均勻水凝膠片層高效調控一水合尿酸鈉晶習

夏澤秋，賀高紅，王林，姜曉濱

（大連理工大學化工學院，精細化工國家重點實驗室，遼寧省石化行業高效節能分離技術工程實驗室，遼寧大連116024）

結晶機理和形貌控制一直是晶體工程、生物研究等領域關注的熱點[1-2]。水凝膠作為一種功能性高分子材料[3-10]，具有獨特的物理特性，如生物相容性、高含水量、彈性和柔性。水凝膠在生物工程領域、傳感器領域已有較多應用，常見的制備方法包括自由基接枝法、化學接枝法、孔隙填充法等[11-12]。自由基接枝法中，化合物中的共價鍵從外界吸取能量，均裂產生自由基，在自由基上發生鏈增長、鏈引發、鏈終止。能夠提供初級自由基的物質為引發劑。根據自由基產生方式的差別可以分為紫外光接枝聚合、引發劑接枝聚合、等離子體接枝聚合等。化學接枝法是利用基質上存在的官能團與被接枝的單體交聯劑發生反應，實現改性。孔隙填充是將水凝膠層的部分結構嵌入多孔基質膜的膜孔中實現復合的目的，水凝膠和膜之間沒有化學鍵生成。近年來，已有研究者將水凝膠復合膜應用在結晶技術領域[13-14]。相比于剛性界面，水凝膠的柔性網格能驅動生物分子的聚集，減少沉降碰撞，抑制對流，促進異相成核，提高結晶效率，降低晶體缺陷，使蛋白質等生物分子在較低濃度下產生了尺寸更大、具有更強衍射性能的晶體[15]。

痛風是由于人體長期處于高尿酸血癥下，導致尿酸鹽在關節內或關節之間沉積而引發的關節炎癥。尿酸（UA）是氫化的有機酸（pKa1=5.75，pKa2=10.3）[16]，是嘌呤在人體中代謝的最終產物[17]。尿酸單鈉鹽一水合物（NaC5H3N4O3·H2O）是結晶尿酸鹽最常見的形式之一，同時也是痛風性關節炎中常見的主要沉積物。高尿酸血癥的病因和尿酸鈉晶體引發炎癥的機制已被廣泛研究[18-20]，有研究表明尿酸鹽晶體在體內的形貌與是否有臨床學病癥有關[21-23]。同時影響尿酸鈉一水合物晶體（MSUM）結晶的因素也被廣泛研究，例如溫度、pH 和離子濃度[24-26]。一些研究在體外制備了形態不同的尿酸鈉晶體。但是，獲得晶體的時間很長，并且具有不同形態的晶體僅占總晶體的一小部分，這限制了MSUM 結晶的有效研究。此外，一水合尿酸鈉晶體通常沉淀在透明軟骨等表面上[27]。因此，有必要開發一種仿生界面，以調節微尺度系統的濃度，模擬體內尿酸鹽晶體的環境。這將加深對尿酸鹽結晶的理解，并可能調整尿酸鈉結晶的大小和形態，這兩者都將為痛風的預防和治療提供啟示。

本文首先以丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸（MAA）、甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）、N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）為單體，聚乙二醇雙丙烯酸酯（PEGDA）、 聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）作為交聯劑，制備了一系列水凝膠復合膜材料，作為異相成核的界面調控溶液結晶過程。為進一步分析水凝膠層的調控作用，選用PEGDA-NIPAM配方制備水凝膠切片（HGS），研究NaCl 鹽溶液吸附-結晶實驗，證明此水凝膠擁有pH-溫度混合的高效界面成核和濃度調控功能。為進一步探究HGS 的潛在優勢，將其引入尿酸二水合物晶體（UAD）溶液中，證明此水凝膠調控結晶的精確和靈敏性。本文為揭示相關結晶機理和開發用于晶體形態控制的材料提供了新的潛在途徑。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品與儀器

N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）、聚乙二醇雙丙烯酸酯（PEGDA）、2-羥基-4′-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮（Irgacure2959）、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）、 乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）、丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸（MAA）、甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）、2-羥基-2-甲基苯丙酮、聚丙烯微孔膜、超純水、無水乙醇、氯化鈉、尿酸、DL-乳酸、HEPES、乙酸（HCH3COOH）、Na2CO3、NaCl、NaHCO3、KCl、MgCl2，Na2SO4和CaCl2·2H2O、NaOH、K2HPO4·3H2O。

磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責任公司；電熱恒溫干燥箱，DuG-9077A 型，上海精宏實驗設備有限公司；自動刮膜機，MSK-AFA-1I型，合肥科晶材料技術有限公司；刮膜刀，英國Elcometer 公司；電子分析天平，AR2140 型，奧豪斯國際貿易（上海）有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀，FTIR-ATR，美國Thermo Fisher Scientific公司；場發射掃描電子顯微鏡（SEM），Nova NanoSEM 450 型，美國FEI 公司；低溫培養箱，IN612CW，日本雅馬拓公司；差示掃描量熱儀（DSC），Q20 DSC 型，沃特世科技(上海)有限公司；弱輻射紫外燈，ENF-280C/FA型，美國Spectroline公司；接觸角測試儀，JC2000DI 型，上海中晨數字技術設備有限公司。

1.2 水凝膠預聚物的制備

采用不同原料及配方制備水凝膠預聚物。單體種類有AA、MAA、HEMA、NIPAM。交聯劑種類有PEGDA、PEGDMA、EGDMA。光引發劑種類有Irgacure2959、2-羥基-2-甲基苯丙酮。將三類物質混合均勻，制成澄清透明的水凝膠預聚物，配制過程需要避光。本實驗中所用原料組成結構見圖1。表1展示了制備水凝膠預聚物時的單體、交聯劑和光引發劑的種類，一共有8種。

1.3 水凝膠復合膜（HCMS）和水凝膠切片（HGS）的制備

1.3.1 HCMS的制備

在本項研究中使用孔隙填充法來制備復合膜，使用刮刀將預聚物以一定厚度均勻地涂覆于玻璃板表面。厚度控制為50μm，將聚丙烯（PP）膜放置于水凝膠預聚物上。構建如圖2(a)所示的玻璃板-水凝膠-PP基膜3層系統，紫外燈（8W）下交聯時間為1h。將復合膜浸泡于去離子水24h，洗去膜表面未交聯的單體以及其他雜質。隨后取出懸掛晾干，或者在烘箱內低溫烘干。干燥后置于密封袋內保存。

圖1 本文研究合成水凝膠采用原料組成結構

表1 水凝膠預聚物種類及含量

圖2 HCMS及HGS制備示意圖

1.3.2 HGS的制備

控制刮刀使得厚度為100μm，再覆蓋玻璃板，構建玻璃板-水凝膠-玻璃板的3 層系統[圖2(b)]。紫外交聯2h，超純水洗滌后干燥，然后，將制備的HGS 切成具有一定面積的小切片（相應的質量范圍為每片2～2.5mg）。

1.4 溶液的配制

模擬體液（SBF） 按文獻[24, 28]配制，用來模擬人體中的實際關節腔內滑液。其中包 含 92.45mmol/L NaCl、 8.81mmol/L NaHCO3、19.30mmol/L Na2CO3、3.02mmol/L KCl、1.01mmol/L K2HPO4、1.50mmol/L MgCl2、0.50mmol/L Na2SO4和50.00mmol/L HEPES。用0.1mol/L NaOH和DL-乳酸將SBF的pH調節至7.4。

1.5 HGS對NaCl溶液的吸附-結晶實驗

制備具有一定濃度梯度的NaCl 水溶液（分別為1mol/L、2mol/L、3mol/L、4mol/L 和5mol/L）。將HGS 浸入不同濃度的NaCl 溶液中1h，使其完全溶脹，然后取出在25℃下進行結晶實驗。HGS 浸入NaCl 溶液后，水凝膠吸附溶液，交聯網格膨脹；在干燥過程中，交聯網格失去溶液，逐漸收縮回原來的形狀。隨著失水過程的進行，離子濃度增加，溶液達到過飽和，析出晶體。

1.6 UAD晶體形貌調控實驗

實驗過程如圖2 所示。取100mL SBF，加入一定量尿酸調至10mmol/L 的濃度，然后用DL-乳酸和0.1mol/L NaOH 將pH 調節至7.4。然后，在37℃下攪拌的同時用DL-乳酸將pH 調節至5.8。接下來，移取30mg 所獲得的UAD，并將其分散在添加了3mL SBF 的表面皿中，分別添加10mg、20mg 和30mg HGS，并建立空白對照組，然后在37℃下進行晶體形貌調控實驗。為保證測試結果準確性，所有條件下實驗都重復3次。

