贻贝黏附蛋白启发的甲壳素纳...须增强湿态黏附水凝胶的研究_梁子毅.pdf

第54卷 第 3 期2023 年 3 月高分子学报ACTA POLYMERICA SINICAVol.54,No.3Mar.,2023贻贝黏附蛋白启发的甲壳素纳米晶须增强湿态黏附水凝胶的研究*梁子毅1,2 黄鸿键1,2 倪 鹏1,2 徐仁凤3 王正朝3 刘海清1,2*(福建师范大学 1化学与材料学院 2福建省高分子材料重点实验室 3生命科学学院 福州 350007)摘要报道了一种力学性能优良，湿态生物组织黏附能高的黏附水凝胶.该凝胶由丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯和3-三烯十五烷基-1,2-邻苯二酚共聚，与壳聚糖复合、并由甲壳素纳米晶须增强而成.该凝胶网络含有可逆和不可逆交联作用.其中可逆物理作用包括阴阳离子聚电解质静电吸引、烷基链疏水缔合、苯环-堆积、阳离子-、氢键和拓扑纠缠.由这些物理键形成的次级网络的可逆形成/破坏为水凝胶形变提供了能量耗散，从而提升了其断裂韧性.另一方面，水凝胶的快速吸水能力破坏了湿润基体表面的水合层，使凝胶表面基团能与组织表面形成物理键和化学键的界面相互作用，从而共同促进水凝胶与湿态组织的强韧黏附.水凝胶的断裂强度可达276.4 kPa，对湿润猪皮的界面黏附韧性可达831 J/m2，在水下对猪皮的界面黏附韧性约达236 J/m2，猪皮和猪肝伤口闭合强度分别可达26.2和16.5 kPa.该黏附凝胶适合作为免缝合的伤口闭合黏胶材料.关键词贻贝黏附蛋白，水凝胶，湿态黏附，黏附韧性组织胶黏剂常用于人体组织创伤的黏合，以克服传统缝合线和缝合钉在缝合部位发生应力集中、二次创伤和渗漏的问题.然而，它在实际应用中仍然面临一些挑战.例如：虽然氰基丙烯酸酯类组织黏胶的黏附强度高1，但它具有一定的生物毒性，且固化后的黏胶较脆，难以适应生物组织的运动.因黏附水凝胶柔韧性好、组织安全且能很好地适应生物组织的运动，因此它是伤口闭合的优质潜在材料.然而，目前的组织黏附水凝胶仍存在一些不足.其一，水凝胶中交联点之间聚合物链长度不均一引起应力集中、能量耗散能低，导致凝胶力学性能较差.其二，伤口组织周围通常有水或血液，它们与组织表面结合成水合层，阻隔黏附水凝胶上的黏附基团与组织表面基团的键合，造成凝胶与湿态组织的黏附强度低.因此，提高水凝胶的力学性能、实现水凝胶与湿润组织表面的强韧黏附仍是研究的难点.受贻贝黏附蛋白强韧水下黏附的启发，含多巴胺(DOPA)基团的湿态组织黏附材料的研究得到了湿态黏附领域专家的极大关注24.研究表明，仿生贻贝黏附蛋白黏胶必须综合考虑黏胶中的DOPA基团、亲疏水性、电荷、基团极性、能量耗散对黏附的影响，才能构建性能优异的湿态或水下黏胶.例如：徐虹课题组在-聚赖氨酸中引入多巴胺制备水凝胶，它的强黏附主要是由于水凝胶中儿茶酚和赖氨酸单元的协同作用3.Fischer 等通过改变聚合物主链上氨基阳离子、叔胺离子与多巴胺的儿茶酚基团的距离，证明了阳离子基团破坏水合层的能力4.Mu等课题组研究发现，氨基阳离子和儿茶酚基团不需要分子内相邻，就可以起到协同作用增强水凝胶与基底的水下黏附；并且在酸性条件下，由于儿茶酚与氨 研究论文*2022-07-27收稿，2022-09-09录用，2022-10-17网络出版；国家自然科学基金(基金号 52103108，22175037)、福建省工信厅教育厅联合重点项目(项目号 2021415-2021G02005)和福建省科技厅社会发展引导性项目(项目号 2020Y0020)资助.*通讯联系人，E-mail:本文附有电子支持材料，与正文一并刊载在本刊网站http:/www.gfzxb.orgdoi:10.11777/j.issn1000-3304.2022.22254365高分子学报2023年基阳离子的微量电离，它们对黏附的协同效应更强5；另外一项研究通过将儿茶酚基团嵌入到动态硼酸酯聚合物中6，证明了动态键在提高能量耗散和黏附性能的显著作用.我们课题组的研究发现疏水基团的引入可以大幅度提高贻贝启发黏附水凝胶的内聚能及湿态/水下组织黏附能力7.除贻贝外，一些软体动物也会产生由DOPA与矿化物质产生的复合黏胶，从而对岩石等多种基底产生牢固黏附.受该现象的启发，Leibler等报道了一种引入无机纳米颗粒的水凝胶，无机纳米颗粒能增强水凝胶对基底的黏附能力，其对水凝胶与生物组织的黏附能力的提升更为明显.