本發(fā)明屬于復(fù)合材料，尤其涉及一種殼聚糖基水凝膠光纖材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、伴隨科學(xué)技術(shù)發(fā)展，腦機接口技術(shù)取得飛速發(fā)展，逐漸成為當(dāng)前神經(jīng)工程領(lǐng)域中最活躍的研究方向之一(wolpaw,2007；konrad&shanks,2010)，應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴大，在生物醫(yī)學(xué)、神經(jīng)康復(fù)和智能教育等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。腦機接口是通過在人或動物腦神經(jīng)與外部設(shè)備間建立直接連接通路，實現(xiàn)信息交互與功能整合的技術(shù)。腦組織柔軟、脆弱，組成傳統(tǒng)腦機接口的金屬微電極在植入過程中可能會對腦組織產(chǎn)生機械損傷，且電極在使用過程中易發(fā)生位移或脫落，從而影響其穩(wěn)定性。同時，金屬微電極可能對周圍的神經(jīng)組織產(chǎn)生毒性影響、金屬電極植入生物體后，易使膠質(zhì)細胞包裹電極表面，阻礙電極與神經(jīng)接觸，導(dǎo)致神經(jīng)電極性能下降。因此，找尋一種不植入電極實現(xiàn)腦機接口技術(shù)的方法十分必要。

2、經(jīng)過多年研究，科研人員發(fā)現(xiàn)植入光纖體積小且便于同時記錄多個大腦區(qū)域的信號，可將腦機接口與光遺傳學(xué)結(jié)合，以光傳輸裝置作為與大腦交互的窗口。

3、相較于傳統(tǒng)的硅基、玻璃光纖，水凝膠因其具有良好的生物相容性、生物可降解性等優(yōu)點，受到研究人員廣泛關(guān)注(jing?z?et?al.2019；seo?j?w?et?al.2021)。但由于水凝膠力學(xué)性能及穩(wěn)定性較差，且大多數(shù)水凝膠的折射率不足以有效地引導(dǎo)纖維芯內(nèi)的光，導(dǎo)致相當(dāng)大的光損失，限制了其進一步應(yīng)用(huang?s&fu?x,2010)。為解決此問題，學(xué)者提出結(jié)合合成高分子和天然高分子制備具有綜合性能的水凝膠的想法。yetisen課題組(ali-kyetisen?etal.2017)研制出一種具有聚(丙烯酰胺共聚(乙二醇)二丙烯酸酯)p(amco-pegda)核心和海藻酸鈣包層的水凝膠光纖，以3-(丙烯酰胺)-苯基硼酸分子共價并入核心，通過水凝膠光纖的透射光強度變化來檢測葡萄糖的濃度變化。要制備光傳輸性能較好的水凝膠光纖，通常需要制備成芯鞘結(jié)構(gòu)，并且要求內(nèi)層纖芯的折光指數(shù)比外包層的大，才能形成全反射的條件。殼聚糖作為廣泛存在于自然界的物質(zhì)，是天然多糖中唯一的堿性多糖，無毒、具有細胞親和性和生物降解性。因其良好的生物相容性及易于物理和化學(xué)修飾且親水的結(jié)構(gòu)(富含氨基和羥基)，被研究人員廣泛用于水凝膠的制備，此外，殼聚糖的折光指數(shù)為1.7，非常適合用于制備水凝膠纖芯。沈奕課題組將殼聚糖采用甲基丙烯酸酐進行改性研制出一種可光固化生物墨水，生物相容性良好。綜合上述，殼聚糖基水凝膠光纖的進一步開發(fā)有助于解決目前腦機接口存在的生物相容性差、穩(wěn)定性差等問題。

4、雖然目前科研人員已經(jīng)開發(fā)出靜電紡絲、3d打印、微流道加工等多種方法(wangy,etal.2017)生產(chǎn)水凝膠纖維，但合成一種同時具有良好生物相容性和高光學(xué)性能的水凝膠光纖仍是一項挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)出一種生物相容性好且光學(xué)性能優(yōu)異的殼聚糖基水凝膠光纖，對進一步拓展水凝膠應(yīng)用領(lǐng)域及光遺傳學(xué)和腦機接口技術(shù)的發(fā)展有著重要價值。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決目前腦機接口生物相容性差、不穩(wěn)定的問題，本發(fā)明提出了一種殼聚糖基水凝膠光纖材料及其制備方法和應(yīng)用，通過采用甲基丙烯酸酐對殼聚糖進行改性，增強其反應(yīng)性能得到改性殼聚糖，接著將改性殼聚糖與丙烯酰胺混合，經(jīng)紫外光照射得到水凝膠纖維，隨后包裹聚丙烯酰胺溶液，得到生物相容性良好且光學(xué)性能優(yōu)異的殼聚糖基水凝膠光纖。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的技術(shù)方案之一：

