鎂離子對(duì)PVA/GG-Mg2+復(fù)合水凝膠的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的影響

王飛，白同春

（蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部，江蘇蘇州215123）

引 言

聚乙烯醇(PVA)是一種線性合成聚合物，重復(fù)結(jié)構(gòu)單元為—CH2CHOH—，通過聚醋酸乙烯酯的部分或全部水解除去醋酸酯基團(tuán)而得到。羥基化的量決定了聚乙烯醇的物理、化學(xué)性能和力學(xué)性能。PVA 水溶液通過物理、化學(xué)或輻射交聯(lián)可以得到PVA 水凝膠。以PVA 為基礎(chǔ)的水凝膠，在冷凍熔融循環(huán)過程中形成物理交聯(lián)，而不需要使用可能有毒化學(xué)交聯(lián)劑。水凝膠的高含水量和彈性特性使其比任何其他類型的合成生物材料更能模擬人體組織。因而PVA 為基礎(chǔ)的水凝膠是理想的生物應(yīng)用材料之一[1-2]。

聚乙烯醇水凝膠的應(yīng)用之一是關(guān)節(jié)軟骨的研究[2]，如在刺激半月板組織生長(zhǎng)方面顯示出良好的應(yīng)用前景。特別是物理交聯(lián)的PVA 水凝膠的黏彈性行為已被證明可與半月板相媲美[3]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，PVA 水凝膠半月板置入術(shù)2年后，膝關(guān)節(jié)軟骨狀態(tài)良好，PVA 水凝膠未見磨損、脫位、斷裂。這些結(jié)果證明了使用PVA 水凝膠人工半月板可以補(bǔ)償半月板的功能，具有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值[4]。

合成材料的優(yōu)點(diǎn)是能夠調(diào)整植入物的力學(xué)性能，使之與天然軟骨組織相匹配。然而，選擇這些合成材料用于生物組織還存在一些重要的問題，如機(jī)械阻力低、耐久性差；材料碎裂而引起刺激性，并造成軟骨軟化；與周圍組織難以結(jié)合；關(guān)節(jié)退化和磨損等，也限制了其在該領(lǐng)域的應(yīng)用[5-6]。力學(xué)性能差、缺乏生物相容性和相對(duì)生物惰性是阻礙骨修復(fù)材料應(yīng)用的主要因素。為改進(jìn)水凝膠的性能，許多研究者采用各種復(fù)合水凝膠的方法，特別是合成高分子與天然高分子或天然無機(jī)材料構(gòu)成復(fù)合水凝膠的方法，以提高其力學(xué)性能和生物相容性[7]。如用強(qiáng)力纖維增強(qiáng)聚乙烯醇水凝膠模仿天然半月板的力學(xué)特性[5]；制備PVA/PVP 和PVA/殼聚糖復(fù)合水凝膠協(xié)同作用的生物材料[8-9]；制備PVA/ PVP/ PAA(聚丙烯酸)-三網(wǎng)絡(luò)水凝膠拓寬水凝膠的應(yīng)用范圍，使其更適用于高摩擦系數(shù)和力學(xué)性能領(lǐng)域[10]；通過開發(fā)具有生物活性和生物相容性填料的復(fù)合水凝膠，如羥基磷灰石(HA)，可以解決黏附性差的問題[6]。PVA 與殼聚糖進(jìn)行物理交聯(lián)，構(gòu)建新型雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，通過表面礦化引入羥基磷灰石(HA)使水凝膠具有誘導(dǎo)大鼠骨髓干細(xì)胞(rBMSCs)分化的能力[11]。PVA 復(fù)合水凝膠還被應(yīng)用于藥物傳送的生物材料，如羧甲基纖維素(CMC)/聚乙烯醇(PVA)水凝膠膜，用于水溶性基礎(chǔ)藥物硫酸慶大霉素的傳送給藥[12]。

結(jié)冷膠(gellan gum,GG)來自鞘氨醇單胞菌伊樂藻屬植物(Pseudomonaseloden)，在中性條件下，以葡萄糖為碳源，硝酸銨為氮源，以及一些無機(jī)鹽所組成的培養(yǎng)基中，經(jīng)有氧發(fā)酵而產(chǎn)生。結(jié)冷膠為線性陰離子多糖聚合物，其基本結(jié)構(gòu)單元由四個(gè)糖分子：D-葡萄糖、D-葡萄糖醛酸、D-葡萄糖、L-鼠李糖，通過糖苷鍵依次連接而形成。其中葡萄糖醛酸可被鉀、鈉、鈣、鎂離子中和而成混合鹽。結(jié)構(gòu)如圖1 所示[13]。天然結(jié)冷膠含有兩個(gè)?；〈?，即L-甘油?；鸵阴；?。堿性水解除去兩個(gè)酰基得到脫乙?；Y(jié)冷膠，也稱為低?；Y(jié)冷膠。高酰基和低?；Y(jié)冷膠在水溶液中都可以形成水凝膠，膠凝過程和溫度有關(guān)，在水溶液中加熱至70oC 以上，然后冷卻，誘導(dǎo)其構(gòu)象由纏繞型向雙螺旋型轉(zhuǎn)變。天然膠得到軟而易變形的凝膠，而脫?；z產(chǎn)生硬而脆的凝膠。結(jié)冷膠在單價(jià)和多價(jià)陽離子存在的情況下具有親離子的凝膠化能力，可以降低膠凝溫度。結(jié)構(gòu)研究表明，對(duì)于天然膠，螺旋鏈外緣上的?；璧K了高分子鏈的進(jìn)一步聚合。而脫?；z使得陽離子可以方便地在兩個(gè)螺旋鏈間形成橋聯(lián)，這一過程導(dǎo)致支鏈網(wǎng)絡(luò)形成[14]。圖2 為結(jié)冷膠的膠凝過程示意圖。

