镁离子对PVA/GG-Mg2+复合水凝胶的结构和物理化学性质的影响

王飞，白同春

（苏州大学材料与化学化工学部，江苏苏州215123）

引 言

聚乙烯醇(PVA)是一种线性合成聚合物，重复结构单元为—CH2CHOH—，通过聚醋酸乙烯酯的部分或全部水解除去醋酸酯基团而得到。羟基化的量决定了聚乙烯醇的物理、化学性能和力学性能。PVA 水溶液通过物理、化学或辐射交联可以得到PVA 水凝胶。以PVA 为基础的水凝胶，在冷冻熔融循环过程中形成物理交联，而不需要使用可能有毒化学交联剂。水凝胶的高含水量和弹性特性使其比任何其他类型的合成生物材料更能模拟人体组织。因而PVA 为基础的水凝胶是理想的生物应用材料之一[1-2]。

聚乙烯醇水凝胶的应用之一是关节软骨的研究[2]，如在刺激半月板组织生长方面显示出良好的应用前景。特别是物理交联的PVA 水凝胶的黏弹性行为已被证明可与半月板相媲美[3]。动物实验表明，PVA 水凝胶半月板置入术2年后，膝关节软骨状态良好，PVA 水凝胶未见磨损、脱位、断裂。这些结果证明了使用PVA 水凝胶人工半月板可以补偿半月板的功能，具有一定的临床应用价值[4]。

合成材料的优点是能够调整植入物的力学性能，使之与天然软骨组织相匹配。然而，选择这些合成材料用于生物组织还存在一些重要的问题，如机械阻力低、耐久性差；材料碎裂而引起刺激性，并造成软骨软化；与周围组织难以结合；关节退化和磨损等，也限制了其在该领域的应用[5-6]。力学性能差、缺乏生物相容性和相对生物惰性是阻碍骨修复材料应用的主要因素。为改进水凝胶的性能，许多研究者采用各种复合水凝胶的方法，特别是合成高分子与天然高分子或天然无机材料构成复合水凝胶的方法，以提高其力学性能和生物相容性[7]。如用强力纤维增强聚乙烯醇水凝胶模仿天然半月板的力学特性[5]；制备PVA/PVP 和PVA/壳聚糖复合水凝胶协同作用的生物材料[8-9]；制备PVA/ PVP/ PAA(聚丙烯酸)-三网络水凝胶拓宽水凝胶的应用范围，使其更适用于高摩擦系数和力学性能领域[10]；通过开发具有生物活性和生物相容性填料的复合水凝胶，如羟基磷灰石(HA)，可以解决黏附性差的问题[6]。PVA 与壳聚糖进行物理交联，构建新型双网络水凝胶，通过表面矿化引入羟基磷灰石(HA)使水凝胶具有诱导大鼠骨髓干细胞(rBMSCs)分化的能力[11]。PVA 复合水凝胶还被应用于药物传送的生物材料，如羧甲基纤维素(CMC)/聚乙烯醇(PVA)水凝胶膜，用于水溶性基础药物硫酸庆大霉素的传送给药[12]。

结冷胶(gellan gum,GG)来自鞘氨醇单胞菌伊乐藻属植物(Pseudomonaseloden)，在中性条件下，以葡萄糖为碳源，硝酸铵为氮源，以及一些无机盐所组成的培养基中，经有氧发酵而产生。结冷胶为线性阴离子多糖聚合物，其基本结构单元由四个糖分子：D-葡萄糖、D-葡萄糖醛酸、D-葡萄糖、L-鼠李糖，通过糖苷键依次连接而形成。其中葡萄糖醛酸可被钾、钠、钙、镁离子中和而成混合盐。结构如图1 所示[13]。天然结冷胶含有两个酰基取代基，即L-甘油酰基和乙酰基。碱性水解除去两个酰基得到脱乙酰基结冷胶，也称为低酰基结冷胶。高酰基和低酰基结冷胶在水溶液中都可以形成水凝胶，胶凝过程和温度有关，在水溶液中加热至70oC 以上，然后冷却，诱导其构象由缠绕型向双螺旋型转变。天然胶得到软而易变形的凝胶，而脱酰基胶产生硬而脆的凝胶。结冷胶在单价和多价阳离子存在的情况下具有亲离子的凝胶化能力，可以降低胶凝温度。结构研究表明，对于天然胶，螺旋链外缘上的酰基阻碍了高分子链的进一步聚合。而脱酰基胶使得阳离子可以方便地在两个螺旋链间形成桥联，这一过程导致支链网络形成[14]。图2 为结冷胶的胶凝过程示意图。

