氫鍵增強(qiáng)酰腙動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵智能水凝膠的制備及性能

劉 通，馬 偉，熊樂(lè)艷，郭贊如，2，章家立

（1.華東交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.閩南師范大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，福建 漳州，363000）

智能聚合物水凝膠是由聚合物交聯(lián)形成的三維網(wǎng)狀、含水量高達(dá)95%，并且對(duì)外界環(huán)境（如壓力、光、溫度、pH 等）刺激而產(chǎn)生響應(yīng)的軟物質(zhì)[1-4]。最近，利用動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵（DCBs）作為交聯(lián)點(diǎn)構(gòu)建智能水凝膠受到了科研人員的關(guān)注，因?yàn)镈CBs 交聯(lián)的水凝膠兼具共價(jià)鍵交聯(lián)水凝膠的穩(wěn)定性和物理作用交聯(lián)水凝膠的自愈合（SH）、溶膠（sol）-凝膠（gel）轉(zhuǎn)變特性[5]。酰腙動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵就是典型的例子之一，具有較好的熱力學(xué)穩(wěn)定性和易設(shè)計(jì)構(gòu)建[6]。Deng 等[7-8]將PEG（聚乙二醇）用雙酰肼官能團(tuán)化/末端含有醛基的PEG 和含有三個(gè)苯甲醛官能團(tuán)小分子/含雙硫鍵的二酰肼在DMF 中形成酰腙鍵得到了具有自愈合性能和sol-gel 可逆轉(zhuǎn)變的水凝膠。Smeets 等[9]將酰腙鍵引入到PEG 聚合物中得到可注射水凝膠。Yan等[10]通過(guò)在含酰肼的聚谷氨酸和含醛基的海藻酸鈉之間形成酰腙鍵構(gòu)建可注射的水凝膠，并將其應(yīng)用于軟骨組織工程。Wei 等[5]利用N-羧基乙基殼聚糖和醛基化海藻酸鈉以及己二酰肼形成了以亞胺和酰腙鍵交聯(lián)的智能水凝膠，該凝膠能夠注射、自愈合以及有較好的抗水膨脹性，并且具有較好的生物相容性。Cuo 等[11]，呂展等[12]為賦予水凝膠多重響應(yīng)性通過(guò)酰腙鍵交聯(lián)得到具有自愈合性能和溶膠-凝膠可逆轉(zhuǎn)變性能的水凝膠。Chang 等[13]將溫度響應(yīng)基元引入到酰腙鍵交聯(lián)水凝膠中，獲得了具有溫度響應(yīng)性的自愈合水凝膠。何元等[14]利用溫敏型聚合物通過(guò)酰腙鍵制備了pH 和溫度雙響應(yīng)型水凝膠，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)溫度可調(diào)控水凝膠的穩(wěn)定性和自愈合性能。然而，大多數(shù)溫敏型酰腙鍵交聯(lián)的智能水凝膠表現(xiàn)出較低的力學(xué)強(qiáng)度。提高酰腙鍵交聯(lián)智能水凝膠力學(xué)強(qiáng)度有提高水凝膠固含量或交聯(lián)密度、引入雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和加入納米材料等方法[15-16]。在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中引入有效形成氫鍵的基團(tuán)可以有效提高凝膠的強(qiáng)度，如引入脲基嘧啶酮（UPy）基團(tuán)可以在網(wǎng)絡(luò)中形成四重氫鍵達(dá)到增強(qiáng)水凝膠的目的[17-21]。目前在單一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的溫敏型酰腙鍵交聯(lián)智能水凝膠中，引入多重氫鍵增強(qiáng)其力學(xué)性能的研究鮮有報(bào)道。

