制备表面图案化的聚丙烯酰胺-丙烯酸水凝胶

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2230

中国组织工程研究 ›› 2020, Vol. 24 ›› Issue (10): 1553-1556.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2230

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制备表面图案化的聚丙烯酰胺-丙烯酸水凝胶

李淑华¹，李美兰²

¹江苏工程职业技术学院，江苏省南通市 226007；²南通大学医学院，江苏省南通市 226000

收稿日期:2019-05-13 修回日期:2019-05-29 接受日期:2019-07-15 出版日期:2020-04-08 发布日期:2020-02-15
作者简介:李淑华，女，1966年生，江苏省南通市人，汉族，副教授，硕士，主要从事高分子材料改性和制备研究。
基金资助:
江苏省先进纺织工程技术中心科研立项项目(XJFZ/2015/9)

Preparation of the surface patterned polyacrylamide-acrylic hydrogel

Li Shuhua¹, Li Meilan²

¹Jiangsu Engineering College, Nantong 226007, Jiangsu Province, China; ²Medical College of Nantong University, Nantong 226000, Jiangsu Province, China

Received:2019-05-13 Revised:2019-05-29 Accepted:2019-07-15 Online:2020-04-08 Published:2020-02-15
About author:Li Shuhua, Master, Associate professor, Jiangsu Engineering College, Nantong 226007, Jiangsu Province, China
Supported by:
the Advanced Textile Engineering Technology Center Project of Jiangsu Province, No. XJFZ/2015/9

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
水凝胶图案化：将印章带有图案的一面朝上，另一面用双面胶紧贴多孔板单孔的中心，用手指压紧以防止在加热过程中印章漂浮，这样水凝胶可以很好地将印章覆盖，不会出现水凝胶中间产生空洞的现象，使水凝胶很好图案化。
聚丙烯酰胺-丙烯酸水凝胶：聚丙烯酰胺水凝胶具备良好的生物相容性，但力学性能较差。通过微模塑图形化压印制备具有特殊尺寸的聚丙烯酰胺-丙烯酸水凝胶，依次将不同体积的聚丙烯酰胺溶液、丙烯酸与过硫酸铵溶液混合进行了6组实验研究。随着丙烯酸比例的不断增加，水凝胶的力学性能逐渐增强，当丙烯酸含量最多时即聚丙烯酰胺体积为0.9 mL时应力为30 MPa，应变最大为0.023%。

背景：聚丙烯酰胺水凝胶具备良好的生物相容性，但力学性能较差，影响了其在生物材料领域的应用。

目的：通过微模塑图形化压印制备具有特殊尺寸的聚丙烯酰胺-丙烯酸水凝胶。

方法：依次将不同体积的聚丙烯酰胺溶液、丙烯酸与过硫酸铵溶液混合，加入含有微模塑图形化印章的孔板中，制备聚丙烯酰胺-丙烯酸水凝胶：A组聚丙烯酰胺溶液1.4 mL，丙烯酸0.1 mL；B组聚丙烯酰胺溶液1.3 mL，丙烯酸0.2 mL；C组聚丙烯酰胺溶液1.2 mL，丙烯酸0.3 mL；D组聚丙烯酰胺溶液1.1 mL，丙烯酸0.4 mL；E组聚丙烯酰胺溶液1.0 mL，丙烯酸0.5 mL；F组聚丙烯酰胺溶液0.9 mL，丙烯酸0.6 mL。6组过硫酸铵溶液均为50 µL。光镜下观察水凝胶的图案化结构，电子万能试验机检测水凝胶的力学性能。

结果与结论：光镜显示各组水凝胶表面的条纹清晰可见；丙烯酸的加入有效改良了水凝胶的力学性能，随着丙烯酸比例的不断增加，水凝胶的力学性能逐渐增强。结果表明，聚丙烯酸-丙烯酰胺水凝胶具有良好的力学性能，有望在组织工程损伤修复领域具有良好的应用前景。

ORCID: 0000-0001-7773-7930(李淑华)

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: 表面图案化, 聚丙烯酰胺, 丙烯酸, 水凝胶, 力学性能, 组织工程, 生物材料, 制备

Abstract:

BACKGROUND: Polyacrylamide hydrogels have good biocompatibility, but their mechanical properties are poor, which affect their application in the field of biomaterials.

