明胶/聚丙烯酸/聚N-异丙基丙烯酰胺高强度形状记忆水凝胶的辐射合成及其性能

陈 垦 彭 静 李久强 翟茂林

（北京大学化学与分子工程学院 北京分子科学国家研究中心 放射化学与辐射化学重点学科实验室 北京100871）

形状记忆聚合物（Shape-memory polymers，SMPs）是指具有保持临时变形形状的能力，当受到外界刺激（如温度、光照、磁场、pH 等）后，可以恢复到初始形状，从而表现出对初始形状具有记忆功能的一类智能高分子材料［1］。而形状记忆水凝胶（Shape-memory hydrogels，SMHs）作为SMPs的一个分支，在生物组织、药物控释等医学领域，具有其他形状记忆聚合物无法替代的先天优势：（1）基于水凝胶优良的透光性和对小分子的透过性，其在光、pH 和离子的刺激响应领域应用更广泛［2］；（2）与人体内部相似的环境赋予其更好的生物相容性，相对更温和的刺激响应条件，更高的柔韧度。因此，基于SMHs潜在的高应用价值，其近年来受到了越来越多的关注［3-4］。一般而言，将具有超分子相互作用（氢键、主客体相互作用、金属配位作用等）或具有动态共价键（硼酸二酯键、希夫碱等）的侧链基团引入凝胶中，就可以赋予水凝胶形状记忆功能［5］。如Feng 等［6］利用酰胺类聚合物的分子内氢键和分子间氢键共同构建凝胶网络，使其具有温度刺激的响应循环；Feng 等［7］利用光引发化学物质分解来调控溶液pH，从而影响金属和配体的螯合作用，巧妙设计了紫外光刺激响应的SMHs；Lu 等［8］通过将不同的DNA 单链接枝在丙烯酰胺上形成基于碱基序列配对的形状记忆凝胶，对K+有独特的刺激响应性。

如上所述，基于不同的功能基团，SMHs可以对不同类别的外界刺激做出响应。其中，温度刺激响应由于具有出色的响应速率（一般在几十秒内）、极高的形状固定率（Rf）和形状恢复率（Rr），而被广泛和深入研究［9-11］。但是，如果将温敏水凝胶应用到医疗卫生、生物组织等领域，目前还面临着诸如单体成本过高、刺激方式单一，机械强度差等难题。因此低成本、多重响应且高强度的新型SMHs亟待探索研究。

另一方面，采用γ射线辐射聚合交联合成水凝胶已经成为制备传统水凝胶的主流方法之一［12-15］，但目前尚未看到有关于辐照法制备高强度SMHs的报道。与现有的化学合成法制备SMHs相比，辐照法具有反应条件温和、体系纯净（不需要引发剂）、反应条件可控、操作简单等优势，并且高能射线天然具备杀菌清洁的效果，与SMHs用于生物组织工程或体内药物释放的应用高度契合，非常适合工业化大规模生产。由于γ射线穿透性好，可制备各种体积、形状的凝胶。与紫外光辐照法相比，也无需光引发剂，射线穿透力更强，合成材料的结构更均匀［16］，因此，研究γ射线辐射聚合交联合成高强度SMHs具有重要意义。

本研究利用明胶自身升-降温的螺旋-解旋特性，以及聚丙烯酸（PAAc）和聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）之间的羧基、胺基所形成的多重氢键，通过两步辐照法，以N，N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）为交联剂，制备同时具有温度响应、pH响应和高机械强度的SMHs。

1 材料与方法

1.1 原料

明胶（国药集团化学试剂有限公司，CP 纯度）；丙烯酸（AAc，上海麦克林生物化学有限公司，AR 纯度）；N-异丙基丙烯酰胺（NIPAm，上海源叶生物科技有限公司，BR 纯度）；MBA（上海阿拉丁工业有限公司，AR纯度）。

1.2 仪器和设备

60Co 辐射源，北京大学化学与分子工程学院；热重分析仪，Q600，TA仪器有限公司，美国；红外光谱仪，NICOLET iN10 MX，赛默飞世尔科技公司，美国；扫描电子显微镜，Hitachi S-4800，日立公司，日本；万能拉伸试验机，Instron-3365，英斯特朗公司，美国。

