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摘 要：根据“双网络水凝胶”设计思路，以紫外光引发自由基聚合的原理，制备了高强度聚丙烯酸/丙烯酰胺双网络水凝胶，并添加SiO2对DN凝胶进行改性，系统研究了SiO2的加入量对DN复合凝胶微观形貌、力学性能和粘弹性特征的影响。结果表明，DN凝胶中添加适量SiO2会提高凝胶的压缩强度，当SiO2含量超过一定程度时，继续增大SiO2含量会导致材料压缩强度下降。这对其应用于软骨修复有重要意义。
关键词：关节 凝胶 双网络
中图分类号：TH117.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0028-02
人体关节软骨主要功能是缓冲载荷，以及减少相邻两骨间的摩擦[1]。天然的关节软骨作为一种承重材料，具备较高的强度、冲击韧性以及极为润滑的表面，同时有高达75%的含水量，是性能优良的“软而湿”的材料[2]。然而，天然软骨的周围缺乏血液供应，损伤后难以再生，将严重影响关节的功能。寻找理想的人工合成软材料以替代损伤的天然软骨，是目前生物医学领域所面临的一个重要问题。
对于软骨修复材料的选择，要综合考虑机械强度、生物相容性、降解速率等多种因素，近年来研究表明，水凝胶材料作为一种含有大量水分的三维网络聚合物，有着类似于人体软组织的力学特征，同时其三维网络多孔结构便于小分子在其中自由扩散，使其生物相容性优良，因此水凝胶被认为是用于软骨替代的较为理想的材料。然而大部分水凝胶十分脆弱，为了改善水凝胶的力学性能，近年来研究者提出了很多思路，其中比较成功的一种是双网络水凝胶（Double network hydrogel，DN）的概念，其设计思路是首先用交联度较高的聚电解质合成第一层网络，以此为模板，在其中引入中性低交联度第二层网络，以形成双网络结构。第一层网络为DN凝胶提供了刚性骨架，保持凝胶外形，而柔性的第二层网络填补其中，很好地起到吸收应力的作用。研究表明，DN凝胶在保持了高含水量的同时，其压缩强度为兆帕级别，弹性模量为0.14～0.19MPa，接近于天然软骨。
目前关于DN凝胶的研究尚处于起步阶段，高强度DN凝胶的体系种类较少，本文针对此问题，制备了一种新体系的丙烯酸/丙烯酰胺（PAA/PAAm）DN凝胶，选用PAA作為第一网络，主要是由于PAA作为一种聚电解质大分子，能在第二网络的单体溶液中充分溶胀，便于第二网络单体大量进入；且聚丙烯酸本身无毒，在人体生理学环境中对蛋白质有抗性，因此在体内不易发生免疫排斥反应，适用于生物医用材料；选用AAm中性聚合物分子作为第二网络，和AA形成的PAA/PAAm的体系也满足Gong提出的双网络体系组分的组成原则。同时向DN凝胶中添加一定粒径的SiO2微粒，制备DN-SiO2复合凝胶，探讨了SiO2的含量对凝胶微观形貌及力学性能的影响。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
丙烯酸单体（AA）、丙烯酰胺单体（AAm）、SiO2粉末，分析纯，均购自天津科密欧化学试剂有限公司；α-酮戊二酸，2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA），分析纯，购自上海晶纯实业有限公司。
微量移液器，WKYⅢ-100，上海佳安分析仪器公司；磁力搅拌器，big squid，德国 IKA 实验实验技术有限公司；超声细胞破碎仪，XO-1200，南京先欧仪器制造有限公司；自制紫外灯；环境扫描电子显微镜（ESEM），XL-30，荷兰飞利浦公司；动态力学热分析仪（DMTA Q800，USA）。
1.2 凝胶制备
步骤一：取AA 10mL，交联剂三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）400 μL，适量的去离子水，一起倒入烧杯中搅拌30 min，至溶液呈无色透明状态。再取一定质量的SiO2微粒，加入去离子水，置于冰浴中超声搅拌30 min，将超声后的SiO2水溶液倒入上述AA单体溶液中，经计算后配置成20%v/v的AA溶液，向此溶液中加入水溶性光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮100 μL，继续搅拌5 min，然后将溶液倒在事先置于玻璃片上的硅胶环模具中（硅胶环厚度5 mm，直径12 mm，硅胶环涂以凡士林以防止溶液渗出），再用玻璃片盖住，将两块玻璃片用夹子夹紧，置于宽范围波长的灯下（灯的波长范围200～2500 nm，其中包含紫外部分）辐照5 min，形成不溶于水的PAA-SiO2单网络复合水凝胶。