结冷胶因其具有良好的生物相容性、化学修饰能力、经济、无毒、潜在的可生物降解性和原料易于获得等特性而备受关注，被广泛应用于食品工业技术[14]。结冷胶水凝胶由于其可调节的机械和物理化学性质，与细胞外基质ECM 有许多相似之处，近期又被推广应用于医药、生物材料等领域[15-20]。将PVA 和GG 混合制备成复合水凝胶，具有性能互补的可能性。不同的阳离子对结冷胶的作用程度不同，导致水凝胶的结构、力学性质和保水性存在差异。在PVA/GG 复合水凝胶制备过程中添加适当的金属离子，可以起到调控结构和性质的作用。二价离子特别是Ca2+对GG 水凝胶的制备、结构、性能的影响均有报道，而且应用也较多，其关注点多有不同，如食品、药物载体等[15-16,19-21]。系统地比较离子对水凝胶软骨替代和修复材料物理化学性能的影响的研究还比较缺乏。

图1 天然结冷胶(a)和低酰基结冷胶(b)重复单元的分子结构Fig.1 Structure of repeat unit of native(a)and low-acyl(b)form of gellan gum

图2 结冷胶在水溶液中的胶凝过程示意图Fig.2 Gradual transformation of gellan gum from aqueous solution

作者[22-23]曾经尝试在PVA/GG 复合水凝胶制备过程添加Ca2+和Al3+，结果显示这些离子对水凝胶都有结构促进、力学性能增强的效应。为进一步比较二价正离子的影响，本文探讨Mg2+对PVA/GG复合水凝胶的网络结构、力学、物理化学等性能的影响。

1 实验材料和方法

1.1 试剂

聚乙烯醇(PVA)，[C2H4O]n，分子量约为74800～79200，平均聚合度1750，含量≥99.0%。六水氯化镁，MgCl2·6H2O，分子量203.211，干燥后用于配制MgCl2水溶液。上述药品购自国药集团化学试剂有限公司。

商品结冷胶为纯化的低酰基结冷胶，其分子量为2×105～3×105，购自济南德克生物技术有限公司。

实验室配制磷酸盐缓冲溶液(PBS)，磷酸盐浓度为0.01 mol·dm-3，pH 7.2～7.4。水为二次蒸馏水。

1.2 复合水凝胶的制备

采用循环冷冻-解冻物理交联法制备PVA、PVA/GG和PVA/GG-Mg2+复合水凝胶。

PVA/GG-Mg2+复合水凝胶的制备：取适量的PVA 溶解于90℃的蒸馏水中，溶液PVA 的质量分数控制在10%，然后向PVA 溶液中添加GG。分别配制几个不同GG 含量（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%）的PVA/GG 溶液，用于比较GG 含量的影响。90℃继续搅拌4 h，再向溶液中滴加MgCl2溶液(各溶液均控制MgCl2为0.1%(质量))。继续搅拌2 h后，降温至75oC，恒温30 min，再将溶液置于模具中成型。将模具溶液置于室温下冷却1 h后，再置于冰箱冷冻箱中在-10oC 以下冷冻10 h。取出样品，在室温下解冻2 h，然后再反复冷冻-解冻7次后，将样品放入蒸馏水中以去除未交联的组分。于是获得PVA/GG-Mg2+复合水凝胶，将其标记为PVA/GG(x)-Mg2+，x为GG 的百分含量，如GG 含量为0.5%，则所得水凝胶标记为PVA/GG(0.5)-Mg2+。

