超声耦合剂聚丙烯酰胺水凝胶的配比优化工艺及其声学性能表征

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1635

中国组织工程研究 ›› 2019, Vol. 23 ›› Issue (10): 1533-1539.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.1635

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超声耦合剂聚丙烯酰胺水凝胶的配比优化工艺及其声学性能表征

黄剑文^1，2，黄伯天²，赵文斌²，闵蒙真²，李琨¹，李淑怡¹，王海亮²，张超¹

¹中山大学生物医学工程学院，广东省广州市 510006；²中山大学附属第一医院放射治疗科，广东省广州市 510080

收稿日期:2018-11-24 出版日期:2019-04-08 发布日期:2019-04-08
通讯作者: 张超，副教授，硕士生导师，中山大学生物医学工程学院，广东省广州市 510006
作者简介:黄剑文，男，1981年生，广东省紫金县人，汉族，中山大学生物医学工程学院在职硕士，主管技师，主要从事医疗仪器和生物医学材料研究。

Polyacrylamide hydrogel, an ultrasonic coupling agent: optimization process and acoustic performance characterization

Huang Jianwen^{1, 2}, Huang Botian², Zhao Wenbin², Min Mengzhen², Li Kun¹, Li Shuyi¹, Wang Hailiang², Zhang Chao¹

¹College of Biomedical Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510006, Guangdong Province, China; ²Department of Radiotherapy, the First Affiliated Hospital of Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510080, Guangdong Province, China

Received:2018-11-24 Online:2019-04-08 Published:2019-04-08
Contact: Zhang Chao, Associate chief physician, Master’s supervisor, College of Biomedical Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510006, Guangdong Province, China
About author:Huang Jianwen, Master, Technician in charge, College of Biomedical Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510006, Guangdong Province, China; Department of Radiotherapy, the First Affiliated Hospital of Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510080, Guangdong Province, China

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

溶胀：是高分子聚合物在溶剂中体积发生膨胀的现象，是高分子材料特有的现象，其原因在于溶剂分子与高分子尺寸相差悬殊，分子运动速度相差很大，溶剂分子扩散速度较快，而高分子向溶剂中的扩散缓慢。因此高分子溶解时，首先是溶剂分子渗透进入高分子材料内部，使其体积增大，即溶胀。

回波幅值和首波幅值：回波幅值是探测器接收到的超声波探测回波的大小，而首波幅值是指探测器接收到的首至波的幅值，从回波幅值图中提取出来方便分析的，这将有效表征探测效果。

背景：超声耦合剂是超声无损成像中必不可少的媒介，而超声探头使用寿命和更换频率主要由内部的耦合剂水凝胶材料选择决定。现有的凝胶耦合剂配方存在缺陷，使用一段时间后容易造成探头表面凹陷的现象，影响超声成像质量。

目的：旨在优化凝胶耦合剂聚丙烯酰胺水凝胶的配方。

方法：通过改变合成条件中丙烯酰胺单体浓度、单体与N，N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂的比例等条件，优化聚丙烯酰胺水凝胶的放大合成工艺，探索影响其声学性质的因素，以期满足临床使用过程中的技术要求。

结果与结论：当丙烯酰胺单体质量浓度调整到70 g/L，单体与N，N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂质量比为7∶1时，聚丙烯酰胺水凝胶的状态最佳，所制得的聚丙烯酰胺溶胀率稳定、保水能力强、在受超声工作温度影响下体积变化小，并且其随超声频率变化的相对幅值也明显减小。结果说明，超声声源频率越高，聚丙烯酰胺水凝胶的声衰减系数越大；改变其单体浓度也会显著影响聚丙烯酰胺水凝胶的声学性质；利用这一点，可通过控制单体浓度配比，制得在最优浓度下表现出相对稳定声学性质且达到最优成像效果的耦合剂。

ORCID: 0000-0002-8684-4735(黄剑文)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 超声成像, 聚丙烯酰胺, 超声波谱分析, 声衰减系数, 生物材料

Abstract:

BACKGROUND: Ultrasonic coupling agent is indispensable in ultrasonic imaging. The service life and change frequency of the ultrasonic probe is determined by the internal coupling agent of the chosen hydrogel material. Due to defects in the existing gel-formula, after a period of time in use it can cause the surface depression of probes and thus influence the ultrasonic imaging quality.