作者认为，无机纳米颗粒在水凝胶中吸附聚合物链，从而使聚合物链形成以无机纳米颗粒为核心的星状辐射的分布方式，与经典网络状结构相比，该结构使聚合物链与基底有更大的接触几率8，从而提高水凝胶的黏附能力.另一方面，纳米颗粒与聚合物链在外力作用下发生可逆的吸附-解吸附过程也能提高水凝胶的黏附性能810；该过程同时增强水凝胶的能量耗散，提高水凝胶的力学性能.受贻贝黏附蛋白化学结构的启发，并根据强韧水凝胶的结构要求，本研究以丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯和3-三烯十五烷基-1,2-邻苯二酚为单体，通过自由基引发聚合制备水凝胶.为提高凝胶的内聚能和韧性，我们在凝胶中添加壳聚糖和甲壳素纳米晶须(CNF).CNF 具有高长径比、低密度和高模量(纵向和横向模量分别为150和15 GPa)11.它在酸性水溶液中具有良好分散性12；还具有生物降解性13和生物相容性11,12,14.因此，该水凝胶具有下述结构特征：(1)聚丙烯酸单元，它能快速吸水，破坏界面水合层；(2)儿茶酚基团和羧基黏附基团；(3)壳聚糖分子与共聚物中聚丙烯酸和聚3-三烯十五烷基-1,2-邻苯二酚单元的羧基和苯基产生诸如氢键、静电吸引和阳离子-等物理相互作用，以增强水凝胶的内聚能及形变时的能量耗散能力；(4)甲壳素纳米晶须的增强增韧作用.这些结构特征使我们相信能够构建优异的湿态组织黏附水凝胶.1实验部分1.1原料丙烯酸(AA)、甲壳素(CT)由上海阿拉丁公司提供；甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)由上海毕得医药科技公司提供；N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)、过硫酸铵(APS)、冰醋酸(CH3COOH)由国药集团提供；3-三烯十五烷基-1,2-邻苯二酚(UH)购自湖北恩施，采用文献方法15提纯后使用；壳聚糖(CS)由如吉生物科技公司提供(脱乙酰度90%).1.2黏附水凝胶的制备甲壳素纳米晶须(CNF)的制备.首先，将CT进行纯化和部分脱乙酰：(1)将 CT 粉末置于5 wt%NaOH溶液中室温搅拌12 h，随后洗至中性以去除蛋白质；(2)用 7 wt%的HCl溶液处理 12 h，然后用水洗至中性以除去矿物质.(3)重复上述(1)与(2)步骤循环2次；(4)将步骤(3)处理得到的CT用33 wt%NaOH 溶液在90 搅拌处理3 h，进行部分脱乙酰.所得产物用去离子水洗至中性并冷冻干燥得到部分脱乙酰的CT.采用双突跃电位滴定法16，测量所得甲壳素的脱乙酰度为36.2%(电子支持信息图S1).参考文献报道的方法1012，将一定量部分脱乙酰的甲壳素加入至0.1 mol/L乙酸溶液中，搅拌24 h使甲壳素质子化，然后将液体进行超声1 h并且进行离心处理(8000 r/min，10 min)，取上层清液，得到 CNF分散液.在45 下通过减压蒸发浓缩得到不同浓度的CNF分散液.将分散液冷冻干燥处理得到CNF粉末，经XRD测试证明了CNF具有CT固有的晶态结构(电子支持信息图S2).在 CNF 溶液中加入一定量的水、乙酸和CS，搅 拌 30 min，记 为 溶 液 A；配 制 AA、MBAA、UH、HEMA和APS的水溶液，于25 搅拌30 min，记为溶液B.将溶液A和B混合后，快速转移到冰水中，搅拌30 min后，转移至模具中于25 反应24 h得到一定形状的黏附水凝胶.记为PAHwUx-CSy-CNFz水凝胶，w，x，y，z分别为HEMA、UH、CS、CNF相对于AA的质量百分数.1.3结构表征将冻干的水凝胶粉末进行溴化钾压片，使用傅里叶红外光谱仪(PerkinElmer)对水凝胶进行表征.仪器分辨率为4 cm1，扫描次数为32次，扫描范围为4000500 cm1.将稀释后的CNF溶液滴在微栅网上，干燥后，通过透射电子显微镜(TEM，JEM-2100，OLYMPUS)观察CNF的形貌3663期梁子毅等：贻贝黏附蛋白启发的甲壳素纳米晶须增强湿态黏附水凝胶的研究大小.1.4性能测试使用万能材料试验机(LR5K Plus，英国Lloyd公司)在25下测试水凝胶的力学性能(拉伸与压缩性能)与黏附性能(界面黏附韧性与伤口闭合黏附强度).拉伸测试是将用哑铃形模具(25 mm 4 mm 3 mm)制成哑铃形水凝胶，在拉伸速率为100 mm/min下拉伸至水凝胶断裂.将水凝胶制成圆柱形(直径15 mm，高度15 mm)，在压缩速率为50 mm/min下评估水凝胶的压缩性能.