一种新型水凝胶的制备及影响因素

李云鹤，范冬浩，覃先燕

(1.川北医学院附属医院 药剂科，四川 南充 637000；2.西南交通大学 材料科学与工程学院，成都 610031)

水凝胶作为一类生物相容性良好的新型功能高分子材料[1-4]，在许多领域应用广泛，特别是生物医学领域，主要运用于组织工程[3,5-6]、药物释放[4,7-8]、伤口敷料[9-11]、生物绷带[12-13]、仿生应用[6,14]以及传感器[15-16]等方面。聚吡咯(Polypyrrole，PPy)是一种生物相容性良好的导电聚合物[17-19]，利用其设计制备的新型水凝胶不仅具有良好的生物相容性和力学柔性，还具有高电导率、快速充电/放电能力和高机械强度等优良的物理性质[20-21]，具有运用于生物医学领域的潜力[22-23]。但是PPy很难制备导电聚合物水凝胶，且呈黑色沉淀形式，不溶于水和大多数有机溶剂，机械和粘合性较差，难以进一步功能化和加工[24]。

本研究通过吡咯(Pyrrole，Py)吸附在自组装石胆酸(Lithocholic Acid，LCA)纳米管相互连接的网络上发生聚合反应，探索一种方便有效地进行PPy纳米管水凝胶的模板化制备方法[25]。同时采用分子结构类似于贻贝粘附蛋白的“粘性”生物分子多巴胺(Dopamine，DA)对PPy进行功能化修饰，增强PPy在水中的分散性和稳定性，在不影响PPy生物相容性的前提下改善其粘附性[26]。

1 方 法

1.1 不同LCA模板水凝胶的制备

称取适量LCA和氯化钠粉末，加入0.1 mol·L-1的氢氧化钠溶液并充分涡旋混匀，采用恒温水浴超声和探头超声两种制备方法，每种方法均得到20 mmol·L-1和50 mmol·L-1的LCA模板，比较采用相同超声制备方法，20 mmol·L-1和50 mmol·L-1的LCA模板不同之处。

分别取适量50 mmol·L-1的恒温水浴超声和探头超声LCA模板，加入适量Py单体溶液和DA，再加入过量的过硫酸钠(Sodium Persulfate，SPS)溶液，涡旋振荡均匀后置于4 ℃恒温水浴中聚合，得到DA∶Py=0.1∶1、0.5∶1、1∶1、2∶1的聚吡咯聚多巴胺(Polydopamine-co-Polypyrrole，PDA-co-PPy)水凝胶，即最终水凝胶体系中Py浓度为144 mmol·L-1，DA浓度为14.4、72、144、288 mmol·L-1。

1.2 不同体系水凝胶的制备

取适量50 mmol·L-1的恒温水浴超声LCA模板，加入适量Py单体溶液和DA，再加入过量的SPS溶液，涡旋振荡均匀后置于4 ℃恒温水浴中聚合，得到DA∶Py=0.1∶1的PDA-co-PPy水凝胶，即最终水凝胶体系中Py浓度为144 mmol·L-1，DA浓度为14.4 mmol·L-1；取相同LCA模板加入适量Py单体溶液，完成相同操作后得到与上述PDA-co-PPy水凝胶中Py浓度一致的PPy水凝胶。

1.3 不同DA浓度PDA-co-PPy水凝胶的制备

取适量50 mmol·L-1的恒温水浴超声LCA模板，固定Py单体溶液的量，按照DA∶Py=0.05∶1、0.15∶1、0.2∶1、0.3∶1制备PDA-co-PPy水凝胶体系，即最终水凝胶体系中Py浓度为144 mmol·L-1，DA浓度为7.2、21.6、28.8、43.2 mmol·L-1。

1.4 不同Py浓度PDA-co-PPy水凝胶的制备

取适量50 mmol·L-1的恒温水浴超声LCA模板，固定DA的量，按照DA∶Py=1∶3.5、1∶5、1∶10、1∶20制备PDA-co-PPy水凝胶体系，即最终水凝胶体系中DA浓度为14.4 mmol·L-1,Py浓度为50.4、72、144、288 mmol·L-1。

1.5 观察及分析方法

使用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM，JEM-2100f)观察LCA自组装模板材料的表面形貌。使用扫描电子显微镜观察PPy水凝胶和PDA-co-PPy水凝胶的表面形貌。

2 结 果

2.1 LCA模板制备方法对PDA-co-PPy水凝胶体系成胶的影响

水浴超声制备的20 mmol·L-1和50 mmol·L-1的LCA样品均能形成均匀的乳白色浑浊液，但50 mmol·L-1的LCA样品的流动性比20 mmol·L-1差，说明其粘度较20 mmol·L-1的LCA模板高。

不同DA和Py比例的PDA-co-PPy水凝胶，只有DA∶Py=0.1∶1，即DA浓度为14.4 mmol·L-1时，恒温水浴超声和探头超声两种方法制备的LCA模板均能制备出PDA-co-PPy水凝胶，但探头超声制备的水凝胶不能够长时间维持自身的形貌，会逐渐由圆柱形塌陷为圆锥形，因此采用恒温水浴超声LCA模板制备的水凝胶机械强度更优。同时发现，DA浓度过高(DA∶Py ≥ 0.5∶1)，水凝胶的机械强度大大降低，所以较低浓度的DA是制备PDA-co-PPy水凝胶的关键。