OBJECTIVE: To optimize the gel formula of the coupling agent.

METHODS: The amplified synthesis process of polyacrylamide hydrogel was optimized by changing the ratio of monomer concentration to N,N-methylenebisacrylamide crosslinker in the synthesis conditions, and the factors influencing its acoustic properties were explored to meet the technical requirements in the clinical use process.

RESULTS AND CONCLUSION: When the monomer concentration was set to 70 g/L and the mass ratio of monomer to crosslinker was 7:1, the polyacrylamide hydrogel was in the best state. The obtained polyacrylamide hydrogel had a stable swelling rate, had a strong ability to keep water and make the volume reduce under the influence of the operating temperature of ultrasound, and its relative amplitude changed less with the change of ultrasonic frequency. The sound attenuation coefficient of polyacrylamide hydrogel would be higher when the frequency of ultrasonic sound source was higher. The changes of monomer concentration would have significant impacts on the acoustic properties of polyacrylamide hydrogel. Therefore, by controlling the monomer concentration ratio, we can prepare the coupling agent that exhibits relatively stable acoustic properties at an optimum concentration and achieves an optimal imaging effect.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Ultrasonography, Acrylamide, Tissue Engineering

中图分类号:

R445.1

R318.6

黄剑文，黄伯天，赵文斌，闵蒙真，李琨，李淑怡，王海亮，张超 . 超声耦合剂聚丙烯酰胺水凝胶的配比优化工艺及其声学性能表征[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(10): 1533-1539.

Huang Jianwen, Huang Botian, Zhao Wenbin, Min Mengzhen, Li Kun, Li Shuyi, Wang Hailiang, Zhang Chao. Polyacrylamide hydrogel, an ultrasonic coupling agent: optimization process and acoustic performance characterization[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(10): 1533-1539.

图/表（结果） 8

2.1 水凝胶溶胀率测试结果在完成50 mL水凝胶的合成后，对合成水凝胶的溶胀率进行了汇总。见表4。随着体积的增大，在单体与交联剂质量比例不变的情况下，溶胀率逐步增大，同时达到溶胀平衡所需时间逐渐增长，见图1。

2.2 聚丙烯酰胺水凝胶声学性质随单体与交联剂质量比的变化经过前期文献调研及搜集前人实验经验，用作超声耦合剂的聚丙烯酰胺水凝胶的单体质量浓度一般为 50 g/L^[20]，而交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺的含量对于胶体细微结构有较大影响，故实验第1部分的思路为控制单体比例为50 g/L，改变单体丙烯酰胺与交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺的比例，探究单体与交联剂比例对聚丙烯酰胺水凝胶声学性质的影响。

2.2.1 超声频率为5.0-6.0 MHz时水凝胶声学性质随单体与交联剂质量比的变化此组数据控制聚丙烯酰胺水凝胶的单体质量浓度为50 g/L，单体与交联剂的质量比为7∶1至18∶1，共12小组，每小组合成3个平行样。在频率为5.0-6.0 MHz的超声脉冲下，得到回波信号谱图见图2所示。而纯水的回波信号谱图见图3所示，其首波幅值为0.336 0。

将以上谱图中的首波幅值数据提取出来，求平均值，再与纯水的首波幅值相比得出相对幅值，见表5所示。

从表5中可以看到，除单体与交联剂比例为18∶1、17∶1、9∶1的聚丙烯酰胺水凝胶以外，其他比例的聚丙烯酰胺水凝胶在5.0-6.0 MHz下检测到的声学性能较好，相对幅值能达到0.7以上，数据集中于0.82-0.94之间。

