PAA/PAAm雙網(wǎng)絡(luò)關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)水凝膠的制備和性能研究

梅奕++熊黨生

摘 要：根據(jù)“雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠”設(shè)計(jì)思路，以紫外光引發(fā)自由基聚合的原理，制備了高強(qiáng)度聚丙烯酸/丙烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，并添加SiO2對(duì)DN凝膠進(jìn)行改性，系統(tǒng)研究了SiO2的加入量對(duì)DN復(fù)合凝膠微觀形貌、力學(xué)性能和粘彈性特征的影響。結(jié)果表明，DN凝膠中添加適量SiO2會(huì)提高凝膠的壓縮強(qiáng)度，當(dāng)SiO2含量超過一定程度時(shí)，繼續(xù)增大SiO2含量會(huì)導(dǎo)致材料壓縮強(qiáng)度下降。這對(duì)其應(yīng)用于軟骨修復(fù)有重要意義。

關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié) 凝膠 雙網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TH117.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（a）-0028-02

人體關(guān)節(jié)軟骨主要功能是緩沖載荷，以及減少相鄰兩骨間的摩擦[1]。天然的關(guān)節(jié)軟骨作為一種承重材料，具備較高的強(qiáng)度、沖擊韌性以及極為潤(rùn)滑的表面，同時(shí)有高達(dá)75%的含水量，是性能優(yōu)良的“軟而濕”的材料[2]。然而，天然軟骨的周圍缺乏血液供應(yīng)，損傷后難以再生，將嚴(yán)重影響關(guān)節(jié)的功能。尋找理想的人工合成軟材料以替代損傷的天然軟骨，是目前生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所面臨的一個(gè)重要問題。

對(duì)于軟骨修復(fù)材料的選擇，要綜合考慮機(jī)械強(qiáng)度、生物相容性、降解速率等多種因素，近年來研究表明，水凝膠材料作為一種含有大量水分的三維網(wǎng)絡(luò)聚合物，有著類似于人體軟組織的力學(xué)特征，同時(shí)其三維網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)便于小分子在其中自由擴(kuò)散，使其生物相容性優(yōu)良，因此水凝膠被認(rèn)為是用于軟骨替代的較為理想的材料。然而大部分水凝膠十分脆弱，為了改善水凝膠的力學(xué)性能，近年來研究者提出了很多思路，其中比較成功的一種是雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（Double network hydrogel，DN）的概念，其設(shè)計(jì)思路是首先用交聯(lián)度較高的聚電解質(zhì)合成第一層網(wǎng)絡(luò)，以此為模板，在其中引入中性低交聯(lián)度第二層網(wǎng)絡(luò)，以形成雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。第一層網(wǎng)絡(luò)為DN凝膠提供了剛性骨架，保持凝膠外形，而柔性的第二層網(wǎng)絡(luò)填補(bǔ)其中，很好地起到吸收應(yīng)力的作用。研究表明，DN凝膠在保持了高含水量的同時(shí)，其壓縮強(qiáng)度為兆帕級(jí)別，彈性模量為0.14～0.19MPa，接近于天然軟骨。

目前關(guān)于DN凝膠的研究尚處于起步階段，高強(qiáng)度DN凝膠的體系種類較少，本文針對(duì)此問題，制備了一種新體系的丙烯酸/丙烯酰胺（PAA/PAAm）DN凝膠，選用PAA作為第一網(wǎng)絡(luò)，主要是由于PAA作為一種聚電解質(zhì)大分子，能在第二網(wǎng)絡(luò)的單體溶液中充分溶脹，便于第二網(wǎng)絡(luò)單體大量進(jìn)入；且聚丙烯酸本身無毒，在人體生理學(xué)環(huán)境中對(duì)蛋白質(zhì)有抗性，因此在體內(nèi)不易發(fā)生免疫排斥反應(yīng)，適用于生物醫(yī)用材料；選用AAm中性聚合物分子作為第二網(wǎng)絡(luò)，和AA形成的PAA/PAAm的體系也滿足Gong提出的雙網(wǎng)絡(luò)體系組分的組成原則。同時(shí)向DN凝膠中添加一定粒徑的SiO2微粒，制備DN-SiO2復(fù)合凝膠，探討了SiO2的含量對(duì)凝膠微觀形貌及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

