索邦大学《Macromolecules》特定于拓扑的可注射粘性PNIPAM水凝胶

水凝胶在水分含量（ZUI高98 wt％）和柔软度（典型模量在101–104 Pa范围内）方面通常与许多生物组织相似，因此可用于许多生物医学和制药应用。在这种情况下，可在体内转化为水凝胶的可注射溶液可用于特定的应用，例如生物活性剂和活细胞的靶向递送，生物印刷以及微创组织近似等。

一种可能性是基于含有可聚合官能团的单体或聚合物溶液的可注射制剂的原位化学（共价）交联。尽管广泛使用，但是由于担心所用化学物质（单体，引发剂等）的毒性和/或体内涉及的化学反应（自由基，反应热等），该策略可能会受到其范围的限制。一个有吸引力的替代方法是使用较弱的超分子相互作用，可以响应外部刺激（例如体温，盐浓度或pH）将其打开以原位形成物理水凝胶。这种刺激响应性水凝胶通常提供可逆的凝胶化，并且当需要这种特征时允许按需切换和去除。

根据其功能，水凝胶在其使用寿命期间会遇到不同种类的机械应力，并且可能会在小应变（线性）范围之外发生变形。因此，对于ZUI佳设计而言，重要的是要了解这些软材料在大应变下的非线性行为。可以使用常规实验（例如单轴拉伸或压缩测试）来测量化学水凝胶的非线性机械性能。此外，通过与疏水性系统（如交联橡胶）进行类比并使用橡胶弹性理论，这些材料的非线性行为可以与它们的（纳米）结构和/或线性机械性能相关联，反之亦然。然而，物理交联的水凝胶的非线性行为远未得到研究和理解，这可能是由于在这些材料上进行常规的非线性表征实验很困难。例如，对在室温下处于溶胶（液态）状态的热响应性水凝胶进行伸长的流变学或单轴拉伸实验具有挑战性。

尽管如此，由于其实际的方便性，温度仍然是受欢迎的刺激因素。对于生物医学应用而言，在水中具有接近人体温度的所谓的较低临界溶液温度（LCST）的聚合物特别受关注。聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）是LCST聚合物的原型，在加热到32°C以上时，线圈到球的过渡非常尖锐。PNIPAM的LCST几乎与聚合物的浓度和分子量无关，通常会导致突然的宏观相分离，也称为脱水收缩。因此，PNIPAM可以与亲水性共聚单体共聚，以产生稳定的可热切换的缔合聚合物（物理水凝胶），而不会发生体积转变。

郭等人(http://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b00798)研究了基于PNIPAM和亲水性聚（N，N-二甲基丙烯酰胺）（PDMA）接枝共聚物的化学和物理交联水凝胶的纳米结构与机械性能之间的关系。为了说明拓扑的作用，他们通过保持化学，结构（接枝）和单体组成（50-50附近）相同，研究了具有反向拓扑结构的PDMA-g-PNIPAM和PNIPAM-g-PDMA。

尽管它们的热相转变存在一些差异，但是当加热到PNIPAM的LCST以上时，这些化学交联的水凝胶显示出它们的模量类似的提高。换句话说，基于远高于转变温度的线性动力学行为，无法区分它们。但是，在大应变下进行研究时，与逆拓扑相比，以PNIPAM作为交联网络的水凝胶的热增韧程度要大得多。这种差异主要是由于在断裂实验期间交联的PNIPAM-g-PDMA中裂纹的广泛分叉。根据小角度中子散射（SANS）的见解，两种水凝胶在大应变力学性能方面的重要差异归因于疏水性PNIPAM缔合体之间连续纳米结构的形成，而PNIPAM含量与接枝物相同导致分离聚集体。在单轴变形下，对于富含PNIPAM的域观察到的仿射变形支持了这种情况。

在PNIPAM-g-PDMA的情况下，类似的解决方案在其热相变方面显示出一些差异，其中跃迁更突变，焓变更高。但是，与它们的化学交联对应物相似，当加热到PNIPAM的LCST以上时，两种溶液ZUI终具有可比的线性凝胶状粘弹性质。对于PNIPAM骨架，作者建议从疏水缔合形成连续的纳米结构，以说明稳定凝胶的形成。但是，如果没有非线性力学实验，则在逆拓扑PDMA-g-PNIPAM的情况下，无法区分单独的疏水簇或连续的纳米结构。

