林裕衛(wèi),黃晁康,彭曉宏

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

當(dāng)皮膚組織發(fā)生損傷時(shí),傷口會(huì)主動(dòng)進(jìn)行修復(fù)并最終愈合[1]。在愈合過程的不同階段,組織中會(huì)出現(xiàn)各種類型的細(xì)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(hù)傷口和吸收滲液的功能,可通過物理和化學(xué)改性賦予其抗菌性、生物降解性、刺激響應(yīng)性等特點(diǎn)。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(rùn)等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)水凝膠敷料進(jìn)行改性可以實(shí)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(rùn)環(huán)境,促進(jìn)受損組織的修復(fù)。目前,針對(duì)功能化水凝膠敷料的大部分研究著重于藥物負(fù)載和釋放,對(duì)創(chuàng)面施加化學(xué)藥物并與組織細(xì)胞發(fā)生生理學(xué)反應(yīng),存在藥物的儲(chǔ)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(xué)應(yīng)用,包括藥物儲(chǔ)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?yàn)榉肿觾?nèi)氫鍵與分子間氫鍵的競(jìng)爭(zhēng)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(dāng)加熱時(shí)聚合物分子的溶解度會(huì)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(shí)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(duì)其進(jìn)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(dòng)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(qiáng)度增加近1.5倍,同時(shí)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(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs),動(dòng)物實(shí)驗(yàn)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(fù)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(xué)性能[12-13],賦予水凝膠抗菌[14-15]、抗炎和導(dǎo)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(xué)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(qiáng)劑,開發(fā)具有顯著力學(xué)增強(qiáng)、改進(jìn)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(dāng)中,Jiang等[18]利用聚丙烯酸中的羧酸基團(tuán)和聚丙烯酰胺中的酰胺基團(tuán)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(fù)合水凝膠,可以通過溫度控制水凝膠溶脹和收縮,使負(fù)載在水凝膠中的鹽酸阿霉素可以實(shí)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(guó)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(qiáng)度溫敏水凝膠材料的設(shè)計(jì)及其在柔性力學(xué)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(shí)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(dá)到140°的彎曲柔性角度的水凝膠驅(qū)動(dòng)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(jìn)、G單體隨機(jī)組合嵌段,其中G單元上的羧基能夠與鈣、鐵、鋁、鉛等二價(jià)或者多價(jià)的金屬離子進(jìn)行交聯(lián)形成“雞蛋盒”結(jié)構(gòu),賦予膠凝能力和機(jī)械強(qiáng)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(xué)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(xué)藥物的負(fù)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(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

本文實(shí)驗(yàn)主要原料與試劑如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)主要原料與試劑Tab.1 Experimental materials and reagents

1.2 儀器與設(shè)備

本文實(shí)驗(yàn)所用主要實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備如表2所示。

表2 主要實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備Tab.2 Main experimental instruments

2 PAGel制備

PAGel是由PNIPAm共價(jià)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(jià)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(gè)網(wǎng)絡(luò)相互擴(kuò)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(huì)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(dǎo)致水凝膠密度不均。采用CaSO4作為鈣源與CaCO3-GDL緩釋體系對(duì)比,CaSO4溶解在水溶液中會(huì)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(tuán)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?dú)怛?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(jī)預(yù)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?dú)怛?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(jī)預(yù)冷凍24 h干燥,密封置于4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

3 測(cè)試與表征

3.1 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)測(cè)試

通過傅里葉紅外光譜儀對(duì)PAGel的組成進(jìn)行表征。在測(cè)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(jìn)行測(cè)試。

3.2 掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)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(jìn)行液氮淬冷處理,然后放入-40 ℃冷凍干燥機(jī)冷凍干燥24 h;取出干凝膠樣品后切成大小適當(dāng)?shù)谋∑?置于帶有導(dǎo)電膠帶的載物臺(tái)上,抽真空并進(jìn)行噴金處理以提高導(dǎo)電性,使用EVO18掃描電子顯微鏡在測(cè)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(cè)試

采用質(zhì)量法測(cè)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(zhǔn)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(gè)樣品重復(fù)3次取平均值。溶脹質(zhì)量比(SRb)的計(jì)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(kuò)散動(dòng)力學(xué)理論對(duì)其溶脹行為分析,其表達(dá)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(shí)間,h。

將表達(dá)式兩邊取對(duì)數(shù),可得:

(3)

擬合曲線并求出斜率n,根據(jù)n的值判斷擴(kuò)散類型。

3.4 流變性能測(cè)試

通過流變性能測(cè)試對(duì)PAGel和PAGel-CaSO4水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行表征,以此分析不同鈣源對(duì)水凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。使用具有平行板測(cè)量系統(tǒng)的DHR-2流變儀測(cè)量水凝膠的流變特性。在常溫條件下測(cè)量不同鈣源制成水凝膠樣品的儲(chǔ)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(cè)試表征水凝膠樣品的溫度響應(yīng)特性。測(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)差示掃描量熱儀的樣品臺(tái)上,設(shè)置測(cè)試條件溫度范圍25 ～45 ℃,升溫速率2 ℃/min,氮?dú)饬魉?0 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(cè)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(zhǎng)為25 mm的正方形,然后放入溫度為37 ℃,相對(duì)濕度為55%的恒溫恒濕培養(yǎng)箱中,每隔一段時(shí)間在水凝膠表面滴加少量去離子水以保持濕潤(rùn),在相應(yīng)時(shí)間取出并測(cè)量面積。面積收縮率(SRc)的計(jì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng);吡喃環(huán)中的碳氧鍵(C—O)伸縮振動(dòng)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(duì)應(yīng)的紅外光譜曲線中,3 442 cm-1附近出現(xiàn)的強(qiáng)吸收峰是氨基(—NH2)的伸縮振動(dòng)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(dòng)峰出現(xiàn)在1 174 cm-1附近。

