鎂離子對PVA/GG-Mg2+復合水凝膠的結構和物理化學性質的影響

王飛，白同春

（蘇州大學材料與化學化工學部，江蘇蘇州215123）

引 言

聚乙烯醇(PVA)是一種線性合成聚合物，重復結構單元為—CH2CHOH—，通過聚醋酸乙烯酯的部分或全部水解除去醋酸酯基團而得到。羥基化的量決定了聚乙烯醇的物理、化學性能和力學性能。PVA 水溶液通過物理、化學或輻射交聯可以得到PVA 水凝膠。以PVA 為基礎的水凝膠，在冷凍熔融循環過程中形成物理交聯，而不需要使用可能有毒化學交聯劑。水凝膠的高含水量和彈性特性使其比任何其他類型的合成生物材料更能模擬人體組織。因而PVA 為基礎的水凝膠是理想的生物應用材料之一[1-2]。

聚乙烯醇水凝膠的應用之一是關節軟骨的研究[2]，如在刺激半月板組織生長方面顯示出良好的應用前景。特別是物理交聯的PVA 水凝膠的黏彈性行為已被證明可與半月板相媲美[3]。動物實驗表明，PVA 水凝膠半月板置入術2年后，膝關節軟骨狀態良好，PVA 水凝膠未見磨損、脫位、斷裂。這些結果證明了使用PVA 水凝膠人工半月板可以補償半月板的功能，具有一定的臨床應用價值[4]。

合成材料的優點是能夠調整植入物的力學性能，使之與天然軟骨組織相匹配。然而，選擇這些合成材料用于生物組織還存在一些重要的問題，如機械阻力低、耐久性差；材料碎裂而引起刺激性，并造成軟骨軟化；與周圍組織難以結合；關節退化和磨損等，也限制了其在該領域的應用[5-6]。力學性能差、缺乏生物相容性和相對生物惰性是阻礙骨修復材料應用的主要因素。為改進水凝膠的性能，許多研究者采用各種復合水凝膠的方法，特別是合成高分子與天然高分子或天然無機材料構成復合水凝膠的方法，以提高其力學性能和生物相容性[7]。如用強力纖維增強聚乙烯醇水凝膠模仿天然半月板的力學特性[5]；制備PVA/PVP 和PVA/殼聚糖復合水凝膠協同作用的生物材料[8-9]；制備PVA/ PVP/ PAA(聚丙烯酸)-三網絡水凝膠拓寬水凝膠的應用范圍，使其更適用于高摩擦系數和力學性能領域[10]；通過開發具有生物活性和生物相容性填料的復合水凝膠，如羥基磷灰石(HA)，可以解決黏附性差的問題[6]。PVA 與殼聚糖進行物理交聯，構建新型雙網絡水凝膠，通過表面礦化引入羥基磷灰石(HA)使水凝膠具有誘導大鼠骨髓干細胞(rBMSCs)分化的能力[11]。PVA 復合水凝膠還被應用于藥物傳送的生物材料，如羧甲基纖維素(CMC)/聚乙烯醇(PVA)水凝膠膜，用于水溶性基礎藥物硫酸慶大霉素的傳送給藥[12]。

結冷膠(gellan gum,GG)來自鞘氨醇單胞菌伊樂藻屬植物(Pseudomonaseloden)，在中性條件下，以葡萄糖為碳源，硝酸銨為氮源，以及一些無機鹽所組成的培養基中，經有氧發酵而產生。結冷膠為線性陰離子多糖聚合物，其基本結構單元由四個糖分子：D-葡萄糖、D-葡萄糖醛酸、D-葡萄糖、L-鼠李糖，通過糖苷鍵依次連接而形成。其中葡萄糖醛酸可被鉀、鈉、鈣、鎂離子中和而成混合鹽。結構如圖1 所示[13]。天然結冷膠含有兩個酰基取代基，即L-甘油酰基和乙酰基。堿性水解除去兩個酰基得到脫乙酰基結冷膠，也稱為低酰基結冷膠。高酰基和低酰基結冷膠在水溶液中都可以形成水凝膠，膠凝過程和溫度有關，在水溶液中加熱至70oC 以上，然后冷卻，誘導其構象由纏繞型向雙螺旋型轉變。天然膠得到軟而易變形的凝膠，而脫酰基膠產生硬而脆的凝膠。結冷膠在單價和多價陽離子存在的情況下具有親離子的凝膠化能力，可以降低膠凝溫度。結構研究表明，對于天然膠，螺旋鏈外緣上的酰基阻礙了高分子鏈的進一步聚合。而脫酰基膠使得陽離子可以方便地在兩個螺旋鏈間形成橋聯，這一過程導致支鏈網絡形成[14]。圖2 為結冷膠的膠凝過程示意圖。