文章通過(guò)可逆加成-斷裂轉(zhuǎn)移自由基聚合（RAFT）制備了含脲基嘧啶酮（UPy）基團(tuán)單體（Mu）、N-異丙基丙烯酰胺 （NIPAM）和雙丙酮丙烯酰胺（DAAM），獲得了一系列含有UPy 基團(tuán)的共聚物PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu；然后利用制備得到的共聚物（PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu）和己二酸二酰肼（ADH）反應(yīng)形成酰腙動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵，得到水凝膠。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與試劑

2-氨基-4-羥基-6-甲基嘧啶（UPy）：分析純，百靈威；N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）、雙丙酮丙烯酰胺（DAAM）：分析純，TCI；偶氮二異丁腈（AIBN）、己二酸二酰肼（ADH）：分析純，阿拉丁；鏈轉(zhuǎn)移劑（CTA）按照文獻(xiàn)[22]中的方法合成；其他試劑均為市售分析純。

1.2 測(cè)試與表征

核磁共振（1H NMR）儀：布魯克（BRUKER—AVANCE—III—HD—400 MHz）型，將PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu溶解在氘代氯仿中；傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）儀：PerkinElmer Spectrum one 型，測(cè)試范圍為4 000～400 cm-1；凝膠滲透色譜（GPC）儀：沃特斯515 泵，參比物（聚氧乙烯），流動(dòng)相四氫呋喃（THF）做洗脫液，THF 流速為60.0 mL/h；流變儀：Anton Paar Physica MCR 302 旋轉(zhuǎn)型流變儀及PP25轉(zhuǎn)子，測(cè)試溫度為10 ℃，測(cè)試模式為應(yīng)力（Stress）或應(yīng)變控制模式（Strain-controlled mode）；掃描電子顯微鏡（SEM）：Japan JEOL JSM-7500F 型儀器，將凝膠樣品凍干后進(jìn)行觀察；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：寧波鎮(zhèn)海偉恒檢測(cè)儀器有限公司，測(cè)試水凝膠樣品的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變（Strain-Stress）曲線。

1.3 共聚物PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu 的制備及LCST 測(cè)定

首先制備了Mu單元[23]。通過(guò)可逆加成-斷裂轉(zhuǎn)移自由基聚合制備PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu。以P5為例，在三頸燒瓶中加入DAAM 0.15 g（0.88 mmol）、NIPAM 1.79 g（15.84 mmol）、Mu0.25 g（0.88 mmol）和7 mL 二甲亞砜（DMSO），邊攪拌邊通入N230 min，加入CTA 0.036 7 g（0.10 mmol）和AIBN 3.3 mg（0.02 mmol），繼續(xù)通N230 min 后加熱到70 ℃反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束后在大量乙醚中沉淀反應(yīng)物，洗滌多次，抽濾后進(jìn)行真空干燥，可得到P5的初步產(chǎn)物，將初步產(chǎn)物放置在去離子水中透析168 h，最后將透析后的樣品進(jìn)行冷凍干燥，可得到共聚物P5。共聚物P0，P1，P2采用相同的方法，投料配比按照表1 所示。將上述制備的共聚物配置成濃度為10 mg/mL 的溶液，通過(guò)UV-Vis 測(cè)定聚合物溶液（P0，P1，P2和P5）在600 nm 波長(zhǎng)下的透光率T，對(duì)T 和溫度進(jìn)行擬合得到變化曲線，聚合物的濁點(diǎn)[24]為曲線中透光率下降50% 時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。

表1 共聚物的組成及參數(shù)Tab.1 Physical parameters of polymer

1.4 水凝膠的制備和pH 響應(yīng)性

將共聚物溶解在水中配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% 的溶液，加入的己二酸二酰肼（ADH）物質(zhì)的量n 為共聚物中雙丙酮丙烯酰胺單元n 的50% ，待加入的共聚物和ADH 溶解完全后，調(diào)節(jié)溶液的pH 值得到水凝膠。水凝膠H0，H1，H2，H5分別由共聚物P0，P1，P2，P5制備得到的。得到的上述水凝膠可以使用4 mol/L 的NaOH 或4 mol/L 的HCl 調(diào)節(jié)pH 來(lái)實(shí)現(xiàn)Sol-gel 轉(zhuǎn)變。

