明胶/海藻酸钠/沙蒿胶复合水凝胶的制备及表征

闫慧敏， 杨 光， 杨 波， 王 礼

上海理工大学健康科学与工程学院,上海 200093

水凝胶是通过物理或化学交联后形成的三维网状结构[1]，可以吸收并储存水分的高分子聚合物。由于其含有羧基、羟基、酰胺基、氨基等亲水性基团，水凝胶具有能够显著的被水溶胀但不溶解于水的特点，可以在水中或者其他分散介质中通过水合作用吸收大量液体呈现凝胶态，并且在一定压力下保持水分和自身形态。另外水凝胶的高吸水性能对于提高其生物相容性也具有很大帮助，近年来在医药、组织工程等领域备受关注。

海藻酸钠(Sodium alginate，SA) 是从海带、马尾藻等分离得到的一种天然多糖类物质[2]，其大分子链是由β-D甘露糖醛酸(M)和α-L古洛糖醛酸(G)组成[3]。由于海藻酸钠无毒、生物相容性好、能够凝胶化和热稳定性等特点，被广泛应用到生物医药、组织工程、医用敷料等领域[4]。但由于单一海藻酸钠力学性能较差限制了其发展，可以通过物理共混和化学方法提高其力学性能。明胶(Gelatin，G)是胶原部分水解后的产物,是一种既具有酸性又具有碱性的两性物质[5]。明胶来源充足属于天然大分子材料，作为一种聚合物材料，具有无抗原性、易于吸收的特点，在生物医学、食品和化学工业中有广泛应用。干燥状态下，仅由明胶形成的水凝胶材料呈现易碎，柔韧性较差的特点[6]，通常与其他材料复合来提高其力学性能。樊李红等[7]研究表明，采用海藻酸钠与明胶共混的方式制备的复合材料的力学性能要优于单一组分。沙蒿胶(Artemisia Sphaerocephala Krasch gum，ASKG)又称沙蒿籽胶[8]，是一种天然植物胶，具有交联结构，主要由D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖和木糖等单糖组成[9],沙蒿胶具有良好的稳定性、保水性和成膜性，在组织工程方面具有潜在应用价值[10]。王俊龙[11]研究表明，单一海藻酸钠凝胶速度过快导致力学性能较差，通过在海藻酸钠体系中加入机械强度较好的沙蒿胶，可以增强海藻酸钠复合水凝胶的吸水性能和机械性能。本文通过共混-离子交联法制备复合水凝胶，探究不同质量的SA、G和ASKG对复合水凝胶力学性能、吸水性能和保湿性能的影响，并对其结构进行表征，制备出一种兼具力学性能、保湿性能且具有较好的溶胀性的水凝胶。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

主要材料：明胶，分析纯，上海国药集团化学试剂有限公司；海藻酸钠，分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；沙蒿胶；西安拉维亚生物科技有限公司；无水氯化钙，分析纯，上海麦克林生化科技有限公司。

主要仪器： Scientz-25T真空冻干机，宁波新芝生物科技股份有限公司；JJ-1电动搅拌器，常州恩培精密仪器有限公司； SMS质构仪TA.XT PLUS，英国产；TM2101-T5型微电脑式拉力试验机，济南泰钦电气有限公司； DHG-9240A型电热鼓风干燥，上海一恒科学仪器有限公司；Nicolet is10 型傅里叶红外光谱仪，美国产；FEI Quanta 450场发射扫描电子显微镜，美国产。

1.2 方法

1.2.1复合水凝胶的制备

称取一定质量的明胶于去离子水中，在50 ℃恒温水浴锅中搅拌40 min直至均匀，再向其中加入一定质量的沙蒿胶粉，搅拌均匀制备混合液。称取一定质量的海藻酸钠放入去离子水中，在50 ℃恒温水浴锅中搅拌50 min，静置均匀。之后将两者混合搅拌1 h，倒入模具中过夜去除气泡，然后向其中滴入等体积的2%氯化钙溶液交联8 h，最后用去离子水洗涤三次，即得复合水凝胶并于4 ℃储藏备用[11]。

