一种动态可调控可监测的结构色导电水凝胶及其制备方法

本发明涉及一种水凝胶材料及其制备方法，具体涉及一种动态可调控可监测的结构色导电水凝胶及其制备方法，属于生物材料与柔性电子器件领域。

背景技术：

1、天然心肌组织在时间与空间维度上均呈现各向异性特征，其细胞外基质（ecm）不是静态结构，而是随时间和空间发生动态变化的力学、拓扑和化学信号集合，这种动态微环境对心肌细胞的定向排列、肌节发育及功能成熟起着关键的调控作用。传统静态水凝胶支架难以模拟天然ecm的动态特性，无法较准确地重现心肌细胞发育过程中所处的动态力学微环境，因此体外培养的心肌细胞常出现成熟度不足、收缩功能偏弱和电生理同步性差等情况，限制了心肌组织工程的发展与临床转化。

2、时空动态可调控水凝胶可响应温度、ph、光等外部刺激，对水凝胶的模量和拓扑结构实施较为精准且可逆的调节，在时间和空间两个维度上更好地再现天然ecm的动态变化，从而为心肌细胞营造更接近体内生理状态的生长环境。这既有助于促进心肌细胞肌节伸长、定向排列和功能成熟，也为深入探究力学信号调控心肌细胞成熟的分子机制提供了较为理想的体外模型。在众多响应型水凝胶体系中，聚n-异丙基丙烯酰胺（nipam）基水凝胶的温度响应灵敏、生物相容性好且合成与调控相对便捷，因而受到较多关注。其相转变温度接近人体生理温度范围，可在该温度附近实现模量的可逆调控，为动态水凝胶的构建提供了较为高效的路径。尽管目前已有一些时空动态可调控水凝胶支架用于模拟心肌细胞的动态微环境，但如何在线、无损地监测水凝胶的时空动态变化，仍是需要解决的问题。

技术实现思路

1、技术问题：本发明旨在解决现有导电水凝胶支架难以发生动态的力学、电学及拓扑变化来模拟天然ecm动态特性以及实时监测这些动态变化的技术问题。本发明的第一目的是提供一种动态可调控可监测的结构色导电水凝胶；第二目的是提供该水凝胶的制备方法。

2、技术方案：

3、为实现上述第一目的，本发明采用的技术方案如下：

4、一种动态可调控可监测的结构色导电水凝胶，制备原料包括n-异丙基丙烯酰胺、共聚单体、单分散纳米粒子、导电纳米材料、交联剂和光引发剂。所述n-异丙基丙烯酰胺聚合赋予水凝胶温敏响应特性，可以通过温度来可逆地调控水凝胶的电学和力学性能，还可以通过水凝胶的颜色变化在线监测水凝胶的动态调控过程；所述结构色导电水凝胶由所述原料经自组装光聚合形成。

5、进一步地，所述共聚单体为丙烯酰胺、丙烯酸、纤维素纳米纤维等中的至少一种；导电纳米材料为还原氧化石墨烯、碳纳米管、mxene等中的至少一种；单分散纳米粒子为二氧化硅，ps、pmma等纳米粒子中的至少一种；交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，光引发剂为2-羟基-2-甲基苯丙酮。

6、进一步地，所述n-异丙基丙烯酰胺、共聚单体、交联剂的质量配比范围为（550~650）:（8~12）:（7~11）；所述n-异丙基丙烯酰胺的质量浓度为1000～1300 mg/ml，共聚单体的质量浓度为15～25 mg/ml，交联剂的浓度为12～20 mg/ml；所述还原氧化石墨烯的添加浓度范围为0.3~2.0 mg/ml；所述单分散二氧化硅微球分散液质量浓度为40%~50%。

7、进一步地，所述n-异丙基丙烯酰胺与共聚单体的质量比为40:1~ 80:1。

8、进一步地，所述单体交联混合液与二氧化硅微球分散液的体积比为1:1~3:1，优选体积比2:1；所述水凝胶在25~37℃温度区间内具备可逆温敏响应特性，通过温度来可逆地调控水凝胶的电学和力学性能，还可以通过水凝胶的颜色变化在线监测水凝胶的动态调控过程。

9、本发明还提供所述动态可调控可监测的结构色导电水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

10、（1）将n-异丙基丙烯酰胺、共聚单体、导电纳米材料、交联剂和光引发剂在去离子水中均匀混合，得到单体交联混合液；

11、（2）将一定量的单分散纳米粒子分散液加入上述混合物，搅拌均匀得到前驱液；

12、（3）将前驱液注入模具静置10 ~ 60 s，通过紫外光照射进行聚合反应，得到所述水凝胶；其中，紫外光的波长为254-400 nm，功率为45~55 mw/cm2，光照时间为1~10分钟。

13、有益效果：

14、（1）通过在水凝胶中引入纳米粒子自组装赋予水凝胶结构色，通过在水凝胶中引入导电纳米材料赋予水凝胶导电性，实现具有结构色的导电水凝胶的开发制备；

15、（2）通过引入n-异丙基丙烯酰胺作为温敏组分，利用其在25~37℃下的构象变化，实现了通过温度来可逆地调控水凝胶的电学和力学性能；

16、（3）通过温度引起的构象变化会改变水凝胶的颜色，可以通过水凝胶的颜色变化在线监测水凝胶的电学和力学调控过程；

17、（4）整个制备过程在水溶液中进行，无需复杂设备，聚合条件温和（紫外光），有利于保持各组分的生物活性和功能性；

18、（5）采用原位自组装紫外光聚合工艺，工艺简单、成型快速、可控性强，无需复杂设备，可批量制备，生产成本低。

1.一种动态可调控可监测的结构色导电水凝胶，其特征在于：由包含n-异丙基丙烯酰胺、共聚单体、单分散纳米粒子、导电纳米材料、交联剂和光引发剂的原料经自组装光聚合形成；所述水凝胶在25～37℃温度区间内具有可逆温敏响应特性，通过温度可逆调控其电学和力学性能，并通过其结构色变化在线监测动态调控过程。

2.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于，所述交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，所述光引发剂为2-羟基-2-甲基苯丙酮。

3.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于，所述n-异丙基丙烯酰胺的质量浓度为1000～1300 mg/ml，共聚单体的质量浓度为15～25 mg/ml，交联剂的浓度为12～20 mg/ml，导电纳米材料的浓度为0.30～2.0 mg/ml，单分散纳米粒子分散液的质量浓度为40%～50%。

4.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于，所述n-异丙基丙烯酰胺与共聚单体的质量比为40:1~ 80:1。

5.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于，所述共聚单体为丙烯酰胺、丙烯酸、纤维素纳米纤维中的至少一种；所述导电纳米材料为还原氧化石墨烯、碳纳米管、mxene中的至少一种；所述单分散纳米粒子为二氧化硅、ps、pmma中的至少一种。

6.一种如权利要求1所述的水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述前驱液需注入模具后静置10 ~ 60 s。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述紫外光的波长为254-400 nm，功率为45~55 mw/cm2，光照时间为1~10分钟。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述共聚单体为丙烯酰胺、丙烯酸、纤维素纳米纤维中的至少一种；导电纳米材料为还原氧化石墨烯、碳纳米管、mxene中的至少一种。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的单分散纳米粒子为二氧化硅、ps、pmma中的至少一种；步骤（1）所得单体交联混合液与单分散纳米粒子分散液的体积比为1:1～3:1。