【科研摘要】

基于弱分子间相互作用的可刺激刺激的可注射水凝胶可代表需要弱至中度粘附力的生物医学应用中化学反应性粘合剂水凝胶的更安全替代品。ZUI近，法国索邦大学软物质科学与工程院Costantino Creton 和Dominique Hourdet教授团队研究了两种具有相反拓扑结构的热响应性接枝共聚物的线性和非线性流变特性以及粘合特性。相关论文Topology-Specific Injectable Sticky Hydrogels发表在大分子顶刊《Macromolecules》上。其中聚（N-异丙基丙烯酰胺）-g-聚（N，N-二甲基丙烯酰胺）（PNIPAM-g-PDMA）和PDMA- g-PNIPAM。除了它们的拓扑结构，这些共聚物在化学，结构（接枝）和单体组成（50-50 wt％）方面类似。在很宽的浓度范围内，它们都可以在室温下形成可注射的均质溶液，并在接近人体温度的状态下变成柔软的粘稠粘弹性水凝胶。经发现，这两种水凝胶的线性粘弹性特性在远高于热转变温度时无法辨别。然而，具有长的热响应性主链的PNIPAM-g-PDMA水凝胶在探针粘性测试和剪切中均显示出在大应变中的应变硬化行为。反向拓扑结构PDMA-g-PNIPAM没有硬化，只是软化直到失效。无论聚合物浓度如何（在纠缠态下），都可以观察到这种区别。作者将硬化归因于来自强疏水性PNIPAM缔合的连续的，承重的纳米结构，而软化归因于短PNIPAM嫁接物易于从由PDMA骨架桥接的单独疏水性簇中拉出。这项工作的发现突出了大分子设计在确定纳米结构中的重要性，从而确定了软物质水凝胶在特定应用中的机械性能。

【图文解析】

探针粘性测试

通常在探针粘性测试机上研究诸如压敏粘合剂（PSA）之类的软粘合剂的粘性。但是，这种标准方法不适用于像本工作中那样具有大量水含量的热敏水凝胶。作者改装了配备了足够灵敏的轴向称重传感器（0.1 N）和精·确 的Peltier平板温度控制系统的DHR-3（TA Instruments）流变仪，以进行探针粘性实验。该过程的逐步方案如图1所示。作者注意到粘合剂的非常柔软的性质和限制（r≫ h0，其中r和h0是探针的半径和层的厚度）将此测试与单轴拉伸测试区分开来，单轴拉伸测试测量的是较长固体形状的哑铃形样品的强度，其宽度（w）和厚度（t）与长度（l> w和t）相比较小。

图1.适应流变仪的新探针定位程序所涉及步骤的示意图。

安装在流变仪轴向测力计上的扁平喷砂探头和安装在Peltier温度控制系统上的喷砂板分别用作顶板和底板。两块板均由不锈钢制成，作为简单的模型表面。在图1中的步骤1和步骤2中，底板始终保持在20°C。溶液的所需体积由薄膜的初始厚度（h0 = 200–800 μm）和探针的半径（r用20℃的微量移液器将其放置在底板上。不同于在更固体的粘合剂样品上进行典型的探针粘性测试（在该样品上，探针轻轻压下该层以确保紧密接触），可注射溶液呈液态，只需将溶液挤压至所需的初始厚度即可轻松实现良好的接触（步骤2）。

然后将该层快速加热至目标温度（除非另有说明，否则为50°C），然后保持10分钟，以确保整个水凝胶的温度均匀（图1的步骤3和4）。所有实验均以零残余力开始。ZUI终，以恒定的剥离速率（Vdeb）拆卸探针所需的轴向力被记录为时间（或位移；步骤5）的函数。然后从原始数据中计算出名义应力（σ）（定义为测得力（F）除以初始接触面积（A0））和名义应变（ε）（定义为通过初始厚度归一化的位移）。可以将名义应变率（εcan）定义为通过初始厚度归一化的脱粘率。

