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• 温敏性水凝胶属于智能水凝胶的一种^[1-3]。其中，物理性水凝胶属于原位水凝胶的一种，是以氢键、盐键、静电引力、范德华力、π-π共轭等作用形成凝胶的^[4]，可实现可逆的溶胶-凝胶(sol-gel)相转变过程，具有良好的可注射性，可广泛地应用在医疗整形、软骨重建、药物控释、心脏修复、紧急止血等领域^[5-7]，因而备受关注。在软骨重建组织工程修复过程中，传统温敏水凝胶多用化学交联剂交联形成，属于体型高分子，不具可注射性，增加了操作的难度。与传统温敏水凝胶相比，可注射水凝胶生物活性高，不仅能增强生物相容性，提高细胞粘附性，提供细胞生长的微环境，而且具有成本低、塑型方便、操作便利、手术难度低、患者痛苦少等优点^[8-9]。

  聚合物/无机纳米复合材料兼具高分子材料密度低、耐磨、耐腐蚀等特点以及纳米无机颗粒的表面效应强、力学性能好的特点^[10-14]。聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPA)水凝胶具有良好的温敏性，其最低临界溶解温度(LCST)与人体生理学温度接近，且具有良好的生物相容性^[15]，但其力学强度较低，不能胜任组织工程的需要。类水滑石(LDHs)是具有特有六角形片状晶体结构的双金属氢氧化物，具有片层电荷密度可调、层间阴离子可调的特点，也具有良好的生物相容性和生物可降解性。功能化修饰后的LDHs可在很多高分子聚合物中实现纳米分散，从而显著提高聚合物的机械及力学性能^[16]。

  本文中，我们以LDHs纳米粒子为交联剂，通过引发自由基聚合，合成了PNIPA/LDHs复合水凝胶，研究了LDHs片层组成及添加量对复合水凝胶温敏性能的影响。以期制备得到温敏性好、可逆性好、开发前景优的水凝胶材料。

  1   实验部分

  1.1   试剂和仪器

  N-异丙基丙烯酰胺(NIPA，≥98%)购自上海阿达玛斯公司；过硫酸钾(KPS，≥99.5%)和四甲基乙二胺(TEMED，≥99%)购自上海阿拉丁化学试剂有限公司；无水乙醇(≥99.7%)、氢氧化钠、硝酸铝和硝酸镁，均为分析纯，购自天津市凯通化学试剂有限公司。

  Nicolet380型傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR, 美国Thermo Nicolet公司)；UV-2450型紫外可见分光光度计(日本岛津公司)；SU8020型扫描电子显微镜(SEM, 日本日立公司)；ALPHA-2-4LD型真空冷冻干燥机(德国Christ公司)；D8 Advance型X射线衍射仪(XRD, 德国Bruker公司)；DTG-60A/60AH型热重分析仪(日本岛津公司)；Q10型示差扫描量热仪(DSC, 美国TA公司)。

  1.2   实验方法

  1.2.1   Mg-Al-LDHs的制备

  按照文献[17]的方法，采用混合共沉淀法制备Mg-Al-LDHs。将初始原料比n[Mg(NO₃)₂]:n[Al(NO₃)₃]=3:1的合成LDHs标记为LDHs1，将n[Mg(NO₃)₂]:n[Al(NO₃)₃]=2:1记做LDHs2。

  1.2.2   PNIPA/LDHs复合凝胶的制备

  称取0.6 g的NIPA、0.01 g的KPS到磨口圆底烧瓶中，再分别加入1、2、4和6 mL质量分数为6%的LDHs溶液，用2次重蒸水补加至总质量为6 g。低温超声震荡2~4 min至药品完全溶解。N₂气保护下，向体系中加入6 μL TEMED，并迅速密封整个装置，强烈搅拌15 s后，置于20 ℃恒温水浴中，反应19 h。反应完成后，将凝胶浸泡在重蒸水中反复洗涤5次，每隔8 h，换1次重蒸水，以除去体系中未反应的小分子物质。复合水凝胶以合成时原料中LDHs种类及所占质量分数表示，如PNIPA/LDHs1-2%等。

