強(qiáng)韌抗溶脹水凝膠的簡(jiǎn)單構(gòu)筑及性能

雒春輝，趙宇斐

（1.北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院；2.國(guó)家民委化工技術(shù)基礎(chǔ)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750021）

水凝膠材料含水量高，生物相容性良好，且兼具固體的支持性以及液體的傳遞性優(yōu)點(diǎn)，在組織工程和生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景［1～5］.傳統(tǒng)水凝膠由于交聯(lián)方式單一且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不均勻，機(jī)械性能較差.例如，殼聚糖（CS）是常用的生物醫(yī)用材料，但戊二醛交聯(lián)的CS水凝膠強(qiáng)度在千帕范圍［6］.在CS水凝膠中引入聚丙烯酰胺（PAM）網(wǎng)絡(luò)可以提高其強(qiáng)度，但殘余AM單體也存在安全隱患［7］.盡管透析可以除去這些物質(zhì)，但是大多數(shù)水凝膠遇水體積膨脹［8］，不僅會(huì)使其強(qiáng)度劣化，還會(huì)損害周圍細(xì)胞.因此，構(gòu)筑綜合性能優(yōu)異的水凝膠是組織工程領(lǐng)域的難題.

水凝膠的溶脹率由凝膠內(nèi)外滲透壓及高分子鏈的熵彈性決定，通過精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效抑制其溶脹程度［9～11］.Kamata等［10］在四臂聚乙二醇（PEG）水凝膠中引入溫度敏感鏈段，依靠其在濁點(diǎn)溫度以上時(shí)的收縮有效抑制了PEG鏈段的溶脹，得到了耐溶脹水凝膠.Qin等［11］將多官能團(tuán)膠束引入聚乙二醇水凝膠網(wǎng)絡(luò)中增加了交聯(lián)密度并降低了聚合物鏈的熵彈性，所得水凝膠在模擬生理環(huán)境中穩(wěn)定.但上述耐溶脹水凝膠的抗拉強(qiáng)度在千帕范圍內(nèi)，而人體軟骨可承受兆帕級(jí)別的外力而不損壞［12～14］.當(dāng)前，耐溶脹水凝膠的研究盡管已取得了很大進(jìn)展，但復(fù)雜的構(gòu)筑方法、較高的成本及非生物相容性助劑的使用限制了其實(shí)際應(yīng)用.

本文以商品化聚乙烯醇（PVA）和殼聚糖（CS）為原料構(gòu)筑了一種強(qiáng)韌、耐溶脹的復(fù)合水凝膠，并用多種手段揭示了材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的聯(lián)系.PVA和CS價(jià)格低廉，安全無毒，PVA和CS混合物的水溶液經(jīng)過3次凍-融循環(huán)（FT）后所得前驅(qū)體水凝膠（PVA-CS）保留了原料優(yōu)異的生物相容性［15］；將其浸泡在氯化鈉水溶液中，依靠霍夫曼效應(yīng)［16］誘導(dǎo)親水CS之間形成鏈纏結(jié)微區(qū)，提高了三維網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度和機(jī)械性能；將浸泡后的水凝膠進(jìn)一步在去離子水中透析除去殘余氯化鈉可以降低高濃度鈉鹽對(duì)細(xì)胞的潛在危害［17］.由于PVA結(jié)晶微區(qū)融化溫度在70 ℃附近［18］，而CS鏈纏結(jié)微區(qū)在非酸性水溶液中十分穩(wěn)定［19］，所得復(fù)合水凝膠在模擬生理環(huán)境中浸泡7 d后不溶脹，抗拉和抗壓強(qiáng)度分別高達(dá)2.8和7.5 MPa，而且其機(jī)械性能可以通過氯化鈉濃度與浸泡時(shí)間簡(jiǎn)單調(diào)控.這種方法易于工業(yè)化，有望推動(dòng)水凝膠在組織工程或生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

短鏈殼聚糖（CS，脫乙酰度＞90%，Mn=4000），上海梯希愛化成工業(yè)發(fā)展有限公司；聚乙烯醇（PVA，醇解度=99%，Mn=74800），上海阿拉丁試劑有限公司.

