磁性水凝胶研究

磁性水凝胶研究（精选8篇）

磁性水凝胶研究 第1篇

关键词：N-异丙基丙烯酰胺,磁性温敏,水凝胶

磁性温敏水凝胶是由磁性纳米粒子和温敏水凝胶复合而成的新型功能材料。磁性纳米粒子在外界磁场作用下可以方便、快速地与介质分离, 已经成为纳米材料合成研究的热点之一。温度敏感水凝胶结构中含有一定比例的疏水和亲水基团, 周围环境温度发生变化会影响这些基团的亲水和疏水性以及大分子链间的相互作用, 从而使材料的结构、胶体性质发生变化, 并伴随着体积相转变的出现。这种独特的转变行为, 使温敏水凝胶在生物医学等领域受到广泛关注。将磁性纳米粒子和温敏水凝胶在一定条件下复合, 得到的材料不仅同时具备磁场和温度双重响应性, 拓展其应用范围, 也解决了单一的磁性纳米粒子在环境中容易引起聚沉和沉淀以及温敏凝胶自身力学性能低的问题。磁性温敏水凝胶的响应性表现在两个方面:一方面是可通过外加的永久磁场将其输送到特定地方;另一方面是利用磁性纳米粒子在交变磁场的作用下可产生热量的特性, 使包埋有磁性纳米粒子的温敏水凝胶发生体积相转变。目前, 赋予了磁性温敏双重响应的智能材料已成为当前环境响应性材料的研究热点, 并且在药物输送与可控释放[1,2]、医学诊断[3,4]、微反应器[5]、催化剂载体[6]、蛋白质分离[7,8]等方面有良好的应用前景。

常见的磁性纳米粒子主要有铁、钴、镍, 或者它们的氧化物以及合金等, 但是钴、镍等存在毒性, 在生物、医药等领域的应用受到严格限制, 而铁的氧化物 (Fe3O4、γ-Fe2O3) 具有价廉易得、无毒等优点, 成为常被采用的磁性组分[9]。温敏水凝胶按其温度响应特点可分为具有最低临界溶解温度 (LCST) 和最高临界溶解温度 (HCST) 两类, 其中前者是水凝胶在低温溶剂中可以充分溶胀, 高温下凝胶分子内发生收缩坍塌, 随即坍塌的分子链之间相互聚集而发生相分离;后者则是水凝胶在低温下处于收缩状态, 高温下发生膨胀[10]。在众多的温敏材料中, 目前研究最多的是具有LCST且与人体温度比较接近的聚 (N-异丙基丙烯酰胺) (PNIPAM) 类[11]。因此, 本文将着重综述以PNIPAM为基质的磁性温敏水凝胶微球和微胶囊两种结构复合凝胶的研究进展和主要研究成果, 并对其发展前景进行展望。

1 磁性温敏水凝胶微球

磁性温敏水凝胶微球是由磁性组分和温敏水凝胶以不同形式复合生成的核/壳结构的微球, 该结构由于粒子尺寸小而表现出许多不寻常的特点, 如大的比表面积, 表面易于通过各种反应得以功能化等, 使其具有较大的功能基团密度、电荷密度以及较好的分散稳定性, 从而特别适于生物医学领域的应用。制备磁性温敏微球的方法也多种多样, 从早期的原位生成法, 到后来的单体聚合法以及现在的光辐照法、自组装法和可逆加成链转移法等。本文根据制备过程中磁性粒子的来源将其分为原位生成和现成引入两种方法分别论述其制备以及应用。

1.1 在温敏微凝胶中原位生成磁性纳米粒子

原位法首先利用单体聚合制备水凝胶, 并同时在其结构中引入能与铁盐形成配位键或离子键的基团, 如-NH2、-COOH、-SO3H、-NO2等。然后将一定浓度的Fe2+和Fe3+渗透到凝胶内部与上述基团固定, 并升高pH值使Fe2+和Fe3+在凝胶网络中形成Fe3O4 (反应方程式如式 (1) 所示) , 从而制备双重响应微球。

Retama等[12]首先制备了表面富含羧基的PNIPAM微凝胶, 然后在其中原位生成粒径约6nm的γ-Fe2O3纳米粒子微球。内嵌在水凝胶网络中的磁性纳米粒子引起了微球相转变行为的变化, 当磁性纳米粒子的量为18%时, 其LCST有所提高, 表现在36~40℃之间;而当磁性纳米粒子的量增加到38%时, 几乎观察不到微球的相转变, 说明磁性纳米粒子对PNIPAM分子链的运动有阻碍作用。

Kawaguchi等[13]首先制备了聚甲基丙烯酸缩水甘油酯/聚 (N-异丙基丙烯酰胺) (PGMA/PNIPAM) 核壳微球。他们利用核上的环氧基团与巯基化合物反应引入离子基团, 然后通过这些离子基团的诱导原位合成Fe3O4纳米粒子, 最终得到粒径均一的核/壳结构微球, 其中磁性Fe3O4纳米粒子在核内部富集, 质量分数高达33%, 而在壳层凝胶中并没有出现。这种结构可以防止在交变磁场中的磁泄漏或在外部的聚集。

Du等[14]用丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷 (TMSPMA) 和NIPAM共聚, 所得共聚物与铁盐一步完成共沉淀和硅烷化反应, 将Fe3O4纳米粒子包裹在温敏聚合物中, 具体制备路线如图1所示。利用该方法制备得到的磁性温敏微球的磁饱和强度和共聚物层的百分含量呈线性关系, 随着共聚物含量的增加, 磁饱和强度下降。

原位法制备磁性温敏微球可以引入足够量的磁性组分, 且其在微球中分布均匀, 缺点是过程复杂, 周期较长, 生产效率低, 而且温敏水凝胶网络结构在强碱条件下会受到一定的破坏。

1.2 将现成的纳米粒子引入温敏水凝胶中

Ramanujan等[15]首先以NIPAM为单体, N, N′-亚甲基双丙烯酰胺 (MBA) 为交联剂, N, N, N′, N′-四甲基乙二胺为促进剂合成温敏微凝胶。在氮气氛下, 将3~5μm的Fe3O4或者4.08μm的Fe粉加入到凝胶体系中搅拌均匀, 最后, 加入引发剂过硫酸钾 (KPS) , 使该混合物静止放置2h后提纯, 制备了Fe3O4/PNIPAM磁场敏感性微球, 并探究复合微球在磁热疗方面的应用。Satarkar等[16]选择操作简单的紫外光辐照引发聚合, 利用温敏单体和预先制备好的Fe3O4纳米粒子, 制备了一系列不同交联度和磁性粒子含量的Fe3O4/PNIPAM磁场敏感性微球。

Shamim等[17]利用预先经表面活性剂稳定的Fe3O4粒子作为种子, 并以NIPAM为温敏单体, MBA为交联剂, KPS为引发剂, 制备平均粒径为12nm的由温敏水凝胶包覆Fe3O4纳米粒子的复合微球, 同时考察了其对牛血清白蛋白的分离纯化, 发现其效果显著, 具体吸附与解吸路线如图2所示。复合微球在40℃溶液中将蛋白质分子吸附到温敏水凝胶网络中, 经过磁分离后, 将复合微球转移至20℃溶液中, 由于水凝胶在低温下膨胀使蛋白质分子有效释放, 从而实现对蛋白质分子的分离。

Xiao等[18]通过一步简单的配体交换反应, 将可逆加成链转移剂 (S-1-十二烷基-S′ (α, α′-二甲基-α″-乙酸) 三硫代碳酸酯) 引入到预先经油酸改性的Fe3O4粒子表面, 随后以偶氮二异丁腈为引发剂, 由单体NIPAM和丙烯醛 (AL) 聚合反应得到具有核/壳结构、粒径在20nm左右的双重响应微球Fe3O4/P (NIPAM-AL) , 该微球对牛血清白蛋白具备较强的分离能力。如图3所示, 当温度高于15℃时, 复合微球水分散液由澄清变浑浊, 说明微球在该温度下发生体积相转变, 其复合微球水分散液透过率在15℃之后明显降低, 确定复合微球的LCST为15℃。此外, 在水分散液周围外加磁场时, 微球均被吸附在一侧, 证明其具备良好的磁性。

图3 Fe3O4/P (NIPAM-AL) 复合微球水分散液受温度和磁场影响的变化图片及波长为800nm时1%的Fe3O4/P (NIPAM-AL) 复合微球水分散液透过率随温度的变化曲线[18]Fig.3 Photos of temperature and magnetic field responsive behavior of aqueous dispersion of Fe3O4/P (NIPAM-AL) microspheres, and temperature dependence of optical transmittance at 800nm for 1wt%aqueous dispersion of Fe3O4/P (NIPAM-AL) microspheres[18]

Chen等[19]直接使用TMSPMA对Fe3O4纳米粒子作硅烷化修饰, 改性后的Fe3O4纳米粒子自身成为一种交联剂。随后以NIPAM为单体完成无皂乳液聚合反应, 制备Fe3O4/PNIPAM复合微球。该方法的不足之处是制备的粒子粒径不均匀, 从100~500nm不等, 样品的透射电子显微像 (TEM) 如图4 (a) 所示。从微球的TEM放大图像 (图4 (b) ) 中可以看出, Fe3O4纳米粒子在微凝胶中均匀分布。图5 (a) 为复合微球动态直径随温度的变化曲线, 在30℃附近, 其平均动态直径由920nm降低到300nm。从图5 (b) 中复合微球在300K和10K的磁滞回线可以看出, 在这两种温度下复合微球的磁饱和强度分别为7.5emu/g和8.8emu/g。

图5复合微球的动态直径随温度变化曲线 (a) , 复合微球分别在300K和10K的磁滞回线 (b) , 微球的矫顽力和剩磁强度 (c) [19]Fig.5 The hydrodynamic diameters of the hybrid microspheres as a function of measuring temperature (a) ;the magnetization hysteresis loops of the hybrid microspheres at300Kand 10K (b) ;the coercivity and remanence magnetization of corresponding samples (c) [19]

