具有pH響應(yīng)性的自愈合藍(lán)光水凝膠

王少凡，周穎，郝康安，黃安榮，張如菊，吳翀，左曉玲

（1 貴州民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550025；2 貴州民族大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；3 國(guó)家復(fù)合改性聚合物材料工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550014；4 貴州中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550025）

近年來(lái)，隨著對(duì)水凝膠的深入探索，研究者們發(fā)現(xiàn)了其通常具有可調(diào)節(jié)的力學(xué)性能、低毒性以及良好的生物相容性[1-2]，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如傷口敷料、組織工程和細(xì)胞培養(yǎng)等方面得到了廣泛的應(yīng)用[3-6]。然而水凝膠作為一種軟濕材料，其力學(xué)性能易受到外力的影響，進(jìn)一步破壞水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完整性，會(huì)導(dǎo)致水凝膠出現(xiàn)不可逆的破損[7]。在自然界中，不論是不小心被割傷后的皮膚自主再生，還是腸胃受損后的自主愈合，生物體的自愈現(xiàn)象都激發(fā)了人們對(duì)于自愈合性質(zhì)的無(wú)限想象。受此啟發(fā)，研究人員將這一類(lèi)性質(zhì)引入水凝膠，使該材料在受損后可以快速愈合自身?yè)p傷，既維持了水凝膠的原有功能性，又實(shí)現(xiàn)了材料的循環(huán)利用。

水凝膠的自愈合現(xiàn)象一般是通過(guò)在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵（二硫鍵、硼酸酯鍵及Diels-Alder反應(yīng)等[8-11]）或動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵（氫鍵、分子間作用力及靜電相互作用等[12-14]）來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些動(dòng)態(tài)價(jià)鍵通過(guò)在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中建立重組與解離的動(dòng)態(tài)平衡，從而賦予水凝膠自愈能力。但是大多數(shù)價(jià)鍵需要依賴(lài)外界條件的改變才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重組，即非自主型自愈合[15-16]，例如，基于硼酸酯鍵動(dòng)態(tài)重組的水凝膠需要在酸性環(huán)境（pH=4.2）條件才能觸發(fā)自愈合性能[15]；基于二硫鍵構(gòu)建的水凝膠，其自愈合性能則需要在堿性環(huán)境（pH=9）條件下得以實(shí)現(xiàn)[16]；而基于可逆Diels-Alder反應(yīng)所制備的水凝膠除了需要合成特定的共軛雙烯和親雙烯體，更是需要升溫才能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自修復(fù)[9]。此外，這些自愈合水凝膠的構(gòu)建方式不僅需要煩瑣的合成步驟，而且自愈合性能的實(shí)現(xiàn)條件較為嚴(yán)苛，從而限制了自愈合水凝膠在更多領(lǐng)域中的應(yīng)用[17]。因此，以高效便捷的方式開(kāi)發(fā)自主型自愈合水凝膠顯得尤為重要。

