海藻酸鈣-聚(N-異丙基丙烯酰胺)交聯(lián)互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備與性能

林裕衛(wèi),黃晁康,彭曉宏

(1.佛山金萬達科技股份有限公司,廣東 佛山 528000; 2.華南理工大學,廣東 廣州 510641)

當皮膚組織發(fā)生損傷時,傷口會主動進行修復并最終愈合[1]。在愈合過程的不同階段,組織中會出現(xiàn)各種類型的細胞和滲液[2-3]。濕性敷料作為一種新型醫(yī)用材料,具有保護傷口和吸收滲液的功能,可通過物理和化學改性賦予其抗菌性、生物降解性、刺激響應(yīng)性等特點。水凝膠敷料作為發(fā)展迅速的一種醫(yī)用材料,具有生物相容性、高吸水性、保持創(chuàng)面濕潤等優(yōu)點。對水凝膠敷料進行改性可以實現(xiàn)水凝膠在外部刺激下做出相關(guān)響應(yīng),提供有利于傷口愈合的濕潤環(huán)境,促進受損組織的修復。目前,針對功能化水凝膠敷料的大部分研究著重于藥物負載和釋放,對創(chuàng)面施加化學藥物并與組織細胞發(fā)生生理學反應(yīng),存在藥物的儲存與釋放不可控的問題。

溫度敏感型水凝膠是由熱響應(yīng)性聚合物所組成的一類智能材料,能夠?qū)囟茸兓龀鲰憫?yīng),這一特性使其可用于生物醫(yī)學應(yīng)用,包括藥物儲存與釋放、組織工程和生物傳感器[4]。溫敏型凝膠在一定溫度下表現(xiàn)出體積相變,其主要原因為分子內(nèi)氫鍵與分子間氫鍵的競爭性特性,使聚合物變得親水或者疏水。一般來說,熱響應(yīng)型水凝膠可以分為2類,一類是臨界溶解溫度(LCST)較低的水凝膠[5],該類水凝膠聚合物分子水合程度高,在較低的溫度下溶解良好,當加熱時聚合物分子的溶解度會降低,并聚集形成相變[6-8];另一類熱響應(yīng)型水凝膠是具有高臨界溶解溫度(UCST)的水凝膠,該類水凝膠在一定溫度以下處于膠凝狀態(tài),在高于臨界溫度時可溶解[9-10]。

Tian等[11]以溫敏型的羥丁基殼聚糖(HBC)為主要材料,使用左旋多巴(L-DOPA)和多聚賴氨酸對其進行改性,獲得具有抗菌和組織黏附特性的可注射型水凝膠(eLHBC)。將該水凝膠溶液注射至動物體表,可以在創(chuàng)面處受體溫刺激而發(fā)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變,原位形成水凝膠。與HBC相比,在濕性環(huán)境下eLHBC的黏合強度增加近1.5倍,同時在引入多聚賴氨酸后,eLHBC表現(xiàn)出優(yōu)良的抗菌特性,可以減少傷口感染和發(fā)炎。在水凝膠前驅(qū)液中加入可以分泌細胞因子和生長因子的骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSCs),動物實驗表明,經(jīng)eLHBC處理后的傷口在15 d后,閉合率在99%以上。納米粒子可以通過直接負載或水凝膠原位合成的方式摻雜至水凝膠中,常用于提高水凝膠的力學性能[12-13],賦予水凝膠抗菌[14-15]、抗炎和導電[16]等特性。Kevin等[17]使用雙重/互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),利用化學原位正交凝膠反應(yīng)和纖維素納米晶體作為各向異性納米粒子增強劑,開發(fā)具有顯著力學增強、改進剪切變稀和原位生成各向異性的可注射水凝膠。目前具有UCST功能的水凝膠多應(yīng)用于藥物吸附與釋放當中,Jiang等[18]利用聚丙烯酸中的羧酸基團和聚丙烯酰胺中的酰胺基團制備了一種由聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)和纖維素納米晶體組成的溫敏特性復合水凝膠,可以通過溫度控制水凝膠溶脹和收縮,使負載在水凝膠中的鹽酸阿霉素可以實現(xiàn)可逆、可控地釋放和吸附。