德國(guó)ZEISS公司EVO18型掃描電子顯微鏡（SEM），水凝膠用液氮淬斷后凍干脫水，測(cè)試前表面噴金；美國(guó)Thermo 公司Nicolet Avatar 380 型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），KBr 壓片法，掃描范圍為500～4000 cm－1；美國(guó)Anton Paar 公司MCR302型動(dòng)態(tài)流變儀，平行板，直徑50 mm，板間距為1 mm，掃描區(qū)間0.01～100 rad/s［20］；日本Rigaku 公司SmartLab 型X 射線衍射儀（XRD），CuKα輻射源，管電壓30 kV，管電流30 mA，掃描速率5°/min，掃描范圍為5°～80°（2θ）；美國(guó)TA儀器公司Q20型差示掃描量熱儀（DSC），氮?dú)夥諊?，升溫速? ℃/min，測(cè)試溫度為－40～40 ℃；東莞市力顯儀器科技有限公司電子拉力機(jī)，測(cè)試溫度為25 ℃.

1.2 復(fù)合水凝膠的制備

結(jié)合凍-融循環(huán)、NaCl水溶液浸泡以及透析3種簡(jiǎn)單方法，以商品化試劑為原料制備復(fù)合水凝膠.首先，將10.0 g PVA 和0.5 g CS 加入90.0 g去離子水中，于90 ℃攪拌6 h后將混合溶液轉(zhuǎn)移至模具中（模具由兩塊玻璃片組成，中間夾有2 mm厚的硅膠墊片）；將裝有混合溶液的模具在-20 ℃下冷凍8 h，再于20 ℃解凍4 h；凍-融循環(huán)3 次，得到前驅(qū)體水凝膠PVA-CS；將其在特定濃度的NaCl 水溶液（c=3.42，5.14 和6.16 mol/L）中浸泡一定時(shí)間（t=10，30，50 min）；最后將浸泡過的水凝膠用蒸餾水透析2 d（截留分子量8000）以除去殘余NaCl，即得到復(fù)合水凝膠PVA-CS-c-t，其中c代表氯化鈉摩爾濃度，t代表浸泡時(shí)間.

1.3 表征測(cè)試

采用稱重法，根據(jù)下式計(jì)算水凝膠中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（XTW，%）［6］：

式中：mh（g）和ms（g）分別為濕態(tài)水凝膠質(zhì)量與干態(tài)水凝膠的質(zhì)量.

水凝膠中自由水（XFW，%）以及結(jié)合水（XBW，%）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)下式計(jì)算［6］：

式中：Qendo（J/g）和Qf（J/g）分別為樣品的熔融焓與純水的熔融焓（333.5 J/g［6］）.

水凝膠的結(jié)晶度（χc）根據(jù)下式計(jì)算［21］：

式中：A1和A2分別為2θ值為18°～21°之間的積分面積以及衍射曲線下方的總面積.

采用稱重法計(jì)算水凝膠的溶脹度（SR，%）.將質(zhì)量為md（g）的水凝膠分別浸泡在25 ℃的去離子水及37 ℃的磷酸鹽緩沖溶液里（PBS，pH=7.4，c=0.01 mol/L）中，間隔一定時(shí)間（t=1，3，5，7 d）取出稱重，記為mt，利用下式計(jì)算溶脹度（SR）［22］：

采用質(zhì)量法，根據(jù)下式計(jì)算水凝膠的凝膠分?jǐn)?shù)（Fg，%）［23］：

式中：mi（g）和m0（g）是溶脹平衡并冷凍干燥后水凝膠的干重以及水凝膠的原始干重.

