基于丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨導(dǎo)電水凝膠的制備及性能檢測(cè)

薛榆潔，徐莉菲，章琪露，王佳茜，許可，林露陽(yáng)

（1.溫州醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院，浙江 溫州 325035；2.溫州大學(xué) 生命科學(xué)研究院，浙江 溫州 325000；3.溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 急診科，浙江 溫州 325027）

導(dǎo)電高分子水凝膠結(jié)合了導(dǎo)電高分子與水凝膠兩方面性能，在許多方面具有潛在應(yīng)用前景[1]。導(dǎo)電水凝膠目前在可移植的生物傳感器、電刺激的藥物釋放器件、神經(jīng)修復(fù)等方面得到初步應(yīng)用[2-5]。常用導(dǎo)電水凝膠主要分為聚電解質(zhì)導(dǎo)電膠[6-7]、酸摻雜導(dǎo)電水凝膠[8]、導(dǎo)電高分子水凝膠[9]等幾種，然而我國(guó)醫(yī)療器械市場(chǎng)導(dǎo)電水凝膠以美國(guó)品牌的導(dǎo)電水凝膠為主，大部分公司以代工合成貼牌為主，沒(méi)有擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且能與美國(guó)品牌公司導(dǎo)電膠競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)品。因此開(kāi)發(fā)成本低且性能佳的導(dǎo)電水凝膠成為當(dāng)務(wù)之急。

1 材料和方法

1.1 儀器 膠帶初黏性實(shí)驗(yàn)機(jī)（杭州五佳機(jī)械設(shè)備有限公司），萬(wàn)用表（深圳市驛生勝利科技有限公司），萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（3343，上海英斯特朗試驗(yàn)設(shè)備貿(mào)易有限公司），250 W紫外線高壓汞燈（北京天脈恒輝光源電器有限公司）

1.2 試劑與動(dòng)物 丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DAC）（廣東翁江化學(xué)試劑有限公司），N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（BisAAm）、1-羥環(huán)己基苯酮（上海麥克林生化科技有限公司），甘油、DMSO（So-larbio）、羥乙基纖維素（HEC）（上海阿拉丁生物有限公司），ICR小白鼠（江蘇集萃藥康生物科技有限公司）

1.3 水凝膠的制備 PERRAULT等[10]報(bào)道了利用DAC來(lái)制備導(dǎo)電水凝膠，然而該水凝膠存在著有殘留、異味以及未優(yōu)化等缺點(diǎn)，因此需要進(jìn)行一定程度改進(jìn)；本研究將一定比例的DAC水溶液、BisAAm、1-羥環(huán)己基苯酮混合，攪拌均勻，再加入甘油和HEC，攪拌均勻，置于模具中，在紫外燈下光照一定時(shí)間后取出，得到固態(tài)的水凝膠。

1.4 表征與測(cè)試

1.4.1 初黏性實(shí)驗(yàn)：將長(zhǎng)為100 mm、厚度為2 mm長(zhǎng)方形的不同配方的水凝膠粘貼于傾斜角30°的膠帶初黏性實(shí)驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)板上，助滾段長(zhǎng)度為100 mm，夾取鋼球從最大號(hào)起，依次使之自由滾下，記錄粘在水凝膠上達(dá)5 s以上的球的直徑，作為該水凝膠的初黏性值。

1.4.2 導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)：用萬(wàn)用電表，將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)調(diào)到2000 kΩ，將紅黑金屬觸頭輕觸不同配方的水凝膠表面，記錄水凝膠的電阻。

1.4.3 拉伸性能實(shí)驗(yàn)：將含有不同配比的單體、交聯(lián)劑等混合液體注入長(zhǎng)方體模具槽中，紫外燈下光照一定時(shí)間，使水凝膠完全交聯(lián)，以水凝膠凝固，沒(méi)有液體殘留為交聯(lián)完成。利用萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)在常溫下進(jìn)行對(duì)凝膠樣品條的測(cè)試。同一配方的水凝膠樣品重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次并采取相應(yīng)的平均值。拉伸測(cè)試主要的測(cè)試參數(shù)為：斷裂伸長(zhǎng)率和彈性模量。

