關(guān)鍵詞： N-丙烯?；拾彼?；N-丙烯?；?L-苯丙氨酸；濕黏合；分子間作用力；生物相容性

中圖分類號(hào)： R318.08 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

濕黏合材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如傷口黏結(jié)、受損皮膚組織的修復(fù)、水下或水基能源設(shè)備的修補(bǔ)等[1-5]。然而，這些基材表面存在的水合層阻礙了膠黏劑與基材之間的界面相互作用，使?jié)耩ず闲阅艽蟠蠼档蜕踔料6]。如氰基丙烯酸酯膠黏劑在空氣中具有很強(qiáng)的黏合力，但當(dāng)其被應(yīng)用于水下環(huán)境時(shí)，會(huì)迅速變硬而塑化，從而失去黏合性[7，8]。對(duì)貽貝、沙堡蠕蟲以及藤壺等海洋生物的研究表明[9-12]，這些海洋生物可在水下黏附多種基材的黏附力主要?dú)w功于兒茶酚基、氨基等功能基團(tuán)與基材間的氫鍵、金屬配位、π-π 堆積、陽(yáng)離子-π、靜電、疏水以及動(dòng)態(tài)共價(jià)交聯(lián)等多重相互作用力[13-15]。受此啟發(fā)，基于兒茶酚功能基團(tuán)的多種濕膠黏劑已見報(bào)道[16-22]。Yu 等[16] 以3，4-二羥基氫化肉桂酸（DHHCA） 和乳酸（LA） 為原料，通過一鍋法制備了超支化結(jié)構(gòu)的P（DHHCA-co-LA） 膠黏劑，其在玻璃等表面的濕黏合強(qiáng)度高達(dá)2.7 MPa。然而，兒茶酚基膠黏劑存在諸多問題，鄰苯二酚的部分氧化可能會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞毒性的活性氧，如過氧化氫，使兒茶酚基膠黏劑在生物應(yīng)用中存在潛在的細(xì)胞毒性[23，24]。因此，開發(fā)具有良好生物相容性的濕膠黏劑變得尤為迫切。有研究人員提出，物理交聯(lián)的水凝膠可通過氫鍵和疏水相互作用等發(fā)揮強(qiáng)黏合力作用[5]。Liu 等[25] 選用氨基酸類單體N-丙烯?；拾彼幔ˋCG），通過自由基聚合制備了PACG 水凝膠，該水凝膠表面富集的羧基可以與豬皮之間形成大量氫鍵、離子絡(luò)合和偶極等相互作用，使水凝膠對(duì)豬皮的黏合強(qiáng)度可達(dá)到20 kPa 以上，表現(xiàn)出良好的黏合性能。研究證明，除材料與基材間的強(qiáng)相互作用以外，疏水鏈段可通過疏水作用排除界面上的水合層，從而促進(jìn)膠黏劑與基材間的黏合作用；同時(shí)，疏水鏈段可增加濕膠黏劑分子鏈的纏結(jié)，在一定程度上提高膠黏劑的內(nèi)聚力，進(jìn)一步提高濕黏合強(qiáng)度[26，27]。因此，在具有良好生物相容性的黏合材料中引入疏水鏈段，提高其與基材間的濕黏合強(qiáng)度具有重要的研究?jī)r(jià)值。

氨基酸作為一種生物小分子，常被用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域。N-丙烯?；?L-苯丙氨酸（ACP） 與ACG 作為類氨基酸基單體同樣具有良好的生物相容性，幾乎不產(chǎn)生細(xì)胞毒性，已在藥物輸送等生物醫(yī)藥領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[28，29]。本文以ACP 作為疏水單體，通過熱引發(fā)與ACG 自由基共聚制備P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠。在該水凝膠體系中，存在氫鍵與化學(xué)交聯(lián)雙重作用，可賦予水凝膠較優(yōu)的黏合性能；ACP 上的疏水基團(tuán)苯環(huán)可以排斥界面上的水合層，使水凝膠具有一定的濕黏合性。同時(shí)，ACP 苯環(huán)疏水基團(tuán)可以排除界面上的水合層，使水凝膠易與基材發(fā)生作用，以進(jìn)一步提高濕黏合性能。此外，對(duì)P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠的降解性能和生物相容性進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和試劑