近年來,基于聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)的溫敏型水凝膠倍受國內(nèi)外科技界關(guān)注。陳詠梅等[19]使用海藻酸鋁/聚N-異丙基丙烯酰胺構(gòu)建互穿網(wǎng)絡(luò),其中離子交聯(lián)的海藻酸鋁作為稀釋鍵在凝膠網(wǎng)絡(luò)體系中耗散能量避免應(yīng)力集中,低交聯(lián)的PNIPAm網(wǎng)絡(luò)賦予凝膠網(wǎng)絡(luò)良好的彈性,2層網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用為高強度溫敏水凝膠材料的設(shè)計及其在柔性力學方面的應(yīng)用提供了很好的借鑒作用及理論基礎(chǔ),制備所得水凝膠通過調(diào)節(jié)鹽離子的濃度可實現(xiàn)該水凝膠相轉(zhuǎn)變溫度的可控調(diào)節(jié)性,構(gòu)建了一種在低溫30 ℃水環(huán)境中40 s內(nèi)迅速從室溫達到140°的彎曲柔性角度的水凝膠驅(qū)動器,可在水中柔性抓取物體。

海藻酸鈉(Alg)作為一種天然高分子,是一種由β-D-甘露醛酸(M)和α-L-古羅醛酸(G)單體組成的線性多糖,2種單體排列成G、M單一單體嵌段或者M、G單體隨機組合嵌段,其中G單元上的羧基能夠與鈣、鐵、鋁、鉛等二價或者多價的金屬離子進行交聯(lián)形成“雞蛋盒”結(jié)構(gòu),賦予膠凝能力和機械強度,離子交聯(lián)海藻酸鹽水凝膠由于其生物相容性和溫和的凝膠反應(yīng),在多種生物醫(yī)學應(yīng)用中表現(xiàn)出了出色的潛力。

本文以N-異丙基丙烯酰胺單體(NIPAm)和海藻酸鈉(Alg)為主要材料,使用CaCO3和D-葡萄糖酸內(nèi)酯(GDL)構(gòu)成的CaCO3-GDL為鈣源并為Alg提供離子交聯(lián)劑,以交聯(lián)劑N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAA)為NIPAm的交聯(lián)劑,通過一步法制備得到海藻酸鈣-聚(N-異丙基丙烯酰胺)交聯(lián)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)溫敏型水凝膠(PAGel)。研究不同鈣源、溫度、NIPAm配比、MBAA用量下,相應(yīng)水凝膠的性能,以期通過PAGel雙網(wǎng)互穿的結(jié)構(gòu),減少化學藥物的負載與釋放,應(yīng)用于低毒性愈合微環(huán)境創(chuàng)造以加快傷口愈合。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

本文實驗主要原料與試劑如表1所示。

表1 實驗主要原料與試劑Tab.1 Experimental materials and reagents

1.2 儀器與設(shè)備

本文實驗所用主要實驗儀器與設(shè)備如表2所示。

表2 主要實驗儀器與設(shè)備Tab.2 Main experimental instruments

2 PAGel制備

PAGel是由PNIPAm共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和Alg-Ca2+離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)互穿構(gòu)建而成的,由NIPAm、引發(fā)劑APS、交聯(lián)劑MBAA和促引發(fā)劑TEMED發(fā)生自由基聚合反應(yīng),形成共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò);而Alg與Ca2+通過絡(luò)合反應(yīng)形成蛋盒結(jié)構(gòu)并組成離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。在低溫下反應(yīng),以避免PNIPAm分子鏈聚集,降低自由基聚合速率,有利于2個網(wǎng)絡(luò)相互擴散和穿插,最終形成結(jié)構(gòu)均勻的交聯(lián)互穿網(wǎng)絡(luò),PAGel的交聯(lián)互穿網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 PAGel的的交聯(lián)互穿網(wǎng)絡(luò)Fig.1 PAGel′s cross-linked interpenetrating network.(a) Schematic diagram of the structure; (b) Macro topography

以CaCO3-GDL緩釋體系為鈣源,采用原位釋放法制備Alg-Ca2+水凝膠網(wǎng)絡(luò),GDL在水溶液中會緩慢水解,釋放氫離子并與CaCO3發(fā)生反應(yīng),不斷將Ca2+從CaCO3中釋放并與Alg分子交聯(lián),避免交聯(lián)速率過快導致水凝膠密度不均。采用CaSO4作為鈣源與CaCO3-GDL緩釋體系對比,CaSO4溶解在水溶液中會產(chǎn)生大量游離的Ca2+,迅速與Alg分子交聯(lián)而形成由密度不同的團塊所組成的凝膠[20]。

