复合水凝胶

复合水凝胶（共7篇）

复合水凝胶 篇1

前言

体表创伤敷料对于创伤治疗的重要性和意义不言而喻,这也驱使各国的研究者开发各种新型材料。目前,对于体表创伤的愈合理论,普遍接受的是1962年由Winter提出的湿性愈面修复材料的要求而被广泛关注,成为研究热点,并有部分成果用于临床应用且取得良好效果[2,3]。合理论[1]。根据湿性愈合理论的要求,体表创伤敷料应该具有理想的物理机械性能、适当的保湿性能和一定的生物降解性能,这也为体表创伤敷料提出了较为关键和具体的要求。正因如此,水凝胶由于具有符合理想创

然而,以聚乙烯醇(PVA)为原料制备得到的水凝胶,由于表面缺乏细胞识别位点,细胞相容性较差,因此很难单独作为组织工程支架应用。胶原是一种具有优异生物相容性和低抗原性的天然高分子材料,可以介导细胞间的传导和相互作用,将其用于体表创伤敷料,能够支持很多不同组织的生长。因此,以PVA和胶原为原料制备复合型天然高分子水凝胶成为一种新的发展方向。除此之外,水凝胶还可作为药物缓释或控释的载体,减少用药并提高疗效。有研究者就以PVA、N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)与丙烯酸(AAc)等为原料,制备具有温敏性的水凝胶薄膜材料[4,5,6,7,8]。

文章拟以P(NIPAM-co-AAc)、PVA和胶原为主要原料,制备具有环境敏感性的功能性高分子水凝胶。利用PVA构建具有良好物理机械性能的高分子网络结构,辅以胶原蛋白改善材料的生物相容性。在此基础上,以分子设计的思路合成相转变温度在人体生理温度附近的PNIPAM基共聚物,并以此作为温度敏感控件,构建具有智能环境响应能力的高分子水凝胶材料。主要结构特征如图1所示。

1 试验部分

1.1 主要试验材料与仪器设备

胶原按实验室已建立的方法自制及纯化[9];

聚乙烯醇(PVA),分析纯,平均聚合度1 700±50,醇解度99%,成都科龙化工有限公司;

1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS),分析纯,上海延长生化试剂有限公司;

P(NIPAM-co-AAc),实验室自制;

其它化学试剂均为市售分析纯试剂,如未特殊说明均为直接使用,使用前未经任何提纯或附加操作。

精密增力电动搅拌器,JJ-1,江苏金宇环宇科学仪器厂;

真空冷冻干燥机,Freeze 6,Labconco;

万能拉力机,AI-7000S,台湾GoTech。

1.2 试验内容与方法

1.2.1 PVA-P (NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶的制备与响应曲面设计

(1)PVA的改性及改性PVA溶液的配制

为了获得含羧基的聚乙烯醇材料,本试验选择丁二酸酐与聚乙烯醇进行反应。改性后得到的产物标记为改性PVA(sPVA)[10]。

取适量密封保存备用的sPVA,加入适量蒸馏水使其浓度达到18%左右,于60℃搅拌溶胀约2h后,升温至90℃,继续搅拌至完全溶解成均匀溶液,再按照18%的sPVA浓度补加蒸馏水至预定重量,搅拌均匀后自然冷却至室温,静置脱泡备用。

(2)P(NIPAM-co-AAc)聚合物的制备及溶液的配制

以APS和TEMED为氧化还原体系,分别作为反应的引发剂和加速剂,以BIS作为交联剂,采取无皂乳液聚合法合成P(NIPAM-co-AAc)共聚物。取纯化后冷藏保存的AAc,用约0.5mol/L NaOH溶液溶解并调pH值至4.0,使AAc单体浓度为10%。准确称取BIS和APS,用蒸馏水配制成浓度约为1%的交联剂溶液和10%的引发剂溶液,冷藏保存。准确称取已纯化的NIPAM单体,按NIPAM与AAc单体摩尔比9:1加入AAc单体溶液和0.15%BIS交联剂溶液,加入蒸馏水使混合后总重为50g,搅拌溶解成澄清均匀溶液后加入加速剂TEMED,再将混合溶液倒入恒压加样漏斗。准确称取0.08%的APS溶液,加入蒸馏水至总重为50g,转入三颈瓶中通氮气驱氧约30min后置于70℃水浴中,搅拌状态下将已转入恒压加样漏斗的单体混合溶液缓慢滴加到三颈瓶中,单体溶液滴加总时间为2h,加完后继续搅拌反应2h,整个反应过程始终保持通氮气驱氧。反应完成后将三颈瓶移出水浴,搅拌状态下冷却至室温,将冷却后的反应液转移入截留分子质量为10 000的透析带中,用蒸馏水透析,最后将纯化的产物冷冻干燥,得到白色粉末状共聚物,标记为P(NIPAM-co-AAc)聚合物[4,5,6,7,8]。经检测,该共聚物的低临界相转变温度(LCST)在人体生理温度(37℃)附近。

取适量密封保存备用的P(NI-PAM-co-AAc)共聚物粉末,加入适量蒸馏水使其浓度为5.0%,室温下搅拌溶解成澄清均匀溶液,静置脱泡后备用。

(3)胶原溶液的配制

取适量密封保存备用的胶原海绵,准确称量后加入0.1M HAC配制成浓度为1.0%的胶原溶液,置于冰箱中4℃条件下充分搅拌溶解,静置脱泡备用。

(4)水凝胶的制备与响应曲面设计

在前期的研究基础上,对响应曲面设计进行了修正。选择三因素Box-Behnken方法进行设计,主要考察PVA的浓度(CPVA)、P(NIPAM-coAAc)共聚物与PVA的比例(NA/PVA)、以及反复冻融循环次数(FTC)对水凝胶性能的影响。响应曲面设计的因素与水平如表1所示,利用Minitab软件生成试验方案如表2所示。

取适量上述配制的sPVA溶液,按照表2中规定的P(NIPAM-coAAc)共聚物与PVA的比例(质量比)加入P(NIPAM-co-AAc)共聚物溶液,室温条件下搅拌混匀后加入NHS,溶解后再加入EDC,充分搅拌反应液约30min后加入胶原固含量为PVA重量10%的胶原溶液,连续搅拌反应约5h;其中NHS和EDC的用量为0.03mmol/g(以混合总质量计);反应完成后,将上述反应液静置过夜,充分脱泡后将10g反应液倒入直径为90mm的培养皿中,置于-20℃冰箱中冷冻10～12h,然后再将冷冻的样品置于室温条件下融解7～8h,该冷冻-融解过程称为一次冻融循环,按照表2中规定的次数完成各组样品的冻融循环后,将水凝胶样品置于蒸馏水中充分浸泡,以除去未完全反应的单体。最终将制备得到的部分水凝胶冷冻干燥,密封保存用于各项表征检测,部分水凝胶直接用于力学性能以及含水量的测试。响应曲面设计方案中的各编号样品均制备3个以上平行样,每个响应值检测重复3次,检测结果以均值±标准偏差的形式表示,且当P值小于0.05时认为具有统计学意义。

1.2.2 PVA-P (NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶的验证试验

采用响应曲面设计进行PVA-P(NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶的制备与分析以后,拟对其结果的准确性和可靠性进行验证和探讨。选择不同于响应曲面中的试验参数,按照相同流程和方法重新制备PVA-P(NI-PAM-co-AAc)-Col水凝胶并进行相同项目的检测表征。同时,利用响应曲面设计得出的结果进行理论计算,比较实际检测结果与理论计算结果之间的差异,以对试验结果进行验证。验证试验的编号以及主要参数列于表3。

1.3 PVA-P (NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶的表征

(1)水凝胶的力学性能检测

使用电子拉力机进行抗张强度和断裂伸长率的测定,同时计算材料的杨氏模量,与材料的抗张强度、断裂伸长率一并分析。

(2)水凝胶的含水量测定

水凝胶试样的含水量(WC)可以通过样品干燥前后的质量差计算得到。

其中,W1为干燥恒重前水凝胶试样的质量,W2为干燥恒重后水凝胶试样的质量。

(3)水凝胶的溶胀率测定

将密封保存备用的水凝胶剪成合适大小的小块,准确称重后分别浸泡于含有蒸馏水和生理盐水的15mL离心管中,于25℃水浴中静置24h以上;用湿润的滤纸吸取吸水后的水凝胶试样的表面水,准确称重,根据水凝胶试样浸泡吸水前后的质量差值计算其平衡溶胀率。