采用電子拉力機(jī)于室溫下測(cè)試水凝膠的機(jī)械性能，水凝膠樣品寬度為10 mm，厚度1.5 mm.將樣品以100 mm/min的速度勻速拉斷，測(cè)出應(yīng)力-應(yīng)變曲線.其中，應(yīng)力（σ，MPa）、應(yīng)變（ε，%）、楊氏模量（E，MPa）和韌性（T，MJ/m3）分別指斷裂壓強(qiáng)、斷裂伸長(zhǎng)率、σ-ε曲線彈性區(qū)斜率及σ-ε曲線積分面積，根據(jù)滯后實(shí)驗(yàn)計(jì)算耗散能［24］.借鑒橡膠彈性理論，利用公式（7）～（10）計(jì)算水凝膠的交聯(lián)點(diǎn)之間的相對(duì)分子質(zhì)量（）、交聯(lián)密度（ρc，mol/cm3）、網(wǎng)孔尺寸（ξ，nm）及有效交聯(lián)密度（vexp，mmol/L）［25］：

式中：ν2（%）為溶脹平衡狀態(tài)下聚合物的體積分?jǐn)?shù)；G′（Pa）為儲(chǔ)能模量；R［J/（mol·K）］為氣體常數(shù)；φ（%）是水凝膠中聚合物體積分?jǐn)?shù)；T（K）為絕對(duì)溫度.

2 結(jié)果與討論

2.1 水凝膠的制備

Scheme 1示出了復(fù)合水凝膠PVA-CS-c-t的構(gòu)筑過程.首先將PVA和CS溶于90 ℃去離子水中（PVA和CS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%和0.5%）形成透明溶液，經(jīng)過3次凍-融循環(huán)得到PVA結(jié)晶微區(qū)交聯(lián)的前驅(qū)體水凝膠PVA-CS.將其在特定濃度氯化鈉水溶液中浸泡一段時(shí)間，誘導(dǎo)CS鏈發(fā)生親水-疏水轉(zhuǎn)變形成鏈纏結(jié)微區(qū)［16］以提高交聯(lián)密度.根據(jù)霍夫曼序列可知，氯化鈉中的Cl-是具有鹽析效應(yīng)的離子［26］.通常，這類離子與聚合物的水化殼層直接相互作用時(shí)會(huì)降低水-大分子鏈的相互作用，增加聚合物/水界面的界面張力，降低聚合物在水溶液中的溶解度.因此，在PVA與CS混合水溶液中加入NaCl 顆粒會(huì)誘導(dǎo)大分子聚沉（Scheme 1中樣品瓶所示）.當(dāng)PVA與CS混合溶液經(jīng)過凍-融循環(huán)形成結(jié)晶微區(qū)交聯(lián)的前驅(qū)體水凝膠PVA-CS時(shí)，三維網(wǎng)絡(luò)的存在抑制了宏觀相分離的發(fā)生.當(dāng)浸泡于高濃度NaCl水溶液中時(shí)，由于滲透壓和鹽析效應(yīng)，前驅(qū)體水凝膠PVA-CS 的直徑由14.35 mm 降低至13.00 mm，而厚度由5.50 mm 縮小至5.00 mm（圖S1，見本文支持信息），由此可知浸泡后水凝膠體積降低至初始值的75.6%.體積收縮促使PVA 致密化，有利于結(jié)晶［21］，而CS 鏈在NaCl 誘導(dǎo)下會(huì)形成疏水鏈纏結(jié)微區(qū)［16］.二者的協(xié)同作用使水凝膠交聯(lián)密度和網(wǎng)絡(luò)均勻性增加，有利于提高機(jī)械性能［27］.在高濃度的鹽中浸泡雖然能夠提高水凝膠的機(jī)械性能，但會(huì)打破生命體常規(guī)滲透壓并造成組織損傷［17］.因此，最后采用透析方法除去殘余NaCl，得到目標(biāo)水凝膠PVA-CS-c-t.如氯化鈉濃度為6.16 mol/L，浸泡時(shí)間為30 min時(shí)所得復(fù)合水凝膠記為PVA-CS-6.16-30.

