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DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2107-5640-3389
摘 要：本文以N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）为结构框架和温敏性单体、聚多巴胺（PDA）为粘附性单体、聚乙烯醇（PVA）和明胶（GEL）为成胶单体，调节多巴胺的含量，制备出温敏性纳米水凝胶。作为具有低临界溶解温度（LCST）的温敏性聚合物，聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝胶的透光度表现出温度敏感性。粘附试验结果表明：多巴胺的加入有效地提高了温敏性水凝胶的粘附性能，水凝胶负载装满水的离心管（总重10g）后，可粘附在多种材料上，如乳胶手套、载玻片、美工刀、聚四氟乙烯板，且粘后维持2min以上不掉落。
关键词：温敏性水凝胶 多巴胺纳米粒子 粘附性 低临界溶解温度
中图分类号：O648.17 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（b）-0016-05
Preparation and Performance of Mussel Inspired Thermosensitive Self-adhesive Hydrogel
Xu Xiangchuan Song Wenli* Wang Yuhao Zhang Jing Li Xinhua*
（Material Engineering College of Jinling Institute of Technology， Nanjing， Jiangsu Province， 211169 China）
Abstract： In this study， N-isopropyl acrylamide （NIPAM） was used as the structural framework and thermo-sensitive monomer， polydopamine （PDA） as the adhesive monomer， polyvinyl alcohol （PVA） and gelatin（GEL）as the gelling monomer， and the thermosensitive nano hydrogels were prepared in aqueous solution. Here we mainly studied the introduction of dopamine by thermosensitive hydrogels to enhance the adhesion properties of hydrogels. As temperature-sensitive polymer with a low critical solution temperature （LCST）， polyisopropyl acrylamide （PNIPAM） hydrogel exhibits temperature sensitivity. The results of the adhesion test show that the addition of dopamine effectively improves the adhesion performance of the hydrogel. After the hydrogel is loaded with a centrifuge tube filled with water （total weight 10g）， it can adhere to a variety of materials such as latex gloves， glass slides， utility knife， PTFE board， and keep it for more than 2 minutes without falling.
Key Words： Thermosensitive hydrogel; Dopamine nanoparticles; Adhesion; Low critical solution temperature
N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）为温度敏感性单体制备了温敏性水凝胶，该类水凝胶的低临界溶解温度（LCST，32℃）接近于人体的生理温度，使其在生物医用领域备受关注，常被用作药物载体释放、生物技术和传感等[1-3]。但是，PNIPAM类水凝胶由于机械强度低、粘附性不高、环境响应速度慢和平衡溶胀速度低的缺陷，导致其应用范围受到限制[4，5]。
