PVL-PEG-PVL水凝胶紫外光固化动力学研究*

罗 涛，马爱洁，郑子豪，周宏伟

(西安工业大学 材料与化工学院，西安 710021)

水凝胶由三维亲水性聚合物网络组成，可以溶胀但不溶于水，与生物组织极为相似[1]。因此常被用来模拟组织微环境[2-3]。此外，水凝胶还具有良好的生物相容性和优异的扩散性能，能够支持细胞的黏附和生长，因而被广泛用于生物医学工程领域[4]。目前，用于生物组织工程的水凝胶在制备时往往会引入一些有毒的交联剂，对细胞和组织造成损伤[5]，这在很大程度上限制了其应用。

光固化反应是指由光引发的聚合、交联反应，具有反应速度快、放热少和条件温和等特点。其可以避免有毒交联剂的使用，已广泛应用在生物材料、油墨、齿科修复、胶黏剂、涂料和微电子等领域[6-8]。文献[9]利用动态配位化学制备了一种具有自愈合和剪切变稀特点的可用于3D打印油墨的水凝胶，该水凝胶在体外成功地打印出了三维组织结构，组织培养发现其包封的干细胞可存活2～4 d，而细胞的活性不会降低。文献[10]制备了可持续释放生长因子(GFs)的可见光固化的乙二醇壳聚糖(GC)水凝胶，体外模拟实验表明，在24 h内GFs先快速释放，此后以恒定的速率释放，提高了伤口愈合的速率。文献[11]研究了在3D打印的甲基丙烯酸酯化明胶/聚乙二醇二丙烯酸酯/藻酸盐混合物体系中光引发剂类型和光强度等对打印水凝胶包封生长因子活性的影响，发现当光强度为136 mW·cm-2、引发剂为Irgacure2959时水凝胶中包封的间充质干细胞的存活率最好。目前，采用光固化制备水凝胶的研究已经取得了一定进展，但是主要集中于研究水凝胶负载生长因子及细胞的能力，而对其固化动力学的研究则较少。

本文拟合成双键修饰的PVL-PEG-PVL三嵌段共聚物，并在紫外光辐射下制备PVL-PEG-PVL水凝胶。采用傅里叶变换红外光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectrometer,FTIR)、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)和万能试验机表征和测试水凝胶的结构及拉伸性能，主要研究凝胶前体浓度、引发剂含量以及紫外光强度等因素对PVL-PEG-PVL水凝胶的紫外光固化动力学的影响。

1 实验材料与方法

1.1 试剂与仪器

PEG2000，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；δ-戊内酯(δ-VL)，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；丙烯酰氯(AC)，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(DMPA)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；磷酸盐缓冲液(PBS，pH=7.2)，自制。傅里叶红外分析仪,VERTEX 70，德国Bruker 公司；氙灯,北京中教金源科技有限公司；微机控制电子万能材料试验机,CTM-2500，协强仪器制造有限公司；扫描电镜(SEM),VEGA llxmu，TESCAM贸易有限公司。

1.2 PVL-PEG-PVL水凝胶的制备

称取聚乙二醇(PEG)和δ-VL按一定的比例加入反应试管，加入催化剂，在一定温度下减压真空反应得到产物PVL-PEG-PVL三嵌段共聚物，将合成产物溶解在无水的四氢呋喃(THF)中，冷却到0 ℃，缓慢滴加丙烯酰氯的四氢呋喃溶液，反应4 h后除去产生的三乙胺盐酸盐后得到大分子单体，合成原理如图1所示。

图1 PVL-PEG-PVL三嵌段共聚物的制备及改性

图2为PVL-PEG-PVL水凝胶光固化制备过程，将用AC修饰过的PVL-PEG-PVL水凝胶前体溶于PBS(pH=7.4)中形成浓度为0.06 g·mL-1的溶液，按质量分数为0.5%的单体加入光引发剂2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(DMPA)，搅拌溶解均匀后在紫外光(λ=365 nm)辐射下固化形成PVL-PEG-PVL水凝胶。

图2 光固化制备PVL-PEG-PVL水凝胶示意图

1.3 测试与表征

利用FT-IR分光光度计，在傅里叶变换红外光谱仪上采取全反射模式测量。波数扫描范围4 000～400 cm-1，扫描次数为36次。利用扫描电子显微镜测定聚合物的表面结构信息。将凝胶冷冻干燥后在液氮中使其脆断，随后使用SBC-2真空环境里用处理机喷金观察其内部网络结构。

