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.國家民委化工技術(shù)基礎(chǔ)重點實驗室,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，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］，不僅會使其強度劣化，還會損害周圍細胞.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，依靠其在濁點溫度以上時的收縮有效抑制了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度在千帕范圍內(nèi)，而人體軟骨可承受兆帕級別的外力而不損壞［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)密度和機械性能；將浸泡后的水凝膠進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細胞的潛在危害［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，抗拉和抗壓強度分別高達2.8和7.5 MPa，而且其機械性能可以通過氯化鈉濃度與浸泡時間簡單調(diào)控.這種方法易于工業(yè)化，有望推動水凝膠在組織工程或生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用.

1 實驗部分

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，測試前表面噴金；美國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Anton Paar 公司MCR302型動態(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TA儀器公司Q20型差示掃描量熱儀（DSC），氮氣氛圍，升溫速率1 ℃/min，測試溫度為－40～40 ℃；東莞市力顯儀器科技有限公司電子拉力機，測試溫度為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代表浸泡時間.

1.3 表征測試

采用稱重法，根據(jù)下式計算水凝膠中水的質(zhì)量分數(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)量分數(shù)根據(jù)下式計算［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，間隔一定時間（t=1，3，5，7 d）取出稱重，記為mt，利用下式計算溶脹度（SR）［22］：

采用質(zhì)量法，根據(jù)下式計算水凝膠的凝膠分數(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.

采用電子拉力機于室溫下測試水凝膠的機械性能，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、斷裂伸長率、σ-ε曲線彈性區(qū)斜率及σ-ε曲線積分面積，根據(jù)滯后實驗計算耗散能［24］.借鑒橡膠彈性理論，利用公式（7）～（10）計算水凝膠的交聯(lián)點之間的相對分子質(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)下聚合物的體積分數(shù)；G′（Pa）為儲能模量；R［J/（mol·K）］為氣體常數(shù)；φ（%）是水凝膠中聚合物體積分數(shù)；T（K）為絕對溫度.

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)量分數(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會降低水-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，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，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，有利于提高機械性能［27］.在高濃度的鹽中浸泡雖然能夠提高水凝膠的機械性能，但會打破生命體常規(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，得到目標水凝膠PVA-CS-c-t.如氯化鈉濃度為6.16 mol/L，浸泡時間為30 min時所得復(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 的伸縮振動特征吸收峰［28］，在1650 cm－1處出現(xiàn)了CS中C=O的伸縮振動特征吸收峰［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，前驅(qū)體水凝膠的機械性能最佳.其抗拉強度、斷裂伸長率、拉伸模量、韌性和抗壓強度分別為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的抗拉強度、斷裂伸長率、拉伸模量、韌性和抗壓強度顯著提高至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)點的可逆斷裂與重組具有依時性［31］.同時，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］.上述實驗證明在NaCl水溶液中浸泡后前驅(qū)體水凝膠PVA-CS的機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

進一步考察了氯化鈉濃度和浸泡時間對復(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，其抗拉強度和斷裂伸長率衰減至0.05 MPa和90%，與文獻［33］報道值接近.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，其抗拉強度顯著增加至2.4，2.5和2.9 MPa，而斷裂伸長率分別為223%和250%和229%.隨后固定NaCl 的摩爾濃度為6.16 mol/L，研究了浸泡時間對水凝膠拉伸性能的影響.可以看出，當(dāng)浸泡時間由10 min增加至30 min時，其抗拉強度和斷裂伸長率分別由2.5 MPa和226%增加至2.9 MPa和229%；繼續(xù)延長浸泡時間至50 min，其抗拉強度和斷裂伸長率開始下降.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，浸泡時間過短時水凝膠網(wǎng)絡(luò)不夠完善，而浸泡時間過長時可能引起過度交聯(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 水凝膠增強機理分析

水凝膠的機械性能與含水率、微觀結(jié)構(gòu)以及交聯(lián)特點有關(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，水凝膠機械性能提升.為闡明PVA-CS-6.16-30的增強機理，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.拉力機測試結(jié)果表明其抗拉強度和抗壓強度僅為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抗拉強度和抗壓強度是參比水凝膠的5.4和4.8倍，說明含水率下降不是PVA-CS-6.16-30機械性能提升的主要原因.這是因為，水凝膠的機械性能不僅取決于聚合物組成和質(zhì)量分數(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）可計算出自由水質(zhì)量分數(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)了較強的特征衍射峰，對應(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）可計算出PVA 粉末的結(jié)晶度等于14.3%.進一步利用XRD 分析了后處理對水凝膠中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］.這是因為NaCl 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，材料機械性能會提高［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)果也得到了理論計算的佐證.結(jié)合溶脹實驗和流變實驗，利用式（5）～（10）可計算出水凝膠的凝膠分數(shù)（Fg，%）、交聯(lián)點之間的相對分子質(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

進一步通過滯后實驗研究了水凝膠的能量耗散機制［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械性能.此外，PVA-CS-6.16-30水凝膠在應(yīng)變?yōu)?0%，100%，150%和200%時的耗散能分別為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

綜合上述實驗提出如下增強機理：PVA 鏈在凍-融循環(huán)中形成的結(jié)晶微區(qū)構(gòu)成了水凝膠的初級交聯(lián)點.由于凍-融循環(huán)時結(jié)晶微區(qū)無序形成和生長，且不具備高效的能量耗散機制［36］，所以單網(wǎng)絡(luò)PVA水凝膠的抗拉強度僅為0.15 MPa.而借鑒雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計理念［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，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，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 時大部分CS鏈依然以鏈纏結(jié)微區(qū)形式充當(dāng)交聯(lián)點［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，凝膠分數(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，極大限制了其實際應(yīng)用［1，8，37］.因此，借鑒文獻［11］方法評價了其抗溶脹特性.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，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度和斷裂伸長率分別衰減至0.05 MPa和90%，與文獻報道值接近［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度依然分別高達2.8和7.5 MPa，遠高于常見抗溶脹水凝膠在千帕范圍的抗拉強度［10，11］，也優(yōu)于大多數(shù)物理交聯(lián)水凝膠［38］.因為傳統(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)時處于預(yù)拉伸狀態(tài)，構(gòu)象熵較低［41］，而非共價鍵的協(xié)同交聯(lián)作用進一步降低了網(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)率的標準曲線（y=0.6312x+0.01）計算可知，NaCl 殘余量為0.012 mg/kg，遠低于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胞實驗證實.考慮到CS 和PVA 的安全性已經(jīng)得到FDA 認證，且PVA-CS-6.16-30 水凝膠中NaCl 含量遠低于臨界安全濃度，說明該水凝膠具有較好的生物相容性.進一步評價了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 后觀察其形狀并評價機械性能.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，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，具有兆帕級別的強度及彈性模量.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，且抗壓強度高達7.5 MPa，與軟骨相近.本文以商品化原料采用簡易方法構(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.