基于此，本文用氧化法制备多巴胺纳米粒子，并通过化学接枝的方法将其引入到PNPAM中，同时加入天然生物材料明胶和聚乙烯醇，最终制备温敏性自粘附水凝胶。多巴胺（DA）的仿天然贻贝粘附蛋白结构，使水凝胶能牢固地附着到多种材料的表面，即使处在复杂的水环境也可以维持很好的稳定黏附[6-9]。
1 实验部分
1.1 原料与仪器
1.1.1 原料
盐酸多巴胺（DA），阿拉丁试剂有限公司;N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM，分析纯），阿拉丁试剂有限公司;聚乙烯醇（分析纯），阿拉丁试剂有限公司;明胶（分析纯），天津市化学试剂研究所;氢氧化钠（化学纯）、过硫酸铵（分析纯）、四甲基乙二胺（分析纯）、单宁酸（分析纯），国药集团化学试剂有限公司。 1.1.2 仪器
傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR，NicoletIS10型），美国Nicolet公司;万用拉力试验机（Instorn5953），美国Nicolet公司;马尔文纳米粒度分析仪（Nano-2s ZEN3600），英国Malvern公司;日立扫描电子显微镜（Su8010）。
1.2 聚多巴胺纳米粒子的制备
氧化法制备聚多巴胺（PDA）纳米粒子，采用溶液稀释法配置pH=9的氢氧化钠溶液100mL，称取一份1g盐酸多巴胺粉末将其溶解在配置好的pH=9的氢氧化钠溶液中，在室温（25℃）下磁力搅拌30min，使其预聚形成PDA，并在截留分子量为10 000的透析袋中透析48h，得到所需的多巴胺纳米粒子。在DA聚合成PDA过程中，溶液颜色从无色变成浅棕色，最终变深褐色或黑色，这也是PDA的特征颜色。
1.3 多巴胺引入PNIPAM/聚乙烯醇/GEL纳米水凝胶的制备
将3g N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM），0.5g过硫酸铵（APS），0.01g N，N-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）和2uL 4-甲基乙二胺（TMEDA），依次添加到10mL 1%PDA纳米粒子溶液中，并在冰浴中搅拌均匀10min后，除去冰浴，加入10%PVA、20%GEL及10%单宁酸使NIPAM单体聚合形PDA/PNIPAM/PVA/GEL水凝胶。凝胶冷却之后进行冻融法循环操作，循环3次以上，直至水凝胶冻融形成，命名为10%PDA/PNIPAM/PVA/GEL。改变纳米粒子溶液15mL 20mL，重复上述步骤制备得到15%PDA/PNIPAM/PVA/GEL和20%PDA/PNIPAM/PVA/GEL凝胶。
2 结果与讨论
2.1 傅里叶红外光谱分析
由图1（a）可见，在3401cm-1处出现酚羟基吸收峰;在1618cm-1处出现伯酰胺N-H吸收峰。图1（b）和图1（c）分别为是PDA-PNIPAM和20%PDA/PNIPAM/PVA/GEL纳米水凝胶的红外光谱图，3340cm-1和3318cm-1处特征峰相似，对应为PNIPAM的N-H键的伸缩振动吸收峰以及多巴胺的酚羟基吸收峰;大分子主链C-H（-CH3、-CH2）的振动吸收特征峰对应着红外光谱2800～3000cm-1的波长范围;1635cm-1处特征峰为酰胺Ⅰ带C=O的伸缩振动和酰胺Ⅱ带N-H的弯曲振动;1300～1500cm-1波长范围内的振动吸收峰主要来自于主链上的CH2（-CH（CH2）2）;另外，在1291cm-1处出现了酰胺Ⅲ带的C-N收缩振动吸收峰;1558cm-1处出现的特征峰主要是GEL的伸缩振动吸收峰[9];可见，PNIPAM的聚合物网络已经形成，多巴胺纳米粒子的引入并没有影响凝胶中大分子的结构。
2.2 扫描电镜分析
图2（a）为PDA纳米粒子的扫描电镜图，如图所示，多巴胺纳米粒子的形貌为球形，说明在弱碱条件下DA分子可以发生氧化聚合，最终聚合成粒径为100nm的纳米粒子。图2（b）为20%PDA/PNIPAM/PVA/GEL水凝胶的扫描电镜谱图，从图中可以明显观察出水凝胶呈蜂窝状，孔径大小约为20～50μm。
2.3 温敏性测试
图3为20%PDA/PNIPAM/PVA/GEL纳米水凝胶在不同温度下的粒径分布图，可知纳米水凝胶在室温25℃时的粒径大于500nm，分散指数PDI大于0.3，粒径分布不均匀;当温度升到30～32℃，水凝胶粒径大小降低至340nm;继续升温至34℃，纳米水凝胶的粒径有明显减小的趋势，平均粒径为220nm左右，PDI均小于0.2，表明粒径分布更均匀;且在34～40℃范围内，水凝胶粒径稳定在220nm左右，分散系数PDI降至0.126。
