基于明膠的抗溶脹雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備及性能研究

伍紹吉，袁塵瑜，湯建新，湯 力

(湖南工業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院，湖南 株洲 412007)

0 引言

水凝膠是一種由單體分子通過化學(xué)或者物理交聯(lián)方式形成的、具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的軟-濕高分子聚合物材料，它不僅具有極高的含水量和良好的生物相容性，而且兼具固體的支持作用和液體的傳質(zhì)功能，在傷口敷料[1-4]、組織工程[5-9]、藥物運(yùn)輸釋放系統(tǒng)[10-14]等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值.但是，傳統(tǒng)水凝膠在微觀結(jié)構(gòu)上存在交聯(lián)密度低、分子鏈間相互作用力小、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不規(guī)整等缺點(diǎn)，導(dǎo)致水凝膠表現(xiàn)出低的力學(xué)強(qiáng)度、弱的自恢復(fù)性能和高的溶脹率，這極大地限制了水凝膠在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究[15-17].

雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠由兩層相互獨(dú)立、物理性質(zhì)相異的聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得其在受到較大應(yīng)力時(shí)，將首先破碎第一層剛性網(wǎng)絡(luò)，通過大量化學(xué)鍵或物理鍵的斷裂來(lái)耗散大部分能量，破碎的第一層網(wǎng)絡(luò)散落在第二層網(wǎng)絡(luò)中為第二層網(wǎng)絡(luò)提供更多的物理交聯(lián)點(diǎn)，以此增加第二層網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度從而進(jìn)一步提升其力學(xué)性能.如：Gong等[18]采用兩步法制備了聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸) /聚丙烯酰胺全化學(xué)交聯(lián)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠.所得水凝膠的壓縮應(yīng)力可達(dá)17.2 MPa，為聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸)單網(wǎng)絡(luò)水凝膠的43倍.但是全化學(xué)交聯(lián)策略的采用，使得其在經(jīng)歷壓縮后，網(wǎng)絡(luò)中的化學(xué)鍵發(fā)生不可逆的損傷，導(dǎo)致水凝膠無(wú)法恢復(fù)其原始形狀并失去其柔韌性.為了平衡水凝膠力學(xué)性能和自恢復(fù)性能，Tang等[19]將物理鍵的動(dòng)態(tài)可逆特性和雙網(wǎng)絡(luò)增韌機(jī)制相結(jié)合提出了全物理交聯(lián)雙網(wǎng)絡(luò)增韌策略，采用明膠作為剛性的犧牲網(wǎng)絡(luò)，多氫鍵供體/受體的N-羥乙基丙烯酰胺作為柔性網(wǎng)絡(luò)，合成了全物理交聯(lián)的明膠/聚(N-羥乙基丙烯酰胺)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠.由于雙網(wǎng)絡(luò)的增韌機(jī)制和全物理交聯(lián)的策略，該水凝膠展現(xiàn)出極高的力學(xué)性能(拉伸應(yīng)力/應(yīng)變：1.93 MPa/822%)和快速自恢復(fù)特性(常溫下韌性恢復(fù)效率可達(dá)70.2%).但該水凝膠高度親水，導(dǎo)致其遇水高度膨脹，力學(xué)性能快速劣化.因此，如何構(gòu)建具有高強(qiáng)度、快速自恢復(fù)能力和抗溶脹特性的水凝膠是一大挑戰(zhàn).

