基于天然植物骨架构建各向异性水凝胶

2022-05-25袁浩田林绍梁朱新远

功能高分子学报 2022年2期

袁浩田，金鑫，姚远，林绍梁，朱新远

（1.上海交通大学化学化工学院, 上海 200240；2.华东理工大学材料科学与工程学院, 上海 200237）

水凝胶是一种高含水量的三维聚合物网络“软”材料。各向异性水凝胶具有取向性的微观或介观结构，能够在不同的方向表现出不同的性能，因而在致动器、组织工程、放生肌肉等方面有着广阔的应用前景[1-4]。目前，赋予水凝胶各向异性的方法有很多，通常是施加强磁场[5]、电场[6]、定向冷冻[7,8]、光诱导[9]、扩散诱导[10]等。近年来出现了以树木为模板制备各向异性水凝胶的新思路。胡良兵课题组[11]报道了具有规则结构的各种木质水凝胶：首先对木材进行前处理去除木质素，然后用丙烯酰胺（AM）化学水凝胶填充木材通道，从而制得木材水凝胶。基于木材本身的高刚性，木材水凝胶表现出优异的拉伸强度。此后，Sun课题组[12]在此基础上开发了一种拉伸各向异性的木材水凝胶，将离子导电聚电解质引入木材基质后，将其应用于电容式压力传感器（CPS），其切向CPS的感测应力值为0.1～1.3 MPa。

上述工作中，水凝胶的取向结构源自木材的生长取向。其实，常见的植物中存在大量具有生长取向的各向异性结构。我们尝试从更多的天然植物中获取各向异性结构，并以此为骨架，通过向其中引入水凝胶构建各向异性水凝胶。我们的研究工作主要包括以下方面：

（1）筛选天然植物的各向异性结构。根、茎、果是植物的三大重要组成器官，分别承担着营养物质的吸收、运输和储存三大功能。首先，根据其功能推测其是否具备有序结构，我们选取了胡萝卜（根类植物）、茄子（果实类植物）、莴笋（茎类植物）、芹菜（茎类植物）、杏鲍菇（菌类）5种代表性蔬菜。接着，运用光学显微镜、扫描电镜和低场核磁等手段，分析并研究了上述植物的微观和介观结构的取向性、组织含水率等。最后，综合考虑结构的各向异性和组织含水率，筛选胡萝卜和芹菜进行后续研究。

（2）探索出普适性的预处理方法，得到植物基各向异性骨架结构。分别运用超声、酸处理和脱木质素的方法对胡萝卜和芹菜进行处理，得到植物骨架。预处理的目的是在不破坏植物各向异性组织结构的基础上，除去细胞质、色素、木质素等，增加纤维素链和半纤维素链之间的距离。比较了处理后的胡萝卜骨架和芹菜骨架，发现芹菜骨架强度极弱，不适合继续加工，故选择胡萝卜骨架进行后续研究。

（3）以各向异性骨架为模板复合水凝胶，制备各向异性水凝胶。以胡萝卜骨架为基础，探索单体灌注、单体比例和成胶条件的影响，最终制备了具有胡萝卜骨架的各向异性水凝胶，并运用扫描电镜、万能拉力机、傅里叶变换红外光谱分析等一系列手段对其性能和结构进行表征。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

丙烯酰胺（AM）、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、过硫酸铵（APS）、N，N，N＇，N＇-四甲基乙二胺（TMEDA）：Sigma-Aldrich公司；亚氯酸钠、醋酸、无水乙醇和氯化钾（KCl）：国药集团化学试剂有限公司。以上药品均为分析纯，使用前未经处理。实验全程使用去离子水。天然植物（胡萝卜、茄子、莴笋、芹菜、杏鲍菇）购自农贸市场，天然植物使用时进行简单加工，取出需要的组织：胡萝卜芯、茄子肉、莴笋茎、芹菜茎、杏鲍菇柄。