2.2 PPy水凝胶和PDA-co-PPy水凝胶的区别

由图1(a)可知，PPy水凝胶前体溶液为均匀乳白色溶液，而PDA-co-PPy水凝胶前体溶液为均匀黄色溶液，可能是因为部分DA在碱性条件下被氧化。在加入SPS氧化聚合后，两者的前体溶液均能形成水凝胶，如图1(b)所示，两者外形并无太大差别，均为黑色圆柱状水凝胶。但其中DA浓度为14.4 mmol·L-1的PDA-co-PPy水凝胶(DA∶Py=0.1∶1)的机械性能稍强于PPy水凝胶。PDA-co-PPy水凝胶在脱模洗涤后外形依然保持完整，而PPy水凝胶下部出现轻微的破裂。

2.3 DA浓度对PDA-co-PPy水凝胶体系成胶的影响

如图2(a)所示，不同DA浓度水凝胶前体溶液在15 min时，黏稠的乳白色溶液均逐渐变为浅黄色，没有出现明显的分层，且DA浓度为7.2 mmol·L-1的颜色最深。如图2(b)所示，在加入过量的SPS使Py和DA发生聚合后，成功制备出黑色的PDA-co-PPy水凝胶，其中DA浓度为7.2 mmol·L-1时制备的PDA-co-PPy水凝胶具有最好的机械强度，能够保持自身的形貌；而DA浓度为21.6、28.8 mmol·L-1时制备的PDA-co-PPy水凝胶强度非常弱，不能长时间维持自身的形貌；DA浓度为43.2 mmol·L-1时甚至不能够成胶。实验现象表明，太高的DA浓度会降低水凝胶的机械强度。

2.4 Py浓度对PDA-co-PPy水凝胶体系成胶的影响

不同浓度Py对PDA-co-PPy水凝胶的机械性能和形态有较大的影响。由图3所示，当Py浓度为50 mmol·L-1，即DA∶Py=1∶3.5时，其机械强度相对较弱，不能够长时间维持自身形貌，脱模一段时间后会由圆柱状逐渐变为圆锥状形貌，且不够稳定，易被震散。而Py浓度为72和144 mmol·L-1，即DA∶Py=1∶5、1∶10的PDA-co-PPy水凝胶具有较强的机械性能，能够保持自身的形貌，并且能够维持自身水分不流失。

2.5 PDA-co-PPy水凝胶体系形貌分析

图4(a)所示，在光学显微镜下，LCA在碱性环境中自组装后呈现卷曲的头发丝状结构。图4(b)所示，在扫描电镜下，可以清晰观察到许多相互堆叠的丝状物，长度为微米级别，直径大概30～80 nm。

2.5.1 PPy水凝胶和PDA-co-PPy水凝胶形貌分析

对比图5(a)和(b)可以看出，PPy和PDA-co-PPy水凝胶都发生了聚合，且大部分吸附在自组装LCA纳米管相互连接的网络上，但是不同之处在于，PPy水凝胶周围的颗粒比PDA-co-PPy体系水凝胶多，说明PDA-co-PPy体系中Py在水中的分散性和稳定性较强，其与基材表面的粘附力明显增强。

2.5.2 Py浓度对PDA-co-PPy水凝胶形貌影响的分析

图6所示，对比Py浓度为144和288 mmol·L-1的PDA-co-PPy水凝胶的扫描电镜图，Py浓度的增加会导致水凝胶体系周围的颗粒增多。推测其原因可能是随着Py浓度的增加，越来越多的Py在LCA模板上发生聚合，但是当Py浓度过高时，LCA模板上结合位点有限，因此越来越多的Py在溶液中发生团聚，从而产生越来越多的颗粒。进一步推测PDA-co-PPy水凝胶的机械性能是随着吡咯浓度的增加而提高，但是这种趋势不是线性增长，吡咯浓度太高反而会造成水凝胶力学性能降低。

3 讨 论

PPy是生物相容性良好的一类导电聚合物，具有优秀的运用于生物医学领域的潜力[19]，近几年，作为新型功能高分子材料中的研究热点备受关注，但是由于其很难合成导电聚合物水凝胶，且具有差的溶解性、机械和粘合性，难以进一步功能化和加工，所以更多的是与无机、有机纳米粒子复合生成复合材料[27-28]。本实验的意义在于设计一种可轻松有效合成且具有较强粘附性的PPy纳米管导电聚合物水凝胶的制备方式，以期后续进一步应用于生物医学研究。

本实验采用不同方法制备不同浓度的LCA自组装模板，探究LCA超声方法、DA以及Py浓度对水凝胶体系成胶的影响。研究中采用SPS作为氧化剂，氧化吸附在LCA纳米管网络上的Py，从而形成PPy纳米管水凝胶。经过观察分析，LCA在碱性条件下自组装成具有不同直径和形状的纳米管网络结构，该网络结构可作为Py聚合的模板，实现PPy纳米管水凝胶的简单有效制备。利用DA分子结构类似于贻贝粘附蛋白的特性，对PPy进行功能化，增强其在水中的分散性和稳定性，在不影响生物相容性的前提下改善其粘附性。

导电水凝胶结合了水凝胶的仿生特征以及导电聚合物的电化学特性，其三维多孔结构类似于组织中的细胞外基质，可以有效促进细胞的生长，同时还可提供电刺激以调节细胞和组织的活性和功能[5,29]。PPy作为一种生物相容性良好的导电聚合物，设计制备的PDA-co-PPy新型水凝胶具有开发为优质导电水凝胶的潜力，未来将进一步探索其在细胞和组织生物学方向的应用前景[30-31]。