仿生溫敏性復(fù)合水凝膠的制備及性能研究

徐向川 宋文利 王語(yǔ)顥 張菁 李新華

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2107-5640-3389

摘? 要：本文以N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）為結(jié)構(gòu)框架和溫敏性單體、聚多巴胺（PDA）為粘附性單體、聚乙烯醇（PVA）和明膠（GEL）為成膠單體，調(diào)節(jié)多巴胺的含量，制備出溫敏性納米水凝膠。作為具有低臨界溶解溫度（LCST）的溫敏性聚合物，聚異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝膠的透光度表現(xiàn)出溫度敏感性。粘附試驗(yàn)結(jié)果表明：多巴胺的加入有效地提高了溫敏性水凝膠的粘附性能，水凝膠負(fù)載裝滿水的離心管（總重10g）后，可粘附在多種材料上，如乳膠手套、載玻片、美工刀、聚四氟乙烯板，且粘后維持2min以上不掉落。

關(guān)鍵詞：溫敏性水凝膠? 多巴胺納米粒子? 粘附性? 低臨界溶解溫度

中圖分類號(hào)：O648.17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2021）06（b）-0016-05

Preparation and Performance of Mussel Inspired Thermosensitive Self-adhesive Hydrogel

Xu Xiangchuan? Song Wenli*? Wang Yuhao? Zhang Jing? Li Xinhua*

（Material Engineering College of Jinling Institute of Technology， Nanjing， Jiangsu Province， 211169? China）

Abstract： In this study， N-isopropyl acrylamide （NIPAM） was used as the structural framework and thermo-sensitive monomer， polydopamine （PDA） as the adhesive monomer， polyvinyl alcohol （PVA） and gelatin（GEL）as the gelling monomer， and the thermosensitive nano hydrogels were prepared in aqueous solution. Here we mainly studied the introduction of dopamine by thermosensitive hydrogels to enhance the adhesion properties of hydrogels. As temperature-sensitive polymer with a low critical solution temperature （LCST）， polyisopropyl acrylamide （PNIPAM） hydrogel exhibits temperature sensitivity. The results of the adhesion test show that the addition of dopamine effectively improves the adhesion performance of the hydrogel. After the hydrogel is loaded with a centrifuge tube filled with water （total weight 10g）， it can adhere to a variety of materials such as latex gloves， glass slides， utility knife， PTFE board， and keep it for more than 2 minutes without falling.

Key Words： Thermosensitive hydrogel; Dopamine nanoparticles; Adhesion; Low critical solution temperature

N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）為溫度敏感性單體制備了溫敏性水凝膠，該類水凝膠的低臨界溶解溫度（LCST，32℃）接近于人體的生理溫度，使其在生物醫(yī)用領(lǐng)域備受關(guān)注，常被用作藥物載體釋放、生物技術(shù)和傳感等[1-3]。但是，PNIPAM類水凝膠由于機(jī)械強(qiáng)度低、粘附性不高、環(huán)境響應(yīng)速度慢和平衡溶脹速度低的缺陷，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受到限制[4，5]。

基于此，本文用氧化法制備多巴胺納米粒子，并通過(guò)化學(xué)接枝的方法將其引入到PNPAM中，同時(shí)加入天然生物材料明膠和聚乙烯醇，最終制備溫敏性自粘附水凝膠。多巴胺（DA）的仿天然貽貝粘附蛋白結(jié)構(gòu)，使水凝膠能牢固地附著到多種材料的表面，即使處在復(fù)雜的水環(huán)境也可以維持很好的穩(wěn)定黏附[6-9]。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

1.1.1 原料

鹽酸多巴胺（DA），阿拉丁試劑有限公司;N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM，分析純），阿拉丁試劑有限公司;聚乙烯醇（分析純），阿拉丁試劑有限公司;明膠（分析純），天津市化學(xué)試劑研究所;氫氧化鈉（化學(xué)純）、過(guò)硫酸銨（分析純）、四甲基乙二胺（分析純）、單寧酸（分析純），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 儀器