Kim等[20]首先分别制备了超顺磁性纳米粒子和聚 (N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酰胺) -己内酯。随后将二者按照一定比例混合并制成薄膜, 干燥后的薄膜溶于少许四氢呋喃中, 在剧烈的超声作用下逐滴加入到蒸馏水中, 待大部分溶剂蒸发后抽滤得到磁性温敏复合微球。图6 (a) 为装载阿霉素 (DOX) 的复合微球利用330kHz交变磁场作用10min, 加热前 (上) 和加热后 (下) 的热像图片, 可以看出不同磁场振幅强度 (77Oe和140Oe) 处理的微球能够自身产生热量, 最终温度分别达到43℃和50℃。同时, 利用磁场加热处理的微球DOX释放率明显高于水浴加热 (图6 (b) ) , 而从图6 (c) 中复合微球的药物释放曲线可看出, 经过不同温度的循环释放, 700min后被装载的DOX释放完全, 更进一步证明其磁靶向效应的优异性。复合微球也可以用于磁共振成像的对比剂, 并且可能进一步应用于核磁共振成像向导和肿瘤的光热治疗等。

图6装载DOX的复合微球的热像图片 (a) ;水浴加热和磁场加热两种条件下DOX的累积释放量对比 (b) ;水浴加热不同温度下DOX的释放曲线 (c) [20]Fig.6 Thermal images of the DOX-loaded magnetic thermosensitive microspheres solution (a) ;comparison of the cumulative DOX release for microspheres as a result of conductive heating in a water bath vs magnetically induced heating (b) ;cumulative amount of DOX released from microspheres at different temperatures induced by heating in a water bath (c) [20]

Deng等[21]首先在柠檬酸改性的Fe3O4纳米粒子表面包覆一层很薄的SiO2, 然后用TMSPMA对其表面进行修饰, 再通过沉淀聚合形成PNIPAM壳层。得到的亚微米微球具有典型的核/壳结构, 显示出磁性和温敏性。将微球应用于阿霉素体外释放, 结果表明微球的释放具有温度可控性, 同时交联度稍高的载药微球具有更长的药物释放时间;应用于小鼠肿瘤治疗, 动物试验结果表明微球具有较高的磁靶向性, 同时微球的副作用研究证明其为低毒性。

Pichot等[22]开发出三步法制备磁、温度双重响应性夹心微球。第一步先合成表面带正电荷的水凝胶微球, 第二步通过经典相互作用使Fe3O4纳米粒子吸附在聚合物微球的表面, 第三步以上述吸附了磁性纳米粒子的微球作为种子, 通过NIPAM的沉淀聚合在其表面包覆PNIPAM。其磁性组分的含量为6%~23%不等。但这种方法比较繁琐, 反应过程也难以控制。

Wong等[23]首次使用聚电解质聚苯乙烯磺酸钠对PNI-PAM表面改性, 基于Layer-by-Layer (LBL) 自组装法将磁性Fe3O4纳米粒子引入到PNIPAM微凝胶表面, 并通过聚电解质和磁性纳米粒子之间不同电荷的相互作用, LBL组装形成多个包覆层, 最终得到了双重响应微球。这种方法的优点在于组装时可以控制磁性粒子和温敏水凝胶的量以确保所制备的核/壳复合结构仍然维持原有的磁性和温敏特性。

Kondo等[24]采用两步无皂乳液聚合的方法制备了磁性温敏微球, 并进一步采用碳化二亚胺法将胰蛋白酶固定在微球上, 实验结果表明, 经过这种微球固定的蛋白酶仍具有非常高的活性。

2 磁性温敏水凝胶微胶囊

磁性温敏水凝胶微胶囊结构稳定, 内部的空心能容纳大量的或者大的客体分子, 其囊壁渗透性能够随环境温度的变化而改变, 尤其适合于药物控制释放系统。磁性粒子组分能够在磁场作用下很快从其分散体系中分离或发生定向移动。因此, 磁性温敏微胶囊在磁靶向控释系统中, 实现药物的定位释放, 可以达到高效、低副作用的效果。制备微胶囊的一般过程是首先合成由无机物或有机物包覆磁性纳米粒子的核/壳微球, 其次在微球表面聚合NIPAM得到磁性温敏微球, 最后采用化学方法对种子微球部分进行腐蚀, 即得到空心磁性温敏微胶囊。

复旦大学汪长春课题组对磁性温敏微胶囊的合成及应用做了深入的研究, 其中Guo等[25]首先用改进的St9ber方法制备了二氧化硅包覆四氧化三铁粒子, 再依次进行表面双键改性和NIPAM的沉淀聚合, 最后通过调节NaOH浓度和体系的离子强度实现对SiO2的选择性定量溶解, 从而得到具有可移动磁核的PNIPAM微胶囊。他们还利用磁性温敏微胶囊的受限空间效应, 将荧光素小分子键合到磁核内部, 便于在细胞级别上观察微胶囊具体的靶向位置、荧光示踪和标记功能, 使得微胶囊更具有智能性。Chen等[26]首先用细乳液技术制备了含有Fe3O4磁性纳米粒子和油溶性引发剂偶氮二异丁睛的乙酸丁酯油性小液滴。然后利用该油性液滴作为一种软模板, 在外面包覆交联的PNIPAM。为了控制水凝胶层的厚度, 可以进一步使用沉淀聚合的方法继续包覆交联的PNIPAM。最后反应中使用的软模板以蒸发的形式除去, 从而得到具有磁性纳米粒子的PNIPAM微囊。图7为制备的不同复合微胶囊样品的TEM和SEM照片 (所有样品均用2%磷钨酸负染) , 可以看出含有磁性纳米粒子的PNIPAM微囊在硅片上形成了煎蛋状的扁平结构。磁性纳米粒子处在中心部位形成类似蛋黄的结构, 而水凝胶壳层则平整地铺在外部。这些SEM照片得到的扁平结构也可以作为产物中空心结构存在的证据。应用实验结果显示, 在体外细胞中这种多功能微囊体现出良好的癌细胞靶向性, 证明其在癌症治疗方面具有较好的应用前景。

图7不同复合微胶囊的TEM图 (a, b, c) 和不同复合微胶囊的SEM图 (d, e, f) [26]Fig.7 TEM images of different magnetic-thermoresponsive microcontainers (a, b, c) and SEM images of magnetic thermoresponsive microcontainers of different samples (d, e, f) [26]

Liu等[27]基于自组装的方法, 通过离子交联技术, 以共沉淀法制备的甘氨酸改性Fe3O4纳米粒子为原料合成超顺磁性温敏纳米胶囊, 具体过程如图8 (a) 所示。首先无皂乳液聚合得到聚 (丙烯酸丁酯/异丙基丙烯酰胺/丙烯酸) 三元共聚物纳米颗粒, 再将Fe3O4/甘氨酸交联到共聚物壳层, 最后利用丙酮将核结构刻蚀。图8 (b) 显示所制备三元共聚物纳米颗粒粒径为120nm左右, 交联温敏水凝胶后粒径增加至150nm左右, 得到的微胶囊受到磁性影响呈轻微的聚集态。研究表明, 该纳米胶囊对治疗荨麻疹药物双哌达莫具有良好的缓释性能。

图8模板法合成复合微胶囊的路线图 (a) 及复合微胶囊的TEM图 (b) [27]Fig.8 Synthetic route of the polymeric hybrid nanocapsules via the“selftemplating”approach (a) and the TEM images of the samples (b) [27]

3 结语

随着环境响应性聚合物材料越来越引起人们的关注, 磁性温敏水凝胶的开发已成为聚合物材料的重要研究方向之一, 尤其是在生物医药和生物工程等研究领域得到了高度的重视。虽然目前磁性温敏水凝胶的前期研究比较多, 但要真正应用在临床上, 并且集高磁靶向效果、快速温度响应、药物在靶区的可控释放及材料的低毒性和可降解性于一身, 仍有一定的难度, 对于研究人员来说也具有相当大的挑战。因此, 今后几年磁性温敏水凝胶的发展方向将主要围绕以下3个关键问题。

(1) 实现粒径的均一性。利用单体聚合法制备的水凝胶粒径不一致, 应用过程中会出现载药不均匀、影响释放效率等问题。

(2) 协调快速响应性与粒径的关系。为了确保微球具有较高的磁响应性, 往往以提高粒径为代价, 而粒径的提高不仅降低了其在溶液中的悬浮稳定, 而且使其比表面积大幅度降低。除此之外, 磁响应的提高也势必影响到温度效应和载药率等因素。因此, 未来水凝胶制备的目标之一是获得高磁响应性、高比表面积和温度快速响应的微凝胶。

(3) 生物相容性问题。目前, 药物的传送受到体内复杂脉管的阻碍, 只能接近皮肤表面附近的组织。未来将要探讨的问题是如何降低材料自身的生物毒性、防止在传送过程中药物的渗漏以及如何控制在病区药物的释放量及速度。

磁性水凝胶研究 第2篇

非水凝胶原位聚合法制备含钐PMMA材料的研究

将无水三异丙氧基钐直接加入甲基丙烯酸甲酯(MMA)中会迅速形成凝胶,通过原位聚合可获得含钐的PMMA固体材料.研究表明,随钐含量的.提高,含钐PMMA的结构逐渐由线型向交联网状体型转变,并使材料耐热性、耐溶剂性及贮能模量提高;ESEM表明,含钐PMMA呈交联网络蜂窝结构,未见聚集体,钐元素在体系中均匀分布;同时该材料呈现钐离子的特征荧光,在所测定的浓度范围内,荧光强度随钐含量增加而提高.

