一種新型水凝膠的制備及影響因素

李云鶴，范冬浩，覃先燕

(1.川北醫學院附屬醫院 藥劑科，四川 南充 637000；2.西南交通大學 材料科學與工程學院，成都 610031)

水凝膠作為一類生物相容性良好的新型功能高分子材料[1-4]，在許多領域應用廣泛，特別是生物醫學領域，主要運用于組織工程[3,5-6]、藥物釋放[4,7-8]、傷口敷料[9-11]、生物繃帶[12-13]、仿生應用[6,14]以及傳感器[15-16]等方面。聚吡咯(Polypyrrole，PPy)是一種生物相容性良好的導電聚合物[17-19]，利用其設計制備的新型水凝膠不僅具有良好的生物相容性和力學柔性，還具有高電導率、快速充電/放電能力和高機械強度等優良的物理性質[20-21]，具有運用于生物醫學領域的潛力[22-23]。但是PPy很難制備導電聚合物水凝膠，且呈黑色沉淀形式，不溶于水和大多數有機溶劑，機械和粘合性較差，難以進一步功能化和加工[24]。

本研究通過吡咯(Pyrrole，Py)吸附在自組裝石膽酸(Lithocholic Acid，LCA)納米管相互連接的網絡上發生聚合反應，探索一種方便有效地進行PPy納米管水凝膠的模板化制備方法[25]。同時采用分子結構類似于貽貝粘附蛋白的“粘性”生物分子多巴胺(Dopamine，DA)對PPy進行功能化修飾，增強PPy在水中的分散性和穩定性，在不影響PPy生物相容性的前提下改善其粘附性[26]。

1 方 法

1.1 不同LCA模板水凝膠的制備

稱取適量LCA和氯化鈉粉末，加入0.1 mol·L-1的氫氧化鈉溶液并充分渦旋混勻，采用恒溫水浴超聲和探頭超聲兩種制備方法，每種方法均得到20 mmol·L-1和50 mmol·L-1的LCA模板，比較采用相同超聲制備方法，20 mmol·L-1和50 mmol·L-1的LCA模板不同之處。

分別取適量50 mmol·L-1的恒溫水浴超聲和探頭超聲LCA模板，加入適量Py單體溶液和DA，再加入過量的過硫酸鈉(Sodium Persulfate，SPS)溶液，渦旋振蕩均勻后置于4 ℃恒溫水浴中聚合，得到DA∶Py=0.1∶1、0.5∶1、1∶1、2∶1的聚吡咯聚多巴胺(Polydopamine-co-Polypyrrole，PDA-co-PPy)水凝膠，即最終水凝膠體系中Py濃度為144 mmol·L-1，DA濃度為14.4、72、144、288 mmol·L-1。

1.2 不同體系水凝膠的制備

取適量50 mmol·L-1的恒溫水浴超聲LCA模板，加入適量Py單體溶液和DA，再加入過量的SPS溶液，渦旋振蕩均勻后置于4 ℃恒溫水浴中聚合，得到DA∶Py=0.1∶1的PDA-co-PPy水凝膠，即最終水凝膠體系中Py濃度為144 mmol·L-1，DA濃度為14.4 mmol·L-1；取相同LCA模板加入適量Py單體溶液，完成相同操作后得到與上述PDA-co-PPy水凝膠中Py濃度一致的PPy水凝膠。

1.3 不同DA濃度PDA-co-PPy水凝膠的制備

取適量50 mmol·L-1的恒溫水浴超聲LCA模板，固定Py單體溶液的量，按照DA∶Py=0.05∶1、0.15∶1、0.2∶1、0.3∶1制備PDA-co-PPy水凝膠體系，即最終水凝膠體系中Py濃度為144 mmol·L-1，DA濃度為7.2、21.6、28.8、43.2 mmol·L-1。

1.4 不同Py濃度PDA-co-PPy水凝膠的制備

取適量50 mmol·L-1的恒溫水浴超聲LCA模板，固定DA的量，按照DA∶Py=1∶3.5、1∶5、1∶10、1∶20制備PDA-co-PPy水凝膠體系，即最終水凝膠體系中DA濃度為14.4 mmol·L-1,Py濃度為50.4、72、144、288 mmol·L-1。

1.5 觀察及分析方法

使用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM，JEM-2100f)觀察LCA自組裝模板材料的表面形貌。使用掃描電子顯微鏡觀察PPy水凝膠和PDA-co-PPy水凝膠的表面形貌。

2 結 果

2.1 LCA模板制備方法對PDA-co-PPy水凝膠體系成膠的影響

水浴超聲制備的20 mmol·L-1和50 mmol·L-1的LCA樣品均能形成均勻的乳白色渾濁液，但50 mmol·L-1的LCA樣品的流動性比20 mmol·L-1差，說明其粘度較20 mmol·L-1的LCA模板高。

不同DA和Py比例的PDA-co-PPy水凝膠，只有DA∶Py=0.1∶1，即DA濃度為14.4 mmol·L-1時，恒溫水浴超聲和探頭超聲兩種方法制備的LCA模板均能制備出PDA-co-PPy水凝膠，但探頭超聲制備的水凝膠不能夠長時間維持自身的形貌，會逐漸由圓柱形塌陷為圓錐形，因此采用恒溫水浴超聲LCA模板制備的水凝膠機械強度更優。同時發現，DA濃度過高(DA∶Py ≥ 0.5∶1)，水凝膠的機械強度大大降低，所以較低濃度的DA是制備PDA-co-PPy水凝膠的關鍵。

