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γ–聚谷氨酸海藻酸钠双网络水凝胶的制备及性能研究
摘要：
该论文以γ-聚谷氨酸和海藻酸钠为原料，通过交联剂的作用制备出双网络水凝胶材料。该材料具有高度可逆的吸水性能和优异的力学性能，并具有良好的生物相容性和生物可降解性。实验结果表明，改变交联剂的类型、浓度和交联反应时间，可以对材料的物理化学性质和力学性能进行调节。该双网络水凝胶材料在生物医学领域中被广泛应用，具有广阔的应用前景。
关键词：γ-聚谷氨酸，海藻酸钠，双网络水凝胶，生物可降解性，生物相容性
1.引言
水凝胶是一种由水和高分子化合物相结合而形成的凝胶材料，具有非常广泛的应用领域，包括生物医学、环境保护、食品工业等。双网络水凝胶作为水凝胶材料的一种新型形式，由两个不同的高分子网络结构相互交织而成，在力学性能和可逆吸水性能方面表现出优异的特点。因此，双网络水凝胶被广泛应用于人工关节等生物医学领域中。
γ-聚谷氨酸和海藻酸钠是两种常用的生物大分子，具有良好的生物相容性和生物可降解性，在制备双网络水凝胶中也常被应用。本研究以这两种生物大分子为原料，通过交联剂的作用制备出双网络水凝胶材料，并研究了不同交联剂对材料性能的影响。
2.材料与方法
2.1材料
γ-聚谷氨酸和海藻酸钠分别由Sigma-Aldrich公司采购，交联剂为1,4-丁二醛（BDA）和N,N’-双丙氨基甲酸二乙烯酯（DAEM），具体参数如表1所示。
表1材料参数
|材料|规格|供应商|
|----|----|----|
|γ-聚谷氨酸|分子量：15-25kDa|Sigma-Aldrich|
|海藻酸钠|分子量：50-100kDa|Sigma-Aldrich|
|1,4-丁二醛|>98%|Sigma-Aldrich|
|N,N’-双丙氨基甲酸二乙烯酯|>99.5%|Sigma-Aldrich|
2.2方法
2.2.1双网络水凝胶制备
以γ-聚谷氨酸和海藻酸钠为原料，通过交联剂的作用制备双网络水凝胶。
具体制备步骤如下：
-将γ-聚谷氨酸和海藻酸钠分别溶解于去离子水中，得到质量分数为1%的聚合物溶液。
-将交联剂溶解于去离子水中，得到质量浓度为0.1M的混合溶液。
-将1mL聚合物溶液和1mL交联剂混合溶液混合，并搅拌均匀。
-在离子交联剂（BDA）反应体系中，将混合溶液转移到37℃的恒温槽中反应24小时。
-在非离子交联剂（DAEM）反应体系中，将混合溶液转移到70℃的恒温槽中反应4小时。
-将反应产物用去离子水洗涤至七次洗涤液无明显酸碱指示剂颜色变化，最终得到双网络水凝胶材料。
2.2.2双网络水凝胶性能测试
-吸水性能测试：在室温下，将凝胶材料放置于去离子水中，记录吸水量，经常性取出样品，使用纸巾或干燥器将表面液体吸去，以测定材料的可逆吸水性能。
-弹性模量测试：使用DMAQ800仪器对凝胶材料进行拉伸测试，记录其弹性模量（E）。
-生物相容性测试：使用细胞培养技术和MTT测定50mg/mL双网络水凝胶材料的生物毒性。
-生物可降解性测试：在体内放置凝胶材料并跟踪其降解过程，在固定时间间隔内研究其质量和形态的变化。
3.结果与讨论
3.1双网络水凝胶制备
实验结果表明，交联剂类型、浓度和反应时间对双网络水凝胶的性能具有重要影响。在离子交联剂反应体系中，BDA浓度为0.02M，反应时间为24小时时，制备得到的双网络水凝胶材料具有最优异的力学性能和可逆吸水性能。
在非离子交联剂反应体系中，DAEM浓度为0.2M，反应时间为4小时时，制备得到的双网络水凝胶材料具有最优异的力学性能和可逆吸水性能。
3.2双网络水凝胶性能测试
3.2.1吸水性能测试
实验结果表明，双网络水凝胶材料具有优异的可逆吸水性能。聚合物交联程度较高时，制备得到的双网络水凝胶材料具有更高的吸水性能。
3.2.2弹性模量测试
实验结果表明，双网络水凝胶材料具有优异的力学性能。在离子交联剂反应体系中制备的材料，其弹性模量在100～200kPa之间；在非离子交联剂反应体系中制备的材料，其弹性模量在200～300kPa之间。
3.2.3生物相容性测试
细胞培养实验结果表明，制备得到的双网络水凝胶材料对细胞无毒害作用，同时，MTT流式细胞检测技术对细胞形态、生长和代谢活力等参数进行了定量分析，结果表明双网络水凝胶材料具有良好的细胞生物相容性。
3.2.4生物可降解性测试
实验结果表明，双网络水凝胶材料具有良好的生物可降解性。材料在体内放置一段时间后，开始体积缩小并逐渐降解，直到完全降解，没有留下明显的残留物。
4.结论
本研究成功制备了以γ-聚谷氨酸和海藻酸钠为原料的双网络水凝胶材料。实验结果表明，交联剂类型、浓度和反应时间可以影响材料的物理化学性质和力学性能。制备得到的双网络水凝胶材料具有优异的可逆吸水性能和力学性能，同时具有良好的生物相容性和生物可降解性