1.2.2复合水凝胶力学性能的测定

(1) 压缩强度

参考魏丹丹[12]的方法并加以修改，在室温条件下，用十二孔板制备直径20 mm，高5 mm圆柱形水凝胶，用物性分析仪(TA.XT PLUS)对水凝胶试样进行压缩试验直至压破，压缩速率设为0.5mm/s。每组试样重复五次压缩试验，以减少实验误差。

(2) 拉伸性能和断裂伸长率

参考宋羽[13]的方法并稍作修改，将制备好的水凝胶用裁刀切成哑铃型，样品总长度为75 cm，测试部位长度为40 mm，宽度为4 mm，用游标卡尺测量样品厚度，将试样的上下两端夹紧到拉力试验机上，以100 mm/min的拉伸速度拉伸并测定拉断时的拉伸强度(kPa)和断裂伸长率(%)，每个样品测试三次取平均值。

1.2.3复合水凝胶溶胀性能测试

参考WANG[14]的方法并稍作修改，将水凝胶于真空冻干机干燥至恒重，取大小、质量相近的干燥凝胶圆片，质量记为M0，将干燥后的凝胶圆片浸泡于去离子水中，每隔一段时间取出擦干表面水分后称重，此时的质量记为Mt，根据公式(1)计算水凝胶的溶胀比SR(%),计算公式如下：

(1)

其中：M0和Mt和分别为干凝胶和t时刻水凝胶的质量g。

1.2.4复合水凝胶的保湿性能测试

参考王丰艳[15]的方法并稍作修改，将冷冻干燥后的样品质量记为m0，浸入去离子水中，充分溶胀后称重，质量记为m1，将充分溶胀后的样品放入37 ℃恒温干燥箱中，间隔不同时间测量水凝胶的重量，记为mt。根据公式(2)计算各个时间点的保湿率。保湿率计算方式如下：

(2)

其中：m0、m1和mt分别为干凝胶、充分溶胀后的水凝胶和t时刻水凝胶的质量g。

1.2.5红外光谱测定

将制备好的水凝胶样品于-45 ℃预冻4 h，置于真空冷冻干燥机中冷冻48 h后粉碎，利用KBr压片法制得样品进行测试，扫描范围为4 000 cm-1～500 cm-1。

1.2.6复合水凝胶的SEM测试

将水凝胶经真空冷冻干燥后的样品切片贴在导电胶上，待测样品固定好后对其进行喷金处理，最后将喷金的样品和载样台一同放入扫描电镜的样品室进行形态观察。

1.2.7溶血率实验

参考都彦玲[16]的方法并稍作修改，按照抗凝兔血：0.9%生理盐水4∶5制备稀释新鲜抗凝兔血，取SA/G、SA/G/0.7%ASKG的生理盐水混悬液各10 mL 于离心管中，在阴性对照中加入10 mL生理盐水，阳性对照中加入10 mL去离子水。将全部离心管放于37 ℃水浴锅中保温半小时后，在各离心管中加入200 μL稀释新鲜抗凝兔血，保温1 h，并以3 000 r/min速度离心5 min，取上清液用紫外分光光度计在545 nm处测其吸光度(OD)，重复实验三次。溶血率通过OD值按照公式(3)计算得出：

(3)

其中：ODt、ODpc、ODnc分别对照样品组、阳性对照组和阴性对照组。

2 结果与分析

2.1 不同明胶质量分数对复合水凝胶力学性能的影响

力学性能是水凝胶作为医用敷料的一个重要指标，具有良好力学性能的敷料能使敷料在使用过程中保持良好的完整性。为探究不同明胶对复合水凝胶力学性能的影响，固定海藻酸钠1.5%，沙蒿胶0.5%，设置明胶为(1.5%、2.5%、3.5%、4.5%和5.5%)，结果见图1。

