均匀水凝胶片层高效调控一水合尿酸钠晶习

夏泽秋，贺高红，王林，姜晓滨

（大连理工大学化工学院，精细化工国家重点实验室，辽宁省石化行业高效节能分离技术工程实验室，辽宁大连116024）

结晶机理和形貌控制一直是晶体工程、生物研究等领域关注的热点[1-2]。水凝胶作为一种功能性高分子材料[3-10]，具有独特的物理特性，如生物相容性、高含水量、弹性和柔性。水凝胶在生物工程领域、传感器领域已有较多应用，常见的制备方法包括自由基接枝法、化学接枝法、孔隙填充法等[11-12]。自由基接枝法中，化合物中的共价键从外界吸取能量，均裂产生自由基，在自由基上发生链增长、链引发、链终止。能够提供初级自由基的物质为引发剂。根据自由基产生方式的差别可以分为紫外光接枝聚合、引发剂接枝聚合、等离子体接枝聚合等。化学接枝法是利用基质上存在的官能团与被接枝的单体交联剂发生反应，实现改性。孔隙填充是将水凝胶层的部分结构嵌入多孔基质膜的膜孔中实现复合的目的，水凝胶和膜之间没有化学键生成。近年来，已有研究者将水凝胶复合膜应用在结晶技术领域[13-14]。相比于刚性界面，水凝胶的柔性网格能驱动生物分子的聚集，减少沉降碰撞，抑制对流，促进异相成核，提高结晶效率，降低晶体缺陷，使蛋白质等生物分子在较低浓度下产生了尺寸更大、具有更强衍射性能的晶体[15]。

痛风是由于人体长期处于高尿酸血症下，导致尿酸盐在关节内或关节之间沉积而引发的关节炎症。尿酸（UA）是氢化的有机酸（pKa1=5.75，pKa2=10.3）[16]，是嘌呤在人体中代谢的最终产物[17]。尿酸单钠盐一水合物（NaC5H3N4O3·H2O）是结晶尿酸盐最常见的形式之一，同时也是痛风性关节炎中常见的主要沉积物。高尿酸血症的病因和尿酸钠晶体引发炎症的机制已被广泛研究[18-20]，有研究表明尿酸盐晶体在体内的形貌与是否有临床学病症有关[21-23]。同时影响尿酸钠一水合物晶体（MSUM）结晶的因素也被广泛研究，例如温度、pH 和离子浓度[24-26]。一些研究在体外制备了形态不同的尿酸钠晶体。但是，获得晶体的时间很长，并且具有不同形态的晶体仅占总晶体的一小部分，这限制了MSUM 结晶的有效研究。此外，一水合尿酸钠晶体通常沉淀在透明软骨等表面上[27]。因此，有必要开发一种仿生界面，以调节微尺度系统的浓度，模拟体内尿酸盐晶体的环境。这将加深对尿酸盐结晶的理解，并可能调整尿酸钠结晶的大小和形态，这两者都将为痛风的预防和治疗提供启示。

本文首先以丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸（MAA）、甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）、N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）为单体，聚乙二醇双丙烯酸酯（PEGDA）、 聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）作为交联剂，制备了一系列水凝胶复合膜材料，作为异相成核的界面调控溶液结晶过程。为进一步分析水凝胶层的调控作用，选用PEGDA-NIPAM配方制备水凝胶切片（HGS），研究NaCl 盐溶液吸附-结晶实验，证明此水凝胶拥有pH-温度混合的高效界面成核和浓度调控功能。为进一步探究HGS 的潜在优势，将其引入尿酸二水合物晶体（UAD）溶液中，证明此水凝胶调控结晶的精确和灵敏性。本文为揭示相关结晶机理和开发用于晶体形态控制的材料提供了新的潜在途径。

1 实验部分

1.1 实验药品与仪器

N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、聚乙二醇双丙烯酸酯（PEGDA）、2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮（Irgacure2959）、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）、 乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）、丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸（MAA）、甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）、2-羟基-2-甲基苯丙酮、聚丙烯微孔膜、超纯水、无水乙醇、氯化钠、尿酸、DL-乳酸、HEPES、乙酸（HCH3COOH）、Na2CO3、NaCl、NaHCO3、KCl、MgCl2，Na2SO4和CaCl2·2H2O、NaOH、K2HPO4·3H2O。

磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；电热恒温干燥箱，DuG-9077A 型，上海精宏实验设备有限公司；自动刮膜机，MSK-AFA-1I型，合肥科晶材料技术有限公司；刮膜刀，英国Elcometer 公司；电子分析天平，AR2140 型，奥豪斯国际贸易（上海）有限公司；傅里叶变换红外光谱仪，FTIR-ATR，美国Thermo Fisher Scientific公司；场发射扫描电子显微镜（SEM），Nova NanoSEM 450 型，美国FEI 公司；低温培养箱，IN612CW，日本雅马拓公司；差示扫描量热仪（DSC），Q20 DSC 型，沃特世科技(上海)有限公司；弱辐射紫外灯，ENF-280C/FA型，美国Spectroline公司；接触角测试仪，JC2000DI 型，上海中晨数字技术设备有限公司。

1.2 水凝胶预聚物的制备

采用不同原料及配方制备水凝胶预聚物。单体种类有AA、MAA、HEMA、NIPAM。交联剂种类有PEGDA、PEGDMA、EGDMA。光引发剂种类有Irgacure2959、2-羟基-2-甲基苯丙酮。将三类物质混合均匀，制成澄清透明的水凝胶预聚物，配制过程需要避光。本实验中所用原料组成结构见图1。表1展示了制备水凝胶预聚物时的单体、交联剂和光引发剂的种类，一共有8种。

1.3 水凝胶复合膜（HCMS）和水凝胶切片（HGS）的制备

1.3.1 HCMS的制备

在本项研究中使用孔隙填充法来制备复合膜，使用刮刀将预聚物以一定厚度均匀地涂覆于玻璃板表面。厚度控制为50μm，将聚丙烯（PP）膜放置于水凝胶预聚物上。构建如图2(a)所示的玻璃板-水凝胶-PP基膜3层系统，紫外灯（8W）下交联时间为1h。将复合膜浸泡于去离子水24h，洗去膜表面未交联的单体以及其他杂质。随后取出悬挂晾干，或者在烘箱内低温烘干。干燥后置于密封袋内保存。

图1 本文研究合成水凝胶采用原料组成结构

表1 水凝胶预聚物种类及含量

图2 HCMS及HGS制备示意图

1.3.2 HGS的制备

控制刮刀使得厚度为100μm，再覆盖玻璃板，构建玻璃板-水凝胶-玻璃板的3 层系统[图2(b)]。紫外交联2h，超纯水洗涤后干燥，然后，将制备的HGS 切成具有一定面积的小切片（相应的质量范围为每片2～2.5mg）。

1.4 溶液的配制

模拟体液（SBF） 按文献[24, 28]配制，用来模拟人体中的实际关节腔内滑液。其中包 含 92.45mmol/L NaCl、 8.81mmol/L NaHCO3、19.30mmol/L Na2CO3、3.02mmol/L KCl、1.01mmol/L K2HPO4、1.50mmol/L MgCl2、0.50mmol/L Na2SO4和50.00mmol/L HEPES。用0.1mol/L NaOH和DL-乳酸将SBF的pH调节至7.4。

1.5 HGS对NaCl溶液的吸附-结晶实验

制备具有一定浓度梯度的NaCl 水溶液（分别为1mol/L、2mol/L、3mol/L、4mol/L 和5mol/L）。将HGS 浸入不同浓度的NaCl 溶液中1h，使其完全溶胀，然后取出在25℃下进行结晶实验。HGS 浸入NaCl 溶液后，水凝胶吸附溶液，交联网格膨胀；在干燥过程中，交联网格失去溶液，逐渐收缩回原来的形状。随着失水过程的进行，离子浓度增加，溶液达到过饱和，析出晶体。