作 者：林美娟 章文贡 王文  作者单位：福建师范大学高分子研究所,福州,350007 刊 名：物理化学学报  ISTIC SCI PKU英文刊名：ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA 年，卷(期)： 18(8) 分类号：O631.1 关键词：非水凝胶原位聚合法   PMMA   三异丙氧基钐  

智能水凝胶的制备研究 第3篇

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

傅立叶变 换红外光 谱仪,电热鼓风 干燥箱(1109531A),DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器,HH-S型恒温水浴锅,GOCOC型玻璃仪器气流烘干器,AL204电子天平。

N- 乙烯基吡咯烷酮 (NVP)(分析纯,反应前经减压蒸馏除去阻聚剂),丙烯酸(AA,化学纯),过硫酸钾 (K2S2O8,分析纯),N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(化学纯)。

1.2 NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶的制备

在约50m L的大试管中按一定比例加入N- 乙烯基吡咯烷酮、丙烯酸、水 , 置于45℃的恒温水浴锅中,待试管中温度恒定后,加入引发剂过硫酸钾、交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺,并将大试管置于加热套中 , 在恒温加热磁力搅拌器中边搅拌边加热升温至65~70℃,并保持在这一温度范围内反应 , 待引发剂交联剂完全溶解后,观察混合液的状态和温度变化情况。共聚反应及生成水凝胶是在短时间内完成的 , 所以 , 当体系温度突然升高或混合液变稠时 ,就要停止加热和搅拌,试管中呈无色透明状的胶体即为NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶。将新制得的水凝胶放入盛有蒸馏水的烧杯中2d,期间每2~3h换一次水,充分纯化后在温度为70℃的电热鼓风干燥箱内充分干燥至恒重。

1.3 水凝胶溶胀率的测定

采用称重法来测定不同反应条件下制得的水凝胶的溶胀率 (SR)。在温度恒定的条件下,将NVP/丙烯酸共聚物水凝胶浸泡于特定的介质中,使其溶胀吸水,间隔一定时间后取出,用滤纸快速除去水凝胶表面水分后称其质量,按下式计算溶胀率。

SR=(Wt-Ws)/Ws ×100%

式中Wt表示t时刻水凝胶的总质量;Ws表示干水凝胶的质量。

1.4 水凝胶失水率的测定

采用称重法来测定一定条件下制得的水凝胶的失水率Q。将溶胀吸水平衡后的水凝胶放入恒定温度的电热鼓风干燥箱中进行干燥,定期取样称其质量 , 直至恒重,即干燥完成。按下式计算水凝胶的失水率。

Q=(W湿-Wt)/(W湿-Ws)×100%

其中W湿 表示在开始干燥之前水凝胶的总质量;Wt表示时间t时刻水凝胶的总质量;Ws表示干水凝胶的总质量。

2 结果与讨论

2.1 反应物的配比对水凝胶吸水率的影响

固定丙烯酸单体的质量,固定恒温水浴锅及恒温磁力油浴锅的反应温度,引发剂的用量为单体的4%,交联剂的用量为单体质量的7%,然后在不同试管中加入不同质量的N-乙烯基吡咯烷酮,在上述条件下制备出水凝胶,充分纯化、干燥后,取形状、质量大致相同的水凝胶分别置于6个盛有蒸馏水的烧杯中使其充分溶胀吸水,考察不同反应物的配比对水凝胶吸水率的影响,计算溶胀平衡时各SR值,绘制曲线如图3所示。

由图1可以看出,随着N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)和丙烯酸单体 (AA) 的比例增大,水凝胶的吸水率是先增大,后减小,当丙烯酸单体 (AA) 和N-乙烯基吡咯烷酮 (NVP) 的比例为1∶1.1~1∶1.2时,水凝胶的吸水效果最好。原因是N-乙烯基吡咯烷酮的量过小,丙烯酸的用量相对过多时,丙烯酸发生均聚,吸水率就会降低;随着N-乙烯基吡咯烷酮的浓度增加,反应物接触面积越大,活化分子相互碰撞的几率就越大,就越有利于共聚反应,形成的共聚物水凝胶吸水率就变大;当丙烯酸用量很少时,N-乙烯基吡咯烷酮的浓度相对很大,NVP庞大的刚性侧基进入分子链而引起大分子网链的高弹性变差,吸水率降低[1]。

2.2 交联剂的用量对水凝胶吸水率的影响

固定丙烯酸单体和N- 乙烯基吡咯烷酮的质量比为1∶1.17,固定恒温水浴锅及恒温磁力油浴锅的反应温度,引发剂的用量为单体的4%,然后在不同试管中加入不同质量的交联剂,在上述条件下制备出水凝胶,充分纯化、干燥后,取形状、质量大致相同的水凝胶分别置于6个盛有蒸馏水的烧杯中使其充分溶胀吸水,考察不同交联剂的用量对水凝胶吸水率的影响,计算溶胀平衡时各SR值,绘制曲线如图2所示。

由图2可以看出,随着交联剂用量的增加,水凝胶的吸水率先增加后减小,当交联剂的用量为单体质量的7%~8% 时,吸水效果最好。水凝胶形成三维网状结构的主要原因就是交联剂,当交联剂用量很少时,不利于较好地形成三维网状结构,因此吸水率低;随着交联剂用量的增加,水凝胶的吸水率也会随之增加;当交联剂用量继续增大时,交联点增多,交联密度增大,这样形成的三维网孔就会因为相互挤压而变小,其网链的高弹性就较差,因此溶胀比降低,故吸水效果不好[2]。

2.3 引发剂用量对水凝胶吸水性能的研究

固定丙烯酸单体和N-乙烯基吡咯烷酮的质量比为1∶1.17,固定恒温水浴锅及恒温磁力油浴锅的反应温度,交联剂的用量为单体的7.5%,然后在不同试管中加入不同质量的引发剂,在上述条件下制备出水凝胶,充分纯化、干燥后,取形状、质量大致相同的水凝胶分别置于6个盛有蒸馏水的烧杯中使其充分溶胀吸水,考察不同引发剂的用量对水凝胶吸水率的影响,计算溶胀平衡时各SR值,绘制曲线如图3所示。

从图3中可以看出,随着引发剂用量的增加,溶胀率大体上呈现出先上升后下降的趋势;引发剂含量在4.5% 的时候,溶胀率达到最高。这是由于引发剂用量低时,体系中活性自由基较少,反应速度较慢,不易得聚合产物,故溶胀率低;而引发剂用量过多时,容易聚合不均匀,使得聚合物相对分子质量减小,网络结构收缩,也使得溶胀率低。这表明引发剂用量是影响聚丙烯酸水凝胶溶胀率的一个因素[3]。

2.4 p H 对水凝胶吸水率的影响

配制6份溶液,调节p H值在3~12之间,将充分纯化、干燥后的水凝胶,取形状、质量大致相同的6小块称其质量依次放入配置好的溶液中,使其充分溶胀吸水,考察不同p H对水凝胶吸水率的影响,计算溶胀平衡时各SR值,绘制曲线如图4所示。

由图4可以看出,水凝胶的吸水倍率随着p H的增加而增加,p H为7~9之间,水凝胶的吸水效果最好。酸性条件下,具有亲水性的 -COO-质子化为亲水相对较弱的 -COOH,此外由于水凝胶内氢键的作用,凝胶网络空间减小,亲水能力及容纳水的能力都减小,所以吸水倍率下降。随着p H的增大, -COOH被中和,-COO-增多,氢键也被破坏 ,吸水倍率逐渐增加。当碱性较强的时候,-COO^{之间的静电排斥力使得网状结构不稳定,吸水倍率减小[4,5]。}

2.5 NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶在不同盐溶液中的溶胀情况

用固体Na Cl配制质量浓度分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0% 的盐溶液,将充分纯化、干燥后的水凝胶,取形状、质量大致相同的6小块称其质量依次放入配置好的溶液中,使其充分溶胀吸水,考察不同盐溶液对水凝胶吸水率的影响,计算溶胀平衡时各SR值,绘制曲线如图5所示。

由图5可以看出,随着盐溶液浓度的增加,溶胀率随着时间的增加呈现降低趋势。这表明随着盐溶液浓度的增加,NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶的溶胀性能下降。水凝胶内部与水凝胶外部水溶液的浓度不同,在内外两侧之间产生渗透压,且内部浓度大于外部,故凝胶吸水。当被吸收的水中含有盐时,水溶液中离子浓度增加,水凝胶内外的浓度差减小,水向凝胶里渗透的渗透压降低,故吸水能力下降,且氯化钠溶液的浓度越大,凝胶内外的渗透压差越小,吸水能力越小,即溶胀性能越差。同时这些离子还可能与一些亲水基团结合,形成络合物,影响水凝胶的吸水平衡,使水凝胶的吸水倍率下降[6]。

3 结论

1) 以N-乙烯基吡咯烷酮 (NVP)、丙烯酸 (AA) 为原料,N ,N′-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,过硫酸钾为引发剂,采用自由基聚合合成NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶。

2) 当丙烯酸单体 (AA) 和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP) 的比例为1∶1.1~1∶1.2时,NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶的吸水效果最好。

3) 随着交联剂用量的增加,NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶的溶胀率呈现出先增加后降低的趋势。当交联剂的含量为丙烯酸单体质量的7%~8% 时,水凝胶的溶胀性能最好。

4) 随着引发剂用量的增加,NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶的溶胀率呈现出先增加后降低的趋势。当引发剂的含量为丙烯酸单体质量的4%~5% 时,水凝胶的溶胀率达到最高。

5)NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶的吸水倍率随着p H的增加而增加,p H在7~9之间时,水凝胶的吸水效果最好。

6) 随着盐溶液浓度的增加,NVP/ 丙烯酸共聚物水凝胶溶胀率随着时间的增加呈现降低趋势。

参考文献

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磁性水凝胶研究 第4篇

关键词：微凝胶,阳离子共聚物,离子键交联,复合水凝胶

可注射水凝胶由于具有一定的学术研究价值和在生物材料方面的潜在应用价值,一直以来受到广泛关注。注射高分子凝胶材料中,纳米尺度的高分子微凝胶微粒为非线性高分子体系,其特殊的微粒结构使得微凝胶分散体系与同浓度的高分子体系相比具有极低的黏性,有利于注射成型。因此,以微凝胶为基础,利用pH诱导、静电引力或共价键链接等方式原位构建水凝胶成为了可注射水凝胶快速发展的研究领域之一。pH响应微凝胶是一种交联的聚合物胶体微粒,在体系pH达到某一临界值后,微凝胶颗粒中的特殊基团(如羧基、氨基)发生电离或质子化反应,颗粒溶胀,体积增大。表面乙烯基功能化修饰的pH响应微凝胶,溶胀后相邻颗粒间的烯烃基团在引发剂作用下发生交联,形成共价键链接的双交联微凝胶,这类特殊结构的水凝胶具有一定的柔韧性。

