明膠/聚丙烯酸/聚N-異丙基丙烯酰胺高強(qiáng)度形狀記憶水凝膠的輻射合成及其性能

陳 墾 彭 靜 李久強(qiáng) 翟茂林

（北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院 北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心 放射化學(xué)與輻射化學(xué)重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 北京100871）

形狀記憶聚合物（Shape-memory polymers，SMPs）是指具有保持臨時(shí)變形形狀的能力，當(dāng)受到外界刺激（如溫度、光照、磁場(chǎng)、pH 等）后，可以恢復(fù)到初始形狀，從而表現(xiàn)出對(duì)初始形狀具有記憶功能的一類智能高分子材料［1］。而形狀記憶水凝膠（Shape-memory hydrogels，SMHs）作為SMPs的一個(gè)分支，在生物組織、藥物控釋等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，具有其他形狀記憶聚合物無(wú)法替代的先天優(yōu)勢(shì)：（1）基于水凝膠優(yōu)良的透光性和對(duì)小分子的透過(guò)性，其在光、pH 和離子的刺激響應(yīng)領(lǐng)域應(yīng)用更廣泛［2］；（2）與人體內(nèi)部相似的環(huán)境賦予其更好的生物相容性，相對(duì)更溫和的刺激響應(yīng)條件，更高的柔韌度。因此，基于SMHs潛在的高應(yīng)用價(jià)值，其近年來(lái)受到了越來(lái)越多的關(guān)注［3-4］。一般而言，將具有超分子相互作用（氫鍵、主客體相互作用、金屬配位作用等）或具有動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵（硼酸二酯鍵、希夫堿等）的側(cè)鏈基團(tuán)引入凝膠中，就可以賦予水凝膠形狀記憶功能［5］。如Feng 等［6］利用酰胺類聚合物的分子內(nèi)氫鍵和分子間氫鍵共同構(gòu)建凝膠網(wǎng)絡(luò)，使其具有溫度刺激的響應(yīng)循環(huán)；Feng 等［7］利用光引發(fā)化學(xué)物質(zhì)分解來(lái)調(diào)控溶液pH，從而影響金屬和配體的螯合作用，巧妙設(shè)計(jì)了紫外光刺激響應(yīng)的SMHs；Lu 等［8］通過(guò)將不同的DNA 單鏈接枝在丙烯酰胺上形成基于堿基序列配對(duì)的形狀記憶凝膠，對(duì)K+有獨(dú)特的刺激響應(yīng)性。

如上所述，基于不同的功能基團(tuán)，SMHs可以對(duì)不同類別的外界刺激做出響應(yīng)。其中，溫度刺激響應(yīng)由于具有出色的響應(yīng)速率（一般在幾十秒內(nèi)）、極高的形狀固定率（Rf）和形狀恢復(fù)率（Rr），而被廣泛和深入研究［9-11］。但是，如果將溫敏水凝膠應(yīng)用到醫(yī)療衛(wèi)生、生物組織等領(lǐng)域，目前還面臨著諸如單體成本過(guò)高、刺激方式單一，機(jī)械強(qiáng)度差等難題。因此低成本、多重響應(yīng)且高強(qiáng)度的新型SMHs亟待探索研究。

另一方面，采用γ射線輻射聚合交聯(lián)合成水凝膠已經(jīng)成為制備傳統(tǒng)水凝膠的主流方法之一［12-15］，但目前尚未看到有關(guān)于輻照法制備高強(qiáng)度SMHs的報(bào)道。與現(xiàn)有的化學(xué)合成法制備SMHs相比，輻照法具有反應(yīng)條件溫和、體系純凈（不需要引發(fā)劑）、反應(yīng)條件可控、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，并且高能射線天然具備殺菌清潔的效果，與SMHs用于生物組織工程或體內(nèi)藥物釋放的應(yīng)用高度契合，非常適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。由于γ射線穿透性好，可制備各種體積、形狀的凝膠。與紫外光輻照法相比，也無(wú)需光引發(fā)劑，射線穿透力更強(qiáng)，合成材料的結(jié)構(gòu)更均勻［16］，因此，研究γ射線輻射聚合交聯(lián)合成高強(qiáng)度SMHs具有重要意義。

本研究利用明膠自身升-降溫的螺旋-解旋特性，以及聚丙烯酸（PAAc）和聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAm）之間的羧基、胺基所形成的多重氫鍵，通過(guò)兩步輻照法，以N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）為交聯(lián)劑，制備同時(shí)具有溫度響應(yīng)、pH響應(yīng)和高機(jī)械強(qiáng)度的SMHs。