Scheme 1 Synthetic route of PVA-CS-c-t composite hydrogel

2.2 水凝膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

圖1 給出2 種水凝膠的FTIR 光譜.在PVA-CS 的FTIR 譜圖中，在1090 和2938 cm－1處分別出現(xiàn)了PVA 和CS 中C—O 和C—H 的伸縮振動(dòng)特征吸收峰［28］，在1650 cm－1處出現(xiàn)了CS中C=O的伸縮振動(dòng)特征吸收峰［29］.在復(fù)合水凝膠PVA-CS-6.16-30 的FTIR 譜中，PVA 和CS 的上述特征峰均可見，而且沒有其它雜峰，說明其為物理交聯(lián)的水凝膠.此外，PVA-CS-6.16-30 水凝膠中活潑氫的特征峰從3370 cm－1紅移至3334 cm－1，說明PVA 與CS 形成了更強(qiáng)的氫鍵［30］.

Fig.1 FTIR spectra of PVA-CS(a)and PVA-CS-6.16-30(b)hydrogels

2.3 水凝膠的力學(xué)性能

CS 的溶解性與溶液pH 值及離子強(qiáng)度有關(guān)［16］.例如，Yang 等［26］將PAM/CS 水凝膠在檸檬酸鈉水溶液中浸泡后，其抗拉強(qiáng)度由0.15 MPa提高到了5.6 MPa.由于NaCl也是一種具有霍夫曼效應(yīng)的鹽［30］，而PVA/CS 復(fù)合水凝膠機(jī)械性能欠佳［6］，因此采用NaCl 水溶液浸泡的方法來提高水凝膠的機(jī)械性能.圖S2（見本文支持信息）表明，當(dāng)PVA 與CS 的質(zhì)量比為100∶5 時(shí)，前驅(qū)體水凝膠的機(jī)械性能最佳.其抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸模量、韌性和抗壓強(qiáng)度分別為0.22 MPa，152%，0.027 MPa，0.13 MJ/m3［圖2（A）］和1.5 MPa［圖2（B）］.而復(fù)合水凝膠PVA-CS-6.16-30的抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸模量、韌性和抗壓強(qiáng)度顯著提高至2.9 MPa，229%，1.13 MPa，3.3 MJ/m3［圖2（A）］和7.6 MPa［圖2（B）］.此外，該復(fù)合水凝膠還具有優(yōu)異的抗疲勞特性，連續(xù)壓縮10次后其抗壓強(qiáng)度依然為初始值的85%［圖2（C）］.低于100%的可能原因是氫鍵、結(jié)晶微區(qū)及鏈纏結(jié)等交聯(lián)點(diǎn)的可逆斷裂與重組具有依時(shí)性［31］.同時(shí)，復(fù)合水凝膠PVA-CS-6.16-30還具有良好的抗蠕變性能，相同作用力下其形變僅為0.42%，而PVA-CS的形變?yōu)?.74%［圖2（D）插圖］.此外，復(fù)合水凝膠PVA-CS-6.16-30 的柔量為3.1×10－5Pa－1，僅為PVA-CS 的10%［圖2（D）］，說明該復(fù)合水凝膠具有良好的抗蠕變性能［32］.上述實(shí)驗(yàn)證明在NaCl水溶液中浸泡后前驅(qū)體水凝膠PVA-CS的機(jī)械性能得到了極大的提升.

Fig.2 Mechanical performances of PVA-CS(a)and PVA-CS-6.16-30(b)hydrogels

進(jìn)一步考察了氯化鈉濃度和浸泡時(shí)間對(duì)復(fù)合水凝膠PVA-CS-c-t拉伸性能的影響（圖3）.可以看出，將水凝膠前驅(qū)體在去離子水中浸泡30 min后，其抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率衰減至0.05 MPa和90%，與文獻(xiàn)［33］報(bào)道值接近.然而將其在濃度為3.42，5.14和6.16 mol/L的NaCl水溶液中浸泡30 min并透析2 d后，其抗拉強(qiáng)度顯著增加至2.4，2.5和2.9 MPa，而斷裂伸長(zhǎng)率分別為223%和250%和229%.隨后固定NaCl 的摩爾濃度為6.16 mol/L，研究了浸泡時(shí)間對(duì)水凝膠拉伸性能的影響.可以看出，當(dāng)浸泡時(shí)間由10 min增加至30 min時(shí)，其抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別由2.5 MPa和226%增加至2.9 MPa和229%；繼續(xù)延長(zhǎng)浸泡時(shí)間至50 min，其抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率開始下降.這是由于CS鏈纏結(jié)微區(qū)在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中也充當(dāng)交聯(lián)點(diǎn)，浸泡時(shí)間過短時(shí)水凝膠網(wǎng)絡(luò)不夠完善，而浸泡時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)可能引起過度交聯(lián)［30］.