碱溶胀型聚丙烯酸类微凝胶和酸溶胀型聚乙烯基吡啶微凝胶相混合,在静电引力作用下形成多相聚集体结构,微观结构随pH变化而改变,在较低或较高pH下形成物理凝胶,凝胶的储存模量受pH影响在几千到几十万帕斯卡范围内发生变化。线性聚合物引入pH响应微凝胶体系,一定程度上可增加相应复合凝胶的柔韧性,增加程度与聚合物结构有关。

阴离子型pH响应微凝胶/阳离子聚合物在静电引力作用下形成可逆的物理交联复合水凝胶体系,本研究建立了离子键交联的pH响应微凝胶/离聚物的复合水凝胶体系,考察了离聚物对凝胶结构和柔韧性的影响。通过调节微凝胶和离聚物的组分比控制微凝胶的排列方式,从而为精确控制水凝胶微观结构和调节机械性能提供了新的方法,这种复合水凝胶有可能准确地模拟生物组织的结构,为制备新型生物制动器和生物软组织材料提供依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

甲基丙烯酸(MAA,99%)、甲基丙烯酸甲酯(MMA,99%)、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA,98%)、甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯(DMA,95%),Sigma-Aldrich公司;十二烷基硫酸钠(SDS,98.5%)、甲基丙烯酸-β-羟乙酯(HEMA,98%),TCL公司;过硫酸铵(APS,99.99%)、溴化亚铜(99.0%),2,2′-联吡啶(99.0%)、2-溴代异丁酸乙酯(98%)购于Aldrich公司。反应中所用去离子水为Ω=18.25的二次水。

酸度计(PB-10型),德国赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;核磁共振氢谱(AC-P400型),德国布鲁克公司;GPC(270型),德国赛默飞世尔公司;激光粒度仪(ZetaPlus)及Zeta电位分析仪,美国布鲁克海文公司;高解析热场发射扫描电子显微镜(JSM-7001F型),日本JEOL公司;流变仪(哈克第三代MARS),德国赛默飞世尔公司。

1.2 poly(MMA/MAA)微凝胶的合成

用半饥饿-种子乳液聚合法制备MMA和MAA的交联微凝胶poly(MMA/MAA)[6],即在装有械搅拌器、冷凝管、恒流管的四口瓶中加入SDS溶液(1.3g SDS+270g去离子水),80℃水浴下通氮气30min。取混合单体(98g MMA+49g MAA+1g EGDMA,约为单体总量的1/8)加入四颈瓶中,立刻加入1.5946g 10%K2HPO4水溶液和1.7920g 8.6%APS水溶液反应30min,然后将剩余单体以1.25g/min的速率滴加入四口瓶中,待单体滴加完后,再加入1.5404g APS溶液,继续反应2h,得到乳白色的乳状分散液,为poly(MMA/MAA)微凝胶分散体系。去离子水中透析除去表面活性剂、未反应的单体及其他小分子等物质,得poly(MMA/MAA),备用。

1.3 阳离子共聚物poly(HEMA-co-DMA+)

在双口瓶中加入一定量氯化亚铜,2,2′-联吡啶,连续通氮气—抽真空3次,迅速将通氮气1h的2-溴代异丁酸乙酯、甲醇、HEMA和DMAM转移至瓶中,在氮气保护下40℃反应24h。将得到的黏稠共聚物混合物经稀释、过氧化铝柱、沉淀,得到纯化的共聚物。提纯后的共聚物溶于水和甲醇的混合溶液,加入适当比例的碘化钾,调节pH约为8,常温反应24h,得到阳离子化的共聚物poly(HEMA-co-DMA+),备用。

1.4 复合水凝胶制备

将纯化后的poly(MMA/MAA)微凝胶与poly(HEMA-co-DMA+)按一定比例充分混合,用NaOH溶液调节混合体系pH,得离子键交联的微凝胶基复合水凝胶。

2 结果与讨论

2.1 Poly(MMA/MAA)微凝胶的表征分析

图1为Poly(MMA/MAA)干态微凝胶的SEM图和湿态粒径随pH变化图。从图1(a)、(b)看出,poly(MMA/MAA)微凝胶分散性良好,颗粒接近球形,干态粒径分布范围为40~70nm。激光粒度仪分析结果显示微凝胶颗粒大小随pH改变而改变。微凝胶在水中分散,由于其中含有约1/3的MAA,MAA具有较强的亲水性,因此湿态微凝胶颗粒较大。由图1(c)看出,pH为5时,颗粒粒径约为160nm(以球形颗粒计);pH从7升到8,粒径增大显著,因此可以判定该微凝胶的pKa值约为7.5,具有良好的pH响应性。

2.2 poly(HEMA-co-DMA+)共聚物的制备

HEMA和DMA的混合单体溶于甲醇,经原子转移自由基聚合得到共聚物[11],GPC测定此时共聚物的数据分子量约3.6×104g/mol(PDI为1.67)。共聚物中的DMA组成部分进一步进行季铵化反应,形成阳离子型共聚物poly(HEMA-co-DMA+),1H-NMR核磁结果证实季铵化反应较为彻底。

2.3 复合水凝胶的形成及流变行为研究

Poly(MMA/MAA)微凝胶和阳离子共聚物poly(HEMA-co-DMA+)在低pH(~5)下相混合,体系具有较好的流动性。升高混合体系pH(大于7.5),poly(MMA/MAA)中MAA分子上羧基发生电离,形成羧酸根离子(—COO-),微凝胶颗粒表面的—COO-与临近DMA+链上的—(CH3)3N+阳离子在静电引力作用下形成离子键交联点;与此同时,微凝胶颗粒内仍留有大量羧酸根离子,造成微凝胶颗粒内外形成渗透压,从而造成微凝胶颗粒吸收水分,发生溶胀。实验浓度下(质量分数为15%的微凝胶),溶胀的颗粒间相互挤靠、互穿,形成物理交联网络。在上述离子键交联和物理交联互穿作用下,体系形成较为稳定的复合水凝胶体系。

图2为不同放大倍数下的复合水凝胶及单独由微凝胶形成的物理凝胶的SEM图,图2(a)、(b)为微凝胶升高pH形成的物理凝胶经冷冻干燥后制得的样品,图2(c)、(d)为复合水凝胶(w(微凝胶)/w(共聚物)=15/2)冷冻干燥后制得的样品。可以看出,复合水凝胶和微凝胶形成的物理凝胶在微观结构上差别很大。微凝胶形成的物理凝胶形成较大的孔洞(直径约3~4μm),孔洞之间有较厚的壁。同样条件下制备的干态复合水凝胶类似于珊瑚,交联结构明显,孔与孔之间互相贯通,更有利于流动介质传送,这种网络结构具有潜在的生物软组织修复的应用价值。

阳离子共聚物的添加对复合水凝胶流变性的影响如图3所示,图3(a)、(b)分别为固定微凝胶质量分数为15%,添加不同质量分数阳离子共聚物时的复合水凝胶样品在25℃、扫描频率为1Hz下测得储存模量和损耗因子随应变的变化曲线;图3(c)为不同的共聚物含量的复合微凝胶在应变为1%时的储能模量(G′)和损耗因子(tanδ)随共聚物含量的变化曲线。可以看出,在微凝胶和阳离子共聚物的混合体系中,固定微凝胶的质量分数为15%及少量添加阳离子共聚物,当凝胶的储存模量阳离子共聚物质量分数为1%时出现1个峰值(应变值为1%时,G′从质量分数15%的2.77万Pa升高到3.44万Pa),而后随阳离子共聚物质量分数增加而略有降低,至阳离子共聚物质量分数为4%时达2.26万Pa,但此时的复合凝胶的临界应变γ*(衡量凝胶的潜在应用的重要参数,即Gγ*′=0.95Gγ=1′[12])从2.2%升至4.5%左右。说明在不改变凝胶储存模量的情况下,添加少量阳离子共聚物可增加凝胶的柔韧性。

Poly(MMA/MAA)和poly(HEMA-co-DMA+)比率对复合水凝胶流变性的影响如图4所示,图4(a)、(b)分别为总固体质量分数为19%时,不同微凝胶/共聚物质量比形成的复合水凝胶在25℃、1Hz的扫描频率下测得的储能模量和损耗因子随应变的变化曲线;图4(c)为不同微凝胶/共聚物质量比的复合微凝胶在应变为1%时的储能模量和损耗因子随微凝胶/共聚物质量比的变化曲线;图(d)为不同微凝胶/共聚物质量比的复合微凝胶的临界屈服应变随微凝胶/共聚物质量比的变化曲线。可以看出,固定有机成分的量(19%的固体质量分数),复合水凝胶的G′随poly(HEMA-co-DMA+)增加逐渐降低,如pH为8,转动频率为1Hz,应变为1%时,质量分数为19%的微凝胶形成的凝胶G′是2.8万Pa[图4(a)],而相同条件下的poly(HEMA-co-DMA+)溶液为流体(tanδ=G″/G′>1,G″为损失模量)。研究结果发现,临界屈服应变γ*随微凝胶和阳离子共聚物的组成比例变化而变化,在微凝胶和poly(HEMA-co-DMA+)的质量比为12/7时,复合凝胶的临界屈服应变γ*达到最高值,约10%。因此利用这种简单的离子键交联方式,可在较大范围内调节凝胶的流变参数,从而具有较为广泛的潜在应用价值。

3 结论

建立了离子键交联的pH响应微凝胶poly(MMA/MAA)和阳离子共聚物poly(HEMA-co-DMA+)的混合体系。研究表明:在较低pH下体系具有良好的流动性;升高体系pH,微凝胶和共聚物之间在静电力作用下形成离子键交联网络;微凝胶颗粒在高pH时溶胀,溶胀的颗粒相互挤靠、互穿,形成物理交联网络。因此混合体系在升高pH时自发形成离子键和物理交联共同作用的稳定复合凝胶体系。这种复合凝胶体系结构上孔与孔之间互相贯通,更有利于流动介质的传送,微凝胶和阳离子共聚物的质量比为12/7时,复合凝胶具有更高的临界屈服应变(γ*≈10),而同浓度微凝胶形成的凝胶γ*≈1.75。这种网络结构在生物软组织修复方面具有潜在应用价值。

参考文献

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[11]Liu R,De Leonardis P,Cellesi F,et al.[J].Langmuir,2008,24(14):7099-7106.