1.6 UAD晶体形貌调控实验

实验过程如图2 所示。取100mL SBF，加入一定量尿酸调至10mmol/L 的浓度，然后用DL-乳酸和0.1mol/L NaOH 将pH 调节至7.4。然后，在37℃下搅拌的同时用DL-乳酸将pH 调节至5.8。接下来，移取30mg 所获得的UAD，并将其分散在添加了3mL SBF 的表面皿中，分别添加10mg、20mg 和30mg HGS，并建立空白对照组，然后在37℃下进行晶体形貌调控实验。为保证测试结果准确性，所有条件下实验都重复3次。

1.7 水凝胶性质分析

1.7.1 FTIR-ATR测试

使用傅里叶变换红外光谱仪，对所有水凝胶复合膜材料进行检测。根据所得谱图判断其化学键和官能团。鉴于合成水凝胶的单体和交联剂各不相同，结构和官能团各不相同，谱图特征峰也各不相同，根据谱图判断单体和交联剂是否交联成功，测试的波数范围为700～4000cm-1。

1.7.2 NIPAM-PEGDA水凝胶复合膜交联度分析

按1.3 节所述方法，分别制备了PEGDA∶NIPAM物质的量比分别为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1和纯PEGDA 的水凝胶复合膜。对制备的复合膜进行DSC分析，DSC测试条件是氮气氛围下流速为50mL/min，测试温度范围为-70～200℃。

1.7.3 膜形貌表征

将不同比例、不同材料制得的水凝胶复合膜进行SEM 测试，对其进行表/断面膜形貌分析。将干燥样品置于液氮中，在低温下淬断获得断面。表面和断面经喷金处理后置于电子显微镜下对其进行分析。

1.7.4 接触角测试及成核自由能计算

测量不同材料、不同比例制得的水凝胶复合膜和PP 基膜对水的接触角。随后，计算ΔG*het/ΔG*hom，即异相成核和均相成核的Gibbs自由能比值。

1.7.5 基膜和水凝胶层的结合情况分析

以PEGDA-NIPAM（2∶1）复合膜为例，按1.3 节方式制备不同凝胶层厚度的复合膜。将复合膜置于超纯水中浸泡溶胀1周后，取出进行断面电镜表征，观察不同厚度水凝胶层的界面结合情况。

1.7.6 凝胶层对液滴蒸发结晶调控测试

常温下，在9种涂覆了不同材料的水凝胶复合膜上各滴加1滴NaCl溶液（体积均为0.1mL，浓度为3mol/L）。待膜界面上的NaCl 晶体生长完毕后，用显微镜观察膜上晶体，并对晶体形貌进行分析。

1.8 晶体分析

制备的晶体产品通过显微镜、SEM、激光粒度分析仪进行分析，表征晶体产品的形貌以及粒度分布。

2 结果与讨论

2.1 水凝胶材料性能分析

将水凝胶复合膜材料进行编号，1#～8#参照表1，编号与材料一一对应。PP基膜作为对照组，标记为9#。

2.1.1 FTIR-ATR分析

为分析水凝胶预聚物的紫外交联反应情况，测定1#～8#水凝胶复合膜的FTIR-ATR 谱图，并与PP膜作对比。如图3 所示，9#与1#～8#的曲线形状不同，证明经过交联反应后，有新物质在PP 基膜的表面或内部生成。由表1可知，材料1#、2#、5#、6#都只有一种单体且1#、5#与2#、6#分别都只有交联剂不同。其中1#、2#的交联剂为PEGDAM，5#、6#的交联剂为EGDMA。类似的3#、4#和7#都是有两种单体的水凝胶，其中3#、7#也仅有交联剂不同。1#、3#、4#、5#和7#在制备预聚物时都包含单体HEMA，在图3 的FTIR-ATR 谱图上都出现代表HEMA的（OH）3441cm-1特征峰。1#～7#在1728cm-1处有着（C==O） 特征峰，而在1640cm-1处的（C==C） 特征峰完全消失，表示着PEGDMA 或EGDMA 交联反应完全。8#水凝胶复合膜的特征峰主要是代表NIPAM 的1539cm-1（N—H），1732cm-1（C==O 酯羰基），1652cm-1（C==O 酰胺羰基），而990cm-1（C==C）处特征峰消失表明PEGDA反应完全。因此，FTIR-ATR分析结果表明，1#～8#水凝胶预聚物都已经完全反应，形成了特征交联网格结构。