步骤二：将以上制备好的凝胶从模具中取出，泡在一定浓度的AAm单体溶液中（AAm溶液体积至少为PAA凝胶体积的5倍以上，此AAm单体溶液中，已事先加入了光引发剂α-酮戊二酸，其中，α-酮戊二酸的质量为AAm单体的1wt%），浸泡24 h后，PAA凝胶达到溶胀平衡状态，取出凝胶，置于相同的灯下辐照5 h，使PAAm网络在PAA凝胶的内部发生交联，制备出PAA -PAAm DN-SiO2复合凝胶。
1.3 复合凝胶的表面形貌表征
本实验中采用环境扫描电镜（ESEM）观察水凝胶横截面的真实形貌。将制备好的每个凝胶取中间部分，切一2 cm×2 cm大小的正方形小样本，用ESEM直接观察其含水状态的表面形貌。
1.4 力学性能
用力学实验机测试PAA单网络凝胶和DN复合凝胶的单向压缩性能。以20%应变/min 的压缩速率对水凝胶样品的进行压缩，若过程中样本无断裂，则最大压至0.95应变。由于应力-应变曲线在0～0.2应变内趋于直线，所以选取此段区间的斜率作为弹性压缩模量。所有测试都在室温下进行，样本从水中取出后立即进行测试，以最小化水的损失。压缩应变的定义为：
ε=（h-h0）/h0
其中，h0为样本初始厚度，h是压缩后的厚度。
压缩应力的定义为：
σc=F/R2
其中，F为施加载荷，R为材料原始半径。
2 结果与讨论
2.1 复合凝胶形貌
如图1所示，凝胶样本为含大量孔洞的三维网络状结构，（a）和（b）中均为单网络的凝胶，其平均孔径大小约50～80 μm，大于图（c）和（d）中双网络凝胶。由（c）和（d）比较可知，SiO2微粒的加入会显著减小凝胶的孔径大小。
2.2 双网络复合凝胶的力学性能
图2所示的为DN凝胶和单网络（SN）凝胶的压缩应力-应变曲线。PAA SN凝胶在很低的应变（0.4）即发生断裂，然而PAA/PAAm DN凝胶的最大抗压应力达到了3.6MPa，是PAA的12倍以上，DN凝胶的最大压缩应变达到了94%，明显大于PAA SN凝胶的39%。
3 结语
结合双网络凝胶（DN）的设计思路，利用紫外辐照引发自由基聚合原理制备了一种新体系的PAA/PAAm-SiO2 DN复合凝胶。用环境扫描电子显微镜观察了凝胶的微观结构，复合凝胶单向压缩力学性能。压缩实验表明，PAA/PAAm体系组合可以形成高强度DN凝胶。这对其应用于软骨修复有重要意义。
参考文献
[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.
关键词：关节 凝胶 双网络
中图分类号：TH117.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0028-02
人体关节软骨主要功能是缓冲载荷，以及减少相邻两骨间的摩擦[1]。天然的关节软骨作为一种承重材料，具备较高的强度、冲击韧性以及极为润滑的表面，同时有高达75%的含水量，是性能优良的“软而湿”的材料[2]。然而，天然软骨的周围缺乏血液供应，损伤后难以再生，将严重影响关节的功能。寻找理想的人工合成软材料以替代损伤的天然软骨，是目前生物医学领域所面临的一个重要问题。
对于软骨修复材料的选择，要综合考虑机械强度、生物相容性、降解速率等多种因素，近年来研究表明，水凝胶材料作为一种含有大量水分的三维网络聚合物，有着类似于人体软组织的力学特征，同时其三维网络多孔结构便于小分子在其中自由扩散，使其生物相容性优良，因此水凝胶被认为是用于软骨替代的较为理想的材料。然而大部分水凝胶十分脆弱，为了改善水凝胶的力学性能，近年来研究者提出了很多思路，其中比较成功的一种是双网络水凝胶（Double network hydrogel，DN）的概念，其设计思路是首先用交联度较高的聚电解质合成第一层网络，以此为模板，在其中引入中性低交联度第二层网络，以形成双网络结构。第一层网络为DN凝胶提供了刚性骨架，保持凝胶外形，而柔性的第二层网络填补其中，很好地起到吸收应力的作用。研究表明，DN凝胶在保持了高含水量的同时，其压缩强度为兆帕级别，弹性模量为0.14～0.19MPa，接近于天然软骨。