殼聚糖作為自然界中唯一的堿性多糖，具有良好的生物降解性和抗菌性，同時(shí)其結(jié)構(gòu)中含有羥基和氨基等高活性基團(tuán)，使殼聚糖水凝膠在多領(lǐng)域展示出潛在的應(yīng)用價(jià)值[18-19]。然而分子鏈中大量氫鍵的存在，使得殼聚糖幾乎不溶于水和堿性溶液，這極大地限制了殼聚糖的應(yīng)用[20-22]。因此對(duì)其羥基進(jìn)行改性，可以開(kāi)發(fā)具備較好溶解性的殼聚糖衍生物，以進(jìn)一步擴(kuò)寬殼聚糖的應(yīng)用范圍。例如，Chen 等[23]將殼聚糖衍生物引入聚(N-異丙基丙烯酰胺)，設(shè)計(jì)了一種具有核-殼結(jié)構(gòu)的水凝膠，該水凝膠具有溫度敏感性和良好的生物相容性，能夠很好地實(shí)現(xiàn)組織再生。海藻酸鈉同樣是一種可降解再生的天然高分子，其結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基和羧基，因此在水溶液中具有良好的溶解性、穩(wěn)定性以及黏性[24-26]。此外，海藻酸鈉因其低毒性而常被用于制備醫(yī)學(xué)材料。特別是其分子間的順式二醇結(jié)構(gòu)，很容易被氧化劑氧化，以降低分子量并進(jìn)一步提高流動(dòng)性，從而具有更高的應(yīng)用價(jià)值[27]。Pei等[28]在海藻酸鈉結(jié)構(gòu)單元上引入了多個(gè)功能性醛基，并將其與功能化聚乙二醇反應(yīng)，所制備的水凝膠能夠很好地包覆抗癌藥物阿霉素。在近幾年的研究中，基于天然高分子材料構(gòu)建的自主型自愈合水凝膠已經(jīng)被成功設(shè)計(jì)并應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，例如基于Diels-Alder反應(yīng)制備的果膠-殼聚糖水凝膠表現(xiàn)出良好的自愈性、pH 響應(yīng)性以及熱響應(yīng)性，并被作為藥物載體應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域[6]。但是這一類(lèi)材料不能對(duì)生物體進(jìn)行實(shí)時(shí)和非侵入性的監(jiān)測(cè)，從而限制了水凝膠為研究者們提供復(fù)雜生物結(jié)構(gòu)的重要信息。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，將發(fā)光基團(tuán)引入水凝膠使其產(chǎn)生熒光現(xiàn)象可以很好地賦予水凝膠生物追蹤和特異性識(shí)別能力，從而進(jìn)一步推進(jìn)自愈合水凝膠在更多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用[29]。

基于此，本文利用氯乙酸取代殼聚糖形成羧甲基結(jié)構(gòu)，并利用高碘酸鈉氧化海藻酸鈉形成二醛結(jié)構(gòu)，通過(guò)席夫堿交聯(lián)制備了新型熒光自愈合水凝膠（CSA水凝膠）。通過(guò)傅里葉紅外光譜儀對(duì)水凝膠進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，利用旋轉(zhuǎn)流變儀表征水凝膠的自愈合性能，同時(shí)利用熒光光譜儀表征水凝膠的熒光性能，旨在通過(guò)一種低成本且快速易得的方式制備出具有多功能集成特性的新型高分子水凝膠材料。這種水凝膠材料受外力破壞后能夠通過(guò)自主型共價(jià)鍵的快速重組在短時(shí)間內(nèi)復(fù)原，同時(shí)在365nm紫外燈照射下，能夠發(fā)射出明亮的藍(lán)色熒光，并表現(xiàn)出熒光激發(fā)波長(zhǎng)依賴(lài)特性。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)pH 能夠?qū)崿F(xiàn)水凝膠的溶膠-凝膠相轉(zhuǎn)變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水凝膠的動(dòng)態(tài)重組。這種同時(shí)具備pH 響應(yīng)性、自愈合特性以及熒光性能的新型水凝膠材料，有望在生物影像和信息防偽等領(lǐng)域展現(xiàn)出無(wú)比巨大的應(yīng)用潛力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

氯乙酸，東京化成工業(yè)株式會(huì)社；高碘酸鈉、無(wú)水乙醇、異丙醇、乙二醇、氫氧化鈉，北京伊諾凱科技有限公司；PBS緩沖液、KI淀粉指示劑，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；海藻酸鈉、殼聚糖，上海麥克林生化科技有限公司。所用試劑均為分析純，未經(jīng)純化直接使用。

R-300 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，瑞士BUCHI 公司；Tensor Ⅱ傅里葉變換紅外光譜分析儀，德國(guó)Bruker公司；Fluoromax-4 分子熒光光譜儀，日本HORIBA 公司；DHR-1 型旋轉(zhuǎn)流變儀，美國(guó)TA 公司；松下LX10相機(jī)，日本松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社。