以相同条件制备PVA 和PVA/GG 水凝胶。PVA和GG 的溶液含量与上述水凝胶相同，所得水凝胶标记为PVA/GG(x)，x为GG 的百分含量，如GG 含量为0.5%，则所得水凝胶标记为PVA/GG(0.5)。

1.3 凝胶水含量的测定

取PVA、PVA/GG(x)和PVA/GG(x)-Mg2+水凝胶样品，用滤纸吸附除去表面水分，天平称重得其质量为m。然后将样品放入真空干燥箱，60oC 真空干燥36 h 以上直至恒重，获得干凝胶质量为m0，凝胶中的水含量(质量分数)为

1.4 扫描电子显微镜

将水凝胶样品放入蒸馏水中，在室温下溶胀至平衡。再将样品放入液氮中冷冻2 min 后放入真空干燥箱中干燥。待水凝胶网络结构中的水完全挥发后，在其断面喷铂5 min，使用冷却发散扫描电子显微镜(SEM)观察样品断面形貌。仪器型号：Hitachi 4700 instrument(日本日立)。

1.5 X-射线粉末衍射

将真空干燥后的PVA、GG、PVA/GG、PVA/GGMg2+样品磨成粉末状，载玻片压片制样，将载玻片放入X 射线粉末衍射仪进行测试。仪器型号：X'Pert PRO MPD (PANalytical 公司)。操作参数CuKα，λ=0.15406 nm；衍射角度范围5°＜2θ＜80°；步长宽度0.026°。

1.6 傅里叶红外光谱分析

将真空干燥后的PVA、GG、PVA/GG、PVA/GGMg2+样品研磨成粉，将粉末与KBr 粉末混合研磨，压片，红外光谱扫描。仪型号：6700 红外光谱仪，美国Nicolet。扫描波数范围：400～4000 cm-1。

1.7 流变性能测定

Haake 旋 转 流 变 仪，型 号：RS6000，德 国Karlsruhe 热电公司。振荡频率扫描测试水凝胶的流变性能，频率扫描设置：测试温度37oC，施加剪切力τ为1 Pa，角频率ω从0.1 rad·s-1升至100 rad·s-1，即频率f从0.159 Hz 升至15.92 Hz，测试的间隙尺寸为0.5 mm，记录储存模量G'。

1.8 拉伸强度测试

仪器：微机控制电子万能试验机，型号WDT-20，深圳市凯强利实验仪器有限公司。样品置于37℃水中至溶胀平衡后，室温下测试PVA、PVA/GG和PVA/GG-Mg2+复合水凝胶拉伸强度。试样形状为矩形，宽10 mm，厚度2 mm，标距为50 mm，试样以10 mm·min-1的速度进行拉伸。

1.9 DSC测熔融焓

差示扫描量热仪DSC，型号DSC-204F1，德国耐驰(NETSCH)公司。仪器经高纯铟校正温度和热流。将水凝胶置于真空干燥箱中，60℃真空干燥36 h 以上获得干凝胶。称取5 mg 左右干凝胶(精度为0.01 mg)，填装在具有扎孔盖子的铝制坩埚中，用相同类型的空坩埚作为参比，做DSC 测定。用高纯氮气作保护气和吹扫气，气流速度分别为20 和70 ml·min-1。以5 K·min-1程序升温速率从室温升至350oC，获得样品的熔融温度、熔融焓和分解温度。

1.10 失水动力学的DSC测定

仪器：DSC-204F1。将水凝胶样品浸泡在蒸馏水中至溶胀平衡，用微量天平准确称取5 mg 水凝胶，精度0.00001 g。将待测样品装填于具孔盖铝质坩埚中，用相同材质空坩埚为参比。高纯氮气作保护气和吹扫气，气体流速分别为20 和70 ml·min-1。采用不同的升温速率加热样品，β=1,2,3,4,5 K·min-1。在室温～400 K 区间获得DSC 图谱，用等转化率法处理不同升温速率的DSC 曲线以获得失水动力学参数。