图3 PP膜、不同复合膜的FTIR-ATR谱图

2.1.2 NIPAM-PEGDA水凝胶复合膜交联度分析

不同比例复合膜的玻璃化转变温度如图4 所示。研究发现，随着PEGDA 含量的增多，复合膜的玻璃化转变温度减小，这说明反应生成的聚合物链段平均分子量也减小，相应构成水凝胶的3D 网格尺寸减小。这证明水凝胶复合膜表面的功能网格材料的尺寸可以通过改变单体和交联剂的比例来调节，不同的网格结构对后续应用性能的影响非常明显。

2.1.3 膜形貌分析

图4 不同比例水凝胶复合膜的DSC分析

图5 1#～9#膜材料的表断面SEM图（图中标尺均为30μm）

为直观研究水凝胶层在水凝胶复合膜中的存在情况，分析不同配方下水凝胶层的结构，对水凝胶复合膜进行电镜表征，结果见图5。由图可见，其他膜配方制备的复合膜（1#～8#）在PP 基膜的表面上覆盖了一层不同配方的水凝胶层（20～80μm），证明确实存在交联聚合物与PP 基膜结合，这与FTIR-ATR 分析结果一致。不同配方，在相同操作下获得的复合膜水凝胶层的厚度不均匀，如3#条件下制备的水凝胶复合膜其水凝胶层厚度约为100μm，而2#条件水凝胶层厚度约为12μm。

2.1.4 接触角测试及成核自由能计算

为了研究水凝胶复合膜的界面特点以及对结晶过程的影响，测得了25℃下不同配方水凝胶复合膜、PP基膜的超纯水接触角，结果如图6所示。由图可见，PP 膜是疏水膜，接触角较大。水凝胶复合膜是亲水性材料，与PP 基膜相比，1#～8#膜的水接触角都更小。异相成核的成核自由能可由式(1)[29]计算，计算结果如表2所示。

表2 不同膜材料的接触角及成核自由能之比

图6 9种不同水凝胶界面的接触角实验图

从相关文献[29]可知，PP 孔隙率为0.1，复合膜孔隙率为0。所有计算结果都小于1，表明在膜存在条件下异相成核比均相成核更容易，各种水凝材料之间成核能垒之比相差不大，与PP 基膜相比，水凝胶层的存在使接触角减小，异相成核自由能与均相成核自由能的比值降低了几倍至十几倍，证实了水凝胶存在有利于异相成核结晶。

2.1.5 基膜和水凝胶层的结合情况分析

复合膜中水凝胶层和基膜的界面结合情况是影响其性能的一个关键因素。如图7所示，最终制备凝 胶 层 厚 度 分 别 为3.5μm、 4.3μm、 8.1μm、14.1μm。经过多次实验发现当凝胶层厚度在5～6μm及以下时，溶胀后，凝胶层不会从PP上剥落，当凝胶层厚度继续增厚达到8.1μm及以上时，溶胀后的复合膜表面发生明显的凝胶层与PP 基膜分离的状况（图7中虚线椭圆标注的位置）。总的来说，凝胶层厚度越厚，充分溶胀后越容易剥落。这是因为水凝胶预聚物浸入PP 基膜中的厚度基本相同，水凝胶层和基膜间的结合力基本也相同。同时，水凝胶层是亲水性的，PP 基膜是疏水性的，吸水溶胀后水凝胶层倾向于厚度增加，而PP 基膜层厚度基本保持不变，水凝胶层和基膜间产生互相分离的趋势。随着凝胶层厚度增大，凝胶层充分溶胀后产生的形变也越大，当水凝胶层和基膜间产生相互作用力大于结合力时凝胶层剥落。