本文以明膠(Gelatin)、甲基丙烯酸-2-羥基乙酯(HEMA)和丙烯酸(AA)作為原料，構(gòu)建了一種高強(qiáng)度快速自恢復(fù)抗溶脹的物理-化學(xué)交聯(lián)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠.商品化的明膠具有良好的生物相容性以及獨(dú)特的凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變特性.當(dāng)溫度從60 °C降低到25 °C時(shí)，明膠分子能夠由無(wú)規(guī)卷曲狀態(tài)自組裝為三螺旋結(jié)構(gòu)以完成溶膠到凝膠的轉(zhuǎn)化.另一方面，明膠含有豐富的-OH、-NH2和-COOH等親水性功能基團(tuán)，能夠與化學(xué)交聯(lián)的p(HEMA-co-AA)柔性網(wǎng)絡(luò)通過氫鍵相互作用提高網(wǎng)絡(luò)間的交聯(lián)密度，以提高水凝膠力學(xué)表現(xiàn).制備的Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝膠不僅具有優(yōu)秀的力學(xué)強(qiáng)度和快速自恢復(fù)性能，而且在水中浸泡24 h后，拉伸應(yīng)力/應(yīng)變?nèi)阅苓_(dá)到0.36 MPa/394.79%.這種一鍋法制備高強(qiáng)度快速自恢復(fù)抗溶脹水凝膠的方法，操作簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化，有望推動(dòng)水凝膠在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

明膠(Gelatin，凝膠強(qiáng)度～300 g)，2-羥基-4-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮(I2959，分析純)，阿拉丁試劑有限公司；甲基丙烯酸-2-羥基乙酯(HEMA，分析純)，天津希恩思生化科技有限公司；丙烯酸(AA，分析純)，阿拉丁試劑有限公司；N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA，分析純)，北京百靈威科技有限公司.

美國(guó)ThermoFisher公司Thermo Scientific Nicolet iS5型傅里葉變換紅外光譜儀，KBr壓片法，掃描范圍為500～4 000 cm-1；德國(guó)Carl Zeiss公司Zeiss Sigma 300掃描電子顯微鏡；日本Shimadzu公司AGS-X型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試速度為100 mm/min.

1.2 Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠、Gelatin和p(HEMA-co-AA)單網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備

首先將0.6 g Gelatin、2.5 g HEMA、0.2 g AA、0.004 7 g MBA、0.0469 g I2959和1.65 g H2O共混于玻璃瓶中，60 °C恒溫?cái)嚢杓s15～20 min至Gelatin溶解完全.然后將玻璃瓶中的混合物注入事先準(zhǔn)備好的玻璃模具中，靜置冷卻0.5 h，形成剛性的Gelatin網(wǎng)絡(luò).然后將冷卻后的模具置于功率為8 W的紫外燈下光聚合1 h，形成柔性的p(HEMA-co-AA)網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)成Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠.最后，將水凝膠置于4 °C冰箱中冷卻0.5 h以加固Gelatin網(wǎng)絡(luò).在制備過程中，AA充當(dāng)著溶液極性的調(diào)節(jié)劑，幫助Gelatin溶解于HEMA/H2O體系.考慮到高親水性的AA會(huì)對(duì)抗溶脹性能產(chǎn)生較大影響，因此將其質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定為4%.

Gelatin單網(wǎng)絡(luò)水凝膠通過將含量12%的水溶液加熱到60 °C后，于室溫靜置0.5 h獲得.

p(HEMA-co-AA)單網(wǎng)絡(luò)水凝膠通過將2.5 g HEMA、0.2 g AA、0.0047 g MBA、0.0469 g I2959和2.25 g H2O一鍋混合，并于紫外燈下光聚合1 h得到.

1.3 表征測(cè)試

1.3.1 紅外光譜測(cè)試將Gelatin單網(wǎng)絡(luò)水凝膠、p(HEMA-co-AA)單網(wǎng)絡(luò)水凝膠和Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)凝膠放置在60 °C烘箱中干燥至恒重后磨成粉末，對(duì)得到的粉末進(jìn)行溴化鉀壓片，并通過傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行檢測(cè)得到其紅外光譜.

1.3.2 掃描電鏡測(cè)試將Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)凝膠用液氮脆斷得到其截面，噴金后采用掃描電子顯微鏡對(duì)水凝膠的截面進(jìn)行檢測(cè)，得到其形貌.

1.3.3 力學(xué)性能測(cè)試力學(xué)性能通過萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)以100 mm/min的拉伸速度進(jìn)行測(cè)試.將凝膠樣品切成啞鈴狀(標(biāo)距長(zhǎng)度 17 mm，寬度 4 mm，厚度 1 mm).拉伸應(yīng)變(ε)、拉伸應(yīng)力(σ)、彈性模量(E)和能量耗散(Uhys)分別通過公式(1)、(2)、(3)和(4)計(jì)算：

ε=Δl/l0，

(1)

式中，Δl和l0分別為樣品的拉伸長(zhǎng)度和初始長(zhǎng)度.

