诊断和治疗操作中，充填或涂敷于超声探头、治疗头与人体组织之间，排除空气，使得声波传导不被空气影响而衰减，从而高效透射超声波的中介媒质。随着脑机接口技术的兴起，超声耦合剂对于非侵入式超声脑机接口的探测和刺激也有不可或缺的作用。

2、传统的超声耦合剂多采用水溶性高分子凝胶，其整体呈现弱力学性能的可流动状态，以涂抹在人体组织使用。此类超声耦合剂存在显著的应用局限性：其一，材料稳定性差、易流失液化，在超声探头持续移动、按压操作过程中极易损耗，需反复补涂，操作繁琐，难以适配人体浅表组织精准诊疗场景；其二，隔离防护效果不佳，探头、治疗头与人体皮肤直接频繁接触，易造成设备交叉污染，后续清洁维护工作量大；其三，生物应用安全性不足，传统液态耦合剂无法适配破损皮肤、给药创面等特殊场景，存在潜在安全风险，应用场景受到极大限制。除此之外，传统液态耦合剂功能单一，仅可实现基础超声传导，不具备热管理调控、稳定界面粘附及生理电信号传输能力，无法适配当前可穿戴监测、脑部超声治疗、人体运动传感等多功能一体化诊疗需求。

3、近年出现的固态超声耦合贴片以天然或水溶性合成高分子为基材，经固化成型制备得到固态凝胶介质，大幅提升了使用便捷性，有效克服了传统液态耦合剂易流淌、易污染、适用性窄的缺陷。但是，现有商用及公开报道的固态超声耦合贴片仍存在诸多核心性能短板，综合适配性较差：首先，力学性能鲁棒性不足，多数固态凝胶结构脆性大、抗形变能力弱，与人体皮肤力学特性失配，超声按压操作下易出现局部液化、结构松弛问题，需施加较大按压力度，极易造成患者皮肤压迫不适，存在诊疗安全隐患；其次，界面粘附性能欠缺，常规固态贴片与皮肤贴合性差，体位变动、持续按压下易空鼓、滑移，严重干扰超声成像清晰度与治疗稳定性；同时，现有耦合凝胶普遍缺乏热管理功能，在长期超声辐照、可穿戴设备持续工作场景下，设备产热无法及时耗散，易造成皮肤发热刺激、泛红损伤，同时高温会加速凝胶结构老化、劣化，降低设备与耗材使用寿命；最后，传统固态耦合材料功能单一，仅能实现超声信号传导，无法兼顾生物电信号传输与人体力学传感监测，性能兼容性差，难以实现刚性诊疗设备、柔性穿戴器件与人体皮肤的稳定耦合适配。

4、综上，现有液态及固态超声耦合介质普遍存在热管理缺失、力学稳定性不足、皮肤粘附性差、信号传输单一、综合性能难以兼顾的技术瓶颈，无法同时满足稳定储运、舒适贴合、高效透声、安全散热、多信号传输及长期穿戴使用的多功能需求。

5、因此，如何开发一种兼具优异热管理调控能力、力学鲁棒稳定性、皮肤适配粘附性、高效超声与电信号传输性能，且生物相容性优异的一体化温敏固态超声耦合贴片，是解决现有技术缺陷、拓展医用诊疗与穿戴传感应用场景的关键，具有重要的临床应用价值与市场推广前景。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种含互穿网络结构的水凝胶复合物及其制备方法与应用，以解决现有技术中的不足。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种含互穿网络结构的水凝胶复合物，包括以下重量份的原料：温敏大分子10~50份和水溶性聚合物10~50份。

4、本发明水凝胶复合物包括具有温致凝胶-溶胶相转变特性的温敏大分子的物理交联网络以及水溶性聚合物的化学交联网络，其中物理交联网络和化学交联网络之间形成互穿网络，且两个网络之间也有部分共价连接。

5、本发明中，温敏大分子形成物理交联结构，水溶性聚合物通过单体与温敏大分子混合以后经过低温光固化形成；在此过程中，1%~40%的温敏大分子与水溶性聚合物形成共价连接。

6、本发明中，可通过调节温敏大分子和水溶性聚合物的比例，从而调整水凝胶复合物的力学性能、生物粘附性、热管理性能和信号透过性。

7、进一步，上述温敏大分子为明胶，或明胶与卡拉胶、海藻酸钠、羧甲基壳聚糖、透明质酸的混合物。

8、进一步，上述水溶性聚合物为聚丙烯酰胺和聚丙烯酸中的至少一种。

9、进一步，上述含互穿网络结构的水凝胶复合物还包括水溶性多元醇10~50份。更进一步，上述水溶性多元醇为丙三醇、乙二醇和聚乙二醇中的至少一种。

10、采用上述进一步的有益效果在于，水溶性多元醇能够赋予水凝胶复合物优良的保水性和延长保质期，使得其能够长期储存。

11、进一步，上述含互穿网络结构的水凝胶复合物还包括防腐剂0.05~0.1份。更进一步，上述防腐剂为羟甲基甘氨酸钠、双(羟甲基)咪唑烷基脲、咪唑烷基脲和山梨酸钾中的一种或多种。