以微机控制电子万能材料试验机测量凝胶试样断裂强度、断裂伸长率。样品均为4 cm×0.8 cm×0.8 cm的长方体，室温下采用单步拉伸的方式测定，把水凝胶样条垂直固定在拉力试验机的两个夹具上，以10 mm·min-1的速度拉伸，直到样品断裂为止。

将形成的水凝胶浸泡在超纯水溶液中使其溶胀平衡，每隔1 h换一次水，如此循环4～7次冷干燥，洗出水凝胶内部的小分子单体，留下其交联网络，测试凝胶含量。

2 结果与分析

2.1 PVL-PEG-PVL三嵌段共聚物结构表征

图3为PVL-PEG-PVL三嵌段共聚物的红外光谱图。从图3中可以看出原本属于δ-VL的1 395 cm-1的六元环的剪切振动引起的吸收峰和1 466 cm-1处六元环共轭效应引起的吸收峰已消失，表明δ-VL已经在催化剂辛酸亚锡的作用下开环聚合。其中特征谱带有3 678 cm-1处的羟基的伸缩振动，1 724 cm-1的酯的C=O的伸缩振动，1 095 cm-1和1 186 cm-1分别为C-O和C-O-C的伸展振动峰。结果表明PVL-PEG-PVL嵌段共聚物已经成功合成。

图3 PVL-PEG-PVL三嵌段共聚物的傅里叶红外光谱

图4为PVL-PEG-PVL三嵌段共聚物的核磁共振氢谱(1H-NMR)。从图4中可以看出在氢含量δ=1.73处为δ-VL上的-OCCH2-的氢原子，其耦合常数J=1.700 Hz；δ=2.37处为共聚物两端PEG中-CH2-OH羟甲基质子峰，耦合常数J=6.776 Hz；δ=3.63处和δ=7.25处分别为δ-VL中-CH2-亚甲基质子峰和PEG上-CH2-的氢原子峰，其耦合常数均为J=0 Hz，且峰面积比为4∶1证明PEG与δ-VL已经成功聚合；δ=4.06处为共聚物中PEG与δ-VL连接处-CH2-O-氢原子峰，耦合常数J=6.042 Hz。结果表明，PVL-PEG-PVL嵌段共聚物已经成功合成，这与红外表征结果一致。

图4 PVL-PEG-PVL三嵌段共聚物的 1H-NMR图谱

2.2 PVL-PEG-PVL水凝胶结构分析

以DMPA为光引发剂在356 nm紫外光照射下形成PVL-PEG-PVL水凝胶，其FTIR信息如图5所示。

图5 PVL-PEG-PVL水凝胶的傅里叶红外光谱

从图5可看出，在1 174 cm-1为C-O-C的吸收峰，1 252 cm-1为C-C的吸收峰，1 705 cm-1为C=O的吸收峰，3 849～3 685 cm-1为醇和酸上面的-OH吸收峰，2 934 cm-1、2 866 cm-1为脂肪族-CH2和-C-H的吸收峰。当凝胶前体浓度为0.06 g·mL-1、光引发剂含量按单体质量分数的0.5%加入时水凝胶表面含有各种大量的-OH基团以及C-O-C和C-C化学键。这是因为单体内含有较多的不饱和的C=C双键，因此在引发剂的存在下这些不饱和的双键打开彼此之间相互联结形成三维网络结构，所以凝胶的表面有较多的C-C键。在3 849～3 685 cm-1间的-OH的反射峰是因为凝胶中含有的PBS缓冲液中水的-OH及未反应完的酸中的-OH。由以上分析可知PVL-PEG-PVL水凝胶已经形成且其表面含有大量的C-C和C-O-C共价的交联结构。交联的网状结构之间含有大量的PBS缓冲液。

图6为凝胶的SEM图。凝胶前体溶液在紫外光的照射下形成交联的网状结构，其空洞的大小和分布均对凝胶的力学性能造成影响。

图6 PVL-PEG-PVL水凝胶的SEM图

从图6中可以看出PVL-PEG-PVL水凝胶内部网络密集，但是其孔径大小和分布不均匀。因为水凝胶前体溶液中含有大量的不饱和的双键，其在紫外光的作用下通过光引发剂彼此交联形成了大量的网络结构，因而其内部的网络密集。但是，固化形成水凝胶也是一个放热的过程，且紫外光本身也会产生一定的热量，因此当水凝胶形成过程中含有热量较多而不能及时的释放时就会对水凝胶的三维网络造成破坏，故而内部的空隙结构的大小和分布就很不均匀。