  1.2.3   水凝胶的理化性质

  LDHs样品的XRD分析是根据合成样品的特征衍射峰，证实LDHs的存在。实验采用Cu靶Kα射线，40 kV管电压，λ=0.145 nm，管电流30 mA。FT-IR用以比较原材料NIPA、LDHs和复合水凝胶的功能基团，确定水凝胶中LDHs的掺入。水凝胶使用前完全干燥，与KBr充分研磨，压片后测定。热重分析主要用于证实水凝胶中LDHs的存在，升温速率为20 ℃/min。DSC升温速率为5 ℃/min。SEM观察是先将复合水凝胶置于1 cm×1 cm×5 cm的玻璃模具中冷冻定型(常压-25 ℃，初冻4 h)，取出在真空冷冻干燥机中冷冻干燥(-80 ℃，40 h)，然后于液氮中淬断，断面喷金后观察。

  1.2.4   复合水凝胶的温敏性测定

  复合水凝胶的温敏性采用透光率法^[5]。将复合水凝胶密封于石英比色皿中，置于28 ℃的恒温水浴中恒温10 min，保证水凝胶的温度达到平衡。取出迅速擦干，置于紫外可见扫描分光光度计中，测定500 nm处透光率。调节恒温槽温度每次升高1 ℃，重复以上操作。

  1.2.5   复合水凝胶的热可逆性

  将复合水凝胶密封于石英比色皿中，依次置于20、40 ℃的恒温水浴中，恒温10 min，迅速取出擦干，测其500 nm处的透光率。冷热循环次数为5。

  1.2.6   胶凝化时间的测定

  胶凝化时间采用试管倾倒法测定。将装有复合水凝胶的具塞平底试管倒置于37 ℃的恒温水浴中，观察复合凝胶的相转变行为，以试管倒置凝胶不流动判定为已经固化，将所需时间作为胶凝化时间。

  2   结果与讨论

  2.1   PNIPA/LDHs复合水凝胶的结构分析

  通过XRD和FTIR研究了水凝胶的结构。LDHs1样品的XRD图谱如图 1A所示。由图 1A可见，所合成的样品具有类水滑石样品在003、006和009晶面的特征衍射峰，且峰形尖锐，表明所合成的样品晶形单一，结构良好^[17]。由合成PNIPA/LDHs复合水凝胶的过程发现，凡加有LDHs的体系，均能形成水凝胶，无需再加交联剂；但未加有LDHs的体系，则不能形成水凝胶。说明LDHs在PNIPA聚合时起到了交联剂的作用。

  图1 LDHs的X射线衍射谱图(A)和PNIPA/LDHs复合水凝胶的红外光谱(B) Figure1. XRD spectrum of Mg-Al-LDHs1(A) and FTIR spectra of PNIPA/LDHs hydrogels(B)

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  图 1B给出了PNIPA/LDHs复合水凝胶及两种原材料LDHs和NIPA的红外图谱。由LDHs的红外图谱可以看出，3450 cm^-1附近的宽峰来自于水滑石层板及层间水的ν_OH对称收缩振动，与自由羟基(＞3650 cm^-1)相比，LDHs的ν_OH对称收缩有较小的数值，表示LDHs的片层和层间水的羟基均以氢键相连^[18]；在1637、1385、1000~500 cm^-1处的吸收峰分别为ν_OH的弯曲振动峰，—NO₃的对称伸缩吸收峰和水滑石的骨架振动^[19]。LDHs的红外图谱中未见O—C—O的对称或不对称伸缩振动峰(应该出现在1355和1500 cm^-1附近)，说明所合成样品中未有CO₂的进入^[20]。NIPA样品在3450 cm^-1附近出现的钝峰，为ν_N—H的伸缩振动，在1622 cm^-1附近的峰为典型的酰胺Ⅰ带ν_C=O的伸缩振动峰，1553 cm^-1是酰胺Ⅱ带N—H的弯曲振动峰，1379 cm^-1附近的小峰则归因于异丙基中的甲基变形振动，1247 cm^-1处是酰胺Ⅲ的N—H弯曲的特征吸收峰^[5]。PNIPA/LDHs复合水凝胶在1629 cm^-1仍保留酰胺Ⅰ带ν_C=O的较强吸收峰，但酰胺Ⅱ带N—H的弯曲振动峰消失，在1400 cm^-1处出现了—NO₃的对称伸缩吸收峰，表示LDHs在复合水凝胶中的存在。在1141~1086 cm^-1附近出现一个大的较宽吸收峰，归因于异丙基基团的C—H拉伸振动。与NIPA特征酰胺吸收峰相比，酰胺Ⅱ带N—H弯曲振动峰的消失，可表明PNIPA与LDHs或水分子间氢键的形成。所以LDHs对PNIPA的交联，可能是由氢键、静电引力等弱相互作用引起的，不属于作用力较强的化学交联。