OBJECTIVE: To prepare the polyacrylamide-acrylic hydrogels with a particular size by micromolding graphical imprinting.

METHODS: Polyacrylamide-acrylic hydrogel was prepared by sequentially mixing different volumes of polyacrylamide solution, acrylic acid and ammonium persulfate solution into an orifice plate containing a micromolded patterned seal. Group A: polyacrylamide solution 1.4 mL, acrylic acid 0.1 mL; group B: polyacrylamide solution 1.3 mL, acrylic acid 0.2 mL; group C: polyacrylamide solution 1.2 mL, acrylic acid 0.3 mL; group D: polyacrylamide solution 1.1 mL, acrylic acid 0.4 mL; group E: polyacrylamide solution 1.0 mL, acrylic acid 0.5 mL; group F: polyacrylamide solution 0.9 mL, acrylic acid 0.6 mL. Six groups of ammonium persulfate solution were all 50 μL. The patterned structure of the hydrogel was observed under a light microscope. The mechanical properties of the hydrogel were examined by an electronic universal testing machine.

RESULTS AND CONCLUSION: Light microscope showed that the stripes on the surface of each group of hydrogels were clearly visible. The addition of acrylic acid effectively improved the mechanical properties of hydrogels. As the proportion of acrylic acid increased, the mechanical properties of hydrogels gradually increased. These results suggest that polyacrylic acid/acrylamide hydrogel has good mechanical properties and is expected to have good application prospects in the field of tissue engineering damage repair.

Key words:

"> surface patterned, polyacrylamide, acrylic acid, hydrogel, mechanical property, tissue engineering, biomaterials, preparation

中图分类号:

李淑华, 李美兰. 制备表面图案化的聚丙烯酰胺-丙烯酸水凝胶[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(10): 1553-1556.

Li Shuhua, Li Meilan. Preparation of the surface patterned polyacrylamide-acrylic hydrogel[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2020, 24(10): 1553-1556.

图/表（结果） 3

2.1 复合水凝胶的图案化结构观察结果在聚丙烯酰胺溶液中加入不同体积的丙烯酸，在加入引发剂(过硫酸铵)之后充分混合均匀，加入含有微模塑图形化印章的制胶孔板中，并设置对照组(加入等量的水)，放入真空干燥箱55 ℃平衡40 min制备得到复合水凝胶。水凝胶的图案化需要借助光镜观察，见图1所示，水凝胶表面的条纹清晰可见。

在实验初期，印章的使用方法定为将带有图案的一面倒扣至多孔板上，并用胶带将印章固定在孔板上，但由于印章的疏水性质，丙烯酸、聚丙烯酰胺、过硫酸铵混合液并没有流进孔板与印章之间的缝隙，水凝胶没有得到有效的图案化。这主要是由于印章的疏水结构，在加热过程中丙烯酸、聚丙烯酰胺、过硫酸铵的混合液会自动疏离印章上带有图案的地方，这样在水凝胶成胶之后会出现“空心”的现象。之后将印章带有图案的一面朝上，另一面用双面胶紧贴多孔板单孔的中心，用手指压紧以防止在加热过程中印章漂浮，这样水凝胶可以很好地将印章覆盖，不会出现水凝胶中间产生空洞的现象，使水凝胶很好的图案化。

在加热过程中丙烯酸由于遇水蒸气而放热，导致还未成胶的混合液产生大量气泡，而在产生气泡的过程中水凝胶也在不断地成胶凝固，这时产生的气泡便会残留在成型的水凝胶中，气泡的残留对水凝胶的图案化产生了很大影响，因此此次实验对此采取的措施是：在加热过程中对其进行抽真空处理，选择的时段是在将要开始产生气泡的时间点，大约在开始加热后的20 min。抽真空时将多孔板的板盖去掉，之后开始抽真空，重复3次抽真空后将多孔板的盖子盖回原处，这样处理过，水凝胶中的气泡大幅减少。