結(jié)冷膠因其具有良好的生物相容性、化學(xué)修飾能力、經(jīng)濟(jì)、無毒、潛在的可生物降解性和原料易于獲得等特性而備受關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)技術(shù)[14]。結(jié)冷膠水凝膠由于其可調(diào)節(jié)的機(jī)械和物理化學(xué)性質(zhì)，與細(xì)胞外基質(zhì)ECM 有許多相似之處，近期又被推廣應(yīng)用于醫(yī)藥、生物材料等領(lǐng)域[15-20]。將PVA 和GG 混合制備成復(fù)合水凝膠，具有性能互補(bǔ)的可能性。不同的陽離子對(duì)結(jié)冷膠的作用程度不同，導(dǎo)致水凝膠的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)和保水性存在差異。在PVA/GG 復(fù)合水凝膠制備過程中添加適當(dāng)?shù)慕饘匐x子，可以起到調(diào)控結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的作用。二價(jià)離子特別是Ca2+對(duì)GG 水凝膠的制備、結(jié)構(gòu)、性能的影響均有報(bào)道，而且應(yīng)用也較多，其關(guān)注點(diǎn)多有不同，如食品、藥物載體等[15-16,19-21]。系統(tǒng)地比較離子對(duì)水凝膠軟骨替代和修復(fù)材料物理化學(xué)性能的影響的研究還比較缺乏。

圖1 天然結(jié)冷膠(a)和低?；Y(jié)冷膠(b)重復(fù)單元的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of repeat unit of native(a)and low-acyl(b)form of gellan gum

圖2 結(jié)冷膠在水溶液中的膠凝過程示意圖Fig.2 Gradual transformation of gellan gum from aqueous solution

作者[22-23]曾經(jīng)嘗試在PVA/GG 復(fù)合水凝膠制備過程添加Ca2+和Al3+，結(jié)果顯示這些離子對(duì)水凝膠都有結(jié)構(gòu)促進(jìn)、力學(xué)性能增強(qiáng)的效應(yīng)。為進(jìn)一步比較二價(jià)正離子的影響，本文探討Mg2+對(duì)PVA/GG復(fù)合水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、力學(xué)、物理化學(xué)等性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 試劑

聚乙烯醇(PVA)，[C2H4O]n，分子量約為74800～79200，平均聚合度1750，含量≥99.0%。六水氯化鎂，MgCl2·6H2O，分子量203.211，干燥后用于配制MgCl2水溶液。上述藥品購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

商品結(jié)冷膠為純化的低?；Y(jié)冷膠，其分子量為2×105～3×105，購(gòu)自濟(jì)南德克生物技術(shù)有限公司。

實(shí)驗(yàn)室配制磷酸鹽緩沖溶液(PBS)，磷酸鹽濃度為0.01 mol·dm-3，pH 7.2～7.4。水為二次蒸餾水。

1.2 復(fù)合水凝膠的制備

采用循環(huán)冷凍-解凍物理交聯(lián)法制備PVA、PVA/GG和PVA/GG-Mg2+復(fù)合水凝膠。

PVA/GG-Mg2+復(fù)合水凝膠的制備：取適量的PVA 溶解于90℃的蒸餾水中，溶液PVA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在10%，然后向PVA 溶液中添加GG。分別配制幾個(gè)不同GG 含量（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%）的PVA/GG 溶液，用于比較GG 含量的影響。90℃繼續(xù)攪拌4 h，再向溶液中滴加MgCl2溶液(各溶液均控制MgCl2為0.1%(質(zhì)量))。繼續(xù)攪拌2 h后，降溫至75oC，恒溫30 min，再將溶液置于模具中成型。將模具溶液置于室溫下冷卻1 h后，再置于冰箱冷凍箱中在-10oC 以下冷凍10 h。取出樣品，在室溫下解凍2 h，然后再反復(fù)冷凍-解凍7次后，將樣品放入蒸餾水中以去除未交聯(lián)的組分。于是獲得PVA/GG-Mg2+復(fù)合水凝膠，將其標(biāo)記為PVA/GG(x)-Mg2+，x為GG 的百分含量，如GG 含量為0.5%，則所得水凝膠標(biāo)記為PVA/GG(0.5)-Mg2+。