結冷膠因其具有良好的生物相容性、化學修飾能力、經濟、無毒、潛在的可生物降解性和原料易于獲得等特性而備受關注，被廣泛應用于食品工業技術[14]。結冷膠水凝膠由于其可調節的機械和物理化學性質，與細胞外基質ECM 有許多相似之處，近期又被推廣應用于醫藥、生物材料等領域[15-20]。將PVA 和GG 混合制備成復合水凝膠，具有性能互補的可能性。不同的陽離子對結冷膠的作用程度不同，導致水凝膠的結構、力學性質和保水性存在差異。在PVA/GG 復合水凝膠制備過程中添加適當的金屬離子，可以起到調控結構和性質的作用。二價離子特別是Ca2+對GG 水凝膠的制備、結構、性能的影響均有報道，而且應用也較多，其關注點多有不同，如食品、藥物載體等[15-16,19-21]。系統地比較離子對水凝膠軟骨替代和修復材料物理化學性能的影響的研究還比較缺乏。

圖1 天然結冷膠(a)和低酰基結冷膠(b)重復單元的分子結構Fig.1 Structure of repeat unit of native(a)and low-acyl(b)form of gellan gum

圖2 結冷膠在水溶液中的膠凝過程示意圖Fig.2 Gradual transformation of gellan gum from aqueous solution

作者[22-23]曾經嘗試在PVA/GG 復合水凝膠制備過程添加Ca2+和Al3+，結果顯示這些離子對水凝膠都有結構促進、力學性能增強的效應。為進一步比較二價正離子的影響，本文探討Mg2+對PVA/GG復合水凝膠的網絡結構、力學、物理化學等性能的影響。

1 實驗材料和方法

1.1 試劑

聚乙烯醇(PVA)，[C2H4O]n，分子量約為74800～79200，平均聚合度1750，含量≥99.0%。六水氯化鎂，MgCl2·6H2O，分子量203.211，干燥后用于配制MgCl2水溶液。上述藥品購自國藥集團化學試劑有限公司。

商品結冷膠為純化的低酰基結冷膠，其分子量為2×105～3×105，購自濟南德克生物技術有限公司。

實驗室配制磷酸鹽緩沖溶液(PBS)，磷酸鹽濃度為0.01 mol·dm-3，pH 7.2～7.4。水為二次蒸餾水。

1.2 復合水凝膠的制備

采用循環冷凍-解凍物理交聯法制備PVA、PVA/GG和PVA/GG-Mg2+復合水凝膠。

PVA/GG-Mg2+復合水凝膠的制備：取適量的PVA 溶解于90℃的蒸餾水中，溶液PVA 的質量分數控制在10%，然后向PVA 溶液中添加GG。分別配制幾個不同GG 含量（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%）的PVA/GG 溶液，用于比較GG 含量的影響。90℃繼續攪拌4 h，再向溶液中滴加MgCl2溶液(各溶液均控制MgCl2為0.1%(質量))。繼續攪拌2 h后，降溫至75oC，恒溫30 min，再將溶液置于模具中成型。將模具溶液置于室溫下冷卻1 h后，再置于冰箱冷凍箱中在-10oC 以下冷凍10 h。取出樣品，在室溫下解凍2 h，然后再反復冷凍-解凍7次后，將樣品放入蒸餾水中以去除未交聯的組分。于是獲得PVA/GG-Mg2+復合水凝膠，將其標記為PVA/GG(x)-Mg2+，x為GG 的百分含量，如GG 含量為0.5%，則所得水凝膠標記為PVA/GG(0.5)-Mg2+。