2.2 PPy水凝膠和PDA-co-PPy水凝膠的區別

由圖1(a)可知，PPy水凝膠前體溶液為均勻乳白色溶液，而PDA-co-PPy水凝膠前體溶液為均勻黃色溶液，可能是因為部分DA在堿性條件下被氧化。在加入SPS氧化聚合后，兩者的前體溶液均能形成水凝膠，如圖1(b)所示，兩者外形并無太大差別，均為黑色圓柱狀水凝膠。但其中DA濃度為14.4 mmol·L-1的PDA-co-PPy水凝膠(DA∶Py=0.1∶1)的機械性能稍強于PPy水凝膠。PDA-co-PPy水凝膠在脫模洗滌后外形依然保持完整，而PPy水凝膠下部出現輕微的破裂。

2.3 DA濃度對PDA-co-PPy水凝膠體系成膠的影響

如圖2(a)所示，不同DA濃度水凝膠前體溶液在15 min時，黏稠的乳白色溶液均逐漸變為淺黃色，沒有出現明顯的分層，且DA濃度為7.2 mmol·L-1的顏色最深。如圖2(b)所示，在加入過量的SPS使Py和DA發生聚合后，成功制備出黑色的PDA-co-PPy水凝膠，其中DA濃度為7.2 mmol·L-1時制備的PDA-co-PPy水凝膠具有最好的機械強度，能夠保持自身的形貌；而DA濃度為21.6、28.8 mmol·L-1時制備的PDA-co-PPy水凝膠強度非常弱，不能長時間維持自身的形貌；DA濃度為43.2 mmol·L-1時甚至不能夠成膠。實驗現象表明，太高的DA濃度會降低水凝膠的機械強度。

2.4 Py濃度對PDA-co-PPy水凝膠體系成膠的影響

不同濃度Py對PDA-co-PPy水凝膠的機械性能和形態有較大的影響。由圖3所示，當Py濃度為50 mmol·L-1，即DA∶Py=1∶3.5時，其機械強度相對較弱，不能夠長時間維持自身形貌，脫模一段時間后會由圓柱狀逐漸變為圓錐狀形貌，且不夠穩定，易被震散。而Py濃度為72和144 mmol·L-1，即DA∶Py=1∶5、1∶10的PDA-co-PPy水凝膠具有較強的機械性能，能夠保持自身的形貌，并且能夠維持自身水分不流失。

2.5 PDA-co-PPy水凝膠體系形貌分析

圖4(a)所示，在光學顯微鏡下，LCA在堿性環境中自組裝后呈現卷曲的頭發絲狀結構。圖4(b)所示，在掃描電鏡下，可以清晰觀察到許多相互堆疊的絲狀物，長度為微米級別，直徑大概30～80 nm。

2.5.1 PPy水凝膠和PDA-co-PPy水凝膠形貌分析

對比圖5(a)和(b)可以看出，PPy和PDA-co-PPy水凝膠都發生了聚合，且大部分吸附在自組裝LCA納米管相互連接的網絡上，但是不同之處在于，PPy水凝膠周圍的顆粒比PDA-co-PPy體系水凝膠多，說明PDA-co-PPy體系中Py在水中的分散性和穩定性較強，其與基材表面的粘附力明顯增強。

2.5.2 Py濃度對PDA-co-PPy水凝膠形貌影響的分析

圖6所示，對比Py濃度為144和288 mmol·L-1的PDA-co-PPy水凝膠的掃描電鏡圖，Py濃度的增加會導致水凝膠體系周圍的顆粒增多。推測其原因可能是隨著Py濃度的增加，越來越多的Py在LCA模板上發生聚合，但是當Py濃度過高時，LCA模板上結合位點有限，因此越來越多的Py在溶液中發生團聚，從而產生越來越多的顆粒。進一步推測PDA-co-PPy水凝膠的機械性能是隨著吡咯濃度的增加而提高，但是這種趨勢不是線性增長，吡咯濃度太高反而會造成水凝膠力學性能降低。

3 討 論

PPy是生物相容性良好的一類導電聚合物，具有優秀的運用于生物醫學領域的潛力[19]，近幾年，作為新型功能高分子材料中的研究熱點備受關注，但是由于其很難合成導電聚合物水凝膠，且具有差的溶解性、機械和粘合性，難以進一步功能化和加工，所以更多的是與無機、有機納米粒子復合生成復合材料[27-28]。本實驗的意義在于設計一種可輕松有效合成且具有較強粘附性的PPy納米管導電聚合物水凝膠的制備方式，以期后續進一步應用于生物醫學研究。

本實驗采用不同方法制備不同濃度的LCA自組裝模板，探究LCA超聲方法、DA以及Py濃度對水凝膠體系成膠的影響。研究中采用SPS作為氧化劑，氧化吸附在LCA納米管網絡上的Py，從而形成PPy納米管水凝膠。經過觀察分析，LCA在堿性條件下自組裝成具有不同直徑和形狀的納米管網絡結構，該網絡結構可作為Py聚合的模板，實現PPy納米管水凝膠的簡單有效制備。利用DA分子結構類似于貽貝粘附蛋白的特性，對PPy進行功能化，增強其在水中的分散性和穩定性，在不影響生物相容性的前提下改善其粘附性。

導電水凝膠結合了水凝膠的仿生特征以及導電聚合物的電化學特性，其三維多孔結構類似于組織中的細胞外基質，可以有效促進細胞的生長，同時還可提供電刺激以調節細胞和組織的活性和功能[5,29]。PPy作為一種生物相容性良好的導電聚合物，設計制備的PDA-co-PPy新型水凝膠具有開發為優質導電水凝膠的潛力，未來將進一步探索其在細胞和組織生物學方向的應用前景[30-31]。