其中,Qe是吸水溶胀平衡的溶胀率,W0是水凝胶冻干试样的质量,We是水凝胶吸水平衡后的质量。

(4)水凝胶的透水汽性测定

采用医药行业标准《YY/T0471.2-2004接触性创面敷料试验方法第2部分透气膜敷料水蒸气透过率》中规定的方法进行干态透水汽性和湿态透水汽性的检测。在测定PVA-P(NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶的湿态透水汽性时,分别在35℃和39℃条件下进行测定,以分析水凝胶材料是否表现出应有的温敏性质。

2 结果与讨论

2.1 PVA-P(NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶的响应曲面分析

2.1.1 水凝胶的抗张强度分析

根据抗张强度的响应值,选择完全二次方程分析并绘制了水凝胶抗张强度的响应曲面,如图2所示。

在可进行分析的几种模型中,完全二次模型可以很好地拟合PVA-F(NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶的抗张强度。从抗张强度的响应曲面图上可以看出:原料中PVA的浓度对结果具有明显影响。从CPVA与其它2个因素的响应曲面图上可以清楚的看到,在水凝胶冻融次数和温敏共聚物使用量保持不变的情况下,水凝胶的抗张强度几乎随着PVA的浓度直线上升。其原因在于PVA是以碳碳单键为基础构成主链骨架的大分子材料,在受到拉力作用时,PVA主链能够表现出很强的抗张作用;同时,经与温敏共聚物和交联剂改性以后,PVA长链分子与其它2种大分子共价交联并在水凝胶中互相缠绕成空间网状结构。因此,水凝胶中PVA含量的高低直接决定了其抗张强度的大小。

相对而言,冻融次数和温敏共聚物比例对抗张强度的影响就要小很多。从图2中可以看出,在固定水凝胶中PVA浓度的情况下,增加冻融次数和减小温敏共聚物的加入比例都能较小程度地增加水凝胶抗张强度。这与其他研究人员得出的结论基本一致[11]。原因在于,增加冻融次数可以加强PVA的结晶程度,更加有序的高分子排列结构具有更好的应变耐受能力;而在水凝胶中胶原与PVA的比例与交联剂用量都是固定的,所以减少加入温敏共聚物的量可以一定程度上减小在水凝胶中的占位作用,减小对PVA结晶的影响,从而提高抗张强度。

进一步运用Minitab软件对试验结果进行多元回归拟合,得到关于抗张强度的完全二次回归模型拟合方程,如式3和式4所示。在进行验证试验时,给定了试验参数以后,就可以采用式3对响应值进行计算预测,而利用式4中各项的系数大小可以对比因素的线性关系、平方关系和交互关系对响应值的影响程度。由公式4中的编码方程可以看出,对水凝胶抗张强度影响最大的因素是平方项,其次为FTC2和NA/PVA2,线性项中CPVA的影响再大一些,其它线性项以及交互项的影响都较小且比较接近。

(A=CPVA;B=NA/PVA;C=FTC;后同)

式3 PVA-P(NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶抗张强度的完全二次拟合未编码方程

式4 PVA-P(NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶抗张强度的完全二次拟合编码方程

2.1.2 水凝胶的断裂伸长率分析

根据PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶的断裂伸长率检测结果绘制响应曲面图,如图3所示。观察发现,在3个因素的两两交互作用响应曲面中,CPVA对水凝胶的断裂伸长率的影响还是比较明显的。与CPVA对水凝胶抗张强度的影响规律有所不同的是,PVA浓度对断裂伸长率的影响不完全是正面的,即断裂伸长率随着PVA浓度的增加出现极小值。水凝胶的断裂伸长率主要受到水凝胶中高分子的分子质量及分布、分子长链的结晶和交联缠绕程度等因素的影响,网络结构越强硬,则在受力拉伸时越容易应力集中而断裂。在制备不同PVA-P(NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶试样时,各种原料的分子质量基本是保持不变的,主要的区别在于制备工艺。因此,水凝胶中高分子长链的结晶和交联是决定性因素。水凝胶断裂伸长率出现极小值的原因就在于水凝胶中高分子结晶和化学交联很高,使高分子网络结构的柔韧性降低。从式6可以发现,平方项的影响最大。

(未完待续)

复合水凝胶 篇2

E@B=231-5120A-738B+41C+6E105A2+1719B2-4C2+1789AB-226AC-18BC

式5 PVA-P(NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶断裂伸长率的完全二次拟合未编码方程

E@B=101.03-13.03A-3.31B+1.97C+23.95A2+17.19B2-17.99C2+3.58AB-9.06AC-3.6BC

式6 PVA-P(NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶断裂伸长率的完全2次拟合编码方程

2.1.3水凝胶的杨氏模量分析

由PVA-P (NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶的杨氏模量计算结果绘制得到的响应曲面如图4所示。

在前面的分析中,PVA的浓度对于水凝胶的抗张强度和断裂伸长率都是有明显影响的,根据杨氏模量的计算法则,PVA浓度也势必会是杨氏模量的主要影响因素之一,观察水凝胶的杨氏模量响应曲面可以验证这一点。从与PVA浓度相关的2个响应曲面图上可以看到,随着CPVA的增加,杨氏模量都呈明显的上升趋势。在相同冻融次数或PVA浓度时,杨氏模量会随着温敏共聚物比例的增加先增大后减小,而冻融次数的影响在不同CPVA、NA/PVA水平表现出对杨氏模量不一样的规律。这种变化规律与断裂伸长率的影响是类似的。编码的拟合方程(式8)表明,对水凝胶杨氏模量影响最大的是CPVA、其次为CPVA×FTC,然后是NA/PVA2。

E=5.35-27.32A+125.24B-5.28C-397.28A2-349.62B2+0.01C2-67.26AB+110.47AC+5.29BC

式7 PVA-P(NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶杨氏模量的完全二次拟合未编码方程

E=14.82+5.18A-0.14B+0.52C-0.16A2-3.5B2+0.04C2-0.13AB+4.42AC+1.06BC

式8 PVA-P(NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶杨氏模量的完全二次拟合编码方程

2.1.4水凝胶的含水量分析

根据PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶的含水量检测结果绘制了响应曲面图,如图5所示。水凝胶的含水量主要受PVA浓度和温敏共聚物的用量影响,而冻融次数的影响要稍小些。这主要是因为在水凝胶中高分子网络的密度决定了其中的空隙率。虽然冻融次数会影响水凝胶中的结晶程度,对含水量会有影响,但是其单因素的影响程度不是太明显。由拟合方程(式10)可以看出,对含水量影响最大的前3项分别是CPVA、NA/PVA和FTC2。

WC=0.97-1.5A-0.22B-0.01C+6.71A2+0.4B2+OC2-2.48AB-0.05AC-0.01BC

式9 PVA-P(NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶含水量的完全2次拟合未编码方程

WC=85.15-3.23A-2.02B-0.08C+0.27A2+0.4B2+1.07C2-0.5AB-0.21AC-0.29BC

式10 PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶含水量的完全二次拟合编码方程

2.1.5水凝胶的溶胀率

(1)在蒸馏水中的溶胀率

根据PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶在蒸馏水中的溶胀率(Q1)检测结果绘制了响应曲面图,如图6所示。水凝胶在蒸馏水中的平衡溶胀率在某种程度上与水凝胶的含水量意义相同。因此,从响应曲面图上看到对溶胀率产生影响的因素及其影响程度都是与含水量的规律类似的,因此不再对该响应值进行详细描述与分析。根据拟合方程,影响最大的前3项分别是CPVA、NA/PVA和FTC。

Q1=14.43-231.48A+51.88B-0.77C+2268.14A2-30.1B2+0.06C2-452.22AB+2.45AC-1.19BC

式11 PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶在蒸馏水中溶胀率的完全二次拟合未编码方程

Q1=12.21-2.66A+1.82B-1.04C+0.91A2-0.3B2+0.26C2-0.9AB+0.1AC-0.24BC

式12 PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶在蒸馏水中溶胀率的完全二次拟合编码方程

(2)在生理盐水中的溶胀率

根据PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶在生理盐水中的溶胀率(Q2)检测结果绘制响应曲面图,如图7所示。由于水凝胶在体表创面上使用时必然是浸润在生理盐水或其它等渗溶液中的,所以在生理盐水中的溶胀率更具有实际意义。水凝胶在生理盐水中受因素的影响规律与在蒸馏水中的溶胀率类似,同时还可以看到在生理盐水中的平衡溶胀率比在蒸馏水中的平衡溶胀率要稍微低一点。潘育松等人[12]通过反复冻融法制备PVA水凝胶后,在蒸馏水和生理盐水中进行平衡溶胀率的测定,也得出了类似的结果。根据拟合方程各项系数的大小关系,对水凝胶在生理盐水中的溶胀率结果影响最大的是CPVA、FTC及CPVA×FTC。

