凝胶强度范文

凝胶强度范文（精选4篇）

凝胶强度 第1篇

一、鱼肉采取后需要漂洗

漂洗是鱼肉采取后一步非常重要的加工工序, 通过漂洗不仅能除去鱼肉中的有色物质及腥臭成分, 而且能提高鱼肉蛋白凝胶的凝胶强度。漂洗过程除去了鱼肉中的水溶性蛋白质 (如肌浆蛋白) , 这种蛋白质包含着许多蛋白水解酶, 它的存在会影响凝胶体的形成。不同漂洗方法对鱼肉蛋白凝胶强度有影响, 有时会影响产品得率, 如采用低浓度盐水溶液漂洗, 除去肌浆蛋白的同时也伴随着部分肌原纤维蛋白的流失, 使得率降低。

二、鱼肉冷冻时需要加抗冻剂

鱼肉采肉后到凝胶化之前, 一般要经过冷冻或冷藏过程, 这样往往会引起鱼肉蛋白质的变性, 导致Ca2+-ATPase的活性和凝胶强度的下降, 防止鱼肉蛋白变性的有效措施是加人防止冷冻变性剂 (抗冻剂) 。抗冻剂有蔗糖、山梨醇、复合磷酸盐和低聚糖。

三、在凝胶前期加还原物质

在鱼糜凝胶前期加入一些还原物质可以抑制巯基氧化成二硫键, 恢复鱼肉冷藏变性蛋白的活性。Shann等的实验结果证实, 在鱼糜凝胶前期加入还原剂 (如0.08%～0.10%的巯基乙醇、硫酸氢钠等使冷冻贮藏后鳕鱼和鲐鱼蛋白中已被氧化的一部分巯基恢复活性, 恢复水平达83%～98%以上。

四、添加凝胶增强剂

在鱼肉蛋白凝胶化之前, 添加凝胶强度增强剂, 是提高凝胶强度的有效途径。Ca2+对鱼肉蛋白凝胶强度有重要的作用, 在鱼肉蛋白凝胶过程中由钙离子激活鱼肉中转谷氨酰胺酶 (TGase) , 然后催化谷氨酸残基中的γ-羧基酰胺基团与其它氨基酸残基发生交联作用, 通过共价键形成更牢固的网状结构。

对于鱼肉内的转谷氨酰胺酶 (TGase) 含量较少的鱼种, 如鲤鱼等淡水鱼, 可以添加微生物BTGase进行改良, 提高其凝胶形成能。TGase促使鱼肉蛋白质问产生架桥重组作用的机理为:TGase催化谷氨酸Gln残基γ-羧基酰胺基与赖氨酸Lys残基ε-氨基发生交联作用, 在分子内或分子间产生ε- (γ-Glu) Lys的架桥粘结作用, 形成交叉结合的蛋白质结构, 而且凝胶体的凝胶强度随着TGase含量的增加而增加。在鱼肉中添加淀粉等, 对凝胶体起到补强作用。淀粉作用机理是在加热糊化时, 游离水分被添加的淀粉吸收成为钝化水, 由于膨润的糊化粒子机械强度大于鱼肉, 起到鱼肉弹性补强作用, 提高了凝胶强度。植物蛋白、明胶、蛋清等物质也是鱼糜制品弹性增强剂。

五、鱼肉擂溃 (斩拌) 方式

擂溃或斩拌是鱼糜制品生产中重要工序之一, 鱼糜擂溃方式对鱼肉蛋白凝胶强度的影响比较显著。擂溃过程分为空擂、盐擂和调味擂溃3个阶段, 空擂使鱼肉的肌肉纤维组织进一步破坏, 为盐溶性蛋白的充分溶出创造良好的条件, 盐擂使鱼肉在稀盐溶液作用下盐溶性蛋白质充分溶出, 形成粘性很强的鱼糜糊溶胶, 调味擂溃使加入的辅料、调味料及凝胶增强剂与鱼糜糊溶胶充分混合均匀。擂溃过程应控制擂溃时间、擂溃温度、加盐量等参数, 以保证鱼糜制品弹性。