2.1.6 凝胶层对液滴蒸发结晶调控

图7 不同厚度凝胶层与基膜之间结合牢固性的SEM图

将NaCl 液滴滴加到水凝胶复合膜上，在恒温恒湿箱中（温度T=25℃）蒸发结出晶体，取出置于显微镜下观察，初步分析不同水凝胶复合膜对盐溶液结晶的调控作用，结果如图8所示。不同配方时异相成核能相差不大，且都有利于晶体成核，但图8中晶体形貌不一，表明水凝胶复合膜对晶体形貌的调控还与其不同的配方组成有关。不同膜材料上NaCl 结晶的结果各不相同。9#PP 基膜晶体透明度较差，包藏水分，晶体纯度较差。与之相比7#、8#材料结出的晶体透明度较高，晶体质量更好。7#、8#膜材料得到的NaCl晶体形状大小更为统一，均为立方体块状。剩下的膜材料对NaCl 结晶调控作用不佳：1#形成了正方形薄片状晶体；2#的晶体透明度较差；3#膜材料晶体发育不完全，存在阶梯状缺陷；4#、6#膜材料得到的晶体没有清晰的边缘结构；5#膜材料生成了枝状晶体。

水凝胶-PP复合膜增强了材料的机械强度，但从接触角和NaCl 液滴蒸发实验结果表明，在调控晶体形貌上是水凝胶复合层起决定性作用，即使是相近的成核能垒条件下，不同材料对结晶形貌的调控也各不相同，以7#、8#两种材料效果最好。为减少基膜PP 层孔隙率、与水凝胶层结合情况对水凝胶调控结晶作用的影响，后续实验均使用纯水凝胶层进行。经过多次制备，发现8#材料的制备过程更可控，在相同条件下，制得的凝胶层厚度基本相同，可用面积来定量量化其质量，这有利于将水凝胶材料制成片层、定量加入。因此，后续实验均采用NIPAM-PEGDA（8#）的水凝层进行实验。

2.1.7 水凝胶层的性能分析

图8 不同膜材料对氯化钠液滴蒸发结晶的影响（标尺1mm）

为探究水凝胶层制备的重现性和水凝胶材料对温度、pH的响应能力，根据1.3.2节的方法制备平行多个批次的水凝胶层（HGS），将制备的NIPAM-PEGDA 水凝胶层进行SEM 表征，并测量不同温度、pH 条件下的水接触角，结果如图9 水凝胶片表断面SEM 及接触角图所示。由图可见，不同批次制备的HGS 的厚度都约为100μm，且表面较平整，具有均匀的厚度和密度结构。在温度为25℃时，测量pH 分别为3.6、4.0、4.6 的溶液的接触角（CA），结果发现随着pH 的增大，接触角也增大。这是由于PEGDA 的酯羰基容易受酸性条件影响，pH 增大时，酯羰基和酸性氢之间的氢键将被破坏，从而增加材料的疏水性并增大接触角。在pH=4.6 时，测定温度分别为8℃、25℃、60℃下的接触角，结果表明，HGS 的水接触角随温度升高而增加。这是因为在低温条件下NIPAM 的亲水性酰胺基团可与水形成氢键，在高温下氢键断裂，酰胺基与酰胺基之间的相互作用增强，从而导致网格收缩和疏水性增大[8]。以上结果表明，不同批次制备的HGS 具有良好重现性、厚度均匀，可进行后续的定量分析。同时，HGS 能对温度和pH 变化做出响应，具体体现为改变温度或pH，表面接触角发生变化，实质是温度、pH 的变化导致HGS的交联网格结构改变。因此，相同的HGS 可通过在不同环境参数下修改其表面特性来精确调控结晶。

图9 水凝胶片表断面SEM及接触角

2.2 水凝胶对NaCl盐溶液吸附-结晶实验

除温度、pH 外，浓度也是影响溶液结晶的一个主要因素。NaCl 盐溶液吸附-结晶实验是UAD晶体形貌调控实验的预实验，实验的环境条件参数是T=25℃，pH=7.4，NaCl浓度为1mol/L、2mol/L、3mol/L、4mol/L、5mol/L。两个实验的共性都是含有盐离子的溶液的结晶过程，盐离子的存在对结晶过程有很大的影响。NaCl 盐溶液吸附-结晶实验的目的就是为了反应凝胶表面盐离子的吸附能力，如果HGS 可以一定的规律吸收Na+离子并调节NaCl 的结晶，则HGS 有很大可能调节MSUM 的结晶。