以相同條件制備PVA 和PVA/GG 水凝膠。PVA和GG 的溶液含量與上述水凝膠相同，所得水凝膠標(biāo)記為PVA/GG(x)，x為GG 的百分含量，如GG 含量為0.5%，則所得水凝膠標(biāo)記為PVA/GG(0.5)。

1.3 凝膠水含量的測(cè)定

取PVA、PVA/GG(x)和PVA/GG(x)-Mg2+水凝膠樣品，用濾紙吸附除去表面水分，天平稱重得其質(zhì)量為m。然后將樣品放入真空干燥箱，60oC 真空干燥36 h 以上直至恒重，獲得干凝膠質(zhì)量為m0，凝膠中的水含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為

1.4 掃描電子顯微鏡

將水凝膠樣品放入蒸餾水中，在室溫下溶脹至平衡。再將樣品放入液氮中冷凍2 min 后放入真空干燥箱中干燥。待水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的水完全揮發(fā)后，在其斷面噴鉑5 min，使用冷卻發(fā)散掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品斷面形貌。儀器型號(hào)：Hitachi 4700 instrument(日本日立)。

1.5 X-射線粉末衍射

將真空干燥后的PVA、GG、PVA/GG、PVA/GGMg2+樣品磨成粉末狀，載玻片壓片制樣，將載玻片放入X 射線粉末衍射儀進(jìn)行測(cè)試。儀器型號(hào)：X'Pert PRO MPD (PANalytical 公司)。操作參數(shù)CuKα，λ=0.15406 nm；衍射角度范圍5°＜2θ＜80°；步長(zhǎng)寬度0.026°。

1.6 傅里葉紅外光譜分析

將真空干燥后的PVA、GG、PVA/GG、PVA/GGMg2+樣品研磨成粉，將粉末與KBr 粉末混合研磨，壓片，紅外光譜掃描。儀型號(hào)：6700 紅外光譜儀，美國(guó)Nicolet。掃描波數(shù)范圍：400～4000 cm-1。

1.7 流變性能測(cè)定

Haake 旋 轉(zhuǎn) 流 變 儀，型 號(hào)：RS6000，德 國(guó)Karlsruhe 熱電公司。振蕩頻率掃描測(cè)試水凝膠的流變性能，頻率掃描設(shè)置：測(cè)試溫度37oC，施加剪切力τ為1 Pa，角頻率ω從0.1 rad·s-1升至100 rad·s-1，即頻率f從0.159 Hz 升至15.92 Hz，測(cè)試的間隙尺寸為0.5 mm，記錄儲(chǔ)存模量G'。

1.8 拉伸強(qiáng)度測(cè)試

儀器：微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)WDT-20，深圳市凱強(qiáng)利實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。樣品置于37℃水中至溶脹平衡后，室溫下測(cè)試PVA、PVA/GG和PVA/GG-Mg2+復(fù)合水凝膠拉伸強(qiáng)度。試樣形狀為矩形，寬10 mm，厚度2 mm，標(biāo)距為50 mm，試樣以10 mm·min-1的速度進(jìn)行拉伸。

1.9 DSC測(cè)熔融焓

差示掃描量熱儀DSC，型號(hào)DSC-204F1，德國(guó)耐馳(NETSCH)公司。儀器經(jīng)高純銦校正溫度和熱流。將水凝膠置于真空干燥箱中，60℃真空干燥36 h 以上獲得干凝膠。稱取5 mg 左右干凝膠(精度為0.01 mg)，填裝在具有扎孔蓋子的鋁制坩堝中，用相同類型的空坩堝作為參比，做DSC 測(cè)定。用高純氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣和吹掃氣，氣流速度分別為20 和70 ml·min-1。以5 K·min-1程序升溫速率從室溫升至350oC，獲得樣品的熔融溫度、熔融焓和分解溫度。

1.10 失水動(dòng)力學(xué)的DSC測(cè)定

儀器：DSC-204F1。將水凝膠樣品浸泡在蒸餾水中至溶脹平衡，用微量天平準(zhǔn)確稱取5 mg 水凝膠，精度0.00001 g。將待測(cè)樣品裝填于具孔蓋鋁質(zhì)坩堝中，用相同材質(zhì)空坩堝為參比。高純氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣和吹掃氣，氣體流速分別為20 和70 ml·min-1。采用不同的升溫速率加熱樣品，β=1,2,3,4,5 K·min-1。在室溫～400 K 區(qū)間獲得DSC 圖譜，用等轉(zhuǎn)化率法處理不同升溫速率的DSC 曲線以獲得失水動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

1.11 溶脹動(dòng)力學(xué)測(cè)定

水凝膠在60℃真空干燥36 h 以上至恒重，得質(zhì)量為m0的干凝膠。將干凝膠分別浸泡在磷酸鹽緩沖溶液(PBS)和蒸餾水中并于t(min)后取出，用濾紙吸干凝膠表面殘余水分后進(jìn)行稱重，記錄不同溶脹時(shí)間的凝膠的質(zhì)量m(t)，直至溶脹平衡。根據(jù)m(t)-t數(shù)據(jù)，得到其含水量W(t)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))隨時(shí)間t的變化曲線。其中

