氫鍵增強酰腙動態共價鍵智能水凝膠的制備及性能

劉 通，馬 偉，熊樂艷，郭贊如，2，章家立

（1.華東交通大學材料科學與工程學院，江西 南昌 330013；2.閩南師范大學化學化工與環境學院，福建 漳州，363000）

智能聚合物水凝膠是由聚合物交聯形成的三維網狀、含水量高達95%，并且對外界環境（如壓力、光、溫度、pH 等）刺激而產生響應的軟物質[1-4]。最近，利用動態共價鍵（DCBs）作為交聯點構建智能水凝膠受到了科研人員的關注，因為DCBs 交聯的水凝膠兼具共價鍵交聯水凝膠的穩定性和物理作用交聯水凝膠的自愈合（SH）、溶膠（sol）-凝膠（gel）轉變特性[5]。酰腙動態共價鍵就是典型的例子之一，具有較好的熱力學穩定性和易設計構建[6]。Deng 等[7-8]將PEG（聚乙二醇）用雙酰肼官能團化/末端含有醛基的PEG 和含有三個苯甲醛官能團小分子/含雙硫鍵的二酰肼在DMF 中形成酰腙鍵得到了具有自愈合性能和sol-gel 可逆轉變的水凝膠。Smeets 等[9]將酰腙鍵引入到PEG 聚合物中得到可注射水凝膠。Yan等[10]通過在含酰肼的聚谷氨酸和含醛基的海藻酸鈉之間形成酰腙鍵構建可注射的水凝膠，并將其應用于軟骨組織工程。Wei 等[5]利用N-羧基乙基殼聚糖和醛基化海藻酸鈉以及己二酰肼形成了以亞胺和酰腙鍵交聯的智能水凝膠，該凝膠能夠注射、自愈合以及有較好的抗水膨脹性，并且具有較好的生物相容性。Cuo 等[11]，呂展等[12]為賦予水凝膠多重響應性通過酰腙鍵交聯得到具有自愈合性能和溶膠-凝膠可逆轉變性能的水凝膠。Chang 等[13]將溫度響應基元引入到酰腙鍵交聯水凝膠中，獲得了具有溫度響應性的自愈合水凝膠。何元等[14]利用溫敏型聚合物通過酰腙鍵制備了pH 和溫度雙響應型水凝膠，同時通過調節溫度可調控水凝膠的穩定性和自愈合性能。然而，大多數溫敏型酰腙鍵交聯的智能水凝膠表現出較低的力學強度。提高酰腙鍵交聯智能水凝膠力學強度有提高水凝膠固含量或交聯密度、引入雙網絡結構和加入納米材料等方法[15-16]。在水凝膠網絡中引入有效形成氫鍵的基團可以有效提高凝膠的強度，如引入脲基嘧啶酮（UPy）基團可以在網絡中形成四重氫鍵達到增強水凝膠的目的[17-21]。目前在單一網絡結構的溫敏型酰腙鍵交聯智能水凝膠中，引入多重氫鍵增強其力學性能的研究鮮有報道。

文章通過可逆加成-斷裂轉移自由基聚合（RAFT）制備了含脲基嘧啶酮（UPy）基團單體（Mu）、N-異丙基丙烯酰胺 （NIPAM）和雙丙酮丙烯酰胺（DAAM），獲得了一系列含有UPy 基團的共聚物PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu；然后利用制備得到的共聚物（PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu）和己二酸二酰肼（ADH）反應形成酰腙動態共價鍵，得到水凝膠。

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

2-氨基-4-羥基-6-甲基嘧啶（UPy）：分析純，百靈威；N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）、雙丙酮丙烯酰胺（DAAM）：分析純，TCI；偶氮二異丁腈（AIBN）、己二酸二酰肼（ADH）：分析純，阿拉丁；鏈轉移劑（CTA）按照文獻[22]中的方法合成；其他試劑均為市售分析純。