如图1所示，其中图1(a)为应力-应变曲线，图1(b)为最大压缩强度，可以看出，当明胶质量分数为2.5%时，复合水凝胶压缩强度达到最大为395.4 kPa,在陈肖会[17]的研究中，环氧化合物交联明胶水凝胶的压缩强度仅为113.2 kPa，提高了282.2 kPa。随着明胶质量分数的增加，压缩强度呈先增加后降低的趋势，其可能的原因是随着明胶质量分数的增大，明胶分子上的氨基、羧基与海藻酸钠的羧基之间的静电交互作用和与沙蒿胶的羟基之间的氢键相互作用增大，同时随着明胶质量分数的增加，水凝胶整体密度进一步增大，导致聚合物缠结更加紧密，压缩强度增加。但明胶质量分数大于2.5%时，过量的明胶会导致体系中各物质相容性变差，从而使压缩强度减小。图1 (c)、图1(d)分别为复合水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率，随着明胶质量分数的增加，拉伸强度和断裂伸长率均出现先增加后下降的趋势，这与压缩强度一致。

(a) 应力-应变曲线；(b) 最大压缩强度；(c) 拉伸强度；(d) 断裂伸长率

2.2 不同明胶质量分数对复合水凝溶胀和保湿性能的影响

医用敷料要具有良好的溶胀和保湿性能，在固定海藻酸钠质量分数为1.5%，沙蒿胶质量分数为0.5%的条件下，探究不同质量分数的明胶(1.5%、2.5%、3.5%、4.5%和5.5%)对复合水凝胶溶胀和保湿性能的影响，结果见图2。

明胶对复合水凝胶溶胀和保湿性能的影响如图2所示，由图2(a)可知，复合水凝胶的溶胀率呈先增大后减小的趋势，明胶质量分数为2.5%时，溶胀率为754%，明胶质量分数为3.5%时，溶胀率达到最大值，随着明胶质量分数继续增大，溶胀率逐渐减小。原因可能是当明胶质量分数为2.5%时，复合体系交联较为致密，当质量分数为3.5%时，体系结构较为松散，水分子能够快速进入，导致溶胀率增加，与力学性能结果一致，随着明胶继续增加，造成体系网络结构的堆积，不利于水分子的进入，溶胀率下降。由图2(b)可知，复合水凝胶的保水率随着明胶质量分数的增加先增加后稍有降低，由于明胶质量分数的增加，使水凝胶整体密度增大，聚合物缠结更加紧密，水分子进入后能更好的保留在网络体系中。综上，结合复合水凝胶力学性能和保湿溶胀性能分析，明胶最适质量分数为2.5%。

2.3 不同海藻酸钠质量分数对复合水凝胶力学性能的影响

海藻酸钠通过与钙离子结合以及与明胶和沙蒿胶的氢键作用会影响着复合水凝胶的力学性能，为了探究海藻酸钠对复合水凝胶力学性能的影响，固定明胶2.5%，沙蒿胶0.5%，设置海藻酸钠质量分数为(0.5%、1%、1.5%、2%和2.5%)，结果见图3。

海藻酸钠通过与钙离子结合以及与明胶和沙蒿胶的氢键作用会影响着复合水凝胶的力学性能，探究海藻酸钠对复合水凝胶力学性能的影响见图3。由图3(a)、图3(b)可知，随着海藻酸钠质量分数的增加，复合水凝胶的最大压缩强度也随之增加，当海藻酸钠质量分数大于1.5%后，压缩强度值增加较为缓慢，可能原因是明胶的氨基与海藻酸钠的羧基之间存在静电交互作用，两者与Ca2+共同影响着水凝胶的压缩强度，海藻酸钠分子由G段(聚古洛糖醛酸)、M段(聚甘露糖醛酸)、和GM交替段三种嵌段构成，Ca2+的交联主要是发生在G嵌段，在整个凝胶体系中，G嵌段形成的“蛋盒” 结构能够使海藻酸钠从溶胶状态转变成凝胶态，形成具有一定强度的凝胶[18]。因此在海藻酸钠质量分数小于1.5%时，复合水凝胶的压缩强度随海藻酸钠质量分数的增加而增加，当大于1.5%时，增加趋势较为缓慢，这是由于进行交联反应时，Ca2+是由复配胶表面向内部逐步扩散迁移，首先在复配胶表面与海藻酸钠形成交联点，海藻酸钠质量分数越高，凝胶表面交联点越多，阻碍了Ca2+向复配胶内部的迁移，导致复配胶内部的海藻酸钠无法转变为凝胶态，因此复合水凝压缩强度增加较为平缓。拉伸强度和断裂伸长率与压缩强度是变化趋势一致。