水凝胶医用敷料的研究概况 第5篇

水凝胶医用敷料是近年来发展起来的一种新型的创伤敷料。与传统的敷料相比, 水凝胶能促进伤口更好地愈合、减轻患者的疼痛, 它能改善创面的微环境、抑制细菌的生长。水凝胶特别适用于常见的体表创伤, 如擦伤、划伤、褥疮等各种皮肤损伤。对于这些伤口, 传统上医生一般用无菌纱布及外用抗生素处理。纱布易与皮肤伤口组织粘连, 换药时常常破坏新生的上皮和肉芽组织, 引起出血, 这不但不利于伤口的愈合, 而且使病人疼痛难忍。用水凝胶敷料敷贴在伤口上时, 它不但不粘连伤口、不破坏新生组织, 而且能杀死各种细菌、避免伤口感染[1]。

1 制备水凝胶的原料

制备水凝胶一般采用高分子材料, 包括天然高分子材料和合成高分子材料。

天然高分子材料因其生物相容性较好而常被选用, 但是天然高分子也存在一些缺点:比如材料性能的重复性差, 机械强度较差, 而且结构与性能可调范围窄, 致使其难以满足医学上的各种实际要求。

合成高分子用来制备敷料用水凝胶具有诸多优点:合成材料通过控制条件, 其生产重复性好, 可根据需要大量生产, 通过简单的物理、化学改性, 获得广泛的性能, 以满足不同需要[2]。但合成高分子的生物相容性一般较差, 可用来制备敷料用水凝胶的原料种类也有限。

因此研究利用天然高分子与合成高分子合成杂化高分子水凝胶引起人们更为广泛的重视, 这种方法将两者的优点结合起来, 以提高水凝胶的性能。既能保留人工合成高分子材料基质的力学强度, 又能具有天然高分子材料的良好生物相容性。

常用于制备敷料用水凝胶的聚合物原料如表1。

2 水凝胶的制备方法

水凝胶的合成主要分为物理方法和化学方法。物理方法主要有共混法、冻融法、纺丝法等。作用的机理主要是通过静电作用、氢键、链的缠结等物理交联作用形成凝胶。化学方法主要有:接枝共聚、高能辐射 (如电子辐射、γ射线) 交联等。作用的机理主要是由通过化学键交联形成三维网络聚合物。

2.1 冻融法

主要是通过多次冷冻熔融循环使高分子在低温下结晶, 这种结晶作用可促使聚合物内部形成微晶, 其功能类似于物理凝胶网络交联点[3]。

Park等人采用冻融法合成了PVA/PVP共聚物水凝胶以用于敷料, 在合成过程中加入了芦荟成分, 发现随着聚合物中芦荟含量的增加, 凝胶的强度下降, 但敷料中的芦荟成分可加快伤口的愈合[4]。

2.2 静电纺丝法

采用静电纺丝技术制备水凝胶纤维, 可以得到直径可低至几十纳米超细纤维, 因此具有很高的比表面积, 使其在水中溶胀快, 吸液量大, 同时得到的纳米纤维膜具有较好的孔隙结构, 可以透湿透气。这样的结构和功能特点使其非常适合于制备医用敷料, 所以近年来人们开始采用静电纺丝的方法制备纳米纤维敷料[5]。

用静电纺丝的方法制备纳米纤维要求水凝胶的材料能溶于一定的溶剂, 形成均匀的溶液, 并可以进行静电纺丝, 而且要制得的纳米纤维在水中应有一定的溶胀性。据目前的文献报道, 能制成纳米纤维水凝胶的材料主要有:壳聚糖及其衍生物、纤维素、明胶、透明质酸等。Milena Ignatova等人将壳聚糖和季胺化的壳聚糖分别与聚乳酸混合, 然后静电纺丝, 制得壳聚糖聚乳酸和季胺化壳聚糖聚乳酸纳米纤维, 并用戊二醛蒸汽对纳米纤维组成的无纺毡进行交联, 形成的水凝胶在水中溶胀度达170%, 纤维毡对大肠杆菌、金黄色和葡萄球菌具有较强的抑菌作用, 因此可以用来制备医用敷料[6]。

Chong等人将PCL与明胶的共混, 然后利用静电纺丝将共混物放到3M公司生产的Tegadem聚氨酯敷料上面, 形成一层具有孔隙结构的三维支架层, 这种敷料应用于创面上时可促进纤维原细胞的迁移和繁殖, 加快伤口处真皮层的愈合[7]。

2.3 共混法

共混法是比较简捷的方法, 可以产生物理交联效果, 在共混过程中产生相分离, 制成的水凝胶可用作医用敷料, 可促进生长因子的产生, 加快伤口愈合。

将海藻酸钠与羧甲基壳聚糖共混后可以制成水凝胶膜, 羧甲基壳聚糖中的-NH3+与海藻酸钠中的-COO-的强静电作用, 使共混制得的水凝胶膜在湿的状态下具有较好的强度, 优于单一的海藻酸水凝胶膜[8]。

2.4 接枝共聚

接技共聚指大分子链上通过化学键结合适当的支链或功能性侧基的反应。通过共聚, 可将两种性质不同的聚合物接枝在一起, 形成性能特殊的接枝物。

Siriporn等人研究了以丙烯酸接枝甲壳素制备水凝胶于敷料。以重量比chitin:PAA=1∶4时制成的水凝胶膜的溶胀度达30~60%, 且具有较好的机械强度和细胞相容性, 可以用作水凝胶敷料[9]。

2.5 高能辐射交联

电子辐射交联和γ射线交联是合成医用水凝胶的最常用方法, 具有反应条件温和、不使用有毒交联剂等优点[10]。

Lugao等人用PVP、PEG与琼脂共混, 采用电子辐射交联制成水凝胶, 并用于制备水凝胶敷料, 该水凝胶通过吸水和脱水实验, 发现水通过扩散作用进入到凝胶基质中, 松散地结合在PVP网络中, 这有助于了解敷料吸水和脱水的过程。水凝胶敷料中, 不仅要考虑水凝胶对伤口渗出液的吸收, 还要考虑水凝胶脱水的速率, 防止水分的快速蒸发而导致伤口变干燥[11]。

3 水凝胶医用敷料的优点

水凝胶医用敷料具有很好的亲水性, 能吸收伤口的渗出液, 而且不与伤口粘连, 因此换药时不会破坏新生的肉芽或上皮组织。敷用时, 医生将水凝胶敷料粘贴在患者的皮肤表面上, 然后再用胶布或聚氨酯薄膜固定在伤口上。更换的时候, 只要将水凝胶轻轻地揭掉, 或用生理盐水冲洗掉。更换过程对创面的影响很小, 这是各种医用纱布所无法比拟的。

与其他常用的敷料相比, 水凝胶不会在伤口上脱落纤维等杂质。在伤口愈合时, 可以很方便地把水凝胶从伤口上冲洗去。在一些有皮肤组织损失的伤口, 例如植皮、擦伤、烧伤等, 适合使用片状水凝胶。在这些伤口上, 水凝胶片保护了伤口, 避免伤口的脱水干燥。这也是水凝胶的最大优点它能在伤口上产生一个湿润的环境, 促使伤口上的坏死组织被酶分解, 因而为伤口的愈合创造了一个良好的环境[1]。

总的来讲, 与其他种类的功能性医用敷料相比, 水凝胶敷料有如下一些优点:

有利于维持创面的湿润环境, 使伤口不易结痴。避免了使用纱布时, 纱布常常与伤口粘在一起, 更换时易引起伤口开裂, 不利于伤口愈合, 给患者造成痛苦的状况;

由于水凝胶是透明的, 有利于患者和医生透过凝胶随时观察伤口的变化情况;

可根据需要, 将不同药物包埋在水凝胶内, 药物可缓缓持续地释放到病变区, 可以促进伤口的愈合或减轻伤口的疼痛;

水凝胶不与伤口作用, 伤口渗出物可通过凝胶排出;

水凝胶较柔软、弹性好、机械性能好、透水透气, 并且无毒副作用;

原料来源广, 水凝胶由90%左右的水组成, 成本低, 制备水凝胶的亲水性高分子, 如海藻酸钠、果胶等价格也相对较低;

生产的流程短, 工艺简单方便[1]。

临床上, 水凝胶医用敷料已经被证明具有很好的疗效。

4 结语

水凝胶医用敷料具有传统敷料所无可比拟的诸多优点, 因此我们要加强具有自主产权、性能优良、价格低廉的水凝胶医用敷料的研究和开发, 减少对国外进口敷料的依赖, 这对减轻病人的经济负担和痛苦, 对我国敷料工业的发展, 都具有重要意义。

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磁性水凝胶研究 第6篇

在磁分离过程中,磁性材料对处理效果起到至关重要的作用。

纳米材料是指材料的特征尺寸在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内的一类材料的统称。由于它们的尺寸已经接近电子的相干长度,且都有高比表面积,因此其所表现出来的特性(例如熔点、磁性、光学和导热等)往往和该物质的宏观整体状态下的性质有巨大差异。

纳米磁性材料由于其磁相关的特征物理长度处于纳米级别,因此其能够表现出有别于常规磁性材料的理化特性(例如超顺磁,高吸附能力)使得其在环保领域具有巨大的应用潜力。例如利用纳米磁性材料和传统絮凝剂联用可以增加絮凝剂的聚沉效果进而提高污水处理效率,且可通过外界磁场对磁性材料进行高效回收,进而实现资源的有效利用。