1.2 單體與水凝膠制備過(guò)程

1.2.1 氧化海藻酸鈉（OSA）的合成

根據(jù)已有文獻(xiàn)[30]報(bào)道，將10.0g 海藻酸鈉（SA）溶于500mL 去離子水和175mL 無(wú)水乙醇中，得到懸浮液。待其分散均勻后，稱(chēng)取8g 高碘酸鈉加入懸浮液中，避光條件下反應(yīng)10h。加入2.33g乙二醇反應(yīng)30min中和未反應(yīng)的高碘酸鈉，旋蒸后用丙酮多次過(guò)濾洗滌產(chǎn)物以完全去除殘留反應(yīng)物，烘干得到白色粉末狀OSA。

1.2.2O-(鈉鹽)羧甲基殼聚糖（Na-CMCs）的合成

根據(jù)已有文獻(xiàn)[31]報(bào)道，將13.5g氫氧化鈉溶于20mL 去離子水中，分別稱(chēng)取80mL 異丙醇和10.0g殼聚糖加入到氫氧化鈉水溶液，50℃下加熱攪拌1h。將15.0g 氯乙酸溶于20mL 異丙醇中，滴加（30min內(nèi)滴完）到反應(yīng)中，繼續(xù)加熱攪拌10h，得到乳白色固體。使用70%乙醇溶液多次過(guò)濾洗滌產(chǎn)物以完全去除殘留反應(yīng)物，真空干燥24h后得到Na-CMCs。

1.2.3O-羧甲基殼聚糖-氧化海藻酸鈉水凝膠（CSA水凝膠）的合成

反復(fù)實(shí)驗(yàn)探索得到OSA 和Na-CMCs 在水中的最大溶解度，分別為0.225g/mL和0.067g/mL。稱(chēng)取1.0g Na-CMCs 溶于20mL 去離子水，待其完全溶解后加入1.125g OSA，充分?jǐn)嚢韬蠹纯傻玫紺SA水凝膠。在模具中充分交聯(lián)以后的CSA 水凝膠所具有的形狀即為最終水凝膠的永久形狀。此時(shí)單體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%，分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～10%的水凝膠，編號(hào)CSA 1～CSA 10（表1）。

表1 不同固含量下水凝膠的成形狀態(tài)

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 海藻酸鈉的氧化程度測(cè)試

根據(jù)不同n(SA)∶n(IO-4)制備OSA，待其反應(yīng)完全后，分別取出0.5mL 溶液加入KI 淀粉指示劑，攪拌均勻后呈黃褐色；以空白溶液為參比，于480nm波長(zhǎng)處測(cè)量吸光度，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)確定剩余高碘酸鈉的量[32]，利用差減法計(jì)算海藻酸鈉的氧化度。

1.3.2 紅外光譜測(cè)試（FTIR）

取適量水凝膠冷凍干燥后，進(jìn)行紅外分析。測(cè)試模式為ATR 模式，掃描范圍為500～4000cm-1，分辨率4cm-1，測(cè)定紅外光譜。

1.3.3 凝膠化時(shí)間測(cè)試

使用燒杯側(cè)傾法[16]（側(cè)傾時(shí)液體無(wú)流動(dòng)則證明形成了凝膠）進(jìn)行凝膠時(shí)間測(cè)試。

1.3.4 溶脹性能測(cè)試

在室溫下，分別將不同組別的CSA 干凝膠浸泡在去離子水中，每隔一段時(shí)間取出，將表面擦干后稱(chēng)重，計(jì)算溶脹率。

1.3.5 流變學(xué)測(cè)試

將CSA 水凝膠制備成厚度為1mm 左右的圓柱體，放置在旋轉(zhuǎn)流變儀中。25℃下，設(shè)定應(yīng)變1%，在頻率1～100r/s 范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，記錄儲(chǔ)能模量（G'）和損耗模量（G″）的變化。