以相同條件制備PVA 和PVA/GG 水凝膠。PVA和GG 的溶液含量與上述水凝膠相同，所得水凝膠標記為PVA/GG(x)，x為GG 的百分含量，如GG 含量為0.5%，則所得水凝膠標記為PVA/GG(0.5)。

1.3 凝膠水含量的測定

取PVA、PVA/GG(x)和PVA/GG(x)-Mg2+水凝膠樣品，用濾紙吸附除去表面水分，天平稱重得其質量為m。然后將樣品放入真空干燥箱，60oC 真空干燥36 h 以上直至恒重，獲得干凝膠質量為m0，凝膠中的水含量(質量分數)為

1.4 掃描電子顯微鏡

將水凝膠樣品放入蒸餾水中，在室溫下溶脹至平衡。再將樣品放入液氮中冷凍2 min 后放入真空干燥箱中干燥。待水凝膠網絡結構中的水完全揮發后，在其斷面噴鉑5 min，使用冷卻發散掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品斷面形貌。儀器型號：Hitachi 4700 instrument(日本日立)。

1.5 X-射線粉末衍射

將真空干燥后的PVA、GG、PVA/GG、PVA/GGMg2+樣品磨成粉末狀，載玻片壓片制樣，將載玻片放入X 射線粉末衍射儀進行測試。儀器型號：X'Pert PRO MPD (PANalytical 公司)。操作參數CuKα，λ=0.15406 nm；衍射角度范圍5°＜2θ＜80°；步長寬度0.026°。

1.6 傅里葉紅外光譜分析

將真空干燥后的PVA、GG、PVA/GG、PVA/GGMg2+樣品研磨成粉，將粉末與KBr 粉末混合研磨，壓片，紅外光譜掃描。儀型號：6700 紅外光譜儀，美國Nicolet。掃描波數范圍：400～4000 cm-1。

1.7 流變性能測定

Haake 旋 轉 流 變 儀，型 號：RS6000，德 國Karlsruhe 熱電公司。振蕩頻率掃描測試水凝膠的流變性能，頻率掃描設置：測試溫度37oC，施加剪切力τ為1 Pa，角頻率ω從0.1 rad·s-1升至100 rad·s-1，即頻率f從0.159 Hz 升至15.92 Hz，測試的間隙尺寸為0.5 mm，記錄儲存模量G'。

1.8 拉伸強度測試

儀器：微機控制電子萬能試驗機，型號WDT-20，深圳市凱強利實驗儀器有限公司。樣品置于37℃水中至溶脹平衡后，室溫下測試PVA、PVA/GG和PVA/GG-Mg2+復合水凝膠拉伸強度。試樣形狀為矩形，寬10 mm，厚度2 mm，標距為50 mm，試樣以10 mm·min-1的速度進行拉伸。

1.9 DSC測熔融焓

差示掃描量熱儀DSC，型號DSC-204F1，德國耐馳(NETSCH)公司。儀器經高純銦校正溫度和熱流。將水凝膠置于真空干燥箱中，60℃真空干燥36 h 以上獲得干凝膠。稱取5 mg 左右干凝膠(精度為0.01 mg)，填裝在具有扎孔蓋子的鋁制坩堝中，用相同類型的空坩堝作為參比，做DSC 測定。用高純氮氣作保護氣和吹掃氣，氣流速度分別為20 和70 ml·min-1。以5 K·min-1程序升溫速率從室溫升至350oC，獲得樣品的熔融溫度、熔融焓和分解溫度。

1.10 失水動力學的DSC測定

儀器：DSC-204F1。將水凝膠樣品浸泡在蒸餾水中至溶脹平衡，用微量天平準確稱取5 mg 水凝膠，精度0.00001 g。將待測樣品裝填于具孔蓋鋁質坩堝中，用相同材質空坩堝為參比。高純氮氣作保護氣和吹掃氣，氣體流速分別為20 和70 ml·min-1。采用不同的升溫速率加熱樣品，β=1,2,3,4,5 K·min-1。在室溫～400 K 區間獲得DSC 圖譜，用等轉化率法處理不同升溫速率的DSC 曲線以獲得失水動力學參數。