2.2.2 超声频率为10 MHz时聚丙烯酰胺水凝胶声学性质随单体与交联剂质量比的变化此组数据控制聚丙烯酰胺水凝胶的单体质量浓度为5 0 g/L，单体与交联剂质量比为7∶1至15∶1，共12小组，每小组合成3个平行样。在频率为10 MHz的超声脉冲下，得到回波信号谱图见图4所示。而纯水的回波信号谱图见图5所示，其首波幅值为0.119 0。

将以上谱图中的首波幅值数据提取出来，求平均值，再与纯水的首波幅值相比得出相对幅值，如表6所示。

从表6可看出，以频率为10 MHz的超声脉冲作为声源，聚丙烯酰胺水凝胶(单体质量浓度为50 g/L)的相对幅值比以频率为5.0-6.0 MHz的超声脉冲作为声源时整体变小了，数据集中于0.79-0.92，且没有出现相对幅值大于1的情况。

2.3 聚丙烯酰胺水凝胶声学性质随单体质量浓度的变化此组数据控制聚丙烯酰胺水凝胶的单体质量浓度分别为50，60，70g/L，单体与交联剂的质量比为7∶1至9∶1，共9小组，每小组合成3个平行样，分别以5.0-6.0 MHz和10 MHz的频率去检测。其中由于仪器故障的原因，只有单体质量浓度为70 g/L、测量频率为5.0-6.0 MHz的3组数据测量成功，其余测量数据缺失。在频率为5.0- 6.0 MHz的超声脉冲下，单体质量浓度为70 g/L的聚丙烯酰胺水凝胶回波信号谱图，见图6所示。

将以上谱图中的首波幅值数据提取出来，求平均值，再与纯水的首波幅值相比得出相对幅值，如表7所示。

从表7可看出，当单体质量浓度提高到70 g/L时，相对幅值明显降低，为等比例的单体质量浓度为50 g/L聚丙烯酰胺水凝胶相对幅值的10%左右。考虑到检测频率为 10 MHz时，纯水的首波幅值也较频率为5.0-6.0 MHz时减小，故可得知单体质量浓度对聚丙烯酰胺水凝胶的声学性质影响非常大。

综合分析以上所有实验数据，以交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺的含量为横坐标，聚丙烯酰胺水凝胶的相对幅值为纵坐标作图，得到图7。可以看出，尽管其相对幅值与单与交联剂的质量比无明显关联，但与检测超声信号的主频率有较强的相关性，体现为：聚丙烯酰胺水凝胶(单体质量浓度为50 g/L)在频率为5.0-6.0 MHz和10 MHz声源下检测到的相对幅值变化曲线趋势基本一致，表明在超声声源频率越高的情况下，聚丙烯酰胺水凝胶的声衰减系数更大。改变单体质量浓度对聚丙烯酰胺水凝胶声学性质的影响表现得更为显著，体现为：将单体浓度调整到70 g/L时，其相对幅值明显减小。因而在该比例下所制得的聚丙烯酰胺水凝胶为最佳使用状态。