1.3.6 熒光性能測(cè)試

將水凝膠放置在365nm紫外燈的照射下會(huì)有強(qiáng)烈的藍(lán)色熒光。隨即，分別配制不同組別的CSA水凝膠，然后放置在熒光光譜儀的測(cè)量模具中對(duì)其進(jìn)行熒光性能表征，設(shè)置掃描間隔為5nm，激發(fā)波長(zhǎng)為365nm，測(cè)試不同組別水凝膠的發(fā)射光譜；在得到最大熒光發(fā)射峰后，測(cè)試其激發(fā)光譜，記錄其熒光性能。

1.3.7 自愈合性能測(cè)試

將水凝膠樣品平均切成兩半，其中一半樣品使用曙紅-Y 進(jìn)行染色，另一半使用亞甲基藍(lán)進(jìn)行染色處理。在室溫下將分割為兩半的水凝膠由斷面貼合到一起，在無(wú)外力作用下進(jìn)行自愈合性能測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 CSA水凝膠的成膠時(shí)間與結(jié)構(gòu)表征

CSA 水凝膠的合成機(jī)理如圖1(a)所示，本文利用Na-CMCs 提供的氨基與OSA 提供的醛基進(jìn)行動(dòng)態(tài)席夫堿交聯(lián)形成水凝膠。調(diào)節(jié)單體的固含量，CSA水凝膠的交聯(lián)程度有所不同，其物理和化學(xué)性質(zhì)也會(huì)隨之改變。由表1可以看出，成膠時(shí)間最短的是CSA-10組，成膠時(shí)間最長(zhǎng)的是CSA-4組，而CSA-1～CSA-3 組不能形成水凝膠。當(dāng)單體的固含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于4%時(shí)，整個(gè)體系中的單體含量較低，Na-CMCs 與OSA 分子鏈不能很好地纏結(jié)在一起，使得交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)非常稀疏，因此體系呈微凝膠態(tài)甚至是液態(tài)。而單體固含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于4%～10%之間時(shí)，混合溶液中的Na-CMCs 含量多，體系黏稠度較大且流動(dòng)性較小，Na-CMCs 與OSA 能夠快速交聯(lián)形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此時(shí)，CSA水凝膠在常溫下能夠穩(wěn)定存在。圖1(b)是SA 的氧化度隨高碘酸鈉加入量的變化曲線(xiàn)，由圖可以看出，隨著高碘酸鈉用量的增加，海藻酸鈉的氧化度呈直線(xiàn)上升趨勢(shì)（R=0.98824），這與文獻(xiàn)[32]報(bào)道是一致的。圖1(c)為OSA的核磁氫譜圖，在OSA的核磁共振氫譜圖中，化學(xué)位移δ在4.65 處是溶劑重水的吸收峰，在5.05和5.15處出現(xiàn)兩個(gè)峰[27]，這對(duì)應(yīng)由醛和鄰近羥基形成的半乙酰質(zhì)子，也證明OSA 被成功制備。