本研究从纳米磁性材料的制备和实际应用2个方面介绍其在水处理领域的研究进展,并对其未来的研究方向进行了展望。

1纳米氧化铁颗粒

氧化铁类纳米磁性材料因为其成本低廉,来源广泛已成为研究最为广泛的纳米磁性材料之一。其中,以Fe３O４和γ- Fe３O４为代表,被广泛应用于环保领域。氧化铁类纳米微粒由于具有磁性可控、低毒性和高比表面积等优点,在水处理方面具有天然优势。

国内外学者对纳米氧化铁的制备和在水处理中的应用作了大量研究,他们通常利用有机或无机试剂对纳米氧化铁进行表面修饰,来增强其抗氧化性、分散性和吸附选择性。例如Guo［２］课题组通过真空纳米浇注法利用双-[3-(三乙氧基硅) 丙基]-四硫化物修饰Fe３O４得到中空的纳米微粒,该微粒对Hg２＋有较强的选择吸附性,在处理重金属污染水体方面有较大的应用潜力。Atia［３］课题组利用磁性Fe３O４作内核制备磁性树酯,所得树酯对Hg２＋的吸附能力最高可达4.8mmol/g, 且在外加磁场的作用下能被较易回收,表现了巨大的应用潜力。Huang［４］课题组利用三甲氧基巯丙基硅烷修饰制备硅包裹的纳米磁性Fe３O４材料,并研究其重金属吸附能力,通过实验发现其在较宽的pH范围内,对Cd２＋、Cu２＋、Hg２＋和Pb２＋都有较好的吸附能力,且可以通过外加磁场回收金属离子。 Liu［５］课题组也做了类似的实验,他们制备出胡敏酸包裹的磁性Fe３O４颗粒,在处理自然水体时,其可以除去99%的Hg２＋和Pb２＋以及95%的Cu２＋和Cd２＋。

2纳米零价铁微粒

纳米零价铁微粒在处理氯化有机物,聚氯联苯、无机非金属离子,重金属离子等污染物时表现出良好的处理效果［６－７］。 纳米零价铁在除污方面有显著优势,一方面得益于其高的比表面积,使得它能高效地吸附污染物;另一方面是由于其本身具有较高的反应活性,可以和多种污染物发生化学反应,进而达到除污的效果。

近年来,国内外学者在纳米零价铁处理水领域作了大量的研究工作。如:Boparai［８］课题组报道了纳米零价铁对Cd２＋的吸附实验,他们对浓度范围为25~450mg/L的Cd２＋进行铁吸附试验,发现铁微粒对Cd２＋有较强的吸附能力,其在室温下的最高吸附容量可达769.2mg/g,整个吸附过程是一个吸热过程,故高温有利于吸附效率的提高。As(Ⅴ)一直是地下水体中毒性最大的污染物之一。研究As的处理工艺,对地下水资源的开发利用具有重要意义。Kanel［９］课题组研究了纳米零价铁微粒对As(Ⅴ)的吸附试验,他们利用自制的低分散尺寸(半径小于30nm)的纳米金属铁对As(Ⅴ)进行吸附,发现吸附过程在数分钟以内就能完成,且零价铁对As(Ⅴ)除了具有吸附作用外,还对其有还原作用,当充分接触90d后大约25%的As(Ⅴ)被还原生成As(Ⅲ),生成磁性的As-FeｘOｙ复合物。值得注意的是,当有其他阴离子存在的情况下会对As的吸附过程产生一定的干扰,但总体上而言,利用纳米铁吸附As(Ⅴ)依然表现出了巨大的应用潜力。Yang等［１０］制备了粒径在50~80nm之间的纳米零价铁微粒,并将其应用在硝酸盐废水的处理,因纳米零价铁微粒具有较高的比表面积(37.83m２/g),处理效果较好。纳米零价铁对硝酸盐的处理机理为吸附还原,pH会影响其吸附能力和反应活性。因此,整个过程受pH影响较大。在适宜的pH条件下,铁微粒对硝酸盐废水有较高的处理效果。Ponder［１１］课题组制备了树脂支撑的纳米零价铁复合材料,其具有较小的分散粒径(10~30nm) 和较高的比表面积(24m２/g)。和传统的零价铁相比,该铁复合材料具有更高的反应活性,其在Cr(Ⅵ)的还原实验中表现了普通铁20~30倍的还原活性。Xu［１２］课题组制备了羧甲基纤维素复合的纳米零价铁材料,在还原Cr(Ⅵ)的批次实验中, 该复合材料表现了较高的反应速率和处理效率,其在几个小时内最高还原率可达90%。

3前景展望

在环境问题日益严重的今天,水处理技术已成为世界范围内的研究热点。目前,随着污染水体的有害成份日益复杂, 对处理工艺的要求越来越高,因此单一技术已经很难彻底净化污水。在此背景下,跨学科多技术联用已经成为水处理领域的发展趋势,而磁性纳米材料相对于传统技术而言具有高效,快捷的优点,因此具有较大的发展潜力。但是,现阶段该技术还有许多问题亟待解决。

环糊精水凝胶的研究进展 第7篇

关键词：环糊精,水凝胶,药物释放

0 引言

水凝胶是指能被水溶胀但不能溶解的三维聚合物网络, 由于具有良好的生物相容性而在药物控释等领域得到广泛研究[1,2]。功能化是水凝胶发展的重要方向。环糊精 (CD) 是一类由D-吡喃型葡萄糖通过α-1, 4糖苷键连接而成的一种环状低聚糖[3], 最常见的结构是由6个、7个、8个葡萄糖单元组成, 分别称之为α-、β-、γ-环糊精。环糊精具有腔外亲水、腔内疏水的特点, 能够与多种客体分子发生包合作用。将环糊精引入水凝胶网络不仅拓宽了载药范围, 而且延长了药物释放时间[4,5,6], 因此, 环糊精水凝胶受到越来越多研究者的关注。本文结合笔者近年来的研究工作, 综述了环糊精水凝胶的合成方法及环糊精单元引入后对水凝胶包合性能、响应速率及药物控制释放性能的影响。

1 环糊精水凝胶的合成

将环糊精引入水凝胶网络中的方法有环糊精的直接交联、乙烯基环糊精与其他单体的共聚、环糊精固载于凝胶基质中以及超分子自组装等, 其中采用前3种方法合成得到化学交联水凝胶, 超分子自组装则形成物理交联水凝胶。

1.1 环糊精的直接交联

环糊精单体自身带有多个羟基, 可与含功能性基团的分子直接交联得到水凝胶, 这是制备环糊精水凝胶的常用方法。较常用的交联剂有环氧氯丙烷, 异氰酸酯等。如Liu等[7]在碱性条件下利用β-CD与环氧氯丙烷 (EPI) 的开环聚合, 制备得到环糊精水凝胶。Cesteros等利用β-CD分别与异氰酸酯基端基化的PEG[8,9]和酰化的PEG[10]反应, 制备得到PEG/β-CD水凝胶。由此衍生出了对环糊精进行功能化改性, 然后与功能性单体或聚合物直接交联制备水凝胶的方法。Salmaso等[4]利用六亚甲基二异氰酸酯 (HDI) 改性的β-CD (β-CD-HDI5) 在干燥的DMSO中与NH2-PEG-NH2反应, 瞬间合成了CD/PEG水凝胶。

1.2 乙烯基环糊精与其他单体的共聚

利用乙烯基环糊精与其他单体共聚也是制备环糊精水凝胶的有效方法。采用这种方法制备的水凝胶分子可设计性强、应用范围广, 选择不同的单体可设计制备出不同功能的新型水凝胶。制备时首先需将环糊精改性为单乙烯基修饰或多乙烯基修饰的环糊精单体。

单乙烯基修饰的环糊精在交联剂存在的条件下与其他单体进行自由基共聚, 生成环糊精水凝胶或微凝胶, 环糊精单元作为侧基引入到凝胶网络中。Liu等[11]用甲基丙烯酸缩水甘油酯 (GMA) 与胺基改性的β-CD (EDA-β-CD) 反应合成了单乙烯基β-CD (GMA-EDA-β-CD) , 再以GMA-EDA-β-CD为反应单体, 在交联剂存在的条件下与2-羟乙基丙烯酸酯 (HEA) 发生氧化还原自由基聚合, 制备得到环糊精水凝胶[12]。他们还利用GMA-EDA-β-CD与N-异丙基丙烯酰胺 (NIPAM) 经沉淀聚合合成了环糊精微凝胶, 然后以环糊精微凝胶为核、PNIPAM为壳层制备了温度敏感性核壳结构环糊精微凝胶[13]。Xu等[14]将甲基丙烯酸2-羟乙酯 (HEMA) 、单甲基丙烯酸酯取代的β-CD (mono-MA-β-CD) 和三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯 (TMPTMA) 置于聚丙烯模板中, 在紫外光照下制备得到PHEMA/β-CD水凝胶。

多乙烯基修饰的环糊精作为自由基聚合体系中的交联剂, 通过氧化还原性引发剂或紫外光等引发自由基聚合使环糊精单元连接到凝胶网络上。Liu等[15]用丁烯二酸酯多取代的β-CD单体 (MAH-β-CD) 与NIPAM通过氧化还原引发的自由基共聚制备得到了对温度, pH值及离子强度具有响应性的P (NIPAM-co-MAH-β-CD) 水凝胶。Huang等[16]利用丙烯酸酯多取代的β-CD (β-CD-A) 与丙烯酸 (AAc) 进行氧化还原引发的自由基共聚制备得到了具有pH敏感性的P (AAc-β-CD-A) 水凝胶。Demir等[17]通过紫外光引发聚氨酯甲基丙烯酸酯 (UM) 改性的β-CD单体 (β-CD-UM2) 、聚乙二醇二丙烯酸酯 (PEG-DA) 与甲基丙烯酸2-羟乙酯 (HEMA) 共聚得到环糊精水凝胶。