傅立葉變換紅外光譜儀（FT-IR，NicoletIS10型），美國(guó)Nicolet公司;萬(wàn)用拉力試驗(yàn)機(jī)（Instorn5953），美國(guó)Nicolet公司;馬爾文納米粒度分析儀（Nano-2s ZEN3600），英國(guó)Malvern公司;日立掃描電子顯微鏡（Su8010）。

1.2 聚多巴胺納米粒子的制備

氧化法制備聚多巴胺（PDA）納米粒子，采用溶液稀釋法配置pH=9的氫氧化鈉溶液100mL，稱取一份1g鹽酸多巴胺粉末將其溶解在配置好的pH=9的氫氧化鈉溶液中，在室溫（25℃）下磁力攪拌30min，使其預(yù)聚形成PDA，并在截留分子量為10 000的透析袋中透析48h，得到所需的多巴胺納米粒子。在DA聚合成PDA過(guò)程中，溶液顏色從無(wú)色變成淺棕色，最終變深褐色或黑色，這也是PDA的特征顏色。

1.3 多巴胺引入PNIPAM/聚乙烯醇/GEL納米水凝膠的制備

將3g N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM），0.5g過(guò)硫酸銨（APS），0.01g N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）和2uL 4-甲基乙二胺（TMEDA），依次添加到10mL 1%PDA納米粒子溶液中，并在冰浴中攪拌均勻10min后，除去冰浴，加入10%PVA、20%GEL及10%單寧酸使NIPAM單體聚合形PDA/PNIPAM/PVA/GEL水凝膠。凝膠冷卻之后進(jìn)行凍融法循環(huán)操作，循環(huán)3次以上，直至水凝膠凍融形成，命名為10%PDA/PNIPAM/PVA/GEL。改變納米粒子溶液15mL 20mL，重復(fù)上述步驟制備得到15%PDA/PNIPAM/PVA/GEL和20%PDA/PNIPAM/PVA/GEL凝膠。

2? 結(jié)果與討論

2.1 傅里葉紅外光譜分析

由圖1（a）可見(jiàn)，在3401cm-1處出現(xiàn)酚羥基吸收峰;在1618cm-1處出現(xiàn)伯酰胺N-H吸收峰。圖1（b）和圖1（c）分別為是PDA-PNIPAM和20%PDA/PNIPAM/PVA/GEL納米水凝膠的紅外光譜圖，3340cm-1和3318cm-1處特征峰相似，對(duì)應(yīng)為PNIPAM的N-H鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰以及多巴胺的酚羥基吸收峰;大分子主鏈C-H（-CH3、-CH2）的振動(dòng)吸收特征峰對(duì)應(yīng)著紅外光譜2800～3000cm-1的波長(zhǎng)范圍;1635cm-1處特征峰為酰胺Ⅰ帶C=O的伸縮振動(dòng)和酰胺Ⅱ帶N-H的彎曲振動(dòng);1300～1500cm-1波長(zhǎng)范圍內(nèi)的振動(dòng)吸收峰主要來(lái)自于主鏈上的CH2（-CH（CH2）2）;另外，在1291cm-1處出現(xiàn)了酰胺Ⅲ帶的C-N收縮振動(dòng)吸收峰;1558cm-1處出現(xiàn)的特征峰主要是GEL的伸縮振動(dòng)吸收峰[9];可見(jiàn)，PNIPAM的聚合物網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成，多巴胺納米粒子的引入并沒(méi)有影響凝膠中大分子的結(jié)構(gòu)。

2.2 掃描電鏡分析

圖2（a）為PDA納米粒子的掃描電鏡圖，如圖所示，多巴胺納米粒子的形貌為球形，說(shuō)明在弱堿條件下DA分子可以發(fā)生氧化聚合，最終聚合成粒徑為100nm的納米粒子。圖2（b）為20%PDA/PNIPAM/PVA/GEL水凝膠的掃描電鏡譜圖，從圖中可以明顯觀察出水凝膠呈蜂窩狀，孔徑大小約為20～50μm。

