杨明成， 陈 阳， 张本尚， 张秋霞， 刘树博， 郭文慧

(1. 河南省科学院 同位素研究所有限责任公司， 河南省辐射新材料工程技术研究中心， 郑州 450015； 2. 河南省眼健康产品工程技术研究中心， 郑州 450003)

水凝胶是一种可吸收和保持大量水分的三维交联聚合物网络， 自Wichterle等[1]首次报道以来， 水凝胶材料已引起人们广泛关注， 在组织工程支架、药物输送系统、软性接触镜、防污涂层 、传感器、执行器、软机器人、废水处理和伤口敷料等领域应用广泛[2-13].

聚乙烯醇(PVA)作为一种亲水性可生物降解的聚合物， 由于其优异的生物相容性和对温度变化的稳定性以及对活体组织和细胞的无毒性， 因此广泛用于水凝胶的制备[14-17]. 聚砜(PSF)是一种性能优异的商品化聚合物， 具有热稳定性高、耐水解、无毒、耐辐射及生物相容性良好等特点. 但PSF在水中基本不溶解， 需要溶解在水溶性的有机溶剂中, 与PVA水溶液混合后在其他辅助试剂存在的条件下制备PSF/PVA水凝胶， 但有生物毒性的有机溶剂和辅助试剂易残留在水凝胶中， 难以除去. Muya等[18]将PSF溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中， 搅拌条件下加入PVA粉末和戊二醛交联剂溶液， 在盐酸作为催化剂75 ℃条件下反应3 h， 并在室温下保存10 d完成交联反应， 制备了PSF/PVA水凝胶， 但制备过程中使用了DMF和交联剂， 后续难以处理. Mbambisa等[19]在盐酸和N-羟基丁二酰亚胺(NHS)存在的条件下合成了PSF/PVA水凝胶， 该方法制备水凝胶也残留有机溶剂和NHS. 与常规方法相比, 辐射法制备水凝胶无需使用具有生物毒性的引发剂、交联剂或其他辅助试剂， 可简化制备工艺和降低成本， 并可得到相对纯净的水凝胶[20-23].

为解决PSF/PVA复合水凝胶制备过程中使用有机溶剂(如DMF)和其他助剂(交联剂和催化剂等)的残留问题， 本文研究了季铵盐聚砜和聚乙烯醇(QAPSF/PVA)水凝胶的制备方法及性能， 以PSF为原料制备高取代度的氯甲基化聚砜(CMPSF)， 并与三甲胺水溶液反应， 经透析、冷冻干燥得到水溶性的QAPSF固体； 将QAPSF和PVA的水溶液混合均匀后， 经60Co γ射线， 制备QAPSF/PVA水凝胶； 将水凝胶浸泡单宁酸(TA)后， 得到了季铵盐聚砜/聚乙烯醇/单宁酸(QAPSF/PVA/TA)水凝胶； 为研究QAPSF/PVA/TA水凝胶中的氢键相互作用， 采用美国Accelrys公司的Materials Studio (MS) 7.0模拟软件， 以COMPASS(condensed-phase optimized molecular potentials for atomistic simulation studies)为力场， 各组分的最小重复单元为基础建模， 对QAPSF/PVA/TA水凝胶中分子间的氢键相互作用进行模拟计算.

1 实 验

1.1 试剂与仪器

聚乙烯醇(PVA， 聚合度1 750±50)， 天津大茂化学试剂厂； 单宁酸(TA)， 分析纯， 天津大茂化学试剂厂； 聚砜(PS-3500LCD， MW=77 000)， 苏威特种聚合物公司； 三甲胺(体积分数为30%水溶液)， 国药集团化学试剂有限公司； 无水乙醇， 分析纯， 天津大茂化学试剂厂； 大肠杆菌ATCC 25922、金黄色葡萄球菌ATCC 25923， 美国典型培养物保藏中心.

核磁共振波谱仪Agilent-NMR-vnmrs 400型(美国安捷伦公司)；60Co 辐射源活度7.4×1015Bq(中核同兴(北京)核技术有限责任公司)； 万能试验机AGS-X-5KN型(日本岛津公司)； Fourier变换红外光谱仪Nicolet iS10型(美国赛默飞世尔科技公司)； 热重-差热联用热分析仪SDT-Q600型(美国TA公司)； 紫外-可见分光光度计(北京莱伯泰科仪器有限公司)； 电子扫描显微镜JSM-7001F型(日本电子株式会社).