目前关于DN凝胶的研究尚处于起步阶段，高强度DN凝胶的体系种类较少，本文针对此问题，制备了一种新体系的丙烯酸/丙烯酰胺（PAA/PAAm）DN凝胶，选用PAA作為第一网络，主要是由于PAA作为一种聚电解质大分子，能在第二网络的单体溶液中充分溶胀，便于第二网络单体大量进入；且聚丙烯酸本身无毒，在人体生理学环境中对蛋白质有抗性，因此在体内不易发生免疫排斥反应，适用于生物医用材料；选用AAm中性聚合物分子作为第二网络，和AA形成的PAA/PAAm的体系也满足Gong提出的双网络体系组分的组成原则。同时向DN凝胶中添加一定粒径的SiO2微粒，制备DN-SiO2复合凝胶，探讨了SiO2的含量对凝胶微观形貌及力学性能的影响。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
丙烯酸单体（AA）、丙烯酰胺单体（AAm）、SiO2粉末，分析纯，均购自天津科密欧化学试剂有限公司；α-酮戊二酸，2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA），分析纯，购自上海晶纯实业有限公司。
微量移液器，WKYⅢ-100，上海佳安分析仪器公司；磁力搅拌器，big squid，德国 IKA 实验实验技术有限公司；超声细胞破碎仪，XO-1200，南京先欧仪器制造有限公司；自制紫外灯；环境扫描电子显微镜（ESEM），XL-30，荷兰飞利浦公司；动态力学热分析仪（DMTA Q800，USA）。
1.2 凝胶制备
步骤一：取AA 10mL，交联剂三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）400 μL，适量的去离子水，一起倒入烧杯中搅拌30 min，至溶液呈无色透明状态。再取一定质量的SiO2微粒，加入去离子水，置于冰浴中超声搅拌30 min，将超声后的SiO2水溶液倒入上述AA单体溶液中，经计算后配置成20%v/v的AA溶液，向此溶液中加入水溶性光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮100 μL，继续搅拌5 min，然后将溶液倒在事先置于玻璃片上的硅胶环模具中（硅胶环厚度5 mm，直径12 mm，硅胶环涂以凡士林以防止溶液渗出），再用玻璃片盖住，将两块玻璃片用夹子夹紧，置于宽范围波长的灯下（灯的波长范围200～2500 nm，其中包含紫外部分）辐照5 min，形成不溶于水的PAA-SiO2单网络复合水凝胶。
步骤二：将以上制备好的凝胶从模具中取出，泡在一定浓度的AAm单体溶液中（AAm溶液体积至少为PAA凝胶体积的5倍以上，此AAm单体溶液中，已事先加入了光引发剂α-酮戊二酸，其中，α-酮戊二酸的质量为AAm单体的1wt%），浸泡24 h后，PAA凝胶达到溶胀平衡状态，取出凝胶，置于相同的灯下辐照5 h，使PAAm网络在PAA凝胶的内部发生交联，制备出PAA -PAAm DN-SiO2复合凝胶。
1.3 复合凝胶的表面形貌表征
本实验中采用环境扫描电镜（ESEM）观察水凝胶横截面的真实形貌。将制备好的每个凝胶取中间部分，切一2 cm×2 cm大小的正方形小样本，用ESEM直接观察其含水状态的表面形貌。
1.4 力学性能
用力学实验机测试PAA单网络凝胶和DN复合凝胶的单向压缩性能。以20%应变/min 的压缩速率对水凝胶样品的进行压缩，若过程中样本无断裂，则最大压至0.95应变。由于应力-应变曲线在0～0.2应变内趋于直线，所以选取此段区间的斜率作为弹性压缩模量。所有测试都在室温下进行，样本从水中取出后立即进行测试，以最小化水的损失。压缩应变的定义为：
ε=（h-h0）/h0
其中，h0为样本初始厚度，h是压缩后的厚度。
压缩应力的定义为：
σc=F/R2
其中，F为施加载荷，R为材料原始半径。
2 结果与讨论
2.1 复合凝胶形貌
如图1所示，凝胶样本为含大量孔洞的三维网络状结构，（a）和（b）中均为单网络的凝胶，其平均孔径大小约50～80 μm，大于图（c）和（d）中双网络凝胶。由（c）和（d）比较可知，SiO2微粒的加入会显著减小凝胶的孔径大小。
2.2 双网络复合凝胶的力学性能
图2所示的为DN凝胶和单网络（SN）凝胶的压缩应力-应变曲线。PAA SN凝胶在很低的应变（0.4）即发生断裂，然而PAA/PAAm DN凝胶的最大抗压应力达到了3.6MPa，是PAA的12倍以上，DN凝胶的最大压缩应变达到了94%，明显大于PAA SN凝胶的39%。
3 结语
结合双网络凝胶（DN）的设计思路，利用紫外辐照引发自由基聚合原理制备了一种新体系的PAA/PAAm-SiO2 DN复合凝胶。用环境扫描电子显微镜观察了凝胶的微观结构，复合凝胶单向压缩力学性能。压缩实验表明，PAA/PAAm体系组合可以形成高强度DN凝胶。这对其应用于软骨修复有重要意义。
参考文献
[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.