上述每组测试5次，取其平均值.根据断裂应力-应变曲线所围成的面积计算水凝胶的断裂韧性(toughness，kJ/m3)，计算公式：Toughness=d(1)其中为断裂应力，为断裂应变.水凝胶对生物组织的界面黏附韧性的表征：将 75 mm 15 mm 4 mm 的水凝胶一面贴上PET衬膜，再将水凝胶黏附于湿润新鲜猪皮表面，于25 放置30 min，之后进行90剥离测试，拉伸速率为100 mm/min.界面韧性(interfacial toughness,J/m2)的计算公式为：Interfacial toughness=Fw(2)其中F为曲线平台处的力，若没有平台出现，则采用断裂点的力；w为水凝胶的宽度.重复测试5次，取平均值.采用新鲜猪皮作为生物组织以测量水凝胶的伤口闭合黏附强度：将60 mm 25 mm 4 mm的湿润新鲜猪皮在正中间平直切开，模拟手术或受伤的创口，再将贴有PET衬膜的30 mm 15 mm 4 mm水凝胶黏附于切口中间，使左右黏附面积相等，黏合面积为30 mm 15 mm.以50 mm/min的速率将2块猪皮沿剪切方向拉开，直至水凝胶被完全剥离.伤口闭合黏附强度(wound closure adhesion strength)的计算公式为：Wound closure adhesion strength=2FS(3)其中F为最大应力；S为水凝胶的黏合面积.重复测试5次，取平均值.水凝胶的溶胀率：称取一定质量冷冻干燥的凝胶(m0)放入50 mL PBS溶液，25 浸泡溶胀50 h.取出后用滤纸去除凝胶表面水后准确称量溶胀凝胶的质量(mt)，每个样品平行试验4次.根据公式进行计算溶胀率(swelling rate)：Swelling rate=mt-m0m0100%(4)以小鼠胚胎成纤维细胞3T3为模型，采用在水凝胶表面直接接触的方法评估样品的细胞相容性.将水凝胶裁切成直径约为 15 mm，高度为2 mm的圆柱体.先对样品进行30 min紫外灭菌，再在0.1 mg/mL的生理盐水中浸泡 30 min，之后转入24孔培养板中(培养基为MEM:马血清=9:1(质量比).然后以每孔5000个的密度将3T3细胞接种在样品上.细胞在5%CO2,37 条件下孵育24、48和72 h后，用PBS清洗各孔3次，加入100 L含0.5 mg/mL WST-8的培养基，5%CO2，37 恒温培养箱中培养4 h.加入100 L DMSO，震荡10 min对细胞进行染色，采用Cell Counting Kit-8 荧光染色试剂盒(Beyotime Biotechnology，上海)和酶标仪(BioTek Synergy)评估每个样品上的细胞活力，在450 nm处测定其吸光度.细胞活力(cell viability)用下述公式计算：Cell viability=AtA0 100%(5)其中At和A0分别为与PAH3U5-CS3-CNF3水凝胶接触的细胞的吸光度和空白细胞的吸光度.此外，PBS冲洗24孔板中的细胞以除去多余血清，对细胞依次用钙黄绿素(Calcein-AM)和碘化丙啶(PI)染色，用共聚焦显微镜(Carl Zeiss,Gttingen,Germany)观察3T3细胞的存活情况.2结果与讨论2.1黏附水凝胶的设计及制备策略受贻贝黏附蛋白结构的启发以及水凝胶材料能量耗散机制的指导，将AA、UH和HEMA(图1(a)组成的预聚液，与CS及CNF(图1(b)共混溶液进行混合，通过自由基引发聚合制备含有与贻贝黏附蛋白相同的儿茶酚和阴阳离子基团结构17的黏附水凝胶.CS分子和CNF通过氢键和静电相互作用18均匀贯穿于P(AA-co-UH-co-HEMA)聚合物(图1(c)网络中，形成离子键和CNF增强韧的聚合物水凝胶.一方面，该水凝胶中存在多种可逆相互作用(图1(c)，如聚合物主网络的聚丙烯酸单元的羧基阴离子(COO)与含有氨基阳离子(NH3+)的CS和CNF之间的静电相互作用、聚合物链吸附于CNF表面产生的拓扑纠缠19,20、UH 长烷烃链之间的疏水缔367高分子学报2023年合21,22、儿茶酚基团之间的-堆积18,23、儿茶酚基团与CS和CNF的阳离子-24，以及氢键相互作用.这些物理键形成水凝胶的次级交联网络，在水凝胶被拉伸和收缩时能起到能量耗散作用，从而提升水凝胶的力学性能；另一方面，当水凝胶接触湿润猪皮组织表面时(图2(a)，其表面的水合阳离子会由于受到水凝胶中的阳离子的静电斥力而被移除25,26.