1.2 水溶性季铵盐聚砜及水凝胶样品的制备

参考文献[24] 制备高取代度的氯甲基化聚砜. 在氮气氛围下将100 g聚砜溶于5 000 mL无水氯仿中， 搅拌下依次加入多聚甲醛90 g、三甲基氯硅烷500 mL和无水四氯化锡8 mL， 加热至50 ℃， 用核磁共振氢谱(1H NMR)检测跟踪反应， 当氯甲基化取代度大于1.5时， 停止反应， 将反应液倒入大量乙醇中沉淀析出， 过滤、干燥. 取一定量高取代度的氯甲基化聚砜和100 mL体积分数为15%的三甲胺水溶液放入反应瓶中， 40 ℃下搅拌24 h得到季铵盐聚砜， 减压除去大部分三甲胺， 经截留分子量为1 000的透析袋透析除去残留的三甲胺， 最后冷冻干燥得到白色的季铵盐聚砜固体.

称取10 g PVA于70 mL纯水中， 90 °C下搅拌至完全溶解得到透明的PVA水溶液， 降温至60 ℃， 加入质量分数为10%的QAPSF水溶液20 g， 搅拌均匀倒入30 mm×20 mm×2 mm的玻璃模具中， 置于真空干燥箱中抽真空， 并设置温度为70 ℃， 静置消除气泡； 在辐射剂量率为3.09 kGy/h处， 室温下经60Co辐射源辐射后即可得到透明的QAPSF/PVA水凝胶.

将QAPSF/PVA水凝胶浸泡在纯水和不同质量分数(0.1%,0.2%,0.3%，0.4%)的单宁酸溶液中至溶胀平衡， 得到QAPSF/PVA/TA水凝胶.

1.3 测试及表征

1.3.1 取代度的测定

氯甲基化聚砜的取代度可通过1H NMR中相应的积分面积计算， 取代度的计算公式为

(1)

其中DS为取代度,SB为氯甲基中质子峰的积分面积,SA为聚砜骨架中甲基质子峰的积分面积.

1.3.2溶胀性能

将一定质量的QAPSF/PVA水凝胶分别在纯水和不同质量分数的(0.1%，0.2%，0.3%，0.4%)TA溶液中浸泡24 h， 每隔一段时间将水凝胶取出， 用湿滤纸擦干其表面水分进行称质量， 记为Wt. 水凝胶溶胀度的计算公式为

(2)

其中SD为溶胀度(%),W0为水凝胶浸泡前的质量(g),Wt为水凝胶在纯水和TA溶液中浸泡后的质量(g).

1.3.3 透明性测试

将QAPSF/PVA/TA水凝胶剪为4 mm×15 mm的长条状样品， 置于比色皿中， 用紫外-可见分光光度计测试其透明性.

1.3.4 力学性能测试

拉伸性能测试. 将QAPSF/PVA/TA水凝胶剪为哑铃形样条， 用万能实验机测试其拉伸性能， 拉伸速率50 mm/min， 样条有效尺寸为30 mm×4 mm×2 mm， 5个样品一组.

压缩性能测试. 将QAPSF/PVA/TA水凝胶剪为圆柱形， 用万能试验机测试其压缩性能， 压缩速率1 mm/min， 样品直径为16 mm， 厚度2 mm， 5个样品一组.

1.3.5 扫描电子显微镜(SEM)表征

将冷冻干燥后的QAPSF/PVA/TA水凝胶样品在液氮中脆断， 对断面喷金处理后， 用扫描电子显微镜(SEM)表征断面形貌.

1.3.6 抑菌性测试

按GB 15979-52002中附录C有关非溶出性抗(抑)菌产品抑菌性能试验方法进行测试.