1.7 水凝膠性質分析

1.7.1 FTIR-ATR測試

使用傅里葉變換紅外光譜儀，對所有水凝膠復合膜材料進行檢測。根據所得譜圖判斷其化學鍵和官能團。鑒于合成水凝膠的單體和交聯劑各不相同，結構和官能團各不相同，譜圖特征峰也各不相同，根據譜圖判斷單體和交聯劑是否交聯成功，測試的波數范圍為700～4000cm-1。

1.7.2 NIPAM-PEGDA水凝膠復合膜交聯度分析

按1.3 節所述方法，分別制備了PEGDA∶NIPAM物質的量比分別為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1和純PEGDA 的水凝膠復合膜。對制備的復合膜進行DSC分析，DSC測試條件是氮氣氛圍下流速為50mL/min，測試溫度范圍為-70～200℃。

1.7.3 膜形貌表征

將不同比例、不同材料制得的水凝膠復合膜進行SEM 測試，對其進行表/斷面膜形貌分析。將干燥樣品置于液氮中，在低溫下淬斷獲得斷面。表面和斷面經噴金處理后置于電子顯微鏡下對其進行分析。

1.7.4 接觸角測試及成核自由能計算

測量不同材料、不同比例制得的水凝膠復合膜和PP 基膜對水的接觸角。隨后，計算ΔG*het/ΔG*hom，即異相成核和均相成核的Gibbs自由能比值。

1.7.5 基膜和水凝膠層的結合情況分析

以PEGDA-NIPAM（2∶1）復合膜為例，按1.3 節方式制備不同凝膠層厚度的復合膜。將復合膜置于超純水中浸泡溶脹1周后，取出進行斷面電鏡表征，觀察不同厚度水凝膠層的界面結合情況。

1.7.6 凝膠層對液滴蒸發結晶調控測試

常溫下，在9種涂覆了不同材料的水凝膠復合膜上各滴加1滴NaCl溶液（體積均為0.1mL，濃度為3mol/L）。待膜界面上的NaCl 晶體生長完畢后，用顯微鏡觀察膜上晶體，并對晶體形貌進行分析。

1.8 晶體分析

制備的晶體產品通過顯微鏡、SEM、激光粒度分析儀進行分析，表征晶體產品的形貌以及粒度分布。

2 結果與討論

2.1 水凝膠材料性能分析

將水凝膠復合膜材料進行編號，1#～8#參照表1，編號與材料一一對應。PP基膜作為對照組，標記為9#。

2.1.1 FTIR-ATR分析

為分析水凝膠預聚物的紫外交聯反應情況，測定1#～8#水凝膠復合膜的FTIR-ATR 譜圖，并與PP膜作對比。如圖3 所示，9#與1#～8#的曲線形狀不同，證明經過交聯反應后，有新物質在PP 基膜的表面或內部生成。由表1可知，材料1#、2#、5#、6#都只有一種單體且1#、5#與2#、6#分別都只有交聯劑不同。其中1#、2#的交聯劑為PEGDAM，5#、6#的交聯劑為EGDMA。類似的3#、4#和7#都是有兩種單體的水凝膠，其中3#、7#也僅有交聯劑不同。1#、3#、4#、5#和7#在制備預聚物時都包含單體HEMA，在圖3 的FTIR-ATR 譜圖上都出現代表HEMA的（OH）3441cm-1特征峰。1#～7#在1728cm-1處有著（C==O） 特征峰，而在1640cm-1處的（C==C） 特征峰完全消失，表示著PEGDMA 或EGDMA 交聯反應完全。8#水凝膠復合膜的特征峰主要是代表NIPAM 的1539cm-1（N—H），1732cm-1（C==O 酯羰基），1652cm-1（C==O 酰胺羰基），而990cm-1（C==C）處特征峰消失表明PEGDA反應完全。因此，FTIR-ATR分析結果表明，1#～8#水凝膠預聚物都已經完全反應，形成了特征交聯網格結構。