1.11 溶胀动力学测定

水凝胶在60℃真空干燥36 h 以上至恒重，得质量为m0的干凝胶。将干凝胶分别浸泡在磷酸盐缓冲溶液(PBS)和蒸馏水中并于t(min)后取出，用滤纸吸干凝胶表面残余水分后进行称重，记录不同溶胀时间的凝胶的质量m(t)，直至溶胀平衡。根据m(t)-t数据，得到其含水量W(t)(质量分数)随时间t的变化曲线。其中

2 结果与讨论

2.1 水凝胶含水量

水凝胶的含水量是一个重要的参考量，它在一定程度上可以反映出水凝胶的网络空间结构和孔隙结构大小[24]。生物材料的应用范围不同，所需的含水量数值也有差异[25-26]。图3表示了水凝胶中GG含量(WGG)变化对水凝胶含水量W的影响，可见：(1) 无论是PVA/GG(x)还是PVA/GG(x)-Mg2+，它们均表现出W随GG 含量增大而增加的现象，即GG 促使水凝胶空隙更大。(2)相比PVA/GG(x)，PVA/GG(x)-Mg2+的含水量较小。结冷胶的存在阻止了PVA链间的相互缠结和PVA 自身氢键的形成，破坏了PVA 水凝胶原有的微晶区[1]，使空隙增大；另一方面，结冷胶与水有较强的相互作用，因而具有很高的保水性[27]。这些因素使得GG 促使PVA/GG 水凝胶的含水量增加。系统引入镁离子不仅可以在两条GG 链间形成桥联，还能与结冷胶上的羧基形成较强的离子键，屏蔽掉结冷胶自身的静电排斥作用[14]，使得PVA/GG-Mg2+复合水凝胶的链结更加紧密，含水量比PVA/GG水凝胶有所降低。

图3 具有不同GG质量分数(WGG)的水凝胶的水含量(W)Fig.3 Water content W for hydrogels with different mass fraction of GG(WGG)

2.2 SEM

图4 分别为PVA、PVA/GG(2.0)和PVA/GG(2.0)-Mg2+复合水凝胶经冷冻干燥后的断面形貌。三个水凝胶的孔隙结构不同。相对于纯PVA 水凝胶[图4(a)]，PVA/GG(2.0)[图4(b)]的孔隙更大。图4(c)显示PVA/GG(2.0)-Mg2+水凝胶的孔隙相比PVA/GG(2.0)更加规整致密。这些结构形貌印证了对水凝胶的含水量和空隙结构的分析。

2.3 XRD

图5 为GG 粉末、干燥后的PVA 凝胶粉末、PVA/GG(2.0)和PVA/GG(2.0)-Mg2+凝胶粉末的XRD 谱图。GG 在2θ=19.2°和22.2°处出现两个缓包峰。有文献认为：这表明GG 从一个类晶体的有序结构固体转变成一种无定形凝胶状态[28-29]。PVA 具有晶型结构，在2θ=19.6°处有一尖峰，在2θ=40.4°处有一小峰[30]。对于复合水凝胶PVA/GG(2.0)和PVA/GG(2.0)-Mg2+，由于结冷胶的含量较少，PVA 晶型峰仍然存在，但镁离子的加入使得PVA/GG(2.0)-Mg2+中PVA 晶型峰的强度有明显减弱。无论PVA/GG(2.0)凝胶和PVA/GG(2.0)-Mg2+凝胶，都没有看到新的晶型峰形成。参与形成三维网络结构的PVA 呈现非晶型。未参与形成网络结构的PVA 保持其原有晶型。结晶峰减弱表示其结晶度减小，说明有更多的PVA 从纯组分晶型改变为非晶型的链状结构，即镁离子与GG 的作用使得更多的PVA 参与形成网络结构。