将0.75 g样品置于250 mL的三角烧瓶中， 分别加入70 mL PBS和5 mL菌悬液， 使菌悬液在PBS中的浓度为1×104～9×104cfu/mL(cfu为菌落数). 将三角烧瓶固定于振荡摇床上， 以300 r/min振摇1 h. 取0.5 mL振摇后的样液和用PBS作适当稀释后的样液， 以琼脂倾注法接种平皿， 进行菌落计数. 同时设对照样片组和不加样片组， 对照样片组的对照样片与被试样片大小相同但不含抗菌成分， 其他操作程序与被试样片组均相同， 不加样片组分别取5 mL菌悬液和70 mL PBS加入同一250 mL三角烧瓶中， 混匀， 分别于0时刻和振荡1 h后， 各取0.5 mL菌悬液与PBS的混合液做适当稀释， 然后进行菌落计数. 重复实验3次， 按

(3)

计算抑菌率， 其中X为抑菌率(%)，A为被试样品振荡前的平均菌落数，B为被试样品振荡后的平均菌落数. 被测试样品与对照样品抑菌率的差值X>26%， 可判定被测试样品具有抑(抗)菌性.

2 结果与讨论

2.1 反应时间对CMPSF取代度的影响

提高季铵盐抑菌官能团在高分子链上的密度可提高聚砜高分子材料的抑菌性， 在物料比一定的条件下， 可通过延长反应时间得到取代度高的CMPSF. 表1为反应时间对CMPSF取代度的影响. 由表1 可见， 随着反应时间的增加， 取代度DS逐渐增加， 当反应时间为72 h时， DS达到最大1.6； 继续增加反应时间， DS基本无变化， 无法达到DS=2的最大理论取代度， 反而增加了氯甲基聚砜分子链之间或分子链内部发生聚合反应的几率， 反应液略微浑浊， 导致后续制备季铵盐聚砜的水溶性变差. 因此， 在上述物料比一定的条件下， 最佳反应时间为72 h. 反应结束后与三甲胺水溶液反应， 经透析、冷冻干燥得白色季铵盐聚砜固体. 图1为QAPSF的1H NMR谱. 由图1可见， 苯环上的质子峰在化学位移δ=7.87～6.83出现； 与N相连的亚甲基即氯甲基中的质子峰在化学位移δ=4.5附近裂分为两个峰； 当氯甲基取代度大于1时， 季铵化后可能因为空间位阻或其他原子的影响， 使得与N相连的亚甲基中的质子裂分为左右不对称的双峰； 与N相连的—CH3中质子峰在化学位移δ=3.14～3.04出现； 聚砜骨架中双酚A中—CH3的质子峰化学位移δ=1.70.

表1 反应时间对CMPSF取代度的影响

图1 QAPSF的1H NMR 谱Fig.1 1H NMR spectrum of QAPSF

2.2 吸收剂量对QAPSF/PVA水凝胶的影响

图2 吸收剂量对QAPSF/PVA水凝胶拉伸模量的影响Fig.2 Effect of absorbed dose on tensile modulus of QAPSF/PVA hydrogels

图2 为吸收剂量对QAPSF/PVA水凝胶拉伸模量的影响. 由图2可见， 吸收剂量为30 kGy和40 kGy得到QAPSF/PVA水凝胶的拉伸强度基本一致， 因此选择吸收剂量为30 kGy. TA与聚乙烯醇可形成较强的氢键[25-29]， 因此， 将QAPSF/PVA水凝胶浸泡在TA溶液中， 有助于在水凝胶中形成氢键以提高其拉伸强度， 并可作为缓释的抑菌剂提高水凝胶的抑菌性能.

2.3 TA对QAPSF/PVA水凝胶的拉伸和压缩性能影响

图3为TA溶液的质量分数对QAPSF/PVA水凝胶拉伸性能的影响. 由图3可见， QAPSF/PVA水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率均随TA质量分数的增加呈先增大后减小的趋势， 且在w(TA)=0.2%时达到最大， 分别为129.1 kPa和177.6%， 与浸泡在纯水中的水凝胶(28.3 kPa和80.9%)相比， 在w(TA)=0.2%溶液浸泡后的水凝胶拉伸强度和断裂伸长率分别提高了4.6倍和2.2倍.

图3 不同质量分数的TA溶液对QAPSF/PVA水凝胶拉伸性能的影响Fig.3 Effect of TA solution with different mass fraction on tensile properties of QAPSF/PVA hydrogels

图4为不同质量分数TA溶液对QAPSF/PVA水凝胶压缩性能的影响. 由图4可见， QAPSF/PVA水凝胶的压缩模量随TA质量分数的增加呈先增大后减小的趋势. 当w(TA)=0.2%时， QAPSF/PVA水凝胶的压缩模量达0.49 MPa， 是纯水中浸泡水凝胶(0.39 MPa)的1.3倍.