1.11 溶脹動力學測定

水凝膠在60℃真空干燥36 h 以上至恒重，得質量為m0的干凝膠。將干凝膠分別浸泡在磷酸鹽緩沖溶液(PBS)和蒸餾水中并于t(min)后取出，用濾紙吸干凝膠表面殘余水分后進行稱重，記錄不同溶脹時間的凝膠的質量m(t)，直至溶脹平衡。根據m(t)-t數據，得到其含水量W(t)(質量分數)隨時間t的變化曲線。其中

2 結果與討論

2.1 水凝膠含水量

水凝膠的含水量是一個重要的參考量，它在一定程度上可以反映出水凝膠的網絡空間結構和孔隙結構大小[24]。生物材料的應用范圍不同，所需的含水量數值也有差異[25-26]。圖3表示了水凝膠中GG含量(WGG)變化對水凝膠含水量W的影響，可見：(1) 無論是PVA/GG(x)還是PVA/GG(x)-Mg2+，它們均表現出W隨GG 含量增大而增加的現象，即GG 促使水凝膠空隙更大。(2)相比PVA/GG(x)，PVA/GG(x)-Mg2+的含水量較小。結冷膠的存在阻止了PVA鏈間的相互纏結和PVA 自身氫鍵的形成，破壞了PVA 水凝膠原有的微晶區[1]，使空隙增大；另一方面，結冷膠與水有較強的相互作用，因而具有很高的保水性[27]。這些因素使得GG 促使PVA/GG 水凝膠的含水量增加。系統引入鎂離子不僅可以在兩條GG 鏈間形成橋聯，還能與結冷膠上的羧基形成較強的離子鍵，屏蔽掉結冷膠自身的靜電排斥作用[14]，使得PVA/GG-Mg2+復合水凝膠的鏈結更加緊密，含水量比PVA/GG水凝膠有所降低。

圖3 具有不同GG質量分數(WGG)的水凝膠的水含量(W)Fig.3 Water content W for hydrogels with different mass fraction of GG(WGG)

2.2 SEM

圖4 分別為PVA、PVA/GG(2.0)和PVA/GG(2.0)-Mg2+復合水凝膠經冷凍干燥后的斷面形貌。三個水凝膠的孔隙結構不同。相對于純PVA 水凝膠[圖4(a)]，PVA/GG(2.0)[圖4(b)]的孔隙更大。圖4(c)顯示PVA/GG(2.0)-Mg2+水凝膠的孔隙相比PVA/GG(2.0)更加規整致密。這些結構形貌印證了對水凝膠的含水量和空隙結構的分析。

2.3 XRD

圖5 為GG 粉末、干燥后的PVA 凝膠粉末、PVA/GG(2.0)和PVA/GG(2.0)-Mg2+凝膠粉末的XRD 譜圖。GG 在2θ=19.2°和22.2°處出現兩個緩包峰。有文獻認為：這表明GG 從一個類晶體的有序結構固體轉變成一種無定形凝膠狀態[28-29]。PVA 具有晶型結構，在2θ=19.6°處有一尖峰，在2θ=40.4°處有一小峰[30]。對于復合水凝膠PVA/GG(2.0)和PVA/GG(2.0)-Mg2+，由于結冷膠的含量較少，PVA 晶型峰仍然存在，但鎂離子的加入使得PVA/GG(2.0)-Mg2+中PVA 晶型峰的強度有明顯減弱。無論PVA/GG(2.0)凝膠和PVA/GG(2.0)-Mg2+凝膠，都沒有看到新的晶型峰形成。參與形成三維網絡結構的PVA 呈現非晶型。未參與形成網絡結構的PVA 保持其原有晶型。結晶峰減弱表示其結晶度減小，說明有更多的PVA 從純組分晶型改變為非晶型的鏈狀結構，即鎂離子與GG 的作用使得更多的PVA 參與形成網絡結構。

