氢键增强酰腙动态共价键智能水凝胶的制备及性能

刘 通，马 伟，熊乐艳，郭赞如，2，章家立

（1.华东交通大学材料科学与工程学院，江西 南昌 330013；2.闽南师范大学化学化工与环境学院，福建 漳州，363000）

智能聚合物水凝胶是由聚合物交联形成的三维网状、含水量高达95%，并且对外界环境（如压力、光、温度、pH 等）刺激而产生响应的软物质[1-4]。最近，利用动态共价键（DCBs）作为交联点构建智能水凝胶受到了科研人员的关注，因为DCBs 交联的水凝胶兼具共价键交联水凝胶的稳定性和物理作用交联水凝胶的自愈合（SH）、溶胶（sol）-凝胶（gel）转变特性[5]。酰腙动态共价键就是典型的例子之一，具有较好的热力学稳定性和易设计构建[6]。Deng 等[7-8]将PEG（聚乙二醇）用双酰肼官能团化/末端含有醛基的PEG 和含有三个苯甲醛官能团小分子/含双硫键的二酰肼在DMF 中形成酰腙键得到了具有自愈合性能和sol-gel 可逆转变的水凝胶。Smeets 等[9]将酰腙键引入到PEG 聚合物中得到可注射水凝胶。Yan等[10]通过在含酰肼的聚谷氨酸和含醛基的海藻酸钠之间形成酰腙键构建可注射的水凝胶，并将其应用于软骨组织工程。Wei 等[5]利用N-羧基乙基壳聚糖和醛基化海藻酸钠以及己二酰肼形成了以亚胺和酰腙键交联的智能水凝胶，该凝胶能够注射、自愈合以及有较好的抗水膨胀性，并且具有较好的生物相容性。Cuo 等[11]，吕展等[12]为赋予水凝胶多重响应性通过酰腙键交联得到具有自愈合性能和溶胶-凝胶可逆转变性能的水凝胶。Chang 等[13]将温度响应基元引入到酰腙键交联水凝胶中，获得了具有温度响应性的自愈合水凝胶。何元等[14]利用温敏型聚合物通过酰腙键制备了pH 和温度双响应型水凝胶，同时通过调节温度可调控水凝胶的稳定性和自愈合性能。然而，大多数温敏型酰腙键交联的智能水凝胶表现出较低的力学强度。提高酰腙键交联智能水凝胶力学强度有提高水凝胶固含量或交联密度、引入双网络结构和加入纳米材料等方法[15-16]。在水凝胶网络中引入有效形成氢键的基团可以有效提高凝胶的强度，如引入脲基嘧啶酮（UPy）基团可以在网络中形成四重氢键达到增强水凝胶的目的[17-21]。目前在单一网络结构的温敏型酰腙键交联智能水凝胶中，引入多重氢键增强其力学性能的研究鲜有报道。

文章通过可逆加成-断裂转移自由基聚合（RAFT）制备了含脲基嘧啶酮（UPy）基团单体（Mu）、N-异丙基丙烯酰胺 （NIPAM）和双丙酮丙烯酰胺（DAAM），获得了一系列含有UPy 基团的共聚物PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu；然后利用制备得到的共聚物（PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu）和己二酸二酰肼（ADH）反应形成酰腙动态共价键，得到水凝胶。

1 实验部分

1.1 原料与试剂

2-氨基-4-羟基-6-甲基嘧啶（UPy）：分析纯，百灵威；N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、双丙酮丙烯酰胺（DAAM）：分析纯，TCI；偶氮二异丁腈（AIBN）、己二酸二酰肼（ADH）：分析纯，阿拉丁；链转移剂（CTA）按照文献[22]中的方法合成；其他试剂均为市售分析纯。

1.2 测试与表征

核磁共振（1H NMR）仪：布鲁克（BRUKER—AVANCE—III—HD—400 MHz）型，将PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu溶解在氘代氯仿中；傅里叶变换红外光谱（FT-IR）仪：PerkinElmer Spectrum one 型，测试范围为4 000～400 cm-1；凝胶渗透色谱（GPC）仪：沃特斯515 泵，参比物（聚氧乙烯），流动相四氢呋喃（THF）做洗脱液，THF 流速为60.0 mL/h；流变仪：Anton Paar Physica MCR 302 旋转型流变仪及PP25转子，测试温度为10 ℃，测试模式为应力（Stress）或应变控制模式（Strain-controlled mode）；扫描电子显微镜（SEM）：Japan JEOL JSM-7500F 型仪器，将凝胶样品冻干后进行观察；万能试验机：宁波镇海伟恒检测仪器有限公司，测试水凝胶样品的压缩应力-应变（Strain-Stress）曲线。