1.2 筛选植物骨架

取胡萝卜芯、茄子肉、莴笋茎、芹菜茎、杏鲍菇柄分别作切片处理，切片厚度为0.1～0.2 mm，用光学显微镜进行观察，确定细胞结构以及是否存在纤维组织取向。然后，从这5种蔬菜组织中分别取1 cm×1 cm×0.5 cm的长方块，并做好标记，平行于生长方向标记为L，垂直于生长方向标记为R。用液氮进行淬冷，冷冻干燥48 h，待水分完全除去后，将其固定在样品台上，喷金处理后用扫描电镜进行观察。

1.3 植物预处理

1.3.1 物理方法利用超声方法对植物组织进行物理破壁处理。将植物组织在25 °C 、100 Hz条件下分别超声30、60、90 min，取出后用蒸馏水冲洗干净，用光学显微镜观察细胞组织。

1.3.2 酸处理法将植物组织置于冰醋酸溶液中，25 °C环境下分别放置30、60、90 min；然后，取出植物组织并用蒸馏水反复冲洗，做成植物切片，用光学显微镜观察。

1.3.3 去木质素法制备胡萝卜骨架的具体操作过程如下：先将胡萝卜洗干净去皮，去除胡萝卜木质部外皮，留下胡萝卜芯，将胡萝卜芯加工成0.6～0.8 mm厚的片状；然后用NaClO2溶液（该溶液用醋酸调节pH至4.8）对胡萝卜进行脱木质素处理，加热至45 °C浸泡24 h；用体积分数为75%的乙醇反复洗涤浸泡，直至除去胡萝卜芯中所有的化学物质，再将胡萝卜芯放入蒸馏水中浸泡直至形貌复原。最后，将胡萝卜芯放置在−20 °C冰箱中冷冻12 h，待其完全冻住后，用冷冻干燥机冷冻干燥72 h，得到胡萝卜骨架。

1.4 植物水凝胶的制备

水凝胶预制液的制备：配制质量分数为25%的AM单体溶液，取30 mL单体溶液并向其中通入氮气排出空气，随后加入引发剂APS（质量为单体质量的1%），待搅拌均匀后再加入交联剂MBA（质量为单体质量的1.5%），继续搅拌，得到混合均匀的预制液。

胡萝卜复合聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶的制备：将制备好的胡萝卜骨架在水凝胶预制液中浸泡30 min后，于400 Pa下进行脱气，每隔20 min释放真空让预制液充分地进入骨架中，随后脱气，整个过程重复5次。然后将胡萝卜骨架和预制液同时放置于模具中，并放入45 °C的烘箱中交联反应4 h，待完全交联后，得到胡萝卜复合PAM水凝胶（carrot gel）。随后将复合水凝胶从模具中剥离出来，冷却到室温后用去离子水将未反应的AM单体等洗去。利用胡萝卜、芹茎构筑各向异性水凝胶的示意图如图1所示。

图1 利用胡萝卜、芹菜构筑各向异性水凝胶的示意图Fig.1 Schematic diagram of the construction of anisotropic hydrogels using carrots and celeries

1.5 测试与表征

用日本Nikon公司 Eclipse LV100N Ci-POL型偏光显微镜和Nikon DS-Fi3型摄像机以及Matrox Intellicam软件观察胡萝卜芯、茄子肉、芹菜茎、莴笋茎、杏鲍菇柄切片；用浙江宁波新芝冷冻设备有限公司SCIENTZ-12N型冷冻干燥机对胡萝卜芯、茄子肉、芹菜茎、莴笋茎、杏鲍菇柄、PAM凝胶、植物复合凝胶进行冷冻干燥；用德国 Brucker 公司 Vertex70 型红外光谱仪测定植物复合凝胶的红外光谱；用美国FEI公司& 英国Oxford公司 Sirion 200 高分辨场发射扫描电子显微镜观察植物及植物复合凝胶的形貌。

2 结果与讨论

2.1 天然植物骨架筛选

图2（a）是胡萝卜样品在垂直于生长方向的光学显微镜成像，显示胡萝卜细胞直径为50～100 μm，细胞之间呈蜂窝状紧密排列。图2（b）是胡萝卜样品在平行于生长方向的光学显微镜成像，细胞直径为80～100 μm，细胞大小较为规整，直径相差较小，同时可以看出细胞在平行于生长方向有着明显的取向排列。这样的取向结构在扫描电镜图片（图2（c，d））中能够得到更清晰的呈现。如图2（c）所示，在垂直于生长方向，胡萝卜样品存在通道结构，直径为50～100 μm，且呈现蜂窝状紧密排列，通道具备贯通取向结构。如图2（d）所示，胡萝卜组织在平行于生长方向具有明显的取向结构，且通道在取向方向呈现贯通状态。