2 結(jié)果與討論

2.1 水凝膠含水量

水凝膠的含水量是一個(gè)重要的參考量，它在一定程度上可以反映出水凝膠的網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)大小[24]。生物材料的應(yīng)用范圍不同，所需的含水量數(shù)值也有差異[25-26]。圖3表示了水凝膠中GG含量(WGG)變化對(duì)水凝膠含水量W的影響，可見：(1) 無論是PVA/GG(x)還是PVA/GG(x)-Mg2+，它們均表現(xiàn)出W隨GG 含量增大而增加的現(xiàn)象，即GG 促使水凝膠空隙更大。(2)相比PVA/GG(x)，PVA/GG(x)-Mg2+的含水量較小。結(jié)冷膠的存在阻止了PVA鏈間的相互纏結(jié)和PVA 自身氫鍵的形成，破壞了PVA 水凝膠原有的微晶區(qū)[1]，使空隙增大；另一方面，結(jié)冷膠與水有較強(qiáng)的相互作用，因而具有很高的保水性[27]。這些因素使得GG 促使PVA/GG 水凝膠的含水量增加。系統(tǒng)引入鎂離子不僅可以在兩條GG 鏈間形成橋聯(lián)，還能與結(jié)冷膠上的羧基形成較強(qiáng)的離子鍵，屏蔽掉結(jié)冷膠自身的靜電排斥作用[14]，使得PVA/GG-Mg2+復(fù)合水凝膠的鏈結(jié)更加緊密，含水量比PVA/GG水凝膠有所降低。

圖3 具有不同GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)(WGG)的水凝膠的水含量(W)Fig.3 Water content W for hydrogels with different mass fraction of GG(WGG)

2.2 SEM

圖4 分別為PVA、PVA/GG(2.0)和PVA/GG(2.0)-Mg2+復(fù)合水凝膠經(jīng)冷凍干燥后的斷面形貌。三個(gè)水凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)不同。相對(duì)于純PVA 水凝膠[圖4(a)]，PVA/GG(2.0)[圖4(b)]的孔隙更大。圖4(c)顯示PVA/GG(2.0)-Mg2+水凝膠的孔隙相比PVA/GG(2.0)更加規(guī)整致密。這些結(jié)構(gòu)形貌印證了對(duì)水凝膠的含水量和空隙結(jié)構(gòu)的分析。

2.3 XRD

圖5 為GG 粉末、干燥后的PVA 凝膠粉末、PVA/GG(2.0)和PVA/GG(2.0)-Mg2+凝膠粉末的XRD 譜圖。GG 在2θ=19.2°和22.2°處出現(xiàn)兩個(gè)緩包峰。有文獻(xiàn)認(rèn)為：這表明GG 從一個(gè)類晶體的有序結(jié)構(gòu)固體轉(zhuǎn)變成一種無定形凝膠狀態(tài)[28-29]。PVA 具有晶型結(jié)構(gòu)，在2θ=19.6°處有一尖峰，在2θ=40.4°處有一小峰[30]。對(duì)于復(fù)合水凝膠PVA/GG(2.0)和PVA/GG(2.0)-Mg2+，由于結(jié)冷膠的含量較少，PVA 晶型峰仍然存在，但鎂離子的加入使得PVA/GG(2.0)-Mg2+中PVA 晶型峰的強(qiáng)度有明顯減弱。無論P(yáng)VA/GG(2.0)凝膠和PVA/GG(2.0)-Mg2+凝膠，都沒有看到新的晶型峰形成。參與形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的PVA 呈現(xiàn)非晶型。未參與形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的PVA 保持其原有晶型。結(jié)晶峰減弱表示其結(jié)晶度減小，說明有更多的PVA 從純組分晶型改變?yōu)榉蔷偷逆湢罱Y(jié)構(gòu)，即鎂離子與GG 的作用使得更多的PVA 參與形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖4 水凝膠的SEM圖Fig.4 SEM micrographs of hydrogels

圖5 GG粉末和干凝膠的XRD譜圖Fig.5 XRD patterns of GG powder and vacuum dried gels

2.4 FT-IR

圖6 為結(jié)冷膠粉末、干燥后的PVA 凝膠、PVA/GG(2.0)干凝膠和PVA/GG(2.0)-Mg2+干凝膠的FT-IR譜圖。有關(guān)基團(tuán)的特征峰數(shù)據(jù)以及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)列于表1。

糖類半縮醛(C—O—C)特征振動(dòng)峰位于1033 cm-1處，而PVA 的C—O—C 特征振動(dòng)峰則位于1093 cm-1處。在PVA/GG 和PVA/GG-Mg2+圖中仍能看到這兩個(gè)峰，二者相重疊形成一個(gè)寬峰，這可以看成是PVA 和GG 氫鍵交聯(lián)形成的特征峰。PVA/GG 和PVA/GG-Mg2+相比，差異并不顯著。