甘氨酸（Gly， w≥99%）、L-苯丙氨酸（Phe， w=99%）、丙烯酰氯（ w=96%） 、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS，w=97%）：阿拉丁化學(xué)試劑有限公司；無(wú)水碳酸鉀（K2CO3）、氫氧化鈉（NaOH）、鹽酸（HCl）、無(wú)水乙醚、乙酸乙酯和過硫酸銨（APS）：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；小鼠成纖維（L929） 細(xì)胞：上海中科院細(xì)胞庫(kù)；低糖培養(yǎng)基（DMEM/F-12）、胰蛋白酶（EDTA）：生物試劑，上海泰坦科技股份有限公司；胎牛血清（FBS）、青霉素/鏈霉素（P/S）：生物試劑，美國(guó)Gibco 公司；磷酸鹽緩沖液（PBS）：生物試劑，美國(guó)Hyclone 公司；3-（4，5-二甲基噻唑-2）-2，5-二苯基四氮唑溴鹽（MTT）、二乙酸熒光素（FDA）：生物試劑，上海源葉生物科技有限公司；二甲基亞砜（DMSO）：生物試劑，北京索萊寶科技有限公司。

1.2 測(cè)試與表征

核磁共振譜儀：瑞士布魯克公司AVANCE Ⅲ HD 400 MHz 型，采用四甲基硅烷作為內(nèi)標(biāo)，氘代溶劑為DMSO-d6；傅里葉紅外光譜儀：美國(guó)賽默飛世爾科技公司Nicolet Is50 FT-IR 型，樣品掃描范圍為4 000～500 cm?1，樣品經(jīng)干燥后測(cè)試；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：美國(guó)ITW 公司5967X 型，樣品制成標(biāo)準(zhǔn)圓柱形狀（高度3 mm，直徑35 mm），壓縮速率為5 mm/min，測(cè)試溫度為常溫；旋轉(zhuǎn)流變儀：美國(guó)TA 公司DHR-3 型，選擇20 mm 平行板夾具，間隙值2 mm，角頻率為0.1～100 Hz （由線性黏彈區(qū)確定），測(cè)試溫度為25 ℃；場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）：日本日立株式會(huì)社S-4800 型，噴金，電壓3 kV；酶標(biāo)儀：瑞士Tecan 公司Infinite 200 Pro 型；正置熒光顯微鏡：日本尼康株式會(huì)社Nikon 80 i 型。

水凝膠的溶脹性能測(cè)試：稱取一定質(zhì)量（m₀）水凝膠，放置于pH=7.4 的PBS 緩沖溶液中，t 時(shí)刻的樣品質(zhì)量記為m_t，水凝膠溶脹率（SR）的計(jì)算公式為：

其中As、Ac 分別為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的吸光度。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟ACG 和ACP 單體分別按照文獻(xiàn)[28，29] 報(bào)道的方法合成。ACG 的核磁共振氫譜（1H-NMR， 400 MHz，DMSO-d6） 測(cè)試結(jié)果如下：12.59（s，1 H _―COOH），8.42（s，1 H， _―CO_―NH_―），6.31、6.12（d，2 H， alkene），5.62（s，1 H， alkene），3.83（s，2 H， _―CH_2―）；ACP 的1H-NMR（400 MHz，DMSO-d6） 測(cè)試結(jié)果如下：12.75（s，1 H， _―COOH），8.42（s，1 H， _―CO―NH_―），7.33～7.15（m，5 H， aromatic），6.26、6.04（d，2 H， alkene），5.56（s，1 H， alkene），4.50（s，1 H， ―CH），3.10、2.90（d，2 H，_―CH_2―）。將ACG 與ACP 溶解在去離子水中，加入等物質(zhì)的量的NaOH，然后將w=1% 的APS 和1‰ BIS（相對(duì)于單體的總質(zhì)量） 加入到混合溶液中，快速攪拌、溶解。最后將混合溶液注入模具中在65 ℃ 下反應(yīng)3 h，即制得水凝膠P（ACG-ACP）。改變ACG 與ACP 的物質(zhì)的量之比，制備一系列不同組成的水凝膠P（ACGx-ACPy），其配比如表1 所示，制備過程如圖1 所示。將制備的水凝膠從模具中取出，除去未反應(yīng)的單體后，進(jìn)行性能測(cè)試，每組測(cè)試至少3 個(gè)樣本。