六、临近擂溃结束时添加氧化剂

在鱼糜中加入铬酸钾、过氧化氢、胱氨酸、脱氧抗坏血酸等物质能促进弹性凝胶体的形成, 这些物质能使蛋白质的-SH基 (巯基) 氧化, 在其分子之间形成S-S桥键 (二硫键) , 强化网状结构。

七、采用多段凝胶化方法

在鱼肉蛋白凝胶化过程中, 低温凝胶化的效果比高温凝胶化好, 但低温凝胶化所需凝胶时间过长, 不太适合工业化生产, 常采用二段凝胶化法。为避开凝胶劣化温度, 低温凝胶化温度常取在30℃～50℃, 高温凝胶化温度在75℃～95℃, 凝胶过程快速通过凝胶劣化温度区。

高强度明胶基水凝胶的研究 第2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。

凝胶强度 第3篇

关键词：水凝胶,2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸,丙烯酸,互穿双网络,高强度

智能水凝胶在药物的缓释、蛋白质的分离提纯、活性酶的包埋和人工肌肉等方面有着广阔的应用前景[1,2,3,4]。但目前合成出的智能水凝胶,很多都存在响应性单一和凝胶强度低等特点,这些不足限制了其在更广范围的应用[5]。互穿双网络凝胶(IPDNH)是由两种或两种以上聚合物网络相互穿透或缠结构成,这种相互缠结的结构大大提高了凝胶的强度,同时,各聚合物网络间几乎无化学聚合,使得IPDNH可以很好的保持各个网络的优良性能[6]。因此,通过引入相应单体,IPDNH可以获得比普通智能凝胶更高的凝胶强度及更广的应用性[7]。本方法以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和丙烯酸(AA)为单体,利用互穿双网络(IPDN)技术,通过两步溶液聚合法,合成具有高抗压缩强度的PAMPS/PAA的IPDNH,研究IPDNH的抗压缩性影响因素。

1 实验部分

1.1 实验药品

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS,化学纯),山东寿光润德有限公司;丙烯酸(AA,化学纯),广东西陇化工厂;N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA,分析纯),国药集团化学试剂有限公司;过硫酸胺(APS,分析纯),国药集团化学试剂有限公司;氯化钠(NaCl,分析纯),国药集团化学试剂有限公司。

1.2 实验步骤

(1) PAMPS水凝胶的制备:

配置浓度为0.1mol/L的AMPS溶液,倒入三颈瓶中,在氮气保护下,加入一定量(占AMPS总量的质量百分比)的交联剂(MBA)及引发剂(APS),于48℃恒温下反应4h。将产物在蒸馏水中浸泡4d后,得到PAMPS粗样。将粗样放到蒸馏水中浸泡4d后,其间定时换水,充分洗去未反应的单体及杂质,在45℃烘干得到PAMPS水凝胶。

(2) PAMPS/PAA的IPDNH制备:

将已制备的PAMPS水凝胶加在室温下到溶解有一定量APS及MBA的不同浓度的AA水溶液中,浸泡一段时间后,到不同单体配比(n(AMPS):n(AA))的PAMPS/PAA凝胶。将浸泡后的凝胶放入三颈瓶中,在氮气保护下,置于64℃的恒温水浴中反应4h。将产物放在蒸馏水中浸泡4d后,充分洗去未反应的单体及其他杂质,在45℃下烘干即可得到PAMPS/PAA的IPDNH。

1.3 水凝胶的红外(FTIR)分析

采用Nicolet Magna-IR 750傅立叶红外分析测试仪,将样品与KBr粉末研细压制成膜进行测试。

1.4 凝胶表面(SEM)形貌分析

将室温下充分溶胀的凝胶冷冻干燥,断面经喷金处理后,采用LEO-1530扫描电镜观察凝胶表面形貌。

1.5 凝胶抗压缩强度的测定

吸水后凝胶的抗压缩力学性能与橡胶类似,采用橡胶压阻实验来模拟表征凝胶的压缩强度。待凝胶达到溶胀倍率为30时,将凝胶切成10mm10mm10mm的正方体,在CMT-6104型万能力学测试仪上进行凝胶的压缩性能测试,压缩速度为3mm/min,直至凝胶破裂。凝胶的压缩强度(Stress strength,缩写成Ss)由以下公式计算:

Ss=F/S (1)

其中,F为截面受到的力,S为试样截面积。凝胶的压缩形变(Stress strain,缩写为Sn)由以下公式计算:

Sn=Δh/h0 (2)

其中Δh为受压缩断裂的高度的减小量,h0为原高度。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

如图1所示,PAMPS/PAA的 IPDNH红外谱图几乎是由PAMPS及AA的谱图叠加而成。首先,在PAMPS/PAA谱图曲线上在1220cm-1出现了PAMPS中-SO3H的典型吸收峰;另外,在1570cm-1及1410cm-1处出现了AA中-COOH的一组典型吸收峰,同时AA在1600cm-1处的双键特征峰消失。综上可见,该实验已成功合成PAMPS/PAA互穿双网络水凝胶。

2.2 扫描电镜分析

图2 (a)、(b)分别是PAMPS、PAMPS/PAA干凝胶电镜图,图2(c)、(d)分别是PAMPS、PAMPS/PAA溶胀经冷冻后电镜图。如图2(a)、(b)所示,PAMPS干凝胶表面出现褶皱,产生相分离,而这种现象在PAMPS/PAA中并未出现。这是因为PAA加入后,PAMPS和PAA链段之间相互缠绕,这种双网络间的相互作用力避免了相分离现象的产生。图(d)所示冷冻干燥能较好地保持湿凝胶的形态,互穿双网络结构使其表面较平整。

2.3 IPDNH 抗压缩强度的机理及影响因素的研究

2.3.1 IPDNH 抗压缩机理分析

PAMPS/PAA 互穿双网络凝胶主要是存在PAMPS和PAA两个三维网络结构,双网络相互穿透、缠结。PAMPS的交联度较高,分子链更多呈团簇状,因此刚性较强,网络内部空隙较多。第二网络PAA的引入,填补了这些空隙,与PAMPS网络形成一种互穿结构,通过分子链的物理作用相互缠结、相互限制。当IPDNH受到外界挤压时,PAA和PAMPS可发生相滑移,从而有效地分散作用力,使得IPDNH的抗压缩性增强[8,9,10]。图3所示是吸水倍率同为30的PAMPS凝胶与IPDNH的应力应变曲线。未互穿的PAMPS凝胶的抗压缩强度为5.3MPa,IPDNH的抗压缩强度为21.6MPa,可见IPDNH强度远大于未互穿的凝胶。

2.3.2 (n(AMPS):n(AA))对抗压缩性能的影响

图4示出IPDNH中(n(AMPS):n(AA))其抗压缩性能的影响。如图4所示,随着(n(AMPS):n(AA))比值的增大,抗压缩性能先增强后减弱。如前所述,PAMPS属于刚性网络,其所占比例越高,IPDNH的强度越大,因此压缩应变减小。且相应的用于填补网络空隙的PAA比例的下降,使得网络中空隙增大,当承受外力挤压时,双网络间有更大的相互滑移的空间,从而可更有效地分散外界压力。但如果过度的增加PAMPS的比例,相应的PAA的比例很小,此时分子链间不能实现有效缠结,从而影响了双网络间的应力传递,抗压缩性反而降低。因此,控制n(AMPS)/n(AA)=3.5/1,此时IPDNH压缩强度可达42.3MPa。

2.3.3 PAMPS的交联剂用量对抗压缩性能的影响

图5示出PAMPS不同交联剂用量的IPDNH的压缩强度值。如图5所示,PAMPS的交联剂用量越高,IPDNH的压缩强度越大,抗压缩性越好。一方面,PAMPS的交联剂用量越高,产生的交联点增多,PAMPS的网络密度增大,链段间的相互作用力增强,网络骨架的刚性增强[11],亦使得IPDNH的刚性增强,因此抗应力作用增强。另一方面,PAMPS的交联点越多,有利于形成更多的短链,当IPDNH受压时,短链可以更好的起到应力传递作用,PAA可以更好的起到应力耗散作用。当PAMPS的交联剂用量为2%时,压缩强度可达45.3MPa,压缩应变为35%。