图4 不同质量分数的TA溶液对QAPSF/PVA水凝胶压缩性能的影响Fig.4 Effect of TA solution with different mass fraction on compression properties of QAPSF/PVA hydrogels

由图3和图4可见， QAPSF/PVA水凝胶经适当质量分数TA溶液浸泡处理后， 其拉伸性能和压缩性能均得到了提高. 其原因可能是当QAPSF/PVA水凝胶浸泡在较低质量分数的TA溶液中时， 少量的TA分子随水分子进入水凝胶的网络结构中， TA分子中的羟基可与水分子、TA分子和PVA分子链上的羟基形成较强的氢键相互作用， 导致QAPSF/PVA水凝胶的拉伸性能和压缩性能提升. 随着TA溶液质量分数的增加， 由于TA分子与QAPSF/PVA水凝胶体系形成了较强的氢键相互作用， 不仅阻碍了水分子和TA分子进一步向水凝胶网络渗透， 而且有可能导致水凝胶网络失水， 因此当TA溶液的质量分数增大到一定程度后， QAPSF/PVA水凝胶的拉伸性能和压缩性能将随TA溶液质量分数的增大而下降.

2.4 QAPSF/PVA/TA水凝胶的溶胀性能

图5为室温下不同质量分数的TA溶液对QAPSF/PVA水凝胶溶胀性能的影响. 其中， 图5(A)为浸泡在不同质量分数的TA溶液中QAPSF/PVA水凝胶的溶胀动力学曲线； 图5(B)为QAPSF/PVA水凝胶浸泡在不同质量分数的TA溶液中， 浸泡时间为24 h时溶胀度的变化曲线. 由图5(A)可见， 在纯水和TA溶液中， QAPSF/PVA水凝胶在达到溶胀平衡前其质量均随浸泡时间的增加而增加. 在纯水中， QAPSF/PVA水凝胶达到溶胀平衡的时间约为16 h； 在TA溶液中， QAPSF/PVA水凝胶达到溶胀平衡的时间约为12 h. 由图5(B)可见， QAPSF/PVA水凝胶达到溶胀平衡时其平衡溶胀度随TA溶液质量分数的增加而显著减少. 其原因可能是当QAPSF/PVA水凝胶浸泡于TA溶液时， TA分子链上的羟基与水分子、TA分子和PVA分子链上的羟基形成较强的氢键相互作用， 导致QAPSF/PVA水凝胶的质量增加. 随着溶胀时间的增加， TA分子与QAPSF/PVA水凝胶体系形成的氢键相互作用阻碍了水分子和TA分子进一步向水凝胶网络渗透， 导致QAPSF/PVA水凝胶达到溶胀平衡的时间缩短且质量减小.

图5 不同质量分数的TA溶液对QAPSF/PVA水凝胶溶胀性能的影响Fig.5 Effect of TA solution with different mass fraction on swelling properties of QAPSF/PVA hydrogels

2.5 QAPSF/PVA/TA水凝胶紫外-可见光吸收光谱

图6 不同质量分数TA溶液对QAPSF/PVA 水凝胶透明性的影响Fig.6 Effect of TA solution with different mass fraction on transparency of QAPSF/PVA hydrogels

图6为QAPSF/PVA/TA水凝胶浸泡在不同质量分数TA溶液中的紫外-可见光吸收光谱. 由图6可见： 在可见光波长400～780 nm内， QAPSF/PVA水凝胶在纯水中溶胀后吸光度<0.2， 表明其具有较好的可见光透过率及透明性； QAPSF/PVA水凝胶的吸光度随TA质量分数的增加而增加， 表明TA可降低QAPSF/PVA水凝胶的透明性. QAPSF/PVA/TA水凝胶在紫外光区的吸光度较高， 具有较强的紫外吸收特性. 在波长为300～360 nm的红斑效应区内， 浸泡TA溶液后QAPSF/PVA水凝胶的吸光度大于1.5， 表明吸附了TA的QAPSF/PVA水凝胶可作为一种良好的紫外吸收材料.