圖1 CSA水凝膠的合成機(jī)理圖以及OSA的結(jié)構(gòu)表征

圖2(b)是海藻酸鈉（SA）、殼聚糖（CS）、OSA、Na-CMCs、CSA 水凝膠的FTIR 譜圖。圖中位于3300～3400cm-1處的寬吸收峰為CS羥基的伸縮振動(dòng)峰，位于1652cm-1和1575cm-1的峰分別是CS酰胺帶和氨基的彎曲振動(dòng)峰[33]。與CS相比，Na-CMCs在1586cm-1處出現(xiàn)羰基的伸縮振動(dòng)峰，而氨基的彎曲振動(dòng)峰則移動(dòng)到1409cm-1。這表明羧甲基很好地接枝在了殼聚糖分子鏈上，并且Na-CMCs 依然保留有氨基。位于1588cm-1和1403cm-1處的吸收峰則是SA 中羧基的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰和對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰[27]，而在1630cm-1處出現(xiàn)了新的特征峰，為醛基的伸縮振動(dòng)特征峰，進(jìn)一步證明SA 被成功氧化為OSA。此外，隨著OSA 的加入，Na-CMCs 分子鏈上的親水性氨基進(jìn)行席夫堿交聯(lián)反應(yīng)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚詠啺肪W(wǎng)絡(luò)。1630cm-1處的OSA的醛基特征峰消失，在1690cm-1處出現(xiàn)亞胺鍵的特征峰。以上結(jié)果表明Na-CMCs 分子鏈上的氨基與OSA 分子鏈上的醛基發(fā)生了席夫堿交聯(lián)生成了CSA水凝膠。圖2(a)則是不同組別的CSA 水凝膠的溶脹曲線(xiàn)，由圖中可見(jiàn)，所有組別水凝膠的溶脹率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大并最終趨于平緩，這表明CSA 水凝膠具有優(yōu)異的吸水性能。隨著CSA 水凝膠中的Na-CMCs 和OSA含量的增加，水凝膠的最終溶脹率有所降低，CSA-4 水凝膠的溶脹率可達(dá)到8000%以上，而CSA-10 的溶脹率約為5000%。這是因?yàn)殡S著水凝膠體系中交聯(lián)密度的增大，水凝膠的分子鏈纏結(jié)緊密，因此導(dǎo)致水凝膠的孔徑變小而孔隙變密，從而使水凝膠的吸水能力下降[10]，圖2(c)中不同水凝膠的SEM圖像也能證明這一點(diǎn)。

圖2 CSA水凝膠的結(jié)構(gòu)表征

2.2 CSA水凝膠的自愈合性能

通過(guò)宏觀(guān)自愈合實(shí)驗(yàn)證明了CSA 水凝膠的自愈合性能。如圖3所示，首先將完整的CSA-4組水凝膠分割成兩半，分別用曙紅-Y 和亞甲基藍(lán)染料對(duì)其進(jìn)行染色處理，然后拼接到一起觀(guān)察自愈合現(xiàn)象。剛拼接時(shí)，水凝膠切面處能夠看到明顯的裂縫，而放置0.5h后，水凝膠的拼接處邊界開(kāi)始變得模糊，這是由于水凝膠在切面處接觸后開(kāi)始愈合，染料分子會(huì)相互流動(dòng)交換，因此切面兩側(cè)呈兩種染料顏色的疊加。在放置2h 后，水凝膠的切面處基本愈合完全。用鑷子可以?shī)A起水凝膠而不會(huì)再次斷裂，這表明水凝膠的切面處進(jìn)行了動(dòng)態(tài)重組，而不是簡(jiǎn)單的粘連。這是因?yàn)樗z內(nèi)部存在大量的動(dòng)態(tài)亞胺鍵和部分游離氨基，在無(wú)需任何外界刺激條件下，破損的水凝膠在切面處會(huì)重新鍵合組成亞胺網(wǎng)絡(luò)，最終修復(fù)損傷[32,34-35]。