1 材料與方法

1.1 原料

明膠（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，CP 純度）；丙烯酸（AAc，上海麥克林生物化學(xué)有限公司，AR 純度）；N-異丙基丙烯酰胺（NIPAm，上海源葉生物科技有限公司，BR 純度）；MBA（上海阿拉丁工業(yè)有限公司，AR純度）。

1.2 儀器和設(shè)備

60Co 輻射源，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院；熱重分析儀，Q600，TA儀器有限公司，美國(guó)；紅外光譜儀，NICOLET iN10 MX，賽默飛世爾科技公司，美國(guó)；掃描電子顯微鏡，Hitachi S-4800，日立公司，日本；萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)，Instron-3365，英斯特朗公司，美國(guó)。

1.3 不同組成水凝膠的輻射制備

取1 g 明膠至50 mL圓底燒瓶中，加入10 mL含有0.003 6 g MBA的水溶液，在50 ℃油浴，600 r/min的條件下攪拌約20 min 至明膠完全溶解；接著加入3.6 g AAc，繼續(xù)加熱攪拌20 min。將溶液除去氣泡后倒入模具中，4 ℃冷凍8 h 以上，取出后立即送往鈷源室，在常溫常壓下于劑量率約30 Gy/min（用Frick劑量計(jì)標(biāo)定）的孔道內(nèi)進(jìn)行輻照，33 min后取出輻照后的凝膠樣品，將其浸泡在乙醇/水溶液中48 h 以上，除去未反應(yīng)的單體和低聚物，得到明膠/PAAc（GA）水凝膠。

將成型的GA水凝膠裁取合適的大小放入50 mL含有7.5 g NIPAm 和0.007 5 g MBA 的水溶液中浸泡48 h 以上，濾去表面液珠后裝入模具中；將樣品在常溫常壓下于劑量率約30 Gy/min（用Frick劑量計(jì)標(biāo)定）的孔道內(nèi)進(jìn)行輻照，33 min后取出得到明膠/PAAc/PNIPAm（GAN）水凝膠。

不同組分的對(duì)照組水凝膠樣品制備方法相似，具體用量及制備條件見(jiàn)表1。注：不同組分中的交聯(lián)劑占比是一致的，已排除交聯(lián)劑含量影響。

表1 樣品名稱簡(jiǎn)寫及其相應(yīng)的制備條件Table 1 Sample abbreviations and corresponding preparation conditions

1.4 表征與分析方法

1.4.1 TGA表征

通過(guò)TGA 表征樣品的熱穩(wěn)定性能，氮?dú)饬魉贋?00 mL/min，升溫速率為10 ℃/min，溫度范圍為20～600 ℃。測(cè)試樣品經(jīng)過(guò)液氮冷凍，再于冷凍干燥機(jī)中干燥3 d處理。

1.4.2 顯微紅外分析

測(cè)試樣品經(jīng)過(guò)液氮冷凍，再于冷凍干燥機(jī)中干燥3 d處理。對(duì)樣品進(jìn)行顯微紅外測(cè)試，掃描波數(shù)范圍為4 000～600 cm-1。

前面也講述了《中級(jí)財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)》課程內(nèi)容多，難度大，專業(yè)性和實(shí)操性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且現(xiàn)在社會(huì)信息化普及的情況下，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的要求就更多了，所以為了提高學(xué)生積極性和課程內(nèi)容理解性，真正做到實(shí)踐和理論相結(jié)合，就要多增加實(shí)驗(yàn)室，比如“財(cái)務(wù)商圈”這種實(shí)驗(yàn)室可以讓學(xué)生在不同的會(huì)計(jì)角色轉(zhuǎn)換做賬，學(xué)完財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)后可以讓學(xué)生在模擬企業(yè)的實(shí)務(wù)和情景去操作，增加動(dòng)畫的趣味性也能學(xué)到做會(huì)計(jì)。

1.4.3 形貌表征

測(cè)試樣品經(jīng)過(guò)液氮冷凍，再于冷凍干燥機(jī)中干燥3 d處理，且形貌測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理。通過(guò)SEM觀察樣品斷面形貌，拍攝電壓為10 kV，高真空模式。

1.4.4 力學(xué)性能測(cè)試

為了適合做拉伸測(cè)試，水凝膠做成啞鈴型試樣，標(biāo)距長(zhǎng)度（l0）為13.0 mm，寬度（D）為2.0 mm。通過(guò)拉伸測(cè)試儀測(cè)試樣品力學(xué)性能，拉伸速率為50.00 mm/min。每塊樣品裁取5個(gè)樣條測(cè)試，取平均值作為最終結(jié)果。