图2 胡萝卜样品的（a,b）光学显微镜细胞形态和（c,d）扫描电镜下的结构形貌Fig.2 （a,b） Cell observation images under optical microscopes and （c,d） scanning electron micrographs of carrot samples

图3（a）是芹菜样品在垂直于生长方向的光学显微镜成像，细胞直径在100 μm左右，细胞之间排列紧密但欠缺规律性。芹菜样品在平行于生长方向的光学成像（图3（b））显示细胞呈长条状有序排列，且排列紧密，相邻列细胞之间间隙较小。图3（c）是芹菜样品垂直于生长方向的扫描电镜图，芹菜骨架存在大量介孔结构，介孔的截面端口朝向整齐，呈圆形，直径为60~100 μm，但介孔之间难以观察到贯通结构。在平行于生长方向，芹菜骨架通道较少且难以观察到贯通结构（图3（d））。综上，芹菜组织细胞紧密排列，且细胞壁之间有缝隙结构，沿着生长方向呈现有规律的排列，但芹菜骨架的各向异性不明显，可能适合作为构建各向异性水凝胶的骨架。

图3 芹菜样品的（a,b）光学显微镜细胞形态和（c,d）扫描电镜下的结构形貌Fig.3 （a,b） Cell observation images under optical microscopes and （c,d） scanning electron micrographs of celery samples

图4（a，d）分别是茄子样品在光学显微镜和扫描电镜下的细胞状态与结构形貌。茄子的果肉由海绵组织膨大形成，果肉细胞呈管状松散排列，细胞间隙大，质地细腻，其中管状细胞的直径大约为10～15 μm，没有观察到取向结构。管束细胞具有类似端口的形貌，直径为10～15 μm，管束细胞相互交错排列，分布散乱不均，无明显取向性。图4（b，e）分别是杏鲍菇样品在光学显微镜和扫描电镜下的细胞形态与结构形貌。杏鲍菇组织的纤维排列非常紧密，菌丝质地柔软，韧性强。无论是沿着菌柄生长方向还是垂直于菌柄生长方向，杏鲍菇菌丝组织生长均匀且致密。可以观察到杏鲍菇中不规则的空洞结构，空洞大小不一，分布散乱无规律，同时观察到菌丝附着于其表面，组织不存在取向性结构。图4（c，f）分别是莴笋样品在光学显微镜和扫描电镜下的细胞形态与结构形貌。与芹菜的组织结构明显不同的是，莴笋细胞排列杂乱无序，细胞之间紧密排列，无明显规律与取向，细胞壁之间无贯通，但莴笋的细胞体积相较于芹菜更小。综上所述，茄子、杏鲍菇、莴笋的管束细胞分布杂乱，取向混乱，组织结构排列紧密，不存在各向异性结构，不适宜作为构建各向异性水凝胶的植物骨架。

图4 茄子、杏鲍菇和莴笋样品（a,b,c）在光学显微镜下的细胞形态和（d,e,f）扫描电镜下的结构形貌Fig.4 （a,b,c） Cell observation images under optical microscopes and （d,e,f） scanning electron micrographs of eggplant, pleurotus eryngii and lettuce samples

对植物组织中的水分分布情况进行可视化处理，由于成像的信号强度取决于样品中的质子数，而水分子又是蔬菜组织中质子数的主要来源，因此样品中含水量高的地方，其质子图像信号越强，核磁图像的亮度也越高。由图5可以看出胡萝卜、芹菜和莴笋的图像信号清晰明亮，含水量较高；杏鲍菇图像亮度最低，含水量最低。

图5 茄子、胡萝卜、芹菜、莴笋、杏鲍菇样品的低场核磁成像Fig.5 Low-field NMR imaging of eggplant, carrot, celery, lettuce, and pleurotus eryngii samples