圖3 CSA水凝膠的自愈合性能

CSA 水凝膠在固定應(yīng)變（γ） 為1%、頻率（ω）為1～100r/s 條件下的流變性能如圖4 所示。通常來(lái)說(shuō)，化學(xué)交聯(lián)水凝膠的力學(xué)性能十分穩(wěn)定，一般在頻率范圍內(nèi)，體系形變較小時(shí)儲(chǔ)存模量G'遠(yuǎn)大于損耗模量G″[11]。從圖中可以看出自愈合前后CSA-4、CSA-6、CSA-8 樣品的儲(chǔ)能模量G'基本上呈現(xiàn)出一直增大的趨勢(shì)，這是由于水凝膠體系中微量未交聯(lián)的Na-CMCS 存在著運(yùn)動(dòng)阻力[4]。而CSA-10 樣品增加幅度不大，表明水凝膠交聯(lián)最為致密。而CSA-4、CSA-6、CSA-8三組水凝膠在頻率達(dá)到100r/s 以后，儲(chǔ)能模量G'上升幅度減小，這主要是由于水凝膠交聯(lián)度高，非交聯(lián)的反應(yīng)性單體少，分子鏈再次發(fā)生纏結(jié)的概率也隨之變低。在自愈合前后，所有水凝膠樣品的儲(chǔ)能模量G'基本上相差不大，這進(jìn)一步證明CSA 水凝膠具有優(yōu)異的自愈合性能，且自愈合后的CSA 水凝膠依然保持著較高的交聯(lián)程度和彈性形變，以及具有優(yōu)異的形狀保真度。同時(shí)，水凝膠樣品的損耗模量G''變化幅度不大，這也表明未自愈合前水凝膠就已經(jīng)形成比較完好的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且自愈合后水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)依然完好。而所有組中，隨著水凝膠樣品交聯(lián)度的增大，儲(chǔ)能模量G'的值在不斷增大，這說(shuō)明CSA水凝膠的抗變形能力良好。

圖4 CSA水凝膠流變性能

2.3 CSA水凝膠的熒光性能

圖5(a)為不同模具制備的CSA-4組水凝膠，樣品為黃色透明的固體，在室溫下均具有良好的穩(wěn)定性。在黑暗處使用波長(zhǎng)為365nm 的紫外光照射時(shí)，水凝膠會(huì)發(fā)出明亮的藍(lán)色熒光，這是因?yàn)橄驂A亞胺熒光基團(tuán)（C= = N）賦予了水凝膠優(yōu)異的光致發(fā)光性能[36]。圖5(b)為不同組別的水凝膠的熒光發(fā)射光譜及CIE色度坐標(biāo)，由圖中可以看出7組水凝膠的熒光光譜在417nm和437nm處能夠觀(guān)察到很強(qiáng)的熒光特征發(fā)射峰，對(duì)應(yīng)的CIE 色度坐標(biāo)（0.1595,0.1499）也主要集中在藍(lán)色光區(qū)。這是由于波長(zhǎng)較短的紫外光能夠穿透席夫堿熒光基團(tuán)，從而導(dǎo)致C= = N鍵發(fā)生n-π*電子躍遷，但該基團(tuán)的發(fā)光原理不同于共軛聚合物型熒光基團(tuán)，因?yàn)檫@種基團(tuán)的熒光能力來(lái)自于大π共軛主鏈和離域電子結(jié)構(gòu)[37]。隨著CSA 水凝膠中OSA 與Na-CMCs 的固含量逐漸增加，席夫堿熒光基團(tuán)的數(shù)量也在逐漸增多，導(dǎo)致水凝膠中的剛性結(jié)構(gòu)抑制線(xiàn)性分子鏈結(jié)構(gòu)和亞胺鍵的分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，因此水凝膠的熒光強(qiáng)度隨單體固含量的增加顯著提高。圖5(c)則是不同組別的CSA水凝膠的熒光激發(fā)光譜，在發(fā)射峰為437nm時(shí)，水凝膠的激發(fā)波長(zhǎng)表現(xiàn)出紅移特性。CSA-4組需要在波長(zhǎng)為320nm的紫外光激發(fā)下才能發(fā)射出437nm的藍(lán)光特征峰，而CSA-10 組僅需用339nm 的紫外光激發(fā)即可實(shí)現(xiàn)同樣的藍(lán)光發(fā)射峰。這表明，席夫堿熒光基團(tuán)在濃度較大的時(shí)候能夠用能量較低的紫外光激發(fā)。如圖5(d)所示，測(cè)試了CSA-4組水凝膠在不同激發(fā)光波長(zhǎng)下的熒光發(fā)射強(qiáng)度。隨著激發(fā)光波長(zhǎng)從310nm 逐漸增加到370nm，CSA-4 組水凝膠的熒光最大發(fā)射強(qiáng)度先增大后減小，在波長(zhǎng)為320nm的激發(fā)光下熒光強(qiáng)度達(dá)到最大，說(shuō)明CSA 水凝膠具有熒光激發(fā)波長(zhǎng)依賴(lài)特性。這是由于CSA 水凝膠表面具有豐富的活性官能團(tuán)，這些官能團(tuán)被能量較大的光源照射時(shí)，會(huì)在C= = C和C—O、C= = N的π-π*和n-π*之間會(huì)產(chǎn)生一系列電子躍遷[33]。熒光實(shí)驗(yàn)證明了CSA 水凝膠擁有優(yōu)異的藍(lán)光響應(yīng)性能，且藍(lán)光強(qiáng)度可由激發(fā)光來(lái)調(diào)節(jié)，這為CSA 水凝膠應(yīng)用在熒光標(biāo)記領(lǐng)域提供了可能性。