Q2=13.58-132.89A+22.85B-0.38C+2576A2+20.52B2+0.21C2-402.03AB-34.22AC-1.58BC

式13 PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶在生理盐水中溶胀率的完全二次拟合未编码方程

Q2=10.26-2.2A+1.02B-1.6C+1.03A2+0.21B2+0.85C2-0.8AB-1.37AC-0.32BC

式14 PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶在生理盐水中溶胀率的完全二次拟合编码方程

2.1.6水凝胶的透水汽性测定

(1)干态透水汽性

根据PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶冻干试样在37℃的透水汽性(WVTR1)检测结果绘制得到的响应曲面图如图8所示。虽然水凝胶通常不会在干燥条件下使用,干态的透水汽性因此也没有很好的实际意义。但是依据现有的测定方法和条件,水凝胶在干态时进行透水汽性的检测会更加准确,也能反映水凝胶中孔结构及其通透性。观察PVA-P(NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶的干态透水汽性响应曲面图可以发现,3个因素都对干态透水汽性有明显影响,交互作用显著。当另外2个因素固定时,WVTR1会随着CPVA的不断增加先增后减,随着NA/PVA的增大先减后增,而随着FTC的增大呈一直减小的趋势。这种变化反映了水凝胶中网络结构的密度以及孔结构的通透性。在水凝胶中,高分子网络的致密程度受总固含量的影响,另外还受物理交联和化学交联的程度影响。多次FTC会增加PVA的结晶程度,导致孔结构的通透性下降,而大量温敏共聚物的使用则会提高水凝胶中的聚合物密度,化学交联后使网络结构更加致密,两因素交互作用后,透水汽性出现极小值。比较拟合方程的各项系数,可以发现平方项、NA/PVA2和线性项FTC的影响较大。

WVTR1=6360+1 (106A-4(105B-1078C-2(107A2+9(105B2+106C2+1(106AB+1288AC+317BC

式15 PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶干态透水汽性的完全二次拟合未编码方程

WVTR1=2178-414A-164B-649C-955A2+904B2+426C2+239AB+52AC+63BC

式16 PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶干态透水汽性的完全二次拟合编码方程

(2)湿态透水汽性(35℃)

PVA-P (NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶湿润试样在35℃的透水汽性(WVTR2)检测结果如图9所示。在浸润条件下,水凝胶中的水分子处于一种动态平衡状态,水分子逐渐由高含水量区域扩散到低含水量区域,并进一步蒸发到空气中去。在人体创面覆盖时,体温与环境温度之间的温度差会使这种扩散移动更加明显。由于试验检测时无法提供一个2侧不等温的密封界面,所以测得的试验值应该还比真实值偏小。

对于PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶湿态透水汽性随制备条件产生明显差异的根本原因,依然与水凝胶内部结构密切相关。如前所述,湿态透水汽性在一定程度上像是处于不断动态变化的含水量。水凝胶中的孔隙率、通透性以及为提供氢键作用的“位点”的多少决定了含水量的高低。因为水分子在水凝胶中的扩散驱动力来源于温度差和水分子的浓度差,在试验检测条件下仅存在浓度差的情况下,水凝胶中孔结构的通透性成为透水汽性的决定因素。在本次响应曲面设计考查的3个因素中,PVA浓度和温敏共聚物比例的高低决定了水凝胶中的聚合物密度,固含量越高,则聚合物网络越致密,孔隙率越小;冻融次数主要影响水凝胶中PVA形成结晶的程度,FTC越大,结晶程度越高,则高分子网络中局部分子排列更加有序。试验结果与这种规律基本保持一致,同时也可以看到个别趋势有区别,其主要原因可能是因为不同因素之间的交互作用而导致的。通过比较完全二次拟合方程的各项系数能发现,、FTC2和NA/PVA×FTC三项对于湿态透水汽性的影响居于前3位。

WVTR2=0.25+71.06A+5.16B-0.03C-948.08A2-14.46B2-0.05C2-24.03AB+2.63AC+0.9BC

式17 PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶湿态透水汽性(35℃)的完全二次拟合未编码方程

WVTR2=1.66-0.03A+0.11 B-0.09C-0.38A2-0.14B2-0.2C2-0.05AB+0.11AC+0.18BC

式18 PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶湿态透水汽性(35℃)的完全二次拟合编码方程

(3)湿态透水汽性(39℃)

PVA-P (NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶湿润试样在39℃的透水汽性(WVTR3)检测结果如图10所示。在稍高于人体温度(37℃)的条件下测定水凝胶的湿态透水汽性目的在于评价水凝胶中引入温敏性共聚物对其性能的影响。观察PVA-P(NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶在39℃时透水汽性的响应值可以发现,与35℃时的测定值相比,不同样品的WVTR3均有不同程度的增加。其原因一方面是由于温度较高水分的蒸发加快所致,另一方面的原因就是水凝胶中温敏共聚物在该温度条件下已经发生相转变,共聚物高分子收缩团聚,体积减小,为水分子的扩散和通过起到积极作用。由于2种温度条件下同一样品的WVTR值不是等差增加的,所以测定值的差异不仅仅是由于温度差异造成的。

观察PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶在39℃时的透水汽性响应曲面可以发现,在给定的3个因素水平范围内,WVTR3均出现极大值区域,这与WVTR2的检测结果是保持一致的。分析其影响因素可以发现,透水汽性随着冻融次数的增加而减小,随着CPVA的增大先增后减,随NA/PVA的变化不是很明显,这种变化规律与WVTR2的情况是基本一致的。对比39℃的透水汽性完全二次拟合方程中的各项系数,发现FTC2和的影响是最明显的,3项交互关系与除CPVA外的线性项的影响相当。

WVTR3=0.04+71.76A+2.3B+0.24C-905.47A2-3.98B2-0.1C2-56.09AB+3.62AC+0.91BC

式19 PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶湿态透水汽性

(39℃)的完全二次拟合未编码方程

WVTR3=2.06-0.02A+0.12B-0.13C-0.36A2-0.04B2-0.42C2-0.11AB+0.14AC+0.18BC

式20 PVA-P (NIPAM-coAAc)-Col水凝胶湿态透水汽性(39℃)的完全二次拟合编码方程

2.2 PVA-P (NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶的验证试验

采用不同于响应曲面设计中的试验参数制备的PVA-P(NIPAM-coAAc)-Col水凝胶同样进行了力学性能、含水量、溶胀率以及透水汽性的检测,结果如表4所示。同时,在验证试验给定的参数条件下,按照响应曲面设计的结果计算验证试验所制备水凝胶的各响应值预测值。例如,计算编号为YZ1的水凝胶样品的抗张强度时,即将YZ1试样制备的主要参数(cPVA=2.5%,NA/PVA=0.25,FTC=4)代入到式3即得,其它各响应值的预测计算同理可得,各预测值及相对偏差列于表4,通过与实际检测值的比较可以验证响应曲面结果的准确性和可靠性。

从验证试验的结果看,不同响应值的预测值与实际检测值有不同程度的偏差,其原因不一而足。一方面,有些响应值在检测时有较大的误差,导致试验结果不具有统计学意义,同时回归方程拟合程度不高,所以计算的预测值与实测值产生较大偏差;另一方面,个别响应值的结果本身就在一个相对狭窄的范围内变化,所以虽然数学模型的拟合程度不高,检测方法的准确性也不够,但是预测值与实测值的相对偏差却较小,比如水凝胶的含水量。要进一步提高数学模型的准确性,一方面还需要更加精确的控制水凝胶制备参数,使试验样本的差异主要来源于工艺,同时还需要扩大检测样本数量,尽量消除随机误差,另一方面还需要寻找更加理想的水凝胶表征方法,比如水凝胶中水分含量的测定。在积累更多的样品制备技巧和表征经验以后,相信采用数学模型对水凝胶的性能进行预测会具有更加明显的作用和意义。