通过以上对比实验，从结构角度分析，胡萝卜芯和芹菜茎的植物组织具备明显的各向异性结构，茄子肉、杏鲍菇柄、莴笋茎的植物组织不具备各向异性结构；从含水量角度分析，胡萝卜、莴笋和芹菜的含水量较高。综合以上分析，作为植物根部的胡萝卜芯以及芹菜茎具有明显的各向异性组织结构，并具备较高的含水量。因此，我们选取胡萝卜芯和芹菜茎作为获取植物骨架的材料。

2.2 天然植物骨架预处理方法的探索

以胡萝卜和芹菜为各向异性结构来源，探索从天然植物中获取各项异性植物骨架的方法。预处理的思路是将植物中的细胞破碎，除去细胞质、色素等，并适当扩大植物组织纤维素链之间的空隙。物理处理方法是用超声震荡方式破坏细胞壁以及纤维素链之间的连接，超声虽然可以增加细胞间距离，但对细胞壁基本没有破坏，无法提供贯穿通道；酸处理方法使细胞壁明显变薄，细胞间隙增大，但仍不能破坏细胞壁，不能提供贯穿的取向通道；脱木质素法可去除植物组织中细胞质、色素，细胞壁间隔明显变宽，能够提供更多的空隙和取向通道。因此，我们确定用脱木质素法作为植物的预处理方法，并对处理后的结构进行冻干处理，以此法制备一系列天然植物骨架。在处理过程中，我们发现由于芹菜茎本身呈弧形结构，在冻干过程中结构容易破裂，造成取向结构的不完整，因此后续实验选定胡萝卜骨架为植物骨架。

2.3 天然植物水凝胶成胶方法筛选

为了在植物骨架中引入水凝胶，构建各向异性植物水凝胶，我们分别选取了单体质量分数分别为20%、25%、30%、40%的4组溶液，交联剂MBA的质量为单体质量的0.5%，成胶温度分别设置为25、45、60 °C，结果如表1所示。在低单体质量分数（20%和25% ）下，在25、45°C下均能成胶，继续升高温度至60 °C，虽然同样能够成胶，但由于温度过高导致植物骨架坍塌，失去植物骨架的刚性。当单体质量分数达到30% 时，在25、45、60 °C下均能成胶；加热到45 °C会发生爆聚现象，导致凝胶中存在大量气泡，无法使用。当单体质量分数达到40%后，溶液系统不稳定，在常温下也会发生爆聚现象，聚合过程剧烈放热，胶体充满大量气泡，导致胶体无法使用。因此，我们选择单体质量分数25%、成胶温度45 °C为最佳的成胶条件。

表1 各向异性植物水凝胶的构建条件对比Table 1 Comparison of construction conditions for obtaining the anisotropic hydrogels

2.4 红外分析

图6为胡萝卜、PAM水凝胶和胡萝卜复合PAM水凝胶的红外光谱。在胡萝卜的红外光谱中，3 422、1 168、1 083 cm−1处的吸收峰分别对应-OH伸缩振动，C-O伸缩振动和C-O-C的不对称伸缩振动；在PAM水凝胶的红外光谱中，在3 420 cm−1和3 192 cm−1处是N-H的伸缩振动特征峰；1 666 cm−1处对应C-O的特征吸收峰；1 394 cm−1和1 112 cm−1处的吸收峰分别对应于C-N的伸缩振动和-NH2的平面振动[13]。胡萝卜复合PAM水凝胶的红外光谱中既能观察到胡萝卜的特征吸收峰，又有PAM的特征吸收峰，证明胡萝卜植物骨架与PAM水凝胶的成功复合。同时，进一步观察发现属于胡萝卜的-OH伸缩振动吸收峰由3 422 cm−1转移到了3 197 cm−1，并且峰变得更宽，表明了胡萝卜复合PAM水凝胶中的纤维素链与PAM链之间形成了强氢键作用[14]。在PAM水凝胶红外光谱中，C-O、N-H 和-NH2吸附峰分别从1 666，1 625，1 112 cm−1转移到 1 690, 1615, 1 196 cm−1, 表明 PAM分子链与纤维素支架之间形成了分子间氢键。

图6 胡萝卜、PAM水凝胶和胡萝卜复合PAM水凝胶的红外光谱Fig.6 FT-IR spectra of carrot, PAM hydrogel and carrot gel