丙烯酸單體（AA）、丙烯酰胺單體（AAm）、SiO2粉末，分析純，均購自天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；α-酮戊二酸，2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA），分析純，購自上海晶純實(shí)業(yè)有限公司。

微量移液器，WKYⅢ-100，上海佳安分析儀器公司；磁力攪拌器，big squid，德國(guó) IKA 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)有限公司；超聲細(xì)胞破碎儀，XO-1200，南京先歐儀器制造有限公司；自制紫外燈；環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM），XL-30，荷蘭飛利浦公司；動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析儀（DMTA Q800，USA）。

1.2 凝膠制備

步驟一：取AA 10mL，交聯(lián)劑三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）400 μL，適量的去離子水，一起倒入燒杯中攪拌30 min，至溶液呈無色透明狀態(tài)。再取一定質(zhì)量的SiO2微粒，加入去離子水，置于冰浴中超聲攪拌30 min，將超聲后的SiO2水溶液倒入上述AA單體溶液中，經(jīng)計(jì)算后配置成20%v/v的AA溶液，向此溶液中加入水溶性光引發(fā)劑2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮100 μL，繼續(xù)攪拌5 min，然后將溶液倒在事先置于玻璃片上的硅膠環(huán)模具中（硅膠環(huán)厚度5 mm，直徑12 mm，硅膠環(huán)涂以凡士林以防止溶液滲出），再用玻璃片蓋住，將兩塊玻璃片用夾子夾緊，置于寬范圍波長(zhǎng)的燈下（燈的波長(zhǎng)范圍200～2500 nm，其中包含紫外部分）輻照5 min，形成不溶于水的PAA-SiO2單網(wǎng)絡(luò)復(fù)合水凝膠。

步驟二：將以上制備好的凝膠從模具中取出，泡在一定濃度的AAm單體溶液中（AAm溶液體積至少為PAA凝膠體積的5倍以上，此AAm單體溶液中，已事先加入了光引發(fā)劑α-酮戊二酸，其中，α-酮戊二酸的質(zhì)量為AAm單體的1wt%），浸泡24 h后，PAA凝膠達(dá)到溶脹平衡狀態(tài)，取出凝膠，置于相同的燈下輻照5 h，使PAAm網(wǎng)絡(luò)在PAA凝膠的內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)，制備出PAA -PAAm DN-SiO2復(fù)合凝膠。

1.3 復(fù)合凝膠的表面形貌表征

本實(shí)驗(yàn)中采用環(huán)境掃描電鏡（ESEM）觀察水凝膠橫截面的真實(shí)形貌。將制備好的每個(gè)凝膠取中間部分，切一2 cm×2 cm大小的正方形小樣本，用ESEM直接觀察其含水狀態(tài)的表面形貌。

1.4 力學(xué)性能

用力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試PAA單網(wǎng)絡(luò)凝膠和DN復(fù)合凝膠的單向壓縮性能。以20%應(yīng)變/min 的壓縮速率對(duì)水凝膠樣品的進(jìn)行壓縮，若過程中樣本無斷裂，則最大壓至0.95應(yīng)變。由于應(yīng)力-應(yīng)變曲線在0～0.2應(yīng)變內(nèi)趨于直線，所以選取此段區(qū)間的斜率作為彈性壓縮模量。所有測(cè)試都在室溫下進(jìn)行，樣本從水中取出后立即進(jìn)行測(cè)試，以最小化水的損失。壓縮應(yīng)變的定義為：

ε=（h-h0）/h0

其中，h0為樣本初始厚度，h是壓縮后的厚度。

壓縮應(yīng)力的定義為：

σc=F/R2

其中，F(xiàn)為施加載荷，R為材料原始半徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合凝膠形貌

如圖1所示，凝膠樣本為含大量孔洞的三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，（a）和（b）中均為單網(wǎng)絡(luò)的凝膠，其平均孔徑大小約50～80 μm，大于圖（c）和（d）中雙網(wǎng)絡(luò)凝膠。由（c）和（d）比較可知，SiO2微粒的加入會(huì)顯著減小凝膠的孔徑大小。