σ=F/A0，

(2)

式中：F和A0分別為樣品的負(fù)載力和初始橫截面積.

E=(σ10-σ0.1)/(0.099)，

(3)

式中：σ10和σ0.1分別為樣品在應(yīng)變?yōu)?0%和0.1%時(shí)的應(yīng)力.

(4)

式中，εx、σload和σunload分別為預(yù)設(shè)的應(yīng)變、加載過程中的相應(yīng)的應(yīng)力和寫作過程中相應(yīng)的應(yīng)力.

1.3.4 溶脹性能測(cè)試將待測(cè)凝膠用剪刀裁剪成三塊同樣大小(10 mm×10 mm)的正方形膠樣，稱量凝膠的初始重量，記為W0，然后將其置于盛有等量去離子水的圓柱形玻璃瓶中密閉溶脹，溶脹一定時(shí)間，從水中取出，用濾紙吸干表面液體，稱量其溶脹后的重量，記為Wt.重復(fù)這一操作過程，直至水凝膠在去離子水中達(dá)到溶脹平衡狀態(tài).水凝膠的溶脹率(S)通過式(5)進(jìn)行計(jì)算：

S=Wt/W0×100 %.

(5)

2 結(jié)果與討論

2.1 Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備原理

如圖1所示，Gelatin、HEMA、AA、MBA、I2959和H2O在60 °C下攪拌溶解形成均質(zhì)混合溶液.然后將混合溶液注入事先準(zhǔn)備好的玻璃模具中，靜置冷卻0.5 h.在冷卻過程中，Gelatin由無(wú)規(guī)卷曲狀態(tài)向三螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，完成溶膠到凝膠的轉(zhuǎn)變形成剛性的Gelatin網(wǎng)絡(luò)[19].進(jìn)一步，將冷卻后的模具置于紫外燈下光聚合1 h，形成柔性的p(HEMA-co-AA)網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)成Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠.物理-化學(xué)交聯(lián)雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅為該水凝膠提供豐富的能量耗散途徑，而且賦予其優(yōu)秀的力學(xué)性能、自恢復(fù)性能和抗疲勞性能.

2.2 Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝膠的表征

圖2(a)為Gelatin單網(wǎng)絡(luò)水凝膠、p(HEMA-co-AA)單網(wǎng)絡(luò)水凝膠和Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的紅外光譜圖.Gelatin單網(wǎng)絡(luò)水凝膠在3 280 cm-1和1 634 cm-1處分別表現(xiàn)出活潑氫的特征峰和C=O的伸縮振動(dòng)峰.p(HEMA-co-AA)單網(wǎng)絡(luò)水凝膠在3 418 cm-1、1 718 cm-1和1 150 cm-1處分別表現(xiàn)出活潑氫的特征峰、C=O的伸縮振動(dòng)峰和C-O的伸縮振動(dòng)峰.由于Gelatin網(wǎng)絡(luò)和p(HEMA-co-AA)網(wǎng)絡(luò)的氫鍵相互作用，促使Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的活潑氫特征峰由3 418 cm-1紅移到3 322 cm-1.此外，Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠在1 717 cm-1和1 643 cm-1處分別展現(xiàn)出p(HEMA-co-AA)網(wǎng)絡(luò)和Gelatin網(wǎng)絡(luò)的C=O伸縮振動(dòng)峰且無(wú)新的特征峰形成，暗示著Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)由p(HEMA-co-AA)網(wǎng)絡(luò)和Gelatin網(wǎng)絡(luò)通過物理相互穿插形成.顯然，雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠具有遠(yuǎn)高于單網(wǎng)絡(luò)水凝膠的力學(xué)性能，暗示雙網(wǎng)絡(luò)增韌策略是有效的.通過SEM對(duì)Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的形貌進(jìn)行了表征，結(jié)果顯示該水凝膠具有4～10 μm的孔徑(如圖2(b)所示).進(jìn)一步，通過對(duì)比單網(wǎng)絡(luò)和雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的力學(xué)性能，證明了雙網(wǎng)絡(luò)策略是合成高韌性水凝膠的有效途徑.由于Gelatin單網(wǎng)絡(luò)水凝膠力學(xué)性能極弱，脫模即碎裂，因此，僅對(duì)比了p(HEMA-co-AA)單網(wǎng)絡(luò)凝膠和Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)凝膠.如圖2(c)所示，p(HEMA-co-AA)單網(wǎng)絡(luò)水凝拉伸應(yīng)力僅為0.38 MPa，而Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的拉伸應(yīng)力可達(dá)1.23 MPa.