3结论

(1)以PVA、胶原以及P(NIPAM-co-AAc)温敏共聚物为主要成分,通过EDC/NHS化学交联体系和反复冻融物理交联法制备得到了PVA-P(NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶。

(2)通过三因素响应曲面设计分别对PVA-P(NIPAM-co-AAc)-Col水凝胶的抗张强度、断裂伸长率、杨氏模量等力学性能,含水量、在蒸馏水和生理盐水中的溶胀率等物理性能以及干态条件、不同温度湿态条件下的透水汽性进行分析,所得到的回归拟合方程在预测水凝胶性质时具有一定的准确性和可靠性。(全文完)

参考文献

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复合水凝胶 篇3

关键词：水凝胶,溶胀动力学,煤

水凝胶是由亲水性聚合物通过化学或物理交联形成的聚合物三维网络。通常水凝胶的网络中含有大量的水,其具有随外部环境而改变自身形状或状态的特性,从而可吸附、脱吸附、输送、透过物质,即具有载持、分离、缓释物质的功能[1]。水凝胶的这些独特结构与功能,使其在生命科学、食品科学、水处理、药物控释、生物传感器以及组织工程等方面具有广阔的发展和应用前景[2]。

水凝胶的溶胀性能(或吸水性能)是其重要特征之一。在溶胀过程中,一方面水分子渗入到聚合物网络内部使其体积膨胀,另一方面由于交联网络膨胀导致网络分子链向三维空间伸展而产生应力,聚合物网络受到应力作用而产生弹性收缩。当这两种相反的倾向达到平衡时即形成了溶胀平衡。水凝胶的溶胀性能受到聚合物间相互作用、体系所带的亲水基团数目、网络交联密度、温度、水溶液的离子强度和离子种类等多种因素的影响。当凝胶体系中含有微纳米粒子时,聚合物与粒子间的相互作用也会对凝胶的溶胀性能产生影响。从现有的报道中可以看出,有些微纳米粒子可以增强凝胶的吸水性能,但有些反而削弱了凝胶的吸水性能。Zhu Zhaoqi等[3]发现聚丙烯酸/氧化石墨烯纳米复合凝胶的溶胀性能随着氧化石墨烯含量的增加而增强,而Xu Kun等[4]发现随着钠蒙脱土含量的增加,两性聚电解质纳米复合凝胶的吸水性能反而下降。微纳米粒子与聚合物间相互作用对凝胶的溶胀性能有明显的影响。

煤的基本结构单元是由芳环和氢化芳环组成,并通过桥键在三维空间排列形成具有丰富空隙度的空间结构[5]。煤是疏松多孔的物质,这些孔可分为大孔、中孔和微孔,大孔可至微米级,小孔可小至氦分子也不能进入。煤的化学组成和多孔结构使其有可能用于有机污染物等的吸附和处理,但其直接用作吸附剂容易造成二次污染。将煤与水凝胶复合有望提高水凝胶对有机污染物的吸附能力,但目前含煤复合水凝胶及其应用的相关研究还鲜有报道,对其吸水和吸附机理也不是很清楚。本实验以羧甲基纤维素钠作为煤的分散稳定剂,制备了聚丙烯酰胺/羧甲基纤维素钠/煤(PAM/CMC/Coal)复合水凝胶,着重研究了煤含量对复合水凝胶的平衡溶胀比、溶胀速度等性能的影响,并利用理论方程对复合凝胶的吸水机理进行了系统研究,复合水凝胶对有机污染物的吸附和脱除性能将另外报道。

1 实验

1.1 实验原料

丙烯酰胺(AM):分析纯,西陇化工股份有限公司;N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA):高级纯,阿拉丁试剂公司;羧甲基纤维素钠(CMC):化学纯,国药集团化学试剂有限公司;过硫酸铵(APS):分析纯,成都市科龙化工试剂厂;四甲基乙二胺(TEMED):上海晶纯试剂有限公司;无烟煤:粉碎后过100目的筛网,并在60 ℃干燥后备用,路安煤业集团公司。

1.2 煤复合水凝胶的制备

在蒸馏水中加入一定量的MBA,磁力搅拌溶解后加入所需量的煤粉,并依次加入2% (质量分数)CMC、AM和APS,混合均匀后转移到柱状模具中,充入氮气然后抽真空,循环3 次以除去体系中的氧气。然后在反应体系中加入TEMED,使其在室温反应24h。待反应完成后,将样品置于大量的蒸馏水中浸泡1周,每2天更换1次水,以除去凝胶中未反应的物质。最后,将凝胶制成小圆片,室温脱水后放入30 ℃烘箱干燥24h。

1.3 凝胶平衡溶胀比及溶胀动力学的测定

将干凝胶浸泡于蒸馏水中,待其溶胀24h,用滤纸吸去凝胶表面的水,凝胶的溶胀比(Q)由式(1)计算,平衡溶胀比取2-3个样品的平均值:

式中:ms是凝胶溶胀平衡后的质量;md是干凝胶的质量。

取干凝胶样品置于30 ℃的蒸馏水中,间隔一定时间取出凝胶样品,用滤纸吸去凝胶表面的水,称量其质量。根据式(1)计算凝胶在t时刻的溶胀比。

1.4 凝胶的表征

采用粉末KBr压片法在Nicolet NEXUS 360 (Nicolet,USA)型红外光谱仪上完成凝胶样品的红外光谱分析,扫描次数32,分辨率4cm-1。采用扫描电子显微镜(SEM)观察凝胶的孔结构和形态,将溶胀平衡的凝胶样品冷冻干燥后喷金,实验在10kV加速电压下进行,设备型号为Philips XL30ESEM (Netherlands)。

2 结果及讨论

2.1 凝胶的制备

无烟煤是变质程度较低的煤,因此其疏水性较强,在水中不能稳定地分散。为了制备煤粉颗粒分散均匀的复合水凝胶,采用带有负电荷的CMC为分散稳定剂。另外,由于CMC是阴离子型聚电解质,它的引入还可以增强凝胶的吸水性能。如图1所示,以APS为引发剂、TEMED为催化剂、MBA为交联剂,在室温下即可制备PAM/CMC/煤复合水凝胶。纯PAM水凝胶是无色透明的,含煤复合水凝胶则呈黑色。

表1给出了制备含煤复合水凝胶的组成,其中样品名称中的百分数(如2.5%煤)表示复合凝胶中煤粉质量占AM质量的百分数(以下同)。

2.2 凝胶的FTIR分析

图2是无烟煤粉、含0%煤和含2.5%煤复合水凝胶的FTIR曲线。从图2中曲线a可以看出,在1597cm-1处有芳环的特征吸收峰,在1696cm-1处有1个很微弱的羧基吸收峰,表明无烟煤的变质程度较低;曲线b是0%煤水凝胶样品的红外光谱图,是PAM与CMC形成的半互穿网络凝胶,从图2中可以看出,1660cm-1处是羧酸盐伸缩振动峰,1613cm-1处是酰胺Ⅰ带的吸收峰;曲线c是2.5%煤复合水凝胶的红外光谱图,与曲线b相比基本没有明显变化,只是在1610cm-1处的峰强度稍强,这可能是酰胺Ⅰ带的吸收峰与芳环的特征吸收峰重叠在一起的结果。

2.3 凝胶的溶胀与溶胀动力学

图3是凝胶在不同煤含量下的溶胀动力学曲线,可看出所有凝胶样品在100min前都快速溶胀,随着时间的延长,溶胀比不断增加,但溶胀速率趋于平缓,在400min基本都达到了溶胀平衡。另外,煤含量为0%、2.5%和5%的凝胶样品的溶胀动力学曲线起始的斜率(即溶胀速度)在前100min明显大于煤含量为10%和20%的凝胶样品。

水凝胶的溶胀是一个复杂的过程,通常包括3个连续的过程:(1)水分子进入凝胶内部;(2)凝胶的高分子链发生松弛;(3)整个高分子链在水中伸展,凝胶网络溶胀。为了研究煤含量对水分子扩散机理的影响,可用式(2)所示的指数方程描述溶胀过程中Rt/Req≤0.6的初始数据[6]:

式中:Rt是凝胶t时刻的溶胀倍率;Req是凝胶的平衡溶胀倍率(本实验采用凝胶24h溶胀的数据),式(2)在Rt/Req≤0.6时适用;K是水凝胶的特性常数,代表凝胶网络与溶剂体系特性。n是描述水凝胶溶胀机理的扩散指数,它反映了溶剂的扩散速率与聚合物链松弛的关系,n=0.5时为Ⅰ类(CaseⅠ)扩散(即Fickian扩散),此时小分子扩散速率远小于大分子链段松弛运动速率,小分子扩散起决定作用;n=1时为Ⅱ类(CaseⅡ)扩散,此时小分子扩散速率远大于链段的松弛速率,链段松弛运动起决定作用;0.5

