人工血管用海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶的制备及性能

王叶香,闫星儒,王 璐,关国平

(东华大学 a. 纺织学院;b. 纺织面料技术教育部重点实验室,上海 201620)

人工血管用海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶的制备及性能

王叶香a,b,闫星儒a,王 璐a,b,关国平a,b

(东华大学 a. 纺织学院;b. 纺织面料技术教育部重点实验室,上海 201620)

水凝胶应用于生物材料领域已有多年,但是作为人工血管材料的研究较少. 一方面,水凝胶的力学性能有待提高,以符合人工血管性能要求； 另一方面,水凝胶在湿态环境下会发生体积溶胀而导致管腔减小,容易诱发血栓.以海藻酸钠和丙烯酰胺为原材料,制备了力学性能满足要求且低溶胀率的水凝胶. 结果表明: 该水凝胶的拉伸断裂强度可达到306.87 kPa,拉伸断裂伸长率达到306.23%,压缩正切模量为122.07 kPa. 当海藻酸钠质量分数为2.3%,丙烯酰胺质量分数为16.8%,CaCl2质量分数为0.42%时,水凝胶溶胀率可低至128.16%,在12 h可达到溶胀平衡.

水凝胶;溶胀;海藻酸钠;丙烯酰胺;生物材料;人工血管

随着生物医用材料研究的深入,水凝胶由于其结构与细胞外基质(ECM)类似,含水量高,能很好地分散氧气和营养物质而备受关注[1-2]. 然而,力学性能不足限制了其在生物医用材料领域的进一步应用[3-5]. 通过多种交联方式结合及提高交联密度可以提高水凝胶的韧性[6-11],且能够在一定程度上降低溶胀率[12].

海藻酸是由β-D-古罗糖醛酸(G)和α-L-甘露糖醛酸(M) 依靠1,4-糖苷键连接的嵌段共聚物,包括G和M各自形成的均聚物和GM形成的交替聚合物. 由于其具有良好的生物相容性,在生物医用材料领域的应用潜力日益引起研究者的兴趣[13-14]. 这种嵌段共聚物能通过离子相互作用在G和螯合离子(比如 Ca2+)间形成交联[15-17]. 文献[18]的研究表明,相对于纯海藻酸钠水凝胶,海藻酸钠与聚丙烯酰胺互穿网络水凝胶的韧性得到了显著提高,且体内外细胞相容性良好. 文献[19]研究制备的壳聚糖与聚丙烯酰胺水凝胶细胞毒性小、血液相容性好,有望成为未来医用生物材料. 由此可见,海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶具有与细胞外基质类似的结构,柔韧性好,且生物相容性良好,故其可以作为人工血管材料研究.

提高水凝胶力学性能的研究已有较多的报道,但是控制水凝胶溶胀率的研究较少. 传统水凝胶应用目的是希望其能够吸水溶胀,持水性好[20-22]. 但是,如果将水凝胶作为体内管道器官的原材料,比如人工血管,在溶胀很大的情况下,就会导致管径减小,造成凝血或血栓,影响血管远期通畅率. 而且溶胀会严重降低弹性模量和应力松弛[23],从而降低整体力学性能,影响使用效果. 但是目前并无专门针对小口径人造血管性能评价的标准. ISO 7198—1998只是人造血管测试标准,评价时需要在借鉴标准中提供的测试方法的基础上,结合实际情况进行综合评价. 因此,本文研究了海藻酸-聚丙烯酰胺水凝胶,期望获得力学性能较好、溶胀率低且可控的水凝胶制备方法,为人工管道器官材料的应用奠定基础.

1 材料与方法

1.1 试验材料

氯化钙(CaCl2,分析纯),购自上海凌峰化学试剂有限公司;海藻酸钠(化学纯),丙烯酰胺(化学纯),N,N,-亚甲基双(丙烯酰胺)(MBAA,(化学纯)),四甲基乙二胺(TEMED,生化试剂),过硫酸铵(APS,(分析纯)),均购自国药集团化学试剂有限公司.

