丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠的成型及其材料性能研究

孫天文，楊潤懷，馬長望，梁 振

水凝膠的力學性能與人體組織相似，且有著優異的生物相容性，常被用作運輸藥物的載體，再生或修復組織器官，制作用于生物學研究的細胞外基質等[1-3]。海藻酸鈉(sodium alginate, SA)可以從褐藻中提取,來源廣泛，且無免疫源性、生物相容性好，常用作食品增稠劑等[4-6]。丙烯酰胺(acrylamide, AM)是一種白色晶體化合物，能夠在紫外燈下聚合成聚丙烯酰胺[7]。水凝膠應用前景廣泛，例如水凝膠可以制作創傷敷料貼在皮膚傷口上輔助治療[8]，又如水凝膠可以部分代替關節軟骨，發揮一定的作用[9]。許多學者研制出高斷裂能的丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠[10]。在臨床使用中，無論是創口敷料還是人造軟骨都對所用材料力學性能穩定性提出了需求。但是，水凝膠在長時間往復作用后力學性能是否依舊保持穩定并不清楚。該實驗通過光固化緩釋體系制備丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠，并測量比較其在長時間往復作用前后的力學性能，并對該型水凝膠在不同pH溶液下的溶脹性進行了應用研究。

1 材料與方法

1.1樣品制備本次實驗共制作3種樣本，即丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠、海藻酸鈉水凝膠和丙烯酰胺水凝膠，制作后兩種水凝膠是為了與丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠進行對照實驗。制作樣本用到的藥品有海藻酸鈉、丙烯酰胺、葡萄糖酸內酯、乙二胺四乙酸二鈉鈣以及加速劑(四甲基乙二胺)(阿拉丁公司)、水(去離子水)和交聯劑(2N亞甲基雙丙烯酰胺溶液，0.000 96 g/ml)、引發劑(過硫酸銨溶液，0.001 6 g/ml)。制作樣本用到的主要儀器包括電子天平秤(美國奧豪斯儀器上海有限公司)、攪拌機(深圳拓邦特機電有限公司)、真空泵(鄭州長城科工貿有限公司)、水浴鍋(常州智博瑞儀器制造有限公司)和紫外燈(功率8 W，波長254 nm)。

1.1.1丙烯酰胺水凝膠 制作丙烯酰胺水凝膠先用電子天平秤取0.8 g丙烯酰胺放入燒杯，加入5 ml去離子水溶解。完全溶解后再加入6 ml交聯劑和2 ml引發劑，最后再加入4 μl加速劑，倒入模具后放在紫外燈下照射1 h,之后將其置于室溫下24 h。

1.1.2海藻酸鈉水凝膠 制作海藻酸鈉水凝膠先用電子天平秤取0.2 g海藻酸鈉放入燒杯，加入11 ml去離子水放入攪拌機中攪拌10 min，取出后放入真空泵抽氣20 min。接著再加入緩釋體系，其中使用了一種鈣離子螯合劑(乙二胺四乙酸二鈉鈣)和一種可以緩慢水解的分子(葡萄糖酸內酯)，葡萄糖酸內酯可以誘導乙二胺四乙酸二鈉鈣中鈣離子的緩慢釋放。其中乙二胺四乙酸二鈉鈣0.059 g，葡萄糖酸內酯0.065 1 g，分別用1 ml水溶解后，將這3種液體混合，再放入攪拌機中攪拌3 min，取出后倒入模具，置于室溫下24 h。

1.1.3丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠 制作丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠首先使用電子天平秤取0.2 g海藻酸鈉和0.8 g丙烯酰胺，將這兩種藥品放入燒杯混合均勻，再加3 ml去離子水攪拌至溶解，放入攪拌機攪拌10 min使之均勻，然后加入交聯劑6 ml和引發劑2 ml，再放入攪拌機攪拌3 min，取出后放入真空泵抽氣20 min。接著再加入緩釋體系，之后放入攪拌機攪拌3 min，再加入4 μl加速劑，放入攪拌機攪拌3 min。最后，將樣本用紫外燈照射1 h后取出，在室溫下，放置24 h。

1.2對丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠性能的研究

1.2.1丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠力學性能研究 使用萬能材料試驗機對樣本進行力學性能檢測，檢測分兩種，一種拉斷檢測，即將樣本拉伸至斷裂，測出最大應變；另一種為循環檢測，即固定應變最大為2.5，往復3次。力學性能檢驗見圖1。對丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠和丙烯酰胺單網絡水凝膠分別進行拉斷檢測，對比結果。

圖1 用萬能材料試驗機拉伸水凝膠

利用51單片機(IAP15W4K32S4)控制步進電機制做一個可以往復拉伸的拉伸機。本次實驗設定的滑塊移動速度為2.5 mm/s。首先將樣本進行力學性能的循環檢測，然后將樣本放在往復拉伸機上往復拉伸30 min，拉伸應變為0.5，然后再對其進行力學性能的循環檢測。最后對比兩次檢測的結果。