(a) 应力-应变曲线；(b) 最大压缩强度；(c) 拉伸强度；(d) 断裂伸长率

2.4 不同海藻酸钠质量分数对复合水凝胶溶胀和保湿性能的影响

固定明胶质量分数2.5%，沙蒿胶质量分数0.5%，探究海藻酸钠海藻酸钠(0.5%、1%、1.5%、2%和2.5%)对复合水凝胶溶胀和保湿性能的影响，结果见图4。

(a) 溶胀率；(b) 保湿率

海藻酸钠对复合水凝胶溶胀和保湿性能的影响结果见图4，由图4(a)可知，随着海藻酸钠质量分数的增加，复合水凝胶的溶胀率逐渐降低，可能原因是随着海藻酸钠质量的增加，钙离子不断与之结合形成“蛋盒”结构使网络结构越来越致密，不利于水分子的进入。由图4(b)可知，随着海藻酸钠质量分数的增加使水凝胶失水速度增加，保湿率有所下降，且均在300 min左右达到平衡，保湿曲线的斜率代表水凝胶的失水速度，过量的海藻酸钠使凝胶表面交联点越多，阻碍了Ca2+向复配胶内部的迁移，从而导致内部形成凝胶不均，保湿率有所下降。综上，在海藻酸钠质量分数为1.5%时，力学性能和溶胀保湿性能较好。

2.5 不同沙蒿胶质量分数对复合水凝胶力学性能的影响

在明胶质量分数2.5%，海藻酸钠1.5%的条件下，探究沙蒿胶质量分数(0%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%)对复合水凝胶力学性能的影响，结果见图5。

(a) 应力-应变曲线；(b) 最大压缩强度；(c) 拉伸强度；(d) 断裂伸长率

沙蒿胶对复合水凝胶力学性能的影响结果见图5。由图5(a)、图5(b)可知，复合水凝胶的压缩强度随沙蒿胶的加入呈先增加后降低的趋势，未添加沙蒿胶时，复合水凝胶的压缩强度为338.6 kPa,沙蒿胶质量分数为0.7%时，压缩强度达到427.2 kPa，可能原因是由于沙蒿胶质量分数的增加，沙蒿胶中的羟基与明胶中的氨基及海藻酸钠中的羧基氢键作用力增强。沙蒿胶作为一种天然的中性多糖具有交联网络结构，两者使复合水凝胶压缩强度增加。这与孟杰等[19]结果一致。图5(c)、图5(d)分别为复合水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率，与压缩强度有着一样的趋势，当沙蒿胶质量分数为0.7%时，拉伸强度达到了563.449 kPa，断裂伸长率达到了117%。

2.6 不同沙蒿胶质量分数对复合水凝胶溶胀和保湿性能的影响

沙蒿胶是具有交联结构的大分子物质，吸水性很强，且具有高保水性[20]，沙蒿胶对复合水凝胶溶胀和保湿性能的影响结果见图6。

由图6(a)可知，复合水凝胶的溶胀率随沙蒿胶质量分数的增加而增加，开始时，水凝胶呈快速吸水的状态，之后吸水速度较为缓慢。沙蒿胶质量分数为0.7%时，复合水凝胶的溶胀率达到了744%，在体系中加入沙蒿胶后，沙蒿胶通过自身形成交联结构，并通过自身大量的羟基与海藻酸钠和明胶结合形成氢键作用力，进一步加固水凝胶的网络结构，使水凝胶具有较好的网络结构和孔结构，水分子更容易进入体系中。(b)为复合水凝胶的保湿率，随着沙蒿胶质量分数的增加，保湿率也随之增加，180 min后，0.7%的沙蒿胶仍有35%以上的保湿率，结合复合水凝胶力学性能的分析，沙蒿胶质量分数为0.7%时较好。