图4 水凝胶的SEM图Fig.4 SEM micrographs of hydrogels

图5 GG粉末和干凝胶的XRD谱图Fig.5 XRD patterns of GG powder and vacuum dried gels

2.4 FT-IR

图6 为结冷胶粉末、干燥后的PVA 凝胶、PVA/GG(2.0)干凝胶和PVA/GG(2.0)-Mg2+干凝胶的FT-IR谱图。有关基团的特征峰数据以及文献数据列于表1。

糖类半缩醛(C—O—C)特征振动峰位于1033 cm-1处，而PVA 的C—O—C 特征振动峰则位于1093 cm-1处。在PVA/GG 和PVA/GG-Mg2+图中仍能看到这两个峰，二者相重叠形成一个宽峰，这可以看成是PVA 和GG 氢键交联形成的特征峰。PVA/GG 和PVA/GG-Mg2+相比，差异并不显著。

图6 干凝胶和GG粉末的FT-IR图谱Fig.6 FT-IR spectrum of dried gels and GG powder

PVA 的—CH2—弯曲振动峰位于1454 cm-1，而GG的—CH2—弯曲振动峰则位于1413 cm-1，在PVA/GG和PVA/GG-Mg2+图中两个峰重叠形成一个宽峰。PVA/GG 和PVA/GG-Mg2+相比，后者在1413 cm-1的峰有所减弱，而PVA 的1454 cm-1峰尖锐程度有所增强，这可能是离子交联两条GG 螺旋链所产生的效果。

2.5 流变性能

利用振荡流变仪在低频率范围对PVA、PVA/GG(2.0)、PVA/GG(x)-Mg2+复合水凝胶的力学性能进行研究。图7 为各复合水凝胶的储存模量G΄随凝胶组分的变化情况。结果显示：(1)对于所有水凝胶样品，储存模量几乎不随频率变化，反映出在低频条件下它们力学性质都较稳定。(2)复合水凝胶PVA/GG(2.0)的储存模量G΄为60 kPa，这个值略大于PVA的储存模量。这与两个因素有关：一是结冷胶的存在破坏了PVA 原有的微晶区和PVA 自身的氢键，另一方面，结冷胶上有大量羟基和羧基，可以与PVA上的羟基形成氢键。这两个因素的共同作用导致PVA/GG(2.0)与PVA 水凝胶的储存模量变化不大。(3)系统引入Mg2+后，PVA/GG(x)-Mg2+复合水凝胶的储存模量随着结冷胶的含量的增加而增加。PVA/GG(2.0)-Mg2+复合水凝胶的储存模量G΄是110 kPa，大约是是纯PVA 水凝胶储存模量的3 倍，这一显著变化归因于Mg2+的作用[31]。储存模量高说明材料的弹性好，材料存储弹性变形能量的能力强，应力去除后回复原来形变的能力强[32-33]。

表1 PVA和GG有关基团的FT-IR特征峰数据Table 1 FT-IR characteristic peaks of groups in PVA and GG

图7 储存模量G΄随振荡频率f的变化Fig.7 Storage modulus G΄versus oscillation frequency f

2.6 拉伸性能

图8 表示PVA、PVA/GG(2.0)和PVA/GG(2.0)-Mg2+水凝胶的拉伸力学性质。PVA 和PVA/GG(2.0)的最大拉伸强度约为4.2 MPa，而PVA/GG(2.0)-Mg2+最大拉伸强度约为5.9 MPa，比纯PVA 水凝胶拉伸强度有所增加。人的关节软骨的平均拉伸强度约为5.8 MPa，所以PVA/GG(2.0)-Mg2+复合水凝胶可以达到组织工程中关节软骨的力学要求。可见Mg2+参与交联显著改善了水凝胶的力学性能。