圖3 PP膜、不同復合膜的FTIR-ATR譜圖

2.1.2 NIPAM-PEGDA水凝膠復合膜交聯度分析

不同比例復合膜的玻璃化轉變溫度如圖4 所示。研究發現，隨著PEGDA 含量的增多，復合膜的玻璃化轉變溫度減小，這說明反應生成的聚合物鏈段平均分子量也減小，相應構成水凝膠的3D 網格尺寸減小。這證明水凝膠復合膜表面的功能網格材料的尺寸可以通過改變單體和交聯劑的比例來調節，不同的網格結構對后續應用性能的影響非常明顯。

2.1.3 膜形貌分析

圖4 不同比例水凝膠復合膜的DSC分析

圖5 1#～9#膜材料的表斷面SEM圖（圖中標尺均為30μm）

為直觀研究水凝膠層在水凝膠復合膜中的存在情況，分析不同配方下水凝膠層的結構，對水凝膠復合膜進行電鏡表征，結果見圖5。由圖可見，其他膜配方制備的復合膜（1#～8#）在PP 基膜的表面上覆蓋了一層不同配方的水凝膠層（20～80μm），證明確實存在交聯聚合物與PP 基膜結合，這與FTIR-ATR 分析結果一致。不同配方，在相同操作下獲得的復合膜水凝膠層的厚度不均勻，如3#條件下制備的水凝膠復合膜其水凝膠層厚度約為100μm，而2#條件水凝膠層厚度約為12μm。

2.1.4 接觸角測試及成核自由能計算

為了研究水凝膠復合膜的界面特點以及對結晶過程的影響，測得了25℃下不同配方水凝膠復合膜、PP基膜的超純水接觸角，結果如圖6所示。由圖可見，PP 膜是疏水膜，接觸角較大。水凝膠復合膜是親水性材料，與PP 基膜相比，1#～8#膜的水接觸角都更小。異相成核的成核自由能可由式(1)[29]計算，計算結果如表2所示。

表2 不同膜材料的接觸角及成核自由能之比

圖6 9種不同水凝膠界面的接觸角實驗圖

從相關文獻[29]可知，PP 孔隙率為0.1，復合膜孔隙率為0。所有計算結果都小于1，表明在膜存在條件下異相成核比均相成核更容易，各種水凝材料之間成核能壘之比相差不大，與PP 基膜相比，水凝膠層的存在使接觸角減小，異相成核自由能與均相成核自由能的比值降低了幾倍至十幾倍，證實了水凝膠存在有利于異相成核結晶。

2.1.5 基膜和水凝膠層的結合情況分析

復合膜中水凝膠層和基膜的界面結合情況是影響其性能的一個關鍵因素。如圖7所示，最終制備凝 膠 層 厚 度 分 別 為3.5μm、 4.3μm、 8.1μm、14.1μm。經過多次實驗發現當凝膠層厚度在5～6μm及以下時，溶脹后，凝膠層不會從PP上剝落，當凝膠層厚度繼續增厚達到8.1μm及以上時，溶脹后的復合膜表面發生明顯的凝膠層與PP 基膜分離的狀況（圖7中虛線橢圓標注的位置）。總的來說，凝膠層厚度越厚，充分溶脹后越容易剝落。這是因為水凝膠預聚物浸入PP 基膜中的厚度基本相同，水凝膠層和基膜間的結合力基本也相同。同時，水凝膠層是親水性的，PP 基膜是疏水性的，吸水溶脹后水凝膠層傾向于厚度增加，而PP 基膜層厚度基本保持不變，水凝膠層和基膜間產生互相分離的趨勢。隨著凝膠層厚度增大，凝膠層充分溶脹后產生的形變也越大，當水凝膠層和基膜間產生相互作用力大于結合力時凝膠層剝落。

