人工血管用海藻酸鈉-聚丙烯酰胺水凝膠的制備及性能

王葉香,閆星儒,王 璐,關國平

(東華大學 a. 紡織學院;b. 紡織面料技術教育部重點實驗室,上海 201620)

人工血管用海藻酸鈉-聚丙烯酰胺水凝膠的制備及性能

王葉香a,b,閆星儒a,王 璐a,b,關國平a,b

(東華大學 a. 紡織學院;b. 紡織面料技術教育部重點實驗室,上海 201620)

水凝膠應用于生物材料領域已有多年,但是作為人工血管材料的研究較少. 一方面,水凝膠的力學性能有待提高,以符合人工血管性能要求； 另一方面,水凝膠在濕態環境下會發生體積溶脹而導致管腔減小,容易誘發血栓.以海藻酸鈉和丙烯酰胺為原材料,制備了力學性能滿足要求且低溶脹率的水凝膠. 結果表明: 該水凝膠的拉伸斷裂強度可達到306.87 kPa,拉伸斷裂伸長率達到306.23%,壓縮正切模量為122.07 kPa. 當海藻酸鈉質量分數為2.3%,丙烯酰胺質量分數為16.8%,CaCl2質量分數為0.42%時,水凝膠溶脹率可低至128.16%,在12 h可達到溶脹平衡.

水凝膠;溶脹;海藻酸鈉;丙烯酰胺;生物材料;人工血管

隨著生物醫用材料研究的深入,水凝膠由于其結構與細胞外基質(ECM)類似,含水量高,能很好地分散氧氣和營養物質而備受關注[1-2]. 然而,力學性能不足限制了其在生物醫用材料領域的進一步應用[3-5]. 通過多種交聯方式結合及提高交聯密度可以提高水凝膠的韌性[6-11],且能夠在一定程度上降低溶脹率[12].

海藻酸是由β-D-古羅糖醛酸(G)和α-L-甘露糖醛酸(M) 依靠1,4-糖苷鍵連接的嵌段共聚物,包括G和M各自形成的均聚物和GM形成的交替聚合物. 由于其具有良好的生物相容性,在生物醫用材料領域的應用潛力日益引起研究者的興趣[13-14]. 這種嵌段共聚物能通過離子相互作用在G和螯合離子(比如 Ca2+)間形成交聯[15-17]. 文獻[18]的研究表明,相對于純海藻酸鈉水凝膠,海藻酸鈉與聚丙烯酰胺互穿網絡水凝膠的韌性得到了顯著提高,且體內外細胞相容性良好. 文獻[19]研究制備的殼聚糖與聚丙烯酰胺水凝膠細胞毒性小、血液相容性好,有望成為未來醫用生物材料. 由此可見,海藻酸鈉-聚丙烯酰胺水凝膠具有與細胞外基質類似的結構,柔韌性好,且生物相容性良好,故其可以作為人工血管材料研究.

提高水凝膠力學性能的研究已有較多的報道,但是控制水凝膠溶脹率的研究較少. 傳統水凝膠應用目的是希望其能夠吸水溶脹,持水性好[20-22]. 但是,如果將水凝膠作為體內管道器官的原材料,比如人工血管,在溶脹很大的情況下,就會導致管徑減小,造成凝血或血栓,影響血管遠期通暢率. 而且溶脹會嚴重降低彈性模量和應力松弛[23],從而降低整體力學性能,影響使用效果. 但是目前并無專門針對小口徑人造血管性能評價的標準. ISO 7198—1998只是人造血管測試標準,評價時需要在借鑒標準中提供的測試方法的基礎上,結合實際情況進行綜合評價. 因此,本文研究了海藻酸-聚丙烯酰胺水凝膠,期望獲得力學性能較好、溶脹率低且可控的水凝膠制備方法,為人工管道器官材料的應用奠定基礎.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

氯化鈣(CaCl2,分析純),購自上海凌峰化學試劑有限公司;海藻酸鈉(化學純),丙烯酰胺(化學純),N,N,-亞甲基雙(丙烯酰胺)(MBAA,(化學純)),四甲基乙二胺(TEMED,生化試劑),過硫酸銨(APS,(分析純)),均購自國藥集團化學試劑有限公司.

1.2 水凝膠制備方法

稱取丙烯酰胺,溶解在水中,丙烯酰胺的質量分數為16.8%. 再稱取海藻酸鈉,緩慢加入丙烯酰胺溶液中,在室溫下攪拌,直至形成均一溶液. 隨后,往100 g均一溶液中加入0.01 g交聯劑MBAA、0.09 g催化劑TEMED和0.1 g熱引發劑APS,混合均勻[24]. 將100 g混合溶液倒入培養皿,再加氯化鈣粉末,靜置直至反應完全,通過加入不同質量分數的海藻酸鈉和CaCl2制備不同的樣品. 具體試驗方案如表1所示.