2.5 胡萝卜水凝胶的微观形态

图7（a，b）为胡萝卜骨架的扫描电镜图，骨架的通道直径为30～50 μm，孔道贯通且各向异性结构明显，说明去除木质素后，平行于胡萝卜生长方向的通道保持良好，证明在脱除木质素后胡萝卜纤维素纳米纤维管道的有序排列结构并未被破坏，并且保证了 PAM凝胶预制液能够充分地进入胡萝卜骨架中。图7（c，d）是胡萝卜复合PAM水凝胶的扫描电镜图，可以看到胡萝卜的孔道被PAM水凝胶网络填充，并且胡萝卜骨架的结构在浸润过程中能够保持完整，从而为PAM水凝胶网络提供强有力的支撑。同时也表明PAM水凝胶网络与胡萝卜骨架网络之间有着良好的结合，PAM水凝胶贯通整个胡萝卜通道，与胡萝卜骨架形成双网络结构。

图7 （a，b）胡萝卜骨架和（c，d）胡萝卜复合PAM水凝胶的扫描电镜图Fig.7 Scanning electron micrograph of （a，b）carrot skeleton and （c，d） carrot gel

2.6 胡萝卜复合PAM水凝胶的力学强度

胡萝卜复合PAM水凝胶、PAM水凝胶、胡萝卜骨架的拉伸应力-应变如图8所示。胡萝卜复合PAM水凝胶在平行于生长方向的最大拉伸应变为80%，断裂强度达到160 kPa；在垂直于生长方向，最大拉伸应变接近100%，断裂强度达到100 kPa。PAM水凝胶是各向同性水凝胶，其拉伸断裂强度为60 kPa。通过对比可知，胡萝卜复合PAM水凝胶的力学各向异性是胡萝卜骨架赋予的，其显著增强的力学强度，是天然植物骨架的引入对PAM水凝胶起到了力学增强作用。我们猜测：PAM聚合物链的强度虽然较弱，但分子链上氨基具备形成强氢键的潜在条件，通过与胡萝卜纤维素形成强大的氢键作用，既加强了定向排列纤维素链之间的相互作用，也提高了胡萝卜复合PAM水凝胶的机械强度。同时，胡萝卜复合PAM水凝胶表现出明显的力学各向异性，其力学各向异性源自胡萝卜骨架结构的各向异性。与胡萝卜骨架相比，胡萝卜复合PAM水凝胶在平行和垂直于生长方向的力学性能均有显著提升，这源于骨架中有序排列的纤维素结构以及纤维素纳米纤维链上的羟基和PAM链上的氨基之间的强氢键作用。

图8 （a）胡萝卜复合 PAM水凝胶，（b）PAM 水凝胶，（c）胡萝卜骨架的拉伸应力-应变曲线（L、R分别表示平行、垂直于生长方向）Fig.8 Tensile stress-strain curves of （a） carrot gel, （b） PAM hydrogel and （c） carrot （ L and R stand for parallel and vertical directions,respectively）

图9示出了PAM水凝胶和胡萝卜复合PAM水凝胶的压缩曲线。PAM水凝胶在形变量为80%时的抗压强度为 0.2 MPa；胡萝卜复合PAM水凝胶沿着生长方向抗压强度为 0.3 MPa，垂直于生长方向抗压强度为0.8 MPa，这是由于引入胡萝卜组织结构后，作为骨架与PAM水凝胶共同构建成胡萝卜复合水凝胶，胡萝卜纤维素分子链上的羟基与PAM聚合物分子链上的氨基之间形成强氢键作用，而胡萝卜复合PAM水凝胶抗压强度表现出的各向异性是由于胡萝卜骨架组织的定向排列所致。由于胡萝卜的自身各向异性结构，胡萝卜复合PAM水凝胶在压缩测试中也展现出非常明显的各向异性。

图9 PAM水凝胶、胡萝卜复合PAM水凝胶的压缩应力-应变曲线（L、R分别表示平行、垂直于生长方向）Fig.9 Compression stress-strain curves of PAM hydrogel and carrot gel （L and R stand for parallel and vertical directions,respectively）