贻贝仿生增韧自愈合聚天冬酰胺/氧化石墨烯凝胶的制备及性能

付 雁，刘 华，刘长玲，王 博，杨洪雨

(1.吉林化工学院材料科学与工程学院，吉林 吉林 132022；2.吉林工程技术师范学院生物质功能材料交叉学科研究院吉林省秸秆基功能材料重点实验室，吉林 长春 130012；3.山东宏旭化学股份有限公司, 山东 东营 257000)

水凝胶可以被描述为一种柔软的、固体的或类似液体状的具有独特三维网络结构的凝聚物质[1]。在凝胶中，聚合物网络分为物理或化学交联网络。就物理凝胶而言，网络的形成是基于各种相互较弱的作用，容易响应外部环境（包括温度、pH 和光等）的刺激，且具有自我修复特性[2,3]。然而，由于聚合物链的低密度，聚合物链之间的低摩擦和弱键合，使大多数非共价水凝胶的力学性能较差，限制其进一步工业化和生物医学应用。

用于形成具有独特结构和高力学强度的纳米复合水凝胶的重要方法之一是添加有机或无机纳米填料，例如黏土，碳纳米管和纤维素[4～6]。Wang 等报告了一种高强度可拉伸的多孔复合水凝胶，其拉伸应变为400%、压缩应变为80%。多孔水凝胶由聚乙烯醇(PVA)、N-(3-磺丙基)-N-甲基丙烯酰氧基乙基-N,N-二甲基铵甜菜碱(SBMA) 和丙烯酰胺(AM) 的共聚物组成，并通过加入氧化石墨烯(GO)制备了稳定的水性泡沫模板[7]。Sarkar 等介绍了一种由二维氧化石墨烯交联的力学坚韧且高度可拉伸的聚（丙烯酸）水凝胶。交联剂和聚合物链的相互作用在水凝胶基质中提供了均匀的应力分布，以限制裂纹扩展[8]。尽管许多研究已经报道了具有优异力学特性的含有GO 的复合体系水凝胶，但只有少数报告致力于包含GO 的高度可拉伸的智能响应的自我修复水凝胶。

当前，材料的自我修复（材料或系统作为智能材料的功能自愈或自我修复的能力）行为越来越受到关注[9]。Zhong 等提出了一种简便的方法，即采用Fe3+离子为交联剂，制备了自修复、超韧性氧化石墨烯（GO）-聚（丙烯酸）（PAA）纳米复合水凝胶，得到的GO-PAA 纳米复合水凝胶具有优异的韧性、拉伸强度和拉伸性能[10]，且纳米复合水凝胶在45 ℃处理48 h 后表现出良好的自我修复性能。然而大多数自愈合水凝胶是选用普通的水溶性高分子聚合物为原料，对生物可降解聚合物及仿生凝胶材料的研究较少。

紧密固定在海洋贻贝表面上的具有坚韧和自我修复的蛋白质纤维中含有DOPA（一种儿茶酚官能团），使其能够抵抗海岸岩石中高能量波浪的冲击[11]。某些研究发现，DOPA 的儿茶酚部分与金属离子能形成强烈的、可逆的相互作用，具有快速自我修复的能力。硼酸是典型的路易斯酸，可以与水反应，在水性介质中提取OH—并将三角形硼转化为阴离子四面体几何形状。在碱性条件下，硼原子具有4 个配位键，与来自儿茶酚基团的二醇能形成双配位[12]。

对比于传统的普通水溶性高分子聚合物，本文根据贻贝仿生原理，合成了一种基于3,4-二羟基苯乙胺（或多巴胺）-共轭聚天冬酰胺(PHEA-DOPA)pH 敏感性自修复型水凝胶。 PHEA-DOPA/GO 中的水凝胶网络由GO 纳米片和硼酸为交联剂形成。PHEA-DOPA 侧链的极性官能团与GO 纳米片上的含氧基团相互作用，通过氢键来增强水凝胶的力学性能。该方法具有原料容易获得、无毒、生物相容性好、生物降解性、环境可靠性、合成相对简单、化学修饰容易和废料可处理等优点。这种新型生物相容性凝胶系统在智能水凝胶、医用黏合剂和密封剂中具有良好的应用潜力。

1 实验部分

1.1 主要原料

天冬氨酸(+ 98%)、磷酸(98%)、盐酸多巴胺（DOPA, 纯度98%）：西格玛化学试剂有限公司；二甲基甲酰胺(DMF，99.8%)、三乙胺、乙醇胺(99%)、二丁胺(99.5%)、硼酸(99.5%)：均由西格玛化学试剂有限公司购买。