1.5 水凝膠的自愈合和力學(xué)性能測(cè)試

選用兩個(gè)大小相同的圓狀水凝膠，對(duì)其中一個(gè)水凝膠用胭脂紅進(jìn)行染色。將兩個(gè)圓餅狀水凝膠等分切成4 個(gè)半餅形水凝膠，再將一個(gè)胭脂紅染色的半餅水凝膠和一個(gè)未染色的半餅水凝膠緊密拼接在一起；將水凝膠置于設(shè)定溫度下放置兩小時(shí)，觀察其自愈合能力。使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)在20 ℃下進(jìn)行壓縮強(qiáng)度測(cè)試。將圓柱體形狀水凝膠（h=10 mm，d=10 mm）以恒定的速率（2 mm/min）壓縮至應(yīng)變?yōu)?0% 時(shí)的強(qiáng)度記為水凝膠的壓縮強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)和LCST

圖1 為共聚物的1H-NMR 譜圖。0.8～1.1 ppm處為NIPAM 單元上—C （CH3）2的質(zhì)子峰位移，1.2～1.3 ppm 處為DAAM 單元上—C（CH3）2的質(zhì)子峰位移，1.3 ～1.6 ppm 處 為 主 鏈 單 元 上—CH2—和Mu單元中—CH3質(zhì)子峰位移，1.8～2.1 ppm 處為主鏈 上—CH—和—CH2—、DAAM 單元中—CH2—和CH3C=O、Mu單元嘧啶環(huán)—CH3的質(zhì)子峰位移，2.7～3.1 ppm 為Mu單元—NCH2—的質(zhì)子峰位移，3.7～4.1 ppm 為NIPAM 單元—CH—質(zhì)子峰位移，4.1～4.2 ppm 為Mu單元—COOCH2的質(zhì)子峰位移，6.6 ppm為Mu單元嘧啶酮環(huán)的質(zhì)子峰位移。通過(guò)1H-NMR譜圖計(jì)算出了聚合中結(jié)構(gòu)單元的比例，通過(guò)GPC 測(cè)定了聚合物的數(shù)均分子量Mu和分子量分布指數(shù)PDI，如表1 所示。從表1 可以看出，產(chǎn)品各組分的比例和投料比只有細(xì)微的差別，說(shuō)明合成了不同組成的共聚物。圖2（a）中插圖為P0水溶液（10 mg/mL）分別在20 ℃和35 ℃時(shí)的表觀照片，溫度升高溶液由透明狀變?yōu)槿榘咨珳啙釥?，說(shuō)明聚合物具有溫度響應(yīng)性。共聚物P0，P1，P2，P5的濁點(diǎn)分別為27.9，27.7，27.5，26.6 ℃（圖2（b）），說(shuō)明溫度的調(diào)控可以通過(guò)改變PDAAM—co—PNIPAM—co—Mu聚合物中Mu單元的量實(shí)現(xiàn)。