理论上，随着溶液逐渐蒸发，HGS 表面的溶液浓度达到过饱时，后续成核过程将遵循以下两种途径：①低初始浓度条件，仅当溶液蒸发形成极薄液层时，溶液才达到过饱和。吸附在HGS 网格中的盐离子聚集在HGS-液层的异质界面上并产生初始成核作用。由于HGS 是亲水性材料，该成核过程发生在固定的薄液体层下。因此，扩散主导了快速成核过程，最终晶体将具有相似的尺寸。②高初始浓度条件，溶液更早达到过饱和状态，具有足够液层厚度，有利于晶体生长。同时，晶体的生长可以有效地消耗液体层中的过饱和度，避免了快速成核。在成核过程受阻的情况下，HGS-液层非均质界面上的核数有限，每个晶体颗粒都能获得稳定的晶体生长环境，直到晶体大小超过液层高度为止。此时，相邻的晶体将拉伸液体层，形成凹形液层结构，从而在中心区域形成超薄部分。如上所述，在该超薄溶液层下，不可避免地存在有限空间的超快速成核。因此，将在有限的空间中发生被动的二次成核。

实验结果验证了对于结晶途径的预测，结合图10(a)和图10(b)可知，在较低的浓度（1mol/L 和2mol/L）下，晶体的形态基本完整，没有明显的缺陷；在相同浓度下，晶体的尺寸基本相同；在HGS上获得的晶体只有一个狭窄的尺寸分布。在高浓度（4mol/L和5mol/L）下，晶体的形态不再完整，并且存在两个分离的晶体尺寸分布峰[图10(b)]，即第一成核晶体（1st）和第二成核晶体（2nd）。以5mol/L结果为例，无论是在第一或第二成核晶体，它们的粒径分布相对集中，并且两者之间的粒径差距较大。面对多峰分布时，变异系数（C.V.）不能代表确切的粒度分布。对于5mol/L，第一和第二成核晶体具有明显的尺寸间隙。以0.8μm为界，第一成核晶体（其尺寸大于0.8μm）的C.V.约为27.26，第二成核晶体（其尺寸小于0.8μm）的C.V.约为21.64，两者的尺寸分布都很窄。在中等过饱和度（3mol/L）下，大尺寸晶体的大小适中，并且晶体形态不再完整，仅形成有限的第二成核晶体，第一和第二成核晶体的尺寸相差不大。随着浓度的增加，第一和第二成核晶体之间的尺寸间隙也增加。这表明HGS 诱导的成核和生长受到良好控制，并且两步成核可以清楚地区分。NaCl 溶液的结晶实验表明，HGS 作为微平台，可以在不同浓度盐溶液下提供稳定的浓度环境和大量的成核位点，且空间分布均匀，从而获得成核和生长过程可控的晶体。

图10 水凝胶切片NaCl盐溶液吸附-结晶实验

2.3 UAD晶体在HGS上的晶体形貌调控实验分析

为了进一步揭示HGS 的潜在优势，在NaCl 结晶实验的基础上引入了UAD 晶体形貌调控实验，实验过程如图11(a)所示。在37℃下加入DL-乳酸，将pH调整至5.8，随着不断搅拌，SBF中会形成大量长片状或方形UAD 晶体。经过滤和干燥后，获得原始的UAD 晶体。然后将不同质量的HGS 加入到UAD 晶体+SBF 溶液中，经过相同的时间后，使用SEM 表征获得的晶体。实验条件为T=37℃，pH=7.4，溶液组成为30mg UAD 晶体+3mL SBF+0/10mg/20mg/30mg HGS。