Fig.3 Stress-strain curves of PVA-CS-c-t hydrogels as a function of NaCl concentrations(A)and soaking time(B)

2.4 水凝膠增強(qiáng)機(jī)理分析

水凝膠的機(jī)械性能與含水率、微觀結(jié)構(gòu)以及交聯(lián)特點(diǎn)有關(guān)［30，33，34］.由稱重法利用式（1）可知PVA-CS和PVA-CS-6.16-30的含水率分別為89.1%和81.9%.通常，含水率下降，水凝膠機(jī)械性能提升.為闡明PVA-CS-6.16-30的增強(qiáng)機(jī)理，將17.24 g PVA和0.86 g CS溶于81.9 g去離子水中，并經(jīng)過3次凍-融循環(huán)制備了參比水凝膠，其組成及含量與復(fù)合水凝膠PVA-CS-6.16-30一致.拉力機(jī)測(cè)試結(jié)果表明其抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度僅為0.54 MPa 和1.6 MPa（圖S3，見本文支持信息）.盡管兩種水凝膠中PVA，CS 及水含量完全相同，但PVA-CS-6.16-30抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度是參比水凝膠的5.4和4.8倍，說明含水率下降不是PVA-CS-6.16-30機(jī)械性能提升的主要原因.這是因?yàn)椋z的機(jī)械性能不僅取決于聚合物組成和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，還與結(jié)晶微區(qū)和相分離程度等微觀結(jié)構(gòu)以及交聯(lián)特點(diǎn)有關(guān)［21，34］.

Fig.4 DSC heating curves(A)and XRD patterns(B)of PVA-CS(a)and PVA-CS-6.16-30(b)hydrogels

結(jié)合DSC、XRD、SEM及流變分析揭示了水凝膠的微觀結(jié)構(gòu).首先，利用DSC［6］測(cè)試了PVA-CS和PVA-CS-6.16-30 水凝膠中自由水與結(jié)合水的含量［圖4（A）］.PVA-CS 在1.5 ℃處出現(xiàn)了自由水的吸熱峰［6］，其熔融焓為209.4 J/g，由式（2）可計(jì)算出自由水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.8%，由總含水量（89.1%）減去自由水含量可知結(jié)合水含量為26.3%.而PVA-CS-6.16-30中自由水的熔融焓降低至175.4 J/g，由式（2）可知自由水含量為52.6%.由總含水量（81.9%）減去自由水含量可知結(jié)合水含量為29.3%.通常自由水含量降低，水凝膠內(nèi)摩擦阻力增加［35］.采用XRD分析了原料PVA與CS的結(jié)晶度（圖S4，見本文支持信息）.可見，原料CS沒有明顯衍射峰，說明CS粉末中不存在晶體結(jié)構(gòu)［16］；而PVA粉末在2θ值為19.6°處出現(xiàn)了較強(qiáng)的特征衍射峰，對(duì)應(yīng)PVA的（101）晶面［21］.由2θ值為18°～21°之間的積分面積（1284.9）除以衍射曲線下方總面積（8988.3），利用式（3）可計(jì)算出PVA 粉末的結(jié)晶度等于14.3%.進(jìn)一步利用XRD 分析了后處理對(duì)水凝膠中PVA結(jié)晶度的影響.由圖4（B）可見，兩種水凝膠在2θ值為18°～21°之間均出現(xiàn)了PVA的（101）晶面的特征衍射峰［21］，利用式（3）可計(jì)算出PVA結(jié)晶度.結(jié)果表明，后處理使PVA結(jié)晶度由14.8%增加至17.2%［21］.這是因?yàn)镹aCl 浸泡過程中水凝膠體積收縮，PVA 排列更緊密，有利于結(jié)晶［21］.通常，自由含水率下降，結(jié)晶度增加，材料機(jī)械性能會(huì)提高［18］.