2.3 溫敏性測(cè)試

圖3為20%PDA/PNIPAM/PVA/GEL納米水凝膠在不同溫度下的粒徑分布圖，可知納米水凝膠在室溫25℃時(shí)的粒徑大于500nm，分散指數(shù)PDI大于0.3，粒徑分布不均勻;當(dāng)溫度升到30～32℃，水凝膠粒徑大小降低至340nm;繼續(xù)升溫至34℃，納米水凝膠的粒徑有明顯減小的趨勢(shì)，平均粒徑為220nm左右，PDI均小于0.2，表明粒徑分布更均勻;且在34～40℃范圍內(nèi)，水凝膠粒徑穩(wěn)定在220nm左右，分散系數(shù)PDI降至0.126。

綜上所述，溫度會(huì)影響水凝膠的粒徑大小，這主要是受溫敏性高分子PNIPAM相轉(zhuǎn)變溫度的影響。PNIPAM的相變行為即為一個(gè)親/疏水作用平衡的過(guò)程。大分子側(cè)鏈中同時(shí)存在著親水性的酰胺基（-CONH-）和疏水性基團(tuán)異丙基-CH（CH3）2，25℃時(shí)，-CONH-能通過(guò)分子間的氫鍵與水分子有效結(jié)合（C…O·H-O-H，N…H-OH2），PNIPAM高分子鏈在水凝膠中溶脹舒展，粒徑數(shù)值較大;但由于氫鍵作用和疏水作用對(duì)溫度有較強(qiáng)的依賴性，溫度上升使分子間的氫鍵振動(dòng)加劇而發(fā)生斷裂，使酰胺基（-CONH-）與水分子間的氫鍵作用減弱，同時(shí)疏水基團(tuán)的作用加強(qiáng)，溫敏高分子更傾向于形成分子內(nèi)的氫鍵，導(dǎo)致疏水作用成為主要作用力，此時(shí)溫敏高分子收縮，形成沉淀稀出，宏觀表現(xiàn)為相分離現(xiàn)象[7，10]，圖4溫敏性測(cè)試證明了這種現(xiàn)象。室溫25℃時(shí)，a1中水凝膠透明性較好，手指接觸后，凝膠表面溫度上升至34℃以上，接觸部位變成白色，凝膠不透光;室溫靜置30s后，水凝膠恢復(fù)透明狀態(tài)。循環(huán)測(cè)試20次，水凝膠均能在40s內(nèi)恢復(fù)透明性，表明這種溫敏性相轉(zhuǎn)變過(guò)程是可逆的。

2.4 粘附性能分析

圖5為水凝膠負(fù)載總重為10g的離心管后，分別粘附在不同材料上，觀察并記錄粘附時(shí)間。結(jié)果表明，水凝膠粘附在乳膠，玻璃和不銹鋼表面上，離心管持續(xù)5min以上不掉。將水凝膠粘附四氟乙烯板上，離心管可持續(xù)懸空1min不掉，因此水凝膠對(duì)以上4種材料均具有良好的粘附能力。這主要是因?yàn)镻DA-NPs的臨二苯酚結(jié)構(gòu)與貽貝粘附蛋白中的左旋多巴（DOPA）類似，在氧作用下，酚羥基被氧化成多巴醌，使水凝膠與接觸材料發(fā)生交聯(lián)從而固化在基底表面，維持粘附過(guò)程中的氧化還原平衡，保證水凝膠持續(xù)的粘性[11]。

3? 結(jié)語(yǔ)

仿生溫敏性自粘附水凝膠在34℃有明顯的溫敏性，接近人體生理溫度;粘附性能優(yōu)異，可有效粘附在多種材質(zhì)（乳膠、玻璃、金屬和聚四氟乙烯）上不輕易脫落。該凝膠作為一種新型溫度刺激響應(yīng)性智能材料，在智能驅(qū)動(dòng)、組織粘附、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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