基于丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵导电水凝胶的制备及性能检测

薛榆洁，徐莉菲，章琪露，王佳茜，许可，林露阳

（1.温州医科大学 药学院，浙江 温州 325035；2.温州大学 生命科学研究院，浙江 温州 325000；3.温州医科大学附属第二医院 急诊科，浙江 温州 325027）

导电高分子水凝胶结合了导电高分子与水凝胶两方面性能，在许多方面具有潜在应用前景[1]。导电水凝胶目前在可移植的生物传感器、电刺激的药物释放器件、神经修复等方面得到初步应用[2-5]。常用导电水凝胶主要分为聚电解质导电胶[6-7]、酸掺杂导电水凝胶[8]、导电高分子水凝胶[9]等几种，然而我国医疗器械市场导电水凝胶以美国品牌的导电水凝胶为主，大部分公司以代工合成贴牌为主，没有拥有自主知识产权且能与美国品牌公司导电胶竞争的产品。因此开发成本低且性能佳的导电水凝胶成为当务之急。

1 材料和方法

1.1 仪器 胶带初黏性实验机（杭州五佳机械设备有限公司），万用表（深圳市驿生胜利科技有限公司），万能试验机（3343，上海英斯特朗试验设备贸易有限公司），250 W紫外线高压汞灯（北京天脉恒辉光源电器有限公司）

1.2 试剂与动物 丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DAC）（广东翁江化学试剂有限公司），N，N-亚甲基双丙烯酰胺（BisAAm）、1-羟环己基苯酮（上海麦克林生化科技有限公司），甘油、DMSO（So-larbio）、羟乙基纤维素（HEC）（上海阿拉丁生物有限公司），ICR小白鼠（江苏集萃药康生物科技有限公司）

1.3 水凝胶的制备 PERRAULT等[10]报道了利用DAC来制备导电水凝胶，然而该水凝胶存在着有残留、异味以及未优化等缺点，因此需要进行一定程度改进；本研究将一定比例的DAC水溶液、BisAAm、1-羟环己基苯酮混合，搅拌均匀，再加入甘油和HEC，搅拌均匀，置于模具中，在紫外灯下光照一定时间后取出，得到固态的水凝胶。

1.4 表征与测试

1.4.1 初黏性实验：将长为100 mm、厚度为2 mm长方形的不同配方的水凝胶粘贴于倾斜角30°的胶带初黏性实验机实验板上，助滚段长度为100 mm，夹取钢球从最大号起，依次使之自由滚下，记录粘在水凝胶上达5 s以上的球的直径，作为该水凝胶的初黏性值。

1.4.2 导电性实验：用万用电表，将转换开关调到2000 kΩ，将红黑金属触头轻触不同配方的水凝胶表面，记录水凝胶的电阻。

1.4.3 拉伸性能实验：将含有不同配比的单体、交联剂等混合液体注入长方体模具槽中，紫外灯下光照一定时间，使水凝胶完全交联，以水凝胶凝固，没有液体残留为交联完成。利用万能实验机在常温下进行对凝胶样品条的测试。同一配方的水凝胶样品重复实验3次并采取相应的平均值。拉伸测试主要的测试参数为：断裂伸长率和弹性模量。

1.4.4 压缩性能实验：将含有不同配比的单体、掺杂剂和引发剂的混体注入圆柱形模具中（直径为10 mm），紫外灯照射一定时间，使水凝胶完全交联。利用万能试验机 在常温下进行对水凝胶样品进行测试，每个配方的水凝胶样品需要测试3次并取相应的平均值。测试的参数主要为压缩模量和压缩强度。

1.4.5 皮肤过敏试验：ICR小鼠10只，购于江苏集萃药康生物科技有限公司，动物许可证号：SYXK（苏）2017-0046，采取贴膜形式，将制备的水凝胶贴在小白鼠脱毛处理后的皮肤上，经过2 h后观察是否出现红斑等过敏现象。

1.5 统计学处理方法 采用GraphPad Prism 5.0软件进行统计分析。计量资料用±s表示，多组间比较用单因素方差分析，组间两两比较用LSD-t法。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 交联结构对水凝胶理化性质的影响 导电水凝胶的示意图，见图1。序号1-4提示单纯DAC加BisAAm进行光交联后，水凝胶具有异味，而添加甘油或HEC后异味消失；序号1、7和9提示BisAAm、甘油及HEC比例不合适会造成一定的残留，见表1。不同配方水凝胶脱水率均小于10%，没有严重的脱水情况，见表2。经3个月以上观察，水凝胶均未出现变色及肉眼可见的霉斑。