2.1.6 凝膠層對液滴蒸發結晶調控

圖7 不同厚度凝膠層與基膜之間結合牢固性的SEM圖

將NaCl 液滴滴加到水凝膠復合膜上，在恒溫恒濕箱中（溫度T=25℃）蒸發結出晶體，取出置于顯微鏡下觀察，初步分析不同水凝膠復合膜對鹽溶液結晶的調控作用，結果如圖8所示。不同配方時異相成核能相差不大，且都有利于晶體成核，但圖8中晶體形貌不一，表明水凝膠復合膜對晶體形貌的調控還與其不同的配方組成有關。不同膜材料上NaCl 結晶的結果各不相同。9#PP 基膜晶體透明度較差，包藏水分，晶體純度較差。與之相比7#、8#材料結出的晶體透明度較高，晶體質量更好。7#、8#膜材料得到的NaCl晶體形狀大小更為統一，均為立方體塊狀。剩下的膜材料對NaCl 結晶調控作用不佳：1#形成了正方形薄片狀晶體；2#的晶體透明度較差；3#膜材料晶體發育不完全，存在階梯狀缺陷；4#、6#膜材料得到的晶體沒有清晰的邊緣結構；5#膜材料生成了枝狀晶體。

水凝膠-PP復合膜增強了材料的機械強度，但從接觸角和NaCl 液滴蒸發實驗結果表明，在調控晶體形貌上是水凝膠復合層起決定性作用，即使是相近的成核能壘條件下，不同材料對結晶形貌的調控也各不相同，以7#、8#兩種材料效果最好。為減少基膜PP 層孔隙率、與水凝膠層結合情況對水凝膠調控結晶作用的影響，后續實驗均使用純水凝膠層進行。經過多次制備，發現8#材料的制備過程更可控，在相同條件下，制得的凝膠層厚度基本相同，可用面積來定量量化其質量，這有利于將水凝膠材料制成片層、定量加入。因此，后續實驗均采用NIPAM-PEGDA（8#）的水凝層進行實驗。

2.1.7 水凝膠層的性能分析

圖8 不同膜材料對氯化鈉液滴蒸發結晶的影響（標尺1mm）

為探究水凝膠層制備的重現性和水凝膠材料對溫度、pH的響應能力，根據1.3.2節的方法制備平行多個批次的水凝膠層（HGS），將制備的NIPAM-PEGDA 水凝膠層進行SEM 表征，并測量不同溫度、pH 條件下的水接觸角，結果如圖9 水凝膠片表斷面SEM 及接觸角圖所示。由圖可見，不同批次制備的HGS 的厚度都約為100μm，且表面較平整，具有均勻的厚度和密度結構。在溫度為25℃時，測量pH 分別為3.6、4.0、4.6 的溶液的接觸角（CA），結果發現隨著pH 的增大，接觸角也增大。這是由于PEGDA 的酯羰基容易受酸性條件影響，pH 增大時，酯羰基和酸性氫之間的氫鍵將被破壞，從而增加材料的疏水性并增大接觸角。在pH=4.6 時，測定溫度分別為8℃、25℃、60℃下的接觸角，結果表明，HGS 的水接觸角隨溫度升高而增加。這是因為在低溫條件下NIPAM 的親水性酰胺基團可與水形成氫鍵，在高溫下氫鍵斷裂，酰胺基與酰胺基之間的相互作用增強，從而導致網格收縮和疏水性增大[8]。以上結果表明，不同批次制備的HGS 具有良好重現性、厚度均勻，可進行后續的定量分析。同時，HGS 能對溫度和pH 變化做出響應，具體體現為改變溫度或pH，表面接觸角發生變化，實質是溫度、pH 的變化導致HGS的交聯網格結構改變。因此，相同的HGS 可通過在不同環境參數下修改其表面特性來精確調控結晶。

圖9 水凝膠片表斷面SEM及接觸角

2.2 水凝膠對NaCl鹽溶液吸附-結晶實驗

除溫度、pH 外，濃度也是影響溶液結晶的一個主要因素。NaCl 鹽溶液吸附-結晶實驗是UAD晶體形貌調控實驗的預實驗，實驗的環境條件參數是T=25℃，pH=7.4，NaCl濃度為1mol/L、2mol/L、3mol/L、4mol/L、5mol/L。兩個實驗的共性都是含有鹽離子的溶液的結晶過程，鹽離子的存在對結晶過程有很大的影響。NaCl 鹽溶液吸附-結晶實驗的目的就是為了反應凝膠表面鹽離子的吸附能力，如果HGS 可以一定的規律吸收Na+離子并調節NaCl 的結晶，則HGS 有很大可能調節MSUM 的結晶。