2.1 以CaCO3-GDL為鈣源的水凝膠(PAGel)制備

采用一步法制備溫敏型聚(N-異丙基丙烯酰胺)/海藻酸鈣互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠(PAGel)。將一定量的NIPAm、Alg、交聯(lián)劑MBAA和促引發(fā)劑TEMED添加于裝有10 mL去離子水的燒杯中,在室溫下將混合溶液攪拌均勻后,通入氮氣驅(qū)氧30 min后依次加入一定比例的引發(fā)劑APS、CaCO3和GDL,攪拌后迅速將混合溶液倒入至由2塊玻璃板和硅膠墊片制成的模具中,放入4 ℃冰箱冷藏;反應(yīng)24 h后將水凝膠樣品置于去離子水中浸泡48 h,定期換水以去除未反應(yīng)的單體;最后將樣品用-50 ℃凍干機預冷凍24 h后干燥,密封置于4 ℃冰箱保存?zhèn)溆?。PAGel合成配方如表3所示。

表3 PAGel合成配方Tab.3 Formulations of PAGel

2.2 以CaSO4為鈣源的水凝膠制備(PAGel-CaSO4)

將一定量的NIPAm、SA、交聯(lián)劑MBAA和20 μL促引發(fā)劑TEMED添加于裝有10 mL去離子水的燒杯中,在室溫下將混合溶液攪拌均勻后,通入氮氣驅(qū)氧30 min后加入引發(fā)劑APS,且在劇烈攪拌下分批加入CaSO4,攪拌后迅速將混合溶液倒入至玻璃模具,放入4 ℃冰箱冷藏;反應(yīng)24 h后將樣品置于去離子水中浸泡48 h,定期換水以去除未反應(yīng)的單體;最后將樣品用-40 ℃凍干機預冷凍24 h干燥,密封置于4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

3 測試與表征

3.1 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)測試

通過傅里葉紅外光譜儀對PAGel的組成進行表征。在測試樣品前先采集背景,然后分別將PNIPAm、Alg、PAGel-CaSO4和PAGel與溴化鉀粉末按質(zhì)量比為1∶100混合均勻,充分研磨,壓制成片,放入紅外光譜儀中進行測試。

3.2 掃描電子顯微鏡(SEM)測試

采用冷凍干燥的方法能夠使水凝膠樣品保持較為完整的微觀結(jié)構(gòu),因此將制備好的水凝膠樣品進行液氮淬冷處理,然后放入-40 ℃冷凍干燥機冷凍干燥24 h;取出干凝膠樣品后切成大小適當?shù)谋∑?置于帶有導電膠帶的載物臺上,抽真空并進行噴金處理以提高導電性,使用EVO18掃描電子顯微鏡在測試電壓為5.0 kV的條件下,觀察樣品表面的微觀結(jié)構(gòu)。

3.3 溶脹性能測試

采用質(zhì)量法測量25和37 ℃水浴下水凝膠樣品的溶脹質(zhì)量比。將不同參數(shù)制備的水凝膠切成大小相近的塊狀,然后冷凍干燥至恒質(zhì)量,準確稱取其原始質(zhì)量;將樣品放入去離子水,分別置于25和37 ℃水浴中,于0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、12.0、24.0、48.0 h取出,用濾紙擦干表面水分后稱量。每個樣品重復3次取平均值。溶脹質(zhì)量比(SRb)的計算公式為:

(1)

式中:SRb為溶脹質(zhì)量比;wd為干燥狀態(tài)的原始質(zhì)量,g;wt為吸水溶脹后的質(zhì)量,g。

在水凝膠溶脹的初期階段,采用Fickian擴散動力學理論對其溶脹行為分析,其表達式為:

(2)

式中:we為溶脹平衡后的質(zhì)量,g;n為特征指數(shù);k為速率常數(shù);t為溶脹時間,h。

將表達式兩邊取對數(shù),可得:

(3)