1.2 制备过程

1.2.1 PHEA-DOPA 聚合物的合成：将L-天冬氨酸(30 g)和磷酸(30g)(50:50 质量比)放入圆底烧瓶中并在室温混合，缓慢加热约30 min 内减压升至180 ℃，在此温度保持4.5 h。将反应混合物冷却后溶于DMF 中。所得溶液在过量水中沉淀，沉淀物用水洗涤数次除去残留的磷酸直至溶液达到pH=7。最后，在70 ℃的真空烘箱中干燥3 d，得到白色粉末形式的最终产物PSI。

取1 g PSI 溶解在装有30 mL DMF 的三颈圆底烧瓶中，再加入1.2 g DOPA（基于琥珀酰亚胺单元的摩尔分数50%）和1.723 mL 三乙胺，将烧瓶保持在80 ℃的油浴中24 h。然后将0.528 mL 的EA 缓慢加入到反应混合物中，并将混合物在室温再搅拌24 h。 所得混合物在500 mL 冷丙酮中沉淀。 将过滤产物PHEA-DOPA 溶于水中，加入冰醋酸直至溶液pH 值达到4。将最终的聚合物溶液透析3d 后冻干。

1.2.2 PHEA-DOPA 与GO 凝胶的制备：具有儿茶酚基团的PHEA-DOPA 可用于制备水溶液的可逆凝胶。将0.1 g PHEA-DOPA 溶解在0.5 mL 去离子水中，向其中加入定量的硼酸溶液（儿茶酚和硼酸的摩尔比2.0）和质量分数10%的GO 溶液（5 mg/mL）。在氮气保护下加入0.1 mol/L NaOH 溶液，将混合物的pH 增加至所需的最终pH 值（9）。通过机械搅拌，利用B-catehcol 配位结合得到最终的水凝胶。

1.3 测试与表征

1.3.1 核磁共振氢谱（1H-NMR）分析：采用美国Varian 公司生产的Unity Inova-500 型核磁共振波谱仪进行测试，溶剂为二甲基亚砜(DMSO)。

1.3.2 红外光谱（FT-IR）分析：通过傅里叶变换红外光谱（2000 FT-IR，美国Perkin Elmer System）进行分析。

1.3.3 X 射线光电子能谱（XPS）分析：采用XPS 测试仪(Auger Electronics, ESCA20000)进行测试。

1.3.4 扫描电镜分析：通过高分辨率场发射扫描电子显微镜（FE-SEM，JEOL JSM-7401F）观察水凝胶的交联形貌。

1.3.5 紫外可见分光光度分析（UV-vis）: 使用紫外可见分光光度计对样品进行测试。样品置放在石英比色皿中，在室温进行分析。

1.3.6 流变特性测试：采用英国马尔文仪器公司的旋转流变仪，在恒定应变下对一定频率范围内的凝胶进行振荡剪切测试。

1.3.7 拉伸强度测试：采用中国台湾Cometech 公司生产的UTM 测试仪对水凝胶样品（长度30mm、宽度8 mm、厚度6 mm）进行测试。

2 结果与讨论

2.1 PHEA-DOPA 的合成

PHEA-DOPA 是由PSI 与定量多巴胺和过量EA的连续氨解反应，合成出的一种新型多聚天冬氨酸衍生物，合成如Fig.1 所示。PHEA-DOPA 的结构和组成可以由1H-NMR 谱图证实（Fig.3(a)）。 在一系列氨解反应后，峰a，b 和c 为多巴胺苯基的芳香质子，峰e 和f 分别为EA 侧链的亚甲基质子。 PHEA-DOPA共聚物中每组的组成由峰a，b，c 和d 之间的积分比确定,其中DOPA 含量为42%、EA 含量为58%。

Fig.1 Synthesis of PHEA-DOPA

2.2 PHEA-DOPA/GO 水凝胶的制备

将GO 分散体和硼酸添加到PHEA-DOPA 溶液中制备了GO-纳米复合水凝胶。 Fig.2 显示了这种新型PHEA-DOPA/GO 水凝胶的制备示意图。从Fig.2 中可知，含有B3+（小球）的PHEA-DOPA 聚合物水溶液，当pH 增加至pH = 9 时，由于硼酸具有双官能度，可与Catechol 通过配位络合形成非共价交联而形成凝胶。由于GO 的引入，PHEA-DOPA 分子链（长曲线）通过与GO 之间氢键的结合，使水凝胶的颜色变成黑色。 Fig.2 进一步揭示了邻苯二酚基团与硼酸的反应机理。硼酸是一种典型的路易斯酸，溶于水中可以产生弱电解质。水合硼酸产生少量电离的B(OH)4-和H+离子。首先通过加成反应，儿茶酚上的配体给体原子与硼酸上的未被占用的位置进行反应，然后进行取代反应，儿茶酚上的第2 个配体给体原子取代硼酸上的OH—基团。随着体系中环境pH 值的提高，硼原子与2 个儿茶酚形成4 个配位键，配位体呈双齿状。