逆拓扑综合

关于大分子结构，可以突出一些差异，主要与单个组分的大小有关。主要区别在于主链的摩尔质量：PDMA-g-PNIPAM的Mn = 320 kg·mol-1和PNIPAM-g-PDMA的880 kg·mol-1。由于PNIPAM（Mn = 8 kg·mol–1）和PDMA（Mn = 14 kg·mol–1）的接枝大小也不同，因此PDMA-g-PNIPAM每个骨架的平均侧链数为20 PNIPAM-g-PDMA为30。作者还注意到在PNIPAM-g-PDMA的SEC迹线中有一小部分（约5 wt％）未反应的PDMA接枝。但是，这不会影响PNIPAM主干的热响应行为。共聚物的结构示意图以及在液态和凝胶态下8 wt％时其配方的图像如图2所示。

图2.（A）PDMA-g-PNIPAM和（B）PNIPAM-g-PDMA分子结构的示意图。下面的图片分别来自于20和50°C时其8 wt％的溶液和水凝胶。以下使用的颜色代码基于主干，即PDMA-g-PNIPAM为蓝色，PNIPAM-g-PDMA为红色。

热敏组装

如前所述，在亲水和PNIPAM序列之间采用平衡组成设计的热敏接枝共聚物在半稀释溶液中不会发生宏观相分离。确实，该共聚物按每个序列的50 wt％进行定制时就是这种情况，这使能够在很宽的浓度和温度范围内研究其性能。假定从这些共聚物溶液中获得的水凝胶仅在转变温度以上才发生物理交联，可以合理预期它们的机械性能强烈取决于相分离动力学和缔合的ZUI终形态。

图3比较了在2°C·min-1下加热时，两种共聚物在8 wt％总聚合物浓度（4 wt％PNIPAM）下的热行为。鉴于它们的相同性质，两种拓扑的热行为差异非常明显。当共聚物带有PNIPAM侧链时，PDMA-g-PNIPAM的转变发生在相对较高的温度下（39.6对35°C），与逆拓扑PNIPAM-g-PDMA相比，焓降低了60％。转变也更广泛，发生在14°C以上，而PNIPAM-g-PDMA的转变非常尖锐（高于8°C）。

图3. DSC热分析图，显示了水中8 wt％的PDMA-g-PNIPAM和PNIPAM-g-PDMA以2°C·min-1的速度变化时，热流量与温度的关系。

作者注意到，图3中的PDMA-g-PNIPAM热谱图清楚地表明没有未反应的PNIPAM移植物。如果是这样的话，游离的PNIPAM大单体将在较低的温度下相分离，从而导致在接枝的PNIPAM之前的第·一个明显峰（约35°C）（约40°C）。至于逆拓扑，由于侧链不具有热响应性，因此不能使用此参数。然而，只要保持50:50的重量比，未接枝的（游离）亲水链不会影响PNIPAM骨架的热缔合行为。

转变以上的相态

通过以D2O为溶剂的小角中子散射，研究了由PNIPAM在局部尺度上热相分离引起的共聚物配方的形貌，以增强两相之间的散射对比度。先前已经证实，PNIPAM在D2O中的行为与H2O中的行为基本相同，转变温度发生了1-2°C的变化。图4显示了测得的散射的对数图 D2O中两种共聚物在不同温度下的强度I作为散射矢量q的函数。通常，在给定的长度范围内，即一·定的q范围内的浓度波动，导致散射强度增强。如均质聚合物溶液所预期的，两种共聚物溶液在20°C下几乎不会引起散射。

图4. D2O中8 wt％（A）PDMA-g-PNIPAM和（B）PNIPAM-g-PDMA的散射强度随温度的变化。实线标记为I ∝ q–4。

非线性机械性能（大变形）

共聚物拓扑的作用

图7A比较了在400μm厚的水凝胶层上以100μm·s–1的恒定剥离速率（对应于0.25 s–1的名义应变率）在400 µm厚的水凝胶层上进行探针粘结实验时的名义应力-应变曲线。插图放大了应力平稳区域。相应的粘附能在图7B中给出。两条曲线在小应变（ε<1）时大体相似：随着层均匀变形，名义应力会增加一个峰值，就像在密闭拉伸试验中一样。PNIPAM-g-PDMA水凝胶的应力尖峰较高，这是从动态模量得出的。

图7.（A）在ε̇= 0.25 s-1时，在400μm厚的水凝胶层（50°C，10分钟后）上进行探针粘结实验的标称应力-应变曲线。插图中受压的高原被放大了。（B）标准偏差的相应粘附能（Wadh）报告为误差线。