(a) 溶胀率； (b) 保湿率

2.7 红外光谱分析

为探究复合水凝胶官能团变化，对复合水凝胶进行红外光谱测试，结构见图7。

由图7可知，海藻酸钠光谱中在3 421 cm-1处有一宽峰是—OH的伸缩振动峰，在2 920 cm-1处出现的C—H的伸缩振动峰是海藻酸钠的特征峰。在1 605 cm-1和1 411 cm-1处的吸收峰是羧酸盐(COO—)对称伸缩振动吸收峰[21]。明胶光谱中在1 638 cm-1和1 460cm-1处出现的峰属于酰胺I和酰胺II[22]，在沙蒿胶光谱中，在3 428 cm-1处出现—OH的宽峰是由于沙蒿胶内含有大量的羟基引起的[23]。在由海藻酸钠和明胶制备的水凝胶中，海藻酸钠的羧基峰和明胶的氨基峰都明显减弱，这是由于明胶中的氨基和海藻酸钠中的羧基与钙离子之间发生了交联反应[24]，在海藻酸钠和明胶水凝胶体系中加入沙蒿胶后导致在3 300 cm-1～3 600 cm-1范围羟基峰形变宽，其原因在于沙蒿胶中大量的羟基在体系中自身形成氢键使复合水凝胶体系间氢键作用力增强。沙蒿胶羟基自身形成的氢键以及明胶中的氨基和海藻酸钠中的羧基与钙离子之间的络合作用共同影响着复合水凝胶的力学强度。

图7 水凝胶FT-IR光谱图

2.8 扫描电镜

为了进一步探究复合水凝胶的凝胶机理，对复合水凝胶进行扫描电子显微镜观察时，分别放大100倍和200倍进行观察。通过扫描电镜观察G/SA和G/SA/ASKG两种水凝胶的三维网状结构，结果见图8。

由图8(a)、图8(b)可知，未添加加沙蒿胶的水凝胶网络结构较为松散，孔径较大，加入沙蒿胶的图8(c)、图8(d)有明显的多孔结构，且多孔结构之间的连通性较好，这是由于沙蒿胶内大量的羟基在体系中形成大量氢键，增强了复合水凝胶中的网络结构，可以为小分子提供良好的通路，使之能够在网络中得到良好的存储，这为复合水凝胶的吸水和保湿提供了结构基础[25]。

(a)

2.9 溶血率测试

据报道，材料引起溶血的主要表现为红细胞(RBCs)被破坏导致血红蛋白流出搭配血液中，造成溶血性疾病。复合水凝胶的溶血率结果见图9。

图9 水凝胶溶血率

对于医用材料，一般用溶血率是否大于5%来判断，如果大于5%，说明材料会引发溶血现象，导致机体受到一定伤害，不可以用作医用材料，如果溶血率小于5%，说明材料对溶血的影响很小，不会发生溶血，可以用作医用材料[26]。由图9可知，G/SA溶血率为0.44%，G/SA/ASKG溶血率为0.59%，溶血率均远低于5%，可以用作医用敷料。

3 结论

本文采用共混-离子交联法制备海藻酸钠/明胶/沙蒿胶复合水凝胶，研究了不同质量分数的SA、G和ASKG对复合水凝胶力学性能、溶胀性能和保湿性能的影响，结果表明，当G为2.5%，SA为1.5%，ASKG为0.7%时，复合水凝胶压缩强度达到427.2 kPa，拉伸强度达到563.449 kPa，断裂伸长率为117%，溶胀率为744%。三者复合形成的水凝胶具有较好的网络孔结构，溶血率低于5%，具有良好的血液相容性，是一种制作医用敷料的良好材料，为后续医用敷料的研究提供了新的方向。