透明质酸基双网络水凝胶的制备及性能.pdf

透明质酸基双网络水凝胶的制备及性能许世超1，刘宇凡2，杨伟静1，郝梦琛2，祖彤彤2，杨杰1，李洋1（1.天津工业大学 化学学院，天津300387；2.天津工业大学 环境科学与工程学院，天津300387）摘要：为提高水凝胶的稳定性和力学性能，扩展其应用，以天然多糖透明质酸（HA）、L-天冬氨酸（L-ASP）、丙烯酰胺（AM）为基础原料，以Zn2+为物理交联剂，以N，N忆-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）为化学交联剂，设计了一种物理-化学交联双网络（DN）水凝胶，并研究了Zn2+浓度对水凝胶性能的影响。结果表明：水凝胶具有均匀致密和强韧的孔道结构，孔径约为1020 滋m；水凝胶具有良好的热稳定性，且热稳定性与Zn2+浓度有关，Zn2+浓度越高，热稳定性越好；水凝胶具有良好的力学性能和剪切稀化特性，提高Zn2+浓度，可以提高水凝胶的力学强度；水凝胶具有良好的溶胀能力，溶胀过程由扩散和松弛共同控制；水凝胶具有良好的保水性，能够保持水分在3050h左右，并且保水率与Zn2+浓度呈负相关；此外，水凝胶具有一定的pH敏感性，在碱性环境中溶胀受到阻碍。关键词：透明质酸；丙烯酰胺；Zn2+；双网络水凝胶中图分类号：TB324文献标志码：A文章编号：员远苑员原园圆源载（圆园23）园4原园园36原08Preparation and performance of hyaluronic acid-based double network hydrogelsXU Shichao1，LIU Yufan2，YANG Weijing1，HAO Mengchen2，ZU Tongtong2，YANG Jie1，LI Yang1（1.School of Chemistry，Tiangong University，Tianjin 300387，China；2.School of Environmental Science and Engineer-ing，Tiangong University，Tianjin 300387，China）Abstract：In order to improve the stability and mechanical strength of hydrogel to expand its application袁 a physical-chem鄄ical crosslinking double network渊DN冤 hydrogel was designed using natural polysaccharide hyaluronic acid渊HA冤袁 L-aspartic acid 渊L-ASP冤 and acrylamide 渊AM冤 as raw materials袁 Zn2+as physical crosslinking agent andN袁 N忆-methylene bisacrylamide 渊MBA冤 as chemical crosslinking agent.The effect of Zn2+concentration on theproper-ties of the hydrogel was also studied.The results show that the hydrogel has uniform and compact porestructure with pore size of 10-20 滋m.The hydrogel has good thermal stability袁 and the thermal stability is corre鄄lated to the concentration of Zn2+袁 and the higher the concentration of Zn2+袁 the better the thermal stability.Thehydrogel has good mechanical properties and shear thinning properties.The mechanical strength of the hydrogelcan be im-proved by increasing the concentration of Zn2+.The hydrogel has good swelling ability and the