  通过SEM研究了水凝胶的微观形貌，如图 2所示。由图 2可以看出，在没有添加任何制孔剂的情况下，所合成的水凝胶具有一定的孔洞结构。孔洞结构可为移植细胞的迁移、增殖提供空间，提高细胞存活性^[21]。

  图2 PNIPA/LDHs1-2%复合水凝胶的SEM照片 Figure2. SEM image of PNIPA/LDHs1-2% hydrogel

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  2.2   PNIPA/LDHs复合水凝胶的温敏性能

  温度敏感性是温敏性智能高分子水凝胶的重要特征。将实验所合成的PNIPA/LDHs复合材料采用紫外可见分光光度计测定透光率的方法研究温敏性，结果如图 3所示。可见，所示复合水凝胶均具有温敏性。在温度较低范围，T＜33 ℃时，复合水凝胶外观呈透明液体，透光率较高且变化不大，当温度升高到33 ℃后，透光率急剧下降，样品外观逐渐变至不透明的白色固态。所有样品均有相同的变化趋势。由图 3还可以看出，水凝胶的透光率亦受LDHs片层组成及n(Mg):n(Al)的影响。n(Mg):n(Al)=3:1的PNIPA/LDHs1系列样品均有较高的透光率，并显示出随着LDHs含量的增加透光率减小的趋势。透光率的变化实际是PNIPA亲水亲油性或最低临界溶解温度(LCST)随温度的改变。在LCST以下，PNIPA中酰胺基以氢键形式与溶剂水分子有较强的作用，PNIPA水溶性好，所以呈液态；在LCST以上，PNIPA与水分子相互作用降低，PNIPA分子间或与LDHs间作用增强，相互交联形成网状结构，因此颜色和流动性均发生改变。随PNIPA/LDHs1中LDHs质量分数的增加透光率降低，说明无机LDHs的加入，会影响透光性。值得注意的是，实验条件下不同LDHs含量的PNIPA/LDHs1透光率转折点温度均相同，说明所制备的复合材料的温敏性取决于PNIPA，与LDHs质量分数无关，也与LDHs片层金属摩尔比无关。

  图3 PNIPA/LDHs复合水凝胶溶液的相转变分析 Figure3. Phase transition analysis of the PNIPA/LDHs aqueous solution

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  将复合PNIPA/LDHs1-2%分别置于20、40 ℃的恒温水浴中，测其透光率随循环次数的变化，以测试复合水凝胶温敏可逆性，结果如图 4所示。可见，复合水凝胶的透光率具有相当好的可逆性。当冷热循环次数为5时，其在高低温时的透光率非常稳定。说明温敏特性没有变化，所以制备的复合水凝胶是一种稳定可逆的温敏材料。由此sol-gel过程的多次转变，也可以说明所合成的水凝胶是由非化学键交联而形成的。可以推知，所合成的PNIPA为线型高分子结构，在较低温度时，侧链上的酰胺基团多以氢键与水分子结合，柔性较强，呈溶液状态，而温度升高时，水分子热运动增强，导致水分子与酰胺基之间的氢键作用减弱，PNIPA上羰基受到LDHs层板所带正电荷的吸引，呈较规整的刚性排列，并与LDHs片层上羟基间形成氢键，整个体系变成以LDHs为交联剂、失去流动性的固体状态。

  图4 PNIPA/LDHs1-2%复合水凝胶的热可逆性 Figure4. The thermal-reversibility of PNIPA/LDHs hydrogel

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  胶凝时间也是智能温敏材料的一个重要指标，表示了对温度响应时间的长短。LDHs质量分数及金属片层组成对复合水凝胶胶凝时间的影响如图 5所示。可见，LDHs含量和金属片层组成对复合水凝胶溶液的凝胶化时间影响不大，基本均在100 s左右，温度响应性好。

  图5 PNIPA/LDHs1复合水凝胶溶液的胶凝时间 Figure5. The gel time of PNIPA/LDHs1 hydrogel solution

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  2.3   PNIPA/LDHs复合水凝胶的热稳定性