除了对环糊精单体进行乙烯基改性外, Liu等[18]还通过对环糊精聚合物 (β-CD-EPI) 进行乙烯基改性, 再与NIPAM共聚, 制备得到具有温度、pH值双重敏感性的环糊精水凝胶。相对于乙烯基化环糊精单体与NIPAM的共聚水凝胶, 这种方法合成的水凝胶产量更高, 环境响应性更好。

1.3 环糊精固载于凝胶基质中

首先合成水凝胶, 然后再将环糊精固载到凝胶网络中可直接得到环糊精水凝胶。Haroun等[19]用接枝共聚将甲基丙烯酸缩水甘油酯 (GMA) 接枝到明胶上, 合成G-g-poly水凝胶, 然后利用β-CD上的羟基与GMA上的环氧基反应将β-CD固定到水凝胶上得到环糊精水凝胶, 相对于明胶, 它具有更优异的温度稳定性。

1.4 超分子自组装

环糊精具有疏水性空腔, 可与疏水性客体分子 (如金刚烷[20,21]、胆固醇[22]等) 自组装形成主-客体包合物;某些线性聚合物如聚乙二醇 (PEG) [23]、聚丙二醇 (PPG) [24]及聚 (ε-己内酮) (PCL) [25]还能穿过多个环糊精空腔形成多聚准轮烷。将环糊精聚合物 (或衍生物) 分别与含客体单元的聚合物和线性聚合物的水溶液混合可自组装生成物理交联的普通包合物型环糊精水凝胶[22] (见图1 (a) ) 及多聚准轮烷型环糊精水凝胶[23] (见图1 (b) ) 。

2 环糊精水凝胶的性能

当水凝胶作为药物载体时, 环糊精的引入会对它的响应速率、包合性能及药物控制释放性能产生较大影响。

2.1 响应速率

水凝胶在水溶液中能够吸水溶胀而不溶解, 溶胀过程如下:首先水分子扩散进入聚合物网络, 然后与聚合物链发生水合作用, 最后聚合物网络在水溶液中溶胀[26]。由此可知, 水凝胶中聚合物链的亲水疏水性决定了水凝胶的溶胀性能。环糊精或其衍生物进入水凝胶网络后对溶胀率及溶胀速率的影响与环糊精衍生物的亲水疏水性有很大关系。Zhang等分别将亲水性的PEI-g-β-CD[27]及AAc-β-CD[5]引入到PNIPAM水凝胶网络, 增加了水凝胶的溶胀率及溶胀速率;Santos等[28]将疏水性的甲基丙烯酸酯改性的β-CD引入到PHEMA水凝胶后, 水凝胶的溶胀率及溶胀速率均有所下降。

2.2 包合性能

水凝胶能够包合与水凝胶基质具有一定相互作用或在水溶液中有一定溶解度的药物分子。水凝胶对药物的负载量反映了它的包合性能, 其对药物的包合能力与药物分子和水凝胶之间的作用力及药物分子的疏水亲水性等有关[29]。环糊精具有疏水性空腔, 能够包合疏水性药物分子。环糊精的存在可改变药物分子的水溶性及水凝胶网络的亲水性, 从而影响水凝胶对药物的包合性能。对于亲水性强的药物分子, 由于其与凝胶基质中亲水性单元存在作用力, 而不能被环糊精有效包合, 因此环糊精的存在反而阻止了药物分子扩散进入凝胶网络, 降低了水凝胶对药物分子的包合能力[4];当药物分子疏水性太强时, 若环糊精能与之形成包合物, 相当于增加了疏水性分子在水溶液中的溶解度, 因此环糊精的引入可改善水凝胶对疏水性药物的包合性能[4,5]。然而如果引入的环糊精衍生物亲水性过强, 可能会导致疏水性药物分子的载药量下降[27]。另外药物分子能与水凝胶网络形成很强的作用力时, 环糊精的引入反而会破坏这种作用力, 降低水凝胶的载药能力, 如聚羟乙基甲基丙烯酸酯 (PHEMA) 网络能够包入类固醇类 (比如肾上腺皮质素) , 并与之形成较强的作用力。Santos等[28]将β-CD引入到PHEMA网络后发现, 虽然β-CD能与肾上腺皮质素形成包合物, 但仍然不能补偿环糊精的破坏对载药能力的影响, 导致药物负载量下降。

2.3 药物控制释放性能

水凝胶具有多孔结构, 能够负载和释放药物分子。环糊精单元进入水凝胶网络与药物分子形成包合物会改变药物-聚合物之间的作用力及药物在聚合物基体中的状态, 最终改变药物释放机理[30], 影响凝胶的药物释放性能。环糊精对不同性质药物分子的释放性能的影响是不同的。

当药物分子与环糊精形成环糊精/药物包合物后, 在水溶液中环糊精、自由药物分子及包合物之间存在动态平衡 (即环糊精+自由药物分子环糊精/药物包合物) , 这种动态平衡对环糊精水凝胶的药物控制释放性能具有较大的影响。

当药物分子的水溶性非常好, 不能与环糊精形成包合物时, 环糊精的引入对水凝胶中药物分子的释放几乎没有影响[5]。

水溶性好的药物分子在水凝胶中释放的主要动力是扩散和渗透, 环糊精引入后如果与药物分子形成包合物则会降低自由药物分子的浓度, 抑制药物释放。图2为37℃时几种亲水性药物在环糊精水凝胶中的释放程度随时间变化的曲线, 其中环糊精含量大小顺序为BH3>BH2>BH1。Liu等[12]以褪黑色素 (MEL) 为模型药物研究了2-羟乙基丙烯酸酯 (HEA) /GMA-EDA-β-CD水凝胶及PHEA的药物释放性能, 发现β-CD的存在抑制了MEL的释放, 且在高温和低温环境下都能持续释放。

对于水溶性差、与水凝胶网络之间作用力弱的药物分子, 环糊精与之形成包合物时, 药物分子不仅能包覆在凝胶网络中, 而且能负载在环糊精空腔中, 这相当于增加了药物分子的水溶性, 提高了载药量, 同时水溶液中药物分子浓度的增加促进了药物的释放 (见图3) 。Liu等[30]以苯丁酸氮芥 (CLB) 为药物分子, 研究了异丙基丙烯酰胺NIPAM/MAH-β-CD与NIPAM/MAH-β-CD-EPI水凝胶的药物释放性能, 结果表明由于β-CD能够与CLB形成包合物, 因此提高了CLB的扩散速率。Zhang等[5] 以布洛芬 (IBU) 为疏水性模型药物研究了P (NIPAM-co-丙烯酸改性β-CD) 水凝胶的药物释放, 由于IBU与β-CD形成包合物使IBU在环糊精水凝胶中的载药量显著增大, 释放时间明显延长。他们[27]还研究了PNIPAM/PEI-g-β-CD半互穿网络结构水凝胶对疏水性药物普萘洛尔的释放, 结果表明相对于PNIPAM水凝胶, 药物的释放时间得到延长并改善了药物的释放性能。但是可能由于含PEI-g-β-CD的水凝胶比PNIPAM水凝胶的亲水性更强, 导致疏水性药物的负载量下降。

另外, 环糊精与药物分子形成的包合物具有环境依赖性时, 可通过改变外界环境来控制药物的释放。Liu等[31]以甲基橙 (MO) 为模型药物, 研究了β-CD-EPI-PVA (CDP) 及CDP/PMAA IPN两种水凝胶的药物释放性能, 发现改变环境pH值能很好地控制CDP与IPN水凝胶中MO的释放, 原因是β-CD对MO的包合能力受外界pH值的影响。该控制释放机理与水凝胶的体积相变无关, 是通过“主-客体”包合作用来控制水凝胶中药物分子或溶质分子的释放 (见图4) 。

物理交联的环糊精水凝胶也用于传输药物。环糊精与不同的客体分子形成包合物的能力是有差异的, 当有多个客体分子存在时, 客体分子竞争进入环糊精空腔形成包合物, 所以, 物理交联的环糊精水凝胶载药后, 可能会破坏原凝胶网络。物理交联的环糊精水凝胶载药和凝胶化能同时发生。Daoud Mahammed等[32]利用β-CD与烷基链形成包合物的能力, 将环糊精聚合物水溶液与烷基链接枝改性的葡聚糖水溶液混合制备得到MD-pβCD水凝胶。在以苯甲酮 (BZ) 为模型药物进行载药研究时发现, 当大量BZ存在时, BZ能与烷链竞争进入β-CD, 破坏β-CD/C12超分子的结构, 降低水凝胶网络的交联密度。物理交联环糊精水凝胶在载药、释放药物时, 水凝胶网络结构是动态变化的 (见图5) 。

水凝胶不仅能包合药物分子, 还能包合一些生物活性物质 (如蛋白质等) , 也能与环糊精形成主-客体包合物。环糊精引入到凝胶网络后增加了水凝胶对蛋白质的负载量。Haroun等[19]研究了β-CD/明胶水凝胶对蛋白质的释放性能, 发现该环糊精水凝胶对蛋白质的释放表现出pH敏感性, 在碱性环境中比在酸性环境中释放速率更快。

3 结语

高强度明胶基水凝胶的研究 第8篇

胶原是动物体内结缔组织中最重要的结构蛋白之一,广泛地存在于动物体内。胶原分子链由氨基酸组成,具有独特的氨基酸序列,常为甘-脯-X(X为羟脯氨酸或丙氨酸),或甘-X-Y(其中X、Y为除甘氨酸外的其它氨基酸)。每条胶原肽链形成一左旋螺旋,3条左旋肽链相互缠绕形成右手螺旋,这样的结构称为三股螺旋结构。经过酸、碱处理后,胶原便水解为明胶,明胶的分子链上部分保留三股螺旋链结构,明胶分子链上含有大量的氨基、羟基、羧基等官能团,分子链中及分子链间存在大量氢键,正是这样的结构,使明胶很容易形成水凝胶。

