基于明胶的抗溶胀双网络水凝胶的制备及性能研究

伍绍吉，袁尘瑜，汤建新，汤 力

(湖南工业大学 生命科学与化学学院，湖南 株洲 412007)

0 引言

水凝胶是一种由单体分子通过化学或者物理交联方式形成的、具有三维网络结构的软-湿高分子聚合物材料，它不仅具有极高的含水量和良好的生物相容性，而且兼具固体的支持作用和液体的传质功能，在伤口敷料[1-4]、组织工程[5-9]、药物运输释放系统[10-14]等领域展现出巨大的应用价值.但是，传统水凝胶在微观结构上存在交联密度低、分子链间相互作用力小、网络结构不规整等缺点，导致水凝胶表现出低的力学强度、弱的自恢复性能和高的溶胀率，这极大地限制了水凝胶在生物医学工程领域的应用研究[15-17].

双网络水凝胶由两层相互独立、物理性质相异的聚合物网络构成，这样的网络结构使得其在受到较大应力时，将首先破碎第一层刚性网络，通过大量化学键或物理键的断裂来耗散大部分能量，破碎的第一层网络散落在第二层网络中为第二层网络提供更多的物理交联点，以此增加第二层网络的交联密度从而进一步提升其力学性能.如：Gong等[18]采用两步法制备了聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸) /聚丙烯酰胺全化学交联双网络水凝胶.所得水凝胶的压缩应力可达17.2 MPa，为聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸)单网络水凝胶的43倍.但是全化学交联策略的采用，使得其在经历压缩后，网络中的化学键发生不可逆的损伤，导致水凝胶无法恢复其原始形状并失去其柔韧性.为了平衡水凝胶力学性能和自恢复性能，Tang等[19]将物理键的动态可逆特性和双网络增韧机制相结合提出了全物理交联双网络增韧策略，采用明胶作为刚性的牺牲网络，多氢键供体/受体的N-羟乙基丙烯酰胺作为柔性网络，合成了全物理交联的明胶/聚(N-羟乙基丙烯酰胺)双网络水凝胶.由于双网络的增韧机制和全物理交联的策略，该水凝胶展现出极高的力学性能(拉伸应力/应变：1.93 MPa/822%)和快速自恢复特性(常温下韧性恢复效率可达70.2%).但该水凝胶高度亲水，导致其遇水高度膨胀，力学性能快速劣化.因此，如何构建具有高强度、快速自恢复能力和抗溶胀特性的水凝胶是一大挑战.

本文以明胶(Gelatin)、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯(HEMA)和丙烯酸(AA)作为原料，构建了一种高强度快速自恢复抗溶胀的物理-化学交联双网络水凝胶.商品化的明胶具有良好的生物相容性以及独特的凝胶-溶胶转变特性.当温度从60 °C降低到25 °C时，明胶分子能够由无规卷曲状态自组装为三螺旋结构以完成溶胶到凝胶的转化.另一方面，明胶含有丰富的-OH、-NH2和-COOH等亲水性功能基团，能够与化学交联的p(HEMA-co-AA)柔性网络通过氢键相互作用提高网络间的交联密度，以提高水凝胶力学表现.制备的Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝胶不仅具有优秀的力学强度和快速自恢复性能，而且在水中浸泡24 h后，拉伸应力/应变仍能达到0.36 MPa/394.79%.这种一锅法制备高强度快速自恢复抗溶胀水凝胶的方法，操作简单，易于工业化，有望推动水凝胶在生物医学工程领域的应用.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

明胶(Gelatin，凝胶强度～300 g)，2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(I2959，分析纯)，阿拉丁试剂有限公司；甲基丙烯酸-2-羟基乙酯(HEMA，分析纯)，天津希恩思生化科技有限公司；丙烯酸(AA，分析纯)，阿拉丁试剂有限公司；N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA，分析纯)，北京百灵威科技有限公司.