PAGel對(duì)應(yīng)的紅外光譜曲線中均看到上述特征吸收峰,證明復(fù)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(fù)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(qiáng)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(dǎo)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(jìn)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(dǎo)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(shí),體系內(nèi)部的Alg分子才能與之發(fā)生交聯(lián),此時(shí)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(dǎo)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?yàn)镃aCO3-GDL能夠在釋放大量Ca2+前,通過GDL水解釋放H+,進(jìn)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(dǎo)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(jià)交聯(lián)劑MBAA的影響。當(dāng)MBAA用量增加時(shí),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(shí),PNIPAm網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度較低,導(dǎo)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(diǎn),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(chǔ)存,同時(shí)因?yàn)樗z與外界環(huán)境存在滲透壓差,水分子不斷滲透并且擴(kuò)散至水凝膠內(nèi)部,隨著時(shí)間延長(zhǎng)滲透壓差逐漸降低,趨于平衡。當(dāng)水凝膠作為敷料時(shí)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(dòng)力學(xué)曲線圖。在此測(cè)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(dá)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(tuán),導(dǎo)致Alg的吸水能力最強(qiáng);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(shí)達(dá)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(dāng)NIPAm含量從6%增加至12%時(shí),平衡溶脹質(zhì)量比從55.17降低至24.90。這是因?yàn)閰⑴c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(dāng)增加交聯(lián)劑MBAA的用量時(shí),因?yàn)樗z的交聯(lián)度增加,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加致密,水分子的擴(kuò)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(cè)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(qiáng),與水分子的氫鍵作用減弱,疏水性占主導(dǎo)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(dāng)NIPAm含量為0.6%時(shí),其平衡溶脹質(zhì)量比從55.17 (25 ℃)降低至50.10(37 ℃);而當(dāng)NIPAm含量為1.4%時(shí),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(duì)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(duì)水凝膠溶脹質(zhì)量比的影響與25 ℃條件下的趨勢(shì)相同。

采用Fickian擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)理論探究溶脹機(jī)制,進(jìn)而對(duì)水凝膠的溶脹行為進(jìn)行分析,根據(jù)n的值判斷擴(kuò)散類型[21]。25 ℃和37 ℃下不同水凝膠的溶脹動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表4 25和37 ℃下不同水凝膠的溶脹動(dòng)力學(xué)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(kuò)散,此時(shí)水凝膠網(wǎng)絡(luò)舒展,分子鏈的運(yùn)動(dòng)和松弛速率較快,因此溶脹主要取決于水分子的擴(kuò)散速率。

4.4 流變性能分析

PAGel和PAGel-CASO4水凝膠儲(chǔ)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(chǔ)能模量(G′)明顯高于PAGel-CASO4損耗模量(G″),這說明水凝膠在測(cè)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?yàn)楫?dāng)應(yīng)變繼續(xù)上升時(shí),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(xué)性能良好。

圖11 水凝膠儲(chǔ)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(cè)試分析水凝膠的溫度響應(yīng)行為,PAGel水凝膠儲(chǔ)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(shí)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(dāng)溫度升高至VPTT時(shí),PNIPAm分子鏈發(fā)生蜷曲,水凝膠的交聯(lián)密度增加,導(dǎo)致力學(xué)性能增強(qiáng)。

圖12 PAGel水凝膠儲(chǔ)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(cè)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(shí),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(qiáng)于與水分子的氫鍵,PNIPAm網(wǎng)絡(luò)發(fā)生聚集與收縮,導(dǎo)致產(chǎn)生體積相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象,此時(shí)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(duì)PNIPAm的溫度敏感性影響不大,二者具有相對(duì)獨(dú)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(fù)合水凝膠的親水性增強(qiáng),故而VPTT稍有升高;同時(shí)Alg可以提供有利于水分子釋放的通道,當(dāng)溫度低于VPTT升高至其上時(shí),允許水分子快速地?cái)U(kuò)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(dāng)溫度高于VPTT時(shí),PNIPAm網(wǎng)絡(luò)發(fā)生親水-疏水轉(zhuǎn)變,分子鏈變?yōu)橄鄬?duì)疏水并且相互聚集,使得交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中分子與分子的間距縮小,同時(shí)因疏水性增強(qiáng)溢出一部分水分子,導(dǎo)致復(fù)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(duì)收縮面積的影響如圖15所示,所有樣品的面積均隨著時(shí)間的延長(zhǎng)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(duì)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(duì)水凝膠的面積收縮變化的影響如圖16所示,NIPAm用量對(duì)PAGel面積收縮率的影響較大,當(dāng)NIPAm用量較大(14%)時(shí),PAGel在24 h后的面積收縮率為44.00%,而NIPAm用量較少(6%)時(shí),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(duì)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(duì)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(jià)交聯(lián)劑的用量增加導(dǎo)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(duì)水凝膠的組成、微觀形貌、力學(xué)性能和體積相轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)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(duì)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(tuán)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(cè)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(fù)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(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)均高于PAGel-CaSO4,說明PAGe力學(xué)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(dǎo)致力學(xué)性能增強(qiáng)。

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(dòng);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(xué)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(shí)現(xiàn)通過體積收縮的物理方法促進(jìn)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。