2.3 PVL-PEG-PVL水凝胶交联动力学研究

实验中采用的2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(DMPA)属于自由基型的光引发剂，只有在吸收一定的光能后才可以裂解形成2个不稳定的活自由基离子，自由基进攻大分子单体两端的丙烯酸酯中的C=C双键以及单体内的C=O双键，生成真正的引发中心，进一步引发其他大分子单体的聚合，导致形成支化和交联的结构，最终生成三维的聚合物交联网络结构的水凝胶，其机理如图7所示。因此凝胶前体浓度、引发剂的含量以及紫外光的强度都会影响凝胶的固化速率。

图7 DMPA裂解形成自由基离子

2.3.1 水凝胶前体浓度对固化速率的影响

不同凝胶前体浓度的水凝胶的凝胶含量G-时间t和应力σ-应变ε关系如图8所示。从图8(a)中可以看出，当凝胶前体浓度为0.06 g·mL-1固化速率最快，8 min时凝胶含量就可以达到85%，11 min内基本就可以固化完全。这是由于随着浓度的增加固化体系中不饱和双键的含量就会增加，因此相同条件下光固化速率就会更短。从图8(b)中可以看出，浓度为0.06 g·mL-1时光照的最佳时间为10 min，这是其拉伸强度0.220 4 MPa，断裂伸长率665.91%。但是当光照时间为12 min时可以明显的看到其断裂伸长率比10 min的小很多，这是因为随着固化时间的增加交联程度就会增加，而过度的交联使得凝胶内部交联网络密集使得凝胶变得硬而脆，因而凝胶的形变下降了很多。

2.3.2 引发剂含量对固化速率的影响

不同引发剂含量(质量分数分别为0.4%，0.5%，0.6%)水凝胶的G-t和σ-ε关系如图9所示。

图8 单体浓度对PVL-PEG-PVL水凝胶固化率和强度的影响

图9 引发剂含量对PVL-PEG-PVL水凝胶的固化率和强度的影响

从图9(a)中可以看出，只有当DMPA含量为单体质量分数的0.5%时固化速率最快，在8 min内凝胶含量即可达到86%。且引发剂含量w为单体质量分数的0.5%时凝胶的力学性能最好。从图9(b)中可以看出，拉伸强度0.143 MPa、断裂伸长率331.936%达到最大值。因为引发剂质量分数未超过0.5%时，随着引发剂质量分数的增加其会在很大程度上增加活性自由基的数量，所以固化速率和凝胶率会逐渐的增加，力学性能也会被增强。但是当引发剂质量分数超过单体质量分数的0.5%时体系中由引发剂裂解形成的不稳定自由基离子之间相互碰撞的概率增大，使得彼此之间重新结合，从而降低自由基含量，因此固化速率和凝胶率会降低。

2.3.3 紫外光强度对固化速率的影响

在浓度为0.06 g·mL-1，光照时间为10 min，引发剂质量分数为0.5%，不同紫外光强度下的水凝胶的G-t和σ-ε关系如图10所示。

从图10(a)～(b)中可以看出当电流为14 A时其固化速率最快，11 min内凝胶率就可达到93%。同样电流为14 A时达到最大强度和断裂强度(0.241 MPa)，断裂伸长率1 888.47%。电流小于14 A时随着光强度的增加从引发剂中可以解离出来的自由基离子也随之增高，因此固化速率就会增加。而当电流超过临界值14 A时，随着电流的继续增加凝胶率下降，这是因为凝胶前体固化形成凝胶的过程是一个放热的反应，因此过大的电流会使得固化过程中产生大量热量，当这些热量无法及时排出时就会破坏水凝胶内部的结构使水凝胶含量降低。

图10 光强度对PVL-PEG-PVL水凝胶固化率和强度的影响

3 结 论

1) 文中利用熔融聚合法合成了PVL-PEG-PVL三嵌段共聚物，采用紫外光固化制备了PVL-PEG-PVL水凝胶，通过傅里叶红外分析仪和扫描电镜发现，水凝胶网络之间主要靠C-C共价键交联，其内部网络密集但分布不均匀。

2) 动力学研究表明，光照时间、引发剂含量和光照强度均对凝胶的固化速率造成影响，当凝胶前体浓度为0.06 g·mL-1、光引发剂含量为单体质量分数的0.5%、紫外光电流为14 A时凝胶的固化速率最快，在11 min内凝胶含量就可达到93%，所制备的PVL-PEG-PVL水凝胶拉伸强度最高，拉伸强度可达0.241 MPa，断裂伸长率为1 888.47%。