《武汉工程大学学报》  2020年03期 302-306   出版日期：2023-03-14   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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可降解自愈合壳聚糖/瓜尔胶水凝胶的制备与性能


水凝胶是一种具有三维网络结构可吸收大量水或生物液体的高分子聚合物［1］，它可以是化学稳定的，也可以降解并最终分解或溶解［2］。水凝胶在生物医学领域如生物传感器［3］、组织工程支架［1，4］、药物载体［5］、人工植入物［6］和细胞或离子生长模板［7］等有很广泛的应用及前景。自愈合水凝胶是指能够使材料从本质上自动愈合损伤，恢复其正常特性的水凝胶。自愈合材料是指在无外界作用下具有自我恢复能力的材料［8］。研制出具有良好生物相容性、生物可降解性和一定的自愈合性能的水凝胶，是当前生物医学领域的一个重要课题［9-11］。瓜尔胶（guar gum，GG）是一种天然高分子多糖，取自瓜尔豆的胚乳，具有良好的溶解性、柔和性和生物相容性［12］。GG的主要成分是半乳甘露聚糖（甘露糖与半乳糖摩尔比为2∶1）［13］。由于GG的大部分伯羟基和仲羟基都处于外侧［14］，半乳糖支链并未遮住活性的醇羟基，因此其具有更大的活性，可以用多种方法对其进行改性制备GG衍生物。壳聚糖（chitosan，CS）是一种具有良好生物相容性、低细胞毒性和生物体内可降解等特性的聚多糖天然高分子［15-16］。CS链上丰富的氨基和羟基使其能与许多高分子反应形成水凝胶［17］。本文用高碘酸钠氧化GG得到醛基化瓜尔胶（aldehyde guar gum，AGG），利用其醛基与CS链上的氨基进行反应形成动态共价键席夫碱，得到壳聚糖/醛基化瓜尔胶（chitosan/aldehyde guar gum，CS/AGG）水凝胶。该水凝胶能够在5 min内实现自愈合，并能在弱酸和弱碱环境下达到65%的降解率。自愈合和降解性能使该水凝胶在药物释放、医用伤口敷料等方面具有广阔应用前景。1　实验部分1.1　化学试剂与仪器CS（如吉生物科技，脱乙酰化90%）；高碘酸钠（豆城化学）、乙二醇（美国费舍尔化学公司）；GG（亚马逊）；磷酸盐缓冲液（phosphate buffer solution，PBS）（美国西格玛奥德里奇公司）；去离子水（ELGA实验室纯水专家）；核磁共振波谱仪（JEOL，JNM-ECS400）；流变仪（TA Instrument， Hybrid 2，美国）。1.2　原料的制备1.2.1　质子化CS的制备　将CS（5 g）溶解于pH=3的去离子水中，于透析袋透析1周后冻干，得到可溶于去离子水的质子化CS。1.2.2　AGG的制备　将2 g GG溶解于100 mL去离子水中，室温下进行磁力搅拌至完全溶解。将0.44 g高碘酸钠溶解于10 mL去离子水中，逐滴加入GG溶液中搅拌均匀。将混合后的溶液于室温下避光搅拌12 h，氧化反应发生，生成AGG。随后加入1 mL乙二醇搅拌1 h以终止反应。将AGG倒入透析袋中透析1周后冻干3 d备用。1.2.3　CS/AGG水凝胶的制备　将质量分数为7%的质子化CS溶液和质量分数为20%的AGG于室温下分别以1∶5、1∶3、1∶1的体积比均匀混合至形成CS/AGG水凝胶，分别命名为CS/AGG5、CS/AGG3、CS/AGG1。1.3　表征与测试结构表征：采用核磁共振波谱仪测试冻干后的AGG的核磁共振氢谱（1H-nuclear magnetic resonance spectroscopy，1H-NMR），溶剂为重水（D2O）。用流变测试仪对水凝胶进行流变性能测试：1）频率扫描。该扫描用于测定恒定应变下水凝胶的模量，恒定应变为5%，频率范围为0.1~10 rad/s。2）应变扫描。该扫描用于测定恒定频率下水凝胶的模量，扫描范围为0.1%~1 000%，频率为10 rad/s。所有测试均使用25 mm平板测试，将600 μL混合后的预凝胶溶液滴加到25 mm平板上，上下平板间距为1 000 μm，并用硅油密封以防水分蒸发。3）交替时间扫描。先在1%的恒定应变下扫描3 min，再在600%的恒定应变下继续扫描3 min，停留5 min，重复上述操作3次，观察水凝胶在高应变被破坏情况下恢复情况。自修复性能测试：将2条水凝胶分别染上蓝色和红色，再紧密贴合在一起，放入湿润环境中让其进行自修复；修复好的凝胶用手术刀切成小块，放入模具中，置于湿润环境让其再次修复，一定时间取出观察修复情况。降解性能测试：将水凝胶分别浸泡于不同pH（pH=6.8，7.4）的PBS溶液中，每隔一定时间称其质量并记录，并更换PBS溶液，每组实验重复3次。