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引言

超声成像技术具有无损伤、无电离辐射、操作相对简便、成本较低、无污染、实时成像等众多优点，被广泛应用于眼科^[1]、消化系统^[2]、泌尿系统^[3]、妇产科及心血管系统的检查诊断中^[4-5]，是目前临床上应用最为广泛的医学成像诊断手段之一^[6]。超声探头是医学超声成像系统中最为关键的声学部件，在其进行工作时，为了获得高质量的超声图像，需要在探头与人体接触点之间填充耦合剂，以减小空气对超声穿透的影响及探头与人体皮肤之间的声阻抗差，减小超声能量在此界面的反射损失，同时也为了方便探头与人体皮肤贴合紧密、温和，便于探头的移动探查^[7]。因而超声探头的使用寿命及成像质量将显著受超声耦合剂的影响。超声耦合剂材料应达到以下几点要求^[8]：①与人体组织的声特性、阻抗相近，以减少反射损失；②声衰减系数小，不易降低信噪比，便于接收弱回波信号；③与人体组织声速相近，确保超声波束形状不失真；④具有热稳定性，能保持长期工作时性质稳定；⑤具有声透射和电绝缘能力；⑥成分中不包含硅油、矿物油及其他导致硅橡胶溶胀和损坏的物质，以保护超声探头的声透镜；⑦无毒、无腐蚀性、无强酸强碱性，防止工作过程对人体造成意外损失。基于以上的要求，琼脂、硅树脂、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、卡拉胶、海藻酸钠、羟乙基纤维素等材料都被列入超声耦合剂的研究中^[9]，其中聚丙烯酰胺具有无毒、无腐蚀性等特点，具有良好水溶性^[10]，通过接枝或交联容易得到聚丙烯酰胺的多种化合物^[11]，更具优化的灵活性。前人在这方面进行了大量研究。Zell等^[12]通过使用5 MHz和10 MHz的超声源对琼脂、硅树脂、聚丙烯醇和聚丙烯酰胺凝胶进行声学特性测试，发现琼脂、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺凝胶的声学特性与人体较为接近(以人体皮肤和乳腺组织作为对比)，而有机硅聚合物中的声速较人体组织低，声衰减速度高，不宜用于制备超声耦合剂。Kumar等^[13]制备了加入30 g/L TiO₂粒子的聚丙烯酰胺凝胶，其中的TiO₂粒子用于接收声特性测试中的回声，实验发现8%聚丙烯酰胺的声性能(包括声速、声衰减、声阻抗等)、弹性模量与人体组织相近。Park等^[1^，^4]在制备聚丙烯酰胺时添加40%玉米糖浆，以调整凝胶衰减系数接近生物组织。Park等^[15]研究0.7%琼脂在高强度聚焦超声中的作用。Kandadai等^[16]因为明胶、琼脂和聚丙烯酰胺的可塑性和电导率容易改变，将其作为大脑凝胶超声体模进行电导率测定比较。从以上研究可发现，聚丙烯酰胺在超声耦合剂中具有良好的性能，便于进行优化^[17]。

实验通过改变合成条件中单体浓度、单体与交联剂的比例等条件来优化聚丙烯酰胺水凝胶的放大合成工艺，探索影响其声学性质的因素，以期满足临床使用过程中的技术要求。实验还以纯水作为参照物，利用超声波谱分析法检测了组分比例改变时，聚丙烯酰胺水凝胶的回波信号首波幅值改变。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计探索性研究。

1.2 时间及地点实验于2018年4月25日至6月1日在中山大学工学院完成。

1.3 材料

实验主要试剂：无水乙醇(广州化学试剂厂)；丙烯酰胺(天津市大茂化学试剂厂)；N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(上海麦克林生物科技公司)；过硫酸钾(广州化学试剂厂)；1，2-丙二醇(广州化学试剂厂)；四甲基乙二胺(上海麦克林生物科技公司)。所有化学试剂均为分析级，实验用水为Milli-Q去离子水(Millipore公司)。

实验主要仪器与设备：纯水系统(Mill-Q Advantages A10 System，Millipore)；真空干燥箱(DZF-6020，上海一恒科学仪器有限公司)；涡旋振荡器(Vortex-Genie 2T，Scientific Industries)；电子天平(BSA2245-CW，Sartorius)；医用冷藏柜(YC-950L，中科美菱低温科技有限公司)；电热鼓风恒温干燥箱(DHG-9146A，上海精宏实验设备有限公司)；超声脉冲发生/接收器(Model 55077PR，Olympus)；超声前置放大器(NDT，Olympus)；示波器[MSO7054B，安捷伦科技(中国)有限公司]，万能材料试验机(LR10K PLUS，Lloyd)；真空冷冻冻干机(LGJ-10，北京松源华兴科技发展有限公司)。