水分子因水凝胶内部的亲水基团(羧基、羟基、氨基)的作用(CNF自身具有亲水作用)从而进入水凝胶网络中(红色箭头所示)，从而有效破坏界面水合层，导致猪皮表面的各种基团被暴露；随后如图2(b)所示，接触界面形成多种物理和化学黏附键合作用：水凝胶表面的儿茶酚基团与猪皮组织表面的羟基、NH3+、具有芳香结构的蛋白质(如由酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸组成的蛋白质)与巯基(SH)分别形成氢键、阳离子-27,28、-堆积29与共价键30；其表面的NH3+与猪皮表面的COO和芳香结构蛋白质分别形成静电吸引31和阳离子-相互作用；其表面的COO与猪皮表面的NH3+同样形成静电吸引作用.上述水凝胶内丰富的能量耗散体系、和与生物组织之间的多种界面键合作用，可实现水凝胶良好的力学性能和优异的湿态/水下组织黏附能力.OOOOOOOOOOOONHNHHOHOHOHOHOHOOHOHOHOHOHCSnOHOHNH2NH2NH2NH2NH2NH3+NH3+NH3+NH3+NH2CNFProtonated CSProtonated CNFMBAA crosslinking siteHydrophobic associationHydrogen bondElectrostatic attractionCation-interaction(a)(b)(c)Fig.1 (a)Monomers(AA,HEMA and UH)and(b)Cation polysaccharide(CS and CNF)that compose the hydrogel;(c)Network structure and interaction of the PAHU-CS-CNF hydrogel.(a)(b)Porcine skinPorcine skinFig.2 (a)Interfacial water molecules cleared by the hydrogels absorption(red arrows indicate water movement direction),leading to destruction of the interfacial hydration layer.(b)Multiple interfacial interactions on the hydrogel/porcine skin interface.3683期梁子毅等：贻贝黏附蛋白启发的甲壳素纳米晶须增强湿态黏附水凝胶的研究2.2水凝胶的力学性能对于 PAHU-CS 水凝胶，CS 的存在非常重要.当未引入CS时，溶液体系无法在室温(25)下形成水凝胶.当引入CS后，溶液能形成PAHU-CS水凝胶，它在拉伸4倍时仍保持完好，体现良好的韧性(图3(a).CS含量对PAH1U1-CSy水凝胶的成胶能力、应力与应变都有明显的影响.图3(b)和3(c)显示CS/AA=3%(质量百分数)的水凝胶具有最佳的断裂强度(78.2 kPa)和断裂韧性(142.2 kJ/m3)，而 CS/AA=1%和 5%的水凝胶断裂强度分别为31.3和54.6 kPa，断裂韧性分别为42.8 和 110.6 kJ/m3.PAHU-CS 水凝胶中，存在PAA 阴离子聚电解质链段和 CS 阳离子聚电解质，两者间形成静电作用.它作为非共价交联点对凝胶的力学性能产生显著影响.CS/AA比例较低时(1%)，CS与PAA链段间的物理交联点少，分子链容易滑移，强度较低；当CS/AA比例较高时(5%)，物理交联点增多，应力提高，但应变降低，断裂韧性下降，导致能量耗散能力减弱.因此固定CS/AA=3%，研究HEMA和UH含量对水凝胶的应力-应变以及断裂韧性的影响.随着HEMA和UH含量的提升，水凝胶的断裂强度和韧性总体上都有提升(图3(d)和3(e)，例如以UH与CS含量都为3%的水凝胶作对比，HEMA的含量从1%增加至5%，其断裂强度从75.0 kPa提升至121.7 kPa(增加了61%)；断裂韧性从142.3 kJ/m3提高至351.7 kJ/m3(增加了147%).再例如HEMA含量均为 7%的 PAU1H7-CS3水凝胶和 PAU5H7-CS3水凝胶，UH的含量从1%增加至5%，其断裂强度和断裂韧性分别提高了101%和218%.这是由于两者含量的提高，一方面使聚合物链上的支链增多，增强了分子链之间的空间位阻效应；另一方面，HEMA含量的提高，使其羟基与体系中其他单元的羧基、氨基、邻苯二酚的羟基间形成氢键作用，导致分子链滑移和聚合物网络形变所需的能量更多，最终体现于断裂强度和韧性的升高.HEMA与CS之间的氢键作用对材料形变时的能量耗散的贡献也在CS/P(AA-HEMA)水凝胶中得到了证实32.