美国ThermoFisher公司Thermo Scientific Nicolet iS5型傅里叶变换红外光谱仪，KBr压片法，扫描范围为500～4 000 cm-1；德国Carl Zeiss公司Zeiss Sigma 300扫描电子显微镜；日本Shimadzu公司AGS-X型万能材料试验机，测试速度为100 mm/min.

1.2 Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络水凝胶、Gelatin和p(HEMA-co-AA)单网络水凝胶的制备

首先将0.6 g Gelatin、2.5 g HEMA、0.2 g AA、0.004 7 g MBA、0.0469 g I2959和1.65 g H2O共混于玻璃瓶中，60 °C恒温搅拌约15～20 min至Gelatin溶解完全.然后将玻璃瓶中的混合物注入事先准备好的玻璃模具中，静置冷却0.5 h，形成刚性的Gelatin网络.然后将冷却后的模具置于功率为8 W的紫外灯下光聚合1 h，形成柔性的p(HEMA-co-AA)网络，从而构成Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络水凝胶.最后，将水凝胶置于4 °C冰箱中冷却0.5 h以加固Gelatin网络.在制备过程中，AA充当着溶液极性的调节剂，帮助Gelatin溶解于HEMA/H2O体系.考虑到高亲水性的AA会对抗溶胀性能产生较大影响，因此将其质量分数固定为4%.

Gelatin单网络水凝胶通过将含量12%的水溶液加热到60 °C后，于室温静置0.5 h获得.

p(HEMA-co-AA)单网络水凝胶通过将2.5 g HEMA、0.2 g AA、0.0047 g MBA、0.0469 g I2959和2.25 g H2O一锅混合，并于紫外灯下光聚合1 h得到.

1.3 表征测试

1.3.1 红外光谱测试将Gelatin单网络水凝胶、p(HEMA-co-AA)单网络水凝胶和Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络凝胶放置在60 °C烘箱中干燥至恒重后磨成粉末，对得到的粉末进行溴化钾压片，并通过傅里叶变换红外光谱仪进行检测得到其红外光谱.

1.3.2 扫描电镜测试将Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络凝胶用液氮脆断得到其截面，喷金后采用扫描电子显微镜对水凝胶的截面进行检测，得到其形貌.

1.3.3 力学性能测试力学性能通过万能材料试验机以100 mm/min的拉伸速度进行测试.将凝胶样品切成哑铃状(标距长度 17 mm，宽度 4 mm，厚度 1 mm).拉伸应变(ε)、拉伸应力(σ)、弹性模量(E)和能量耗散(Uhys)分别通过公式(1)、(2)、(3)和(4)计算：

ε=Δl/l0，

(1)

式中，Δl和l0分别为样品的拉伸长度和初始长度.

σ=F/A0，

(2)

式中：F和A0分别为样品的负载力和初始横截面积.

E=(σ10-σ0.1)/(0.099)，

(3)

式中：σ10和σ0.1分别为样品在应变为10%和0.1%时的应力.

(4)

式中，εx、σload和σunload分别为预设的应变、加载过程中的相应的应力和写作过程中相应的应力.

1.3.4 溶胀性能测试将待测凝胶用剪刀裁剪成三块同样大小(10 mm×10 mm)的正方形胶样，称量凝胶的初始重量，记为W0，然后将其置于盛有等量去离子水的圆柱形玻璃瓶中密闭溶胀，溶胀一定时间，从水中取出，用滤纸吸干表面液体，称量其溶胀后的重量，记为Wt.重复这一操作过程，直至水凝胶在去离子水中达到溶胀平衡状态.水凝胶的溶胀率(S)通过式(5)进行计算：

S=Wt/W0×100 %.

(5)

2 结果与讨论

2.1 Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络水凝胶的制备原理

如图1所示，Gelatin、HEMA、AA、MBA、I2959和H2O在60 °C下搅拌溶解形成均质混合溶液.然后将混合溶液注入事先准备好的玻璃模具中，静置冷却0.5 h.在冷却过程中，Gelatin由无规卷曲状态向三螺旋结构转变，完成溶胶到凝胶的转变形成刚性的Gelatin网络[19].进一步，将冷却后的模具置于紫外灯下光聚合1 h，形成柔性的p(HEMA-co-AA)网络，从而构成Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络水凝胶.物理-化学交联双网络结构的设计不仅为该水凝胶提供丰富的能量耗散途径，而且赋予其优秀的力学性能、自恢复性能和抗疲劳性能.