1.4.5 形狀記憶行為測(cè)試

溫度響應(yīng)形狀記憶性能測(cè)試。室溫下，將初始形狀為直條狀的GAN水凝膠放入60 ℃的蒸餾水中浸泡，人工施加外力使其彎成“U”形，然后放入24 ℃的蒸餾水中浸泡1 min，固定水凝膠的臨時(shí)形狀，移除外力。而后再將水凝膠樣條轉(zhuǎn)移到60 ℃蒸餾水中，觀察水凝膠的形狀恢復(fù)情況。根據(jù)文獻(xiàn)［17］的方法測(cè)定水凝膠形狀固定率（Rf）和形狀恢復(fù)率（Rr）。

式中：θg為外力給予的水凝膠臨時(shí)形狀的角度；θt為水凝膠固定臨時(shí)形狀的角度；θf(wàn)為最終水凝膠形狀恢復(fù)后的角度。

pH 響應(yīng)形狀記憶性能測(cè)試。室溫下，將初始形狀為直條狀的GAN 水凝膠放入pH=12.8 NaOH溶液中浸泡，人工施加外力使其彎成“U”形，然后放入pH=1.2 HCl溶液中浸泡5 min，固定水凝膠的臨時(shí)形狀，移除外力。而后再將水凝膠樣條轉(zhuǎn)移到pH=12.8 NaOH溶液中，觀察水凝膠的形狀恢復(fù)情況。按照式（1）和（2）計(jì)算Rf和Rr。

2 結(jié)果與討論

2.1 GAN水凝膠的輻射合成

GAN 水凝膠的制備方法如圖1 所示。首先通過(guò)加熱-冷凍使明膠形成單網(wǎng)絡(luò)物理交聯(lián)凝膠，該過(guò)程中明膠經(jīng)加熱溶解后在溶液中形成無(wú)序的明膠分子，再經(jīng)冷凍后部分恢復(fù)到膠原結(jié)構(gòu)，而膠原分子是由三條多肽鏈相互纏繞所形成的螺旋體，進(jìn)而形成了物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；然后通過(guò)γ輻照引發(fā)含交聯(lián)劑MBA的AAc單體水溶液聚合和交聯(lián)，使化學(xué)交聯(lián)的PAAc網(wǎng)絡(luò)與物理交聯(lián)的明膠網(wǎng)絡(luò)形成雙網(wǎng)絡(luò)凝膠GA；再通過(guò)自然浸泡的方式，在GA 凝膠內(nèi)部引入NIPAm分子和新的MBA交聯(lián)劑，進(jìn)行第二次輻照，在雙網(wǎng)絡(luò)GA凝膠內(nèi)部形成大量穿插的PNIPAm網(wǎng)絡(luò)，得到GAN三元復(fù)合水凝膠。

圖1 GA、GAN水凝膠的輻射合成路線圖Fig.1 Schematic radiation synthesis route of GA and GAN hydrogel

2.2 GAN水凝膠的結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)顯微紅外對(duì)合成的GAN 水凝膠及其單組分或雙組分水凝膠進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果見(jiàn)圖2（a）。由圖2（a）可知：在1 544 cm-1處的特征吸收峰指向酰胺基中N-H鍵的變形振動(dòng)；在1 634 cm-1的特征峰對(duì)應(yīng)酰胺基中N-H 鍵的伸縮振動(dòng)；而在1 698 cm-1處的吸收峰歸屬于標(biāo)準(zhǔn)羧酸羰基伸縮振動(dòng)［18］。經(jīng)過(guò)對(duì)比得出，GA 水凝膠含有明膠和PAAc 的特征峰，而GAN 水凝膠除含有明膠、PAAc外，還有PNIPAm的特征峰。進(jìn)一步對(duì)GAN凝膠及其單組分或雙組分凝膠進(jìn)行TGA 分析，其微分結(jié)果如圖2（b）所示。由圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)，與GA 相比，GAN 凝膠的最大降解溫度下降，其熱穩(wěn)定性稍有下降，但降解溫度都對(duì)應(yīng)PAAc、PNIPAm 的失重峰，說(shuō)明GAN 含有以上組分，這與紅外光譜分析結(jié)果相一致。