2.3.4 PAMPS的引发剂用量对抗压缩性能影响

图6示出PAMPS的引发剂用量对IPDNH抗压缩性能的影响。从图6可看出,PAMPS的引发剂用量越高,随之IPDNH的抗压缩性能越差,压缩强度越低,但应变反而越高。PAMPS的引发剂用量主要是影响PAMPS的反应活性。引发剂用量越大,反应活性点越多,交联密度越大,PAMPS的分子量越小,刚性降低,即IPDNH网络骨架的刚性降低,因此压缩强度降低。换言之即IPDNH的柔性增强,所以应变增大。

2.3.5 PAA的交联剂用量对抗压缩性能的影响

图7示出PAA的交联剂用量对IPDNH抗压缩性能的影响。如图7所示,PAA的交联剂用量很少甚至为0%时,IPDNH的压缩强度较低,但应变较大。随着PAA的交联剂用量的提高,压缩强度上升,应变减少。PAA适当的交联剂用量,可使得PAA网络内形成轻度交联,增强与PAMPS网络的缠绕作用,因此IPDNH的压缩强度增大,但同时网络柔性降低,所以应变降低。但PAA网络的交联度如果过高,链段活动性受阻,与PAMPS协同作用耗散应力的能力反而降低。

3 结论

(1)通过FT-IR及SEM分析表明,PAMPS与PAA通过互穿双网络技术成功合成IPDNH。(2)IPDNH抗压缩性能表明,PAMPS所占比例的提高及PAA交联剂用量的增大都使得IPDNH的压缩强度呈现先增大后减小的趋势,而PAMPS交联剂用量的增大,则使压缩强度不断降低。

(3)通过对其主要影响因素分析,得到制备IPDNH的最佳条件为:n(AMPS)/n(AA)=3.5/1、PAMPS交联剂用量为2%、引发剂用量为 0.2%;PAA交联剂用量为0.5%、引发剂用量为0.5%时,强度达到最大为58.3MPa。

参考文献

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凝胶强度 第4篇

几乎所有的组织细胞都置身于体内的三维微环境中。而且,几乎所有的组织细胞,包括大多数癌细胞和肿瘤细胞,都是在二维培养皿、二维多孔板中培养并研究的。标准的细胞三维环境由带有纳米孔的细胞外基质纳米纤维复杂的网络组成,这种纳米孔创造了各种局部微环境[1]。来源于动物的生物材料虽然尺寸合适,却常含有残余生长因子、未确定要素或不定量杂质,很难进行完全可控的研究。因此,理想的三维培养系统需要由确定成分的合成生物材料装配而成[2]。基于分子设计的自组装肽支架便成为备选。

分子自组装是在热力学平衡的条件下由非共价相互作用引起的自发分子组装,这些分子在没有外界指令的条件下,自发联结成层次结构[3]。在过去几年中,应用自组装纳米短肽构建的生物材料在生物医学相关研究领域取得了巨大进步,在很多应用中具有潜力,包括组织工程支架、蛋白质和肽类药物的运输[4,5,6]。短肽设计简单,用途广泛,并且容易合成。自组装短肽材料可形成纳米纤维水凝胶,用作细胞培养的支架材料[3]。RADA16-I(RADARADARADARADA)是这类短肽的代表,它可以形成β折叠,通过自组装形成纳米纤维,进一步形成支架水凝胶,含水量可超过99.5%[7]。该短肽广泛应用在细胞培养、组织修复等领域[8,9]。不同的组织细胞在体内的力学环境不同,对支架材料的力学强度要求也不同。本文研究发现不同的触发溶液会改变RADA16-I水凝胶的力学强度,从而在一定范围内调控其强度,以增大RADA16-I水凝胶的应用范围。

1 实验

1.1 材料

短肽RADA16-I(PuraMatrixTM,CH3CO-NH-(Arg-Ala-Asp-Ala)4-CONH2,10mg/mL)购置于3DM公司(Cambridge, MA)。