作为高吸水材料、外科软组织填充材料、软性角膜接触镜和皮肤移植材料、隔水混凝土填加剂、石油回收堵水剂等,水凝胶在卫生、生物医学、建筑、化工等诸多领域得到广泛的应用[1,2,3,4]。作为一种天然高分子材料,明胶无毒,具有良好的生物相容性和生物降解性,明胶基水凝胶在生物医用材料方面存在很大的潜力,如外伤敷料、组织工程支架、人工关节软骨等。未加修饰的明胶基水凝胶的力学强度低,在需要具有较高力学强度的材料应用方面受到限制。可见,提高明胶基水凝胶的力学性能,对发展明胶基水凝胶的应用具有十分重要的意义。

本文综述了提高明胶基水凝胶力学性能的方法。归纳起来,大致有3类:(1)交联;(2)明胶与其他高分子材料共混,典型的是两者形成互穿网络结构(IPN)、半互穿网络结构(semi-IPN)、双网络结构(DN);(3)无机纳米粒子填充明胶基水凝胶。论文中总结了各种方法的特点,分析了各种方法对明胶基水凝胶力学强度的影响,并展望了该领域的发展前景。

1 明胶的交联改性

交联是增加明胶基水凝胶强度和模量的常用改性方法,通常与其他方法结合起来以达到增强水凝胶的目的。明胶的交联方法主要有2大类,即物理交联和化学交联。物理交联是通过物理作用力,如静电作用、离子相互作用、氢键、链的缠绕等形成交联。明胶分子链上部分保留了三股螺旋结构,且存在大量氢键,所以可形成物理交联结构。明胶的分子链上存在很多活性官能团,可对其进行化学交联。可使用交联剂,也可通过辐射交联和酶催化交联。交联剂多使用双官能团或多官能团交联剂,如戊二醛、碳二亚胺二异氰酸酯等。辐射交联是指通过辐照聚合物使主链线性分子之间通过化学键相连接,酶催化交联常用的酶有转谷氨酸酰胺酶[2]。

Wang等[3,4]先合成了3,4-羟基苯丙酸(HPA)改性明胶化合物(Gtn–HPA),利用明胶分子链上的氨基引入苯环。在此基础上又进一步拓展,利用盐酸酪胺(TyrHCl)在明胶分子链上的羧基引入苯环,合成了Gtn–HPA–Tyr化合物。在辣根过氧化物酶(horse radish peroxidase)的催化下,用H2O2进行交联。Gtn-HPA和Gtn-HPA-Tyr水凝胶的储能模量(G'),均随H2O2浓度的增加急剧上升(见图1)。然而,当H2O2的浓度增加到17mmol/L时,可能是由于过量的H2O2导致HRP失活,水凝胶的储能模量下降。Gtn-HPA水凝胶的储能模量在998～13 556Pa之间。GtnHPA-Tyr水凝胶的储能模量更高,在H2O2用量为13mmol/L时,其储能模量高达26 830 Pa。Gtn-HPA-Tyr水凝胶储能模量的最大值几乎是GtnHPA水凝胶的2倍,表明Tyr与GtnHPA的进一步共轭作用,能显著增加其水凝胶的刚性。

Van Vlierberghe等[5]利用2种硫醇化试剂(N-乙酰基同型半胱氨酸硫内酯和2-氨基硫烷)将明胶进行硫醇化,然后利用硫醇基进行交联(如图2所示)。研究发现,通过改变p H、硫醇化试剂浓度,可改变明胶分子链上氨基的取代度。氨基的取代度不同,形成的交联点密度不同。其交联点密度越大,水凝胶的储能模量越大。水凝胶的取代度增加,其储能模量增大。硫醇基团被过氧化氢氧化后,形成分子间和分子内的二硫键。有趣的是,未改性明胶的储能模量比15%取代的明胶稍微高些。添加到聚合物溶液中的氧化物形成的化学键呈现“无规状态”,氧化物与明胶在凝胶状态混合。因此,在化学交联开始前没有发生物理凝胶。为了探讨了物理交联和化学交联对凝胶总体强度的贡献,他们在室温和高于溶胶-凝胶转变温度下进行了流变分析。21℃下,水凝胶的强度同时受物理交联和化学交联的影响。然而,在50℃(高于溶胶-凝胶转变温度)下,物理缠结不再有贡献,其储能模量仅受二硫键的影响。此时,物理交联的贡献随改性程度的增加而降低。在高取代度明胶基水凝胶中含有更多的化学键,在高温下其储能模量比低取代度水凝胶降低得更显著。作者认为,在高取代下,数量众多的共价键的存在,会阻碍随后冷却过程中的明胶物理结构化(螺旋结构)的形成。反应性硫醇基团的数量对化学交联和物理交联对凝胶总体强度的贡献,均产生显著影响。当取代度分别为15%、25%、40%、60%时,即使是在高温下,化学交联也足以保证足够的强度。有趣的是,在50℃下,储能模量和硫醇化明胶基水凝胶的取代度之间呈现线性关系。用二硫键对明胶基水凝胶进行交联的一个主要优势是,这种交联是可逆的。二硫键可被温和的还原剂(如二硫苏糖醇)还原为硫醇基团,该水凝胶适合用于细胞载体或组织工程。

酶交联方法具有不引入有毒物质的特点,因此酶催化交联提高明胶基水凝胶的强度,在生物医用领域具有独特的优势。Mc Dermott等[6]用微生物转谷酰胺酶(m TG)交联明胶,使其形成水凝胶,并研究了其静态和动态力学性能。研究发现,所得水凝胶的模量随明胶浓度的增大而增大,其数值在15～120kPa间。动态力学性能测试结果表明,与布鲁姆值为170的明胶相比,布鲁姆值为300的明胶经m TG交联后,其复数模量(E*)和储能模量(E')均较大。布鲁姆值为300的明胶经m TG交联后,复数模量与储能模量几乎相等,而tanδ(=E″/E')值小于0.1,表明所得水凝胶呈现弹性固体的性质。

不同的交联方式之间也存在相互影响。Bode等[7]研究了罗非鱼明胶的交联,分别对明胶进行物理交联(将纯明胶溶液冷却)、酶催化下的化学交联(用m TGas酶在37℃下对明胶进行交联)、先化学后物理交联(先用m T-Gas酶在37℃下对明胶进行化学交联,温度升高至70℃使酶失活后,再冷却至12℃形成物理交联)、同时进行化学和物理交联(在21℃下同时形成化学和物理网络结构,然后升温至70℃使酶失活),各交联方式对明胶结构的影响如图3所示。通过对不同方案的结果(见表1)进行对比发现,最后一种形成的明胶基水凝胶的储能模量最大。当酶的浓度从20U/g明胶增加到30U/g明胶时,储能模量急剧增加。认为,在低化学交联程度下,化学交联和物理交联是独立的,没有相互影响;但在高化学交联程度下,两者相互影响,在微观结构中形成闭合环的结构,在化学交联点和部分三维螺旋结构的共同作用下,形成的闭合环才对水凝胶整体力学性能有较大的影响;一旦温度升高到三维螺旋结构分解,闭合环便不能保持结构的空间连续,这也就解释了为什么温度超过37℃后,储能模量会大幅度降低。此外,在对比不同酶浓度下CP方案的储能模量值时发现,在一定范围内,随着酶浓度的增大,储能模量下降,这是因为先形成的化学交联点破坏了部分三维螺旋结构,新增的交联点的作用,不足以弥补由于物理交联点的破坏造成的储能模量的损失。

Hellio-Serughetti等[8]也研究了物理交联和化学交联对明胶基水凝胶强度的影响,却得出了不同的结论。研究发现:明胶的三维螺旋结构的确能使水凝胶获得更高的储能模量,随着三维螺旋结构数目的增大,水凝胶的储能模量上升。通过对不同交联方案的结果对比可知,化学交联点的存在,能够使三维螺旋结构对明胶储能模量的影响增强,但温度升高,三维螺旋结构被破坏的情况下,因为化学交联的存在,水凝胶还能保持很大的储能模量。认为,虽然明胶的三维螺旋结构被破坏了,但明胶链还可以通过化学交联点紧密地结合在一起。

2 明胶与其他高分子材料共混

提高共混材料水凝胶力学强度的方法有2大类,其一是通过交联将共混材料形成一个体型结构,其二是形成IPN和DN结构。IPN结构是将2种相同或不同的高分子相互贯穿,形成的互穿网络结构。在IPN的基础上,可进一步制备出DN结构,DN结构可将2种在结构与性能上具有极大互补性的材料有机地复合在一起。例如,一种聚合物硬而脆,另一种聚合物软而韧,前一种聚合物首先形成高密度交联的刚性第一网络,承受材料整体的应力,后一种聚合物则在第一网络中形成低交联密度的、松散的第二网络,分散应力集中带的能量,这样“刚柔相济”的结果是使双网络水凝胶的力学性能有很大的提高,与INP材料相比,其机械性能不是2种材料性能的简单线性加和,而是一种非线性的结合[9]。

2.1 与合成高分子共混

相比于天然高分子材料,人工合成的高分子材料具有结构明确、可控的特点。将明胶与人工合成的高分子材料混合,可以明显改善明胶基水凝胶力学性能差的缺点。

Shukla等[10]制备了丙烯酰化的聚乙烯醇和丙烯酰化的明胶的聚合物混合物。研究发现,通过改变反应原料和试剂的用量,可以得到最优化的弹性模量、断裂伸长率和拉伸强度。如,试验条件中纯明胶的最大拉伸强度只有20.6MPa,而当PVA为2.5g、明胶1.0g、丙烯酰胺1.5g、N、N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)20mg时,得到的复合材料的拉伸强度高达56.4MPa。在环境扫描电镜下观察,这一材料具有多孔结构,这种共混物不仅在力学强度上能够满足生物材料的要求,还具有很好的生物相容性。

Park等[11]合成了一种星型化合物(图4中Tet-TA轭合物),并合成了对羟基苯丙酸化的明胶(图4所示GHPA轭合物),然后将两者混合,加入H2O2和辣根过氧化物酶(HRP)对混合物进行交联,制备了混杂水凝胶。研究发现,通过调节H2O2和辣根过氧化物酶的浓度,可获得力学性能可控的混杂水凝胶。