swellingprocess is controlled by diffusion and relaxation.The hydrogel has good water retention袁 and can retain water in30-50 h袁 and the water retention rate is negatively correlated with Zn2+concentration.In addition袁 the hydrogelhas a certain pH sensitivity袁 and swelling is hindered in alkaline environment.Key words：hyaluronic acid曰 acrylamide曰 Zn2+曰 double network hydrogel水凝胶是一种由天然或合成材料合成的亲水聚合物，具有三维网络结构，由于NH2、COOH、OH等亲水基团的存在，水凝胶能够吸收并保留大量的水分1。水凝胶不仅具有高度的灵活性，还具有类似于活组织的软橡胶稠度，成为各种应用的理想物质2。水凝胶通过亲水聚合物链与各种键交联而形成3，有物理交联和化学交联2种交联方式。在物理交联中，高分子通过离子相互作用4、结晶作用5、主-客体相互作用6等物理作用产生非共价交联。Yang等7首先制备了海藻酸钠/聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶，然后将收稿日期：2022-02-14基金项目：国家自然科学基金资助项目（51772208，51678409）通信作者：许世超（1975），男，博士，副教授，主要研究方向为高分子材料。E-mail：DOI：10.3969/j.issn.1671-024x.2023.04.006第42卷第4期圆园23年8月Vol.42No.4August2023天津工业大学学报允韵哉砸晕粤蕴 韵云 栽陨粤晕GONG 哉晕陨灾耘砸杂陨栽再第4期其浸入含有二价或三价阳离子的水溶液中。采用简单的离子交换方法调控海藻酸盐的离子交联，得到了高强度、高韧性的水凝胶。在化学交联中，聚合物链通过化学键产生共价结合。化学交联方式包括自由基聚合8、席夫碱反应9、迈克尔加成10、酶促反应11和光聚合12等。Das等13通过自由基聚合和化学交联法制备了一种新型三元共聚物水凝胶，水凝胶不仅具有相互连通的孔道结构，还具有良好的药物缓释以及细胞外基质和胶原蛋白的体外再生能力。一般来说，物理交联水凝胶是可逆的，易于制备，无毒且具有生物降解性。此外，物理交联水凝胶对温度、pH值和溶剂表现出溶胶-凝胶过渡响应。而化学交联水凝胶是永久的和不可逆的，与非共价交联相比，共价交联为水凝胶提供了更大的稳定性14。但大多数化学交联水凝胶易碎，透明度差，缺乏自愈合能力15。单网络水凝胶力学性能较差，溶胀反应缓慢。互穿聚合物网络（IPNs）的出现提高了水凝胶的力学性能和溶胀/退溶胀反应。互穿网络是至少其中一种聚合物是在另一种聚合物的直接存在下交联的16。Gong等17制备了新型双网络机械增强的IPN水凝胶。双网络由高密度的离子交联网络与松散交联的中性网络构成，这种水凝胶具有较高的韧性和机械强度，因其具有作为生物材料的潜力而受到关注。因此，针对单网络水凝胶力学性能较差的问题，本文向化学交联水凝胶中引入可逆的物理交联作用，从而形成物理-化学交联双网络（DN）水凝胶。选用天然多糖透明质酸（HA）为基础原料，以HA为第1层网络单体，HA的COO-和L-天冬氨酸（L-ASP）的COO-与Zn2+配位络合形成动态金属配位键构成可逆的物理交联网络，从而促进能量耗散；以丙烯酰胺（AM）为第2层网络单体，将其接枝在HA骨架上，在交联剂和引发剂的作用下，引发自由基聚合，形成聚丙烯酰胺（PAM）化学交联网络，以提高水凝胶的力学性能。1实验部分1.1实验试剂与仪器实验试剂：透明质酸钠（HA，Mw=2 000 ku），西安百川生物科技有限公司产品；L-天冬氨酸（L-ASP）、过硫酸铵（APS）、磷酸盐缓冲液（BR，pH=7.4），上海麦克林生化科技有限公司产品；丙烯酰胺（AM）、1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐（EDC）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）、N，N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、无水氯化锌（ZnCl2），上海阿拉丁生化科技股份有限公司产品；浓盐酸（HCl），永飞化学试剂有限公司产品；氢氧化钠（NaOH），天津市大陆化学试剂厂产品。