从表2可以看出,在Rt/Req≤0.6时,式(2)能很好地描述凝胶的溶胀,凝胶的扩散指数n均大于0.5,说明水分子的扩散都遵循non-Fickian扩散机理。

由于式(2)在Rt/Req≤0.6时才适用,所以无法描述凝胶的整个溶胀过程,因此可以采用式(3)的二级方程进行研究。溶胀动力学二级方程为[6]:

式中:Rt是凝胶t时刻的溶胀比,A=1/k,k为凝胶的初始溶胀速率,B=1/Qeq,Qeq为凝胶的理论平衡溶胀比。

利用二级方程对不同煤含量下凝胶动力学的拟合情况通过各条直线的斜率和截距可以得到相应的参数A和B,进而得到凝胶的初始溶胀速率k和凝胶的平衡溶胀比Qeq,如表3所示。由表3可以看出,R2均在0.99以上,说明凝胶的溶胀较好地符合二级动力学方程。

图4给出了凝胶各组分样品的溶胀平衡比(实验值和理论值)与煤含量的关系。从图4可知,随着煤含量的升高,凝胶的溶胀平衡比下降,纯凝胶具有最大的溶胀平衡比。煤含量为0%时,溶胀平衡比实验值高于计算值,随着煤含量的升高,计算值高于实验值,且其趋势趋于一致。

图5为凝胶各组分样品的溶胀速度随煤含量的变化曲线。从图5可以看出,在煤含量小于2.5%时,随着煤含量的升高,凝胶的溶胀速度亦升高;在煤含量大于2.5%时,随着煤含量的升高,凝胶的溶胀速度下降;煤含量为2.5%时,凝胶具有最大的溶胀速度。

此外,还可以采用式(4)的方程研究Rt/Req与t1/2的关系以及水在不同煤含量凝胶中的扩散系数:

式中:Rt是凝胶t时刻的溶胀比,Req是凝胶的平衡溶胀倍率,t为时间,l是干凝胶的初始厚度。以Rt/Req对t1/2作图,计算斜率x:

由式(5)可计算得各扩散系数D,如图6和表4所示。

由表4可以看出水在不同煤含量凝胶中的扩散系数在105cm2/min数量级,煤含量为5%时,其扩散系数最大。

2.4 凝胶的SEM分析

平衡溶胀水凝胶的孔结构如图7所示,可以看出2.5%煤的复合凝胶溶胀后呈典型的蜂窝状孔结构,孔尺寸在100~200μm。从图7(c)上可以明显地看到有粒径大小不均并且聚集的粒子。复合凝胶中少量的微米级煤颗粒可能会提高凝胶的吸水速度,但达到一定量后就会阻碍凝胶的溶胀,并使凝胶的平衡溶胀比也下降。

3 结论

复合水凝胶 篇4

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

可表达PDGF-BB的转基因CHO细胞系由本室保存。壳聚糖/N-乙酰-L-半胱氨酸(CS-NAC)偶合物由南开大学高分子化学研究所提供。

1.2 方法

1.2.1 含双硫键壳聚糖(CSS-S)水凝胶支架材料的制备

用PBS按10%(w/v)比例溶解CS-NAC,加入浓盐酸滴定酸碱度至3,取2 ml上述溶液,用1 M氢氧化钠溶液滴定酸碱度至7.4,37℃恒温震荡15~30 min,空气中氧化,观察1 min内无液性物质可见,说明制备成功CSS-S凝胶。

1.2.2 MTT法细胞生物相容性评价

胰酶消化对数生长期的转基因CHO细胞,调整浓度至50 000/ml,每孔200μl,设置对照。5%CO2,37℃,孵育48 h,更换培基,加无菌CSS-S凝胶,继续培养48 h后更换培基,每孔加20μl MTT溶液(5 mg/ml),培养2 h。终止培养,加入150μl DMSO,振荡10 min,OD490 nm处酶标仪测值。

1.2.3 CHO-rh PDGF-BB细胞/CSS-S水凝胶复合物的制备

75%乙醇浸泡30 min水凝胶材料,无菌环境下干燥1 h,调整细胞悬液浓度为30 000/ml,直接滴加至水凝胶上,37℃、5%CO2孵育2 h,加入DMEM完全培养基1 ml,重新放回37℃、5%CO2孵育,显微镜下观察。

1.2.4 细胞/水凝胶三维复合物的结构观察

1.2.4. 1 细胞/水凝胶三维复合物的光镜观察

通过光学倒置显微镜,更换镜头,分别从100×,200×不同放大倍数,观察培养皿中细胞/水凝胶三维复合物并拍照。

1.2.4. 2 细胞/水凝胶三维复合物的HE染色组织切片观察

将细胞/水凝胶复合物培养3 d后取出,用10%福尔马林固定,梯度酒精脱水透明,再浸蜡包埋后切片、染色、封固,HE染色,显微镜下观察照像。

1.2.4. 3 细胞/水凝胶三维复合物的扫描电镜超微结构观察

将细胞/水凝胶复合物加入3%戊二醛,4℃固定2 h,用PBS浸洗2次后,用梯度酒精脱水,冷冻干燥,真空喷金后放入扫描电子显微镜拍照、观察。

1.3 统计学处理

应用SPSS 13.0进行统计学分析,计数资料采用t检验,P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 MTT法生物相容性测定结果

实验组吸光度值为(0.52±0.11),对照组为(0.57±0.08),差异无统计学意义(P>0.05),提示水凝胶材料对转基因CHO细胞无毒性作用。见图1。

2.2 细胞/水凝胶三维复合物的光镜观察结果

转基因细胞在水凝胶材料上粘附生长,均匀分布于网络结构中。见图2。

2.3 细胞/水凝胶三维复合物的HE染色组织切片结果

光镜下蓝色的转基因细胞与红色水凝胶材料交错分布。见图3。

2.4 细胞/水凝胶三维复合物的扫描电镜结果

-扫描电镜显示,细胞在水凝胶表面粘附生长,呈球形、梭形、多角形。见图4。

3 讨论

1988年,Hammacher等[3]首次从人血小板细胞中分离出PDGF-BB亚型蛋白,后续研究发现其不仅能促进多种重要细胞分裂增殖,还可以诱导与创面愈合有关的生长因子分泌,故在各种创伤愈合中作用显著[4]。但由于局部直接应用生长因子,容易受到创面各种降解酶的影响而,影响其生物学功能的发挥。本研究前期已经成功构建rh PDGF-BB的CHO细胞系,赋予了该细胞新的生物学功能,其可以高效分泌PDGF-BB蛋白。尽管该蛋白经证实,具备促细胞增殖的生物学活性,但显然不能直接应用于创面,必须利用有效保护细胞生长的细胞外基质(extra cellular matrix,ECM)作为支架材料,才能够发挥其治疗作用。

壳聚糖是天然的高分子材料,通过化学修饰后形成的衍生物,可形成水凝胶材料。其溶胀性与柔韧性好,呈不规则立体网状结构排列,内部孔径互相,具备良好的屏障功能且通透性极佳,且与转基因细胞生物相容性良好,细胞可有效粘附生长于支架材料表面及网格内部。该水凝胶材料可起到细胞外基质的作用,从而保持创面湿润,保护创面微环境,进而发挥细胞因子在糖尿病足溃疡病愈合中的作用,还易于观察伤口,为促进糖尿病溃疡修复的研究奠定了一定的基础。

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复合水凝胶 篇5

聚乙烯醇 ( PVA) 作为一种性能优良的合成高分子材料, 近年来得到了广泛的研究与应用[1 -2], 主要包括在食品工程、生物医学工程以及环境工程等[3 -6]。特别是在生物医学工程领域, 可用于人工关节、药物缓释载体、体表创伤敷料等。然而, 由于其表面缺乏细胞识别位点, 细胞相容性较差, 不能单独作为组织工程支架应用。胶原是一种具有良好生物相容性的天然高分子材料, 目前在生物医学工程领域得到了广泛的研究与应用[7]。而单纯胶原凝胶力学强度较差, 耐热性不好, 限制了其在组织工程领域中的应用, 需对其改性来弥补。考虑到聚乙烯醇与胶原各自所特有的性质, 以聚乙烯醇和胶原为原料制备复合型材料, 成为一种简单有效的解决途径。近年来有关PVA与胶原复配的文献报道层出不穷, 如PVA -胶原二元膜[8]、水凝胶[9 -10]、海绵[11]以及微球等, 制备得到的复合材料能够克服各种单一材料各自的缺点, 改善材料的性能。