1.3 共聚物PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu 的制备及LCST 测定

首先制备了Mu单元[23]。通过可逆加成-断裂转移自由基聚合制备PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu。以P5为例，在三颈烧瓶中加入DAAM 0.15 g（0.88 mmol）、NIPAM 1.79 g（15.84 mmol）、Mu0.25 g（0.88 mmol）和7 mL 二甲亚砜（DMSO），边搅拌边通入N230 min，加入CTA 0.036 7 g（0.10 mmol）和AIBN 3.3 mg（0.02 mmol），继续通N230 min 后加热到70 ℃反应24 h。反应结束后在大量乙醚中沉淀反应物，洗涤多次，抽滤后进行真空干燥，可得到P5的初步产物，将初步产物放置在去离子水中透析168 h，最后将透析后的样品进行冷冻干燥，可得到共聚物P5。共聚物P0，P1，P2采用相同的方法，投料配比按照表1 所示。将上述制备的共聚物配置成浓度为10 mg/mL 的溶液，通过UV-Vis 测定聚合物溶液（P0，P1，P2和P5）在600 nm 波长下的透光率T，对T 和温度进行拟合得到变化曲线，聚合物的浊点[24]为曲线中透光率下降50% 时所对应的温度。

表1 共聚物的组成及参数Tab.1 Physical parameters of polymer

1.4 水凝胶的制备和pH 响应性

将共聚物溶解在水中配制质量分数为20% 的溶液，加入的己二酸二酰肼（ADH）物质的量n 为共聚物中双丙酮丙烯酰胺单元n 的50% ，待加入的共聚物和ADH 溶解完全后，调节溶液的pH 值得到水凝胶。水凝胶H0，H1，H2，H5分别由共聚物P0，P1，P2，P5制备得到的。得到的上述水凝胶可以使用4 mol/L 的NaOH 或4 mol/L 的HCl 调节pH 来实现Sol-gel 转变。

1.5 水凝胶的自愈合和力学性能测试

选用两个大小相同的圆状水凝胶，对其中一个水凝胶用胭脂红进行染色。将两个圆饼状水凝胶等分切成4 个半饼形水凝胶，再将一个胭脂红染色的半饼水凝胶和一个未染色的半饼水凝胶紧密拼接在一起；将水凝胶置于设定温度下放置两小时，观察其自愈合能力。使用万能试验机在20 ℃下进行压缩强度测试。将圆柱体形状水凝胶（h=10 mm，d=10 mm）以恒定的速率（2 mm/min）压缩至应变为70% 时的强度记为水凝胶的压缩强度。

2 结果与讨论

2.1 聚合物的结构和LCST

图1 为共聚物的1H-NMR 谱图。0.8～1.1 ppm处为NIPAM 单元上—C （CH3）2的质子峰位移，1.2～1.3 ppm 处为DAAM 单元上—C（CH3）2的质子峰位移，1.3 ～1.6 ppm 处 为 主 链 单 元 上—CH2—和Mu单元中—CH3质子峰位移，1.8～2.1 ppm 处为主链 上—CH—和—CH2—、DAAM 单元中—CH2—和CH3C=O、Mu单元嘧啶环—CH3的质子峰位移，2.7～3.1 ppm 为Mu单元—NCH2—的质子峰位移，3.7～4.1 ppm 为NIPAM 单元—CH—质子峰位移，4.1～4.2 ppm 为Mu单元—COOCH2的质子峰位移，6.6 ppm为Mu单元嘧啶酮环的质子峰位移。通过1H-NMR谱图计算出了聚合中结构单元的比例，通过GPC 测定了聚合物的数均分子量Mu和分子量分布指数PDI，如表1 所示。从表1 可以看出，产品各组分的比例和投料比只有细微的差别，说明合成了不同组成的共聚物。图2（a）中插图为P0水溶液（10 mg/mL）分别在20 ℃和35 ℃时的表观照片，温度升高溶液由透明状变为乳白色浑浊状，说明聚合物具有温度响应性。共聚物P0，P1，P2，P5的浊点分别为27.9，27.7，27.5，26.6 ℃（图2（b）），说明温度的调控可以通过改变PDAAM—co—PNIPAM—co—Mu聚合物中Mu单元的量实现。

图1 共聚物的1H NMR 图Fig.1 1H NMR spectra of copolymer

图2 共聚物的透光率和浊点Fig.2 Light transmittance and turbidity point of copolymer

2.2 水凝胶的形成及流变性能

利用共聚物和己二酸二酰肼反应，形成机理如图3 所示，获得一系列水凝胶。图4（a）显示了频率与模量的流变图。可以看出，制备得到的水凝胶G' 始终大于G″。这是水凝胶的典型流变行为[11，16]，可以说明共聚物与己二酸二酰肼形成了水凝胶。如图4（b）所示，利用FT-IR 进行分析，从红外图可以分析共聚物和水凝胶的结构。DAAM 在波数1 719 cm-1处出现了酮羰基（C＝O）伸缩振动的特征吸收峰，且共聚物中也在相同位置出现了C＝O的特征吸收峰，说明聚合物中含有DAAM 单元[16]。形成相应水凝胶后，酮羰基吸收峰消失，而是在波数为1 635 cm-1处出现C＝N 的特征吸收峰[16]，说明共聚物中酮羰基和ADH 中酰肼反应生成了酰腙键交联键。