2.2 雙網(wǎng)絡(luò)復(fù)合凝膠的力學(xué)性能

圖2所示的為DN凝膠和單網(wǎng)絡(luò)（SN）凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。PAA SN凝膠在很低的應(yīng)變（0.4）即發(fā)生斷裂，然而PAA/PAAm DN凝膠的最大抗壓應(yīng)力達(dá)到了3.6MPa，是PAA的12倍以上，DN凝膠的最大壓縮應(yīng)變達(dá)到了94%，明顯大于PAA SN凝膠的39%。

3 結(jié)語

結(jié)合雙網(wǎng)絡(luò)凝膠（DN）的設(shè)計(jì)思路，利用紫外輻照引發(fā)自由基聚合原理制備了一種新體系的PAA/PAAm-SiO2 DN復(fù)合凝膠。用環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察了凝膠的微觀結(jié)構(gòu)，復(fù)合凝膠單向壓縮力學(xué)性能。壓縮實(shí)驗(yàn)表明，PAA/PAAm體系組合可以形成高強(qiáng)度DN凝膠。這對(duì)其應(yīng)用于軟骨修復(fù)有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] Wong M，Carter D R.Articular cartilage functional histomorphology and mechanobiology：a research perspective[J].Bone，2003，33（1）：1.

[2] Mow V C，Ratcliffe A，Robin Poole A.Cartilage and diarthrodial joints as paradigms for hierarchical materials and structures[J].Biomaterials，1992，13（2）：67-97.

[3] Hootman J M，Helmick C G.Projections of US prevalence of arthritis and associated activity limitations[J].Arthritis & Rheumatism，2006，54（1）：226-229.endprint

摘 要：根據(jù)“雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠”設(shè)計(jì)思路，以紫外光引發(fā)自由基聚合的原理，制備了高強(qiáng)度聚丙烯酸/丙烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，并添加SiO2對(duì)DN凝膠進(jìn)行改性，系統(tǒng)研究了SiO2的加入量對(duì)DN復(fù)合凝膠微觀形貌、力學(xué)性能和粘彈性特征的影響。結(jié)果表明，DN凝膠中添加適量SiO2會(huì)提高凝膠的壓縮強(qiáng)度，當(dāng)SiO2含量超過一定程度時(shí)，繼續(xù)增大SiO2含量會(huì)導(dǎo)致材料壓縮強(qiáng)度下降。這對(duì)其應(yīng)用于軟骨修復(fù)有重要意義。

關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié) 凝膠 雙網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TH117.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（a）-0028-02

人體關(guān)節(jié)軟骨主要功能是緩沖載荷，以及減少相鄰兩骨間的摩擦[1]。天然的關(guān)節(jié)軟骨作為一種承重材料，具備較高的強(qiáng)度、沖擊韌性以及極為潤(rùn)滑的表面，同時(shí)有高達(dá)75%的含水量，是性能優(yōu)良的“軟而濕”的材料[2]。然而，天然軟骨的周圍缺乏血液供應(yīng)，損傷后難以再生，將嚴(yán)重影響關(guān)節(jié)的功能。尋找理想的人工合成軟材料以替代損傷的天然軟骨，是目前生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所面臨的一個(gè)重要問題。

對(duì)于軟骨修復(fù)材料的選擇，要綜合考慮機(jī)械強(qiáng)度、生物相容性、降解速率等多種因素，近年來研究表明，水凝膠材料作為一種含有大量水分的三維網(wǎng)絡(luò)聚合物，有著類似于人體軟組織的力學(xué)特征，同時(shí)其三維網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)便于小分子在其中自由擴(kuò)散，使其生物相容性優(yōu)良，因此水凝膠被認(rèn)為是用于軟骨替代的較為理想的材料。然而大部分水凝膠十分脆弱，為了改善水凝膠的力學(xué)性能，近年來研究者提出了很多思路，其中比較成功的一種是雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（Double network hydrogel，DN）的概念，其設(shè)計(jì)思路是首先用交聯(lián)度較高的聚電解質(zhì)合成第一層網(wǎng)絡(luò)，以此為模板，在其中引入中性低交聯(lián)度第二層網(wǎng)絡(luò)，以形成雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。第一層網(wǎng)絡(luò)為DN凝膠提供了剛性骨架，保持凝膠外形，而柔性的第二層網(wǎng)絡(luò)填補(bǔ)其中，很好地起到吸收應(yīng)力的作用。研究表明，DN凝膠在保持了高含水量的同時(shí)，其壓縮強(qiáng)度為兆帕級(jí)別，彈性模量為0.14～0.19MPa，接近于天然軟骨。