由于PVA分子上的羟基在温和条件下很难具备较高的反应活性, 因此难以与胶原形成共价结合。已有文献报道多采用物理混合[12]以及紫外线照射[13]的方法。 A.Sionkowska等人[14 -15]已经证实了PVA能够部分与胶原互溶, 极少量的胶原便能够降低PVA的光化学稳定性和提高PVA的光氧化作用。对此, 可通过向PVA分子侧链上引入羧基, 改善PVA与胶原之间的交联反应。由于PVA上的部分羟基被羧基替换, 可选择使用羧基活化剂和交联剂 ( 如碳化二亚胺) 与胶原分子上的氨基基团形成共价交联。

响应曲面设计是利用合理的试验设计方法并通过试验得到一定数据, 采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的函数关系。通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数, 是解决多变量问题的一种统计方法。采用响应曲面法不仅可确定最佳水平范围, 还可对因素间的交互作用进行评价, 而且所需要的试验组数相对较少, 可节省人力物力。因此, 该方法已经成功应用于各种各样的过程优化之中。

本项研究拟先对聚乙烯醇进行化学改性, 使其具有进一步与其它有机成分产生共价键合的基础, 再通过物理交联和化学交联并用的方式制备胶原基复合水凝胶。主要通过响应曲面法对影响水凝胶抗张强度、断裂伸长率等力学性能的响应值进行分析, 通过筛选比较, 确定胶原基复合水凝胶的主要制备参数, 以期能够根据主要制备工艺预测材料的最终性能。

1 试验部分

1. 1 试验材料与仪器

聚乙烯醇 ( PVA) , 分析纯, 平均聚合度1 700 ± 50, 醇解度99% , 成都科龙化工有限公司;

胶原 ( 海绵体, 猪皮原料, 按实验室已建立的方法自制及纯化[16]。采用聚丙烯酰胺凝胶电泳分析发现, 试样在电泳凝胶上主要有3 条分子质量谱带。与标准蛋白谱带相比, 其中2条谱带的分子质量在116. 0k Da附近, 另一条谱带在205. 0k Da附近。这与文献报道的I型胶原分子质量水平十分相似) ;

丁二酸酐 ( SA) 、三乙胺 ( TEA) , 分析纯, 成都科龙化工有限公司;

1 - ( 3 - 二甲氨基丙基) - 3 - 乙基碳二亚胺盐酸盐 ( EDC. HCl) 、N -羟基琥珀酰亚胺 ( NHS) , 分析纯, 上海共价化学科技有限公司。

电子拉力机, Gt - Al - 7000s, 台湾高铁科技股份有限公司;

恒温水浴锅, KXS, 成都科析仪器成套公司;

真空冷冻干燥机, Freeze6, 美国Labconco公司。

1. 2 改性聚乙烯醇的制备及羧基含量测定

准确称取适量聚乙烯醇颗粒, 加入三颈瓶中, 再加入约5 倍质量的二甲基亚砜, 于60℃ 水浴条件下搅拌溶解。待体系充分均匀、稳定后, 加入一定量的三乙胺 ( TEA) , 调节水浴至75℃ 。按不同比例的SA /PVA准确称取丁二酸酐固体, 溶于约3 倍质量的二甲基亚砜中, 滴加到三颈瓶中进行反应。待反应到规定时间 ( 4.5 h) 后, 将产物继续搅拌冷却至室温, 再缓慢滴入到快速搅拌的含有20%Na OH的甲醇溶液中, 使改性聚乙烯醇沉淀析出。析出的改性聚乙烯醇剪碎后浸泡于新的醇碱溶液中, 使其彻底凝固析出。然后, 产物依次经蒸馏水、0. 2mol /L盐酸溶液、蒸馏水充分洗涤, 50℃ 真空干燥至恒重后保存, 标记为改性聚乙烯醇 ( s PVA) 。图1 为丁二酸酐与聚乙烯醇的反应示意图。

( 未完待续)

摘要：以丁二酸酐对聚乙烯醇进行改性制备改性聚乙烯醇, 使其在EDC/NHS交联反应体系下与胶原共价交联。然后, 再采用反复冻融物理交联的方式予以强化, 制备化学交联-互穿网络共存的胶原基复合水凝胶。为了更好地掌握过程中各因素对交联反应的影响, 采用响应曲面设计方法研究了改性聚乙烯醇中的羧基含量、改性聚乙烯醇与胶原质量比、交联剂用量以及冻融循环次数对水凝胶力学性能的影响。结果表明, 响应面模型可以很好地拟合试验条件下所得到的各响应值。与各单因素相比, 各平方项对水凝胶力学性能的影响更为明显。然而, 仍需进一步对其进行结构、化学性能、生物学性能及其体表创伤修复效果等方面的评价。

复合水凝胶 篇6

丝素蛋白(SF)具有独特的二级大分子链段结构、热稳定性和生物相容性等,在生物医学领域备受关注,特别是在细胞增殖、组织工程上具有广泛的应用前景[5,6]。聚氨酯(PU)软硬链段间的微相分离形态和氨酯键间的氢键作用赋予了PU优异的耐磨性、热稳定性、力学性能等[7,8]。基于SF和PU的优异性能,研究者对SF水凝胶和PU水凝胶的研究不断深入,而对SF/PU复合水凝胶的研究较少。本课题组合成的SF/PU复合水凝胶初步测试显示,该水凝胶具有多孔贯穿结构、良好的溶胀性能和抗压性能[9,10,11,12,13]。此外还研究探讨了各因素对SF/PU水凝胶性能的影响程度,结果表明聚乙二醇(PEG)分子量对水凝胶溶胀性能及抗压性能的影响最显著[14,15]。本研究制备了系列不同PEG分子量的SF/PU复合水凝胶,探讨了PEG分子量对水凝胶性能的影响。

1 实验部分

1.1 试剂

聚乙二醇(PEG,Mn=800、1000、2000、3000、4000,化学纯),国药集团化学试剂有限公司;聚氧化丙烯二醇(PPG,Mn=2000,化学纯),南京钟山化工公司;异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI,化学纯),Bayer公司;二羟甲基丙酸(DMPA,分析纯),瑞士Perstop公司;一缩二乙二醇(DEG,化学纯),上海高桥化工厂;三乙胺(TEA,分析纯),上海宁新化工试剂厂;二月桂酸二丁基锡(T-12)、辛酸亚锡(T-9),均为工业级,均来自北京化工三厂;丙酮(工业级),上海东懿化学试剂公司;碳酸钠(分析纯),洛阳昊华化学试剂有限公司;溴化锂(分析纯),天津博迪化工有限公司;透析袋(截留分子量8000~14000),南京奥多福尼生物科技有限公司;蚕茧,安徽农业大学。

1.2 SF/PU复合水凝胶的制备

1.2.1 水凝胶的组成

水凝胶的组成见表1。

1.2.2 SF溶液的制备

称取干燥的蚕茧12g于0.5%(wt,质量分数,下同)的Na2CO3溶液中煮沸30min,重复1次后用开水洗涤6次,再用去离子水洗涤2次,脱除丝胶,置于30℃烘箱中烘干即得丝素纤维。称取其12g于45mL 9.5mol/L的LiBr溶液中,过滤、透析、离心,即得固含量约5.0%的SF溶液,置于4℃的冰箱中备用。

1.2.3 聚氨酯预聚体(PUP)的制备

将定量的IPDI、脱水的PEG、PPG加入三口烧瓶中,88℃下反应3h后降温至60℃,加入定量的DMPA、DEG、T-9、T-12及丙酮,68℃下扩链反应,用二正丁胺滴定法测定—NCO残余量,达到理论值时反应完全。最后加入定量的TEA迅速搅拌10min即得PUP。