Fig.2 Schematic diagram of the gel formation of PHEA-DOPA and the reaction mechanism of catechol group and boric acid

2.3 PHEA-DOPA/GO 水凝胶的结构表征

Fig.3(a)和Fig.3(b)是PHEA-DOPA 的结构式和核磁共振氢谱图。Fig.3(c)为氧化石墨烯（GO）和PHEA-DOPA/GO 水 凝 胶 的FT-IR 光 谱 图。GO 粉 末的红外光谱在3206.3 cm-1，1720.7 cm-1，1615.9 cm-1和1061.2 cm-1处显示出特征谱带，分别归因于—OH 伸缩振动、C=O 羰基拉伸、芳香C=C 伸缩振动及C—O—C 组分中不对称和对称的C—O 伸缩的振动；这些结果证实了GO 中羧基、环氧基团和氢氧基团官能团的存在。在PHEA-DOPA/GO 水凝胶的光谱中，1724.3 cm-1和1057.9 cm-1处的弱吸收带属于GO 的羰基和环氧基团C—O，证实水凝胶中GO 的存在，PHEA-DOPA 链的羧基和羟基与GO 片上的含氧基团之间的强氢键相互作用而交织在一起。此外，观察到酚类C—O—H 的特征谱带位于1360.8 cm-1和1248.5 cm-1。在818.3 cm-1处观察到归因于四面体BO4的拉伸振动，其源自硼-儿茶酚配位络合。总之，FT-IR 结果证实了具有GO 和硼酸的双网络PHEA-DOPA 水凝胶的合成。

通过XPS 检测了GO 和PHEA-DOPA/GO 凝胶的表面化学组成，结果如Fig.4 所示。对于XPS 的全范围测量扫描与GO 相比，PHEA-DOPA/GO 在399.4 eV和191.2 eV 处出现峰值，这是由于聚合物PHEADOPA 中所含的C—NH,及交联剂所提供的B 元素所致。对于GO，以283.2 eV，284.1 eV，286.5 eV 和288.1 eV 为中心的GO 的C1s 峰的归属于芳环中的C = C 和C—C 键，C—O（环氧基和烷氧基）基团和O—C = O 基团。通过比较，PHEA-DOPA 与GO 结合后，经交联剂硼酸反应后，含氧碳的峰强度显著降低，但仍有一小部分C—O 和C = O 基团存在于凝胶中，结果表明未参与反应的残余基团仍存在于GO 中。另一方面，在289.3 eV（C—N）处的峰表明PHEA-DOPA 成 功 与GO 结 合。PHEA-DOPA/GO 凝胶的解卷积N1s 和B1s 峰对应于399.4 eV 和192.3 eV，归属于取代胺—NH—和B—O。

Fig.3(a)Chemical formula of PHEA-DOPA;(b)1H-NMR pattern of PHEA-DOP;(c)FT-IR spectra of GO and PHEA-DOPA/GO

Fig.4 XPS spectra of GO and PHEA-DOPA/GO

为了研究水凝胶的微观结构和形态，将PHEADOPA 和PHEA-DOPA/GO 凝胶的冻干样品进行SEM分析，如Fig.5 所示。 PHEA-DOPA 与硼酸交联的凝胶样品显示出3D 柔性多孔结构，孔径范围从亚微米级到几微米。 笔者认为，在该材料中，来自硼酸的硼原子与来自儿茶酚基团的二醇形成了4 个配位键，从而形成了非共价交联网络。冻干的PHEADOPA/GO 水凝胶显示出类似于PHEA-DOPA 凝胶的松散网络结构，然而PHEA-DOPA/GO 水凝胶孔壁显著增加。这种形态变化是由于GO 与PHEA-DOPA之间的氢键相互作用，将PHEA-DOPA 链接枝到GO表面上的结果。

Fig.5 FE-SEM images showing the morphologies of(a)PHEA-DOPA and(b)PHEA-DOPA/GO

Fig.6(a)UV-Vis absorbance of PHEA-DOPA and PHEA-DOPA/GO;(b)photographs of reversible gel formation

在许多先前对可逆非共价儿茶酚-硼键的研究中，儿茶酚基团的氧化是一个关键问题。从PHEADOPA 和GO 的UV-可见光谱中得到儿茶酚-B3+复合物存在的进一步证据（Fig. 6(a)）。聚合物PHEADOPA 的UV-vis 曲 线 在λmax= 280 nm 处 仅 有1 个 峰，为儿茶酚基团;当凝胶与GO 和硼酸在pH= 5 的环境中相互作用时，该峰的强度降低，表明儿茶酚与硼酸部分相互作用形成B3+-DOPA 的单络合物。然而，当溶液的pH 从5 增加到9 时，280 nm 处的儿茶酚峰消失，表明在pH=9 时，硼和儿茶酚基团之间的配位络合。Fig.6(b)显示了PHEA-DOPA/GO 凝胶形成可逆性的照片：凝胶放入pH=5 的缓冲试剂中后发生溶解，将pH 值再次调整为9 时，重新发生凝胶化。此观察结果表明在pH=9 时形成的动态非共价网络允许可逆凝胶化。

