閆慧敏， 楊 光， 楊 波， 王 禮

上海理工大學健康科學與工程學院,上海 200093

水凝膠是通過物理或化學交聯(lián)后形成的三維網(wǎng)狀結構[1]，可以吸收并儲存水分的高分子聚合物。由于其含有羧基、羥基、酰胺基、氨基等親水性基團，水凝膠具有能夠顯著的被水溶脹但不溶解于水的特點，可以在水中或者其他分散介質中通過水合作用吸收大量液體呈現(xiàn)凝膠態(tài)，并且在一定壓力下保持水分和自身形態(tài)。另外水凝膠的高吸水性能對于提高其生物相容性也具有很大幫助，近年來在醫(yī)藥、組織工程等領域備受關注。

海藻酸鈉(Sodium alginate，SA) 是從海帶、馬尾藻等分離得到的一種天然多糖類物質[2]，其大分子鏈是由β-D甘露糖醛酸(M)和α-L古洛糖醛酸(G)組成[3]。由于海藻酸鈉無毒、生物相容性好、能夠凝膠化和熱穩(wěn)定性等特點，被廣泛應用到生物醫(yī)藥、組織工程、醫(yī)用敷料等領域[4]。但由于單一海藻酸鈉力學性能較差限制了其發(fā)展，可以通過物理共混和化學方法提高其力學性能。明膠(Gelatin，G)是膠原部分水解后的產(chǎn)物,是一種既具有酸性又具有堿性的兩性物質[5]。明膠來源充足屬于天然大分子材料，作為一種聚合物材料，具有無抗原性、易于吸收的特點，在生物醫(yī)學、食品和化學工業(yè)中有廣泛應用。干燥狀態(tài)下，僅由明膠形成的水凝膠材料呈現(xiàn)易碎，柔韌性較差的特點[6]，通常與其他材料復合來提高其力學性能。樊李紅等[7]研究表明，采用海藻酸鈉與明膠共混的方式制備的復合材料的力學性能要優(yōu)于單一組分。沙蒿膠(Artemisia Sphaerocephala Krasch gum，ASKG)又稱沙蒿籽膠[8]，是一種天然植物膠，具有交聯(lián)結構，主要由D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖和木糖等單糖組成[9],沙蒿膠具有良好的穩(wěn)定性、保水性和成膜性，在組織工程方面具有潛在應用價值[10]。王俊龍[11]研究表明，單一海藻酸鈉凝膠速度過快導致力學性能較差，通過在海藻酸鈉體系中加入機械強度較好的沙蒿膠，可以增強海藻酸鈉復合水凝膠的吸水性能和機械性能。本文通過共混-離子交聯(lián)法制備復合水凝膠，探究不同質量的SA、G和ASKG對復合水凝膠力學性能、吸水性能和保濕性能的影響，并對其結構進行表征，制備出一種兼具力學性能、保濕性能且具有較好的溶脹性的水凝膠。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

主要材料：明膠，分析純，上海國藥集團化學試劑有限公司；海藻酸鈉，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；沙蒿膠；西安拉維亞生物科技有限公司；無水氯化鈣，分析純，上海麥克林生化科技有限公司。

主要儀器： Scientz-25T真空凍干機，寧波新芝生物科技股份有限公司；JJ-1電動攪拌器，常州恩培精密儀器有限公司； SMS質構儀TA.XT PLUS，英國產(chǎn)；TM2101-T5型微電腦式拉力試驗機，濟南泰欽電氣有限公司； DHG-9240A型電熱鼓風干燥，上海一恒科學儀器有限公司；Nicolet is10 型傅里葉紅外光譜儀，美國產(chǎn)；FEI Quanta 450場發(fā)射掃描電子顯微鏡，美國產(chǎn)。

1.2 方法

1.2.1復合水凝膠的制備

稱取一定質量的明膠于去離子水中，在50 ℃恒溫水浴鍋中攪拌40 min直至均勻，再向其中加入一定質量的沙蒿膠粉，攪拌均勻制備混合液。稱取一定質量的海藻酸鈉放入去離子水中，在50 ℃恒溫水浴鍋中攪拌50 min，靜置均勻。之后將兩者混合攪拌1 h，倒入模具中過夜去除氣泡，然后向其中滴入等體積的2%氯化鈣溶液交聯(lián)8 h，最后用去離子水洗滌三次，即得復合水凝膠并于4 ℃儲藏備用[11]。