2.2 Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝胶的表征

图2(a)为Gelatin单网络水凝胶、p(HEMA-co-AA)单网络水凝胶和Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络水凝胶的红外光谱图.Gelatin单网络水凝胶在3 280 cm-1和1 634 cm-1处分别表现出活泼氢的特征峰和C=O的伸缩振动峰.p(HEMA-co-AA)单网络水凝胶在3 418 cm-1、1 718 cm-1和1 150 cm-1处分别表现出活泼氢的特征峰、C=O的伸缩振动峰和C-O的伸缩振动峰.由于Gelatin网络和p(HEMA-co-AA)网络的氢键相互作用，促使Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络水凝胶的活泼氢特征峰由3 418 cm-1红移到3 322 cm-1.此外，Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络水凝胶在1 717 cm-1和1 643 cm-1处分别展现出p(HEMA-co-AA)网络和Gelatin网络的C=O伸缩振动峰且无新的特征峰形成，暗示着Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络由p(HEMA-co-AA)网络和Gelatin网络通过物理相互穿插形成.显然，双网络水凝胶具有远高于单网络水凝胶的力学性能，暗示双网络增韧策略是有效的.通过SEM对Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络水凝胶的形貌进行了表征，结果显示该水凝胶具有4～10 μm的孔径(如图2(b)所示).进一步，通过对比单网络和双网络水凝胶的力学性能，证明了双网络策略是合成高韧性水凝胶的有效途径.由于Gelatin单网络水凝胶力学性能极弱，脱模即碎裂，因此，仅对比了p(HEMA-co-AA)单网络凝胶和Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络凝胶.如图2(c)所示，p(HEMA-co-AA)单网络水凝拉伸应力仅为0.38 MPa，而Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络水凝胶的拉伸应力可达1.23 MPa.

2.3 Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝胶的拉伸性能

考虑到Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络水凝胶通过Gelatin刚性网络和p(HEMA-co-AA)柔性网络组成.因此，揭示两种网络组分对Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络水凝胶力学性能的影响是极为重要的.如图3(a1)所示，当Gelatin的含量从6%增加到12%时，水凝胶的拉伸应力和弹性模量分别从0.36 MPa和0.11 MPa增加到了0.75 MPa和0.19 MPa(如图3(a2)所示).显然，高含量的Gelatin有利于提高水凝胶的应力和弹性模量，这归因于Gelatin的刚性和脆性以及双网络的设计原则.Gelatin作为第一刚性网络在初始受力时，通过自身的刚性使水凝胶展现出较高的弹性模量，在持续受力过程中，Gelatin网络通过碎裂耗散大量能量，破裂的Gelatin网络碎片能够作为物理交联点进一步增韧柔性的p(HEMA-co-AA)网络.HEMA含量对水凝胶的影响如图3(b1)所示，随着HEMA的含量从30%增加到50%，水凝胶的拉伸应变从825.89%减少到682.17%，拉伸应力和弹性模量分别从0.54 MPa和0.10 MPa增加到1.22 MPa和0.35 MPa(如图3(b2)所示).显然，当HEMA含量的增加将形成交联更为致密的p(HEMA-co-AA)网络，通过牺牲水凝胶的拉伸应变为代价来增加拉伸应力和弹性模量.综上所述，Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络水凝胶在最佳组分含量12% Gelatin、50% HEMA和4% AA下，实现1.23 MPa的拉伸应力和682.17%的拉伸应变.除非另有说明，否则后续实验将使用该含量进行测试.