圖6 干凝膠和GG粉末的FT-IR圖譜Fig.6 FT-IR spectrum of dried gels and GG powder

PVA 的—CH2—彎曲振動(dòng)峰位于1454 cm-1，而GG的—CH2—彎曲振動(dòng)峰則位于1413 cm-1，在PVA/GG和PVA/GG-Mg2+圖中兩個(gè)峰重疊形成一個(gè)寬峰。PVA/GG 和PVA/GG-Mg2+相比，后者在1413 cm-1的峰有所減弱，而PVA 的1454 cm-1峰尖銳程度有所增強(qiáng)，這可能是離子交聯(lián)兩條GG 螺旋鏈所產(chǎn)生的效果。

2.5 流變性能

利用振蕩流變儀在低頻率范圍對(duì)PVA、PVA/GG(2.0)、PVA/GG(x)-Mg2+復(fù)合水凝膠的力學(xué)性能進(jìn)行研究。圖7 為各復(fù)合水凝膠的儲(chǔ)存模量G?隨凝膠組分的變化情況。結(jié)果顯示：(1)對(duì)于所有水凝膠樣品，儲(chǔ)存模量幾乎不隨頻率變化，反映出在低頻條件下它們力學(xué)性質(zhì)都較穩(wěn)定。(2)復(fù)合水凝膠PVA/GG(2.0)的儲(chǔ)存模量G?為60 kPa，這個(gè)值略大于PVA的儲(chǔ)存模量。這與兩個(gè)因素有關(guān)：一是結(jié)冷膠的存在破壞了PVA 原有的微晶區(qū)和PVA 自身的氫鍵，另一方面，結(jié)冷膠上有大量羥基和羧基，可以與PVA上的羥基形成氫鍵。這兩個(gè)因素的共同作用導(dǎo)致PVA/GG(2.0)與PVA 水凝膠的儲(chǔ)存模量變化不大。(3)系統(tǒng)引入Mg2+后，PVA/GG(x)-Mg2+復(fù)合水凝膠的儲(chǔ)存模量隨著結(jié)冷膠的含量的增加而增加。PVA/GG(2.0)-Mg2+復(fù)合水凝膠的儲(chǔ)存模量G?是110 kPa，大約是是純PVA 水凝膠儲(chǔ)存模量的3 倍，這一顯著變化歸因于Mg2+的作用[31]。儲(chǔ)存模量高說明材料的彈性好，材料存儲(chǔ)彈性變形能量的能力強(qiáng)，應(yīng)力去除后回復(fù)原來形變的能力強(qiáng)[32-33]。

表1 PVA和GG有關(guān)基團(tuán)的FT-IR特征峰數(shù)據(jù)Table 1 FT-IR characteristic peaks of groups in PVA and GG

圖7 儲(chǔ)存模量G?隨振蕩頻率f的變化Fig.7 Storage modulus G?versus oscillation frequency f

2.6 拉伸性能

圖8 表示PVA、PVA/GG(2.0)和PVA/GG(2.0)-Mg2+水凝膠的拉伸力學(xué)性質(zhì)。PVA 和PVA/GG(2.0)的最大拉伸強(qiáng)度約為4.2 MPa，而PVA/GG(2.0)-Mg2+最大拉伸強(qiáng)度約為5.9 MPa，比純PVA 水凝膠拉伸強(qiáng)度有所增加。人的關(guān)節(jié)軟骨的平均拉伸強(qiáng)度約為5.8 MPa，所以PVA/GG(2.0)-Mg2+復(fù)合水凝膠可以達(dá)到組織工程中關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)要求?？梢奙g2+參與交聯(lián)顯著改善了水凝膠的力學(xué)性能。

2.7 干凝膠的熱分析

圖8 水凝膠的拉伸強(qiáng)度Fig.8 Tensile strength of hydrogels

圖9 為PVA、PVA/GG(x)和PVA/GG(x)-Mg2+干凝膠的DSC 圖。在實(shí)驗(yàn)溫度區(qū)間，各個(gè)樣品均有兩個(gè)吸熱峰，分別對(duì)應(yīng)于凝膠中PVA 的熔融和凝膠的熱分解。表2 列出了各個(gè)凝膠的熔融焓(ΔmeltH)、熔融溫度(Tm)和熱分解溫度(Td)。結(jié)果顯示：(1)各樣品的熔融溫度(Tm)幾乎相同，但低于純PVA 凝膠的數(shù)值。這個(gè)峰實(shí)質(zhì)上是各個(gè)樣品中PVA 組分的結(jié)晶熔融性質(zhì)的表現(xiàn)。Tm低于純PVA 的數(shù)值是溶液依數(shù)性凝固點(diǎn)降低的表現(xiàn)。(2)熔融焓(ΔmeltH)和凝膠中PVA的含量有關(guān)，ΔmeltH隨WPVA減小而減??；PVA/GG(x)-Mg2+和PVA/GG(x)相比，其ΔmeltH更低。即GG與離子的作用導(dǎo)致更多的PVA 發(fā)生了晶型轉(zhuǎn)換。(3)各凝膠的熱分解溫度Td是分解峰的起始溫度。數(shù)據(jù)顯示PVA/GG(x)的分解溫度略微低于純PVA 凝膠，且隨WPVA減小而減小，符合依數(shù)性的關(guān)系；而PVA/GG(x)-Mg2+的分解溫度明顯高于純PVA 凝膠，且隨WPVA減小而增大。說明GG 與離子的作用導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性更好。