然后，通过形成纤维状结构将两种水凝胶拉伸至大变形，如在剥离过程中在图8A，B的侧视图中所看到的。实际上，广泛的原纤化是在受限的不可压缩层的剥离过程中获得此类应变（高达1000％）的前提。然而，应力-应变曲线的形状揭示了非线性机械特性的内在差异。拉伸后，PDMA-g-PNIPAM水凝胶的细丝不断软化，如名义应力的稳定下降（图7A中蓝色箭头所示）所示。然而，利用逆拓扑，应力ZUI初在原纤维形成期间经历平台，然后在拉伸至大变形期间再次升高（由图7A的插图中的红色箭头标记）。这表明细丝可能发生应变硬化。

图8.（A）PDMA-g-PNIPAM和（B）PNIPAM-g-PDMA脱胶过程中的原纤化。在这两种情况下，故障都是内聚的：在（A）中，故障开始于与探针的界面附近，从外围向中心移动，而在（B）中，故障发生在ZUI终变形后的细丝内。（C，D）刚剥离后的层图像。

聚合物浓度在探针钉中的作用

图9A，B分别绘制了在分别含有4、8和16 wt％PDMA-g-PNIPAM和PNIPAM-g-PDMA的凝胶上进行探针粘结实验的名义应力-应变曲线。实验条件与前面部分中有关8 wt％水凝胶的条件相同（见图7），限制水平也是如此（r / h0 = 25）。在图9C中比较了作为聚合物浓度的函数的粘合能。为了补充分析，图9D中显示了所有层的失效后图像。无论采用哪种拓扑结构，峰值应力均会随着聚合物浓度的增加而不断增加，这是由储能模量的平行趋势所预期的。换句话说，在浓度较低的水凝胶中，较低的应力水平会出现指法不稳定性。

图9.在含有4、8和16 wt％（A）PDMA的水凝胶上，探针粘结实验（50°C，10分钟后，h0 = 400μm，ε̇= 0.25 s-1）的标称应力-应变曲线-g-PNIPAM和（B）PNIPAM-g-PDMA。插图放大了高原区域。（C）相应的粘附能（瓦德）。（D）分离后立即剥离的层的图像。颜色代码已被一致地应用。

压力增长

图10A绘制了在流变仪中以0.25 s–1的恒定剪切速率剪切直至破坏后的8 wt％水凝胶的应力-应变曲线。图10B，C分别显示了来自流变仪板的PDMA-g-PNIPAM和PNIPAM-g-PDMA的失效后图像。不出所料，从这些曲线的初始斜率（评估为低于20％应变）获得的模量值分别为0.37和1.40 kPa，与从线性流变实验获得的储能模量非常吻合。

图10.（A）在50°C下于8 wt％的PDMA-g-PNIPAM和PNIPAM-g-PDMA水凝胶上以0.25 s-1的恒定速率进行的应力增长实验产生的剪切应力与剪切应变。插图放大了PDMA-g-PNIPAM的曲线。（B，C）水凝胶的失效后图像。（B）中的样品在虚线圆之间的空间中，因为中心部分已用圆锥体移除。

纳米结构-性能关系

为了解释这两种水凝胶的拓扑特定的非线性行为，作者提出了图11所示的纳米结构。在PDMA-g-PNIPAM的情况下，短的热响应性接枝可能会自缔合成离散的集中簇（含约28 vol％ 含水量）。PNIPAM关联之间的PDMA链将充当弹性活动桥。在这种情况下，过渡的逐步进行和凝胶化的延迟（4-5°C）可能是由于这些结合的成核和生长机制，与早期的作为核的结合相关，通过结合更多的NIPAM侧链，其尺寸逐渐增大 随着时间的推移（随着温度升高）。这与对类似化学水凝胶的观察结果一致。

图11.在50°C下为（A）PDMA-g-PNIPAM和（B）PNIPAM-g-PDMA水凝胶提出的示意性纳米结构。中间的卡通代表各个探针粘性实验的原纤化阶段。用疏水性纳米支架进行的应变硬化导致稳定的原纤维和整个层的变形。离散的疏水簇的应变软化导致不稳定的原纤维，仅使层的ZUI顶部变形。