2.4 PHEA-DOPA/GO 水凝胶的自愈合特性

先前已有报道，B3+与儿茶酚配位之间的动态络合可以允许自愈合凝胶的可逆形成。当GO 加入到PHEA-DOPA/B3+体系中时，得到的PHEA-DOPA/GO水凝胶也表现出自愈合性。如Fig.7 所示，将PHEADOPA/GO 凝胶（pH=9）切成2 块，简单地将破裂表面接触在一起而无任何外部干预，凝胶可以自动快速愈合。此外，10 min 后，在附着区域中没有观察到明显的切割线。当愈合的凝胶在凝胶破裂的任何地方被切成2 块时，再次观察到相同的自愈现象，表明该性质是可重复的和有效的。该结果可归因于硼与儿茶酚基团之间的动态络合。

Fig.7 Photographs of the evidence of self-healing

2.5 PHEA-DOPA/GO 水凝胶的流变特性

为了研究PHEA-DOPA/GO 水凝胶的流变行为，对添加和未添加GO 的2 种水凝胶样品进行动态力学分析。在1%的恒定应变和25 ℃恒定温度下，在一系列频率上测量G'和G''。如Fig.8(a)所示，这2 种凝胶样品的储能模量几乎恒定，对于所有样品，G'始终至少比G''大10 倍，表明凝胶具有弹性而非黏性，并具有永久性网络结构。Fig.8(b)比较了2 种不同水凝胶样品的模量：含GO 凝胶的G'和G''均超过非GO 凝胶的10 倍，表明GO 表面上丰富的羟基、羰基和环氧官能团可与PHEA-DOPA 形成氢键，提高了凝胶的强度，成为高弹性纳米复合水凝胶。此外Fig.8(b)还显示了不同时间处理后的PHEA-DOPA/GO 凝胶的流变性能。从图中可知，经过不同的时间处理后，水凝胶中的水分会逐渐蒸发，导致凝胶刚性增强，但仍具有黏弹性。

Fig.8 Rheological properties of PHEA-DOPA and PHEA-DOPA/GO

2.6 PHEA-DOPA/GO 水凝胶的力学性能

拉伸和压缩强度测试揭示了PHEA-DOPA/GO凝胶的力学性能。Fig.9(a)为所制备的样条状拉伸试验样品。Fig.9(b)显示了不含GO 的PHEA-DOPA凝胶和含有GO 的凝胶的拉伸应力-应变曲线。PHEA-DOPA 水凝胶表现为软性凝胶，最大应变约为120%，拉伸应力约为70 kPa。含GO 的凝胶显示出更高的（115 kPa）断裂应力，是纯PHEA-DOPA 凝胶的1.5 倍。表明含有GO 的水凝胶的硬度显著增加，GO 片与聚合物链之间存在强氢键相互作用，以及GO 作为固有填料的效应。然而，由于交联密度增加，加入GO 后断裂伸长率明显降低，降低了材料的临界应变。

Fig.9 Tensile and compress stress-strain curves illustrating the mechanical properties of PHEA-DOPA and PHEA-DOPA/GO

PHEA-DOPA/GO 凝的可压缩性如Fig.9(c)所示。Fig.9(d)为PHEA-DOPA/GO 水凝胶的压缩应力- 应变曲线，在第1 次加载- 卸载循环期间观察到大的磁滞回线，表明凝胶具有很强的耗散能量,且凝胶具有较高的压缩强度75 kPa。尽管第2 次和第3 次循环的磁滞回线有所降低，但这些结果证实，GO 和B3+在PHEA-DOPA 链之间的动态交联赋予了PHEA-DOPA/GO 水凝胶的可逆恢复性质。

3 结论

本文展示了一种基于含儿茶酚的聚天冬酰胺和氧化石墨烯的新型pH 响应性自愈合纳米复合水凝胶。将添加质量分数10%的GO 与不添加GO 的PHEA-DOPA 凝 胶 相 比，PHEA-DOPA/GO 水 凝 胶 的储存和损失模量增加了10 倍。 此外，水凝胶表现出良好的力学性能，具有高拉伸和压缩强度。水凝胶在没有任何外部刺激的室温下，能够保持自主且快速的自愈合性能，这为此类含GO 的生物相容性聚天冬酰胺水凝胶提供了潜在的生物医学应用。