由于PVA 具有結(jié)晶焓，凝膠中PVA 的結(jié)晶度fc可以用熔融焓表示，定義為

式中，ΔmeltH為樣品的熔融焓；ΔmeltHo為完全結(jié)晶的PVA 的熔融焓，其值為138.6 J·g-1，來自于文獻(xiàn)[34]；WPVA為干凝膠中PVA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；fc(DSC)表示DSC 法測(cè)定的結(jié)晶度，數(shù)據(jù)列于表2。結(jié)晶度減小，意味著更多的PVA 由結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)而與GG形成交聯(lián)。這與力學(xué)性能增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)孔腔增大且規(guī)整，含水量增加等現(xiàn)象相符。

本文討論水凝膠主要用于模擬關(guān)節(jié)軟骨，其使用溫度是常溫，遠(yuǎn)低于其熱分解溫度。由于文中采用了DSC 方法分析動(dòng)態(tài)失水過程動(dòng)力學(xué)，有必要考察在實(shí)驗(yàn)溫度范圍是否會(huì)導(dǎo)致干凝膠分解，故需干凝膠熱分解溫度作參考，以控制實(shí)驗(yàn)溫度上限。DSC 分析干凝膠所獲得的PVA 結(jié)晶度與水凝膠應(yīng)用有關(guān)，它是考察PVA 晶態(tài)改變的數(shù)據(jù)，也是反映PVA 參與GG 復(fù)合的程度的數(shù)據(jù)。所以獲取熱分析數(shù)據(jù)的目的在于①獲取PVA 的晶型變化的信息；②為獲取水的流失的信息做準(zhǔn)備。

圖9 干凝膠的DSC圖譜Fig.9 DSC thermograms of vacuum dried gels

2.8 水凝膠的失水動(dòng)力學(xué)

失水活化能反映了水凝膠網(wǎng)絡(luò)對(duì)水的束縛能量。文獻(xiàn)報(bào)道正常軟骨組織失水活化能為41.89 kJ·mol-1，病變軟骨失水活化能高達(dá)52.49 kJ·mol-1，軟骨組織失水速率依賴于軟骨中剩余水含量，病變的軟骨組織由于失水而變得更加密集，對(duì)水分有更大束縛力[35]。

DSC方法測(cè)定的水凝膠失水活化能屬于非等溫動(dòng)力學(xué)過程活化能。實(shí)驗(yàn)測(cè)定一組不同升溫速率的DSC 熱失水曲線，利用等溫轉(zhuǎn)化法處理DSC 數(shù)據(jù)而得到失水活化能。圖10 為PVA、PVA/GG(2.0)和PVA/GG(2.0)-Mg2+水凝膠在不同升溫速率(β=1,2,3,4,5 K·min-1)下的熱失水DSC圖譜。

Kissinger-Akahira-Sunose (KAS)提出了等轉(zhuǎn)化率法求解熱分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)DSC 數(shù)據(jù)處理方法，這是一個(gè)被廣泛采用和推薦的方法[36]。對(duì)于升溫速率為βi的DSC 曲線，當(dāng)其轉(zhuǎn)化率為α?xí)r，對(duì)應(yīng)的反應(yīng)溫度為Tα,i，它們之間的關(guān)系為

表2 真空干燥的PVA、PVA/GG（x）和PVA/GG（x）-Mg2+干凝膠的熔融溫度Tm、熔融焓ΔmeltH、熱分解溫度Td和結(jié)晶度fc（DSC）Table 2 Melting temperature Tm，melting enthalpy ΔmeltH，decomposition temperature Td，and degree of crystallinity fc（DSC）for vacuum dried gels of PVA，PVA/GG（x）and PVA/GG（x）-Mg2+

對(duì)于同一轉(zhuǎn)化率α，存在一組β值不同的DSC曲線，對(duì)應(yīng)存在一組βi和Tα,i數(shù)據(jù)，它們滿足式(4)所示線性關(guān)系，其斜率為非等溫?zé)岱纸膺^程的活化能Ea。如果改變轉(zhuǎn)化率，相應(yīng)的活化能也會(huì)發(fā)生改變。通常的辦法是考察在一定的轉(zhuǎn)化率區(qū)間內(nèi)，活化能隨轉(zhuǎn)化率的變化情況。