12、一种含互穿网络结构的水凝胶复合物的制备方法，具体包括以下步骤：

13、（1）按上述含互穿网络结构的水凝胶复合物的重量份数称取各原料；

14、（2）将温敏大分子加入水性溶液中，搅拌溶解，得到温敏大分子溶液；

15、（3）将水溶性聚合物的单体、交联剂和光引发剂加入温敏大分子溶液中，混合均匀，得到溶胶混合液；

16、（4）将溶胶混合液进行真空消泡，物理固化，得到预凝胶；

17、（5）将预凝胶进行低温光固化，即得含互穿网络结构的水凝胶复合物。

18、本发明中，温敏大分子（明胶）与水溶性聚合物（聚丙烯酰胺）是热力学不相容的，直接在室温下将两者混合而成的溶胶混合液会发生分相，导致预凝胶透明性差，影响光固化交联。因而，通过首先将水溶性聚合物的单体、交联剂和光引发剂均匀分散在温敏大分子中形成溶胶混合液，通过低温控制得到预凝胶，在低温下冻结温敏大分子的链运动，从而在动力学上避免聚合交联时水溶性聚合物与温敏大分子的分相，在控制水凝胶复合物的化学结构中具有重大意义。所以本发明采用低温光固化的方法，可有效对水凝胶复合物的化学结构进行调控，从而得到均相且具有温敏大分子与水溶性聚合物以一定比例共价连接的特殊结构，在满足水凝胶复合物热管理特性和生物粘附特性的同时赋予其更优良的力学，信号透过性能。

19、进一步，上述步骤（2）中，水性溶液为去离子水，温度为40~90 °c，优选为70 °c；温敏大分子和水性溶液的用量比为1:(6~8)。

20、进一步，上述步骤（3）中，水溶性聚合物的单体为丙烯酰胺和丙烯酸中的至少一种；交联剂为n,n’-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯中的至少一种；光引发剂为苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐和2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮中的至少一种；温敏大分子、水溶性聚合物的单体、交联剂和光引发剂的用量比为(5~20):(5~20):(0.025~0.2):(0.01~0.04)，优选为10:10:0.05:0.02；混合的温度为40~90 °c，优选为70 °c。

21、采用上述进一步的有益效果在于，水溶性聚合物的单体和交联剂在光引发剂的作用下聚合形成化学交联网络。

22、进一步，上述步骤（4）中，真空消泡的温度为40~90 °c，优选为70 °c，时间为10~30min，优选为20 min；物理固化的温度为-20~0 °c，优选为-10 °c，时间为10~20 min，优选为15 min。

23、采用上述进一步的有益效果在于，通过真空消泡，充分脱除溶胶体系内裹挟的微小气泡，保证后续成型凝胶质地均匀、透光性能一致。通过低温物理固化作用，使溶胶体系初步成型，形成结构完整、形态规整、无收缩变形的预凝胶坯体。

24、进一步，上述步骤（5）中，低温光固化的温度为-20~0 °c，优选为-10 °c，时间为10~60 min，优选为30 min。

25、采用上述进一步的有益效果在于，通过低温光固化，触发体系内光固化交联反应，使水溶性聚合物的单体充分聚合交联，与温敏大分子网络构建致密稳定的互穿复合结构。

26、本发明还请求保护一种上述含互穿网络结构的水凝胶复合物在制备超声耦合贴片中的应用。该应用具体如下：

27、（1）配合检测探头，完成对于人体或动物组织的成像；

28、（2）粘附在人去除毛发的头皮上，配合治疗头，完成对于人体脑组织的超声刺激与治疗；

29、（3）粘附在人体皮肤，连接电阻检测器，形成人体运动传感器。

30、本发明水凝胶复合物可根据使用需求，仅通过调节模具成型的尺寸即可制成不同形状、不同规格的超声耦合贴片，其形状为诊断或治疗设备使用的常规尺寸、形状，形状包括但不限于圆形、不规则形。其中，圆形的直径×厚度为80×8 mm、80×10 mm、80×15 mm、80×20 mm、90×10 mm、90×15 mm、90×20 mm、90×25 mm、15×2 mm、20×2 mm、25×5 mm。不规则形规格的厚度为2 mm、10 mm、20 mm、25 mm。本发明水凝胶复合物制备的固态医用超声耦合贴片的的形状和尺寸，不限于上述。可根据医学学科所需，按超声检查或治疗的部位，进行相对的形状和尺寸定义。其中，厚度大于等于20 mm一般用于体表浅层的超声检查或治疗。

31、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

32、1、本发明水凝胶复合物由温敏大分子构成的物理交联网络与水溶性聚合物构成的化学交联网络形成互穿结构，且体系中部分温敏大分子与水溶性聚合物形成共价连接，有效改善了水凝胶复合物的力学性能。

33、2、本发明采用低温光固化的制备工艺，可有效构建温敏大分子与水溶性聚合物的共价连接，保证水凝胶整体透明均一、结构稳定。

34、3、本发明水凝胶复合物具有与人体皮肤相适配的力学性能，优异的声学性能、组织粘附性和良好的生物相容性，同时温敏大分子赋予凝胶复合物相变热管理的性能，可防止电子器件工作时产生的高温对皮肤的损伤。

35、4、本发明水凝胶复合物可制备为超声耦合贴片，应用于人体浅表组织超声成像、头皮粘附式脑部超声刺激与治疗，还可贴合人体皮肤构建人体运动传感器，可应用于医用超声诊疗、非侵入式脑机接口及人体运动监测领域，适用范围广、临床实用性强。