圖4 水凝膠的SEM圖Fig.4 SEM micrographs of hydrogels

圖5 GG粉末和干凝膠的XRD譜圖Fig.5 XRD patterns of GG powder and vacuum dried gels

2.4 FT-IR

圖6 為結冷膠粉末、干燥后的PVA 凝膠、PVA/GG(2.0)干凝膠和PVA/GG(2.0)-Mg2+干凝膠的FT-IR譜圖。有關基團的特征峰數據以及文獻數據列于表1。

糖類半縮醛(C—O—C)特征振動峰位于1033 cm-1處，而PVA 的C—O—C 特征振動峰則位于1093 cm-1處。在PVA/GG 和PVA/GG-Mg2+圖中仍能看到這兩個峰，二者相重疊形成一個寬峰，這可以看成是PVA 和GG 氫鍵交聯形成的特征峰。PVA/GG 和PVA/GG-Mg2+相比，差異并不顯著。

圖6 干凝膠和GG粉末的FT-IR圖譜Fig.6 FT-IR spectrum of dried gels and GG powder

PVA 的—CH2—彎曲振動峰位于1454 cm-1，而GG的—CH2—彎曲振動峰則位于1413 cm-1，在PVA/GG和PVA/GG-Mg2+圖中兩個峰重疊形成一個寬峰。PVA/GG 和PVA/GG-Mg2+相比，后者在1413 cm-1的峰有所減弱，而PVA 的1454 cm-1峰尖銳程度有所增強，這可能是離子交聯兩條GG 螺旋鏈所產生的效果。

2.5 流變性能

利用振蕩流變儀在低頻率范圍對PVA、PVA/GG(2.0)、PVA/GG(x)-Mg2+復合水凝膠的力學性能進行研究。圖7 為各復合水凝膠的儲存模量G?隨凝膠組分的變化情況。結果顯示：(1)對于所有水凝膠樣品，儲存模量幾乎不隨頻率變化，反映出在低頻條件下它們力學性質都較穩定。(2)復合水凝膠PVA/GG(2.0)的儲存模量G?為60 kPa，這個值略大于PVA的儲存模量。這與兩個因素有關：一是結冷膠的存在破壞了PVA 原有的微晶區和PVA 自身的氫鍵，另一方面，結冷膠上有大量羥基和羧基，可以與PVA上的羥基形成氫鍵。這兩個因素的共同作用導致PVA/GG(2.0)與PVA 水凝膠的儲存模量變化不大。(3)系統引入Mg2+后，PVA/GG(x)-Mg2+復合水凝膠的儲存模量隨著結冷膠的含量的增加而增加。PVA/GG(2.0)-Mg2+復合水凝膠的儲存模量G?是110 kPa，大約是是純PVA 水凝膠儲存模量的3 倍，這一顯著變化歸因于Mg2+的作用[31]。儲存模量高說明材料的彈性好，材料存儲彈性變形能量的能力強，應力去除后回復原來形變的能力強[32-33]。

表1 PVA和GG有關基團的FT-IR特征峰數據Table 1 FT-IR characteristic peaks of groups in PVA and GG

圖7 儲存模量G?隨振蕩頻率f的變化Fig.7 Storage modulus G?versus oscillation frequency f

2.6 拉伸性能

圖8 表示PVA、PVA/GG(2.0)和PVA/GG(2.0)-Mg2+水凝膠的拉伸力學性質。PVA 和PVA/GG(2.0)的最大拉伸強度約為4.2 MPa，而PVA/GG(2.0)-Mg2+最大拉伸強度約為5.9 MPa，比純PVA 水凝膠拉伸強度有所增加。人的關節軟骨的平均拉伸強度約為5.8 MPa，所以PVA/GG(2.0)-Mg2+復合水凝膠可以達到組織工程中關節軟骨的力學要求。可見Mg2+參與交聯顯著改善了水凝膠的力學性能。