综上所述，温度会影响水凝胶的粒径大小，这主要是受温敏性高分子PNIPAM相转变温度的影响。PNIPAM的相变行为即为一个亲/疏水作用平衡的过程。大分子侧链中同时存在着亲水性的酰胺基（-CONH-）和疏水性基团异丙基-CH（CH3）2，25℃时，-CONH-能通过分子间的氢键与水分子有效结合（C…O·H-O-H，N…H-OH2），PNIPAM高分子链在水凝胶中溶胀舒展，粒径数值较大;但由于氢键作用和疏水作用对温度有较强的依赖性，温度上升使分子间的氢键振动加剧而发生断裂，使酰胺基（-CONH-）与水分子间的氢键作用减弱，同时疏水基团的作用加强，温敏高分子更倾向于形成分子内的氢键，导致疏水作用成为主要作用力，此时温敏高分子收缩，形成沉淀稀出，宏观表现为相分离现象[7，10]，图4温敏性测试证明了这种现象。室温25℃时，a1中水凝胶透明性较好，手指接触后，凝胶表面温度上升至34℃以上，接触部位变成白色，凝胶不透光;室温静置30s后，水凝胶恢复透明状态。循环测试20次，水凝胶均能在40s內恢复透明性，表明这种温敏性相转变过程是可逆的。
2.4 粘附性能分析
图5为水凝胶负载总重为10g的离心管后，分别粘附在不同材料上，观察并记录粘附时间。结果表明，水凝胶粘附在乳胶，玻璃和不锈钢表面上，离心管持续5min以上不掉。将水凝胶粘附四氟乙烯板上，离心管可持续悬空1min不掉，因此水凝胶对以上4种材料均具有良好的粘附能力。这主要是因为PDA-NPs的临二苯酚结构与贻贝粘附蛋白中的左旋多巴（DOPA）类似，在氧作用下，酚羟基被氧化成多巴醌，使水凝胶与接触材料发生交联从而固化在基底表面，维持粘附过程中的氧化还原平衡，保证水凝胶持续的粘性[11]。
3 结语
仿生温敏性自粘附水凝胶在34℃有明显的温敏性，接近人体生理温度;粘附性能优异，可有效粘附在多种材质（乳胶、玻璃、金属和聚四氟乙烯）上不轻易脱落。该凝胶作为一种新型温度刺激响应性智能材料，在智能驱动、组织粘附、生物医药等领域具有潜在的应用价值。 參考文献
[1] 周腾.明胶复合水凝胶的制备与性能研究[D].郑州：郑州轻工业大学，2019.
[2] RONG Q， LEI W， LIU M.Conductive hydrogels as smart materials for flexible electronic devices[J].Chemistry-A European Journal，2018，24（64）：16930-16943.
[3] Xu Y， Xian L， Yue S， et al.Self-healing pH-sensitive cytosine and guanosine modified hyaluronic acid hydrogels via hydrogen bonding[J].Polymer，2017，10（8）：223-226.
[4] 刘艳霞，周莉莉，冯献起.高强度聚 N-异丙基丙烯酰胺-黏土纳米复合水凝胶的制备及表征[J].信阳师范学院学报：自然科学版，2019，32（3）：449-452.
[5] Hayashi T， Kawamoto K， Inada N， et al. Cationic fluorescent nanogel thermometers based on thermoresponsive poly（N-isopropylacrylamide） and environment-sensitive benzofurazan[J].Polymers，2019，11（8）：1305.
[6] Friesen S， Hannappel Y， Hellweg T， et al. Accounting for cooperativity in the thermotropic volume phase transition of smart microgels[J].Gels，2021，42（7）：1-12.
[7] 张莉.异丙基丙烯酰胺水凝胶研究进展[D].上海：中国科学院上海冶金研究所，2000.
[8] 李之朋，徐文彪，时君友.生物质仿贻贝粘附材料的研究进展[J].粘接Adhesion，2018（7）：55-60.
[9] WinnikF.M.Fluorescence studies aqueoZpoly（IV-isopropylacrylaMide）below and above their LCST [J]. MacroMolecules，1990，23（2）：233-242.
[10] Han L， Lu X， Liu K. F， et al.Mussel-inspired adhesive and tough hydrogel based on nan clay confined dopamine polymerization[J].ACS nano，2017，11（3）：2561-2574.
[11] Yu L，Ding J.Inject able hydrogels as unique biomedical materials. Chem[J].Soc Rev，2008，37（12）：1473-1481.