1.2 原子力显微镜(AFM)扫描

将肽储液(1mg/mL)用Milli-Q纯水稀释到0.17mg/mL(100μmol/L)。在扫描图像前,将5 μL肽溶液置于新揭开的云母片上,静置30s使样品黏附于云母表面。然后用200μL纯水冲洗。将制备好的样品盖以培养皿以避免污染,等到样品完全干燥后进行观测。

在室温下采用SPA-400 SPM (Seiko Instruments Inc., Chiba, Japan)以敲击模式进行扫描。观测使用的是针尖曲率半径为10nm、弹性常数为12.00N/m、共振频率为127.00kHz的Olympus Si-DF20微悬臂。扫描器的最大扫描范围是20μm20μm,所有图像的分辨率都为(512512)像素。

1.3 圆二色谱(CD)测试

采用AVIV400型光谱仪(AVIV Associates, Lakewood, NJ)在25℃采集CD光谱,石英比色杯的光程为2mm。数据采集的波谱范围为190~260nm,步长为1nm。采集的数值是以1s在1nm的带宽范围内3次扫描的平均值。所有的数据都通过减去背景进行修正,并以平均残基摩尔椭圆率θ表示,其单位是(°)cm2dmol-1。CD测试的样品肽浓度为0.17mg/mL(100μmol/L),是由1mg/mL的肽储液用Milli-Q纯水或其他溶液稀释配制而成的。为了得到稳定的数据,样品在测试前一天配置完成,保存在4℃条件下以待测试。

1.4 流变性质(Rheology)测试

流变学实验采用旋转流变仪AR2000EX(TA Instruments)进行测试。实验中,采用直径20mm、锥角为0°59′42″ 的不锈钢锥板夹具,锥板尖与Peltier 间隙为25μm。测试温度设定为25℃,频率扫描应力设为1Pa(位于RADA16-I的线形粘弹区间内)。测试用的RADA16-I为10mg/mL,用量100μL。

2 结果与分析

2.1 RADA16-I的性质

RADA16-I在纯水中(100μmol/L)的CD光谱的正峰在195nm,负峰在216nm(见图1),表现出典型的β-sheet结构[7,10]。短肽分子的8个疏水性丙氨酸侧链在一面,带正电的精氨酸侧链和带负电的天冬氨酸侧链组成的自互补离子对在另一面。这种离子互补对的交替排列对短肽材料β-sheet结构的形成十分重要。

通过AFM扫描可观测到RADA16-I(100μmol/L)水溶液样品典型的微观形貌(见图2),高密度的纳米纤维随机分布在云母表面(如图2(a)所示,图2(b)为图2 (a)的放大图)。纳米纤维高为(1.23±0.09)nm,宽为(16.92±1.37)nm,长为(1092±179)nm,与之前的报道[10]一致。参考CD数据可知,β-sheet结构有利于短肽自组装形成纤维。对于每个样品至少应选择云母片上4个不同的区域进行AFM测试,纤维形态相似。

2.2 RADA16-I的成胶性能

肽溶液在纯水中表现出较低的储能模量(G′),而且在频率扫描实验中该模量随频率的降低而降低(见图3(a),图3(a)为触发前)。将pH=7.4 的PBS滴加到肽溶液周围后,孵育30min再次测试样品。在整个测试频率范围内样品的储能模量(G′,>1000Pa)高于耗散模量(G″ ,<100Pa) 至少1个数量级,而且G′和G″ 相对于频率保持稳定(见图3(b),图3(b)为通过PBS、NaOH或NaCl触发成胶后),这说明样品形成了水凝胶[11]。G′和G″ 相对于频率的稳定性表现出水凝胶网络结构较长的松弛时间,这与观察到的水凝胶在玻璃管中倒置后能保持其形态而不流下来的现象相一致。这种水凝胶能保持自身形态具有一定的力学强度,而且由纳米纤维构成,可作为理想的细胞3D培养支架材料。另外,该水凝胶无色透明,有利于细胞培养实验的图像采集。