表1 水凝膠制備方案
Table 1 Experimental design of hydrogel

樣本編號海藻酸鈉質量分數/%CaCl2質量分數/%1#2.10.382#2.10.423#2.10.464#2.30.385#2.30.426#2.30.467#2.50.388#2.50.429#2.50.46

1.3 掃描電子顯微鏡(SEM)測試方法

取制備好的水凝膠,其大小為3 cm×2 cm×0.3 cm,經冷凍24 h和干燥24 h后,用液氮進行脆斷,將截面朝上貼在金屬臺上,對其噴金,采用TM 3000型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)觀察截面結構,加速電壓為15 kV.

1.4 水凝膠溶脹率測試方法

將水凝膠用手術刀切成規則的長方體,測量其長(a)、寬(b)和厚度(h),計算初始體積V0=a×b×h. 然后,將樣品浸沒在室溫的蒸餾水中,分別在3,6,9,12,24,48和72 h時刻從水中取出,用濾紙吸干表面水分后再測量長、寬和厚度,計算體積為V. 樣本重復數n=3,最后取平均值. 溶脹率Q=V/V0×100%.

1.5 力學性能測試方法

1.5.1 拉伸性能

根據GB/T 528—1998,采用大榮026G-500型織物強力機進行拉伸性能測試. 試樣裁剪成50 mm×20 mm的長條狀,隔距為25 mm,試樣拉伸速度由試樣厚度決定,本文采用的拉伸速度為(500±50)mm/min,每個試樣測試3次,取平均值. 預加張力為0.2 N,傳感器量程為500 N.

1.5.2 壓縮性能

采用LLY-06D 型人體內生物管道壓縮彈性測試儀,進行水凝膠的壓縮性能測試. 試樣裁剪成10 mm×10 mm的正方形,壓腳直徑為5 mm,每個試樣測試3次. 具體測試步驟: 將試樣放在試樣臺上,以10 mm/min 的速度將試樣壓縮至厚度的90%,停頓10 s,記錄最大壓縮強力； 以10 mm/min 的速度移除壓力,記錄外力完全移除后試樣的厚度. 壓縮正切模量選取應變為20%～30%處的模量值.

2 結果與討論

2.1 外觀與結構

按照表1中水凝膠制備方案得到的水凝膠如圖1所示. 海藻酸鈉-聚丙烯酰胺水凝膠呈淡黃色透明膠體狀,手感柔軟,彈性較好,有韌性.

取5#水凝膠試樣進行SEM測試觀察其截面結構,如圖2(a)和2(b)所示.孔徑分布如圖2(c)所示.由圖2(a)和2(b)可知,水凝膠為多孔結構,孔徑較均勻. 從圖2(c)可見,孔徑主要分布在40～60 μm,孔徑最小為24.67 μm,最大為101.05 μm.

圖1 海藻酸鈉-聚丙烯酰胺水凝膠Fig.1 Alginate-polyacrylamide hydrogel

圖2 海藻酸鈉-聚丙烯酰胺水凝膠SEM圖像及孔徑分布Fig.2 SEM images and pore size distribution of alginate-polyacrylamide hydrogels

2.2 溶脹率

水凝膠內、外部溶液存在濃度差,當外部溶液濃度低于內部溶液時,水分子會進入水凝膠. 兩者之間的濃度差越大,產生的滲透壓會越大,溶脹性越大[25]. 影響水凝膠溶脹率的因素較多,核心因素是交聯密度. 文獻[26]研究表明,加入納米管可增加交聯密度,網絡結構中的空隙減小了,使得溶脹率下降.

本文對所制得的9種水凝膠進行了溶脹率測試.不同質量分數海藻酸鈉的水凝膠溶脹率隨時間變化如圖3所示.由圖3可知,水凝膠在12 h內達到溶脹平衡狀態;且溶脹平衡后，CaCl2質量分數為0.42%和0.46%的水凝膠的溶脹率較接近,且均低于CaCl2質量分數為0.38%的水凝膠的溶脹率.