1.3 不同组成水凝胶的辐射制备

取1 g 明胶至50 mL圆底烧瓶中，加入10 mL含有0.003 6 g MBA的水溶液，在50 ℃油浴，600 r/min的条件下搅拌约20 min 至明胶完全溶解；接着加入3.6 g AAc，继续加热搅拌20 min。将溶液除去气泡后倒入模具中，4 ℃冷冻8 h 以上，取出后立即送往钴源室，在常温常压下于剂量率约30 Gy/min（用Frick剂量计标定）的孔道内进行辐照，33 min后取出辐照后的凝胶样品，将其浸泡在乙醇/水溶液中48 h 以上，除去未反应的单体和低聚物，得到明胶/PAAc（GA）水凝胶。

将成型的GA水凝胶裁取合适的大小放入50 mL含有7.5 g NIPAm 和0.007 5 g MBA 的水溶液中浸泡48 h 以上，滤去表面液珠后装入模具中；将样品在常温常压下于剂量率约30 Gy/min（用Frick剂量计标定）的孔道内进行辐照，33 min后取出得到明胶/PAAc/PNIPAm（GAN）水凝胶。

不同组分的对照组水凝胶样品制备方法相似，具体用量及制备条件见表1。注：不同组分中的交联剂占比是一致的，已排除交联剂含量影响。

表1 样品名称简写及其相应的制备条件Table 1 Sample abbreviations and corresponding preparation conditions

1.4 表征与分析方法

1.4.1 TGA表征

通过TGA 表征样品的热稳定性能，氮气流速为100 mL/min，升温速率为10 ℃/min，温度范围为20～600 ℃。测试样品经过液氮冷冻，再于冷冻干燥机中干燥3 d处理。

1.4.2 显微红外分析

测试样品经过液氮冷冻，再于冷冻干燥机中干燥3 d处理。对样品进行显微红外测试，扫描波数范围为4 000～600 cm-1。

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1.4.3 形貌表征

测试样品经过液氮冷冻，再于冷冻干燥机中干燥3 d处理，且形貌测试前对样品进行喷金处理。通过SEM观察样品断面形貌，拍摄电压为10 kV，高真空模式。

1.4.4 力学性能测试

为了适合做拉伸测试，水凝胶做成哑铃型试样，标距长度（l0）为13.0 mm，宽度（D）为2.0 mm。通过拉伸测试仪测试样品力学性能，拉伸速率为50.00 mm/min。每块样品裁取5个样条测试，取平均值作为最终结果。

1.4.5 形状记忆行为测试

温度响应形状记忆性能测试。室温下，将初始形状为直条状的GAN水凝胶放入60 ℃的蒸馏水中浸泡，人工施加外力使其弯成“U”形，然后放入24 ℃的蒸馏水中浸泡1 min，固定水凝胶的临时形状，移除外力。而后再将水凝胶样条转移到60 ℃蒸馏水中，观察水凝胶的形状恢复情况。根据文献［17］的方法测定水凝胶形状固定率（Rf）和形状恢复率（Rr）。

式中：θg为外力给予的水凝胶临时形状的角度；θt为水凝胶固定临时形状的角度；θf为最终水凝胶形状恢复后的角度。

pH 响应形状记忆性能测试。室温下，将初始形状为直条状的GAN 水凝胶放入pH=12.8 NaOH溶液中浸泡，人工施加外力使其弯成“U”形，然后放入pH=1.2 HCl溶液中浸泡5 min，固定水凝胶的临时形状，移除外力。而后再将水凝胶样条转移到pH=12.8 NaOH溶液中，观察水凝胶的形状恢复情况。按照式（1）和（2）计算Rf和Rr。

2 结果与讨论

2.1 GAN水凝胶的辐射合成

GAN 水凝胶的制备方法如图1 所示。首先通过加热-冷冻使明胶形成单网络物理交联凝胶，该过程中明胶经加热溶解后在溶液中形成无序的明胶分子，再经冷冻后部分恢复到胶原结构，而胶原分子是由三条多肽链相互缠绕所形成的螺旋体，进而形成了物理交联网络；然后通过γ辐照引发含交联剂MBA的AAc单体水溶液聚合和交联，使化学交联的PAAc网络与物理交联的明胶网络形成双网络凝胶GA；再通过自然浸泡的方式，在GA 凝胶内部引入NIPAm分子和新的MBA交联剂，进行第二次辐照，在双网络GA凝胶内部形成大量穿插的PNIPAm网络，得到GAN三元复合水凝胶。