2.3 不同溶液触发RADA16-I水凝胶的力学强度

当用pH=14的NaOH溶液触发RADA16-I成胶时,不仅可以观测到样品已形成水凝胶,而且水凝胶的力学强度有了较大的提高,其储能模量G′增加到约3000Pa,大于用PBS触发时的储能模量G′(>1000Pa)数倍。而当用生理盐水(0.9%的NaCl)触发成胶时,虽然同样可以观测到样品形成了水凝胶,但是储能模量G′减小到约50Pa。由此可见,采用不同的溶液可以在较大的范围内改变RADA16-I水凝胶的力学强度,从而有利于该材料在多种细胞培养中的应用。

2.4 分析

RADA16-I在水溶液中,形成纳米纤维,其组装的机制目前尚不十分清楚。根据CD测试结果,该短肽形成典型的β-sheet结构,说明该结构对其形成纳米纤维十分重要。由于纤维的高是(1.23±0.09)nm,约等于RADA16-I分子模型的高,所以根据蛋白质折叠及短肽自组装相关理论[3,7,10,12],可推测短肽分子形成了分子间氢键,纤维沿着与短肽分子轴向方向垂直的方向延伸(见图4)。图4(a)为短肽通过分子间氢键形成的反平行β-sheet结构,(b)为形成的纤维。

Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理论描述了范德瓦尔斯引力和胶体双层排斥力的相互影响,2种力的相互竞争决定分散体系的稳定性。尝试用DLVO理论来解释离子自互补型短肽在加入盐离子或中性缓冲溶液后组装形成水凝胶[13]的报道。RADA16-I分子在水溶液中的组装是由疏水相互作用驱动的。然而分子中含有极性氨基酸,导致纤维在水溶液中带正电,静电斥力会阻碍其聚集。当静电斥力作用大于疏水相互作用时,短肽聚集程度较低,不会形成水凝胶(见图3(a))。将中性的PBS缓冲液引入短肽溶液体系中,将会改变短肽分子的电离情况。在中性条件下纤维呈电中性,静电斥力很小。当静电斥力小于疏水相互作用时将会发生聚集而形成具备一定强度的水凝胶。而当引入生理盐水时,虽然未像引入PBS一样使纤维呈电中性,但即使静电斥力随距离r按(1/r)exp(-r/D),而不是按1/r[12] 而减弱,生理盐水很高的离子强度还是会对静电斥力产生屏蔽效应。这里D为德拜休尔克半径,它对应于电荷周围反荷离子云的典型大小。由于生理盐水对静电斥力的屏蔽,使纤维间的静电斥力小于疏水相互作用而发生聚集。在这种情况下,虽然短肽溶液仍然可以形成水凝胶,但是所形成的水凝胶的强度小于PBS触发时形成的水凝胶。而当引入pH=14的NaOH时,短肽溶液被迅速中和而使静电斥力急剧减小,从而小于疏水相互作用,引起短肽迅速聚集而形成高强度的水凝胶(见图3(b))。

3 结论

RADA16-I在之前研究中,主要利用PBS或其它中性缓冲溶液触发成胶,形成的凝胶强度不大,因此局限了它的应用范围。本实验引入强碱性NaOH后,使短肽溶液形成的水凝胶强度有了很大的提高,从而获得了强度更大的组织工程支架。综合考虑3种溶液对成胶强度的影响可以发现,通过对触发溶液进行选择,可以在一定范围内得到不同强度的水凝胶,从而用来培养对力学环境要求不同的组织细胞。通过对不同溶液触发短肽成胶强度的研究可以进一步证明,采用DLVO理论解释短肽自组装的合理性有利于进一步理解短肽的自组装现象,进而更为有效地设计新型短肽材料。

摘要：研究了RADA16-I纳米短肽的二级结构和微观形态及其在不同溶液触发下形成的水凝胶的力学强度。试验结果表明,该短肽在水溶液中形成典型的β-sheet结构,这对其形成纳米纤维十分重要。此外,研究发现采用不同的溶液触发得到的水凝胶的力学强度可在一定范围内变化,符合DLVO理论。这可为组织工程提供强度可调控的纳米纤维支架材料。