其中F_max 為最大載荷，S為黏合面積。

CV = A_s=Ac 100% （4）

其中A_s、A_c 分別為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的吸光度。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

ACG 和ACP 單體分別按照文獻(xiàn)[28，29] 報(bào)道的方法合成。ACG 的核磁共振氫譜（1H-NMR， 400 MHz，DMSO-d6） 測(cè)試結(jié)果如下：12.59（s，1 H ―COOH），8.42（s，1 H， ―CO―NH―），6.31、6.12（d，2 H， alkene），5.62（s，1 H， alkene），3.83（s，2 H， ―CH2―）；ACP 的1H-NMR（400 MHz，DMSO-d6） 測(cè)試結(jié)果如下：12.75（s，1 H， ―COOH），8.42（s，1 H， _―CO―NH―），7.33～7.15（m，5 H， aromatic），6.26、6.04（d，2 H， alkene），5.56（s，1 H， alkene），4.50（s，1 H， _―CH），3.10、2.90（d，2 H，―CH2―）。將ACG 與ACP 溶解在去離子水中，加入等物質(zhì)的量的NaOH，然后將w=1% 的APS 和1‰ BIS（相對(duì)于單體的總質(zhì)量） 加入到混合溶液中，快速攪拌、溶解。最后將混合溶液注入模具中在65 ℃ 下反應(yīng)3 h，即制得水凝膠P（ACG-ACP）。改變ACG 與ACP 的物質(zhì)的量之比，制備一系列不同組成的水凝膠P（ACGx-ACPy），其配比如表1 所示，制備過程如圖1 所示。將制備的水凝膠從模具中取出，除去未反應(yīng)的單體后，進(jìn)行性能測(cè)試，每組測(cè)試至少3 個(gè)樣本。

2 結(jié)果與討論

2.1 P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠的分子結(jié)構(gòu)

ACG、ACP 和P（ACG₁-ACP₁） 的紅外光譜如圖2 所示。從圖中可以看出， 與ACG、ACP 單體相比，P（ACG1-ACP1） 水凝膠中未出現(xiàn)1 592 cm^?1 處的C=C 雙鍵峰，說明ACG 單體與ACP 單體發(fā)生了自由基共聚。此外，1 710 cm^?1 和1 640 cm^?1 處的吸收峰歸屬于酰胺和羧基中的C=O，而N―H 彎曲伸縮峰出現(xiàn)在1 528 cm^?1和3 346 cm^?1 處。在P（ACG₁-ACP₁） 的紅外光譜中，C=O 和N―H 的吸收峰略有遷移，可能是受到羰基和酰胺之間的氫鍵作用的影響。以上這些結(jié)果說明成功制備了P（ACG₁-ACP₁）。

2.2 P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)

P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠的微觀形貌觀察如圖3所示。所有的P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠均為孔洞結(jié)構(gòu)，但P（ACG₀-ACP₁） 孔洞數(shù)量較多，可能是由于ACP鏈段具有一定的疏水性；而添加了ACG 單體的P（ACG-ACP） 水凝膠孔洞數(shù)減少，有一定的連續(xù)結(jié)構(gòu)。相較于P（ACG₁-ACP₂） 和P（ACG10-ACP1） 水凝膠，P（ACG₁-ACP₁） 和P（ACG₂-ACP₁） 水凝膠的孔洞尺寸較大。