图3 水凝胶形成机理图Fig.3 Diagram of hydrogel formation mechanism

从图4（a）也可看出，随着水凝胶中Mu单元比例的增加G' 逐渐增强，说明随着UPy 基团的增多水凝胶强度增强。这是因为UPy 基团可以在凝胶网络中形成四重氢键[21]，分子链之间的氢键作用增强了凝胶的强度。图4（c）为水凝胶模量对应变变化的关系图，可以得出水凝胶的临界剪切应变值随水凝胶中Mu单元摩尔比例的增加而逐渐降低。这是因为随着氢键交联的增加，水凝胶交联度逐渐增大，导致水凝胶柔韧性下降[25]。对含不同Mu单元比例的水凝胶进行了压缩强度测试，如图4（d）所示。Mu单元从0 增加到5% ，水凝胶的压缩强度从9.34 kPa升高到52.55 kPa，提高了4 倍多，进一步说明UPy基团在水凝胶体系中的氢键作用提高了水凝胶的压缩强度。图5 为水凝胶H0，H1，H2和H5的SEM 照片，可以看出水凝胶随着UPy 基团的增多，凝胶网络变得越来越致密（特别是H5），说明UPy 基团形成的氢键能够增强凝胶强度。

图4 水凝胶的流变、红外及应力-应变曲线Fig.4 Rheological, infrared and stress-strain curves of hydrogels

图5 H0，H1，H2 和H5 的SEM 图Fig.5 SEM images of H0，H1，H2 and H5

2.3 水凝胶的pH 和温度响应性

如图6（a）所示，当改变pH 值时，水凝胶出现可逆的Sol-gel 转变，表明水凝胶具有pH 响应性。此外，水凝胶随着温度的升高，发生温度响应性，如图6（b）所示。当温度为20 ℃时，水凝胶为透明状；当温度升高到35 ℃时转变为乳白色且水凝胶的体积随着温度的升高发生了明显缩小，可以说明其具有温度响应性。

图6 水凝胶的pH 和温度响应性照片Fig.6 Photos of pH and temperature response of hydrogels

图7（a）为水凝胶的压缩曲线，得出水凝胶在温度响应之后其压缩强度都得到了数倍的增强（图7（b）），其中含有UPy 基团的水凝胶H5温度响应之后的压缩强度（279.81 kPa）相比于不含UPy 基团的水凝胶H0（9.34 kPa）升高了近30 倍，说明温度诱导能够使水凝胶力学性能进一步增强。这是由于当温度高于共聚物的LCST 时，共聚物分子链发生塌陷，凝胶中的水分会被挤出，凝胶网络变得更为致密[17]。利用流变仪测试了水凝胶模量随温度升高变化情况，如图7（c）所示。H5的G' 随着温度的升高而升高；同时，水凝胶模量开始升高的温度也接近其对应共聚物的浊点，说明水凝胶中聚合物链发生温度响应导致水凝胶网络越来越致密。此外，针对水凝胶的体积收缩率随着温度的变化情况进行了测试。如图7（d）所示，发现随着温度升高，水凝胶的体积收缩率升高，其响应的温度也接近对应的共聚物的浊点，说明是温度响应导致凝胶网络变得更为致密。通过对比不同水凝胶在相同温度时的体积收缩率，发现随着水凝胶中Mu摩尔比例的增加，相应水凝胶的体积收缩率越高。可能是水凝胶中疏水单体Mu增加，水凝胶中被排挤的水分越多，导致水凝胶的体积收缩率越高。

图7 水凝胶加热前后的压缩对比图、体积收缩率及H5 在循环升温过程中的动态模量变化曲线Fig.7 Compression contrast diagram of hydrogel before and after heating, volume shrinkage and dynamic modulus change curve of H5 during cyclic heating process

2.4 自愈合性能

如图8（a）所示，可以看出将凝胶切开后重新放置在一起2 h 后可以发生自愈合。利用流变恢复测试评价了水凝胶的自愈合能力（SH），如图8（b）所示，水凝胶H5在应变较小时，储能模量高于损耗模量；当应变大于其临界应变之后，储能模量低于损耗模量，水凝胶网络结构被破坏。当应变减小时，又快速恢复gel 状态，说明具有较好的SH能力。水凝胶模量随着应变的逐渐增大，如应变为1 500% 时，其模量略有下降，这是由于经历大的破坏后水凝胶网络的交联点难以完全快速恢复。通过对水凝胶自愈合前后曲线进行对比 （图8（c）），可看出水凝胶的自愈合效率都在90% 以上（图8（d）），说明酰腙键和氢键作用赋予水凝胶较好地自愈合性能。

图8 水凝胶自愈合过程Fig.8 Hydrogel self-healing process

3 结论

采用RAFT 聚合的方法，对水凝胶的pH 和温度双重响应性和自愈合性能进行了研究，得出了以下结论。

1）利用RAFT 聚合方法制备了含UPy 基团的温敏共聚物PDAAM-co-PNIPAM-co-Mu，其分子量以及分子量分布可控。

2）水凝胶中UPy 基团形成四重氢键，能够增强水凝胶的力学性能。

3）水凝胶表现出pH 和温度双重响应性，并且水凝胶温度响应之后力学强度得到进一步增强。

4）水凝胶具有自愈合能力，且自愈合效率高于90%。