圖11表示了用KAS方法處理得到的結(jié)果：轉(zhuǎn)化率 區(qū) 間α=0.05～0.95，PVA/GG(2.0)、PVA/GG(2.0)-Mg2+和PVA 水凝膠的失水活化能Ea隨α的變化。為考察水凝膠失水與液態(tài)水汽化的差異，將純水汽化過程的活化能曲線也繪入圖中以做比較。

圖11 結(jié)果表示：(1) 活化能隨轉(zhuǎn)化率的增大而減小。DSC 熱分解反應(yīng)為非等溫過程，低轉(zhuǎn)化率發(fā)生在較低溫度區(qū)間，高轉(zhuǎn)化率發(fā)生在較高溫度區(qū)間。故會(huì)出現(xiàn)Ea隨α增大而減小的現(xiàn)象。通常的解決方案是求一定α區(qū)間的Ea平均值。對(duì)于本文研究的體系，當(dāng)α＞0.4 后，活化能變化很小。(2)水凝膠的活化能明顯高于水汽化的活化能。水凝膠的失水機(jī)理不同于水的氣化，它包含了水在高分子網(wǎng)絡(luò)空隙中的擴(kuò)散和液態(tài)水的汽化兩個(gè)過程，其中水的擴(kuò)散受水凝膠支架和水的相互作用的影響較大。(3) 三個(gè)水凝膠的Ea大小順序?yàn)椋篜VA ＞PVA/GG(2.0)-Mg2+＞PVA/GG(2.0)，但三者相差不大。(4) 在轉(zhuǎn)化率α= 0.4～0.8 區(qū)間，活化能隨α變化很小，選擇在此區(qū)間求活化能的平均值作為水凝膠的平均活化能。則有：PVA，Ea=52.9 kJ·mol-1；PVA/GG(2.0)-Mg2+，Ea=52.2 kJ·mol-1；PVA/GG(2.0)，Ea=50.8 kJ·mol-1。

圖10 在不同升溫速率下水凝膠失水過程的DSC曲線Fig.10 DSC curves at different heating rates for dehydration of hydrogels

圖11 水凝膠失水活化能Ea隨轉(zhuǎn)化率α的變化關(guān)系Fig.11 Dependence of activation energy of hydrogel dehydration Ea on conversion α

將水凝膠熱失水過程視為由兩個(gè)步驟組成：水在水凝膠中的擴(kuò)散和液態(tài)水的汽化，其中水的擴(kuò)散受水凝膠支架和水的相互作用的影響較大。水凝膠的熱失水活化能Ea(hydrogel)與液態(tài)純水的熱失水活化能Ea(liq,water)之差ΔEa可以視為水在水凝膠中的擴(kuò)散活化能。

ΔEa隨轉(zhuǎn)化率的變化如圖12 所示。結(jié)果顯示：水的擴(kuò)散活化能隨轉(zhuǎn)化率(失水率)的增大而減小，且其在PVA 水凝膠中的擴(kuò)散活化能要高于其在PVA/GG(2.0)-Mg2+和PVA/GG(2.0)復(fù)合水凝膠中。在α=0.4～0.8 區(qū)間求其平均值，則有：PVA/GG(2.0)，ΔEa=12.8 kJ·mol-1；PVA/GG(2.0)-Mg2+，ΔEa=14.4 kJ·mol-1；PVA，ΔEa=15.2 kJ·mol-1。顯然，離子的加入使水?dāng)U散遷移出凝膠空隙的速率變慢。

圖12 水凝膠中水的擴(kuò)散活化能隨轉(zhuǎn)化率α的變化Fig.12 Dependence of water diffusion activation energy on α in hydrogels

2.9 溶脹動(dòng)力學(xué)

聚合物水凝膠的溶脹行為提供了關(guān)于高分子鏈的構(gòu)象變化和水凝膠網(wǎng)絡(luò)的體積變化的信息[24]。溶脹動(dòng)力學(xué)參數(shù)包括平衡水含量We和溶脹速率常數(shù)k。平衡水含量表示了水凝膠內(nèi)部可以容納水分子的空間大小，溶脹速率常數(shù)表示了水凝膠溶脹吸收能力的大小，它們與水和凝膠支架間的相互作用相關(guān)。溶脹速率通?？捎枚?jí)動(dòng)力學(xué)方程表示[37]

其中，W是水凝膠在溶脹時(shí)間t時(shí)刻的水含量；We是平衡水含量；k是溶脹速率常數(shù)。積分后得

取相同質(zhì)量的PVA、PVA/GG 和PVA/GG-Mg2+干凝膠，分別浸于37℃的PBS 和蒸餾水中進(jìn)行溶脹測(cè)試。圖13 給出了PVA/GG(x)在水中的溶脹曲線，其他凝膠的溶脹曲線有相似的形狀。圖13 表示：在溶脹初期，水凝膠的吸水速率很快；隨溶脹時(shí)間延長(zhǎng)，吸水速率逐漸減緩，經(jīng)很長(zhǎng)一段時(shí)間后達(dá)到溶脹平衡。用非線性最小二乘法擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得到溶脹動(dòng)力學(xué)參數(shù)(We和k)，結(jié)果見圖14 和圖15。