1.2.2復合水凝膠力學性能的測定

(1) 壓縮強度

參考魏丹丹[12]的方法并加以修改，在室溫條件下，用十二孔板制備直徑20 mm，高5 mm圓柱形水凝膠，用物性分析儀(TA.XT PLUS)對水凝膠試樣進行壓縮試驗直至壓破，壓縮速率設為0.5mm/s。每組試樣重復五次壓縮試驗，以減少實驗誤差。

(2) 拉伸性能和斷裂伸長率

參考宋羽[13]的方法并稍作修改，將制備好的水凝膠用裁刀切成啞鈴型，樣品總長度為75 cm，測試部位長度為40 mm，寬度為4 mm，用游標卡尺測量樣品厚度，將試樣的上下兩端夾緊到拉力試驗機上，以100 mm/min的拉伸速度拉伸并測定拉斷時的拉伸強度(kPa)和斷裂伸長率(%)，每個樣品測試三次取平均值。

1.2.3復合水凝膠溶脹性能測試

參考WANG[14]的方法并稍作修改，將水凝膠于真空凍干機干燥至恒重，取大小、質量相近的干燥凝膠圓片，質量記為M0，將干燥后的凝膠圓片浸泡于去離子水中，每隔一段時間取出擦干表面水分后稱重，此時的質量記為Mt，根據(jù)公式(1)計算水凝膠的溶脹比SR(%),計算公式如下：

(1)

其中：M0和Mt和分別為干凝膠和t時刻水凝膠的質量g。

1.2.4復合水凝膠的保濕性能測試

參考王豐艷[15]的方法并稍作修改，將冷凍干燥后的樣品質量記為m0，浸入去離子水中，充分溶脹后稱重，質量記為m1，將充分溶脹后的樣品放入37 ℃恒溫干燥箱中，間隔不同時間測量水凝膠的重量，記為mt。根據(jù)公式(2)計算各個時間點的保濕率。保濕率計算方式如下：

(2)

其中：m0、m1和mt分別為干凝膠、充分溶脹后的水凝膠和t時刻水凝膠的質量g。

1.2.5紅外光譜測定

將制備好的水凝膠樣品于-45 ℃預凍4 h，置于真空冷凍干燥機中冷凍48 h后粉碎，利用KBr壓片法制得樣品進行測試，掃描范圍為4 000 cm-1～500 cm-1。

1.2.6復合水凝膠的SEM測試

將水凝膠經(jīng)真空冷凍干燥后的樣品切片貼在導電膠上，待測樣品固定好后對其進行噴金處理，最后將噴金的樣品和載樣臺一同放入掃描電鏡的樣品室進行形態(tài)觀察。

1.2.7溶血率實驗

參考都彥玲[16]的方法并稍作修改，按照抗凝兔血：0.9%生理鹽水4∶5制備稀釋新鮮抗凝兔血，取SA/G、SA/G/0.7%ASKG的生理鹽水混懸液各10 mL 于離心管中，在陰性對照中加入10 mL生理鹽水，陽性對照中加入10 mL去離子水。將全部離心管放于37 ℃水浴鍋中保溫半小時后，在各離心管中加入200 μL稀釋新鮮抗凝兔血，保溫1 h，并以3 000 r/min速度離心5 min，取上清液用紫外分光光度計在545 nm處測其吸光度(OD)，重復實驗三次。溶血率通過OD值按照公式(3)計算得出：

(3)

其中：ODt、ODpc、ODnc分別對照樣品組、陽性對照組和陰性對照組。

2 結果與分析

2.1 不同明膠質量分數(shù)對復合水凝膠力學性能的影響

力學性能是水凝膠作為醫(yī)用敷料的一個重要指標，具有良好力學性能的敷料能使敷料在使用過程中保持良好的完整性。為探究不同明膠對復合水凝膠力學性能的影響，固定海藻酸鈉1.5%，沙蒿膠0.5%，設置明膠為(1.5%、2.5%、3.5%、4.5%和5.5%)，結果見圖1。