1.2 測試與表征

核磁共振（1H NMR）儀：布魯克（BRUKER—AVANCE—III—HD—400 MHz）型，將PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu溶解在氘代氯仿中；傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）儀：PerkinElmer Spectrum one 型，測試范圍為4 000～400 cm-1；凝膠滲透色譜（GPC）儀：沃特斯515 泵，參比物（聚氧乙烯），流動相四氫呋喃（THF）做洗脫液，THF 流速為60.0 mL/h；流變儀：Anton Paar Physica MCR 302 旋轉型流變儀及PP25轉子，測試溫度為10 ℃，測試模式為應力（Stress）或應變控制模式（Strain-controlled mode）；掃描電子顯微鏡（SEM）：Japan JEOL JSM-7500F 型儀器，將凝膠樣品凍干后進行觀察；萬能試驗機：寧波鎮海偉恒檢測儀器有限公司，測試水凝膠樣品的壓縮應力-應變（Strain-Stress）曲線。

1.3 共聚物PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu 的制備及LCST 測定

首先制備了Mu單元[23]。通過可逆加成-斷裂轉移自由基聚合制備PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu。以P5為例，在三頸燒瓶中加入DAAM 0.15 g（0.88 mmol）、NIPAM 1.79 g（15.84 mmol）、Mu0.25 g（0.88 mmol）和7 mL 二甲亞砜（DMSO），邊攪拌邊通入N230 min，加入CTA 0.036 7 g（0.10 mmol）和AIBN 3.3 mg（0.02 mmol），繼續通N230 min 后加熱到70 ℃反應24 h。反應結束后在大量乙醚中沉淀反應物，洗滌多次，抽濾后進行真空干燥，可得到P5的初步產物，將初步產物放置在去離子水中透析168 h，最后將透析后的樣品進行冷凍干燥，可得到共聚物P5。共聚物P0，P1，P2采用相同的方法，投料配比按照表1 所示。將上述制備的共聚物配置成濃度為10 mg/mL 的溶液，通過UV-Vis 測定聚合物溶液（P0，P1，P2和P5）在600 nm 波長下的透光率T，對T 和溫度進行擬合得到變化曲線，聚合物的濁點[24]為曲線中透光率下降50% 時所對應的溫度。

表1 共聚物的組成及參數Tab.1 Physical parameters of polymer

1.4 水凝膠的制備和pH 響應性

將共聚物溶解在水中配制質量分數為20% 的溶液，加入的己二酸二酰肼（ADH）物質的量n 為共聚物中雙丙酮丙烯酰胺單元n 的50% ，待加入的共聚物和ADH 溶解完全后，調節溶液的pH 值得到水凝膠。水凝膠H0，H1，H2，H5分別由共聚物P0，P1，P2，P5制備得到的。得到的上述水凝膠可以使用4 mol/L 的NaOH 或4 mol/L 的HCl 調節pH 來實現Sol-gel 轉變。

1.5 水凝膠的自愈合和力學性能測試

選用兩個大小相同的圓狀水凝膠，對其中一個水凝膠用胭脂紅進行染色。將兩個圓餅狀水凝膠等分切成4 個半餅形水凝膠，再將一個胭脂紅染色的半餅水凝膠和一個未染色的半餅水凝膠緊密拼接在一起；將水凝膠置于設定溫度下放置兩小時，觀察其自愈合能力。使用萬能試驗機在20 ℃下進行壓縮強度測試。將圓柱體形狀水凝膠（h=10 mm，d=10 mm）以恒定的速率（2 mm/min）壓縮至應變為70% 時的強度記為水凝膠的壓縮強度。