2.4 Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝胶的能量耗散

采用连续的加载-卸载循环对Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝胶进行能量耗散测试，以研究水凝胶的能量耗散情况.如图4(a)所示，Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝胶经历了6次循环，应变从100%增加到了600%，在第7次加载过程中水凝胶在692.55%应变处发生了断裂.显然，滞后回线会随着应变而增加其面积，因此，耗散能从0.003 3 MJ/m3增加到0.59 MJ/m3(如图4(b)所示).另一方面，水凝胶的每条重新加载的曲线均接近但未与先前的加载曲线完全重叠，这表明在加载循环中断裂的部分物理键在卸载循环中能够立即恢复，暗示该水凝胶具有良好的自恢复性能.

2.5 Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝胶的自恢复和抗疲劳性能

由于Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝胶网络中包含大量的物理相互作用，因此该水凝胶具有一定的自恢复能力.水凝胶的自恢复性能通过带有休息时间(0 s、30 s和60 s)的加载-卸载循环进行测试(如图5(a)所示).从图5(b)可以看出，水凝胶的自恢复效率呈现出时间依赖性，随着休息时间从0 s增加到60 s，水凝胶的能量耗散和峰值应力的恢复率分别从64.53%和99.51%增加到77.47%和99.97%.且0～30 s的自恢复效率远高于30～60 s的自恢复效率，暗示该水凝胶具有快速的自恢复性能，这种快速的自恢复性能使得其在相同环境下拥有更好的抗疲劳特性.

水凝胶的抗疲劳能力通过应变为300%的连续加载-卸载循环进行测试.图5(c)展示了水凝胶的应力-时间曲线，可以看到随着循环次数的增加，水凝胶的峰值并未发生明显变化，且在第十次循环后，应力仍能维持在初始值的93.75%(如图5(d)所示)，暗示该水凝胶具有良好的抗疲劳特性.

2.6 Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝胶的抗溶胀性能

水凝胶的高亲水性使得水凝胶遇水易溶胀，导致其力学性能快速劣化.这里采用了低亲水性的HEMA作为该水凝胶的主要成分以降低水凝胶的溶胀性能.图6(a)展示了不同Gelatin和HEMA含量的Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝胶在水中的溶胀曲线.随着Gelatin含量从6%增加到12%，溶胀率先从0.51增加到0.92然后减小到0.64.显然，Gelatin含量的增加，会增加水凝胶的亲水性，从而导致水凝胶的溶胀率增加.而水凝胶的溶胀率先增加后减小的现象可归因于高含量的Gelatin极大地增加了水凝胶的交联密度，致密的网络限制了水凝胶的进一步溶胀，从而导致了溶胀率的减小.如图6(b)所示，随着低亲水性的HEMA含量的增加，水凝胶的溶胀率从0.73减小到了0.63，暗示低亲水分子的增加有利于增强水凝胶的抗溶胀性能.进一步，比较了在水中溶胀前后Gelatin/p(HEMA-co-AA)水凝胶的力学性能的变化.如图6(c)所示，当Gelatin/p(HEMA-co-AA)在水中溶胀24 h后，水凝胶的拉伸应力/应变仍能达到0.36 MPa/394.79%，说明该水凝胶具有极好的抗溶胀性能.

3 总结

这项工作以生物相容性的Gelatin和低毒性、低亲水性的HEMA作为主要原料制备了物理-化学交联的Gelatin/p(HEMA-co-AA)双网络水凝胶.通过双网络结构和物理-化学交联的设计，使得该水凝胶不仅具有优秀力学性能(拉伸应力/应变：1.23 MPa/682.17%)，而且还拥有快速的自恢复能力(常温休息60 s，能量耗散/峰值应力的恢复率：77.47%/99.97%).低亲水性HEMA的采用和双网络结构的增韧使得该水凝胶呈现出低的溶胀率(0.63)，且在水中溶胀24 h后，仍具有较高的拉伸应力/应变：0.36 MPa/394.79%.这项工作采用简易的一锅法构建了高强度快速自恢复抗溶胀水凝胶，有望拓宽水凝胶在生物医学工程领域的应用.