如圖1所示，其中圖1(a)為應力-應變曲線，圖1(b)為最大壓縮強度，可以看出，當明膠質量分數(shù)為2.5%時，復合水凝膠壓縮強度達到最大為395.4 kPa,在陳肖會[17]的研究中，環(huán)氧化合物交聯(lián)明膠水凝膠的壓縮強度僅為113.2 kPa，提高了282.2 kPa。隨著明膠質量分數(shù)的增加，壓縮強度呈先增加后降低的趨勢，其可能的原因是隨著明膠質量分數(shù)的增大，明膠分子上的氨基、羧基與海藻酸鈉的羧基之間的靜電交互作用和與沙蒿膠的羥基之間的氫鍵相互作用增大，同時隨著明膠質量分數(shù)的增加，水凝膠整體密度進一步增大，導致聚合物纏結更加緊密，壓縮強度增加。但明膠質量分數(shù)大于2.5%時，過量的明膠會導致體系中各物質相容性變差，從而使壓縮強度減小。圖1 (c)、圖1(d)分別為復合水凝膠的拉伸強度和斷裂伸長率，隨著明膠質量分數(shù)的增加，拉伸強度和斷裂伸長率均出現(xiàn)先增加后下降的趨勢，這與壓縮強度一致。

(a) 應力-應變曲線；(b) 最大壓縮強度；(c) 拉伸強度；(d) 斷裂伸長率

2.2 不同明膠質量分數(shù)對復合水凝溶脹和保濕性能的影響

醫(yī)用敷料要具有良好的溶脹和保濕性能，在固定海藻酸鈉質量分數(shù)為1.5%，沙蒿膠質量分數(shù)為0.5%的條件下，探究不同質量分數(shù)的明膠(1.5%、2.5%、3.5%、4.5%和5.5%)對復合水凝膠溶脹和保濕性能的影響，結果見圖2。

明膠對復合水凝膠溶脹和保濕性能的影響如圖2所示，由圖2(a)可知，復合水凝膠的溶脹率呈先增大后減小的趨勢，明膠質量分數(shù)為2.5%時，溶脹率為754%，明膠質量分數(shù)為3.5%時，溶脹率達到最大值，隨著明膠質量分數(shù)繼續(xù)增大，溶脹率逐漸減小。原因可能是當明膠質量分數(shù)為2.5%時，復合體系交聯(lián)較為致密，當質量分數(shù)為3.5%時，體系結構較為松散，水分子能夠快速進入，導致溶脹率增加，與力學性能結果一致，隨著明膠繼續(xù)增加，造成體系網(wǎng)絡結構的堆積，不利于水分子的進入，溶脹率下降。由圖2(b)可知，復合水凝膠的保水率隨著明膠質量分數(shù)的增加先增加后稍有降低，由于明膠質量分數(shù)的增加，使水凝膠整體密度增大，聚合物纏結更加緊密，水分子進入后能更好的保留在網(wǎng)絡體系中。綜上，結合復合水凝膠力學性能和保濕溶脹性能分析，明膠最適質量分數(shù)為2.5%。

2.3 不同海藻酸鈉質量分數(shù)對復合水凝膠力學性能的影響

海藻酸鈉通過與鈣離子結合以及與明膠和沙蒿膠的氫鍵作用會影響著復合水凝膠的力學性能，為了探究海藻酸鈉對復合水凝膠力學性能的影響，固定明膠2.5%，沙蒿膠0.5%，設置海藻酸鈉質量分數(shù)為(0.5%、1%、1.5%、2%和2.5%)，結果見圖3。

海藻酸鈉通過與鈣離子結合以及與明膠和沙蒿膠的氫鍵作用會影響著復合水凝膠的力學性能，探究海藻酸鈉對復合水凝膠力學性能的影響見圖3。由圖3(a)、圖3(b)可知，隨著海藻酸鈉質量分數(shù)的增加，復合水凝膠的最大壓縮強度也隨之增加，當海藻酸鈉質量分數(shù)大于1.5%后，壓縮強度值增加較為緩慢，可能原因是明膠的氨基與海藻酸鈉的羧基之間存在靜電交互作用，兩者與Ca2+共同影響著水凝膠的壓縮強度，海藻酸鈉分子由G段(聚古洛糖醛酸)、M段(聚甘露糖醛酸)、和GM交替段三種嵌段構成，Ca2+的交聯(lián)主要是發(fā)生在G嵌段，在整個凝膠體系中，G嵌段形成的“蛋盒” 結構能夠使海藻酸鈉從溶膠狀態(tài)轉變成凝膠態(tài)，形成具有一定強度的凝膠[18]。因此在海藻酸鈉質量分數(shù)小于1.5%時，復合水凝膠的壓縮強度隨海藻酸鈉質量分數(shù)的增加而增加，當大于1.5%時，增加趨勢較為緩慢，這是由于進行交聯(lián)反應時，Ca2+是由復配膠表面向內(nèi)部逐步擴散遷移，首先在復配膠表面與海藻酸鈉形成交聯(lián)點，海藻酸鈉質量分數(shù)越高，凝膠表面交聯(lián)點越多，阻礙了Ca2+向復配膠內(nèi)部的遷移，導致復配膠內(nèi)部的海藻酸鈉無法轉變?yōu)槟z態(tài)，因此復合水凝壓縮強度增加較為平緩。拉伸強度和斷裂伸長率與壓縮強度是變化趨勢一致。