1.2 水凝胶制备方法

称取丙烯酰胺,溶解在水中,丙烯酰胺的质量分数为16.8%. 再称取海藻酸钠,缓慢加入丙烯酰胺溶液中,在室温下搅拌,直至形成均一溶液. 随后,往100 g均一溶液中加入0.01 g交联剂MBAA、0.09 g催化剂TEMED和0.1 g热引发剂APS,混合均匀[24]. 将100 g混合溶液倒入培养皿,再加氯化钙粉末,静置直至反应完全,通过加入不同质量分数的海藻酸钠和CaCl2制备不同的样品. 具体试验方案如表1所示.

表1 水凝胶制备方案
Table 1 Experimental design of hydrogel

样本编号海藻酸钠质量分数/%CaCl2质量分数/%1#2.10.382#2.10.423#2.10.464#2.30.385#2.30.426#2.30.467#2.50.388#2.50.429#2.50.46

1.3 扫描电子显微镜(SEM)测试方法

取制备好的水凝胶,其大小为3 cm×2 cm×0.3 cm,经冷冻24 h和干燥24 h后,用液氮进行脆断,将截面朝上贴在金属台上,对其喷金,采用TM 3000型扫描电子显微镜(日本日立公司)观察截面结构,加速电压为15 kV.

1.4 水凝胶溶胀率测试方法

将水凝胶用手术刀切成规则的长方体,测量其长(a)、宽(b)和厚度(h),计算初始体积V0=a×b×h. 然后,将样品浸没在室温的蒸馏水中,分别在3,6,9,12,24,48和72 h时刻从水中取出,用滤纸吸干表面水分后再测量长、宽和厚度,计算体积为V. 样本重复数n=3,最后取平均值. 溶胀率Q=V/V0×100%.

1.5 力学性能测试方法

1.5.1 拉伸性能

根据GB/T 528—1998,采用大荣026G-500型织物强力机进行拉伸性能测试. 试样裁剪成50 mm×20 mm的长条状,隔距为25 mm,试样拉伸速度由试样厚度决定,本文采用的拉伸速度为(500±50)mm/min,每个试样测试3次,取平均值. 预加张力为0.2 N,传感器量程为500 N.

1.5.2 压缩性能

采用LLY-06D 型人体内生物管道压缩弹性测试仪,进行水凝胶的压缩性能测试. 试样裁剪成10 mm×10 mm的正方形,压脚直径为5 mm,每个试样测试3次. 具体测试步骤: 将试样放在试样台上,以10 mm/min 的速度将试样压缩至厚度的90%,停顿10 s,记录最大压缩强力； 以10 mm/min 的速度移除压力,记录外力完全移除后试样的厚度. 压缩正切模量选取应变为20%～30%处的模量值.

2 结果与讨论

2.1 外观与结构

按照表1中水凝胶制备方案得到的水凝胶如图1所示. 海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶呈淡黄色透明胶体状,手感柔软,弹性较好,有韧性.

取5#水凝胶试样进行SEM测试观察其截面结构,如图2(a)和2(b)所示.孔径分布如图2(c)所示.由图2(a)和2(b)可知,水凝胶为多孔结构,孔径较均匀. 从图2(c)可见,孔径主要分布在40～60 μm,孔径最小为24.67 μm,最大为101.05 μm.

图1 海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶Fig.1 Alginate-polyacrylamide hydrogel

图2 海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶SEM图像及孔径分布Fig.2 SEM images and pore size distribution of alginate-polyacrylamide hydrogels

2.2 溶胀率

水凝胶内、外部溶液存在浓度差,当外部溶液浓度低于内部溶液时,水分子会进入水凝胶. 两者之间的浓度差越大,产生的渗透压会越大,溶胀性越大[25]. 影响水凝胶溶胀率的因素较多,核心因素是交联密度. 文献[26]研究表明,加入纳米管可增加交联密度,网络结构中的空隙减小了,使得溶胀率下降.

本文对所制得的9种水凝胶进行了溶胀率测试.不同质量分数海藻酸钠的水凝胶溶胀率随时间变化如图3所示.由图3可知,水凝胶在12 h内达到溶胀平衡状态;且溶胀平衡后，CaCl2质量分数为0.42%和0.46%的水凝胶的溶胀率较接近,且均低于CaCl2质量分数为0.38%的水凝胶的溶胀率.