图1 导电水凝胶示意图

2.2 不同配方的交联结构对水凝胶黏性的影响

组1～3示DAC和BisAAm比例升高，凝胶初黏性升高，组4～6示添加甘油能有效提高凝胶的初黏性值，而HEC对水凝胶黏性影响不大，见表3。导电水凝胶的初黏性实验示意图，见图2。

2.3 不同配方的交联结构对水凝胶导电性的影响组1和组2的电阻都大于组6，差异有统计学意义（P＜0.05）；组6电阻小于组7，差异有统计学意义（P＜0.05），见图3。

表1 水凝胶制备条件及相应的理化性质

表2 不同配方水凝胶的脱水情况

表3 不同配方的交联结构对水凝胶黏性的影响

图2 导电水凝胶的初黏性实验

2.4 不同配方水凝胶机械性能比较 不同配方水凝胶拉伸实验和压缩测试过程，见图4。组6的拉伸应力要优大于组4和组5，差异有统计学意义（P＜0.001）；组4和组5拉伸应力大于组3，差异有统计学意义（P＜0.01），见图5A。组3水凝胶压缩应力大于组1，差异有统计学意义（P＜0.001）。组4和组5水凝胶压缩应力优于组3，差异有统计学意义（P＜0.001）。组6的压缩应力要大于组4和组5，差异有统计学意义（P＜0.001），见图5B。

图4 水凝胶拉伸实验和压缩实验示意图

2.5 水凝胶的皮肤过敏试验 将组6配方制备的水凝胶贴在小白鼠脱毛处理后暴露的皮肤上，经过2 h后皮肤没有出现红斑或水肿等过敏现象，见图6。

图5 不同组别水凝胶拉伸性能和压缩性能比较

图6 水凝胶的皮肤过敏试验

3 讨论

本研究以DAC为主要基质，BisAAm为光学交联剂，1-羟环己基苯酮为催化剂，通过添加甘油和HEC，以期制备出拉伸压缩性能和导电性能优良的复合导电水凝胶。

本实验的水凝胶主要基质为DAC，它是一种较为常见的高分子材料，可以通过光敏交联剂形成水凝胶结构，但其存在黏性不够、机械性不好、容易断裂、不利于生产等缺点。为了弥补这些缺点，本研究加入了甘油和HEC来改善导电水凝胶的理化性质。甘油是一种增塑剂，能在一定程度上阻止水凝胶脱水[12]，可以使水凝胶有更好的拉伸性和黏性；HEC是一种增稠剂，可以使水凝胶具有优异的拉伸性能和压缩性能[13]，并利于工业上的生产切割，并且其性质稳定，不易与其他材料发生化学反应。因此添加这些材料可以弥补DAC高分子水凝胶的缺点，改良后的导电高分子水凝胶能满足市场需求，具有更广阔的应用前景。本研究发现不同比例配方的水凝胶对其理化性质有一定的影响，其中60% DAC+5%BisAAm+10%甘油+0.015% HEC配方的水凝胶在气味、是否有残留物、稳定性（是否变色）、是否长菌以及脱水这几个方面均优于其他组。

医用导电水凝胶主要用于皮肤贴剂，这需要水凝胶有一定的黏性，才能使其在使用时不易脱落，能更好地贴合于皮肤。为此，进行了水凝胶的初黏性实验。通过实验我们发现添加甘油后能显著增加水凝胶的初黏性能，而HEC影响不大。导电水凝胶的导电能力主要来源于水凝胶中离子含量和其运动，电阻越小，代表导电性越好[11]。实验中发现不同比例DAC和BisAAm配方制作出来的水凝胶导电性能不同，这可能是由于DAC基质本身含有较多离子，而随着交联剂BisAAm的含量增加导致水凝胶的交联网状结构越来越稳定，阻碍了水凝胶内部离子的运动，从而使导电性改变，研究发现组6的导电性最为优异。此外，从水凝胶的拉伸实验来看，添加了HEC后水凝胶的机械性能最好。最后，导电水凝胶作为一种皮肤贴剂需要具备较好的生物安全性，通过皮肤过敏试验发现小鼠皮肤没有出现红斑或水肿现象。

综上所述，组6配方（60% DAC+5% BisAAm+10%甘油+0.015% HEC）的导电水凝胶理化性质整体表现最好。