理論上，隨著溶液逐漸蒸發，HGS 表面的溶液濃度達到過飽時，后續成核過程將遵循以下兩種途徑：①低初始濃度條件，僅當溶液蒸發形成極薄液層時，溶液才達到過飽和。吸附在HGS 網格中的鹽離子聚集在HGS-液層的異質界面上并產生初始成核作用。由于HGS 是親水性材料，該成核過程發生在固定的薄液體層下。因此，擴散主導了快速成核過程，最終晶體將具有相似的尺寸。②高初始濃度條件，溶液更早達到過飽和狀態，具有足夠液層厚度，有利于晶體生長。同時，晶體的生長可以有效地消耗液體層中的過飽和度，避免了快速成核。在成核過程受阻的情況下，HGS-液層非均質界面上的核數有限，每個晶體顆粒都能獲得穩定的晶體生長環境，直到晶體大小超過液層高度為止。此時，相鄰的晶體將拉伸液體層，形成凹形液層結構，從而在中心區域形成超薄部分。如上所述，在該超薄溶液層下，不可避免地存在有限空間的超快速成核。因此，將在有限的空間中發生被動的二次成核。

實驗結果驗證了對于結晶途徑的預測，結合圖10(a)和圖10(b)可知，在較低的濃度（1mol/L 和2mol/L）下，晶體的形態基本完整，沒有明顯的缺陷；在相同濃度下，晶體的尺寸基本相同；在HGS上獲得的晶體只有一個狹窄的尺寸分布。在高濃度（4mol/L和5mol/L）下，晶體的形態不再完整，并且存在兩個分離的晶體尺寸分布峰[圖10(b)]，即第一成核晶體（1st）和第二成核晶體（2nd）。以5mol/L結果為例，無論是在第一或第二成核晶體，它們的粒徑分布相對集中，并且兩者之間的粒徑差距較大。面對多峰分布時，變異系數（C.V.）不能代表確切的粒度分布。對于5mol/L，第一和第二成核晶體具有明顯的尺寸間隙。以0.8μm為界，第一成核晶體（其尺寸大于0.8μm）的C.V.約為27.26，第二成核晶體（其尺寸小于0.8μm）的C.V.約為21.64，兩者的尺寸分布都很窄。在中等過飽和度（3mol/L）下，大尺寸晶體的大小適中，并且晶體形態不再完整，僅形成有限的第二成核晶體，第一和第二成核晶體的尺寸相差不大。隨著濃度的增加，第一和第二成核晶體之間的尺寸間隙也增加。這表明HGS 誘導的成核和生長受到良好控制，并且兩步成核可以清楚地區分。NaCl 溶液的結晶實驗表明，HGS 作為微平臺，可以在不同濃度鹽溶液下提供穩定的濃度環境和大量的成核位點，且空間分布均勻，從而獲得成核和生長過程可控的晶體。

圖10 水凝膠切片NaCl鹽溶液吸附-結晶實驗

2.3 UAD晶體在HGS上的晶體形貌調控實驗分析

為了進一步揭示HGS 的潛在優勢，在NaCl 結晶實驗的基礎上引入了UAD 晶體形貌調控實驗，實驗過程如圖11(a)所示。在37℃下加入DL-乳酸，將pH調整至5.8，隨著不斷攪拌，SBF中會形成大量長片狀或方形UAD 晶體。經過濾和干燥后，獲得原始的UAD 晶體。然后將不同質量的HGS 加入到UAD 晶體+SBF 溶液中，經過相同的時間后，使用SEM 表征獲得的晶體。實驗條件為T=37℃，pH=7.4，溶液組成為30mg UAD 晶體+3mL SBF+0/10mg/20mg/30mg HGS。