水凝胶在加热过程中，加热时间越长水蒸气在多孔板的盖子上凝结的越多，以至于水滴滴落造成丙烯酸放热，使孔板变形。加热温度是影响水凝胶成型时长的因素之一，加热温度越高水蒸气蒸发越快，水滴就会越多。第二个因素是交联剂(过硫酸铵)的浓度，交联剂浓度越高成胶的速度则越快。根据以上2点，此次实验对传统水凝胶的制备方法加以改进，将加热温度确定为55 ℃，将交联剂(过硫酸铵)的用量确定为50 μL。

2.2 复合水凝胶的力学性能检测结果为了测试加入不同体积丙烯酸是否能够改变生物材料的弹性模量，对6种加入不同体积丙烯酸的水凝胶进行了力学分析，在对样品施加相同应力时，不同水凝胶所产生的应变是不同的，其中所表现出的不同正好可以反映出不同水凝胶的力学性能的强弱；当应力不断增加时，样品会发生变形直至断裂，见图2。

结果显示丙烯酸的加入有效提高了水凝胶的力学性能，在应力不断增大的情况下，丙烯酸含量越高的水凝胶其应变越大。当A-F组的应力分别为20，30，35，40，50，55 MPa时出现波峰，对应的波峰应变力分别为0.023%，0.017%，0.016%，0.015%，0.014%，0.009%。由图2可以观察到，当丙烯酸含量最多时即聚丙烯酰胺体积为0.9 mL时，凝胶应力为30 MPa，应变最大为0.023%。波峰最高说明相较而言其力学性能最好，其对应的水凝胶是此次实验中丙烯酸含量最多的水凝胶；而波峰最低则说明相较而言其力学性能最差，其对应的水凝胶是此次实验中丙烯酸含量最少的水凝胶。其余波峰呈逐渐下降趋势，对应的水凝胶丙烯酸含量也逐渐下降。由此可以得出，丙烯酸的加入有效改良了水凝胶的力学性能，随着丙烯酸比例的不断增加，水凝胶的力学性能也逐渐增强，与预计的实验结果一致。

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引言

组织缺损或损伤是常见临床病症，目前临床上治疗主要采用传统的自体组织进行修复，但是供移植用的自体组织来源有限成本很高、移植后容易产生新的创伤、组织结构或尺寸不能匹配等原因，导致自体移植在实际应用中有很大的局限性^[1-4]。融合了工程学和生命科学原理的组织工程产品，不仅能够有效改善患者治疗效果，而且能够降低护理成本^[5-8]。近年来用于组织工程修复的生物材料的研究不断增加，比如壳聚糖、碳纳米管、胶原蛋白等。

近年来水凝胶材料因其良好的生物相容性而备受瞩目，这种材料的结构稳定类似于人体组织^[9-13]，被逐渐应用于生物材料领域。水凝胶由于其独特的自身性质常被用来制作组织再生的支架，也可用作细胞运载的工具，因此被广泛应用于医疗和药学领域^[14-18]。水凝胶可分为天然水凝胶和合成水凝胶2种类型，天然的亲水性高分子包括多糖类(淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸、壳聚糖等)和多肽类(胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等)2种类型。合成的亲水高分子包括聚乙烯醇、丙烯酸及其衍生物类(聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚N-聚代丙烯酰胺等)^[19-22]，其中丙烯酰胺是较早应用于生物材料的水凝胶，具有生物相容性好、易于制备等优点，但是聚丙烯酰胺水凝胶的力学性能较差，影响了其在生物材料领域的应用^[23-26]。实验拟通过加入丙烯酸来改变聚丙烯酰胺水凝胶力学性能，提高其抗拉抗压的性能。

生物材料的表面性能影响着组织再生的效果。研究者为制备出更加适合临床应用的生物材料而做出了许多努力，比如多种物质的复合是否能制作出更有利于组织再生的生物材料^[27-29]，或是研究生物材料的表面性能是否会对组织再生有影响^[30-31]。BENOIT等^[32-33]通过改变材料表面的物理和表面性质实现了间充质干细胞向骨、软骨和脂肪的不同分化；REHMANN等^[34-35]利用多肽修饰改变水凝胶基质材料的化学与物理性能，也能够改变在其中培养间充质干细胞的分化状态。实验拟通过微模塑图形化压印制备具有特殊尺寸的聚丙烯酰胺-聚丙烯酸水凝胶。

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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