圖1 共聚物的1H NMR 圖Fig.1 1H NMR spectra of copolymer

圖2 共聚物的透光率和濁點(diǎn)Fig.2 Light transmittance and turbidity point of copolymer

2.2 水凝膠的形成及流變性能

利用共聚物和己二酸二酰肼反應(yīng)，形成機(jī)理如圖3 所示，獲得一系列水凝膠。圖4（a）顯示了頻率與模量的流變圖?？梢钥闯觯苽涞玫降乃zG' 始終大于G″。這是水凝膠的典型流變行為[11，16]，可以說(shuō)明共聚物與己二酸二酰肼形成了水凝膠。如圖4（b）所示，利用FT-IR 進(jìn)行分析，從紅外圖可以分析共聚物和水凝膠的結(jié)構(gòu)。DAAM 在波數(shù)1 719 cm-1處出現(xiàn)了酮羰基（C＝O）伸縮振動(dòng)的特征吸收峰，且共聚物中也在相同位置出現(xiàn)了C＝O的特征吸收峰，說(shuō)明聚合物中含有DAAM 單元[16]。形成相應(yīng)水凝膠后，酮羰基吸收峰消失，而是在波數(shù)為1 635 cm-1處出現(xiàn)C＝N 的特征吸收峰[16]，說(shuō)明共聚物中酮羰基和ADH 中酰肼反應(yīng)生成了酰腙鍵交聯(lián)鍵。

圖3 水凝膠形成機(jī)理圖Fig.3 Diagram of hydrogel formation mechanism

從圖4（a）也可看出，隨著水凝膠中Mu單元比例的增加G' 逐漸增強(qiáng)，說(shuō)明隨著UPy 基團(tuán)的增多水凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)。這是因?yàn)閁Py 基團(tuán)可以在凝膠網(wǎng)絡(luò)中形成四重氫鍵[21]，分子鏈之間的氫鍵作用增強(qiáng)了凝膠的強(qiáng)度。圖4（c）為水凝膠模量對(duì)應(yīng)變變化的關(guān)系圖，可以得出水凝膠的臨界剪切應(yīng)變值隨水凝膠中Mu單元摩爾比例的增加而逐漸降低。這是因?yàn)殡S著氫鍵交聯(lián)的增加，水凝膠交聯(lián)度逐漸增大，導(dǎo)致水凝膠柔韌性下降[25]。對(duì)含不同Mu單元比例的水凝膠進(jìn)行了壓縮強(qiáng)度測(cè)試，如圖4（d）所示。Mu單元從0 增加到5% ，水凝膠的壓縮強(qiáng)度從9.34 kPa升高到52.55 kPa，提高了4 倍多，進(jìn)一步說(shuō)明UPy基團(tuán)在水凝膠體系中的氫鍵作用提高了水凝膠的壓縮強(qiáng)度。圖5 為水凝膠H0，H1，H2和H5的SEM 照片，可以看出水凝膠隨著UPy 基團(tuán)的增多，凝膠網(wǎng)絡(luò)變得越來(lái)越致密（特別是H5），說(shuō)明UPy 基團(tuán)形成的氫鍵能夠增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度。

圖4 水凝膠的流變、紅外及應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Rheological, infrared and stress-strain curves of hydrogels

圖5 H0，H1，H2 和H5 的SEM 圖Fig.5 SEM images of H0，H1，H2 and H5

2.3 水凝膠的pH 和溫度響應(yīng)性

如圖6（a）所示，當(dāng)改變pH 值時(shí)，水凝膠出現(xiàn)可逆的Sol-gel 轉(zhuǎn)變，表明水凝膠具有pH 響應(yīng)性。此外，水凝膠隨著溫度的升高，發(fā)生溫度響應(yīng)性，如圖6（b）所示。當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)，水凝膠為透明狀；當(dāng)溫度升高到35 ℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槿榘咨宜z的體積隨著溫度的升高發(fā)生了明顯縮小，可以說(shuō)明其具有溫度響應(yīng)性。

圖6 水凝膠的pH 和溫度響應(yīng)性照片F(xiàn)ig.6 Photos of pH and temperature response of hydrogels