擬合曲線并求出斜率n,根據(jù)n的值判斷擴散類型。

3.4 流變性能測試

通過流變性能測試對PAGel和PAGel-CaSO4水凝膠的力學強度進行表征,以此分析不同鈣源對水凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。使用具有平行板測量系統(tǒng)的DHR-2流變儀測量水凝膠的流變特性。在常溫條件下測量不同鈣源制成水凝膠樣品的儲能模量(G′)和損耗模量(G″),固定掃描頻率為10 rad/s,應(yīng)變范圍為0.1%～1 000%。

采用變溫流變測試表征水凝膠樣品的溫度響應(yīng)特性。測試前消除熱歷史,將水凝膠樣品置于37 ℃的去離子水中1 h。具體測試溫度范圍為20～50 ℃,升溫速率為1 ℃/min,固定應(yīng)變和掃描頻率分別為1%和10 rad/s。

3.5 差示掃描量熱(DSC)測試

取10 mg常溫下處于平衡溶脹狀態(tài)的水凝膠樣品放置在DSCAQ全自動差示掃描量熱儀的樣品臺上,設(shè)置測試條件溫度范圍25 ～45 ℃,升溫速率2 ℃/min,氮氣流速50 mL/min。觀察所得DSC曲線,表征其體積相轉(zhuǎn)變溫度(VPTT)。

3.6 溫敏收縮性能測試

通過面積法表征水凝膠樣品的溫敏收縮特性。將水凝膠切成邊長為25 mm的正方形,然后放入溫度為37 ℃,相對濕度為55%的恒溫恒濕培養(yǎng)箱中,每隔一段時間在水凝膠表面滴加少量去離子水以保持濕潤,在相應(yīng)時間取出并測量面積。面積收縮率(SRc)的計算公式為:

(4)

式中:SRc為面積收縮率,%;A0為水凝膠初始狀態(tài)的面積,mm2;A為收縮后的面積,mm2。

4 結(jié)果與討論

4.1 紅外結(jié)構(gòu)分析

不同水凝膠的FTIR譜圖如圖2所示。Alg對應(yīng)的FTIR譜曲線中,3 412 cm-1附近出現(xiàn)的寬吸收峰是羥基(—OH)伸縮振動吸收峰,此寬峰為Alg分子間和分子內(nèi)的氫鍵; 2 926 cm-1處的吸收峰為亞甲基(—CH2—)的伸縮振動峰;1 625和1 419 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰分別為Alg上羧基(—COOH)的反對稱伸縮振動和對稱伸縮振動;吡喃環(huán)中的碳氧鍵(C—O)伸縮振動吸收峰則出現(xiàn)在1 029 cm-1附近。

圖2 不同水凝膠的FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectra of different hydrogel

PNIPAm對應(yīng)的紅外光譜曲線中,3 442 cm-1附近出現(xiàn)的強吸收峰是氨基(—NH2)的伸縮振動吸收峰;1 628和1 508 cm-1附近的特征吸收峰是典型的酰胺Ⅰ峰和酰胺Ⅱ峰;異丙基(—CH(CH3)2)中碳碳(C—C)骨架的伸縮振動峰出現(xiàn)在1 174 cm-1附近。

PAGel對應(yīng)的紅外光譜曲線中均看到上述特征吸收峰,證明復合水凝膠中存在PNIPAm和Alg分子;相比于純PNIPAm水凝膠,PAGel在3 440 cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰變寬,這是由Alg上羥基峰(—OH)和PNIPAm上氨基峰(—NH2)重疊引起的。

此外PAGel-CaSO4水凝膠與PAGel紅外光譜圖基本無異,證明2種鈣源所制備的復合水凝膠組成相同,均由PNIPAm網(wǎng)絡(luò)和Alg網(wǎng)絡(luò)組成。