(a) 2.1%

(b) 2.3%

(c) 2.5%

溶胀12 h后,不同质量分数的海藻酸钠对水凝胶溶胀率的影响如图4所示,本文中*表示两者之间有显著性差异,p<0.05. 由图4可知,海藻酸钠质量分数为2.1%的水凝胶溶胀率显著高于海藻酸钠质量分数为2.3%和2.5%的水凝胶溶胀率. 当CaCl2质量分数为0.42% 和0.46%时,海藻酸钠质量分数为2.3%和2.5%的水凝胶溶胀率之间无显著性差异. 这可能是由于成胶过程中离子交联起主要作用而共价交联起次要作用. 故后续研究中选择海藻酸钠质量分数为2.3%,CaCl2质量分数为0.42%.

图4 溶胀12 h后不同质量分数的海藻酸钠对水凝胶溶胀率的影响Fig.4 Effect of alginate with different mass fractions on the swelling ratio of hydrogel after swelling for 12 hours

本文通过改变海藻酸钠和CaCl2的质量分数来降低水凝胶溶胀率,从而控制其宏观溶胀行为. 当海藻酸钠质量分数为2.3%和CaCl2质量分数为0.42%时,溶胀率可低至(128.16±0.99)%. 而文献[24]研究表明,海藻酸钠和聚丙烯酰胺复合水凝胶的最小溶胀率约为600%;文献[27]研究的京尼平交联的丝素蛋白和明胶复合水凝胶,其最小溶胀率约为843%.

2.3 力学性能

2.3.1 拉伸性能

CaCl2质量分数分别为0.38%,0.42%和0.46%时,海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶的拉伸断裂强度及断裂伸长率如图5所示.

(a) 断裂强度

(b) 断裂伸长率图5 不同质量分数的CaCl2对水凝胶拉伸断裂强度和断裂伸长率的影响Fig.5 Effect of CaCl2 with different mass fractions on the breaking strength and elongation of hydrogel

由图5(a)可知,当CaCl2质量分数分别为0.42%和0.46%时,拉伸断裂强度没有显著性差异,且均高于CaCl2质量分数为0.38%时的拉伸断裂强度. 而不同CaCl2质量分数时,样品的拉伸断裂伸长率均没有显著性差异,这说明CaCl2质量分数的变化对拉伸断裂伸长率影响不大(图5(b)).

不同海藻酸钠质量分数的海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶的拉伸断裂强度及断裂伸长率如图6所示. 由图6(a)可知,当海藻酸钠质量分数分别为2.3%和2.5%时,拉伸断裂强度之间无显著性差异,且高于海藻酸钠质量分数为2.1%的结果,而本文所得海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶的拉伸断裂强度均值为307 kPa,高于文献[24]的研究结果(250 kPa).由图6(b)可知,海藻酸钠质量分数分别为2.3%和2.5%的水凝胶,拉伸断裂伸长率之间也无显著性差异,但均低于海藻酸钠质量分数为2.1%时的断裂伸长率.

(a) 断裂强度

(b) 断裂伸长率图6 不同质量分数的海藻酸钠对水凝胶拉伸断裂强度和断裂伸长率的影响Fig.6 Effect of alginate with different mass fractions on the breaking strength and elongation of hydrogel

CaCl2质量分数为0.42%时,不同海藻酸钠质量分数的水凝胶拉伸应力-应变曲线如图7所示. 由图7可知,海藻酸钠质量分数为2.3%和2.5%的水凝胶拉伸至断裂,其应力大于海藻酸钠质量分数为2.1%的水凝胶的应力,但应变较小,且海藻酸钠质量分数为2.3%和2.5%的水凝胶拉伸应力和应变无明显差异.

图7 水凝胶拉伸应力-应变曲线(CaCl2质量分数为0.42%)Fig.7 Tensile stress-strain curves of the hydrogel (CaCl2 mass fraction is 0.42%)

2.3.2 压缩性能

CaCl2质量分数分别为0.38%,0.42%和0.46%时,海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶压缩正切模量的测量结果如图8所示. 由图8可知,当海藻酸钠质量分数一定时,CaCl2质量分数分别为0.38%,0.42%和0.46%时,水凝胶压缩正切模量依次减小,且两两均有显著性差异.