作為空白對照組，在不添加HGS 的情況下[圖11(b2)、(c2)]，經歷和其他實驗組相同時間后取樣檢測，大多數晶體仍為長片狀或方形，形狀大小基本與初始晶體相同，存在少部分晶體轉變為針狀。即使單獨延長空白組的實驗時間，經過數天（平均為72h）后再次取樣檢測，有更多的片狀UAD 晶體轉變為針狀MSUM 晶體，晶體聚集情況仍然沒有變化。將不同劑量的HGS 添加到UAD 晶體+SBF 溶液中[圖11(b3～b5)、(c3～c5)]不到20h 就可獲得具有分層結構的晶體，其晶體形貌與空白對照組顯著不同。將HGS 添加到晶漿體系中，可以強化晶體形態轉變的過程，使晶體形貌迅速發生改變，幾乎所有的晶體都轉變為針狀的MSUM，然后在HGS 的作用下針狀晶體開始相互聚集，形成具有多種層次結構的晶體。如圖11(b3)和(c3)所示，在添加10mg HGS 后，大多數針狀晶體開始相互聚集并形成“花簇”狀晶體。隨著HGS 添加量的增大，HGS 強化晶體形態轉變過程的效果更加明顯。在相同的時間下，加入20mg HGS 的晶漿中生成了“球簇”狀晶體（完全生長的“花簇”）[圖11(b4)和(c4)]，當加入30mg HGS 時，晶體間的團聚進一步增強，形成圖11(b5)和(c5)所示的“黏性球簇”狀晶體（由“球簇”晶體相互聚集黏連而成）。綜上，HGS 對MSUM 晶體形貌調控作用可分為兩個方面：第一方面是片層狀的UAD 晶體逐步轉變為針狀的MSUM 晶體，這一過程有無HGS 都會進行，在添加HGS 后速度會明顯加快；第二方面是針狀的MSUM 在HGS 的作用下逐步聚集為“花簇狀”晶體、“球簇狀”晶體和“黏性球簇”狀晶體，這一過程在無HGS 時不會發生。

圖11 HGS上UAD晶體形貌調控實驗和添加不同劑量HGS時獲得的晶體

產生上述結果是因為HGS 具有獨特的交聯網狀結構和離子吸附能力，當不同劑量的HGS 添加到UAD 晶體+SBF 溶液中后，在不同實驗組中HGS-溶液界面液層會形成不同的濃度梯度。HGS-溶液界面液層處濃度梯度的不同，對溶質分子的溶解擴散和聚集過程有顯著影響，將改變HGS 表面晶體的成核和生長過程，能在相同本體溶液濃度下獲得不同形貌和層次結構的晶體。據文獻[30-32]中所述，只有精確控制結晶操作條件（例如攪拌速率）或引入特定溶劑時才能形成具有“花簇”或“球簇”分層結構的晶體。然而，在本研究中，無需苛刻的操作條件或特殊溶劑添加，僅通過調節作為功能微平臺的HGS 的添加量，就可將生物相關的晶體修飾為多種層次結構。

3 結論

本文引入水凝膠作為異相成核的界面，制備了不同配方的水凝膠復合膜材料。選出重復性好，調控結晶效果更好的配方制備HGS，將其作為調控結晶的仿生微平臺。并研究了HGS 的性質和調控結晶的機制，主要結論如下。

（1）水凝膠復合膜的功能性水凝膠層結合在復合膜表面，當凝膠層過厚，會導致兩者分離。當單體和交聯劑種類不變時，改變兩者比例，可以調節凝膠交聯度。凝膠層是親水性材料，與疏水性PP膜相比，能減小異相成核自由能與均相成核自由能之比，從而利于異相成核。材料種類對結晶過程的影響也不可忽視，即使是異相成核自由能相近，不同組成材料的水凝膠調控作用也不相同。本研究表明AA∶HEMA-EGDMA 和PEGDA-NIPAM 這兩種材料對NaCl結晶有較好的調控作用。

（2）按PEGDA-NIPAM（物質的量比2∶1）制得的HGS 有良好的重復性，具有均勻的厚度，可以通過添加量來量化面積從而進行定量分析，且HGS 表面結構能響應溫度、pH 變化。NaCl 鹽溶液吸附-結晶實驗表明，在不同濃度下HGS都能提供大量的成核位點，且空間分布均勻。證明HGS 具有離子吸附性能和濃度調節功能，能作為調控結晶的微平臺。

（3）UAD 晶體形貌調控實驗進一步表明了HGS 作為結晶微平臺，調控結晶過程的優勢。無需苛刻的操作條件或特殊溶劑添加，只需簡單調控體系中HGS 的添加量，就可強化晶體形態轉變的過程，促進晶體團聚形貌改變。可在HGS 表面直接獲得具“花簇”、“球簇”和“黏性球簇”等多種分層結構的晶體。