2.3 P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠的溶脹性能

P（ACG_x-ACP_y） 在PBS 溶液（pH=7.4） 中的溶脹動(dòng)力學(xué)曲線如圖4（a） 所示。P（ACG₀-ACP₁） 水凝膠在10 min 左右達(dá)到溶脹平衡并破裂。其余P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠在24 h 左右達(dá)到溶脹平衡。P（ACG_x-ACP_y） 到達(dá)溶脹平衡后的平衡溶脹率測(cè)試結(jié)果如圖4（b） 所示。隨著ACG 含量的增多，水凝膠的平衡溶脹率呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)n（ACG）∶n（ACP）=1∶1 時(shí)，P（ACG₁-ACP₁） 的平衡溶脹率最高，可達(dá)到756.4%，可能是因?yàn)楫?dāng)ACP 含量較高時(shí)，其分子間的疏水作用較強(qiáng)所致；當(dāng)ACG 含量較高時(shí)，P（ACG₂-ACP₁） 和P（ACG10-ACP1） 中的分子間氫鍵作用較強(qiáng)，使其溶脹率稍低于P（ACG₁-ACP₁）。因P（ACG₁-ACP₁） 水凝膠溶脹率最高，使其干燥后的孔洞尺寸也更大，這與其SEM 圖（圖3） 相符。

2.4 P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠的降解性能水凝膠的降解性能研究結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以看出，降解30 d 時(shí)P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠的降解速率趨于穩(wěn)定，其中P（ACG₀-ACP₁） 水凝膠體外降解率可幾乎達(dá)到100%，其余水凝膠降解率達(dá)到40% 以上，可與文獻(xiàn)[5] 水凝膠的降解性能相媲美（圖5（a））。水凝膠體外降解45 d 的降解率隨ACG 占比的增加逐漸下降，這是因?yàn)樗z內(nèi)部的物理交聯(lián)程度影響了材料的降解速率，交聯(lián)密度越高，水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越致密，從而導(dǎo)致水凝膠降解速率降低。隨著ACG 占比的增大，水凝膠內(nèi)部交聯(lián)程度逐漸提高，因此降解速率逐漸降低（圖5（b））。

2.5 P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠的力學(xué)性能P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠的儲(chǔ)能模量（G'） 和損耗模量（G''） 隨頻率的變化如圖6（a） 所示。從圖中可以看出，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，P（ACG₀-ACP₁） 的G'和G''有一個(gè)交點(diǎn)，在交點(diǎn)之前G''gt;G'，說明其并沒有形成凝膠，只是溶膠。隨著剪切頻率的升高，交點(diǎn)后P（ACG0-ACP1） 的G''G''，但其本質(zhì)還是溶膠。而P（ACG₁-ACP₂）、P（ACG₁-ACP₁）、P（ACG₂-ACP₁）、P（ACG₁₀-ACP₁）水凝膠的G'均大于G''，表現(xiàn)為彈性固體行為。

P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6（b） 所示。從80% 的壓縮應(yīng)變對(duì)應(yīng)的彈性模量（圖6（c）） 可知，隨著ACG 單體含量的增多，水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)更穩(wěn)定，力學(xué)性能達(dá)到最佳，壓縮模量可達(dá)2.2 MPa。水凝膠顯示出較高的壓縮應(yīng)力，其中P（ACG₁₀-ACP₁） 水凝膠的壓縮應(yīng)力最大，說明其水凝膠網(wǎng)絡(luò)較為緊密，賦予了其較優(yōu)異的壓縮性能。ACP 鏈段上苯環(huán)的空間位阻和靜電斥力導(dǎo)致ACP 含量多的P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠結(jié)構(gòu)不夠致密，水凝膠網(wǎng)絡(luò)整體穩(wěn)定性較差。