1.4.4 壓縮性能實(shí)驗(yàn)：將含有不同配比的單體、摻雜劑和引發(fā)劑的混體注入圓柱形模具中（直徑為10 mm），紫外燈照射一定時(shí)間，使水凝膠完全交聯(lián)。利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 在常溫下進(jìn)行對(duì)水凝膠樣品進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)配方的水凝膠樣品需要測(cè)試3次并取相應(yīng)的平均值。測(cè)試的參數(shù)主要為壓縮模量和壓縮強(qiáng)度。

1.4.5 皮膚過(guò)敏試驗(yàn)：ICR小鼠10只，購(gòu)于江蘇集萃藥康生物科技有限公司，動(dòng)物許可證號(hào)：SYXK（蘇）2017-0046，采取貼膜形式，將制備的水凝膠貼在小白鼠脫毛處理后的皮膚上，經(jīng)過(guò)2 h后觀察是否出現(xiàn)紅斑等過(guò)敏現(xiàn)象。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理方法 采用GraphPad Prism 5.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料用±s表示，多組間比較用單因素方差分析，組間兩兩比較用LSD-t法。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 交聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)水凝膠理化性質(zhì)的影響 導(dǎo)電水凝膠的示意圖，見(jiàn)圖1。序號(hào)1-4提示單純DAC加BisAAm進(jìn)行光交聯(lián)后，水凝膠具有異味，而添加甘油或HEC后異味消失；序號(hào)1、7和9提示BisAAm、甘油及HEC比例不合適會(huì)造成一定的殘留，見(jiàn)表1。不同配方水凝膠脫水率均小于10%，沒(méi)有嚴(yán)重的脫水情況，見(jiàn)表2。經(jīng)3個(gè)月以上觀察，水凝膠均未出現(xiàn)變色及肉眼可見(jiàn)的霉斑。

圖1 導(dǎo)電水凝膠示意圖

2.2 不同配方的交聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)水凝膠黏性的影響

組1～3示DAC和BisAAm比例升高，凝膠初黏性升高，組4～6示添加甘油能有效提高凝膠的初黏性值，而HEC對(duì)水凝膠黏性影響不大，見(jiàn)表3。導(dǎo)電水凝膠的初黏性實(shí)驗(yàn)示意圖，見(jiàn)圖2。

2.3 不同配方的交聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)水凝膠導(dǎo)電性的影響組1和組2的電阻都大于組6，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；組6電阻小于組7，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見(jiàn)圖3。

表1 水凝膠制備條件及相應(yīng)的理化性質(zhì)

表2 不同配方水凝膠的脫水情況

表3 不同配方的交聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)水凝膠黏性的影響

圖2 導(dǎo)電水凝膠的初黏性實(shí)驗(yàn)

2.4 不同配方水凝膠機(jī)械性能比較 不同配方水凝膠拉伸實(shí)驗(yàn)和壓縮測(cè)試過(guò)程，見(jiàn)圖4。組6的拉伸應(yīng)力要優(yōu)大于組4和組5，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）；組4和組5拉伸應(yīng)力大于組3，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），見(jiàn)圖5A。組3水凝膠壓縮應(yīng)力大于組1，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）。組4和組5水凝膠壓縮應(yīng)力優(yōu)于組3，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）。組6的壓縮應(yīng)力要大于組4和組5，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001），見(jiàn)圖5B。