目前關(guān)于DN凝膠的研究尚處于起步階段，高強(qiáng)度DN凝膠的體系種類較少，本文針對(duì)此問題，制備了一種新體系的丙烯酸/丙烯酰胺（PAA/PAAm）DN凝膠，選用PAA作為第一網(wǎng)絡(luò)，主要是由于PAA作為一種聚電解質(zhì)大分子，能在第二網(wǎng)絡(luò)的單體溶液中充分溶脹，便于第二網(wǎng)絡(luò)單體大量進(jìn)入；且聚丙烯酸本身無毒，在人體生理學(xué)環(huán)境中對(duì)蛋白質(zhì)有抗性，因此在體內(nèi)不易發(fā)生免疫排斥反應(yīng)，適用于生物醫(yī)用材料；選用AAm中性聚合物分子作為第二網(wǎng)絡(luò)，和AA形成的PAA/PAAm的體系也滿足Gong提出的雙網(wǎng)絡(luò)體系組分的組成原則。同時(shí)向DN凝膠中添加一定粒徑的SiO2微粒，制備DN-SiO2復(fù)合凝膠，探討了SiO2的含量對(duì)凝膠微觀形貌及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

丙烯酸單體（AA）、丙烯酰胺單體（AAm）、SiO2粉末，分析純，均購自天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；α-酮戊二酸，2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA），分析純，購自上海晶純實(shí)業(yè)有限公司。

微量移液器，WKYⅢ-100，上海佳安分析儀器公司；磁力攪拌器，big squid，德國(guó) IKA 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)有限公司；超聲細(xì)胞破碎儀，XO-1200，南京先歐儀器制造有限公司；自制紫外燈；環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM），XL-30，荷蘭飛利浦公司；動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析儀（DMTA Q800，USA）。

1.2 凝膠制備

步驟一：取AA 10mL，交聯(lián)劑三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）400 μL，適量的去離子水，一起倒入燒杯中攪拌30 min，至溶液呈無色透明狀態(tài)。再取一定質(zhì)量的SiO2微粒，加入去離子水，置于冰浴中超聲攪拌30 min，將超聲后的SiO2水溶液倒入上述AA單體溶液中，經(jīng)計(jì)算后配置成20%v/v的AA溶液，向此溶液中加入水溶性光引發(fā)劑2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮100 μL，繼續(xù)攪拌5 min，然后將溶液倒在事先置于玻璃片上的硅膠環(huán)模具中（硅膠環(huán)厚度5 mm，直徑12 mm，硅膠環(huán)涂以凡士林以防止溶液滲出），再用玻璃片蓋住，將兩塊玻璃片用夾子夾緊，置于寬范圍波長(zhǎng)的燈下（燈的波長(zhǎng)范圍200～2500 nm，其中包含紫外部分）輻照5 min，形成不溶于水的PAA-SiO2單網(wǎng)絡(luò)復(fù)合水凝膠。

步驟二：將以上制備好的凝膠從模具中取出，泡在一定濃度的AAm單體溶液中（AAm溶液體積至少為PAA凝膠體積的5倍以上，此AAm單體溶液中，已事先加入了光引發(fā)劑α-酮戊二酸，其中，α-酮戊二酸的質(zhì)量為AAm單體的1wt%），浸泡24 h后，PAA凝膠達(dá)到溶脹平衡狀態(tài)，取出凝膠，置于相同的燈下輻照5 h，使PAAm網(wǎng)絡(luò)在PAA凝膠的內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)，制備出PAA -PAAm DN-SiO2復(fù)合凝膠。

1.3 復(fù)合凝膠的表面形貌表征

本實(shí)驗(yàn)中采用環(huán)境掃描電鏡（ESEM）觀察水凝膠橫截面的真實(shí)形貌。將制備好的每個(gè)凝膠取中間部分，切一2 cm×2 cm大小的正方形小樣本，用ESEM直接觀察其含水狀態(tài)的表面形貌。