2.7 干凝膠的熱分析

圖8 水凝膠的拉伸強度Fig.8 Tensile strength of hydrogels

圖9 為PVA、PVA/GG(x)和PVA/GG(x)-Mg2+干凝膠的DSC 圖。在實驗溫度區間，各個樣品均有兩個吸熱峰，分別對應于凝膠中PVA 的熔融和凝膠的熱分解。表2 列出了各個凝膠的熔融焓(ΔmeltH)、熔融溫度(Tm)和熱分解溫度(Td)。結果顯示：(1)各樣品的熔融溫度(Tm)幾乎相同，但低于純PVA 凝膠的數值。這個峰實質上是各個樣品中PVA 組分的結晶熔融性質的表現。Tm低于純PVA 的數值是溶液依數性凝固點降低的表現。(2)熔融焓(ΔmeltH)和凝膠中PVA的含量有關，ΔmeltH隨WPVA減小而減小；PVA/GG(x)-Mg2+和PVA/GG(x)相比，其ΔmeltH更低。即GG與離子的作用導致更多的PVA 發生了晶型轉換。(3)各凝膠的熱分解溫度Td是分解峰的起始溫度。數據顯示PVA/GG(x)的分解溫度略微低于純PVA 凝膠，且隨WPVA減小而減小，符合依數性的關系；而PVA/GG(x)-Mg2+的分解溫度明顯高于純PVA 凝膠，且隨WPVA減小而增大。說明GG 與離子的作用導致整個系統的熱穩定性更好。

由于PVA 具有結晶焓，凝膠中PVA 的結晶度fc可以用熔融焓表示，定義為

式中，ΔmeltH為樣品的熔融焓；ΔmeltHo為完全結晶的PVA 的熔融焓，其值為138.6 J·g-1，來自于文獻[34]；WPVA為干凝膠中PVA 的質量分數；fc(DSC)表示DSC 法測定的結晶度，數據列于表2。結晶度減小，意味著更多的PVA 由結晶態轉變為非晶態而與GG形成交聯。這與力學性能增強，網絡孔腔增大且規整，含水量增加等現象相符。

本文討論水凝膠主要用于模擬關節軟骨，其使用溫度是常溫，遠低于其熱分解溫度。由于文中采用了DSC 方法分析動態失水過程動力學，有必要考察在實驗溫度范圍是否會導致干凝膠分解，故需干凝膠熱分解溫度作參考，以控制實驗溫度上限。DSC 分析干凝膠所獲得的PVA 結晶度與水凝膠應用有關，它是考察PVA 晶態改變的數據，也是反映PVA 參與GG 復合的程度的數據。所以獲取熱分析數據的目的在于①獲取PVA 的晶型變化的信息；②為獲取水的流失的信息做準備。

圖9 干凝膠的DSC圖譜Fig.9 DSC thermograms of vacuum dried gels

2.8 水凝膠的失水動力學

失水活化能反映了水凝膠網絡對水的束縛能量。文獻報道正常軟骨組織失水活化能為41.89 kJ·mol-1，病變軟骨失水活化能高達52.49 kJ·mol-1，軟骨組織失水速率依賴于軟骨中剩余水含量，病變的軟骨組織由于失水而變得更加密集，對水分有更大束縛力[35]。

DSC方法測定的水凝膠失水活化能屬于非等溫動力學過程活化能。實驗測定一組不同升溫速率的DSC 熱失水曲線，利用等溫轉化法處理DSC 數據而得到失水活化能。圖10 為PVA、PVA/GG(2.0)和PVA/GG(2.0)-Mg2+水凝膠在不同升溫速率(β=1,2,3,4,5 K·min-1)下的熱失水DSC圖譜。

Kissinger-Akahira-Sunose (KAS)提出了等轉化率法求解熱分解反應動力學參數DSC 數據處理方法，這是一個被廣泛采用和推薦的方法[36]。對于升溫速率為βi的DSC 曲線，當其轉化率為α時，對應的反應溫度為Tα,i，它們之間的關系為

表2 真空干燥的PVA、PVA/GG（x）和PVA/GG（x）-Mg2+干凝膠的熔融溫度Tm、熔融焓ΔmeltH、熱分解溫度Td和結晶度fc（DSC）Table 2 Melting temperature Tm，melting enthalpy ΔmeltH，decomposition temperature Td，and degree of crystallinity fc（DSC）for vacuum dried gels of PVA，PVA/GG（x）and PVA/GG（x）-Mg2+

對于同一轉化率α，存在一組β值不同的DSC曲線，對應存在一組βi和Tα,i數據，它們滿足式(4)所示線性關系，其斜率為非等溫熱分解過程的活化能Ea。如果改變轉化率，相應的活化能也會發生改變。通常的辦法是考察在一定的轉化率區間內，活化能隨轉化率的變化情況。