以上试剂均为分析纯。实验仪器：ME104E/02型电子分析天平，上海梅特勒-托利多仪器有限公司产品；DF-101S型集热式恒温磁力搅拌器，山东鄄城华鲁电热仪器有限公司产品；LDJ-10D型冷冻干燥机，北京四环科学仪器厂产品；DZF-6020型真空干燥箱，上海申贤恒温设备厂产品；GeminiSEM 500型热场发射扫描电子显微镜，德国Zeiss公司产品；Nicolet iS50型傅里叶变换红外光谱仪，美国赛默飞世尔科技公司产品；STA 449F5（TG-DSC）型综合热分析仪，德国耐驰制造有限公司产品；MCR 302型模块化智能型高级流变仪，奥地利安东帕有限公司产品。1.2双网络水凝胶的制备在室温条件下，称取0.690 g EDC和0.414 g NHS置于质量分数为3%的HA溶液中，磁力搅拌30 min。将2.0 g AM加入HA溶液中，继续搅拌10 min左右，使AM全部溶解。随后向其中加入2 mL的L-ASP溶液（27 mg/mL）和3 mL的ZnCl2溶液（x mol/L），继续搅拌。最后向上述溶液中添加0.01 g MBA和0.02 g APS，继续搅拌1.5 h左右，将水凝胶转移至玻璃板上压平，置于50 益烘箱中加热3 h，即可得到双网络水凝胶。将其命名为HASPx/PAM（x=0.01，0.1，0.3，0.5，1.0），其中x表示Zn2+浓度，单位为mol/L。1.3结构表征与性能测试1.3.1结构表征通过傅里叶变换红外光谱仪分析单体及水凝胶的化学结构。将少量HA、AM和冻干凝胶粉末与KBr混合均匀，压成薄片。测试时，扫描的波数范围为500 4 000 cm-1，扫描的次数为64次/s。通过热场发射扫描电子显微镜对水凝胶样品断面的微观结构和形貌进行表征。为了不破坏水凝胶样品的网络孔道结构，需要对水凝胶进行冷冻干燥处理。在10.0 kV电压下观察样品的形貌。1.3.2热稳定性测试使用综合热分析仪对水凝胶进行热重分析。称取冻干凝胶粉末和HA各约10 mg放在氧化铝坩埚中，在氮气气氛下，以10 益/min的升温速率测定样品在25 800 益的质量变化。流变性能：使用高级流变仪测试水凝胶的流变性能。测试温度设置为25 益，设置零间隙为2.8 mm，将圆形水凝胶样品（直径30 mm，厚度3 mm）静置在流变仪上，选择震荡模式-时间扫描进行测试。测试时，将少许世超，等：透明质酸基双网络水凝胶的制备及性能37-第42卷天津工业大学学报量硅油均匀涂抹在平行板边缘，以保持水凝胶的水分。（1）设置应变为1%，角频率（棕）为0.1100 rad/s，研究角频率（棕）的变化对双网络水凝胶的储能模量（G忆）、损耗模量（G义）、损耗因子（tan 啄）及复数黏度（|浊*|）的影响。（2）设置角频率（棕）为6.28 rad/s，剪切频率（f）为1 Hz，剪切应力（子）为0.1104 Pa，研究剪切应力（子）的变化对双网络水凝胶的储能模量（G忆）、损耗模量（G义）及损耗因子（tan 啄）的影响。1.3.3溶胀性能测试在室温下，将水凝胶样品（20 mm 伊 20 mm 伊 3mm）置于37 益的烘箱中真空干燥至恒重，质量记为Wd，然后将干燥至恒重的水凝胶浸入去离子水中吸水溶胀，每隔一段时间取出水凝胶，用滤纸拭干表面水分，称重并将其质量记为Wt，直至溶胀平衡，质量记为We。则t时刻水凝胶的溶胀率（swelling ratio，SR）由公式（1）计算：SR=Wt-WdWd（1）根据Fickian扩散公式分析水凝胶的溶胀动力学18。WtWe=Ktn（2）式中：K为溶胀速率常数；n为Fickian特征指数，反映溶剂扩散速率与聚合物链松弛速率之间的关系，决定扩散类型。当n臆0.5时，为Fickian扩散过程，溶剂扩散速率小于聚合物链松弛速率，溶胀由扩散控制；当0.5 n 1时，为non-Fickian扩散过程，此时溶剂扩散速率与聚合物链松弛速率相当，溶胀由扩散和松弛共同控制；当n逸1时，为non-Fickian扩散过程，溶剂扩散速率大于聚合物链松弛速率，溶胀由松弛控制。对式（2）两边取对数，得：lnWtWe=ln K+nln t（3）以ln（Wt/We）为纵坐标，ln t为横坐标，做ln（Wt/We）关于ln t的图，根据斜率n值判断扩散类型。