综合考虑水凝胶的强度和韧性，以及界面黏附韧性(见后文部分)，采用PAH5U3-CS3(CS/AA=3%，HEMA/AA=5%，UH/AA=3%)进行后续研究，研究CNF如何影响水凝=40100200300400020406080100Stress (MPa)Strain(%)CS/AA=1%CS/AA=3%CS/AA=5%123450100200300400500Toughness(kJ/m3)CS/AA(%)1234501234567020406080100120140160180200Fracture strength(kPa)UH/AA(%)1234501234567HEMA/AA(%)HEMA/AA(%)UH/AA(%)0100200300400500600Toughness(kJ/m3)(b)(a)(c)(d)(e)Fig.3 Mechanical performance of PAHU-CS hydrogels:(a)Photos of a dumbbell-shaped hydrogel before and after pulling 4;(b)Stress-strain curves of PAH1U1-CSy hydrogels;(c)Relationship between fracture toughness and CS content of PAH1U1-CSy hydrogels;(d)Relationship between mechanical strength and content of HEMA and UH of PAHwUx-CS3 hydrogels;(e)Relationship between fracture toughness and content of HEMA and UH of PAHwUx-CS3 hydrogels.369高分子学报2023年胶的力学性能.为进一步提高水凝胶的强度和韧性，在PAH5U3-CS3水凝胶中引入带NH3+的CNF.CNF的TEM图(电子支持信息图S3)显示其直径为20 nm、长度为1001500 nm，因此期望CNF能在水凝胶体系中与聚合物网络发生拓扑纠缠.图 4(a)为PAH5U3-CS3-CNFz的应力-应变曲线.与未含CNF的水凝胶比较，PAH5U3-CS3-CNF2(CNF/AA=2%)和 PAH5U3-CS3-CNF3(CNF/AA=3%)的水凝胶的拉伸强度从 115.7 kPa 分别增加至 153.1 和276.4 kPa，即分别提高了33%与140%；而断裂伸长率则分别降低了46%和22%(图4(b)，这是由于CNF与聚合物网络之间有可逆相互作用(拓扑纠缠和静电作用)，一定程度阻碍了分子链的形变与滑移，使断裂强度提高的同时，断裂伸长率有所下降.图4(c)为PAH5U3-CS3-CNFz水凝胶的断裂韧性，随着水凝胶中CNF/AA 含量提高至3%，PAH5U3-CS3-CNF3的断裂韧性达到最大，约为633 kJ/m3，约为PAH5U3-CS3-CNF0的2倍.随着 CNF/AA 增至 4%，PAH5U3-CS3-CNF4的拉0123450100150200250300350CNF/AA(%)Fracture strength(kPa)200300400500600700Fracture strain(%)0100200300400500600050100150200250300350Stress(kPa)Strain(%)CNF/AA=0%CNF/AA=1%CNF/AA=2%CNF/AA=3%CNF/AA=4%012340100200300400500600700800Toughness(kJ/m3)CNF/AA(%)02040608000.20.40.60.81.01.21.41.6Stress(MPa)Strain(%)CNF/AA=0%CNF/AA=1%CNF/AA=2%CNF/AA=3%CNF/AA=4%0123400.20.40.60.81.01.21.41.61.8Compression strength(MPa)CNF/AA(%)(b)(a)(c)(d)(f)(e)Fig.4 Mechanical performance of PAH5U3-CS3-CNF