4.2 表面形貌分析

Alg、PAGel和PAGel-CaSO4水凝膠的SEM照片如圖3所示?？梢钥闯?單一的Alg水凝膠網(wǎng)絡(luò)較為稀疏,且出現(xiàn)部分坍塌,歸因于單網(wǎng)絡(luò)水凝膠的固含量較少,大分子含量較低,其強度較差,不能保持水凝膠原有的結(jié)構(gòu)。PAGel-CaSO4水凝膠結(jié)構(gòu)與Alg相近,形成的孔洞大小不均,部分孔壁相互傾斜、貼合,最終導致孔洞被填埋,這是凝膠密度區(qū)域化所致,CaSO4的加入使Ca2+交聯(lián)劑的含量發(fā)生突變,表面的Alg分子立刻與Ca2+發(fā)生交聯(lián),部分成形的Alg網(wǎng)絡(luò)形成位阻,抑制NIPAm進行交聯(lián)反應(yīng),因此PNIPAm所形成的網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)密度較低,導致水凝膠的表面以Alg網(wǎng)絡(luò)為主;待Ca2+緩慢從緊密的凝膠表面滲透至中心時,體系內(nèi)部的Alg分子才能與之發(fā)生交聯(lián),此時Ca2+濃度較Alg與CaSO4接觸界面處的低,Alg的交聯(lián)密度下降,而PNIPAm正常發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),此區(qū)域的主要網(wǎng)絡(luò)為PNIPAm,因此造成凝膠密度區(qū)域化,最終導致水凝膠的組成不均勻。相反地,PAGel水凝膠呈蜂窩狀孔洞結(jié)構(gòu),其孔徑大小較為均一,集中在40～70 μm,這是因為CaCO3-GDL能夠在釋放大量Ca2+前,通過GDL水解釋放H+,進而與CaCO3反應(yīng)緩慢生成游離的Ca2+,避免交聯(lián)速率過快和分散不均導致凝膠密度區(qū)域化的問題。

圖3 Alg、PAGel和PAGel-CaSO4的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM image of Alg,PAGel and PAGel-CaSO4

不同NIPAm配比的PAGel的SEM照片如圖4所示,隨著NIPAm含量的增加,水凝膠網(wǎng)絡(luò)的孔徑逐漸縮小,從80 μm變?yōu)?0 μm左右。PNIPAm網(wǎng)絡(luò)的單體含量較少、交聯(lián)密度較低;增加NIPAm的含量能夠促使PAGel生成更多的PNIPAm網(wǎng)絡(luò),干凝膠孔洞結(jié)構(gòu)變得更小且更致密。

圖4 不同NIPAm配比的PAGel的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of PAGel with different NIPAm ratio

不同MBAA配比的PAGel的SEM照片如圖5所示。PAGel水凝膠的孔狀結(jié)構(gòu)明顯受到共價交聯(lián)劑MBAA的影響。當MBAA用量增加時,水凝膠網(wǎng)絡(luò)的孔徑變小,從90 μm縮小至20 μm左右,形成致密的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。MBAA用量少時,PNIPAm網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度較低,導致其干凝膠孔徑較大;增加MBAA的用量能夠增加NIPAm分子的交聯(lián)位點,孔洞結(jié)構(gòu)變得更加緊密。

4.3 溶脹性能分析

根據(jù)干凝膠SEM照片可知,干凝膠中交聯(lián)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于水分子的儲存,同時因為水凝膠與外界環(huán)境存在滲透壓差,水分子不斷滲透并且擴散至水凝膠內(nèi)部,隨著時間延長滲透壓差逐漸降低,趨于平衡。當水凝膠作為敷料時能夠吸收傷口滲出液,保持傷口清潔。圖6～9為不同制備參數(shù)的水凝膠在25 ℃下的溶脹質(zhì)量比和溶脹動力學曲線圖。在此測試溫度下(

圖6 25 ℃下不同水凝膠的溶脹性能曲線Fig.6 Swelling property curve of different hydrogels at 25 ℃.(a)Swelling mass ratio;(b)Swelling kinetics curves

25 ℃下不同水凝膠的溶脹性能曲線如圖6所示,純Alg水凝膠在48 h的平衡溶脹質(zhì)量比最高且穩(wěn)定,達到67.72,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為疏松,而且分子鏈中存在大量親水基團,導致Alg的吸水能力最強;其次是PAGel-CaSO4,其48 h的平衡溶脹質(zhì)量比為46.53,由其SEM照片(見圖3(c))可知,該水凝膠存在密度區(qū)域化的問題,其互穿網(wǎng)絡(luò)不均勻且干凝膠孔洞較大;而PAGel的48 h平衡溶脹質(zhì)量比為29.10,交聯(lián)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均勻且緊密,平衡溶脹質(zhì)量比0.5 h時達到最低為7.82。