1.3.4pH敏感性测试通过HCl和NaOH溶液调节得到不同pH值（pH5.4，pH 7.4，pH 9.4）的磷酸盐缓冲液（PBS）。在室温条件下，将烘干至恒重的水凝胶样品浸入不同pH值的PBS缓冲液中溶胀，每隔一段时间对水凝胶进行称重直至溶胀平衡。由公式（1）计算溶胀率。1.3.5保水性能测试将在室温下溶胀至平衡的水凝胶（质量为We）移至37 益的烘箱中，水凝胶会逐渐失水。每隔一段时间取出水凝胶，用滤纸拭干表面水分，称重并记为Wt，直至水凝胶的质量不再发生变化，记录水凝胶恒重Wd。则t时刻水凝胶的保水率（Rw）由公式（4）计算：Rw=Wt-WdWe-Wd伊 100%（4）2结果与讨论2.1双网络水凝胶的合成采用碳二亚胺法将AM引入HA骨架。EDC与NHS的作用是活化HA分子的羧基，使羧基与AM上的氨基之间形成酰胺键，它们本身不作为交联的一部分19-20。在Zn2+存在的条件下，HA的COO和L-ASP的COO与Zn2+络合形成动态金属配位键构成物理交联网络。然后，在APS的热引发下，AM发生自由基聚合反应，聚合物链被MBA进一步交联，形成PAM化学交联网络。两层网络互相缠绕形成物理-化学交联的双网络水凝胶。图1为HASPx/PAM双网络水凝胶可能的合成机理图。2.2双网络水凝胶的红外表征为了研究AM是否接枝在HA骨架上，并且是否完全聚合成PAM，以及Zn2+在双网络水凝胶中的配位作用，本文对HA单体、AM单体、HASP0.01/PAM和HASP0.3/PAM干凝胶的红外光谱图进行了分析，如图2所示。由图2（a）可见，AM谱图中位于3 340 cm-1和3170cm-1的双吸收峰对应酰胺的NH伸缩振动，1 660cm-1是CO伸缩振动吸收峰，1 610 cm-1是CC伸缩振动吸收峰。HA与HASPx/PAM谱图对比，可以发现，HA谱图上位于1 610 cm-1处的峰迁移至1 640cm-1处，即水凝胶生成了CO特征吸收峰。HASP0.01/PAM谱图中1 420 cm-1和HASP0.3/PAM谱图中1 320cm-1对应的是CN伸缩振动峰，结合生成的CO特征吸收峰，说明AM与HA发生反应，即AM已经成功接枝在HA上。AM与HASPx/PAM谱图对比，可以图1HASPx/PAM双网络水凝胶合成机理Fig.1Synthesis mechanism of HASPx/PAM DN hydrogel离子交联Zn2+APS/MBA50 益/3 hZn2+L-ASPHAAM38-第4期发现，在HASPx/PAM谱图中不存在CC伸缩振动峰，说明丙烯酰胺已经完全聚合成PAM，位于3 000 3 500 cm-1的双吸收峰对应于PAM侧链上NH2的伸缩振动。由图2（b）可见中，HASP0.01/PAM和HASP0.3/PAM谱图上出现了新的特征吸收峰，分别位于1 510cm-1和1 560 cm-1，表明存在金属配体的配位作用。2.3双网络水凝胶的形貌观察在实际的应用中，水凝胶的内部结构特征会影响其保水性和力学性能。图3为HASPx/PAM双网络水凝胶的SEM图。由图3（a）可见，HASPx/PAM具有相互连通且均匀致密的孔道结构，其内部网络没有坍塌，表明制备的水凝胶具有较强韧的网络结构。由图3（b）可见，HASPx/PAM孔径约为10耀20 滋m，保证了水凝胶具有良好的保水性。2.4双网络水凝胶的热稳定性图4为HA、HASP0.1/PAM和HASP0.5/PAM干凝胶的热分解曲线。通过质量损失10%的温度（T）和质量损失1/2温度（T1/2）来评价热稳定性能。由图4可知，对于HA，50230 益，主要是HA失去吸附水的过程，失重10.52%；230800 益，是HA自身发生热分解的过程，质量损失60.52%。对于HASP0.1/PAM，36187 益，主要是水凝胶脱去内部吸附水的过程，质量损失9.05%。可以发现，水凝胶比HA脱去的吸附水少，可能是由于HA本身的羟基和羧基数量比较多，与水的氢键作用更强，可以吸附较多的结合水，而改性后的水凝胶氢键作用减弱，吸附的结合水较少；187800 益，此过程是水凝胶自身热分解的过程，包括HA骨架的断裂和PAM网络骨架的断裂。对于HASP0.5/PAM，其热分解过程与HASP0.1/PAM相似，45192 益的热分解是水凝胶脱去吸附水的过程；192800益的热分解是水凝胶自身降解的过程。其中，HA质量损失10%的温度（T10%）为127 益，质量损失50%的温度（T1/2）为287 毅C；HASP0.1/PAM的T10%为175 益，T1/2为374 益；HASP0.5/PAM的T10%为192 益，T1/2为385 益。