1.4 实验方法

1.4.1 聚丙烯酰胺水凝胶的合成及优化实验选用丙烯酰胺单体作为主体合成原料，以 N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，以过硫酸钾和四甲基乙二胺为一对氧化还原引发剂，以1，2-丙二醇为基础溶剂，通过水溶液聚合法来制备聚丙烯酰胺水凝胶，最后通过超声回波信号的测定与分析探究最优的单体浓度及单体与交联剂比例等实验条件。由于医学超声诊断中常用频率为0.8-15 MHz，而其中最常用的频率范围为2.5-10 MHz，故实验中选用5.0-6.0 MHz 及10 MHz的超声信号作为声源。此次实验探索合成配比，见表1，探究中的变化参量主要有单体质量浓度和单体与交联剂的比例，每个比例设置3个平行组，主要探究不同单体质量浓度下的单体与交联剂比例制备出来的耦合剂情况，进而比较最佳的单体质量浓度及最佳的单体与交联剂比例。

以制备丙烯酰胺单体质量浓度为50 g/L，丙烯酰胺与交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为7∶1，体积为50 mL的PAM水凝胶为例，控制丙烯酰胺与四甲基乙二胺的比例为3.8 g/L，丙烯酰胺与过硫酸钠的比例为100∶1，合成步骤如下。

溶液配制：配制基础溶液—50 g/L的保湿剂溶液，用20 mL量筒量取12.5 mL 1，2-丙二醇(保湿剂D)，然后用250 mL容量瓶和纯水配置250 mL溶液，定容后备用。配制含四甲基乙二胺的丙烯酰胺溶液，用电子天平称取2.5 g丙烯酰胺(单体A)于50 mL离心管内，加入30 mL基础溶液，摇匀；然后用移液枪向溶液内加入66 µL四甲基乙二胺(促进剂D)，摇匀。配置交联剂溶液，称取0.375 g N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂B)溶于5 mL无水乙醇中，振荡摇匀(优化时制备聚丙烯酰胺水凝胶单体与交联剂比例，见表2)。配置引发剂溶液，称取0.025 g过硫酸钾(引发剂C)于50 mL离心管内，加入15 mL保湿剂溶液，摇匀。

制备聚丙烯酰胺水凝胶：将B和C溶液混合于50 mL离心管中，混合摇匀；接着将B和C的混合溶液及配置好的A溶液用滤纸封好，放入真空干燥箱中常温抽气20 min；抽气完后，向B\C混合液中加入A溶液，混合摇匀；将最终混合液用保鲜膜封好，然后放入40 ℃真空干燥箱内反应3 h。

经过预实验探索(通过逐步放大的制备工艺，在摸索中逐步改进实验方法，制备了200 μL、2 mL、5 mL、10 mL、15 mL、20 mL、30 mL、50 mL 8种体积的聚丙烯酰胺水凝胶，并在制备后对其进行溶胀率测定)，对以上合成方案做出以下合成步骤优化：①由于单体能够迅速溶于保湿剂溶液中，而N，N-亚甲基双丙烯酰胺较难溶于无水乙醇中，故将A液体积调整为20 mL，B液体积调整为15 mL；②由于制备的聚丙烯酰胺水凝胶体积较大，采用真空干燥箱脱气的方式效率低、用时长，故改为超声水浴20 min进行脱气处理；③对于固体难以溶解的情况，采用超声水浴、摇振器来加速溶解；④通常合成好的聚丙烯酰胺水凝胶在管壁处有少量气泡，可通过振荡消除，以免影响声学性质的测定。

1.4.2 超声回波信号的收集与分析方法采用超声波谱分析法进行测试，由于医学超声诊断中常用频率为0.8- 15 MHz^[18]，而其中最常用的频率范围为2.5-10 MHz，故实验选用5.0-6.0 MHz及10 MHz的超声信号作为声源。实验中Model 5077 PR参数设定如表3所示。超声前置放大器可与超声探伤仪、测厚仪、声学发射仪器一起使用^[19]，对超声信号进行放大。

1.5 主要观察指标检测中为了将探头接收到的超声回波信号精确地、实时地采集出来，实验中采用了安捷特公司生产的 MSO7054B 型数字储存示波器，数据处理方法上，将收集到的超声回波信号以Origin 2016为平台作图，提取首波振幅数据，取3个平行样的数据进行平均处理。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

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