hydrogels:(a)Stress-strain curves of PAH5U3-CS3-CNFz hydrogels;(b)Relationship between fracture strength and strain and CNF content in the hydrogels;(c)Relationship between fracture toughness and CNF content in the hydrogels;(d)Photos of a cylindrical PAH5U3-CS3-CNF3 hydrogel before and after compressing for strain of 80%;(e)Compression stress-strain curves of PAH5U3-CS3-CNFz hydrogels(the compression strain is set to 80%);(f)Relationship between compression strength and CNF content in PAH5U3-CS3-CNFz hydrogels(the compression strain is set to 80%).3703期梁子毅等：贻贝黏附蛋白启发的甲壳素纳米晶须增强湿态黏附水凝胶的研究伸强度和断裂韧性没有发生显著变化.PAH5U3-CS3-CNFz水凝胶在压缩80%时没有发生破裂，卸力后能恢复原状(图4(d).在压缩80%时，PAH5U3-CS3-CNFz水凝胶的压缩强度随CNF含量的增多而增加(图 4(e)和 4(f).与 PAH5U3-CS3-CNF0比较，PAH5U3-CS3-CNF4的压缩强度从0.49 MPa增加至1.44 MPa，提升了193%.以上结果表明适量的CNF能够明显提高水凝胶的力学强度和韧性.CNF表面的NH3+使其能与聚合物网络骨架产生静电作用，使高模量的CNF增强水凝胶的力学性能33,34.为了分析水凝胶的化学结构，并且进一步探究体系中可逆相互作用的主次，制备了PAH5U3-CNF3和 PAH5-CS3-CNF3水凝胶，并与 PAH5U3-CS3-CNF3水凝胶进行对比.FTIR(图 5(a)显示PAH5U3-CS3-CNF3和 PAH5-CS3-CNF3的谱图相似：1720 cm1为聚丙烯酸单元羧羰基的伸缩振动峰；PAH5U3-CS3-CNF3在2919 cm1处的强吸收峰为UH单元的烷基侧链CH伸缩振动峰.由此表明UH与AA发生了共聚.CS在1066 cm1有较强的CN吸收峰，而在PAH5U3-CS3-CNF3和PAH5-CS3-CNF3该吸收峰变弱或消失，表明水凝胶体系的中COO与NH3+静电相互作用很强，阻碍了CN键的运动.在制备PAH5U3-CS3-CNF3和PAH5-CS3-CNF3水凝胶的过程中发现，当体系中没有CS或UH时，在25 环境下需要24 h才能成胶，比CS或UH存在时缓慢得多.这说明AA与CS的静电相互作用、UH的疏水缔合作用在制备水凝胶的过程中有重要作用.通过力学性能测试对比(图5(b)5(d)，发现若缺少UH、CS和CNF其中任何一种，PAH5U3-CS3-CNF3水凝胶的力学性能都会有大幅下降.如PAH5U3-CNF3水凝胶的断裂强度比PAH5U3-CS3-CNF3水凝胶下降了50%，断裂韧性也下降了50%；PAH5-CS3-CNF3水凝胶的断裂韧性比PAH5U3-CS3-CNF3水凝胶下降了60%.由此表明，静电相互作用、疏水相互作用、氢键和拓扑纠缠是最主要的可逆相互作用，例如 CS 与CNF之间会产生的氢键作用(两者的共混溶液黏度大)，CS和CNF自身会与聚合物网络静电相互4000350030002500200015001000Wavenumber(cm-1)PAAPAH-CS-CNFPAHU-CS-CNFCS(a)1720291910660100200300400500600050100150200250300350Stress(kPa)Strain(%)050100150200250300350PAH5U3-CNF3PAH5U3-CS3PAH5U3-CS3-CNF3Fracture strength(kPa)PAH5-CS3-CNF3PAH5U3-CNF3PAH5U3-CS3PAH5U3-CS3-CNF3PAH5-CS3-CNF30100200300400500600700800Toughness(kJ/m3)PAH5U3-CS3-CNF3PAH5-CS3-CNF3PAH5U3-CNF3PAH5U3-CS3(b)(d)(c)Fig.5 (a)FTIR spectra of CS,PAH5U3-CS3-CNF3,PAH5-CS3-CNF3 and PAA hydrogels;(b)Stress-strain curves,(c)fracture strength and(d)toughness of PAH5U3-CS3,PAH5U3-CNF3,PAH5-CS3-CNF3 and PAH5U3-CS3-CNF3 hydrogels.371高分子学报2023年作用，CNF还会对聚合物网络发生拓扑纠缠，聚合物网络之间有疏水相互作用，即各可逆相互作用之间有着相辅相成的关系.在水凝胶体系中，儿茶酚之间阳离子-、-堆积则是辅助的相互作用.因为在聚合物网络的水环境中，由于静电相互作用的距离较长，而阳离子-、-堆积相互作用较弱且距离短，促使分子链产生相互作用的主要驱动力不是阳离子-、-堆积相互作用，而是静电作用主导的35.2.3水凝胶的黏附性能首先以PAHU-CS水凝胶为研究对象，探究UH、HEMA和CS含量对水凝胶与湿态猪皮组织的界面黏附韧性的影响.在90剥离的过程中，界面黏附处出现了许多纤维状的结构(图6(a)，表明凝胶与猪皮在界面处形成了良好的黏附.前文所述的PAH1U1-CSy拉伸测试(图3(b)和3(c)显示 CS/AA=3%时的力学性能最佳，因此先固定CS含量为3%，结果表明PAH5U3-CS3的界面黏附韧性达到最高(267.6 J/m2)(图6(b).接着固定配方PAH5U3，研究水凝胶中CS含量的影响，通过90剥离测试得到PAH5U3-CSy的剥离力-位移曲线(图6(c)和界面黏附韧性(图6(d)，其中PAH5U3-CS1、PAH5U3-CS3和 PAH5U3-CS5的组织界面黏附韧性分别为183.6、267.6和382.3 J/m2，表明该水凝胶的界面黏附韧性随CS含量的增加而增大.结合PAH5U3-CSz水凝胶的断裂强度与断裂韧性对比分析，我们发现它的本体强度和韧性与它的猪皮界面黏附韧性有正相关关系.但是，这种关系并不是完美的正比关系，例如：PAH5U3-CS3的本体力学性能最佳，但界面黏附韧性最强的却是PAH5U3-CS5水凝胶.由此表明该水凝胶黏附性能并不完全取决于其力学性能.这符合黏附的基本特性，因为界面黏附韧性的最重要决定因素是黏胶与基底的界面相互作用3638.水凝胶体系中CS的含量的增加导致凝胶表面-NH3+数量的增多，从而提升脱除界面水的效率26,3941及增加界面静电作用42，因此可以提高水凝胶与组织的界面黏附韧性(图(2).水凝胶与基体之间的强韧黏附需要强界面相互作用和高凝胶内聚能26,39,42,43.后者保证在脱黏过程中水凝胶不发生内聚失效，而是产生形变，因而耗散大量能量.在水凝胶中引入CNF后，PAH5U3-CS3-CNF的界面黏附韧性得到进一步提升：PAH5U3-CS3-CNF3的界面黏附韧性为831 J/m2，比PAH5U3-CS3-CNF0提高了约220%(图6(e)和6(f).这是因为：(1)携带OH和NH3+的CNF能提高水凝胶的亲水能力(在溶胀性能的测试中(电子支持信息图S4)证明了该现象)和破坏水合层的能力；(2)在 PAH5U3-CS3-CNF3中CNF与水凝胶网络发生静电相互作用与拓扑纠缠.CNF自身具有高比表面积(130 m2/g)和丰富羟基，从而导致使得CNF与其他分子链和黏附基底之间具有黏聚效应11，在水凝胶内部与界面黏附自组装形成新的凝聚态结构超分子结构44，从而导致其良好断裂韧性(比未引入CNF的水凝胶提升91%)，增强了它的能量耗散能力，提高了它组织黏附的界面韧性45.我们的PAHU-CS-CNF水凝胶的力学性能以及组织黏附的界面韧性，优于大部分组织黏附水凝胶.例如商用的组织黏胶：氰基丙烯酸类胶黏剂(histoacryl、dermabond)46的界面韧性为70 J/m2，白蛋白胶黏剂(BioGlue)46的界面韧性为20 J/m2，纤维蛋白胶黏剂(Tisseel)46的界面韧性为15 J/m2.再例如实验室开发的组织黏胶：由N-异丙基丙烯酰胺/壳聚糖/微米纤维构建的复合水凝胶47，其断裂强度为260 kPa，界面黏附韧性120 J/m2.由丙烯酸N-羟基琥珀酰亚胺酯、明胶和壳聚糖构建的组织黏附双面胶膜46，其与湿态猪皮的界面韧性为710 J/m2.由此表明我们研发的水凝胶具有良好的力学性能与优异的黏附性能.