比较HA与HASPx/PAM的T1/2和T10%可知，HASPx/PAM比HA的热稳定性好，这是由于通过非共价作用形成的离子交联网络与PAM化学交联网络相互缠绕形成了稳定的双网络结构。而且可以发现，HASP0.5/PAM比HASP0.1/PAM的热稳定性好，说明Zn2+浓度影响水凝胶的热稳定性，Zn2+浓度越高，非共价作用越强，网络结构越稳定，热稳定性越好。2.5双网络水凝胶的流变性能流变性能是衡量水凝胶的粘弹性、力学强度等性能的重要指标。储能模量（G忆）实质为杨氏模量，体现材料的弹性特性；损耗模量（G义）又称粘性模量，体现20 滋m（a）4 000 500 cm-1的红外谱图波数/cm-15003 500 3 000 2 500 2 000 1 5004 0001 0001 6101 6101 6603 3401 6401 4201 3201 6403 170HAAMHASP0.01/PAMHASP0.3/PAM（b）2 250 750 cm-1的红外谱图波数/cm-17502 0001 7501 5001 2502 2501 0001 5101 560HAAMHASP0.01/PAMHASP0.3/PAM图2 HA、AM、HASP0.01/PAM和HASP0.3/PAM双网络水凝胶的红外光谱图Fig.2 FTIR spectrum of HA，AM，HASP0.01/PAM andHASP0.3/PAM DN hydrogels图3HASPx/PAM双网络水凝胶的SEM图像Fig.3SEM image of HASPx/PAM DN hydrogel（a）低倍SEM图（b）高倍SEM图20 滋m1 滋m图4HA、HASP0.1/PAM和HASP0.5/PAM双网络水凝胶的TG曲线Fig.4TG curves of HA，HASP0.1/PAM，and HASP0.5/PAMDN hydrogels温度/益10080604020100800200500300400600700HAHASP0.1/PAMHASP0.5/PAM许世超，等：透明质酸基双网络水凝胶的制备及性能39-第42卷天津工业大学学报材料的粘性特性。G忆大于G义时，主要发生弹性形变；G忆小于G义时，主要发生粘性形变。损耗因子（tan 啄）又称阻尼因子，是G义与G忆的比值。采用复数粘度（|浊*|）可以表征材料的粘弹性质。HASP0.01/PAM和HASP0.1/PAM双网络水凝胶的G忆、G义、tan 啄和|浊*|随角频率棕的变化如图5所示。由图5（a）可见，在测试范围内，HASPx/PAM的G忆值和G义值随棕的增大而增大，说明G忆和G义对棕有一定的依赖性，并且水凝胶的G忆值总是远远高于相应的G义值，说明水凝胶表现为弹性类固体性能。其中HASP0.1/PAM较HASP0.01/PAM具有更高的G忆值和G义值，这是由于Zn2+浓度升高使水凝胶内部交联度增大，从而提高了水凝胶的力学性能即粘弹性。由图5（b）可见，HASPx/PAM的损耗因子（tan 啄=G义/G忆）数值比较小而且稳定，表明水凝胶具有良好的弹性恢复性能21。由图5（c）可见，HASPx/PAM的复数黏度（|浊*|）随着棕的增加而减小，表现出剪切变稀的行为。此外，本文还研究了HASP0.01/PAM和HASP0.1/PAM双网络水凝胶的G忆、G义和tan 啄随剪切应力（子）的变化，如图6所示。由图6（a）可见，HASP0.01/PAM在0.1103 Pa剪切应力范围内的G忆和G义值保持稳定，说明此区间是HASP0.01/PAM的线性粘弹性区域，凝胶在此区域受到剪切应力时，网络结构没有遭到破坏。在较大剪切应力下，HASP0.01/PAM则表现为G忆和G义值随剪切应力的增大而减小，表现出非线性粘弹性行为，这可能是由于高剪切应力下水凝胶交联网络发生断裂导致22。而对于HASP0.1/PAM，在测试的剪切应力范围内，G忆和G义值始终保持稳定，说明凝胶在此区域受到剪切应力时，始终保持网络结构的稳定。而且，HASP0.01/PAM的屈服应力值远小于HASP0.1/PAM。可见HASP0.1/PAM较HASP0.01/PAM可以承受更大的剪切应力，这主要归因于Zn2+浓度不同，Zn2+浓度越高，非共价作用越强，网络结构越稳定，进一步说明Zn2+浓度升高可以提高水凝胶的力学性能。由图6（b）可见，在共同的线性粘弹性区域0.1103 Pa范围内，水凝胶的tan 啄值几乎不受剪切应力的影响，表现为类固体状态。