摘 要：本文以N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）为结构框架和温敏性单体、聚多巴胺（PDA）为粘附性单体、聚乙烯醇（PVA）和明胶（GEL）为成胶单体，调节多巴胺的含量，制备出温敏性纳米水凝胶。作为具有低临界溶解温度（LCST）的温敏性聚合物，聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝胶的透光度表现出温度敏感性。粘附试验结果表明：多巴胺的加入有效地提高了温敏性水凝胶的粘附性能，水凝胶负载装满水的离心管（总重10g）后，可粘附在多种材料上，如乳胶手套、载玻片、美工刀、聚四氟乙烯板，且粘后维持2min以上不掉落。
关键词：温敏性水凝胶 多巴胺纳米粒子 粘附性 低临界溶解温度
中图分类号：O648.17 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（b）-0016-05
Preparation and Performance of Mussel Inspired Thermosensitive Self-adhesive Hydrogel
Xu Xiangchuan Song Wenli* Wang Yuhao Zhang Jing Li Xinhua*
（Material Engineering College of Jinling Institute of Technology， Nanjing， Jiangsu Province， 211169 China）
Abstract： In this study， N-isopropyl acrylamide （NIPAM） was used as the structural framework and thermo-sensitive monomer， polydopamine （PDA） as the adhesive monomer， polyvinyl alcohol （PVA） and gelatin（GEL）as the gelling monomer， and the thermosensitive nano hydrogels were prepared in aqueous solution. Here we mainly studied the introduction of dopamine by thermosensitive hydrogels to enhance the adhesion properties of hydrogels. As temperature-sensitive polymer with a low critical solution temperature （LCST）， polyisopropyl acrylamide （PNIPAM） hydrogel exhibits temperature sensitivity. The results of the adhesion test show that the addition of dopamine effectively improves the adhesion performance of the hydrogel. After the hydrogel is loaded with a centrifuge tube filled with water （total weight 10g）， it can adhere to a variety of materials such as latex gloves， glass slides， utility knife， PTFE board， and keep it for more than 2 minutes without falling.
Key Words： Thermosensitive hydrogel; Dopamine nanoparticles; Adhesion; Low critical solution temperature
N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）为温度敏感性单体制备了温敏性水凝胶，该类水凝胶的低临界溶解温度（LCST，32℃）接近于人体的生理温度，使其在生物医用领域备受关注，常被用作药物载体释放、生物技术和传感等[1-3]。但是，PNIPAM类水凝胶由于机械强度低、粘附性不高、环境响应速度慢和平衡溶胀速度低的缺陷，导致其应用范围受到限制[4，5]。
基于此，本文用氧化法制备多巴胺纳米粒子，并通过化学接枝的方法将其引入到PNPAM中，同时加入天然生物材料明胶和聚乙烯醇，最终制备温敏性自粘附水凝胶。多巴胺（DA）的仿天然贻贝粘附蛋白结构，使水凝胶能牢固地附着到多种材料的表面，即使处在复杂的水环境也可以维持很好的稳定黏附[6-9]。