25 ℃下不同NIPAm配比的PAGel的溶脹性能曲線如圖7所示,25 ℃下不同MBAA配比的PAGel的溶脹性能曲線如圖8所示。從圖7可以看出,隨著單體NIPAm含量的增加,水凝膠溶脹質(zhì)量比逐漸降低,當NIPAm含量從6%增加至12%時,平衡溶脹質(zhì)量比從55.17降低至24.90。這是因為參與交聯(lián)反應(yīng)的NIPAm單體更多,增加互穿網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度,減弱水凝膠與水分子的相互作用,吸水能力下降。

圖7 25 ℃下不同NIPAm配比的PAGel的溶脹性能曲線Fig.7 Swelling property curve of PAGel with different NIPAm ratio at 25 ℃.(a)Swelling mass ratio;(b)Swelling kinetics curves

由圖8可得知,當增加交聯(lián)劑MBAA的用量時,因為水凝膠的交聯(lián)度增加,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加致密,水分子的擴散能力減弱,所以48 h的溶脹質(zhì)量比有所下降,從36.99 (MBAA為0.01%)下降至13.19(MBAA為0.05%)。

37 ℃下不同NIPAm配比的PAGel的溶脹性能曲線如圖9所示。37 ℃下不同MBAA配比的PAGel的溶脹性能曲線如圖10所示。PAGel的溶脹行為受溫度所影響,測試溫度高于PAGel水凝膠的VPTT,網(wǎng)絡(luò)變成蜷曲的狀態(tài),交聯(lián)度隨之上升,分子內(nèi)的氫鍵作用增強,與水分子的氫鍵作用減弱,疏水性占主導作用,表現(xiàn)較弱的吸水性能。與25 ℃下PAGel的溶脹情況(見圖7)相比,37 ℃下水凝膠的平衡溶脹質(zhì)量比有所下降。

圖9 37 ℃下不同NIPAm配比的PAGel的溶脹性能曲線Fig.9 Swelling property curve of PAGel with different NIPAm ratio at 37 ℃.(a)Swelling mass ratio;(b)Swelling kinetics curves

隨著NIPAm含量的提高,不同溫度下平衡溶脹質(zhì)量比的下降程度也有所增加。當NIPAm含量為0.6%時,其平衡溶脹質(zhì)量比從55.17 (25 ℃)降低至50.10(37 ℃);而當NIPAm含量為1.4%時,其平衡溶脹質(zhì)量比從24.90 (25 ℃)降低至1.11(37 ℃)。PNIPAm網(wǎng)絡(luò)占比增加,水凝膠對溫度的響應(yīng)變得更加劇烈,在高于其VPTT的條件下,水凝膠網(wǎng)絡(luò)蜷曲程度也相應(yīng)加深。不同單體NIPAm與交聯(lián)劑MBAA用量對水凝膠溶脹質(zhì)量比的影響與25 ℃條件下的趨勢相同。

采用Fickian擴散動力學理論探究溶脹機制,進而對水凝膠的溶脹行為進行分析,根據(jù)n的值判斷擴散類型[21]。25 ℃和37 ℃下不同水凝膠的溶脹動力學參數(shù)如表4所示。

表4 25和37 ℃下不同水凝膠的溶脹動力學參數(shù)Tab.4 Swelling kinetic parameters of different hydrogel at 25 and 37 ℃

ln(wt/we)-lnt曲線的擬合系數(shù)R2大于0.9,具有較好的線性相關(guān)。根據(jù)圖6～10和表4可知,本文不同合成配方的水凝膠的n值均小于0.5,證明PAGel水凝膠的溶脹行為屬于Fickian型擴散,此時水凝膠網(wǎng)絡(luò)舒展,分子鏈的運動和松弛速率較快,因此溶脹主要取決于水分子的擴散速率。

4.4 流變性能分析

PAGel和PAGel-CASO4水凝膠儲能模量(G′)和損耗模量(G″)的應(yīng)變依賴性圖如圖11所示。在應(yīng)變?yōu)?.1%～103%范圍內(nèi),PAGel儲能模量(G′)明顯高于PAGel-CASO4損耗模量(G″),這說明水凝膠在測試過程中呈固體狀態(tài),其物理結(jié)構(gòu)得到較好的保持;然而水凝膠的G′在102%～103%區(qū)間內(nèi)有所下降,而G″則變化相反,這是因為當應(yīng)變繼續(xù)上升時,水凝膠逐漸受到破壞,不能維持完整的結(jié)構(gòu)。PAGel結(jié)構(gòu)較為均勻(SEM和溶脹性能分析),整體的力學性能良好。