(a) 2.1%

(b) 2.3%

(c) 2.5%

溶脹12 h后,不同質量分數的海藻酸鈉對水凝膠溶脹率的影響如圖4所示,本文中*表示兩者之間有顯著性差異,p<0.05. 由圖4可知,海藻酸鈉質量分數為2.1%的水凝膠溶脹率顯著高于海藻酸鈉質量分數為2.3%和2.5%的水凝膠溶脹率. 當CaCl2質量分數為0.42% 和0.46%時,海藻酸鈉質量分數為2.3%和2.5%的水凝膠溶脹率之間無顯著性差異. 這可能是由于成膠過程中離子交聯起主要作用而共價交聯起次要作用. 故后續研究中選擇海藻酸鈉質量分數為2.3%,CaCl2質量分數為0.42%.

圖4 溶脹12 h后不同質量分數的海藻酸鈉對水凝膠溶脹率的影響Fig.4 Effect of alginate with different mass fractions on the swelling ratio of hydrogel after swelling for 12 hours

本文通過改變海藻酸鈉和CaCl2的質量分數來降低水凝膠溶脹率,從而控制其宏觀溶脹行為. 當海藻酸鈉質量分數為2.3%和CaCl2質量分數為0.42%時,溶脹率可低至(128.16±0.99)%. 而文獻[24]研究表明,海藻酸鈉和聚丙烯酰胺復合水凝膠的最小溶脹率約為600%;文獻[27]研究的京尼平交聯的絲素蛋白和明膠復合水凝膠,其最小溶脹率約為843%.

2.3 力學性能

2.3.1 拉伸性能

CaCl2質量分數分別為0.38%,0.42%和0.46%時,海藻酸鈉-聚丙烯酰胺水凝膠的拉伸斷裂強度及斷裂伸長率如圖5所示.

(a) 斷裂強度

(b) 斷裂伸長率圖5 不同質量分數的CaCl2對水凝膠拉伸斷裂強度和斷裂伸長率的影響Fig.5 Effect of CaCl2 with different mass fractions on the breaking strength and elongation of hydrogel

由圖5(a)可知,當CaCl2質量分數分別為0.42%和0.46%時,拉伸斷裂強度沒有顯著性差異,且均高于CaCl2質量分數為0.38%時的拉伸斷裂強度. 而不同CaCl2質量分數時,樣品的拉伸斷裂伸長率均沒有顯著性差異,這說明CaCl2質量分數的變化對拉伸斷裂伸長率影響不大(圖5(b)).

不同海藻酸鈉質量分數的海藻酸鈉-聚丙烯酰胺水凝膠的拉伸斷裂強度及斷裂伸長率如圖6所示. 由圖6(a)可知,當海藻酸鈉質量分數分別為2.3%和2.5%時,拉伸斷裂強度之間無顯著性差異,且高于海藻酸鈉質量分數為2.1%的結果,而本文所得海藻酸鈉-聚丙烯酰胺水凝膠的拉伸斷裂強度均值為307 kPa,高于文獻[24]的研究結果(250 kPa).由圖6(b)可知,海藻酸鈉質量分數分別為2.3%和2.5%的水凝膠,拉伸斷裂伸長率之間也無顯著性差異,但均低于海藻酸鈉質量分數為2.1%時的斷裂伸長率.

(a) 斷裂強度

(b) 斷裂伸長率圖6 不同質量分數的海藻酸鈉對水凝膠拉伸斷裂強度和斷裂伸長率的影響Fig.6 Effect of alginate with different mass fractions on the breaking strength and elongation of hydrogel

CaCl2質量分數為0.42%時,不同海藻酸鈉質量分數的水凝膠拉伸應力-應變曲線如圖7所示. 由圖7可知,海藻酸鈉質量分數為2.3%和2.5%的水凝膠拉伸至斷裂,其應力大于海藻酸鈉質量分數為2.1%的水凝膠的應力,但應變較小,且海藻酸鈉質量分數為2.3%和2.5%的水凝膠拉伸應力和應變無明顯差異.

圖7 水凝膠拉伸應力-應變曲線(CaCl2質量分數為0.42%)Fig.7 Tensile stress-strain curves of the hydrogel (CaCl2 mass fraction is 0.42%)

2.3.2 壓縮性能

CaCl2質量分數分別為0.38%,0.42%和0.46%時,海藻酸鈉-聚丙烯酰胺水凝膠壓縮正切模量的測量結果如圖8所示. 由圖8可知,當海藻酸鈉質量分數一定時,CaCl2質量分數分別為0.38%,0.42%和0.46%時,水凝膠壓縮正切模量依次減小,且兩兩均有顯著性差異.