1.4 力學(xué)性能

用力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試PAA單網(wǎng)絡(luò)凝膠和DN復(fù)合凝膠的單向壓縮性能。以20%應(yīng)變/min 的壓縮速率對(duì)水凝膠樣品的進(jìn)行壓縮，若過程中樣本無斷裂，則最大壓至0.95應(yīng)變。由于應(yīng)力-應(yīng)變曲線在0～0.2應(yīng)變內(nèi)趨于直線，所以選取此段區(qū)間的斜率作為彈性壓縮模量。所有測(cè)試都在室溫下進(jìn)行，樣本從水中取出后立即進(jìn)行測(cè)試，以最小化水的損失。壓縮應(yīng)變的定義為：

ε=（h-h0）/h0

其中，h0為樣本初始厚度，h是壓縮后的厚度。

壓縮應(yīng)力的定義為：

σc=F/R2

其中，F(xiàn)為施加載荷，R為材料原始半徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合凝膠形貌

如圖1所示，凝膠樣本為含大量孔洞的三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，（a）和（b）中均為單網(wǎng)絡(luò)的凝膠，其平均孔徑大小約50～80 μm，大于圖（c）和（d）中雙網(wǎng)絡(luò)凝膠。由（c）和（d）比較可知，SiO2微粒的加入會(huì)顯著減小凝膠的孔徑大小。

2.2 雙網(wǎng)絡(luò)復(fù)合凝膠的力學(xué)性能

圖2所示的為DN凝膠和單網(wǎng)絡(luò)（SN）凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。PAA SN凝膠在很低的應(yīng)變（0.4）即發(fā)生斷裂，然而PAA/PAAm DN凝膠的最大抗壓應(yīng)力達(dá)到了3.6MPa，是PAA的12倍以上，DN凝膠的最大壓縮應(yīng)變達(dá)到了94%，明顯大于PAA SN凝膠的39%。

3 結(jié)語

結(jié)合雙網(wǎng)絡(luò)凝膠（DN）的設(shè)計(jì)思路，利用紫外輻照引發(fā)自由基聚合原理制備了一種新體系的PAA/PAAm-SiO2 DN復(fù)合凝膠。用環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察了凝膠的微觀結(jié)構(gòu)，復(fù)合凝膠單向壓縮力學(xué)性能。壓縮實(shí)驗(yàn)表明，PAA/PAAm體系組合可以形成高強(qiáng)度DN凝膠。這對(duì)其應(yīng)用于軟骨修復(fù)有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] Wong M，Carter D R.Articular cartilage functional histomorphology and mechanobiology：a research perspective[J].Bone，2003，33（1）：1.

[2] Mow V C，Ratcliffe A，Robin Poole A.Cartilage and diarthrodial joints as paradigms for hierarchical materials and structures[J].Biomaterials，1992，13（2）：67-97.

[3] Hootman J M，Helmick C G.Projections of US prevalence of arthritis and associated activity limitations[J].Arthritis & Rheumatism，2006，54（1）：226-229.endprint

摘 要：根據(jù)“雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠”設(shè)計(jì)思路，以紫外光引發(fā)自由基聚合的原理，制備了高強(qiáng)度聚丙烯酸/丙烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，并添加SiO2對(duì)DN凝膠進(jìn)行改性，系統(tǒng)研究了SiO2的加入量對(duì)DN復(fù)合凝膠微觀形貌、力學(xué)性能和粘彈性特征的影響。結(jié)果表明，DN凝膠中添加適量SiO2會(huì)提高凝膠的壓縮強(qiáng)度，當(dāng)SiO2含量超過一定程度時(shí)，繼續(xù)增大SiO2含量會(huì)導(dǎo)致材料壓縮強(qiáng)度下降。這對(duì)其應(yīng)用于軟骨修復(fù)有重要意義。

關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié) 凝膠 雙網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TH117.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（a）-0028-02

人體關(guān)節(jié)軟骨主要功能是緩沖載荷，以及減少相鄰兩骨間的摩擦[1]。天然的關(guān)節(jié)軟骨作為一種承重材料，具備較高的強(qiáng)度、沖擊韌性以及極為潤(rùn)滑的表面，同時(shí)有高達(dá)75%的含水量，是性能優(yōu)良的“軟而濕”的材料[2]。然而，天然軟骨的周圍缺乏血液供應(yīng)，損傷后難以再生，將嚴(yán)重影響關(guān)節(jié)的功能。尋找理想的人工合成軟材料以替代損傷的天然軟骨，是目前生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所面臨的一個(gè)重要問題。