圖7（a）為水凝膠的壓縮曲線，得出水凝膠在溫度響應(yīng)之后其壓縮強(qiáng)度都得到了數(shù)倍的增強(qiáng)（圖7（b）），其中含有UPy 基團(tuán)的水凝膠H5溫度響應(yīng)之后的壓縮強(qiáng)度（279.81 kPa）相比于不含UPy 基團(tuán)的水凝膠H0（9.34 kPa）升高了近30 倍，說(shuō)明溫度誘導(dǎo)能夠使水凝膠力學(xué)性能進(jìn)一步增強(qiáng)。這是由于當(dāng)溫度高于共聚物的LCST 時(shí)，共聚物分子鏈發(fā)生塌陷，凝膠中的水分會(huì)被擠出，凝膠網(wǎng)絡(luò)變得更為致密[17]。利用流變儀測(cè)試了水凝膠模量隨溫度升高變化情況，如圖7（c）所示。H5的G' 隨著溫度的升高而升高；同時(shí)，水凝膠模量開(kāi)始升高的溫度也接近其對(duì)應(yīng)共聚物的濁點(diǎn)，說(shuō)明水凝膠中聚合物鏈發(fā)生溫度響應(yīng)導(dǎo)致水凝膠網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越致密。此外，針對(duì)水凝膠的體積收縮率隨著溫度的變化情況進(jìn)行了測(cè)試。如圖7（d）所示，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，水凝膠的體積收縮率升高，其響應(yīng)的溫度也接近對(duì)應(yīng)的共聚物的濁點(diǎn)，說(shuō)明是溫度響應(yīng)導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)變得更為致密。通過(guò)對(duì)比不同水凝膠在相同溫度時(shí)的體積收縮率，發(fā)現(xiàn)隨著水凝膠中Mu摩爾比例的增加，相應(yīng)水凝膠的體積收縮率越高?？赡苁撬z中疏水單體Mu增加，水凝膠中被排擠的水分越多，導(dǎo)致水凝膠的體積收縮率越高。

圖7 水凝膠加熱前后的壓縮對(duì)比圖、體積收縮率及H5 在循環(huán)升溫過(guò)程中的動(dòng)態(tài)模量變化曲線Fig.7 Compression contrast diagram of hydrogel before and after heating, volume shrinkage and dynamic modulus change curve of H5 during cyclic heating process

2.4 自愈合性能

如圖8（a）所示，可以看出將凝膠切開(kāi)后重新放置在一起2 h 后可以發(fā)生自愈合。利用流變恢復(fù)測(cè)試評(píng)價(jià)了水凝膠的自愈合能力（SH），如圖8（b）所示，水凝膠H5在應(yīng)變較小時(shí)，儲(chǔ)能模量高于損耗模量；當(dāng)應(yīng)變大于其臨界應(yīng)變之后，儲(chǔ)能模量低于損耗模量，水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞。當(dāng)應(yīng)變減小時(shí)，又快速恢復(fù)gel 狀態(tài)，說(shuō)明具有較好的SH能力。水凝膠模量隨著應(yīng)變的逐漸增大，如應(yīng)變?yōu)? 500% 時(shí)，其模量略有下降，這是由于經(jīng)歷大的破壞后水凝膠網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)點(diǎn)難以完全快速恢復(fù)。通過(guò)對(duì)水凝膠自愈合前后曲線進(jìn)行對(duì)比 （圖8（c）），可看出水凝膠的自愈合效率都在90% 以上（圖8（d）），說(shuō)明酰腙鍵和氫鍵作用賦予水凝膠較好地自愈合性能。

圖8 水凝膠自愈合過(guò)程Fig.8 Hydrogel self-healing process

3 結(jié)論

采用RAFT 聚合的方法，對(duì)水凝膠的pH 和溫度雙重響應(yīng)性和自愈合性能進(jìn)行了研究，得出了以下結(jié)論。

1）利用RAFT 聚合方法制備了含UPy 基團(tuán)的溫敏共聚物PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu，其分子量以及分子量分布可控。

2）水凝膠中UPy 基團(tuán)形成四重氫鍵，能夠增強(qiáng)水凝膠的力學(xué)性能。

3）水凝膠表現(xiàn)出pH 和溫度雙重響應(yīng)性，并且水凝膠溫度響應(yīng)之后力學(xué)強(qiáng)度得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

4）水凝膠具有自愈合能力，且自愈合效率高于90%。