圖2 GAN凝膠及其單/雙組分凝膠的顯微FTIR譜(a)和TGA-DTG曲線(b)Fig.2 Micro-FTIR spectra(a)and TGA-DTG patterns(b)of GAN and its single/two-component gels

為了更好地了解不同組分對(duì)合成凝膠形貌結(jié)構(gòu)的影響，通過(guò)電子掃描電鏡對(duì)GA 和GAN 水凝膠的形貌進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3所示。

由圖3（a）、（b）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，GA 與GAN 水凝膠都呈現(xiàn)出典型的網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)，但與GA水凝膠相比，GAN 水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)明顯更為致密，孔洞數(shù)目減少，孔徑也減??；GA水凝膠的孔徑在30 μm左右，而GAN 水凝膠的孔徑為20 μm 左右，這是由于經(jīng)第二次輻照后在GAN 中引入了PNIPAm 聚合物分子鏈，進(jìn)而與GA凝膠相互穿插，增加了主鏈密度，導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)的孔洞數(shù)量和孔徑減?。?9］。圖3（d）展現(xiàn)了GAN水凝膠中某一截面的N元素分布狀況?？梢钥闯?，N 元素在水凝膠中分布均勻，由于大部分N 來(lái)自PNIPAm（少部分來(lái)自明膠），證實(shí)通過(guò)浸泡然后輻照的方式在GA 水凝膠 中引入的PNIPAm聚合物網(wǎng)絡(luò)也是均勻的。

圖3 不同水凝膠的SEM圖：(a)GA；(b),(c)不同放大倍數(shù)的GAN；(d)GAN的EDS元素(N)映射圖像Fig.3 SEM images of different hydrogels:(a)GA;(b)and(c)GAN with different magnifications;(d)EDS element(N)mapping image for GAN

2.3 GAN水凝膠的機(jī)械性能分析

為了研究各組分對(duì)GAN 水凝膠機(jī)械性能的貢獻(xiàn)，以相同的配比輻射制備了PAAc水凝膠、明膠水凝膠、PNIPAm 水凝膠、AN 水凝膠、GA 水凝膠、GN水凝膠。不同水凝膠的拉伸測(cè)試結(jié)果如圖4（a）所示，其中明膠水凝膠和PNIPAm水凝膠因無(wú)法測(cè)試其力學(xué)性能而未列入圖中。對(duì)比GAN 和AN可以發(fā)現(xiàn)，明膠的引入提高了體系的韌性和拉伸應(yīng)力；對(duì)比GAN和GA，PNIPAm的引入顯著提高了體系的拉伸應(yīng)力，而拉伸應(yīng)變略有減??；對(duì)比GAN 和GN，PAAc 的引入顯著提高了體系的拉伸應(yīng)力，而拉伸應(yīng)變保持不變。對(duì)比單組分、雙組分水凝膠，GAN水凝膠的拉伸強(qiáng)度可達(dá)（4.10±0.25） MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為662.9%，其強(qiáng)度遠(yuǎn)大于各個(gè)組分的強(qiáng)度之和，說(shuō)明三種單一網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了協(xié)同作用，而這種作用主要?dú)w因于三種網(wǎng)絡(luò)之間的多重氫鍵。另一方面，可以看到AN 和GAN水凝膠具有明顯的屈服現(xiàn)象，并且樣品在拉伸過(guò)程中也具有細(xì)頸現(xiàn)象，這是比較典型的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠特征，符合Na 等［20］提出的“犧牲鍵”理論。而GN、GA 水凝膠沒(méi)有此類現(xiàn)象，這可能是由于明膠網(wǎng)絡(luò)是由自身三重螺旋形成的物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，在拉伸形變時(shí)不存在大量斷鏈的破碎過(guò)程，也就無(wú)法充當(dāng)提供能量耗散的“犧牲鍵”。

圖4（b）直觀比較了不同組分水凝膠的楊氏模量，可以看到PAAc、GA、GN 水凝膠的楊氏模量都不足0.5 MPa，雙組分的AN 水凝膠具有最高的楊氏模量，可達(dá)（116.9±15.0） MPa，但過(guò)高的剛性使得延展性受限，水凝膠柔韌的優(yōu)勢(shì)反而得不到體現(xiàn)，如同圖4（a）中展示的一樣，AN水凝膠的斷裂伸長(zhǎng)率只有234.8%；相對(duì)的，GAN 水凝膠的楊氏模量為（55.3±8.2） MPa，顯然明膠的引入能顯著降低材料的剛性，通過(guò)對(duì)比PAAc 與GA水凝膠的楊氏模量也能得到這一結(jié)論。