2.3 Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝膠的拉伸性能

考慮到Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠通過Gelatin剛性網(wǎng)絡(luò)和p(HEMA-co-AA)柔性網(wǎng)絡(luò)組成.因此，揭示兩種網(wǎng)絡(luò)組分對(duì)Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠力學(xué)性能的影響是極為重要的.如圖3(a1)所示，當(dāng)Gelatin的含量從6%增加到12%時(shí)，水凝膠的拉伸應(yīng)力和彈性模量分別從0.36 MPa和0.11 MPa增加到了0.75 MPa和0.19 MPa(如圖3(a2)所示).顯然，高含量的Gelatin有利于提高水凝膠的應(yīng)力和彈性模量，這歸因于Gelatin的剛性和脆性以及雙網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則.Gelatin作為第一剛性網(wǎng)絡(luò)在初始受力時(shí)，通過自身的剛性使水凝膠展現(xiàn)出較高的彈性模量，在持續(xù)受力過程中，Gelatin網(wǎng)絡(luò)通過碎裂耗散大量能量，破裂的Gelatin網(wǎng)絡(luò)碎片能夠作為物理交聯(lián)點(diǎn)進(jìn)一步增韌柔性的p(HEMA-co-AA)網(wǎng)絡(luò).HEMA含量對(duì)水凝膠的影響如圖3(b1)所示，隨著HEMA的含量從30%增加到50%，水凝膠的拉伸應(yīng)變從825.89%減少到682.17%，拉伸應(yīng)力和彈性模量分別從0.54 MPa和0.10 MPa增加到1.22 MPa和0.35 MPa(如圖3(b2)所示).顯然，當(dāng)HEMA含量的增加將形成交聯(lián)更為致密的p(HEMA-co-AA)網(wǎng)絡(luò)，通過犧牲水凝膠的拉伸應(yīng)變?yōu)榇鷥r(jià)來(lái)增加拉伸應(yīng)力和彈性模量.綜上所述，Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠在最佳組分含量12% Gelatin、50% HEMA和4% AA下，實(shí)現(xiàn)1.23 MPa的拉伸應(yīng)力和682.17%的拉伸應(yīng)變.除非另有說明，否則后續(xù)實(shí)驗(yàn)將使用該含量進(jìn)行測(cè)試.

2.4 Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝膠的能量耗散

采用連續(xù)的加載-卸載循環(huán)對(duì)Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝膠進(jìn)行能量耗散測(cè)試，以研究水凝膠的能量耗散情況.如圖4(a)所示，Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝膠經(jīng)歷了6次循環(huán)，應(yīng)變從100%增加到了600%，在第7次加載過程中水凝膠在692.55%應(yīng)變處發(fā)生了斷裂.顯然，滯后回線會(huì)隨著應(yīng)變而增加其面積，因此，耗散能從0.003 3 MJ/m3增加到0.59 MJ/m3(如圖4(b)所示).另一方面，水凝膠的每條重新加載的曲線均接近但未與先前的加載曲線完全重疊，這表明在加載循環(huán)中斷裂的部分物理鍵在卸載循環(huán)中能夠立即恢復(fù)，暗示該水凝膠具有良好的自恢復(fù)性能.