4、一種殼聚糖基水凝膠光纖材料的制備方法，采用甲基丙烯酸酐對殼聚糖進行改性，將改性殼聚糖與丙烯酰胺混合，經(jīng)紫外光照射得到水凝膠纖維，隨后包裹聚丙烯酰胺溶液，得到所述殼聚糖基水凝膠光纖材料。

5、進一步地，包括以下步驟：

6、(1)將殼聚糖溶解在乙酸溶液中加熱，之后滴加甲基丙烯酸酐溶液，反應(yīng)結(jié)束后加入飽和碳酸氫鈉溶液進行中和，透析，凍干得到改性殼聚糖；

7、(2)將所述改性殼聚糖與丙烯酰胺、過硫酸銨溶解于水中得到混合液，將所述混合液攪拌反應(yīng)、超聲，得到水凝膠單體溶液；

8、(3)將所述水凝膠單體溶液注入到材料管中，并在紫外光照射下注射成膠，得到水凝膠纖芯；

9、(4)將所述水凝膠纖芯浸入聚丙烯酰胺溶液中，取出后得到所述殼聚糖基水凝膠光纖材料。

10、更進一步地，步驟(1)中，所述甲基丙烯酸酐與殼聚糖的摩爾比為(0.05～0.5)∶1，所述加熱的溫度為50～70℃，時間為4～6h。

11、更進一步地，步驟(1)中，所述乙酸溶液的濃度為0.5wt％～2.0wt％，將殼聚糖溶解在乙酸溶液中使得混合溶液中殼聚糖的濃度為0.5wt％～2.0wt％。

12、更進一步地，步驟(1)中，所述透析用透析袋的分子量為5000～10000da，透析時間為36～72h，所述凍干時間為36～72h。

13、更進一步地，步驟(2)中，所述混合液中，改性殼聚糖的濃度為1.0wt％～4.0wt％，丙烯酰胺的濃度為5wt％～15wt％，過硫酸銨的濃度為0.1wt％～0.5wt％。

14、更進一步地，步驟(2)中，所述攪拌反應(yīng)的條件為400～600rpm，時間為20～40min；所述超聲的頻率為30～50hz，時間為20～40min。

15、更進一步地，步驟(3)中，采用注射器將所述水凝膠單體溶液注入材料管中，在紫外光照射下成膠，之后將外層的材料管撕開，得到水凝膠纖芯。

16、更進一步地，所述材料管為直徑為1～2mm的聚四氟乙烯材料管；所述紫外光波長為360～450nm，照射時間為0.5～2h。

17、更進一步地，步驟(4)中，所述聚丙烯酰胺溶液是將丙烯酰胺與引發(fā)劑、交聯(lián)劑混合溶解于水中，并加入促進劑制備得到的。

18、更進一步地，所述聚丙烯酰胺溶液中丙烯酰胺的濃度為5wt％～20wt％，引發(fā)劑的濃度為0.1wt％～0.2wt％，交聯(lián)劑的濃度為0.01wt％～0.10wt％。

19、更進一步地，所述引發(fā)劑為過硫酸銨，所述交聯(lián)劑為n,n’-亞甲基雙丙烯酰胺，所述促進劑為n,n,n,n-四甲基乙二胺。

20、更進一步地，步驟(4)中，將所述水凝膠纖芯浸入聚丙烯酰胺溶液中反應(yīng)時間為1～3min，所制得的殼聚糖基水凝膠光纖材料的直徑為600～1200μm。

21、本發(fā)明的技術(shù)方案之二：

22、一種所述制備方法制備得到的殼聚糖基水凝膠光纖材料。

23、本發(fā)明的技術(shù)方案之三：

24、所述的殼聚糖基水凝膠光纖材料在腦機接口中的應(yīng)用。

25、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術(shù)效果：

26、(1)本發(fā)明采用甲基丙烯酸酐對殼聚糖進行改性得到水凝膠光纖的基體溶液，增強殼聚糖的反應(yīng)性能，獲得相更穩(wěn)定的力學(xué)性能，增強水凝膠光纖的穩(wěn)定性；并采用折光指數(shù)高的殼聚糖作為纖芯，力學(xué)性能優(yōu)異的丙烯酰胺作為包覆層，有效避免了大多數(shù)水凝膠的折射率不足導(dǎo)致較大的光損失的問題，提升水凝膠光纖的光學(xué)性能。

27、(2)本發(fā)明采用殼聚糖基水凝膠作為光纖材料，可提升腦機接口的生物相容性及生物可降解性，制備方法簡便易操作。