利用SEM觀察了水凝膠的微觀結(jié)構(gòu).由圖5可見，PVA-CS與PVA-CS-6.16-30均呈現(xiàn)水凝膠典型海綿狀多孔結(jié)構(gòu)［26］.但PVA-CS 前驅(qū)體水凝膠孔徑在1.0～4.0 μm 之間，而PVA-CS-6.16-30 復(fù)合水凝膠的孔徑減小至1.0～2.0 μm之間，網(wǎng)絡(luò)致密性和均勻性提高［26］.SEM結(jié)果也得到了理論計(jì)算的佐證.結(jié)合溶脹實(shí)驗(yàn)和流變實(shí)驗(yàn)，利用式（5）～（10）可計(jì)算出水凝膠的凝膠分?jǐn)?shù)（Fg，%）、交聯(lián)點(diǎn)之間的相對(duì)分子質(zhì)量（）、交聯(lián)密度（ρc，mol/cm3）、網(wǎng)孔尺寸（ξ，nm）及有效交聯(lián)密度（vexp，mmol/L）.結(jié)果表明，PVA-CS水凝膠的Fg，，ρc，ξ和vexp分別為58.6%，1650，7.69×10-4mol/cm3，6.11 nm 和5.4 mmol/L，而PVA-CS-6.16-30的Fg，c，ρc，ξ和vexp分別為86.8%，1273，9.97×10-4 mol/cm3，5.21 nm和91.9 mmol/L.Fg和vexp增加表明網(wǎng)絡(luò)缺陷（端鏈、無效交聯(lián)點(diǎn)及封閉的鏈段）減少，而ξ和-Mc下降說明網(wǎng)絡(luò)致密性提高［25］，表明水凝膠機(jī)械性能得到了改善.

Fig.5 SEM images of PVA-CS(A)and PVA-CS-6.16-30(B)hydrogels

進(jìn)一步通過滯后實(shí)驗(yàn)研究了水凝膠的能量耗散機(jī)制［31］.由圖6 可見，盡管兩種水凝膠均具有滯后環(huán)，但100%應(yīng)變下PVA-CS-6.16-30 水凝膠的耗散能是PVA-CS 水凝膠的14 倍.說明浸泡過程所形成的CS 鏈纏結(jié)微區(qū)能夠更有效地耗散外力，從而提高水凝膠的機(jī)械性能.此外，PVA-CS-6.16-30水凝膠在應(yīng)變?yōu)?0%，100%，150%和200%時(shí)的耗散能分別為0.07，0.29，0.75 和1.41 MJ/m3，能量耗散效率分別為63.6%，67.4%，78.9%和84.4%.這是由于CS 的鏈纏結(jié)作用增強(qiáng)了水凝膠的能量耗散效率.

Fig.6 Loading-unloading curves of PVA-CS and PVA-CS-6.16-30 hydrogels(A)and cyclic loading curves of the PVA-CS-6.16-30 hydrogel under different strains(B)

采用流變儀研究了兩種水凝膠的儲(chǔ)能模量（G′）和損耗模量（G″）與頻率及溫度的關(guān)系.由圖7 可見，兩種水凝膠的G′均大于G″，說明其為凝膠結(jié)構(gòu)［20］.由圖7（B）可知，PVA-CS水凝膠的凝膠-溶液相轉(zhuǎn)變溫度為77.9 ℃，而PVA-CS-6.16-30水凝膠的相轉(zhuǎn)變溫度增加至84.1 ℃.這可能是霍夫曼效應(yīng)增強(qiáng)了聚合物分子鏈之間的氫鍵作用力所致［20］，與FTIR分析結(jié)論一致.