图8 不同质量分数的CaCl2对压缩正切模量的影响Fig.8 Effect of CaCl2 with different mass fractions on compression modulus of hydrogel

海藻酸钠质量分数分别为2.1%,2.3%和2.5%时,海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶的压缩正切模量的测量结果如图9所示. 由图9可知,当CaCl2质量分数一定时,海藻酸钠质量分数为2.1%时,水凝胶压缩正切模量显著高于海藻酸钠质量分数为2.3%和2.5%的水凝胶. 海藻酸钠质量分数为2.3%和2.5%时的水凝胶压缩正切模量没有显著性差异. 作为人工血管材料,控制溶胀率更为重要. 故当海藻酸钠质量分数为2.3%,CaCl2质量分数为0.42%时,溶胀率得到了较好的控制. 压缩正切模量为(122.07±3.77)kPa,能够满足人工血管的要求. 文献[27]制备的京尼平交联的丝素蛋白和明胶复合水凝胶压缩正切模量约为475 kPa,然而溶胀率偏高.

图9 不同质量分数的海藻酸钠对水凝胶压缩正切模量的影响Fig.9 Effect of alginate with different mass fractions on compression modulus of hydrogel

CaCl2质量分数为0.42%时,海藻酸钠质量分数为2.1%,2.3%和2.5%的水凝胶压缩应力-应变曲线如图10所示. 由图10可知,海藻酸钠质量分数为2.1%的水凝胶压缩应力接近600 kPa,大于海藻酸钠质量分数为2.3%和2.5%的水凝胶,且海藻酸钠质量分数为2.3%和2.5%的水凝胶压缩应力无明显差异.

图10 水凝胶压缩应力-应变曲线(CaCl2质量分数为0.42%)Fig.10 Compressive stress-strain curves of the hydrogel (CaCl2 mass fraction is 0.42%)

3 结 语

本文制备了低溶胀高弹性的海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶,并分析了海藻酸钠质量分数及CaCl2质量分数对水凝胶溶胀率及力学性能的影响. 当海藻酸钠质量分数为2.3%,丙烯酰胺质量分数为16.8%,CaCl2质量分数为0.42%时,溶胀率可低至128.16%. 而拉伸断裂强度仍可达到306.87 kPa,断裂伸长率达到306.23%,压缩正切模量达到122.07 kPa. 随着海藻酸钠质量分数的增加,水凝胶断裂强度增加,溶胀率、断裂伸长率和压缩正切模量减小. 随着CaCl2质量分数的增加,水凝胶拉伸断裂强度增加,溶胀率和压缩正切模量减小,但对断裂伸长率影响不大. 本文所得水凝胶力学性能良好,约在12 h达到溶胀平衡,可为开发人工血管材料提供参考.

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Preparation of Alginate-Polyacrylamide Hydrogel for Vascular Prototype and Its Properties

WANGYe-xianga,b,YANXing-rua,WANGLua,b,GUANGuo-pinga,b

(a. College of Textiles;b. Key Laboratory of Textile Science &Technology,Ministry of Education,Donghua University,Shanghai 201620,China)

Hydrogels have been used in bio-materials field for many years,but few researches have been reported concerning being used as artificial blood vessels. On one hand,the mechanical properties of hydrogels need to be improved to meet the requirements of artificial blood vessels. On the other hand,the hydrogel swells in volume under wet environment and the swollen hydrogel will lead to reduced diameter and then cause thrombosis. Sodium alginate and acrylamide are selected to prepare hydrogels,which have satisfactory mechanical properties and low swelling ratio. The results show that tensile breaking strength of the hydrogel can reach 306.87 kPa,elongation at break is 306.23% and compressive tangent modulus is 122.07 kPa. When the mass fractions of sodium alginate,acrylamide and crosslinking agent are 2.3%,16.8% and 20%,the swelling ratio can fall down as low as 128.16%. The hydrogel reaches swelling equilibrium within 12 h.

hydrogel;swelling;alginate;acrylamide;biomaterial;vascular prototype

1671-0444 (2016)05-0647-07

2015-09-07

国家自然科学基金资助项目(11302154)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2232015A3-02)；上海市教育委员会科研创新资助项目(ZX201503000017)；纺织生物材料与技术创新引智基地资助项目(B07024)；2015研究生创新基金资助项目(EG2015045)

王叶香(1990—)，女，江苏南通人，硕士研究生，研究方向为生物医用水凝胶. E-mail :wangyx624@163.com 关国平(联系人)，男，副教授，E-mail :ggp@dhu.edu.cn

TS 101.3

A