图1 GA、GAN水凝胶的辐射合成路线图Fig.1 Schematic radiation synthesis route of GA and GAN hydrogel

2.2 GAN水凝胶的结构分析

通过显微红外对合成的GAN 水凝胶及其单组分或双组分水凝胶进行化学结构分析，结果见图2（a）。由图2（a）可知：在1 544 cm-1处的特征吸收峰指向酰胺基中N-H键的变形振动；在1 634 cm-1的特征峰对应酰胺基中N-H 键的伸缩振动；而在1 698 cm-1处的吸收峰归属于标准羧酸羰基伸缩振动［18］。经过对比得出，GA 水凝胶含有明胶和PAAc 的特征峰，而GAN 水凝胶除含有明胶、PAAc外，还有PNIPAm的特征峰。进一步对GAN凝胶及其单组分或双组分凝胶进行TGA 分析，其微分结果如图2（b）所示。由图2（b）可以发现，与GA 相比，GAN 凝胶的最大降解温度下降，其热稳定性稍有下降，但降解温度都对应PAAc、PNIPAm 的失重峰，说明GAN 含有以上组分，这与红外光谱分析结果相一致。

图2 GAN凝胶及其单/双组分凝胶的显微FTIR谱(a)和TGA-DTG曲线(b)Fig.2 Micro-FTIR spectra(a)and TGA-DTG patterns(b)of GAN and its single/two-component gels

为了更好地了解不同组分对合成凝胶形貌结构的影响，通过电子扫描电镜对GA 和GAN 水凝胶的形貌进行对比分析，如图3所示。

由图3（a）、（b）对比发现，GA 与GAN 水凝胶都呈现出典型的网状凝胶结构，但与GA水凝胶相比，GAN 水凝胶网络结构明显更为致密，孔洞数目减少，孔径也减小；GA水凝胶的孔径在30 μm左右，而GAN 水凝胶的孔径为20 μm 左右，这是由于经第二次辐照后在GAN 中引入了PNIPAm 聚合物分子链，进而与GA凝胶相互穿插，增加了主链密度，导致凝胶网络的孔洞数量和孔径减小［19］。图3（d）展现了GAN水凝胶中某一截面的N元素分布状况。可以看出，N 元素在水凝胶中分布均匀，由于大部分N 来自PNIPAm（少部分来自明胶），证实通过浸泡然后辐照的方式在GA 水凝胶 中引入的PNIPAm聚合物网络也是均匀的。

图3 不同水凝胶的SEM图：(a)GA；(b),(c)不同放大倍数的GAN；(d)GAN的EDS元素(N)映射图像Fig.3 SEM images of different hydrogels:(a)GA;(b)and(c)GAN with different magnifications;(d)EDS element(N)mapping image for GAN

2.3 GAN水凝胶的机械性能分析

为了研究各组分对GAN 水凝胶机械性能的贡献，以相同的配比辐射制备了PAAc水凝胶、明胶水凝胶、PNIPAm 水凝胶、AN 水凝胶、GA 水凝胶、GN水凝胶。不同水凝胶的拉伸测试结果如图4（a）所示，其中明胶水凝胶和PNIPAm水凝胶因无法测试其力学性能而未列入图中。对比GAN 和AN可以发现，明胶的引入提高了体系的韧性和拉伸应力；对比GAN和GA，PNIPAm的引入显著提高了体系的拉伸应力，而拉伸应变略有减小；对比GAN 和GN，PAAc 的引入显著提高了体系的拉伸应力，而拉伸应变保持不变。对比单组分、双组分水凝胶，GAN水凝胶的拉伸强度可达（4.10±0.25） MPa，断裂伸长率为662.9%，其强度远大于各个组分的强度之和，说明三种单一网络产生了协同作用，而这种作用主要归因于三种网络之间的多重氢键。另一方面，可以看到AN 和GAN水凝胶具有明显的屈服现象，并且样品在拉伸过程中也具有细颈现象，这是比较典型的双网络水凝胶特征，符合Na 等［20］提出的“牺牲键”理论。而GN、GA 水凝胶没有此类现象，这可能是由于明胶网络是由自身三重螺旋形成的物理交联网络，在拉伸形变时不存在大量断链的破碎过程，也就无法充当提供能量耗散的“牺牲键”。