(a) 應力-應變曲線；(b) 最大壓縮強度；(c) 拉伸強度；(d) 斷裂伸長率

2.4 不同海藻酸鈉質量分數(shù)對復合水凝膠溶脹和保濕性能的影響

固定明膠質量分數(shù)2.5%，沙蒿膠質量分數(shù)0.5%，探究海藻酸鈉海藻酸鈉(0.5%、1%、1.5%、2%和2.5%)對復合水凝膠溶脹和保濕性能的影響，結果見圖4。

(a) 溶脹率；(b) 保濕率

海藻酸鈉對復合水凝膠溶脹和保濕性能的影響結果見圖4，由圖4(a)可知，隨著海藻酸鈉質量分數(shù)的增加，復合水凝膠的溶脹率逐漸降低，可能原因是隨著海藻酸鈉質量的增加，鈣離子不斷與之結合形成“蛋盒”結構使網(wǎng)絡結構越來越致密，不利于水分子的進入。由圖4(b)可知，隨著海藻酸鈉質量分數(shù)的增加使水凝膠失水速度增加，保濕率有所下降，且均在300 min左右達到平衡，保濕曲線的斜率代表水凝膠的失水速度，過量的海藻酸鈉使凝膠表面交聯(lián)點越多，阻礙了Ca2+向復配膠內(nèi)部的遷移，從而導致內(nèi)部形成凝膠不均，保濕率有所下降。綜上，在海藻酸鈉質量分數(shù)為1.5%時，力學性能和溶脹保濕性能較好。

2.5 不同沙蒿膠質量分數(shù)對復合水凝膠力學性能的影響

在明膠質量分數(shù)2.5%，海藻酸鈉1.5%的條件下，探究沙蒿膠質量分數(shù)(0%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%)對復合水凝膠力學性能的影響，結果見圖5。

(a) 應力-應變曲線；(b) 最大壓縮強度；(c) 拉伸強度；(d) 斷裂伸長率

沙蒿膠對復合水凝膠力學性能的影響結果見圖5。由圖5(a)、圖5(b)可知，復合水凝膠的壓縮強度隨沙蒿膠的加入呈先增加后降低的趨勢，未添加沙蒿膠時，復合水凝膠的壓縮強度為338.6 kPa,沙蒿膠質量分數(shù)為0.7%時，壓縮強度達到427.2 kPa，可能原因是由于沙蒿膠質量分數(shù)的增加，沙蒿膠中的羥基與明膠中的氨基及海藻酸鈉中的羧基氫鍵作用力增強。沙蒿膠作為一種天然的中性多糖具有交聯(lián)網(wǎng)絡結構，兩者使復合水凝膠壓縮強度增加。這與孟杰等[19]結果一致。圖5(c)、圖5(d)分別為復合水凝膠的拉伸強度和斷裂伸長率，與壓縮強度有著一樣的趨勢，當沙蒿膠質量分數(shù)為0.7%時，拉伸強度達到了563.449 kPa，斷裂伸長率達到了117%。

2.6 不同沙蒿膠質量分數(shù)對復合水凝膠溶脹和保濕性能的影響

沙蒿膠是具有交聯(lián)結構的大分子物質，吸水性很強，且具有高保水性[20]，沙蒿膠對復合水凝膠溶脹和保濕性能的影響結果見圖6。

由圖6(a)可知，復合水凝膠的溶脹率隨沙蒿膠質量分數(shù)的增加而增加，開始時，水凝膠呈快速吸水的狀態(tài)，之后吸水速度較為緩慢。沙蒿膠質量分數(shù)為0.7%時，復合水凝膠的溶脹率達到了744%，在體系中加入沙蒿膠后，沙蒿膠通過自身形成交聯(lián)結構，并通過自身大量的羥基與海藻酸鈉和明膠結合形成氫鍵作用力，進一步加固水凝膠的網(wǎng)絡結構，使水凝膠具有較好的網(wǎng)絡結構和孔結構，水分子更容易進入體系中。(b)為復合水凝膠的保濕率，隨著沙蒿膠質量分數(shù)的增加，保濕率也隨之增加，180 min后，0.7%的沙蒿膠仍有35%以上的保濕率，結合復合水凝膠力學性能的分析，沙蒿膠質量分數(shù)為0.7%時較好。