2.5 Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝膠的自恢復(fù)和抗疲勞性能

由于Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝膠網(wǎng)絡(luò)中包含大量的物理相互作用，因此該水凝膠具有一定的自恢復(fù)能力.水凝膠的自恢復(fù)性能通過帶有休息時(shí)間(0 s、30 s和60 s)的加載-卸載循環(huán)進(jìn)行測(cè)試(如圖5(a)所示).從圖5(b)可以看出，水凝膠的自恢復(fù)效率呈現(xiàn)出時(shí)間依賴性，隨著休息時(shí)間從0 s增加到60 s，水凝膠的能量耗散和峰值應(yīng)力的恢復(fù)率分別從64.53%和99.51%增加到77.47%和99.97%.且0～30 s的自恢復(fù)效率遠(yuǎn)高于30～60 s的自恢復(fù)效率，暗示該水凝膠具有快速的自恢復(fù)性能，這種快速的自恢復(fù)性能使得其在相同環(huán)境下?lián)碛懈玫目蛊谔匦?

水凝膠的抗疲勞能力通過應(yīng)變?yōu)?00%的連續(xù)加載-卸載循環(huán)進(jìn)行測(cè)試.圖5(c)展示了水凝膠的應(yīng)力-時(shí)間曲線，可以看到隨著循環(huán)次數(shù)的增加，水凝膠的峰值并未發(fā)生明顯變化，且在第十次循環(huán)后，應(yīng)力仍能維持在初始值的93.75%(如圖5(d)所示)，暗示該水凝膠具有良好的抗疲勞特性.

2.6 Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝膠的抗溶脹性能

水凝膠的高親水性使得水凝膠遇水易溶脹，導(dǎo)致其力學(xué)性能快速劣化.這里采用了低親水性的HEMA作為該水凝膠的主要成分以降低水凝膠的溶脹性能.圖6(a)展示了不同Gelatin和HEMA含量的Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝膠在水中的溶脹曲線.隨著Gelatin含量從6%增加到12%，溶脹率先從0.51增加到0.92然后減小到0.64.顯然，Gelatin含量的增加，會(huì)增加水凝膠的親水性，從而導(dǎo)致水凝膠的溶脹率增加.而水凝膠的溶脹率先增加后減小的現(xiàn)象可歸因于高含量的Gelatin極大地增加了水凝膠的交聯(lián)密度，致密的網(wǎng)絡(luò)限制了水凝膠的進(jìn)一步溶脹，從而導(dǎo)致了溶脹率的減小.如圖6(b)所示，隨著低親水性的HEMA含量的增加，水凝膠的溶脹率從0.73減小到了0.63，暗示低親水分子的增加有利于增強(qiáng)水凝膠的抗溶脹性能.進(jìn)一步，比較了在水中溶脹前后Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝膠的力學(xué)性能的變化.如圖6(c)所示，當(dāng)Gelatin/p(HEMA-co-AA)在水中溶脹24 h后，水凝膠的拉伸應(yīng)力/應(yīng)變?nèi)阅苓_(dá)到0.36 MPa/394.79%，說明該水凝膠具有極好的抗溶脹性能.

3 總結(jié)

這項(xiàng)工作以生物相容性的Gelatin和低毒性、低親水性的HEMA作為主要原料制備了物理-化學(xué)交聯(lián)的Gelatin/p(HEMA-co-AA)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠.通過雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和物理-化學(xué)交聯(lián)的設(shè)計(jì)，使得該水凝膠不僅具有優(yōu)秀力學(xué)性能(拉伸應(yīng)力/應(yīng)變：1.23 MPa/682.17%)，而且還擁有快速的自恢復(fù)能力(常溫休息60 s，能量耗散/峰值應(yīng)力的恢復(fù)率：77.47%/99.97%).低親水性HEMA的采用和雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的增韌使得該水凝膠呈現(xiàn)出低的溶脹率(0.63)，且在水中溶脹24 h后，仍具有較高的拉伸應(yīng)力/應(yīng)變：0.36 MPa/394.79%.這項(xiàng)工作采用簡(jiǎn)易的一鍋法構(gòu)建了高強(qiáng)度快速自恢復(fù)抗溶脹水凝膠，有望拓寬水凝膠在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用.