作为空白对照组，在不添加HGS 的情况下[图11(b2)、(c2)]，经历和其他实验组相同时间后取样检测，大多数晶体仍为长片状或方形，形状大小基本与初始晶体相同，存在少部分晶体转变为针状。即使单独延长空白组的实验时间，经过数天（平均为72h）后再次取样检测，有更多的片状UAD 晶体转变为针状MSUM 晶体，晶体聚集情况仍然没有变化。将不同剂量的HGS 添加到UAD 晶体+SBF 溶液中[图11(b3～b5)、(c3～c5)]不到20h 就可获得具有分层结构的晶体，其晶体形貌与空白对照组显著不同。将HGS 添加到晶浆体系中，可以强化晶体形态转变的过程，使晶体形貌迅速发生改变，几乎所有的晶体都转变为针状的MSUM，然后在HGS 的作用下针状晶体开始相互聚集，形成具有多种层次结构的晶体。如图11(b3)和(c3)所示，在添加10mg HGS 后，大多数针状晶体开始相互聚集并形成“花簇”状晶体。随着HGS 添加量的增大，HGS 强化晶体形态转变过程的效果更加明显。在相同的时间下，加入20mg HGS 的晶浆中生成了“球簇”状晶体（完全生长的“花簇”）[图11(b4)和(c4)]，当加入30mg HGS 时，晶体间的团聚进一步增强，形成图11(b5)和(c5)所示的“黏性球簇”状晶体（由“球簇”晶体相互聚集黏连而成）。综上，HGS 对MSUM 晶体形貌调控作用可分为两个方面：第一方面是片层状的UAD 晶体逐步转变为针状的MSUM 晶体，这一过程有无HGS 都会进行，在添加HGS 后速度会明显加快；第二方面是针状的MSUM 在HGS 的作用下逐步聚集为“花簇状”晶体、“球簇状”晶体和“黏性球簇”状晶体，这一过程在无HGS 时不会发生。

图11 HGS上UAD晶体形貌调控实验和添加不同剂量HGS时获得的晶体

产生上述结果是因为HGS 具有独特的交联网状结构和离子吸附能力，当不同剂量的HGS 添加到UAD 晶体+SBF 溶液中后，在不同实验组中HGS-溶液界面液层会形成不同的浓度梯度。HGS-溶液界面液层处浓度梯度的不同，对溶质分子的溶解扩散和聚集过程有显著影响，将改变HGS 表面晶体的成核和生长过程，能在相同本体溶液浓度下获得不同形貌和层次结构的晶体。据文献[30-32]中所述，只有精确控制结晶操作条件（例如搅拌速率）或引入特定溶剂时才能形成具有“花簇”或“球簇”分层结构的晶体。然而，在本研究中，无需苛刻的操作条件或特殊溶剂添加，仅通过调节作为功能微平台的HGS 的添加量，就可将生物相关的晶体修饰为多种层次结构。

3 结论

本文引入水凝胶作为异相成核的界面，制备了不同配方的水凝胶复合膜材料。选出重复性好，调控结晶效果更好的配方制备HGS，将其作为调控结晶的仿生微平台。并研究了HGS 的性质和调控结晶的机制，主要结论如下。

（1）水凝胶复合膜的功能性水凝胶层结合在复合膜表面，当凝胶层过厚，会导致两者分离。当单体和交联剂种类不变时，改变两者比例，可以调节凝胶交联度。凝胶层是亲水性材料，与疏水性PP膜相比，能减小异相成核自由能与均相成核自由能之比，从而利于异相成核。材料种类对结晶过程的影响也不可忽视，即使是异相成核自由能相近，不同组成材料的水凝胶调控作用也不相同。本研究表明AA∶HEMA-EGDMA 和PEGDA-NIPAM 这两种材料对NaCl结晶有较好的调控作用。

（2）按PEGDA-NIPAM（物质的量比2∶1）制得的HGS 有良好的重复性，具有均匀的厚度，可以通过添加量来量化面积从而进行定量分析，且HGS 表面结构能响应温度、pH 变化。NaCl 盐溶液吸附-结晶实验表明，在不同浓度下HGS都能提供大量的成核位点，且空间分布均匀。证明HGS 具有离子吸附性能和浓度调节功能，能作为调控结晶的微平台。

（3）UAD 晶体形貌调控实验进一步表明了HGS 作为结晶微平台，调控结晶过程的优势。无需苛刻的操作条件或特殊溶剂添加，只需简单调控体系中HGS 的添加量，就可强化晶体形态转变的过程，促进晶体团聚形貌改变。可在HGS 表面直接获得具“花簇”、“球簇”和“黏性球簇”等多种分层结构的晶体。