1 实验部分
1.1 原料与仪器
1.1.1 原料
盐酸多巴胺（DA），阿拉丁试剂有限公司;N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM，分析纯），阿拉丁试剂有限公司;聚乙烯醇（分析纯），阿拉丁试剂有限公司;明胶（分析纯），天津市化学试剂研究所;氢氧化钠（化学纯）、过硫酸铵（分析纯）、四甲基乙二胺（分析纯）、单宁酸（分析纯），国药集团化学试剂有限公司。 1.1.2 仪器
傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR，NicoletIS10型），美国Nicolet公司;万用拉力试验机（Instorn5953），美国Nicolet公司;马尔文纳米粒度分析仪（Nano-2s ZEN3600），英国Malvern公司;日立扫描电子显微镜（Su8010）。
1.2 聚多巴胺纳米粒子的制备
氧化法制备聚多巴胺（PDA）纳米粒子，采用溶液稀释法配置pH=9的氢氧化钠溶液100mL，称取一份1g盐酸多巴胺粉末将其溶解在配置好的pH=9的氢氧化钠溶液中，在室温（25℃）下磁力搅拌30min，使其预聚形成PDA，并在截留分子量为10 000的透析袋中透析48h，得到所需的多巴胺纳米粒子。在DA聚合成PDA过程中，溶液颜色从无色变成浅棕色，最终变深褐色或黑色，这也是PDA的特征颜色。
1.3 多巴胺引入PNIPAM/聚乙烯醇/GEL纳米水凝胶的制备
将3g N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM），0.5g过硫酸铵（APS），0.01g N，N-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）和2uL 4-甲基乙二胺（TMEDA），依次添加到10mL 1%PDA纳米粒子溶液中，并在冰浴中搅拌均匀10min后，除去冰浴，加入10%PVA、20%GEL及10%单宁酸使NIPAM单体聚合形PDA/PNIPAM/PVA/GEL水凝胶。凝胶冷却之后进行冻融法循环操作，循环3次以上，直至水凝胶冻融形成，命名为10%PDA/PNIPAM/PVA/GEL。改变纳米粒子溶液15mL 20mL，重复上述步骤制备得到15%PDA/PNIPAM/PVA/GEL和20%PDA/PNIPAM/PVA/GEL凝胶。
2 结果与讨论
2.1 傅里叶红外光谱分析
由图1（a）可见，在3401cm-1处出现酚羟基吸收峰;在1618cm-1处出现伯酰胺N-H吸收峰。图1（b）和图1（c）分别为是PDA-PNIPAM和20%PDA/PNIPAM/PVA/GEL纳米水凝胶的红外光谱图，3340cm-1和3318cm-1处特征峰相似，对应为PNIPAM的N-H键的伸缩振动吸收峰以及多巴胺的酚羟基吸收峰;大分子主链C-H（-CH3、-CH2）的振动吸收特征峰对应着红外光谱2800～3000cm-1的波长范围;1635cm-1处特征峰为酰胺Ⅰ带C=O的伸缩振动和酰胺Ⅱ带N-H的弯曲振动;1300～1500cm-1波长范围内的振动吸收峰主要来自于主链上的CH2（-CH（CH2）2）;另外，在1291cm-1处出现了酰胺Ⅲ带的C-N收缩振动吸收峰;1558cm-1处出现的特征峰主要是GEL的伸缩振动吸收峰[9];可见，PNIPAM的聚合物网络已经形成，多巴胺纳米粒子的引入并没有影响凝胶中大分子的结构。
2.2 扫描电镜分析
图2（a）为PDA纳米粒子的扫描电镜图，如图所示，多巴胺纳米粒子的形貌为球形，说明在弱碱条件下DA分子可以发生氧化聚合，最终聚合成粒径为100nm的纳米粒子。图2（b）为20%PDA/PNIPAM/PVA/GEL水凝胶的扫描电镜谱图，从图中可以明显观察出水凝胶呈蜂窝状，孔径大小约为20～50μm。
2.3 温敏性测试
图3为20%PDA/PNIPAM/PVA/GEL纳米水凝胶在不同温度下的粒径分布图，可知纳米水凝胶在室温25℃时的粒径大于500nm，分散指数PDI大于0.3，粒径分布不均匀;当温度升到30～32℃，水凝胶粒径大小降低至340nm;继续升温至34℃，纳米水凝胶的粒径有明显减小的趋势，平均粒径为220nm左右，PDI均小于0.2，表明粒径分布更均匀;且在34～40℃范围内，水凝胶粒径稳定在220nm左右，分散系数PDI降至0.126。