Fig.7 Results of rheology experiments of PVA-CS and PVA-CS-6.16-30 hydrogels

綜合上述實(shí)驗(yàn)提出如下增強(qiáng)機(jī)理：PVA 鏈在凍-融循環(huán)中形成的結(jié)晶微區(qū)構(gòu)成了水凝膠的初級(jí)交聯(lián)點(diǎn).由于凍-融循環(huán)時(shí)結(jié)晶微區(qū)無序形成和生長(zhǎng)，且不具備高效的能量耗散機(jī)制［36］，所以單網(wǎng)絡(luò)PVA水凝膠的抗拉強(qiáng)度僅為0.15 MPa.而借鑒雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理念［7］在PVA水溶液中加入少量CS（5%），可將前驅(qū)體水凝膠PVA-CS的抗拉強(qiáng)度增加至0.22 MPa（圖S2，見本文支持信息）.由于PVA與CS之間的氫鍵較強(qiáng)，有利于CS分子鏈均勻分布在黏性PVA三維網(wǎng)絡(luò)中.當(dāng)在高濃度NaCl 水溶液中浸泡時(shí)，由于滲透壓作用，水凝膠體積收縮，使PVA 結(jié)晶度由14.8%增加至17.2%，同時(shí)含水率由89.1%降低至81.9%.尤為重要的是，Cl-的霍夫曼效應(yīng)降低了PVA和CS與水分子之間的相互作用，增加了聚合物/水界面的界面張力［30］，導(dǎo)致大分子鏈水溶性降低，從而沉淀在樣品瓶底部（Scheme 1）.水凝膠三維網(wǎng)絡(luò)的受限空間抑制了宏觀相分離的發(fā)生［30］，因此CS鏈在凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成鏈纏結(jié)疏水微區(qū)［16］.由于CS鏈纏結(jié)微區(qū)在非酸性水溶液中十分穩(wěn)定［19］，將鹽水替換為去離子水并攪拌后CS溶液依然渾濁（圖S5，見本文支持信息）.因此，用去離子水透析2 d除去殘余NaCl 時(shí)大部分CS鏈依然以鏈纏結(jié)微區(qū)形式充當(dāng)交聯(lián)點(diǎn)［16］，而PVA的水合作用使水凝膠體積增加至透析前的1.24倍（圖S6，見本文支持信息）.上述作用增加了水凝膠交聯(lián)密度，并有效減少了端鏈、無效交聯(lián)點(diǎn)及封閉的鏈段等網(wǎng)絡(luò)缺陷.與PVA-CS水凝膠相比，PVA-CS-6.16-30 水凝膠的交聯(lián)密度由7.69×10-4mol/cm3增加至9.97×10-4mol/cm3，網(wǎng)孔尺寸由6.11 nm降低至5.21 nm，凝膠分?jǐn)?shù)由58.6%增加至86.8%，網(wǎng)絡(luò)均勻性和致密性提高.此外，自由水含量由62.8%降低至52.6%，水凝膠內(nèi)摩擦力和黏彈性增加.而氫鍵和疏水微區(qū)等非共價(jià)鍵在外力下的可逆斷裂與重組耗散了大量能量，使PVA-CS-6.16-30水凝膠的抗拉強(qiáng)度顯著增加至2.9 MPa.由于PVA結(jié)晶微區(qū)融化溫度在70 ℃附近［18］，而CS鏈纏結(jié)微區(qū)在非酸性水溶液中十分穩(wěn)定［19］，有望賦予PVA-CS-6.16-30水凝膠抗溶脹性能.