图4（b）直观比较了不同组分水凝胶的杨氏模量，可以看到PAAc、GA、GN 水凝胶的杨氏模量都不足0.5 MPa，双组分的AN 水凝胶具有最高的杨氏模量，可达（116.9±15.0） MPa，但过高的刚性使得延展性受限，水凝胶柔韧的优势反而得不到体现，如同图4（a）中展示的一样，AN水凝胶的断裂伸长率只有234.8%；相对的，GAN 水凝胶的杨氏模量为（55.3±8.2） MPa，显然明胶的引入能显著降低材料的刚性，通过对比PAAc 与GA水凝胶的杨氏模量也能得到这一结论。

GAN 水凝胶的单体配比对拉伸性能的影响如图4（c）、（d）所示。具有多重氢键的GAN 水凝胶表现出良好的力学性能，随着明胶含量的升高，其拉伸强度先上升后下降，最高可达（5.4±0.3）MPa，而断裂伸长率快速上升至700%左右趋近平缓，出现这种变化可能是因为当明胶含量过高时，GA水凝胶的溶胀性变差，而且明胶会阻碍NIPAm 的进入，两者是竞争关系，所以高明胶含量的GAN 水凝胶拉伸应力-应变曲线更接近于相同比例的GA水凝胶。另一方面，随着丙烯酸含量的升高，拉伸强度逐渐上升，断裂伸长率逐渐下降，这主要是由于随着丙烯酸含量的上升，凝胶网络结构密度增大，含水量下降导致的［21］，此时水凝胶材料表现出比较明显的屈服现象。

将本研究中SMHs的性能与近年来文献中报道的SMHs进行对比，结果如表2所示。由表2可知，GANs水凝胶具有良好的拉伸强度、较高的拉伸应变能力和快的形状记忆恢复速度，表现出良好的综合性能，这主要得益于GANs独特的三元凝胶网络结构。

图4 不同组成水凝胶的拉伸应力-应变曲线(a)与杨氏弹性模量（内插图为局部放大图）(b)；GAN水凝胶拉伸性能与明胶含量(c)及与丙烯酸含量(d)的关系Fig.4 Tensile stress-strain curves of different hydrogels(a)and Young’s modulus(inset:enlarged diagram)(b);the relationship between the tensile properties of GAN hydrogel and the content of gelatin(c)and content of AA(d)

表2 一些SMHs形状记忆行为和力学性能参数Table 2 Parameters of shape memory behavior and mechanical property of some SMHs

2.4 GAN水凝胶的形状记忆性能

由于永久性化学交联和可逆氢键的存在，GAN 水凝胶可以在水相环境中表现出良好的形状记忆性能。图5（a）展示的是GAN水凝胶在60 ℃水中的恢复过程，约10 s内基本完成整个形状的恢复，通过测定计算，形状固定率（Rf）和形状恢复率（Rr）分别高达100%和95%；图5（b）展示的是GAN 水凝胶在pH=12.8 的碱性环境中的恢复过程，约15 min内恢复到初始形状，Rf与Rr分别约为90%和100%，这是由于pH改变对氢键的破坏效率比温度低，并且由于长时间的浸泡，样品会有微小的溶胀并变得透明，但将其重新放入酸性环境时，样品将恢复原来的形貌。由于氢键的大量断裂，高温和碱性条件下的GAN 水凝胶将会软化，相应的强度下降而韧性提升，这种特性也可能会扩大该高强度水凝胶的应用范围。

图5 GAN水凝胶的形状记忆恢复过程照片：(a)温度响应(60 ℃)；(b)pH响应(pH=12.8)Fig.5 Photos of shape-memory recovery process of GAN hydrogel:(a)temperature response(60 ℃);(b)pH response(pH=12.8)

3 结论

以明胶、AAc、NIPAm 和MBA 为原料，采用两步辐照法成功制备了一种含有化学交联和多重氢键交联结构的新型形状记忆GAN 水凝胶。合成的GAN 水凝胶具有优异的力学性能，拉伸强度最大可达（5.4±0.3） MPa，断裂伸长率最大达745%。基于氢键的动态可逆变换，GAN水凝胶具有优异的温度响应和pH响应形状记忆性能，有望成为人工组织或生物医学工程的理想设计材料。