2.7 干凝胶的热分析

图8 水凝胶的拉伸强度Fig.8 Tensile strength of hydrogels

图9 为PVA、PVA/GG(x)和PVA/GG(x)-Mg2+干凝胶的DSC 图。在实验温度区间，各个样品均有两个吸热峰，分别对应于凝胶中PVA 的熔融和凝胶的热分解。表2 列出了各个凝胶的熔融焓(ΔmeltH)、熔融温度(Tm)和热分解温度(Td)。结果显示：(1)各样品的熔融温度(Tm)几乎相同，但低于纯PVA 凝胶的数值。这个峰实质上是各个样品中PVA 组分的结晶熔融性质的表现。Tm低于纯PVA 的数值是溶液依数性凝固点降低的表现。(2)熔融焓(ΔmeltH)和凝胶中PVA的含量有关，ΔmeltH随WPVA减小而减小；PVA/GG(x)-Mg2+和PVA/GG(x)相比，其ΔmeltH更低。即GG与离子的作用导致更多的PVA 发生了晶型转换。(3)各凝胶的热分解温度Td是分解峰的起始温度。数据显示PVA/GG(x)的分解温度略微低于纯PVA 凝胶，且随WPVA减小而减小，符合依数性的关系；而PVA/GG(x)-Mg2+的分解温度明显高于纯PVA 凝胶，且随WPVA减小而增大。说明GG 与离子的作用导致整个系统的热稳定性更好。

由于PVA 具有结晶焓，凝胶中PVA 的结晶度fc可以用熔融焓表示，定义为

式中，ΔmeltH为样品的熔融焓；ΔmeltHo为完全结晶的PVA 的熔融焓，其值为138.6 J·g-1，来自于文献[34]；WPVA为干凝胶中PVA 的质量分数；fc(DSC)表示DSC 法测定的结晶度，数据列于表2。结晶度减小，意味着更多的PVA 由结晶态转变为非晶态而与GG形成交联。这与力学性能增强，网络孔腔增大且规整，含水量增加等现象相符。

本文讨论水凝胶主要用于模拟关节软骨，其使用温度是常温，远低于其热分解温度。由于文中采用了DSC 方法分析动态失水过程动力学，有必要考察在实验温度范围是否会导致干凝胶分解，故需干凝胶热分解温度作参考，以控制实验温度上限。DSC 分析干凝胶所获得的PVA 结晶度与水凝胶应用有关，它是考察PVA 晶态改变的数据，也是反映PVA 参与GG 复合的程度的数据。所以获取热分析数据的目的在于①获取PVA 的晶型变化的信息；②为获取水的流失的信息做准备。

图9 干凝胶的DSC图谱Fig.9 DSC thermograms of vacuum dried gels

2.8 水凝胶的失水动力学

失水活化能反映了水凝胶网络对水的束缚能量。文献报道正常软骨组织失水活化能为41.89 kJ·mol-1，病变软骨失水活化能高达52.49 kJ·mol-1，软骨组织失水速率依赖于软骨中剩余水含量，病变的软骨组织由于失水而变得更加密集，对水分有更大束缚力[35]。

DSC方法测定的水凝胶失水活化能属于非等温动力学过程活化能。实验测定一组不同升温速率的DSC 热失水曲线，利用等温转化法处理DSC 数据而得到失水活化能。图10 为PVA、PVA/GG(2.0)和PVA/GG(2.0)-Mg2+水凝胶在不同升温速率(β=1,2,3,4,5 K·min-1)下的热失水DSC图谱。

Kissinger-Akahira-Sunose (KAS)提出了等转化率法求解热分解反应动力学参数DSC 数据处理方法，这是一个被广泛采用和推荐的方法[36]。对于升温速率为βi的DSC 曲线，当其转化率为α时，对应的反应温度为Tα,i，它们之间的关系为

表2 真空干燥的PVA、PVA/GG（x）和PVA/GG（x）-Mg2+干凝胶的熔融温度Tm、熔融焓ΔmeltH、热分解温度Td和结晶度fc（DSC）Table 2 Melting temperature Tm，melting enthalpy ΔmeltH，decomposition temperature Td，and degree of crystallinity fc（DSC）for vacuum dried gels of PVA，PVA/GG（x）and PVA/GG（x）-Mg2+

对于同一转化率α，存在一组β值不同的DSC曲线，对应存在一组βi和Tα,i数据，它们满足式(4)所示线性关系，其斜率为非等温热分解过程的活化能Ea。如果改变转化率，相应的活化能也会发生改变。通常的办法是考察在一定的转化率区间内，活化能随转化率的变化情况。