圖13 PVA/GG(x)凝膠在水中的溶脹曲線Fig.13 Swelling curves for gels of PVA/GG(x)in water

平衡水含量We與溶脹速率常數(shù)k隨凝膠中GG含量而變化。圖14 和圖15 結(jié)果顯示：(1)在PBS 緩沖溶液中，各凝膠的We和k的值都要低于其在水中的值。這可能與溶液的鹽析效應(yīng)以及電解質(zhì)的滲透壓等因素有關(guān)。(2)各凝膠的We和k隨GG 含量(WGG，質(zhì)量分?jǐn)?shù))增加而增加。這意味著，GG 能提高水凝膠的持水量。(3)PVA/GG(x)-Mg2+和PVA/GG(x)相比，前者的We和k要低于后者?？梢越忉尀椋篜VA/GG(x)-Mg2+具有更為規(guī)整致密的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致孔腔體積減小，水的擴(kuò)散進(jìn)入變慢，吸附速率減小。

圖14 平衡水含量(We)與GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)(WGG)的關(guān)系Fig.14 Dependence of equilibrium water content(We)on mass fraction of GG(WGG)

圖15 溶脹速率常數(shù)(k)與GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)(WGG)的關(guān)系Fig.15 Dependence of kinetic rate constant(k)on mass fraction of GG(WGG)

2.10 Ca2+、Mg2+、Al3+對(duì)PVA/GG 水凝膠性質(zhì)的影響

將本文結(jié)果與前期有關(guān)Ca2+、Al3+參與復(fù)合的PVA/GG 水凝膠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，相關(guān)參數(shù)列于表3中。

由表中數(shù)據(jù)可見，離子參與交聯(lián)，導(dǎo)致PVA/GG水凝膠的含水量略有減少，結(jié)構(gòu)更加規(guī)整致密；導(dǎo)致凝膠的溶脹平衡含水量降低，水分子擴(kuò)散速率降低；力學(xué)參數(shù)發(fā)生較大變化，拉伸強(qiáng)度增大，存儲(chǔ)模量增大；PVA 的結(jié)晶度顯著減小，即更多PVA 由晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)而參與復(fù)合；水?dāng)U散活化能增加，這也是導(dǎo)致水?dāng)U散速率減小的原因之一。三個(gè)離子產(chǎn)生的效應(yīng)很相似，但也略有差異。在力學(xué)參數(shù)上，Al3+的影響出現(xiàn)最大值不是在PVA/GG(2.0)-Al3+，而是在PVA/GG(1.5)-Al3+。

根據(jù)上述分析，提出PVA/GG(2.0)-Mz+復(fù)合水凝膠相互作用機(jī)理示意圖(圖16)。其中顯示了離子對(duì)GG雙鏈的橋聯(lián)作用，以及GG和PVA的氫鍵作用。

表3 PVA/GG（2.0）-Mz+復(fù)合水凝膠若干參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison for properties of PVA/GG（2.0）-Mz+composite hydrogels

圖16 PVA/GG(2.0)-Mz+復(fù)合水凝膠相互作用機(jī)理Fig.16 Schematic diagram of interaction mechanism of PVA/GG-Mz+hydrogel

3 結(jié) 論

通過循環(huán)冷凍-解凍的方法制備PVA/GG(x)-Mg2+復(fù)合水凝膠。通過對(duì)水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、力學(xué)、物理化學(xué)性質(zhì)的研究，觀察到：PVA/GG(x)-Mg2+具有規(guī)整致密的三維結(jié)構(gòu)，保持較大的孔隙率，具有相對(duì)較高的拉伸強(qiáng)度和黏彈性儲(chǔ)能模量，熱穩(wěn)定性增強(qiáng)。溶脹動(dòng)力學(xué)結(jié)果表示：PVA/GG(x)-Mg2+具有更為規(guī)整致密的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致孔腔體積減小，水的擴(kuò)散進(jìn)入變慢，吸附速率減小。失水動(dòng)力學(xué)結(jié)果顯示：水的擴(kuò)散活化能隨轉(zhuǎn)化率(失水率)的增大而減小，且其在PVA 水凝膠中的擴(kuò)散活化能要高于其在PVA/GG(2.0)-Mg2+和PVA/GG(2.0)復(fù)合水凝膠中。而離子的加入使水?dāng)U散遷移出PVA/GG 水凝膠空隙的速率變慢。溶脹和失水的動(dòng)力學(xué)結(jié)果相吻合，即離子使水凝膠的保水性增強(qiáng)。這與Mg2+和GG 的相互作用導(dǎo)致高分子交聯(lián)程度增強(qiáng)有關(guān)。GG 和離子的相互作用可以顯著改變生物組織材料的結(jié)構(gòu)和性能，對(duì)于PVA/GG 水凝膠，Mg2+、Ca2+、Al3+有相似的影響作用。