  图 6是LDHs和NIPA及水凝胶的TG/DTA图。由图 6A可见，NIPA失重主要发生在150 ℃左右，亦即此温度下就会发生NIPA结构的分解；LDHs的失重则分成不甚明显的3段，第1次失重发生于50~150 ℃之间，主要是LDHs吸附水分的失去，发生于300 ℃以后的失重主要是LDHs层间水和片层结构的破坏^[17]。复合水凝胶300 ℃前质量的缓慢下降可归因于吸附水的失去，而其第1次明显失重则发生在300 ℃，表示复合凝胶结构的分解。到达600 ℃时，复合水凝胶仍有少量物质剩余，而不像NIPA一样全部分解，表示LDHs虽经多次洗涤，并没有全部失去。由图 6B可以看出，原料NIPA的吸热峰主要在150 ℃左右，而表示失去层间水和结构破坏的LDHs吸热峰主要是在330和480 ℃，复合水凝胶的主要吸热峰则在400和520 ℃左右，由此看见，复合水凝胶的吸热峰比NIPA提高了近250 ℃，表明LDHs粒子可明显改善水凝胶的热稳定性能。

  图6 PNIPA/LDHs1-2%复合水凝胶的TG(A)和DTA(B)曲线 Figure6. TG(A) and DTA(B) curves of PNIPA/LDHs1-2% hydrogel

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  通过DSC考察LDHs含量和片层组成对LCST的影响，如图 7所示。可见，随着LDHs含量的增加，复合凝胶的吸热峰温度稍有增加，而随n(Mg):n(Al)的减小，吸热峰值稍有减小。说明LDHs粒子交联的PNIPA/LDHs复合凝胶，其LCST主要由PNIPA决定，LDHs的存在，对其LCST影响不大。这个结论与前面透光率实验基本一致，但透光率实验温度设置跨度较大(1 ℃)，所以才掩盖了LDHs含量和组成所造成的影响。

  图7 PNIPA/LDHs复合凝胶的DSC曲线 Figure7. DSC curves of PNIPA/LDHs hydrogel

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  3   结论

  本文采用自由基引发聚合合成了有机无机复合水凝胶PNIPA/LDHs，该水凝胶采用物理交联方式，具有温度响应快和可逆的特点，其LCST主要取决于PNIPA结构，随LDHs质量分数的增加有较小的增加，但LDHs质量分数和组成对复合水凝胶的透光率影响较大，LDHs的存在使PNIPA/LDHs复合水凝胶的热稳定性大大增强。制备得到的PNIPA/LDHs复合水凝胶有望做可注射性软骨支架材料，应用于人体组织工程，进行软骨损伤修复或重建。

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  图 1  LDHs的X射线衍射谱图(A)和PNIPA/LDHs复合水凝胶的红外光谱(B)

  Figure 1  XRD spectrum of Mg-Al-LDHs1(A) and FTIR spectra of PNIPA/LDHs hydrogels(B)

  a.LDHs; b.NIPA; c.PNIPA/LDHs1-2%; d.PNIPA/LDHs2-2%

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  图 2  PNIPA/LDHs1-2%复合水凝胶的SEM照片

  Figure 2  SEM image of PNIPA/LDHs1-2% hydrogel

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  图 3  PNIPA/LDHs复合水凝胶溶液的相转变分析

  Figure 3  Phase transition analysis of the PNIPA/LDHs aqueous solution

  a.PNIPA/LDHs1-1%; b.PNIPA/LDHs1-2%; c.PNIPA/LDHs1-4%; d.PNIPA/LDHs1-6%; e.PNIPA/LDHs2-2%

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  图 4  PNIPA/LDHs1-2%复合水凝胶的热可逆性

  Figure 4  The thermal-reversibility of PNIPA/LDHs hydrogel

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  图 5  PNIPA/LDHs1复合水凝胶溶液的胶凝时间

  Figure 5  The gel time of PNIPA/LDHs1 hydrogel solution

  a.PNIPA/LDHs1-1%; b.PNIPA/LDHs1-2%; c.PNIPA/LDHs1-3%; d.PNIPA/LDHs1-4%; e.PNIPA/LDHs1-5%; f.PNIPA/LDHs1-6%; g.PNIPA/LDHs2-2%

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  图 6  PNIPA/LDHs1-2%复合水凝胶的TG(A)和DTA(B)曲线

  Figure 6  TG(A) and DTA(B) curves of PNIPA/LDHs1-2% hydrogel

  a.LDHs; b.NIPA; c.PNIPA-LDHs

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  图 7  PNIPA/LDHs复合凝胶的DSC曲线

  Figure 7  DSC curves of PNIPA/LDHs hydrogel

  a.PNIPA/LDHs1-1%; b.PNIPA/LDHs1-2%; c.PNIPA/LDHs1-3%; d.PNIPA/LDHs1-4%; e.PNIPA/LDHs1-6%; f.PNIPA/LDHs2-2%

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