2 結果與討論

2.1 聚合物的結構和LCST

圖1 為共聚物的1H-NMR 譜圖。0.8～1.1 ppm處為NIPAM 單元上—C （CH3）2的質子峰位移，1.2～1.3 ppm 處為DAAM 單元上—C（CH3）2的質子峰位移，1.3 ～1.6 ppm 處 為 主 鏈 單 元 上—CH2—和Mu單元中—CH3質子峰位移，1.8～2.1 ppm 處為主鏈 上—CH—和—CH2—、DAAM 單元中—CH2—和CH3C=O、Mu單元嘧啶環—CH3的質子峰位移，2.7～3.1 ppm 為Mu單元—NCH2—的質子峰位移，3.7～4.1 ppm 為NIPAM 單元—CH—質子峰位移，4.1～4.2 ppm 為Mu單元—COOCH2的質子峰位移，6.6 ppm為Mu單元嘧啶酮環的質子峰位移。通過1H-NMR譜圖計算出了聚合中結構單元的比例，通過GPC 測定了聚合物的數均分子量Mu和分子量分布指數PDI，如表1 所示。從表1 可以看出，產品各組分的比例和投料比只有細微的差別，說明合成了不同組成的共聚物。圖2（a）中插圖為P0水溶液（10 mg/mL）分別在20 ℃和35 ℃時的表觀照片，溫度升高溶液由透明狀變為乳白色渾濁狀，說明聚合物具有溫度響應性。共聚物P0，P1，P2，P5的濁點分別為27.9，27.7，27.5，26.6 ℃（圖2（b）），說明溫度的調控可以通過改變PDAAM—co—PNIPAM—co—Mu聚合物中Mu單元的量實現。

圖1 共聚物的1H NMR 圖Fig.1 1H NMR spectra of copolymer

圖2 共聚物的透光率和濁點Fig.2 Light transmittance and turbidity point of copolymer

2.2 水凝膠的形成及流變性能

利用共聚物和己二酸二酰肼反應，形成機理如圖3 所示，獲得一系列水凝膠。圖4（a）顯示了頻率與模量的流變圖。可以看出，制備得到的水凝膠G' 始終大于G″。這是水凝膠的典型流變行為[11，16]，可以說明共聚物與己二酸二酰肼形成了水凝膠。如圖4（b）所示，利用FT-IR 進行分析，從紅外圖可以分析共聚物和水凝膠的結構。DAAM 在波數1 719 cm-1處出現了酮羰基（C＝O）伸縮振動的特征吸收峰，且共聚物中也在相同位置出現了C＝O的特征吸收峰，說明聚合物中含有DAAM 單元[16]。形成相應水凝膠后，酮羰基吸收峰消失，而是在波數為1 635 cm-1處出現C＝N 的特征吸收峰[16]，說明共聚物中酮羰基和ADH 中酰肼反應生成了酰腙鍵交聯鍵。

圖3 水凝膠形成機理圖Fig.3 Diagram of hydrogel formation mechanism

從圖4（a）也可看出，隨著水凝膠中Mu單元比例的增加G' 逐漸增強，說明隨著UPy 基團的增多水凝膠強度增強。這是因為UPy 基團可以在凝膠網絡中形成四重氫鍵[21]，分子鏈之間的氫鍵作用增強了凝膠的強度。圖4（c）為水凝膠模量對應變變化的關系圖，可以得出水凝膠的臨界剪切應變值隨水凝膠中Mu單元摩爾比例的增加而逐漸降低。這是因為隨著氫鍵交聯的增加，水凝膠交聯度逐漸增大，導致水凝膠柔韌性下降[25]。對含不同Mu單元比例的水凝膠進行了壓縮強度測試，如圖4（d）所示。Mu單元從0 增加到5% ，水凝膠的壓縮強度從9.34 kPa升高到52.55 kPa，提高了4 倍多，進一步說明UPy基團在水凝膠體系中的氫鍵作用提高了水凝膠的壓縮強度。圖5 為水凝膠H0，H1，H2和H5的SEM 照片，可以看出水凝膠隨著UPy 基團的增多，凝膠網絡變得越來越致密（特別是H5），說明UPy 基團形成的氫鍵能夠增強凝膠強度。

圖4 水凝膠的流變、紅外及應力-應變曲線Fig.4 Rheological, infrared and stress-strain curves of hydrogels