图11表示了用KAS方法处理得到的结果：转化率 区 间α=0.05～0.95，PVA/GG(2.0)、PVA/GG(2.0)-Mg2+和PVA 水凝胶的失水活化能Ea随α的变化。为考察水凝胶失水与液态水汽化的差异，将纯水汽化过程的活化能曲线也绘入图中以做比较。

图11 结果表示：(1) 活化能随转化率的增大而减小。DSC 热分解反应为非等温过程，低转化率发生在较低温度区间，高转化率发生在较高温度区间。故会出现Ea随α增大而减小的现象。通常的解决方案是求一定α区间的Ea平均值。对于本文研究的体系，当α＞0.4 后，活化能变化很小。(2)水凝胶的活化能明显高于水汽化的活化能。水凝胶的失水机理不同于水的气化，它包含了水在高分子网络空隙中的扩散和液态水的汽化两个过程，其中水的扩散受水凝胶支架和水的相互作用的影响较大。(3) 三个水凝胶的Ea大小顺序为：PVA ＞PVA/GG(2.0)-Mg2+＞PVA/GG(2.0)，但三者相差不大。(4) 在转化率α= 0.4～0.8 区间，活化能随α变化很小，选择在此区间求活化能的平均值作为水凝胶的平均活化能。则有：PVA，Ea=52.9 kJ·mol-1；PVA/GG(2.0)-Mg2+，Ea=52.2 kJ·mol-1；PVA/GG(2.0)，Ea=50.8 kJ·mol-1。

图10 在不同升温速率下水凝胶失水过程的DSC曲线Fig.10 DSC curves at different heating rates for dehydration of hydrogels

图11 水凝胶失水活化能Ea随转化率α的变化关系Fig.11 Dependence of activation energy of hydrogel dehydration Ea on conversion α

将水凝胶热失水过程视为由两个步骤组成：水在水凝胶中的扩散和液态水的汽化，其中水的扩散受水凝胶支架和水的相互作用的影响较大。水凝胶的热失水活化能Ea(hydrogel)与液态纯水的热失水活化能Ea(liq,water)之差ΔEa可以视为水在水凝胶中的扩散活化能。

ΔEa随转化率的变化如图12 所示。结果显示：水的扩散活化能随转化率(失水率)的增大而减小，且其在PVA 水凝胶中的扩散活化能要高于其在PVA/GG(2.0)-Mg2+和PVA/GG(2.0)复合水凝胶中。在α=0.4～0.8 区间求其平均值，则有：PVA/GG(2.0)，ΔEa=12.8 kJ·mol-1；PVA/GG(2.0)-Mg2+，ΔEa=14.4 kJ·mol-1；PVA，ΔEa=15.2 kJ·mol-1。显然，离子的加入使水扩散迁移出凝胶空隙的速率变慢。

图12 水凝胶中水的扩散活化能随转化率α的变化Fig.12 Dependence of water diffusion activation energy on α in hydrogels

2.9 溶胀动力学

聚合物水凝胶的溶胀行为提供了关于高分子链的构象变化和水凝胶网络的体积变化的信息[24]。溶胀动力学参数包括平衡水含量We和溶胀速率常数k。平衡水含量表示了水凝胶内部可以容纳水分子的空间大小，溶胀速率常数表示了水凝胶溶胀吸收能力的大小，它们与水和凝胶支架间的相互作用相关。溶胀速率通常可用二级动力学方程表示[37]

其中，W是水凝胶在溶胀时间t时刻的水含量；We是平衡水含量；k是溶胀速率常数。积分后得

取相同质量的PVA、PVA/GG 和PVA/GG-Mg2+干凝胶，分别浸于37℃的PBS 和蒸馏水中进行溶胀测试。图13 给出了PVA/GG(x)在水中的溶胀曲线，其他凝胶的溶胀曲线有相似的形状。图13 表示：在溶胀初期，水凝胶的吸水速率很快；随溶胀时间延长，吸水速率逐渐减缓，经很长一段时间后达到溶胀平衡。用非线性最小二乘法拟合实验数据，可得到溶胀动力学参数(We和k)，结果见图14 和图15。

