冻融法用于制备无需交联剂的壳聚糖-聚（乙烯醇）水凝胶。采用该方法时，需考虑冷冻条件（温度、冻融循环次数）和聚合物比例，这些因素会影响所获得水凝胶的性能和应用。
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摘要
摘要
通过冻融法可制备壳聚糖-聚（乙烯醇）水凝胶，且无需使用有毒交联剂。这些体系的应用受限于其特性（如孔隙率、柔韧性、溶胀能力、载药能力及药物释放能力），而这些特性取决于冷冻条件以及聚合物的种类和比例。本实验方案描述了如何以50/50 w/w%的聚合物配比制备壳聚糖和聚（乙烯醇）水凝胶，并通过改变冷冻温度（-4 °C、-20 °C、-80 °C）和冻融循环次数（4、5、6次冻融循环）来调控其性能。获取了水凝胶的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电镜（SEM）图像及孔隙度数据。同时评估了水凝胶的溶胀能力以及双氟尼酸的载药与释放行为。SEM图像和孔隙度分析结果表明，随着温度降低，孔径减小而孔隙率增加。在较低冷冻温度下，溶胀百分比更高。研究了双氟尼酸从水凝胶中的释放行为。所有凝胶网络均可维持药物释放达30小时，且根据Korsmeyer-Peppas模型和Higuchi模型分析，双氟尼酸的释放由简单的扩散机制调控。
引言
近年来，水凝胶因其具有高含水量、柔软且柔韧的三维网络结构，在生物医学领域受到广泛关注，能够轻易模拟天然组织1。此外，水凝胶在生理温度和pH条件下不溶于水性介质，但可发生显著溶胀2。水凝胶可用作组织工程支架、卫生用品、隐形眼镜和伤口敷料；由于其能够包埋并释放活性化合物和药物，因此也被用作药物递送系统3。根据具体应用需求，水凝胶可由天然聚合物、合成聚合物或两者的组合制备，以获得最佳性能特征4。
水凝胶的性质是多种物理和化学因素共同作用的结果。在物理层面，其结构和形貌取决于孔隙率、孔径大小以及孔分布5。在化学和分子层面，聚合物类型、聚合物链中亲水基团的含量、交联点类型以及交联密度是决定溶胀能力和机械性能的关键因素6,7。
根据形成网络所用交联剂的类型，水凝胶可分为化学水凝胶和物理水凝胶。化学水凝胶通过链间的共价相互作用连接而成，这种共价键可通过紫外光或γ射线辐照，或使用交联剂形成7,
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方案
1. 壳聚糖-PVA 水凝胶的制备
- 制备2% (w/w) 壳聚糖和10% (w/w) 聚乙烯醇（PVA）溶液。将0.2 g壳聚糖溶解于10 mL已预先过滤的0.1 M CH3COOH溶液中，在室温下持续机械搅拌过夜。将1 g PVA溶解于10 mL蒸馏水中，在80 °C下搅拌1 h。
- 使用磁力搅拌器在室温下将两种溶液按1:1比例混合至均匀，然后将混合物倒入培养皿中。在常压下静置样品2 h以脱气。
- 将水凝胶分别在-4 °C、-20 °C或-80 °C下冷冻20 h并进行4个冻融循环（样品分别为CP4-4、CP4-20和CP4-80）。另将一种水凝胶在-80 °C下冷冻20 h，进行5或6个冻融循环（样品分别为CP5-80和CP6-80）。在第三次冻融循环后，用去离子水洗涤水凝胶。最后，在-46 °C下冷冻干燥48 h，保存以备进一步表征（方法学参考自2）。
2. FT-IR 表征
- 将一小块（1 mm × 2 mm）水凝胶置于傅里叶变换红外光谱仪的ATR模式下。采集4000至600 cm-1范围内的FT-IR光谱（分辨率为2 cm-1，累积32次扫描取平均值）。
3. 肿胀实验
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结果
水凝胶的制备
采用先前报道的冻融法，在 -4 °C、-20 °C 和 -80 °C 条件下进行 4 次冷冻循环，以及在 -80 °C 条件下进行 5 次和 6 次冷冻循环，制备得到壳聚糖-PVA 水凝胶2。所有水凝胶均呈均匀、半透明状，具有良好的柔韧性及抗操作损伤能力。
FT-IR 表征
FT-IR 光谱如图 2所示。检测到壳聚糖和聚乙烯醇（PVA）聚合物的七个特征信号：在 3286 cm-1 处为 PVA 羟基（-OH）的伸缩振动模式，在 2918 cm-1 处为 -CH 基团的伸缩振动模式26,27。.......
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讨论
冻融法是一种适用于制备用于生物医学、制药或化妆品领域的生物相容性水凝胶的合适方法34,35,36。与其它制备水凝胶的常用方法相比，该方法最重要的优势在于无需使用交联剂，从而避免了可能引发人体炎症反应或不良副作用的风险34。该方法具有良好的通用性，因为它能够以聚乙烯醇（PVA）或其与其他聚合物的混合物为原料制备水凝胶11,37，从而在新材料中引入其他聚合物的新特性（例如更高的吸水能力、抗菌或抗氧化性能2,18,35）。然而，需要注意的是，引入其他聚合物可能会降低水凝胶的机械强度
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢 C. Luzuriaga 在孔隙率测量方面的支持。作者还感谢西班牙经济与竞争力部提供的经费支持（项目编号 MAT2014-59116-C2-2-R）以及 PIUNA（项目编号 2018-15）。作者谨向来自索诺拉大学物理系的 Amir Maldonado 博士致谢，感谢其提供的支持与有益建议；同时感谢来自索诺拉大学 DIPM 的 S. E. Burruel-Ibarra 博士提供的扫描电镜图像，以及 Rubio Pharma y Asociados S. A. de C. V. 提供的经费支持。M. E. Martínez-Barbosa 感谢墨西哥国家科学技术委员会（CONACyT）项目 No. 104931 和 No. 256753 的资助，以及 CONACyT 主题网络计划中纳米科学与纳米技术主题网络提供的经费支持，同时也感谢项目 USO316001081 的资助。M. D. Figueroa-Pizano 感谢 CONACyT 提供的经费支持（奖学金编号 373321）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 材料： | |||
| 中等分子量壳聚糖 | Sigma-Aldrich | 448877 | 通过毛细管粘度法测定的分子量（637,000 Da），脱乙酰度为70% |
| 双氟尼柳（2'-4'-二氟-4-羟基-3-联苯甲酸） | Merck | ||
| 冰醋酸 | Sigma-Aldrich | 1005706 | |
| 聚乙烯醇 | Sigma-Aldrich | 341584 | 分子量89,000–98,000，水解度≥99% |
| 设备： | |||
| Cressington Sputter Coater 108 auto | TED PELLA INC | ||
| Cryodos 冷冻干燥机 | Telstar | ||
| Falcon 管 | Thermo Fisher Company | ||
| 傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR） | Nicolet iS50 | 采用ATR模式 | |
| 冷冻干燥机 | LABCONCO | ||
| Micromeritics Autopore IV 9500 | Micromeritics | ||
| 扫描电子显微镜 | Pemtron SS-300LV | ||
| 紫外-可见分光光度计 | Agilent 8453 |
参考文献
- Gyles, D. A., Castro, L. D., Silva, J. O. C., Ribeiro-Costa, R. M. A review of the designs and prominent biomedical advances of natural and synthetic hydrogel formulations. European Polymer Journal. 88 (01), 373-392 (2017).
- Abdel-Mohsen, aM., Aly, aS., Hrdina, R., Montaser, aS., Hebeish, a
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