另外，还评价了PAH5U3-CS3-CNF3与其他干态基底的黏附(图6(g)和6(h).研究发现它与非生物组织表面的黏附韧性较差.水凝胶与金属和无机非金属基体如铜和玻璃的界面黏附韧性分别为96.2 和 10.1 J/m2，而与有机高分子基体如 PE、PMMA和丁腈橡胶(NBR)的界面黏附韧性分别为15.3、7.2和53.0 J/m2.鉴于该水凝胶与湿态猪皮的界面黏附韧性高达830 J/m2，由此表明该水凝胶对生物组织有显著的选择黏附性.这应该归功于水凝胶与生物组织界面的多种键合作用.正如前文关于水凝胶设计策略所提到，PAH5U3-CS3-CNF3水凝胶中有大量OH、COOH，可以与猪皮表面的OH、NH2和COOH产生氢键和静电作用；水凝胶的儿茶酚基团与猪皮表面的NH3+形成阳离子-相互作用(水凝胶本身具有弱酸性，黏附时使猪皮表面的氨基发生阳离子化)；另外，少量由儿茶酚基团氧化生成的邻苯3723期梁子毅等：贻贝黏附蛋白启发的甲壳素纳米晶须增强湿态黏附水凝胶的研究5432101234567050100150200250300HEMA/AA(%)Interfacial toughness(J/m2)UH/AA(%)010200100200300400500Force/Width(N/m)Extension(mm)Extension(mm)CS/AA=1%CS/AA=3%CS/AA=5%01234560100200300400500Interfacial toughness(J/m2)Interfacial toughness(J/m2)Interfacial toughness(J/m2)CS/AA(%)CS/AA(%)010203002004006008001000Force/Width(N/m)Force/Width(N/m)CNF/AA=0%CNF/AA=1%CNF/AA=2%CNF/AA=3%CNF/AA=4%012340200400600800100001020020406080100120140Extension(mm)PE PMMA Cu Fe Glass NBR0501006506007007508008509009501000Porcine skinPEPMMA CuFeGlassNBRHydrogelF(a)PETbacking(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)Fig.6 Interfacial toughness of PAHU-CS and PAHU-CS-CNF hydrogels on porcine and other substrates(dry and wet states).(a)Schematic diagram of the 90o peeling test and fibrils(indicated by red arrows)on the hydrogel/porcine skin interface(wet state);(b)Effect of UH and HEMA content on the interfacial toughness of PAHwUx-CS3 hydrogels on wet porcine skin;(c,d)Effect of CS content on the interfacial toughness of PAH5U3-CSy hydrogels on wet porcine skin;(e,f)Effect of CNF content on the interfacial toughness of PAH5U3-CS3-CNFz hydrogels on wet porcine skin;(g,h)Interfacial toughness of PAH5U3-CS3-CNF3 hydrogels on various dry substrates.373高分子学报2023年二醌容易与猪皮上的亲核性基团SH通过迈克尔加成反应形成SC共价键作用(图2(b).至于水凝胶对Cu、Fe的黏附是由于儿茶酚基团与铜原子、铁原子形成弱配位键的作用；水凝胶与PE和PMMA的黏附力来自于弱范德华力和疏水相互作用力.由于水凝胶具有出色的生物组织选择黏附性，而与非生物组织的黏附力弱，所以将水凝胶用于伤口闭合时，它不易黏附于金属和高分子医疗器材，从而给应用带来较大的便利.除上述黏附性能研究外，还探