1.2.2丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠溶脹率研究 將丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠和海藻酸鈉水凝膠放進烘干箱，以70 ℃的溫度烘干24 h，然后分別分成兩組，一組泡在pH 1的鹽酸溶液中，一組泡在pH 7的PBS溶液中，浸泡8 h，每隔2 h取出稱重一次。

1.3統計學處理采用SPSS 22.0軟件對丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠與丙烯酰胺單網絡水凝膠力學性能的對比結果進行分析，樣本不符合正態分布，采用非參數檢驗，統計結果用中位數(四分位數間距)表示。

2 結果

2.1拉伸性能丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠與丙烯酰胺單網絡水凝膠的拉伸性能對比試驗的結果見圖2。彈性模量的一般定義是單向應力狀態下的應力除以該方向上的應變。對曲線進行線性擬合，統計3個丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠和5個丙烯酰胺單網絡水凝膠斷裂時的應變和彈性模量。對斷裂時應變和彈性模量分別進行Mann Whitney test和Kolmogorov-Smirnov test檢驗。結果顯示丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠斷裂時的應變4.636(4.568～5.323)和彈性模量0.006 98 MPa(0.006 96～0.007 MPa)明顯優于丙烯酰胺單網絡水凝膠斷裂時的應變1.855(1.767～1.929)和彈性模量0.002 27 MPa(0.001 99～0.002 34 MPa)，Mann Whitney test檢測結果為Z=-2.236，P=0.036;Kolmogorov-Smirnov test檢測結果為Z=1.369，P=0.047，兩組差異有統計學意義。表明丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠的力學性能與丙烯酰胺單網絡水凝膠的力學性能存在顯著性差異。

圖2 丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠與丙烯酰胺單網絡水凝膠對比圖

2.2往復拉伸前后的力學性能穩定性丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠力學性能穩定性的研究結果見圖3。本次實驗共對4個樣本進行穩定性研究，通過結果圖可以看出，經過長時間的往復拉伸，丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠的力學性能沒有明顯改變。

圖3 丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠第一次力學性能檢測與往復拉伸30 min后力學性能檢測對比圖

2.3在不同pH溶液中的溶脹特性丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠與海藻酸鈉單網絡水凝膠的溶脹率研究結果見圖4。圖中QW為溶脹率，可以看出兩種水凝膠在pH不同的溶液中的溶脹率均有明顯差異，在中性溶液中吸水較多，酸性溶液中吸水較少。海藻酸鈉單網絡水凝膠在中性溶液中的溶脹率過高而且容易導致破裂，而丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠具備更加穩定的溶脹率并且更為迅速的達到溶脹平衡。在酸性溶液中，兩種水凝膠的溶脹率相差不多。QW計算公式如下，其中WO為樣本的干重，WW為在溶液中浸泡后的重量。

3 討論

圖4 水凝膠溶脹率實驗結果

A：丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠的溶脹率；B：海藻酸鈉單網絡水凝膠的溶脹率

目前，水凝膠已經被廣泛應用于臨床，可以用來制作創傷敷料或者部分代替關節軟骨，發揮一定的作用等[8-9]。丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠以其更加優秀的力學性能而備受關注。但是在投入臨床使用前，還需對其力學性能的穩定性進行檢驗。本文通過光固化緩釋體系技術制備這種新型丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠，在制備時使用緩釋體系代替其他文獻中使用的氯化鈣溶液[11], 這樣可以使鈣離子更加均勻的與海藻酸鈉單鏈結合，最終確保材料的均勻性。合成聚合物的優點是可以根據特定的物理特性進行調整以適應特定的應用。但是，在實際使用中合成聚合物也有一些問題，比如生物相容性差[12]。丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠拉伸倍率最大時，海藻酸鈉和丙烯酰胺的比率一般為1 ∶8左右，本實驗制作丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠時，提高了海藻酸鈉的比率，犧牲了一些力學性能，獲得了更好的生物相容性。實驗中制作了海藻酸鈉和丙烯酰胺比例為1 ∶1及1 ∶2的樣本，但樣本的力學性能都較差，甚至難以成型，因而選定海藻酸鈉與丙烯酰胺的比例為1 ∶4的方案制作樣本。本文通過實驗驗證了丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠的最大拉伸應變比丙烯酰胺單網絡水凝膠優秀，其自身力學性能在長時間往復拉伸之后依然保持穩定，且通過實驗驗證了丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠同樣具備了pH敏感性，同時，在中性溶液環境下，海藻酸鈉在此環境下溶脹率過高容易導致破裂，而雙網絡凝膠相比海藻酸鈉水凝膠具備更加穩定的溶脹率，并且更為迅速地到達溶脹平衡,為其更好的應用于臨床提供了一定的支持。

本研究還有一些不足之處，在對丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠進行力學性能的檢測時，會不斷的失水，這樣會一定程度上的影響其力學性能。在對丙烯酰胺/海藻酸鈉雙網絡水凝膠進行長時間的往復拉伸時也會不斷失水，這些都會給檢測結果帶來一定的誤差。

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