2.5 水凝膠的抗溶脹性能

Fig.8 Swelling properties of PVA-CS and PVA-CS-6.16-30 hydrogels

由于親水性側(cè)鏈以及網(wǎng)絡(luò)通道的存在，大部分水凝膠遇水膨脹，極大限制了其實(shí)際應(yīng)用［1，8，37］.因此，借鑒文獻(xiàn)［11］方法評(píng)價(jià)了其抗溶脹特性.由圖8（A）可見，室溫下PVA-CS和PVA-CS-6.16-30兩種水凝膠在去離子水中浸泡12 h后，溶脹度分別為67%和0.同時(shí)，PVA-CS水凝膠的直徑由10 mm增加至13 mm，而PVA-CS-6.16-30的直徑幾乎不變［圖8（B）］.由圖8（C）和（D）可見，PVA-CS在去離子水中溶脹平衡后其抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別衰減至0.05 MPa和90%，與文獻(xiàn)報(bào)道值接近［33］.而處于溶脹平衡狀態(tài)的PVA-CS-6.16-30水凝膠的抗拉和抗壓強(qiáng)度依然分別高達(dá)2.8和7.5 MPa，遠(yuǎn)高于常見抗溶脹水凝膠在千帕范圍的抗拉強(qiáng)度［10，11］，也優(yōu)于大多數(shù)物理交聯(lián)水凝膠［38］.因?yàn)閭鹘y(tǒng)水凝膠內(nèi)部滲透壓高于外部水溶液［39，40］，而且其多孔結(jié)構(gòu)有利于水分子擴(kuò)散，所以遇水后體積顯著膨脹.而PVA-CS-6.16-30水凝膠中的PVA鏈在形成結(jié)晶微區(qū)時(shí)處于預(yù)拉伸狀態(tài)，構(gòu)象熵較低［41］，而非共價(jià)鍵的協(xié)同交聯(lián)作用進(jìn)一步降低了網(wǎng)絡(luò)缺陷［16］，因此具有優(yōu)異的耐溶脹性能.將1.0 g PVA-CS-6.16-30水凝膠在100 mL去離子水中浸泡2 d 后測(cè)得水溶液電導(dǎo)率為1.323 μS/cm，而去離子水的電導(dǎo)率為1.320 μS/cm（表S1，見本文支持信息）.根據(jù)氯化鈉濃度與電導(dǎo)率的標(biāo)準(zhǔn)曲線（y=0.6312x+0.01）計(jì)算可知，NaCl 殘余量為0.012 mg/kg，遠(yuǎn)低于205（mmol/kg成人體重）的臨界安全濃度［17］.Yang等［26］制備的PAM/CS水凝膠及Gao等［42］構(gòu)筑的PVA/NaCl 水凝膠（NaCl含量為78.3 g/kg水凝膠）的生物相容性均已得到細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí).考慮到CS 和PVA 的安全性已經(jīng)得到FDA 認(rèn)證，且PVA-CS-6.16-30 水凝膠中NaCl 含量遠(yuǎn)低于臨界安全濃度，說明該水凝膠具有較好的生物相容性.進(jìn)一步評(píng)價(jià)了PVA-CS-6.16-30水凝膠在生理環(huán)境中的耐溶脹性.將圓柱形水凝膠在37 ℃的PBS（pH=7.4，c=0.01 mol/L）中浸泡7 d 后觀察其形狀并評(píng)價(jià)機(jī)械性能.由圖9 和圖10 可見，浸泡7 d 后該水凝膠初始形狀保持不變，且浸泡過程中樣品的抗拉和抗壓強(qiáng)度幾乎與浸泡前相同，明顯優(yōu)于常見PVA/CS 復(fù)合水凝膠體系（表S2，見本文支持信息）.

Fig.9 Images of PVA-CS-6.16-30 hydrogel after soaking in PBS aqueous solution at 37 ℃for 7 d

Fig.10 Stress(A) and toughness(B) of the swollen PVA-CS-6.16-30 hydrogel in PBS aqeous solution at 37 ℃at different soaking time

3 結(jié) 論

以商品化PVA和CS為原料制備了強(qiáng)韌抗溶脹水凝膠.由于霍夫曼效應(yīng)，CS形成鏈纏結(jié)微區(qū)，CS與PVA 之間的氫鍵增強(qiáng)，所以水凝膠網(wǎng)絡(luò)致密性和交聯(lián)密度提高，自由水含量下降，內(nèi)摩擦阻力增加，具有兆帕級(jí)別的強(qiáng)度及彈性模量.此外，該水凝膠還有優(yōu)異的抗溶脹性能和抗蠕變性能.其在37 ℃PBS中浸泡7 d后體積幾乎沒有變化，且抗壓強(qiáng)度高達(dá)7.5 MPa，與軟骨相近.本文以商品化原料采用簡(jiǎn)易方法構(gòu)筑了水凝膠，有望拓寬其在組織工程與生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用.

支持信息見http://www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20200722.