圖11表示了用KAS方法處理得到的結果：轉化率 區 間α=0.05～0.95，PVA/GG(2.0)、PVA/GG(2.0)-Mg2+和PVA 水凝膠的失水活化能Ea隨α的變化。為考察水凝膠失水與液態水汽化的差異，將純水汽化過程的活化能曲線也繪入圖中以做比較。

圖11 結果表示：(1) 活化能隨轉化率的增大而減小。DSC 熱分解反應為非等溫過程，低轉化率發生在較低溫度區間，高轉化率發生在較高溫度區間。故會出現Ea隨α增大而減小的現象。通常的解決方案是求一定α區間的Ea平均值。對于本文研究的體系，當α＞0.4 后，活化能變化很小。(2)水凝膠的活化能明顯高于水汽化的活化能。水凝膠的失水機理不同于水的氣化，它包含了水在高分子網絡空隙中的擴散和液態水的汽化兩個過程，其中水的擴散受水凝膠支架和水的相互作用的影響較大。(3) 三個水凝膠的Ea大小順序為：PVA ＞PVA/GG(2.0)-Mg2+＞PVA/GG(2.0)，但三者相差不大。(4) 在轉化率α= 0.4～0.8 區間，活化能隨α變化很小，選擇在此區間求活化能的平均值作為水凝膠的平均活化能。則有：PVA，Ea=52.9 kJ·mol-1；PVA/GG(2.0)-Mg2+，Ea=52.2 kJ·mol-1；PVA/GG(2.0)，Ea=50.8 kJ·mol-1。

圖10 在不同升溫速率下水凝膠失水過程的DSC曲線Fig.10 DSC curves at different heating rates for dehydration of hydrogels

圖11 水凝膠失水活化能Ea隨轉化率α的變化關系Fig.11 Dependence of activation energy of hydrogel dehydration Ea on conversion α

將水凝膠熱失水過程視為由兩個步驟組成：水在水凝膠中的擴散和液態水的汽化，其中水的擴散受水凝膠支架和水的相互作用的影響較大。水凝膠的熱失水活化能Ea(hydrogel)與液態純水的熱失水活化能Ea(liq,water)之差ΔEa可以視為水在水凝膠中的擴散活化能。

ΔEa隨轉化率的變化如圖12 所示。結果顯示：水的擴散活化能隨轉化率(失水率)的增大而減小，且其在PVA 水凝膠中的擴散活化能要高于其在PVA/GG(2.0)-Mg2+和PVA/GG(2.0)復合水凝膠中。在α=0.4～0.8 區間求其平均值，則有：PVA/GG(2.0)，ΔEa=12.8 kJ·mol-1；PVA/GG(2.0)-Mg2+，ΔEa=14.4 kJ·mol-1；PVA，ΔEa=15.2 kJ·mol-1。顯然，離子的加入使水擴散遷移出凝膠空隙的速率變慢。

圖12 水凝膠中水的擴散活化能隨轉化率α的變化Fig.12 Dependence of water diffusion activation energy on α in hydrogels

2.9 溶脹動力學

聚合物水凝膠的溶脹行為提供了關于高分子鏈的構象變化和水凝膠網絡的體積變化的信息[24]。溶脹動力學參數包括平衡水含量We和溶脹速率常數k。平衡水含量表示了水凝膠內部可以容納水分子的空間大小，溶脹速率常數表示了水凝膠溶脹吸收能力的大小，它們與水和凝膠支架間的相互作用相關。溶脹速率通常可用二級動力學方程表示[37]

其中，W是水凝膠在溶脹時間t時刻的水含量；We是平衡水含量；k是溶脹速率常數。積分后得

取相同質量的PVA、PVA/GG 和PVA/GG-Mg2+干凝膠，分別浸于37℃的PBS 和蒸餾水中進行溶脹測試。圖13 給出了PVA/GG(x)在水中的溶脹曲線，其他凝膠的溶脹曲線有相似的形狀。圖13 表示：在溶脹初期，水凝膠的吸水速率很快；隨溶脹時間延長，吸水速率逐漸減緩，經很長一段時間后達到溶脹平衡。用非線性最小二乘法擬合實驗數據，可得到溶脹動力學參數(We和k)，結果見圖14 和圖15。