圖4 水凝膠拉伸實(shí)驗(yàn)和壓縮實(shí)驗(yàn)示意圖

2.5 水凝膠的皮膚過(guò)敏試驗(yàn) 將組6配方制備的水凝膠貼在小白鼠脫毛處理后暴露的皮膚上，經(jīng)過(guò)2 h后皮膚沒(méi)有出現(xiàn)紅斑或水腫等過(guò)敏現(xiàn)象，見(jiàn)圖6。

圖5 不同組別水凝膠拉伸性能和壓縮性能比較

圖6 水凝膠的皮膚過(guò)敏試驗(yàn)

3 討論

本研究以DAC為主要基質(zhì)，BisAAm為光學(xué)交聯(lián)劑，1-羥環(huán)己基苯酮為催化劑，通過(guò)添加甘油和HEC，以期制備出拉伸壓縮性能和導(dǎo)電性能優(yōu)良的復(fù)合導(dǎo)電水凝膠。

本實(shí)驗(yàn)的水凝膠主要基質(zhì)為DAC，它是一種較為常見(jiàn)的高分子材料，可以通過(guò)光敏交聯(lián)劑形成水凝膠結(jié)構(gòu)，但其存在黏性不夠、機(jī)械性不好、容易斷裂、不利于生產(chǎn)等缺點(diǎn)。為了彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，本研究加入了甘油和HEC來(lái)改善導(dǎo)電水凝膠的理化性質(zhì)。甘油是一種增塑劑，能在一定程度上阻止水凝膠脫水[12]，可以使水凝膠有更好的拉伸性和黏性；HEC是一種增稠劑，可以使水凝膠具有優(yōu)異的拉伸性能和壓縮性能[13]，并利于工業(yè)上的生產(chǎn)切割，并且其性質(zhì)穩(wěn)定，不易與其他材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此添加這些材料可以彌補(bǔ)DAC高分子水凝膠的缺點(diǎn)，改良后的導(dǎo)電高分子水凝膠能滿足市場(chǎng)需求，具有更廣闊的應(yīng)用前景。本研究發(fā)現(xiàn)不同比例配方的水凝膠對(duì)其理化性質(zhì)有一定的影響，其中60% DAC+5%BisAAm+10%甘油+0.015% HEC配方的水凝膠在氣味、是否有殘留物、穩(wěn)定性（是否變色）、是否長(zhǎng)菌以及脫水這幾個(gè)方面均優(yōu)于其他組。

醫(yī)用導(dǎo)電水凝膠主要用于皮膚貼劑，這需要水凝膠有一定的黏性，才能使其在使用時(shí)不易脫落，能更好地貼合于皮膚。為此，進(jìn)行了水凝膠的初黏性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)添加甘油后能顯著增加水凝膠的初黏性能，而HEC影響不大。導(dǎo)電水凝膠的導(dǎo)電能力主要來(lái)源于水凝膠中離子含量和其運(yùn)動(dòng)，電阻越小，代表導(dǎo)電性越好[11]。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)不同比例DAC和BisAAm配方制作出來(lái)的水凝膠導(dǎo)電性能不同，這可能是由于DAC基質(zhì)本身含有較多離子，而隨著交聯(lián)劑BisAAm的含量增加導(dǎo)致水凝膠的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越來(lái)越穩(wěn)定，阻礙了水凝膠內(nèi)部離子的運(yùn)動(dòng)，從而使導(dǎo)電性改變，研究發(fā)現(xiàn)組6的導(dǎo)電性最為優(yōu)異。此外，從水凝膠的拉伸實(shí)驗(yàn)來(lái)看，添加了HEC后水凝膠的機(jī)械性能最好。最后，導(dǎo)電水凝膠作為一種皮膚貼劑需要具備較好的生物安全性，通過(guò)皮膚過(guò)敏試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小鼠皮膚沒(méi)有出現(xiàn)紅斑或水腫現(xiàn)象。

綜上所述，組6配方（60% DAC+5% BisAAm+10%甘油+0.015% HEC）的導(dǎo)電水凝膠理化性質(zhì)整體表現(xiàn)最好。