圖11 水凝膠儲能模量(G′)和損耗模量(G″)的應(yīng)變依賴性圖Fig.11 Oscillation strain dependence of the storage modulus G′ and loss modulus G″ of hygrogel

通過變溫流變測試分析水凝膠的溫度響應(yīng)行為,PAGel水凝膠儲能模量(G′)和損耗模量(G″)的溫度依賴性如圖12所示。在25～30 ℃范圍,水凝膠的G′和G″基本保持不變;二者曲線在31 ℃附近發(fā)生突變;上升至35 ℃時趨于平衡,其G′和G″分別從3 892.17和1 015.05 Pa增加到28 375和6 793.19 Pa。此現(xiàn)象是由PNIPAm網(wǎng)絡(luò)的溫敏收縮特性造成的,當溫度升高至VPTT時,PNIPAm分子鏈發(fā)生蜷曲,水凝膠的交聯(lián)密度增加,導致力學性能增強。

圖12 PAGel水凝膠儲能模量(G′)和損耗模量(G″)的溫度依賴性圖Fig.12 Temperatur dependence of the storage modulus G′ and loss modulus G″ of PAGel

4.5 DSC分析

采用差示掃描量熱法測定水凝膠的VPTT,不同水凝膠的DSC曲線如圖13所示。Alg水凝膠在25～40 ℃無任何吸/放熱峰,而PNIPAm水凝膠在32.5 ℃出現(xiàn)吸熱峰。外界溫度溫度高于VPTT時,親水-疏水平衡轉(zhuǎn)變?yōu)楦杷男再|(zhì),PNIPAm分子內(nèi)的氫鍵作用強于與水分子的氫鍵,PNIPAm網(wǎng)絡(luò)發(fā)生聚集與收縮,導致產(chǎn)生體積相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象,此時的響應(yīng)溫度即VPTT。

圖13 不同水凝膠的DSC曲線Fig.13 DSC curve of different hydrogel

PAGel和PAGel-CaSO4分別在33.1和32.3 ℃出現(xiàn)吸熱峰,這說明Alg網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對PNIPAm的溫度敏感性影響不大,二者具有相對獨立性,PAGel水凝膠的親水-疏水平衡依然由PNIPAm所決定。相比于PNIPAm水凝膠,PAGel的VPTT變高且峰寬變窄,這可能是源于形成互穿網(wǎng)絡(luò)后,Alg骨架上存在大量羧基和羥基,使得復合水凝膠的親水性增強,故而VPTT稍有升高;同時Alg可以提供有利于水分子釋放的通道,當溫度低于VPTT升高至其上時,允許水分子快速地擴散溢出[22]。

4.6 溫敏收縮性能分析

水凝膠的溫敏收縮示意圖如圖14所示,當溫度高于VPTT時,PNIPAm網(wǎng)絡(luò)發(fā)生親水-疏水轉(zhuǎn)變,分子鏈變?yōu)橄鄬κ杷⑶蚁嗷ゾ奂?使得交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中分子與分子的間距縮小,同時因疏水性增強溢出一部分水分子,導致復合水凝膠在宏觀上表現(xiàn)為顏色變白和體積收縮。

圖14 水凝膠的溫敏收縮示意圖Fig.14 Schematic diagram of thermosensitive shrinkage of hydrogel

不同水凝膠對收縮面積的影響如圖15所示,所有樣品的面積均隨著時間的延長而減小。PNIPAm的面積變化最大,在24 h的收縮率為70.46%,PAGel和PAGel-CaSO4均出現(xiàn)明顯的面積縮減,其收縮率分別為35.37%和31.75%,而Alg僅為16.08%。據(jù)分析可知PAGel-CaSO4的交聯(lián)密度不均,在內(nèi)部PNIPAm含量較少的區(qū)域不容易發(fā)生溫度響應(yīng),面積收縮率與PAGel相比較低。

圖15 不同水凝膠對收縮面積的影響Fig.15 Effect of different hydrogels on shrinkage area. (a) Area change; (b) Shrinking ratio