圖13 PVA/GG(x)凝膠在水中的溶脹曲線Fig.13 Swelling curves for gels of PVA/GG(x)in water

平衡水含量We與溶脹速率常數k隨凝膠中GG含量而變化。圖14 和圖15 結果顯示：(1)在PBS 緩沖溶液中，各凝膠的We和k的值都要低于其在水中的值。這可能與溶液的鹽析效應以及電解質的滲透壓等因素有關。(2)各凝膠的We和k隨GG 含量(WGG，質量分數)增加而增加。這意味著，GG 能提高水凝膠的持水量。(3)PVA/GG(x)-Mg2+和PVA/GG(x)相比，前者的We和k要低于后者。可以解釋為：PVA/GG(x)-Mg2+具有更為規整致密的結構，導致孔腔體積減小，水的擴散進入變慢，吸附速率減小。

圖14 平衡水含量(We)與GG質量分數(WGG)的關系Fig.14 Dependence of equilibrium water content(We)on mass fraction of GG(WGG)

圖15 溶脹速率常數(k)與GG質量分數(WGG)的關系Fig.15 Dependence of kinetic rate constant(k)on mass fraction of GG(WGG)

2.10 Ca2+、Mg2+、Al3+對PVA/GG 水凝膠性質的影響

將本文結果與前期有關Ca2+、Al3+參與復合的PVA/GG 水凝膠的實驗結果進行對比，相關參數列于表3中。

由表中數據可見，離子參與交聯，導致PVA/GG水凝膠的含水量略有減少，結構更加規整致密；導致凝膠的溶脹平衡含水量降低，水分子擴散速率降低；力學參數發生較大變化，拉伸強度增大，存儲模量增大；PVA 的結晶度顯著減小，即更多PVA 由晶態轉變為非晶態而參與復合；水擴散活化能增加，這也是導致水擴散速率減小的原因之一。三個離子產生的效應很相似，但也略有差異。在力學參數上，Al3+的影響出現最大值不是在PVA/GG(2.0)-Al3+，而是在PVA/GG(1.5)-Al3+。

根據上述分析，提出PVA/GG(2.0)-Mz+復合水凝膠相互作用機理示意圖(圖16)。其中顯示了離子對GG雙鏈的橋聯作用，以及GG和PVA的氫鍵作用。

表3 PVA/GG（2.0）-Mz+復合水凝膠若干參數對比Table 3 Comparison for properties of PVA/GG（2.0）-Mz+composite hydrogels

圖16 PVA/GG(2.0)-Mz+復合水凝膠相互作用機理Fig.16 Schematic diagram of interaction mechanism of PVA/GG-Mz+hydrogel

3 結 論

通過循環冷凍-解凍的方法制備PVA/GG(x)-Mg2+復合水凝膠。通過對水凝膠的網絡結構、力學、物理化學性質的研究，觀察到：PVA/GG(x)-Mg2+具有規整致密的三維結構，保持較大的孔隙率，具有相對較高的拉伸強度和黏彈性儲能模量，熱穩定性增強。溶脹動力學結果表示：PVA/GG(x)-Mg2+具有更為規整致密的結構，導致孔腔體積減小，水的擴散進入變慢，吸附速率減小。失水動力學結果顯示：水的擴散活化能隨轉化率(失水率)的增大而減小，且其在PVA 水凝膠中的擴散活化能要高于其在PVA/GG(2.0)-Mg2+和PVA/GG(2.0)復合水凝膠中。而離子的加入使水擴散遷移出PVA/GG 水凝膠空隙的速率變慢。溶脹和失水的動力學結果相吻合，即離子使水凝膠的保水性增強。這與Mg2+和GG 的相互作用導致高分子交聯程度增強有關。GG 和離子的相互作用可以顯著改變生物組織材料的結構和性能，對于PVA/GG 水凝膠，Mg2+、Ca2+、Al3+有相似的影響作用。