1.2.4 水凝胶的制备

将SF与PUP按质量比共混,快速搅拌使其发生初步交联得复合水凝胶。样品固化后,切成小块于30℃下烘干。

1.3 溶胀性能

用称重法研究样品的溶胀行为。选取形状质量相近的样品(~10mm×10mm×10mm,~1.0g),称净重m0,用温控仪与恒温槽,去离子水为溶胀溶液,温度T为35、37、39、41、45℃,间隔时间t用滤纸拭干表面水分,称量此时重量mt,反复操作至重量不变即为溶胀平衡,此时重量为me。按照式(1)、(2)计算不同时间水凝胶的溶胀比(swelling ratio,SR)及平衡溶胀度(Equilibrium swelling ratio,ESR)。同一样品取5组进行测试,计算平均值,绘制SR-t及ESR-T曲线。

式中,m0为干凝胶质量;mt为t时刻水凝胶质量;me为溶胀平衡时水凝胶质量。

1.4 干凝胶形貌

水凝胶溶胀平衡后进行冷冻干燥。用扫描电子显微镜(S4800型,日本Hitachi公司)观察其微观形貌,Pt高压喷金,加速电压为5.0kV。

1.5 抗压性能

用微机控制电子万能材料实验机(RG3010型,深圳瑞格尔仪器有限公司)测定样品的抗压性能。37℃下每组样品取5个于去离子水中溶胀至平衡后切成一定规格(Φ26mm×15mm)进行测试,取平均值为实验结果。

室温下根据GB/T 1041—92进行非限制性压缩测试,压缩速率为3mm/min,绘制应力-应变曲线,记录不同应变下样品的压缩模量和发生不可逆压缩应变时的临界压缩强度。由固体力学理论知单轴压缩时压缩模量等于线性范围内应力应变的比,见式(3)。

式中,E为压缩模量,MPa;σ为弹性变形的压缩应力,MPa;ε为弹性变形的压缩应变,%。

2 结果与讨论

2.1 干凝胶形貌

图1为样品的扫描电镜图。由图可知,水凝胶具有多孔微观结构,孔洞较致密,孔径均在50~300um之间。其多孔结构主要归因于2个方面:一是SF中高活性的—NH2,—OH与残余的—NCO发生化学交联,同时部分—NCO与SF溶液中的水发生反应产生一定量CO2,体系黏度较大气泡较难排出,导致体系中存在很多大孔洞;二是由PU中PEG的致孔性[16,17]造成的。PEG的强亲水性和由此产生的体积间排斥作用形成空间位阻使得在水凝胶中呈现出多孔结构。另外,PEG链段与其他链段间的相分离,导致体系中出现孔洞。

2.2 溶胀性能

图2是37℃下水凝胶的溶胀动力曲线(其他温度时与此类似)。从图中可看出,在初期30h内水凝胶吸水速率较快,随后逐渐减慢,直至达到溶胀平衡。ESR的大小均为SF/PU5>SF/PU4>SF/PU3>SF/PU1>SF/PU2。SF/PU5的ESR可高达8.30,而SF/PU2的ESR均在1.0~1.5之间。由此可知,PEG分子量对水凝胶溶胀性能的影响较大。水凝胶吸水溶胀时,一方面水分子渗入到网络内部使得水凝胶膨胀从而网络得以舒展;另一方面弹性收缩力使得体系收缩,这种相互作用抵消时便达到溶胀平衡[10]。PEG分子量越大,水凝胶溶胀后体积越大,容纳的水分子越多,ESR越大。SF/PU2的ESR小于SF/PU1的ESR,可能是因为SF/PU1中残余—NCO量相对较高,PU与SF交联反应时与水分子反应的—NCO较多,产生的CO2较多,体系内大孔洞较多,吸水溶胀时容纳的水分子较多。从SEM中也可看到,SF/PU1的孔洞明显多于SF/PU2,孔径也较大,从而能贮存更多水。

2.3 ESR与温度的关系

表2为不同温度下的ESR。

由表2可知,温度越高水凝胶的ESR越低,呈现一定的温敏性,且PEG分子量越大温敏性越明显。根据吸水溶胀机理,结构中存在大量的亲水基团,其表层通过配位键或氢键与水分子结合成水合层,外界水分子再与内层的水通过氢键形成结合水层[18]。溶胀温度较低时,亲水基团与水之间大量的氢键占主导,水分子在其周围聚集形成笼状结构,导致亲水性增强。温度升高时,氢键作用减弱,水合结构被破坏,大分子链之间的疏水性作用逐渐增强,分子链收缩蜷曲,致使ESR下降。此外,温度越高水分子热运动越剧烈,水凝胶内外溶液间的渗透压减小,亲水基团与水间的键合作用削弱,内部的水由结合态转变为自由态释放出来,ESR减小。PEG分子量越大,笼状结构越大,ESR较大;温度升高时笼状结构被破坏,ESR明显降低。

2.4 溶胀平衡后体积的增长率(grow rate,GR)

表3为溶胀平衡后体积的增长率。

由表3可知,水凝胶溶胀平衡后体积明显增大,且ESR越大,GR越大。SF/PU5的GR高达770%,而SF/PU2的GR较小,约为150%。水凝胶溶胀时吸收的水越多其内部的分子链越舒展,分子链与水分所占的体积越大,从而水凝胶的体积增加越明显。

2.5 抗压性能

2.5.1 压缩曲线

图3为水凝胶溶胀平衡后在非限制性压缩下的应力-应变曲线。由图可知,水凝胶在受压过程中的压缩强度随位移的变化分为3个阶段,即相对平缓的起始阶段、陡峭的上升阶段和不可逆的破坏阶段。应力-应变曲线表现为典型的非线性关系,水凝胶受到破坏性压缩形变(即Y点)前应力随形变量的增大逐渐增大;当形变达到Y点时,压缩强度随形变量的增加逐渐减小;最后,应力随形变量的进一步增大急剧增加。

水凝胶中PPG形成无定形区、溶胀平衡后内部的水分、氢键作用等都会影响抗压性能。水凝胶受压时内部的水分被挤出,结构随之改变,呈现出独特的压缩行为。受压的初始阶段自由水被挤出,较小的应力就能使水凝胶发生较大的形变。随着压缩的推移,链段的相对位置改变,结构变得紧凑,链段的无规则运动受阻,需要较大的应力才能继续发生形变。应力增大到一定程度时,水凝胶受到破坏性压缩形变,结构坍塌,水分被迫释放出来,压缩强度反而下降。形变量达到一定程度时内部大量水分被驱除,此时承受压缩的主要是聚合物骨架,压缩过程严重受阻,应力急剧增加。

2.5.2 压缩模量

水凝胶发生不可逆破坏时的压缩强度和应变列于表4。水凝胶抵抗形变的能力可用压缩模量(E)来表示,E越大说明抵抗形变的能力越强。采用有限差分析法计算形变量为10%、20%、30%时水凝胶的切线压缩模量,见式(4)[19]。

式中,Eε为水凝胶应变量为ε时的压缩切线模量,Δε取5%。

由表4可知,水凝胶受到破坏性压缩形变之前形变量越大,压缩切线模量越大。发生破坏性压缩形变时水凝胶的形变量均在70%左右,应力均在0.44~0.93MPa之间。应力的大小为PEG1000>PEG800>PEG2000>PEG3000>PEG4000,与ESR成反比,说明PEG分子量对抗压性能的影响较明显。从ESR和SEM可知,水凝胶的孔径越小孔洞越紧密,平衡溶胀时吸收的水越少,ESR越小。链段的相对位置发生改变,网络结构更加紧凑,链段的无规则运动受到的阻碍更大,需要更大的应力才能使水凝胶继续发生形变。

3 结论

复合水凝胶 篇7

关键词：聚苯乙烯-马来酸钠,复合纤维,pH响应,水凝胶,药物释放

响应型智能水凝胶是指在pH、离子强度、温度和电流等环境刺激下,产生物理结构和化学性质变化的一类高分子水凝胶,其在药物释放领域具有广泛的应用前景[1,2,3]。响应速率由扩散过程决定,然而,一般响应型智能水凝胶的扩散系数为0.8~8×10-7cm2/s,低扩散速率限制了其广泛应用[4]。目前,提高水凝胶响应速率的方法主要是减小尺寸或制成多孔材料[5,6]。Hsieh等[7]研究发现直径为几百nm超细纤维水凝胶比普通单层水凝胶膜的响应速率更快。电纺技术可简单有效的“从上而下”制备直径为数μm到几十nm的纤维[8,9]。水凝胶是一种在水中能显著溶胀,但不能溶解的三维网络结构聚合物凝胶,因此只能通过先电纺成纤维后交联的方法制备,如pH响应PVA/PAA[10]和离子响应聚丙烯酰胺-马来酸酐纳米纤维水凝胶先通过电纺后热诱导酯化交联反应制备。然而这些纤维为柔性骨架链结构,浸泡在水中易于发生弯曲而难以保持纤维形貌,使其应用受到限制。