對(duì)于軟骨修復(fù)材料的選擇，要綜合考慮機(jī)械強(qiáng)度、生物相容性、降解速率等多種因素，近年來研究表明，水凝膠材料作為一種含有大量水分的三維網(wǎng)絡(luò)聚合物，有著類似于人體軟組織的力學(xué)特征，同時(shí)其三維網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)便于小分子在其中自由擴(kuò)散，使其生物相容性優(yōu)良，因此水凝膠被認(rèn)為是用于軟骨替代的較為理想的材料。然而大部分水凝膠十分脆弱，為了改善水凝膠的力學(xué)性能，近年來研究者提出了很多思路，其中比較成功的一種是雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（Double network hydrogel，DN）的概念，其設(shè)計(jì)思路是首先用交聯(lián)度較高的聚電解質(zhì)合成第一層網(wǎng)絡(luò)，以此為模板，在其中引入中性低交聯(lián)度第二層網(wǎng)絡(luò)，以形成雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。第一層網(wǎng)絡(luò)為DN凝膠提供了剛性骨架，保持凝膠外形，而柔性的第二層網(wǎng)絡(luò)填補(bǔ)其中，很好地起到吸收應(yīng)力的作用。研究表明，DN凝膠在保持了高含水量的同時(shí)，其壓縮強(qiáng)度為兆帕級(jí)別，彈性模量為0.14～0.19MPa，接近于天然軟骨。

目前關(guān)于DN凝膠的研究尚處于起步階段，高強(qiáng)度DN凝膠的體系種類較少，本文針對(duì)此問題，制備了一種新體系的丙烯酸/丙烯酰胺（PAA/PAAm）DN凝膠，選用PAA作為第一網(wǎng)絡(luò)，主要是由于PAA作為一種聚電解質(zhì)大分子，能在第二網(wǎng)絡(luò)的單體溶液中充分溶脹，便于第二網(wǎng)絡(luò)單體大量進(jìn)入；且聚丙烯酸本身無毒，在人體生理學(xué)環(huán)境中對(duì)蛋白質(zhì)有抗性，因此在體內(nèi)不易發(fā)生免疫排斥反應(yīng)，適用于生物醫(yī)用材料；選用AAm中性聚合物分子作為第二網(wǎng)絡(luò)，和AA形成的PAA/PAAm的體系也滿足Gong提出的雙網(wǎng)絡(luò)體系組分的組成原則。同時(shí)向DN凝膠中添加一定粒徑的SiO2微粒，制備DN-SiO2復(fù)合凝膠，探討了SiO2的含量對(duì)凝膠微觀形貌及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

丙烯酸單體（AA）、丙烯酰胺單體（AAm）、SiO2粉末，分析純，均購自天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；α-酮戊二酸，2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA），分析純，購自上海晶純實(shí)業(yè)有限公司。

微量移液器，WKYⅢ-100，上海佳安分析儀器公司；磁力攪拌器，big squid，德國(guó) IKA 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)有限公司；超聲細(xì)胞破碎儀，XO-1200，南京先歐儀器制造有限公司；自制紫外燈；環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM），XL-30，荷蘭飛利浦公司；動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析儀（DMTA Q800，USA）。

1.2 凝膠制備

步驟一：取AA 10mL，交聯(lián)劑三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）400 μL，適量的去離子水，一起倒入燒杯中攪拌30 min，至溶液呈無色透明狀態(tài)。再取一定質(zhì)量的SiO2微粒，加入去離子水，置于冰浴中超聲攪拌30 min，將超聲后的SiO2水溶液倒入上述AA單體溶液中，經(jīng)計(jì)算后配置成20%v/v的AA溶液，向此溶液中加入水溶性光引發(fā)劑2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮100 μL，繼續(xù)攪拌5 min，然后將溶液倒在事先置于玻璃片上的硅膠環(huán)模具中（硅膠環(huán)厚度5 mm，直徑12 mm，硅膠環(huán)涂以凡士林以防止溶液滲出），再用玻璃片蓋住，將兩塊玻璃片用夾子夾緊，置于寬范圍波長(zhǎng)的燈下（燈的波長(zhǎng)范圍200～2500 nm，其中包含紫外部分）輻照5 min，形成不溶于水的PAA-SiO2單網(wǎng)絡(luò)復(fù)合水凝膠。