综上所述，温度会影响水凝胶的粒径大小，这主要是受温敏性高分子PNIPAM相转变温度的影响。PNIPAM的相变行为即为一个亲/疏水作用平衡的过程。大分子侧链中同时存在着亲水性的酰胺基（-CONH-）和疏水性基团异丙基-CH（CH3）2，25℃时，-CONH-能通过分子间的氢键与水分子有效结合（C…O·H-O-H，N…H-OH2），PNIPAM高分子链在水凝胶中溶胀舒展，粒径数值较大;但由于氢键作用和疏水作用对温度有较强的依赖性，温度上升使分子间的氢键振动加剧而发生断裂，使酰胺基（-CONH-）与水分子间的氢键作用减弱，同时疏水基团的作用加强，温敏高分子更倾向于形成分子内的氢键，导致疏水作用成为主要作用力，此时温敏高分子收缩，形成沉淀稀出，宏观表现为相分离现象[7，10]，图4温敏性测试证明了这种现象。室温25℃时，a1中水凝胶透明性较好，手指接触后，凝胶表面温度上升至34℃以上，接触部位变成白色，凝胶不透光;室温静置30s后，水凝胶恢复透明状态。循环测试20次，水凝胶均能在40s內恢复透明性，表明这种温敏性相转变过程是可逆的。
2.4 粘附性能分析
图5为水凝胶负载总重为10g的离心管后，分别粘附在不同材料上，观察并记录粘附时间。结果表明，水凝胶粘附在乳胶，玻璃和不锈钢表面上，离心管持续5min以上不掉。将水凝胶粘附四氟乙烯板上，离心管可持续悬空1min不掉，因此水凝胶对以上4种材料均具有良好的粘附能力。这主要是因为PDA-NPs的临二苯酚结构与贻贝粘附蛋白中的左旋多巴（DOPA）类似，在氧作用下，酚羟基被氧化成多巴醌，使水凝胶与接触材料发生交联从而固化在基底表面，维持粘附过程中的氧化还原平衡，保证水凝胶持续的粘性[11]。
3 结语
仿生温敏性自粘附水凝胶在34℃有明显的温敏性，接近人体生理温度;粘附性能优异，可有效粘附在多种材质（乳胶、玻璃、金属和聚四氟乙烯）上不轻易脱落。该凝胶作为一种新型温度刺激响应性智能材料，在智能驱动、组织粘附、生物医药等领域具有潜在的应用价值。 參考文献
[1] 周腾.明胶复合水凝胶的制备与性能研究[D].郑州：郑州轻工业大学，2019.
[2] RONG Q， LEI W， LIU M.Conductive hydrogels as smart materials for flexible electronic devices[J].Chemistry-A European Journal，2018，24（64）：16930-16943.
[3] Xu Y， Xian L， Yue S， et al.Self-healing pH-sensitive cytosine and guanosine modified hyaluronic acid hydrogels via hydrogen bonding[J].Polymer，2017，10（8）：223-226.
[4] 刘艳霞，周莉莉，冯献起.高强度聚 N-异丙基丙烯酰胺-黏土纳米复合水凝胶的制备及表征[J].信阳师范学院学报：自然科学版，2019，32（3）：449-452.
[5] Hayashi T， Kawamoto K， Inada N， et al. Cationic fluorescent nanogel thermometers based on thermoresponsive poly（N-isopropylacrylamide） and environment-sensitive benzofurazan[J].Polymers，2019，11（8）：1305.
[6] Friesen S， Hannappel Y， Hellweg T， et al. Accounting for cooperativity in the thermotropic volume phase transition of smart microgels[J].Gels，2021，42（7）：1-12.
[7] 张莉.异丙基丙烯酰胺水凝胶研究进展[D].上海：中国科学院上海冶金研究所，2000.
[8] 李之朋，徐文彪，时君友.生物质仿贻贝粘附材料的研究进展[J].粘接Adhesion，2018（7）：55-60.
[9] WinnikF.M.Fluorescence studies aqueoZpoly（IV-isopropylacrylaMide）below and above their LCST [J]. MacroMolecules，1990，23（2）：233-242.
[10] Han L， Lu X， Liu K. F， et al.Mussel-inspired adhesive and tough hydrogel based on nan clay confined dopamine polymerization[J].ACS nano，2017，11（3）：2561-2574.
[11] Yu L，Ding J.Inject able hydrogels as unique biomedical materials. Chem[J].Soc Rev，2008，37（12）：1473-1481.