圖5 CSA水凝膠的熒光性能

2.4 CSA水凝膠的pH響應(yīng)性能

如圖6 所示，首先向CSA-10 組水凝膠中不斷滴加pH=2 的HCl 溶液，旋渦振蕩以后，水凝膠逐漸由膠態(tài)相轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)相。在較強(qiáng)酸性下，席夫堿反應(yīng)生成的亞胺鍵容易斷裂，Na-CMCs 上的氨基被質(zhì)子化，殼聚糖分子鏈開(kāi)始伸展[27]，同時(shí)海藻酸鈉分子中解離出的—COO-與H+結(jié)合成—COOH，而羧基陰離子與水的親和力要大大高于羧基[10]，因此凝膠的親水性降低，CSA 水凝膠的凝膠態(tài)被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。再向液態(tài)中滴加NaOH溶液，調(diào)節(jié)溶液的pH＞6時(shí)，亞胺鍵重新形成，—COOH逐漸發(fā)生離解形成羧基陰離子，分子鏈充分伸展，凝膠網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始恢復(fù)。水凝膠又由液態(tài)相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)相，實(shí)現(xiàn)了CSA水凝膠的凝膠-溶膠pH響應(yīng)性。上述結(jié)果表明，室溫環(huán)境下亞胺鍵在適當(dāng)?shù)膒H 范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生可逆斷裂-重組。

圖6 CSA水凝膠的pH響應(yīng)性能

3 結(jié)論

本文通過(guò)分子設(shè)計(jì)，以殼聚糖和海藻酸鈉兩種天然高分子材料為原料進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性，成功構(gòu)筑了一種低成本且具有多功能集成特性的藍(lán)光自愈合水凝膠。通過(guò)結(jié)構(gòu)表征可知，CSA水凝膠同時(shí)擁有亞胺鍵和氫鍵交聯(lián)點(diǎn)，使得水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在室溫下能夠穩(wěn)定存在。當(dāng)這種通過(guò)動(dòng)態(tài)席夫堿交聯(lián)制備的水凝膠受到外力破壞時(shí)，只需將斷口重新接觸，醛基與氨基便能夠自發(fā)地重組生成亞胺鍵，從而實(shí)現(xiàn)CSA水凝膠的自愈合。在波長(zhǎng)為365nm的紫外光照射下，CSA水凝膠能夠穩(wěn)定釋放出強(qiáng)烈的藍(lán)色熒光。熒光光譜表明，水凝膠在417nm和437nm處擁有兩個(gè)穩(wěn)定的藍(lán)光發(fā)射峰，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)CSA 水凝膠具有熒光激發(fā)波長(zhǎng)依賴(lài)特性。基于亞胺鍵和海藻酸鈉分子鏈特有的pH響應(yīng)性，CSA水凝膠隨pH變化呈現(xiàn)出凝膠-溶膠可逆轉(zhuǎn)變。這種具有pH 響應(yīng)性的自愈合熒光水凝膠在生物影像、信息加密以及熒光標(biāo)記等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。