步驟二：將以上制備好的凝膠從模具中取出，泡在一定濃度的AAm單體溶液中（AAm溶液體積至少為PAA凝膠體積的5倍以上，此AAm單體溶液中，已事先加入了光引發(fā)劑α-酮戊二酸，其中，α-酮戊二酸的質(zhì)量為AAm單體的1wt%），浸泡24 h后，PAA凝膠達(dá)到溶脹平衡狀態(tài)，取出凝膠，置于相同的燈下輻照5 h，使PAAm網(wǎng)絡(luò)在PAA凝膠的內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)，制備出PAA -PAAm DN-SiO2復(fù)合凝膠。

1.3 復(fù)合凝膠的表面形貌表征

本實(shí)驗(yàn)中采用環(huán)境掃描電鏡（ESEM）觀察水凝膠橫截面的真實(shí)形貌。將制備好的每個(gè)凝膠取中間部分，切一2 cm×2 cm大小的正方形小樣本，用ESEM直接觀察其含水狀態(tài)的表面形貌。

1.4 力學(xué)性能

用力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試PAA單網(wǎng)絡(luò)凝膠和DN復(fù)合凝膠的單向壓縮性能。以20%應(yīng)變/min 的壓縮速率對(duì)水凝膠樣品的進(jìn)行壓縮，若過程中樣本無斷裂，則最大壓至0.95應(yīng)變。由于應(yīng)力-應(yīng)變曲線在0～0.2應(yīng)變內(nèi)趨于直線，所以選取此段區(qū)間的斜率作為彈性壓縮模量。所有測(cè)試都在室溫下進(jìn)行，樣本從水中取出后立即進(jìn)行測(cè)試，以最小化水的損失。壓縮應(yīng)變的定義為：

ε=（h-h0）/h0

其中，h0為樣本初始厚度，h是壓縮后的厚度。

壓縮應(yīng)力的定義為：

σc=F/R2

其中，F(xiàn)為施加載荷，R為材料原始半徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合凝膠形貌

如圖1所示，凝膠樣本為含大量孔洞的三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，（a）和（b）中均為單網(wǎng)絡(luò)的凝膠，其平均孔徑大小約50～80 μm，大于圖（c）和（d）中雙網(wǎng)絡(luò)凝膠。由（c）和（d）比較可知，SiO2微粒的加入會(huì)顯著減小凝膠的孔徑大小。

2.2 雙網(wǎng)絡(luò)復(fù)合凝膠的力學(xué)性能

圖2所示的為DN凝膠和單網(wǎng)絡(luò)（SN）凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。PAA SN凝膠在很低的應(yīng)變（0.4）即發(fā)生斷裂，然而PAA/PAAm DN凝膠的最大抗壓應(yīng)力達(dá)到了3.6MPa，是PAA的12倍以上，DN凝膠的最大壓縮應(yīng)變達(dá)到了94%，明顯大于PAA SN凝膠的39%。

3 結(jié)語

結(jié)合雙網(wǎng)絡(luò)凝膠（DN）的設(shè)計(jì)思路，利用紫外輻照引發(fā)自由基聚合原理制備了一種新體系的PAA/PAAm-SiO2 DN復(fù)合凝膠。用環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察了凝膠的微觀結(jié)構(gòu)，復(fù)合凝膠單向壓縮力學(xué)性能。壓縮實(shí)驗(yàn)表明，PAA/PAAm體系組合可以形成高強(qiáng)度DN凝膠。這對(duì)其應(yīng)用于軟骨修復(fù)有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] Wong M，Carter D R.Articular cartilage functional histomorphology and mechanobiology：a research perspective[J].Bone，2003，33（1）：1.

[2] Mow V C，Ratcliffe A，Robin Poole A.Cartilage and diarthrodial joints as paradigms for hierarchical materials and structures[J].Biomaterials，1992，13（2）：67-97.

[3] Hootman J M，Helmick C G.Projections of US prevalence of arthritis and associated activity limitations[J].Arthritis & Rheumatism，2006，54（1）：226-229.endprint