2.6 P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠的黏合性能

P（ACGx-ACPy） 水凝膠黏合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。從圖7（a） 中可以看出，P（ACGx-ACPy） 水凝膠的搭接剪切黏合強(qiáng)度隨n（ACG）∶n（ACP） 的變化而變化；當(dāng)n（ACG）∶n（ACP）=1∶1 時(shí)，搭接剪切黏合強(qiáng)度達(dá)到最大，其對(duì)豬皮的濕黏合強(qiáng)度可達(dá)80.2 kPa。拉伸測(cè)試結(jié)果如圖7（b） 所示，P（ACG₁-ACP₁） 水凝膠對(duì)豬皮的黏合強(qiáng)度最高，濕黏合強(qiáng)度可達(dá)103.5 kPa。這主要是因?yàn)椋?dāng)其處于潮濕環(huán)境時(shí)，ACP 鏈段上的苯環(huán)疏水可以排斥黏合界面上的水合層，水凝膠表面的羧基進(jìn)而與基材表面形成大量氫鍵或靜電等相互作用從而實(shí)現(xiàn)濕黏合（圖7（c））。而對(duì)比P（ACG₂-ACP₁） 和P（ACG₁₀-ACP₁） 樣品，P（ACG₁-ACP₁） 水凝膠中ACP 含量較多，其結(jié)構(gòu)比較疏松，有利于羧基在表面聚集，這些在水凝膠表面富集的羧基可以與豬皮之間形成大量的氫鍵和靜電等相互作用，同時(shí)，P（ACG₁-ACP₁） 水凝膠平衡溶脹率最高，吸水最多（圖4（b）），因此使得水凝膠表現(xiàn)出較好的黏合性能。而P（ACG₀-ACP₁） 水凝膠和P（ACG₁-ACP₂） 水凝膠的ACG 含量較少，羧基提供的相互作用較弱，其黏合強(qiáng)度較低。研究結(jié)果說明，疏水作用和與基材間的相互作用可協(xié)同提高材料的黏合性能。此外，與其他工作制備的兒茶酚基水凝膠和非兒茶酚基水凝膠[30，31] 相比，本文所制備的P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠的濕黏合性能相對(duì)較好（圖7（d）），濕搭接剪切黏合強(qiáng)度可達(dá)到80.2 kPa。

除與豬皮形成牢固黏合外，P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠還可與肌肉、心臟、肺等生物組織，以及陶瓷、橡膠、塑料等多種基材之間有良好的黏附性，如圖8（a） 所示。此外，P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠黏附在豬皮、豬心以及豬腎等濕生物組織表面，并且經(jīng)歷變形或者水沖洗之后，仍能夠牢固黏附在組織表面，如圖8（b， c） 所示。

2.7 P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠的細(xì)胞相容性

L929 細(xì)胞在P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠浸提液中的生長(zhǎng)情況如圖9（a） 所示。在相同的培養(yǎng)條件下，L929 細(xì)胞在P（ACG₀-ACP₁）、P（ACG₁-ACP₂）、P（ACG₁-ACP₁）、P（ACG₂-ACP₁） 和P（ACG₁₀-ACP₁） 水凝膠的浸提液中生長(zhǎng)良好。在培養(yǎng)1～2 d 后，細(xì)胞存活率保持在80% 以上，即使在培養(yǎng)7 d 后，細(xì)胞也沒有出現(xiàn)大量凋亡，存活率仍保持在80% 以上。用只對(duì)活細(xì)胞有染色效果的FDA 進(jìn)行染色，在正置熒光顯微鏡下觀察培養(yǎng)1 d 后的L929 細(xì)胞形態(tài)如圖9（b） 所示。從圖中可以看出，細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài)良好，說明P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)幾乎沒有不良影響。綜上所述，P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠幾乎沒有細(xì)胞毒性，可應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域。

3 結(jié)論

（1）通過自由基聚合制備了由氫鍵與化學(xué)交聯(lián)共同構(gòu)筑的親水-疏水氨基酸類P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠。

（2）P（ACG_x-ACP_y） 水凝膠具有良好的力學(xué)性能、降解性和生物相容性。其中，P（ACG₁-ACP₁） 水凝膠濕黏合效果最好，對(duì)豬皮的濕黏合強(qiáng)度可達(dá)80.2 kPa，有望用作組織膠黏劑。