圖8 不同質量分數的CaCl2對壓縮正切模量的影響Fig.8 Effect of CaCl2 with different mass fractions on compression modulus of hydrogel

海藻酸鈉質量分數分別為2.1%,2.3%和2.5%時,海藻酸鈉-聚丙烯酰胺水凝膠的壓縮正切模量的測量結果如圖9所示. 由圖9可知,當CaCl2質量分數一定時,海藻酸鈉質量分數為2.1%時,水凝膠壓縮正切模量顯著高于海藻酸鈉質量分數為2.3%和2.5%的水凝膠. 海藻酸鈉質量分數為2.3%和2.5%時的水凝膠壓縮正切模量沒有顯著性差異. 作為人工血管材料,控制溶脹率更為重要. 故當海藻酸鈉質量分數為2.3%,CaCl2質量分數為0.42%時,溶脹率得到了較好的控制. 壓縮正切模量為(122.07±3.77)kPa,能夠滿足人工血管的要求. 文獻[27]制備的京尼平交聯的絲素蛋白和明膠復合水凝膠壓縮正切模量約為475 kPa,然而溶脹率偏高.

圖9 不同質量分數的海藻酸鈉對水凝膠壓縮正切模量的影響Fig.9 Effect of alginate with different mass fractions on compression modulus of hydrogel

CaCl2質量分數為0.42%時,海藻酸鈉質量分數為2.1%,2.3%和2.5%的水凝膠壓縮應力-應變曲線如圖10所示. 由圖10可知,海藻酸鈉質量分數為2.1%的水凝膠壓縮應力接近600 kPa,大于海藻酸鈉質量分數為2.3%和2.5%的水凝膠,且海藻酸鈉質量分數為2.3%和2.5%的水凝膠壓縮應力無明顯差異.

圖10 水凝膠壓縮應力-應變曲線(CaCl2質量分數為0.42%)Fig.10 Compressive stress-strain curves of the hydrogel (CaCl2 mass fraction is 0.42%)

3 結 語

本文制備了低溶脹高彈性的海藻酸鈉-聚丙烯酰胺水凝膠,并分析了海藻酸鈉質量分數及CaCl2質量分數對水凝膠溶脹率及力學性能的影響. 當海藻酸鈉質量分數為2.3%,丙烯酰胺質量分數為16.8%,CaCl2質量分數為0.42%時,溶脹率可低至128.16%. 而拉伸斷裂強度仍可達到306.87 kPa,斷裂伸長率達到306.23%,壓縮正切模量達到122.07 kPa. 隨著海藻酸鈉質量分數的增加,水凝膠斷裂強度增加,溶脹率、斷裂伸長率和壓縮正切模量減小. 隨著CaCl2質量分數的增加,水凝膠拉伸斷裂強度增加,溶脹率和壓縮正切模量減小,但對斷裂伸長率影響不大. 本文所得水凝膠力學性能良好,約在12 h達到溶脹平衡,可為開發人工血管材料提供參考.

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Preparation of Alginate-Polyacrylamide Hydrogel for Vascular Prototype and Its Properties

WANGYe-xianga,b,YANXing-rua,WANGLua,b,GUANGuo-pinga,b

(a. College of Textiles;b. Key Laboratory of Textile Science &Technology,Ministry of Education,Donghua University,Shanghai 201620,China)

Hydrogels have been used in bio-materials field for many years,but few researches have been reported concerning being used as artificial blood vessels. On one hand,the mechanical properties of hydrogels need to be improved to meet the requirements of artificial blood vessels. On the other hand,the hydrogel swells in volume under wet environment and the swollen hydrogel will lead to reduced diameter and then cause thrombosis. Sodium alginate and acrylamide are selected to prepare hydrogels,which have satisfactory mechanical properties and low swelling ratio. The results show that tensile breaking strength of the hydrogel can reach 306.87 kPa,elongation at break is 306.23% and compressive tangent modulus is 122.07 kPa. When the mass fractions of sodium alginate,acrylamide and crosslinking agent are 2.3%,16.8% and 20%,the swelling ratio can fall down as low as 128.16%. The hydrogel reaches swelling equilibrium within 12 h.

hydrogel;swelling;alginate;acrylamide;biomaterial;vascular prototype

1671-0444 (2016)05-0647-07

2015-09-07

國家自然科學基金資助項目(11302154)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2232015A3-02)；上海市教育委員會科研創新資助項目(ZX201503000017)；紡織生物材料與技術創新引智基地資助項目(B07024)；2015研究生創新基金資助項目(EG2015045)

王葉香(1990—)，女，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向為生物醫用水凝膠. E-mail :wangyx624@163.com 關國平(聯系人)，男，副教授，E-mail :ggp@dhu.edu.cn

TS 101.3

A