本课题组[6]曾通过电纺制备聚苯乙烯-马来酸钠(SMA Na)纳米纤维水凝胶,骨架为刚性结构,在水中能保持其纤维结构而不粘连,溶胀比高达37.6g/g-1,且显示出很强的离子响应。但是SMA-Na纳米纤维水凝胶很脆,需通过与其他聚合物共混才能有效提高其力学性能。纤维素是可再生的天然高分子材料,而且具有很好的生物相容性、生物降解性等特点,已被广泛用于生物医学领域[11,12]。

本研究将聚苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)与醋酸纤维素(CA)共混,通过电纺制备SMA/CA复合超细纤维膜,后通过交联剂交联形成三维网络结构并水解制得SMA-Na/纤维素超细纤维水凝胶,测试其pH响应效果,最后对其载药性和释药性进行初步研究。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

SMA(Mw=2.1×104g/mol,马来酸酐质量分数30%),美国Sartimer公司;CA(Mn=3.0×104,乙酰基质量分数39.8%),美国Sigma-Aldrich公司;一缩二乙二醇(DEG,分析纯)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC,分析纯)、丙酮(分析纯)和水杨酸(分析纯),中国医药集团上海化学试剂公司;其他试剂均为市售。

注射泵(TS2-60),保定兰格恒流泵有限公司;直流高压电源(DW-P303-IAC),天津东文高压电源厂;真空干燥箱(DZF-6020型),上海一恒科技有限公司。

1.2 SMA-Na-DEG/cellulose纤维水凝胶的制备

参考本课题组前期研究成果[13],将一定量CA与SMA加入DMAc/丙酮(体积比1∶2)的混合溶剂中,配制成浓度为20%(wt,质量分数,下同)的纺丝液,其中m(SMA)∶m(CA)=8∶2,常温下磁力搅拌12h,溶解形成均匀透明纺丝液。然后向该溶液体系中加入3%的交联剂DEG(相对SMA质量)。把上述纺丝液装入内径为16mm,体积为10mL的注射器(针头规格为18)中。然后将该注射器安置在微量注射泵上,将高压电源的正电极夹在注射器的金属针头上,另一个电极与距针头15cm的铝箔纸收集板相连。纺丝过程中的供料速度15μL/min,电压为15kV。制得SMA/CA纤维膜于50℃真空干燥24h。

将SMA/CA纤维膜置于145℃烘箱中交联10min,然后浸泡于0.05mol/L的NaOH/乙醇溶液中水解24h,洗涤至中性,冷冻干燥24h,制得SMA-Na-DEG/纤维素纤维素超细纤维水凝胶。为了对照实验,利用相同的方法制备SMA-NaDEG纤维水凝胶。

1.3 SMA-Na-DEG/纤维素水凝胶的水杨酸释放

按照参考文献[14]的方法测试SMA-Na-DEG/纤维素水凝胶的水杨酸释放。

1.4 测试与表征

用冷场发射扫描电子显微镜(SEM,JEOL-7500LV型,日本JEOL公司)观察样品表面形貌。所有样品都经喷金处理,喷金条件30mA,40s。使用仪器配套软件Smile-View(version2.0)测量直径,求平均值。红外光谱分析采用傅里叶红外光谱仪(FT-IR,700型,美国Thermo Nicolet公司)。

拉伸性能测试采用万能材料试验机(LR5K双立柱5kN,英国LLOYD公司),在室温下进行,拉伸速度为10mm/min,样条尺寸为长60mm,宽10mm,两夹板间距20mm。取屈服点时对应的拉伸强度(σ)和断裂伸长率(ε),杨氏模量(E)按式(1)计算:

重复试验8次,取平均值。

分别使用磷酸氢二钠与柠檬酸缓冲体系、甘氨酸与氢氧化钠体系制备不同pH缓冲溶液,将一定质量纤维水凝胶浸泡在缓冲溶液中一定时间,用滤纸擦去凝胶表面水分,按式(2)计算溶胀比(Q):

式中,Q为溶胀比,g/g;md和mw分别为浸泡前后水凝胶的质量,g。

2 结果与讨论

2.1 SEM分析

将前期研究[13]所制备的纤维在0.05mol/L NaOH/乙醇溶液中水解,得到SMA-Na/纤维素纤维的SEM图[见图1(a)]。结果表明,水解后纤维的形貌并无发生变化。将SMA-Na/纤维素纤维浸泡在水中24h,溶胀后的纤维SEM图见图1(b),可以看出,纤维发生了一定程度弯曲和粘连。在实验过程中还发现纤维泡水后发生明显溶胀,且有部分纤维溶解在水中,说明CA与SMA之间的交联程度低,导致大部分未交联的SMA-Na聚合物溶于水中[15]。图1(c)、(d)分别为通过DEG交联剂交联后泡水前、后纤维的SEM图。可以看出通过DEG交联后,泡水后纤维的形貌并无发生改变。主要是因为DEG的双羟基分别与SMA分子链的酸酐发生反应,起到了交联作用,形成三维空间网络结构。

[(a)SMA-Na/纤维素;(b)水中溶胀的SMA-Na/纤维素;(c)SMA-Na-DEG/纤维素;(d)水中溶胀的SMA-Na-DEG/纤维素]

2.2 FT-IR分析

图2为水凝胶的红外光谱图。可以看出,在1777和1745cm-1处分别为SMA和CA羰基伸缩振动峰,而通过交联并水解后制备的SMA-Na-DEG/纤维素[图2(c)]谱图中,1777和1745cm-1峰消失,在1574cm-1出现了新的振动峰对应为羧酸盐的吸收峰。同时在3375cm-1出现了另外1个新峰,对应为羟基的伸缩振动,表明水解后醋酸纤维素转变为纤维素。

[(a)SMA;(b)CA;(c)SMA-Na-DEG/纤维素]

2.3 溶胀比测试

图3(a)为水凝胶在不同pH条件下的溶胀率。可以看出,pH越大,水凝胶达到100%溶胀所需时间越短,说明水凝胶对pH具有明显响应性。图3(b)为流延法制备水凝胶在不同pH下溶胀率。可以看出pH对水凝胶的溶胀比影响不大,溶胀比(Q)大约为0.3g/g。主要是由于流延法制备的水凝胶为无孔结构,膜比表面积小,因此溶胀比小,对pH响应不明显。图3(c)为pH和离子强度对水凝胶的溶胀比的影响。可以看出:pH为2.5~5.5时,水凝胶溶胀比大约为18.0g/g;pH=9.1时溶胀比达最大,为27.6g/g。

2.4 释放机理探讨

图4为不同pH条件下SMA-Na-DEG/纤维素水凝胶的水杨酸药物释放量。可以看出,20min内水杨酸的释放基本达到平衡。pH为4、7和9所对应的水杨酸释放量分别达到37%、43%和62%。主要因为水杨酸在pH较低时与纤维素膜水凝胶形成氢键,结合力强,而在pH较高时羧基形成钠盐,水溶性增加,因此药物释放量增多。

目前尚未纤维水凝胶的药物释放机理研究报道,本研究参考Peppas的经验公式[16]进行探索性研究,见式(3):

式中,Mt和M∞分别为t时间和无限时间内的释放量,mg/min;K为释放速率常数;n为释放指数取决于释放机理的特征参数。

对式(3)两边取对数,得式(4):

以lgRd对lgt作图,直线的斜率n为释放指数,截距为lgK,如图5所示。对应的释放指数n和释放常数K见表1。由表看出,不同pH下,n变化大不,大约为0.27。Peppas释放模型指出:当0.5<n<0.89时,药物释放机制为非Fickian扩散,因此该水凝胶对药物的释放为Fickian扩散。但是随pH从4增大到9,K从0.165增加到0.314。说明随pH增大水杨酸的释放速率增加,这与水杨酸的溶胀比相吻合。

水凝胶的机械性能测试结果表明,加入纤维素后水凝胶的硬度、杨氏模量和伸长率分别由加入前的3.80×103N/m、0.82GPa和4.68%增加到7.5×103N/m、2.3GPa和22.34%。主要因为SMA-Na纤维比较脆,易断,加入纤维素后起到了骨架的作用[17],因此力学性能提高。

3 结论