GAN 水凝膠的單體配比對(duì)拉伸性能的影響如圖4（c）、（d）所示。具有多重氫鍵的GAN 水凝膠表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能，隨著明膠含量的升高，其拉伸強(qiáng)度先上升后下降，最高可達(dá)（5.4±0.3）MPa，而斷裂伸長(zhǎng)率快速上升至700%左右趨近平緩，出現(xiàn)這種變化可能是因?yàn)楫?dāng)明膠含量過(guò)高時(shí)，GA水凝膠的溶脹性變差，而且明膠會(huì)阻礙NIPAm 的進(jìn)入，兩者是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，所以高明膠含量的GAN 水凝膠拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線更接近于相同比例的GA水凝膠。另一方面，隨著丙烯酸含量的升高，拉伸強(qiáng)度逐漸上升，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸下降，這主要是由于隨著丙烯酸含量的上升，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密度增大，含水量下降導(dǎo)致的［21］，此時(shí)水凝膠材料表現(xiàn)出比較明顯的屈服現(xiàn)象。

將本研究中SMHs的性能與近年來(lái)文獻(xiàn)中報(bào)道的SMHs進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。由表2可知，GANs水凝膠具有良好的拉伸強(qiáng)度、較高的拉伸應(yīng)變能力和快的形狀記憶恢復(fù)速度，表現(xiàn)出良好的綜合性能，這主要得益于GANs獨(dú)特的三元凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖4 不同組成水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)與楊氏彈性模量（內(nèi)插圖為局部放大圖）(b)；GAN水凝膠拉伸性能與明膠含量(c)及與丙烯酸含量(d)的關(guān)系Fig.4 Tensile stress-strain curves of different hydrogels(a)and Young’s modulus(inset:enlarged diagram)(b);the relationship between the tensile properties of GAN hydrogel and the content of gelatin(c)and content of AA(d)

表2 一些SMHs形狀記憶行為和力學(xué)性能參數(shù)Table 2 Parameters of shape memory behavior and mechanical property of some SMHs

2.4 GAN水凝膠的形狀記憶性能

由于永久性化學(xué)交聯(lián)和可逆氫鍵的存在，GAN 水凝膠可以在水相環(huán)境中表現(xiàn)出良好的形狀記憶性能。圖5（a）展示的是GAN水凝膠在60 ℃水中的恢復(fù)過(guò)程，約10 s內(nèi)基本完成整個(gè)形狀的恢復(fù)，通過(guò)測(cè)定計(jì)算，形狀固定率（Rf）和形狀恢復(fù)率（Rr）分別高達(dá)100%和95%；圖5（b）展示的是GAN 水凝膠在pH=12.8 的堿性環(huán)境中的恢復(fù)過(guò)程，約15 min內(nèi)恢復(fù)到初始形狀，Rf與Rr分別約為90%和100%，這是由于pH改變對(duì)氫鍵的破壞效率比溫度低，并且由于長(zhǎng)時(shí)間的浸泡，樣品會(huì)有微小的溶脹并變得透明，但將其重新放入酸性環(huán)境時(shí)，樣品將恢復(fù)原來(lái)的形貌。由于氫鍵的大量斷裂，高溫和堿性條件下的GAN 水凝膠將會(huì)軟化，相應(yīng)的強(qiáng)度下降而韌性提升，這種特性也可能會(huì)擴(kuò)大該高強(qiáng)度水凝膠的應(yīng)用范圍。

圖5 GAN水凝膠的形狀記憶恢復(fù)過(guò)程照片：(a)溫度響應(yīng)(60 ℃)；(b)pH響應(yīng)(pH=12.8)Fig.5 Photos of shape-memory recovery process of GAN hydrogel:(a)temperature response(60 ℃);(b)pH response(pH=12.8)

3 結(jié)論

以明膠、AAc、NIPAm 和MBA 為原料，采用兩步輻照法成功制備了一種含有化學(xué)交聯(lián)和多重氫鍵交聯(lián)結(jié)構(gòu)的新型形狀記憶GAN 水凝膠。合成的GAN 水凝膠具有優(yōu)異的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度最大可達(dá)（5.4±0.3） MPa，斷裂伸長(zhǎng)率最大達(dá)745%?；跉滏I的動(dòng)態(tài)可逆變換，GAN水凝膠具有優(yōu)異的溫度響應(yīng)和pH響應(yīng)形狀記憶性能，有望成為人工組織或生物醫(yī)學(xué)工程的理想設(shè)計(jì)材料。