图13 PVA/GG(x)凝胶在水中的溶胀曲线Fig.13 Swelling curves for gels of PVA/GG(x)in water

平衡水含量We与溶胀速率常数k随凝胶中GG含量而变化。图14 和图15 结果显示：(1)在PBS 缓冲溶液中，各凝胶的We和k的值都要低于其在水中的值。这可能与溶液的盐析效应以及电解质的渗透压等因素有关。(2)各凝胶的We和k随GG 含量(WGG，质量分数)增加而增加。这意味着，GG 能提高水凝胶的持水量。(3)PVA/GG(x)-Mg2+和PVA/GG(x)相比，前者的We和k要低于后者。可以解释为：PVA/GG(x)-Mg2+具有更为规整致密的结构，导致孔腔体积减小，水的扩散进入变慢，吸附速率减小。

图14 平衡水含量(We)与GG质量分数(WGG)的关系Fig.14 Dependence of equilibrium water content(We)on mass fraction of GG(WGG)

图15 溶胀速率常数(k)与GG质量分数(WGG)的关系Fig.15 Dependence of kinetic rate constant(k)on mass fraction of GG(WGG)

2.10 Ca2+、Mg2+、Al3+对PVA/GG 水凝胶性质的影响

将本文结果与前期有关Ca2+、Al3+参与复合的PVA/GG 水凝胶的实验结果进行对比，相关参数列于表3中。

由表中数据可见，离子参与交联，导致PVA/GG水凝胶的含水量略有减少，结构更加规整致密；导致凝胶的溶胀平衡含水量降低，水分子扩散速率降低；力学参数发生较大变化，拉伸强度增大，存储模量增大；PVA 的结晶度显著减小，即更多PVA 由晶态转变为非晶态而参与复合；水扩散活化能增加，这也是导致水扩散速率减小的原因之一。三个离子产生的效应很相似，但也略有差异。在力学参数上，Al3+的影响出现最大值不是在PVA/GG(2.0)-Al3+，而是在PVA/GG(1.5)-Al3+。

根据上述分析，提出PVA/GG(2.0)-Mz+复合水凝胶相互作用机理示意图(图16)。其中显示了离子对GG双链的桥联作用，以及GG和PVA的氢键作用。

表3 PVA/GG（2.0）-Mz+复合水凝胶若干参数对比Table 3 Comparison for properties of PVA/GG（2.0）-Mz+composite hydrogels

图16 PVA/GG(2.0)-Mz+复合水凝胶相互作用机理Fig.16 Schematic diagram of interaction mechanism of PVA/GG-Mz+hydrogel

3 结 论

通过循环冷冻-解冻的方法制备PVA/GG(x)-Mg2+复合水凝胶。通过对水凝胶的网络结构、力学、物理化学性质的研究，观察到：PVA/GG(x)-Mg2+具有规整致密的三维结构，保持较大的孔隙率，具有相对较高的拉伸强度和黏弹性储能模量，热稳定性增强。溶胀动力学结果表示：PVA/GG(x)-Mg2+具有更为规整致密的结构，导致孔腔体积减小，水的扩散进入变慢，吸附速率减小。失水动力学结果显示：水的扩散活化能随转化率(失水率)的增大而减小，且其在PVA 水凝胶中的扩散活化能要高于其在PVA/GG(2.0)-Mg2+和PVA/GG(2.0)复合水凝胶中。而离子的加入使水扩散迁移出PVA/GG 水凝胶空隙的速率变慢。溶胀和失水的动力学结果相吻合，即离子使水凝胶的保水性增强。这与Mg2+和GG 的相互作用导致高分子交联程度增强有关。GG 和离子的相互作用可以显著改变生物组织材料的结构和性能，对于PVA/GG 水凝胶，Mg2+、Ca2+、Al3+有相似的影响作用。