随着剪切应力的增大，水凝胶的tan 啄值开始随剪切应力的增大而升（a）水凝胶的G忆和G义随棕变化曲线棕/（rads-1）104103102100102101G忆-0.01 MPaG忆-0.1 MPaG义-0.01 MPaG义-0.1 MPa（b）水凝胶的tan 啄随棕变化曲线棕/（rads-1）100100102101HASP0.01/PAMHASP0.1/PAM10-1（c）水凝胶的|浊*|随棕变化曲线棕/（rads-1）8 0006 0004 0002 0000110010HASP0.01/PAMHASP0.1/PAM图5HASP0.01/PAM和HASP0.1/PAM双网络水凝胶的流变特性随棕变化Fig.5Charges of rheological properties of HASP0.01/PAM andHASP0.1/PAM DN hydrogels with 棕（a）水凝胶的G忆和G义随应力变化曲线子/Pa10410310210-1103101G忆-0.01 MPaG忆-0.1 MPaG义-0.01 MPaG义-0.1 MPa102100（b）水凝胶的tan 啄随应力变化曲线子/Pa10010-110-1103101102100图6HASP0.01/PAM和HASP0.1/PAM双网络水凝胶的流变特性随tan 啄变化Fig.6Charges of rheological properties of HASP0.01/PAM andHASP0.1/PAM DN hydrogels with tan 啄HASP0.01/PAMHASP0.1/PAM40-第4期表1HHASPx/PAM双网络水凝胶溶胀动力学拟合方程及相关参数Tab.1Swelling kinetic fitting equations and related para-meters of HASPx/PAM DN hydrogels水凝胶拟合方程Fickian特征指数nR2HASP0.01/PAMln（Wt/We）=-2.240+0.797 ln t0.7970.992HASP0.1/PAMln（Wt/We）=-2.478+0.871 ln t0.8710.998HASP0.3/PAMln（Wt/We）=-2.341+0.812 ln t0.8120.998HASP0.5/PAMln（Wt/We）=-2.033+0.684 ln t0.6840.996HASP1.0/PAMln（Wt/We）=-1.951+0.669 ln t0.6690.996高，此时水凝胶表现为类液态状态，表明水凝胶在高剪切应力下通过可逆的离子交联以及PAM网络的断裂来有效地耗散能量。2.6双网络水凝胶的溶胀性能HA分子中含有大量的COOH和OH，在水溶液中能够形成分子内和分子间的氢键。此外，PAM侧链上的NH2也容易形成氢键，这使得制备的双网络水凝胶具有良好的亲水性。图7为HASPx/PAM双网络水凝胶在去离子水中的溶胀率随时间变化曲线。由图7可知，HASPx/PAM双网络水凝胶具有相似的溶胀规律。初始阶段，水凝胶内外渗透压差大，水分子向凝胶内部扩散速率快，水凝胶溶胀率升高较快。随着浸泡时间延长，水分子进入凝胶网络变得困难，溶胀率升高变得缓慢，33 h左右达到溶胀平衡，溶胀率基本保持不变。由此可知，在相同浸泡时间下，随着Zn2+浓度的升高，水凝胶溶胀率反而降低，这是由于Zn2+浓度的升高使交联网络中非共价作用加强，水凝胶内部交联度增大，形成了更加紧密的网状结构，水分子难以进入水凝胶内部。对水凝胶的溶胀过程进行动力学分析，判定水凝胶溶胀控制的主导因素。取0 Wt/We 0.6之间的溶胀过程数据进行线性拟合。以ln（Wt/We）为纵坐标，以ln t为横坐标，作ln（Wt/We）ln t图，如图8所示。水凝胶溶胀动力学的拟合方程及相关参数如表1所示。由表1可知，水凝胶的Fickian特征指数n分别为0.797、0.871、0.812、0.684和0.669。根据1.3.2，当0.5 n 酸性碱性。其中，碱性环境中的水凝胶45 h左右达到溶胀平衡，而中性和酸性环境中的水凝胶继续溶胀，80 h左右达到平衡。