NIPAm用量對水凝膠的面積收縮變化的影響如圖16所示,NIPAm用量對PAGel面積收縮率的影響較大,當NIPAm用量較大(14%)時,PAGel在24 h后的面積收縮率為44.00%,而NIPAm用量較少(6%)時,PAGel在24 h后的面積收縮率僅為28.50%。增加NIPAm能夠使PAGel溫度響應(yīng)變得敏感,更多的PNIPAm網(wǎng)絡(luò)有利于產(chǎn)生更大的收縮力,故PAGel面積收縮變化明顯。

圖16 NIPAm用量對PAGel面積收縮變化的影響Fig.16 Effect on area shrinkage change of PAGel with different NIPAm ratio. (a) Area change; (b)and shrinking ratio

不同MBAA配比對PAGel面積收縮變化的影響如圖17所示。隨著MBAA用量的增加,水凝膠的面積收縮率稍有降低,其中PAGel-6、PAGel-4、PAGel-7、PAGel-8和PAGel-9在24 h的面積收縮率分別為42.88%、35.37%、33.08%、31.05%和26.26%。共價交聯(lián)劑的用量增加導致交聯(lián)度上升,因而收縮率降低。

5 結(jié) 論

選用CaCO3-GDL和CaSO4體系分別作為鈣源,通過一步法制備互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的溫敏性水凝膠PAGel和PAGel-CASO4,然后使用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、掃描電子顯微鏡(SEM)、流變儀和差示掃描量熱(DSC)分別對水凝膠的組成、微觀形貌、力學性能和體積相轉(zhuǎn)變溫度進行了表征,根據(jù)控制變量法,探究了不同鈣源、N-異丙甲基丙烯酰胺(NIPAm)和IV,N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAA)含量對溶脹性能和溫敏收縮性能的影響,結(jié)果表明:

①FTIR譜圖中顯示了相應(yīng)基團的特征吸收峰,證明PAGel水凝膠已經(jīng)成功合成; 2種鈣源制備的水凝膠FTIR譜圖無明顯差異,均由PNIPAm網(wǎng)絡(luò)和Alg網(wǎng)絡(luò)組成。

②SEM結(jié)構(gòu)圖和溶脹性能測試結(jié)果說明,PAGel的干凝膠孔洞結(jié)構(gòu)較PAGel-CaSO4更均勻,其溶脹質(zhì)量比更低;隨著NIPAm用量上升,干凝膠的孔徑更小且溶脹質(zhì)量比下降;MBAA含量與干凝膠的孔徑和溶脹質(zhì)量比呈負相關(guān),不同溫度水浴下的溶脹質(zhì)量比存在差異,水凝膠具有溫度響應(yīng)性。

③根據(jù)流變性能結(jié)果可知,PAGel的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)均高于PAGel-CaSO4,說明PAGe力學性能更佳,結(jié)構(gòu)更加均勻;PAGel水凝膠的G′和G″在31 ℃附近驟升,該處發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變行為,導致力學性能增強。

④DSC和溫敏收縮性能結(jié)果表明,不同制備參數(shù)的水凝膠的體積相轉(zhuǎn)變溫度(VPTT)在32.3～33.1 ℃范圍內(nèi)波動;PAGel的交聯(lián)密度均勻、面積收縮率較低;隨著NIPAm用量增加,PAGel面積收縮率有所上升,而MBAA則呈相反現(xiàn)象。

⑤PAGel的VPTT均在32 ℃附近,CaCO3-GDL緩釋體系下的水凝膠結(jié)構(gòu)更加均勻,力學性能更佳。此外,在本文所選原料配比范圍內(nèi),PAGel-4(NIPAm12%,MBAA0.02%)的綜合性能最優(yōu),該網(wǎng)絡(luò)呈均勻而致密的蜂窩狀結(jié)構(gòu),其溶脹質(zhì)量比、VPTT和溫敏收縮率分別為29.1、33.1 ℃和35.37%。

⑥PAGel在VPTT溫度下,具有溫敏收縮性能,互穿網(wǎng)絡(luò)孔洞均勻,最終實現(xiàn)通過體積收縮的物理方法促進創(chuàng)面周圍的皮膚組織收縮原理,為創(chuàng)造低毒性愈合微環(huán)境和加快傷口愈合提供可能性。