2.6 QAPSF/PVA和QAPSF/PVA/TA水凝胶的微观形貌

图7为QAPSF/PVA和QAPSF/PVA/TA水凝胶的SEM照片， 其中图7(A)和(B)分别为QAPSF/PVA水凝胶在纯水和w(TA)=0.2%溶液中达到溶胀平衡后经冷冻干燥得到的SEM照片. 由图7可见， QAPSF/PVA水凝胶呈典型的凝胶多孔网络结构， 这些微孔是由冷冻干燥过程中冰晶升华形成的， 其微孔直径约为70～90 μm. 与图7(A)相比， 图7(B)中水凝胶微孔结构更致密， 平均直径明显缩小， 与图5结果一致， 可见TA降低了QAPSF/PVA水凝胶在溶胀平衡时的吸水率.

图7 QAPSF/PVA(A)和QAPSF/PVA/TA(B)水凝胶的SEM照片Fig.7 SEM images of QAPSF/PVA (A) and QAPSF/PVA/TA (B) hydrogels

2.7 QAPSF/PVA/TA水凝胶的分子动力学模拟

图8为QAPSF/PVA/TA水凝胶体系内3种氢键相互作用构象图， 其中： 图8(A)为PVA分子间氢键模型； 图8(B)和图8(C)分别为由PVA中羟基作为质子给体， TA中酚羟基和羰基作为质子受体形成的氢键模型. 表2为QAPSF/PVA/TA水凝胶体系内3种氢键的几何参数. 根据化学键强度理论可知， 键长越短键角越大的氢键， 其键能越高. 由图8和表2可见， PVA与TA之间形成2种氢键相互作用的强度均大于PVA分子间形成的氢键， 这有利于QAPSF/PVA水凝胶在浸泡TA溶液后其拉伸性能和压缩性能的提高.

图8 QAPSF/PVA/TA水凝胶体系内3种氢键构象Fig.8 Conformations of 3 types of hydrogen bonds in QAPSF/PVA/TA hydrogel systems

表2 QAPSF/PVA/TA水凝胶中体系内3种氢键的几何参数

2.8 QAPSF/PVA和QAPSF/PVA/TA水凝胶的抑菌性能

QAPSF/PVA复合水凝胶因抑菌官能团位于聚砜高分子链上， 由于用抑菌圈法测试抑菌性能时其扩散性较差， 几乎观察不到抑菌圈， 因此用GB/T 15979-2002中非溶出性抗(抑)菌产品性能测试方法对其进行测试， 实验结果列于表3.

表3 QAPSF/PVA和QAPSF/PVA/TA水凝胶的抑菌性能对比

由表3可见： 未浸泡TA的QAPSF/PVA复合水凝胶被试样品组对大肠杆菌ATCC 25922和金黄色葡萄球菌ATCC 25923的抑菌率与对照样品组抑菌率的差值分别为47.03%和33.29%， 差值均大于26%， 因此判定该复合水凝胶具有一定的抑菌作用； 浸泡w(TA)=0.2%溶液中的QAPSF/PVA水凝胶， 上述的两个差值分别为82.25%和71.43%， 表明TA可增加复合水凝胶的力学性能， 并可作为溶出类辅助抑菌剂而增强水凝胶的抑菌性能.

3 结 论

1) 以聚砜为原料制备了DS>1.5的氯甲基化聚砜， 与三甲胺水溶液反应， 经透析、冷冻干燥得到了水溶性的季铵盐聚砜固体.

2) 季铵盐聚砜和聚乙烯醇与水混合后， 经γ射线辐射制备了QAPSF/PVA复合水凝胶， 避免了使用具有生物毒性的有机溶剂和其他助剂， 该水凝胶具有一定的抗菌性.

3) 将QAPSF/PVA水凝胶浸泡于w(TA)=0.2%的溶液后， 其拉伸强度和压缩强度分别提高了4.6倍和1.3倍， TA作为辅助抑菌剂提高了QAPSF/PVA复合水凝胶的抑菌性能， QAPSF/PVA/TA复合水凝胶在300～360 nm红斑效应区的吸光度大于1.5， 因此可作为一种良好的紫外光吸附材料.