这可能是因为在碱性环境中，水凝胶表面的亲水性官能团如羧基电离出的H+与OH-发生反应，氢键作用减弱，使得水凝胶亲水性变差，同时水凝胶中大部分Zn2+发生水解，生成Zn（OH）2，堵塞了网络孔道，阻止溶剂进入凝胶内部；而在中性环境中，有少量Zn（OH）2生成，离子交联网图7HASPx/PAM双网络水凝胶的溶胀率随时间变化曲线Fig.7Curves of swelling rate with time of HASPx/PAM DNhydrogels时间/h605040302010003520151053025HASP0.01/PAMHASP0.1/PAMHASP0.3/PAMHASP0.5/PAMHASP1.0/PAM图8HASPx/PAM双网络水凝胶的溶胀动力学分析Fig.8Swelling kinetic analysis of HASPx/PAM DN hydrogelsln t0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.503.01.00.52.01.5HASP0.01/PAMHASP0.1/PAMHASP0.3/PAMHASP0.5/PAMHASP1.0/PAM图9HASP0.3/PAM双网络水凝胶在不同pH值的PBS缓冲液中的溶胀率随时间变化曲线Fig.9Curves of swelling rate with time in PBS buffer at diffe-rent pH values of HASP0.3/PAM DN hydrogel时间/h50403020100080403020107060pH=5.4pH=7.4pH=9.450许世超，等：透明质酸基双网络水凝胶的制备及性能41-第42卷天津工业大学学报络被破坏，水凝胶的分子链松弛使网络膨胀利于溶剂进入；在弱酸环境下，水凝胶处于稳定状态，允许溶剂进入。2.8双网络水凝胶的保水性能图10为HASPx/PAM双网络水凝胶的保水率随时间变化曲线。由图10可知，HASPx/PAM双网络水凝胶具有相似的保水率变化趋势。初始阶段，水凝胶失水比较快，30 h以后，水凝胶失水变得缓慢，直至完全失水。其中，HASP1.0/PAM水凝胶在30 h左 右完 全 失水，HASP0.5/PAM在35 h左右完全失水，而HASP0.3/PAM、HASP1.0/PAM和HASP0.01/PAM在4550 h完全失水。可见，HASPx/PAM双网络水凝胶可以维持水分在3050 h左右，具有良好的保水性能，并且保水率与Zn2+浓度成负相关。3结论本文基于天然多糖透明质酸，通过物理交联与化学交联相结合的方式制备了HASPx/PAM双网络水凝胶。（1）通过红外表征，证明双网络水凝胶制备成功。通过SEM观察到，HASPx/PAM双网络水凝胶孔道结构均匀致密，具有较强韧的网络结构，孔径约为10耀20 滋m。此外，由于制备的水凝胶中不存在AM单体，所以水凝胶是安全无毒的。（2）对水凝胶的热稳定性和力学性能进行研究。结果表明，HASPx/PAM双网络水凝胶具有良好的热稳定性，且热稳定性与Zn2+浓度有关。Zn2+浓度越高，热稳定性越好；水凝胶具有良好的力学性能和剪切稀化特性，提高Zn2+浓度，可以提高水凝胶的力学强度。水凝胶的耗散机制主要是通过动态的物理交联网络与PAM网络协同作用承担较大应力来实现的。（3）对水凝胶的溶胀性能、环境敏感性和保水性进行研究。结果表明，HASPx/PAM双网络水凝胶具有良好的溶胀能力，溶胀过程由扩散和松弛共同控制；水凝胶具有一定的环境敏感性，在碱性环境中，溶胀受到阻碍；水凝胶具有良好的保水性，能够保持水分在3050 h左右，并且保水率与Zn2+浓度成负相关。因此，制备的双网络水凝胶安全无毒，具有良好的热稳定性、力学性能和保水性，还具有一定的pH响应性，在伤口敷料和药物传递等生物医学领域具有广阔的应用前景。参考文献：1ASWATHYSH，NARENDRAKUMARU，MANJUBALAI.Co-mmercial hydrogels for biomedical applicationsJ.Heliyon，2020，6（4）：e03719.2ULLAH F，OTHMAN M B H，JAVED F，et al.Classification，processing and application of hydrogels：A reviewJ.MaterialsScience&Engineering C：Materials for Biological Applicati-ons，2015，57：414-433.3SELIKTAR D.Designing cell-compatible hydrogels for biome-dical