(a) 溶脹率； (b) 保濕率

2.7 紅外光譜分析

為探究復合水凝膠官能團變化，對復合水凝膠進行紅外光譜測試，結構見圖7。

由圖7可知，海藻酸鈉光譜中在3 421 cm-1處有一寬峰是—OH的伸縮振動峰，在2 920 cm-1處出現(xiàn)的C—H的伸縮振動峰是海藻酸鈉的特征峰。在1 605 cm-1和1 411 cm-1處的吸收峰是羧酸鹽(COO—)對稱伸縮振動吸收峰[21]。明膠光譜中在1 638 cm-1和1 460cm-1處出現(xiàn)的峰屬于酰胺I和酰胺II[22]，在沙蒿膠光譜中，在3 428 cm-1處出現(xiàn)—OH的寬峰是由于沙蒿膠內(nèi)含有大量的羥基引起的[23]。在由海藻酸鈉和明膠制備的水凝膠中，海藻酸鈉的羧基峰和明膠的氨基峰都明顯減弱，這是由于明膠中的氨基和海藻酸鈉中的羧基與鈣離子之間發(fā)生了交聯(lián)反應[24]，在海藻酸鈉和明膠水凝膠體系中加入沙蒿膠后導致在3 300 cm-1～3 600 cm-1范圍羥基峰形變寬，其原因在于沙蒿膠中大量的羥基在體系中自身形成氫鍵使復合水凝膠體系間氫鍵作用力增強。沙蒿膠羥基自身形成的氫鍵以及明膠中的氨基和海藻酸鈉中的羧基與鈣離子之間的絡合作用共同影響著復合水凝膠的力學強度。

圖7 水凝膠FT-IR光譜圖

2.8 掃描電鏡

為了進一步探究復合水凝膠的凝膠機理，對復合水凝膠進行掃描電子顯微鏡觀察時，分別放大100倍和200倍進行觀察。通過掃描電鏡觀察G/SA和G/SA/ASKG兩種水凝膠的三維網(wǎng)狀結構，結果見圖8。

由圖8(a)、圖8(b)可知，未添加加沙蒿膠的水凝膠網(wǎng)絡結構較為松散，孔徑較大，加入沙蒿膠的圖8(c)、圖8(d)有明顯的多孔結構，且多孔結構之間的連通性較好，這是由于沙蒿膠內(nèi)大量的羥基在體系中形成大量氫鍵，增強了復合水凝膠中的網(wǎng)絡結構，可以為小分子提供良好的通路，使之能夠在網(wǎng)絡中得到良好的存儲，這為復合水凝膠的吸水和保濕提供了結構基礎[25]。

(a)

2.9 溶血率測試

據(jù)報道，材料引起溶血的主要表現(xiàn)為紅細胞(RBCs)被破壞導致血紅蛋白流出搭配血液中，造成溶血性疾病。復合水凝膠的溶血率結果見圖9。

圖9 水凝膠溶血率

對于醫(yī)用材料，一般用溶血率是否大于5%來判斷，如果大于5%，說明材料會引發(fā)溶血現(xiàn)象，導致機體受到一定傷害，不可以用作醫(yī)用材料，如果溶血率小于5%，說明材料對溶血的影響很小，不會發(fā)生溶血，可以用作醫(yī)用材料[26]。由圖9可知，G/SA溶血率為0.44%，G/SA/ASKG溶血率為0.59%，溶血率均遠低于5%，可以用作醫(yī)用敷料。

3 結論

本文采用共混-離子交聯(lián)法制備海藻酸鈉/明膠/沙蒿膠復合水凝膠，研究了不同質量分數(shù)的SA、G和ASKG對復合水凝膠力學性能、溶脹性能和保濕性能的影響，結果表明，當G為2.5%，SA為1.5%，ASKG為0.7%時，復合水凝膠壓縮強度達到427.2 kPa，拉伸強度達到563.449 kPa，斷裂伸長率為117%，溶脹率為744%。三者復合形成的水凝膠具有較好的網(wǎng)絡孔結構，溶血率低于5%，具有良好的血液相容性，是一種制作醫(yī)用敷料的良好材料，為后續(xù)醫(yī)用敷料的研究提供了新的方向。