圖5 H0，H1，H2 和H5 的SEM 圖Fig.5 SEM images of H0，H1，H2 and H5

2.3 水凝膠的pH 和溫度響應性

如圖6（a）所示，當改變pH 值時，水凝膠出現可逆的Sol-gel 轉變，表明水凝膠具有pH 響應性。此外，水凝膠隨著溫度的升高，發生溫度響應性，如圖6（b）所示。當溫度為20 ℃時，水凝膠為透明狀；當溫度升高到35 ℃時轉變為乳白色且水凝膠的體積隨著溫度的升高發生了明顯縮小，可以說明其具有溫度響應性。

圖6 水凝膠的pH 和溫度響應性照片Fig.6 Photos of pH and temperature response of hydrogels

圖7（a）為水凝膠的壓縮曲線，得出水凝膠在溫度響應之后其壓縮強度都得到了數倍的增強（圖7（b）），其中含有UPy 基團的水凝膠H5溫度響應之后的壓縮強度（279.81 kPa）相比于不含UPy 基團的水凝膠H0（9.34 kPa）升高了近30 倍，說明溫度誘導能夠使水凝膠力學性能進一步增強。這是由于當溫度高于共聚物的LCST 時，共聚物分子鏈發生塌陷，凝膠中的水分會被擠出，凝膠網絡變得更為致密[17]。利用流變儀測試了水凝膠模量隨溫度升高變化情況，如圖7（c）所示。H5的G' 隨著溫度的升高而升高；同時，水凝膠模量開始升高的溫度也接近其對應共聚物的濁點，說明水凝膠中聚合物鏈發生溫度響應導致水凝膠網絡越來越致密。此外，針對水凝膠的體積收縮率隨著溫度的變化情況進行了測試。如圖7（d）所示，發現隨著溫度升高，水凝膠的體積收縮率升高，其響應的溫度也接近對應的共聚物的濁點，說明是溫度響應導致凝膠網絡變得更為致密。通過對比不同水凝膠在相同溫度時的體積收縮率，發現隨著水凝膠中Mu摩爾比例的增加，相應水凝膠的體積收縮率越高。可能是水凝膠中疏水單體Mu增加，水凝膠中被排擠的水分越多，導致水凝膠的體積收縮率越高。

圖7 水凝膠加熱前后的壓縮對比圖、體積收縮率及H5 在循環升溫過程中的動態模量變化曲線Fig.7 Compression contrast diagram of hydrogel before and after heating, volume shrinkage and dynamic modulus change curve of H5 during cyclic heating process

2.4 自愈合性能

如圖8（a）所示，可以看出將凝膠切開后重新放置在一起2 h 后可以發生自愈合。利用流變恢復測試評價了水凝膠的自愈合能力（SH），如圖8（b）所示，水凝膠H5在應變較小時，儲能模量高于損耗模量；當應變大于其臨界應變之后，儲能模量低于損耗模量，水凝膠網絡結構被破壞。當應變減小時，又快速恢復gel 狀態，說明具有較好的SH能力。水凝膠模量隨著應變的逐漸增大，如應變為1 500% 時，其模量略有下降，這是由于經歷大的破壞后水凝膠網絡的交聯點難以完全快速恢復。通過對水凝膠自愈合前后曲線進行對比 （圖8（c）），可看出水凝膠的自愈合效率都在90% 以上（圖8（d）），說明酰腙鍵和氫鍵作用賦予水凝膠較好地自愈合性能。

圖8 水凝膠自愈合過程Fig.8 Hydrogel self-healing process

3 結論

采用RAFT 聚合的方法，對水凝膠的pH 和溫度雙重響應性和自愈合性能進行了研究，得出了以下結論。

1）利用RAFT 聚合方法制備了含UPy 基團的溫敏共聚物PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu，其分子量以及分子量分布可控。

2）水凝膠中UPy 基團形成四重氫鍵，能夠增強水凝膠的力學性能。

3）水凝膠表現出pH 和溫度雙重響應性，并且水凝膠溫度響應之后力學強度得到進一步增強。

4）水凝膠具有自愈合能力，且自愈合效率高于90%。