其中，质量损失率（mass loss ratio，[ηm]）的计算公式如下：[ηm=mt-m0m0×100]2　结果与讨论2.1　CS/AGG水凝胶的制备机理加入高碘酸钠氧化GG，GG上的糖链打开，邻羟基被氧化成为双醛基，AGG形成［图1（a）］。AGG上的醛基与CS上的氨基进行席夫碱反应，生成可逆的动态亚胺键［18］［图1（b）］。亚胺键作为“物理交联剂”，使得在形成水凝胶的过程中减少化学交联剂的使用，增加了水凝胶的生物相容性。2.2　AGG核磁表征图2为GG和AGG的1H-NMR图谱。GG的特征峰在3.5~4.2，对应GG糖单元中的质子，4.6归属为端基质子，被溶剂峰（D2O）所覆盖［19］。AGG的核磁图谱显示AGG在8.2处出现一个新峰，这表明存在醛基质子［18］。5.3处出现的新峰是由于氧化GG上的部分醛基与羟基形成了半缩醛［20］，以上结果均表明该氧化过程成功得到AGG。2.3　CS/AGG水凝胶的模量测试图3是不同比例的CS/AGG水凝胶的动态频率扫描曲线。由图3可知，水凝胶的储能模量（storage modulus，G’）均高于损耗模量（loss modulus，G’’）。随着AGG的增加，水凝胶的G’ 也随之增加。其中，CS/AGG5的G’达到400 Pa，CS/AGG1的G’最小为100 Pa。这表明随着AGG的增加，水凝胶的交联密度增大，强度也随之增强，因此，选用CS/AGG5水凝胶进行后续自修复和降解性能等测试。此外，随着频率的增加，水凝胶的G’也有所上升。[0.1 1 1.0Angular frequency / （rad/s）][1 00010010][G′，G″ / Pa][G′ G″][G′ G″][G′ G″][CS/AGG5CS/AGG3CS/AGG1]图3　CS/AGG水凝胶的动态频率扫描曲线Fig. 3　Dynamic frequency scanning curves of CS/AGG hydrogels2.4　CS/AGG水凝胶的自修复性能测试CS/AGG水凝胶具有良好的自修复性能。将2块不同颜色的CS/AGG5水凝胶放在一起使其接口充分接触［图4（a，b）］，用保鲜膜将水凝胶包裹置于湿润环境中防止其散失水分，静置5 min，2块水凝胶完全愈合形成一个整体。用镊子夹起其中一端，水凝胶能完全支撑自身重量不断裂及掉落［图4（c）］。用镊子夹起水凝胶两端向两端拉伸，水凝胶不断裂并能拉伸至原长的1.5倍［图4（d）］。将愈合的水凝胶切成不规则碎片［图4（e）］，将这些碎片填充进螃蟹形状的模具中，再用保鲜膜将模具包裹置于湿润环境中静置，30 min后将水凝胶取出，水凝胶完全愈合成一个整体［图4（f）］。由图4（f）可看出，愈合过程中，2种色素分子有相互扩散现象，这表明在愈合过程中水凝胶分子链相互缠结移动。由于该水凝胶是物理交联水凝胶，当水凝胶遭到破坏时，分子链出现滑移。当将断裂水凝胶充分接触后，氨基和醛基形成新的席夫碱，水凝胶愈合。CS/AGG5的动态应变扫描曲线［图5（a）］和动态交替时间扫描曲线［图5（b）］见图5。图5（a）表明当应变高于200%时，水凝胶的G’ 和G’’均出现紊乱；当应变高于400%时，G’’大于G’ ，这表明水凝胶结构被破坏。而在图5（b）中，当给水凝胶加载5%的恒定应变3 min，水凝胶的G’ 高于G’’。此时，当给水凝胶施以600%的高应变时，水凝胶G’’高于G’ ，呈现出动态流体特性，这表明该水凝胶网络结构被破坏。水凝胶愈合5 min后，重复上述操作，继续给水凝胶施以5%的应变，水凝胶动态流变性能恢复，G’ 大于G’’，这表明，该水凝胶内部网络结构恢复，水凝胶愈合。该过程重复3遍，水凝胶依旧呈现良好的自修复性能。2.5　CS/AGG5水凝胶的降解性能测试图6为CS/AGG5水凝胶的降解性能示意图，其中纵坐标为水凝胶质量损失率。水凝胶质量在不同pH条件下均呈现先增大后减小现象。由图6可知，该水凝胶质量均在2 h内进行短暂的增加，而在2 h后质量开始下降，24 h后质量损失40%左右，到第6 d即第144 h后，水凝胶质量趋于稳定，质量损失65%左右。这是由于刚加入时，水分子逐渐进入到凝胶内部，水凝胶溶胀，一定时间后，凝胶开始逐渐降解，质量减少。以上结果表明，CS/AGG5水凝胶在降解1周时可实现降解率65%。3　结　论本文利用高碘酸钠对GG进行氧化得到AGG，并以CS和AGG为原料，利用醛基和氨基进行席夫碱反应制备得到具有快速自愈合行为的可降解CS/AGG水凝胶。该水凝胶随着频率的增加和AGG的增多G’ 逐渐增大，在CS和AGG体积比为1∶5时，水凝胶G’ 达到最高为400 Pa。动态交替时间扫描表明该水凝胶能在5 min内进行自愈合。该水凝胶能够在1周内在中性环境附近即pH为6.8到7.4的PBS溶液中进行降解，最高降解率可达65%。该CS/AGG水凝胶由于其良好的生物相容性、自愈合性以及可降解性使其在医用伤口敷料、药物释放等领域能够取得应用。