applicationsJ.Science，2012，336（6085）：1124-1128.4PARK H，WOO E K，LEE K Y.Ionically cross-linkable hyal-uronate-based hydrogels for injectable cell deliveryJ.Journalof Controlled Release，2014，196：146-153.5ALVESMH，JENSENBE，SMITH A A，et al.Poly（vinyl alco-hol）physicalhydrogels：Newvista on a long serving biomaterialJ.Macromolecular Bioscience，2011，11（10）：1293-1313.6YU G C，JIE K C，HUANG F H.Supramolecular amphiphilesbased on host-guest molecular recognition motifsJ.ChemicalReviews，2015，115（15）：7240-7303.7YANG C H，WANG M X，HAIDER H，et al.Strengtheningalginate/polyacrylamide hydrogels using various multivalentcationsJ.ACS Applied Materials&Interfaces，2013，5（21）：10418-10422.8LI S L，ZHOU H W，LI Y F，et al.Mussel-inspired self-ad-hesive hydrogels by conducting free radical polymerization inboth aqueous phase and micelle phase and their applications inflexible sensorsJ.Journal of Colloid and Interface Science，2022，607：431-439.9MCKAY C，FINN M G.Click chemistry in complex mixtures：Bioorthogonal bioconjugationJ.Chemistry&Biology，2014，21（9）：1075-1101.10 NAIR D P，PODGORSKI M，CHATANI S，et al.The thiol-michael addition click reaction：A powerful and widely usedtool in materials chemistryJ.Chemistry of Materials，2014，26（1）：724-744.11 LI P P，ZHONG Y B，WANG X，et al.Enzyme-regulatedhealable polymeric hydrogelsJ.ACS Central Science，2020，图10HASPx/PAM双网络的保水率随时间变化曲线Fig.10Curves of water retention with time of HASPx/PAMDN hydrogels时间/h10080604020020104030HASP0.01/PAMHASP0.1/PAMHASP0.3/PAMHASP0.5/PAMHASP1.0/PAM50042-第4期（上接第35页）6（9）：1507-1522.12 MONIER M，WEI Y，SARHAN A A，et al.Synthesis and cha-racterization of photo-crosslinkable hydrogel membranes basedon modified chitosanJ.Polymer，2010，51（5）：1002-1009.13 DAS D，PHAM T T H，NOH I.Characterizations of hyalur-onate-based terpolymeric hydrogel synthesized via free radicalpolymerization mechanism for biomedical applications J.Col-loids and Surfaces B：Biointerfaces，2018，170：64-75.1