PVA-碳量子點復合熒光水凝膠的制備及性能研究

馬玉林,樊曉慧,毛林韓,崔聰聰,黃巧雨,陳朝霞,張玉紅

(有機化工新材料省部共建協同創新中心,湖北省功能化學品工程技術研究中心,湖北大學化學化工學院,湖北 武漢 430062)

0 引言

水凝膠是一種具有聚合物鏈的3D交聯網絡結構的高分子材料,由于其鏈上存在大量的親水基團,使其具有顯著的吸水和保水能力[1]。水凝膠在生物醫學[2]、食品[3]、農業[4]、石油化工[5]等領域有著廣泛應用。熒光水凝膠是一類由熒光物質和水凝膠結合而形成的具有熒光效應的復合物[6]。近年來,有機染料[7]、熒光蛋白[8]、鑭系元素離子[9],以及碳量子點[10]等都已經成功引入水凝膠基體中,極大豐富了熒光水凝膠的類型,拓寬了熒光水凝膠的應用。熒光水凝膠以高含水的溶脹體形式存在,因其具有良好的發光效應、柔韌性、較大的孔隙率以及高含水量,在傳感器、生物成像、皮膚修復等領域具有較好的應用前景[11]。

其中碳量子點(CDs)是表面功能化的小碳納米顆粒,其毒性小、比表面積較大、邊緣缺陷豐富、光譜吸收范圍寬且易調控[12]。CDs具有穩定的熒光性質、良好分散性以及生物相容性,受到了研究者們的關注。Wei等[13]采用鄰苯二胺碳量子點與殼聚糖復合一種熒光水凝膠,該熒光水凝膠對pH刺激具有高度的敏感性和響應性,可作為智能可穿戴傳感器,用于人體健康檢測。

CDs擁有優異的抗菌和抗生物膜性能,同時具有良好的生物相容性,Li等[14]以亞精胺為原料合成了具有優異抗菌活性的碳量子點,對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有很好的抑制作用。本研究采用簡單的凍融法將硅烷碳量子點(Si-CDs)復合到聚乙烯醇(PVA)的凝膠網絡中,制備出具有抗菌活性的碳量子點-聚乙烯醇復合熒光水凝膠(PVA-CDs)。該復合熒光水凝膠料對環境pH值變化表現出優異光學響應性,對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌有顯著的抗菌效果。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑一水合檸檬酸(CA,AR)和丙三醇(GI,AR)購自國藥集團化學試劑有限公司;3-巰丙基三乙氧基硅烷(KH-580,AR)、聚乙烯醇(PVA-1799,AR,98%～99%)和乙醇(EtOH,AR)均購于阿拉丁試劑(上海)有限公司;超純水,自制。

Spectrum one型反射式紅外光譜儀和204 F1型熒光光譜儀,美國Perkin-Elmer公司;Instron 3366型萬能拉力機,英斯特朗有限公司;TA DHR-2型DHR混合流變儀,美國INSTRON公司;SUPRA 55型場發射掃描電子顯微鏡,德國卡爾蔡司公司。

1.2 pH響應性熒光水凝膠的制備以水和乙醇做溶劑,采用水熱法一步合成硅烷-碳量子點復合物(Si-CDs)[15],改變溶劑中水和乙醇的體積比(H2O∶EtOH分別為1∶0,5∶1,2∶1和1∶1),制備了4種碳量子點Si-CDs1-0、Si-CDs5-1、Si-CDs2-1和Si-CDs1-1,經離心,透析和純化后得到淡黃色溶液置于冰箱中4 ℃保存。

采用凍融法合成出碳量子點-聚乙烯醇復合熒光水凝膠(PVA-CDs)。稱取4 g丙三醇,加入總質量為7.0 g去離子水與純化后的5 mL Si-CDs溶液混合,攪拌15 min。然后稱取不同質量的聚乙烯醇粉末(0.9、1.0、1.1、1.2、1.3 g)加入上述溶液,繼續攪拌。接著放入100 ℃的油浴鍋中,加熱1 h。待其充分混合后,倒入模具,超聲除去氣泡后,放入低溫環境(-20 ℃)靜置24 h,然后取出恢復至室溫,再繼續低溫靜置,重復循環3次,獲得具有一定強度的硅烷-碳量子點熒光水凝膠。此外,為了進一步研究不同溶劑中反應生成的Si-CDs對水凝膠性能的影響,取含量1.2 g的聚乙烯醇粉末,分別加入制備的4種碳量子點(Si-CDs1-0、Si-CDs5-1、Si-CDs2-1、Si-CDs1-1)中。將合成出相應的碳量子點-聚乙烯醇復合熒光水凝膠分別命名為:PVA-CDs1-0、PVA-CDs5-1、PVA-CDs2-1和PVA-CDs1-1。

1.3 細胞毒性實驗使用CCK-8法測試細胞毒性[16],以評估水凝膠的生物相容性。將小鼠成纖維細胞(3T3)培養在96孔板中,在細胞培養箱(37 ℃)中,5% CO2的氛圍下培養24 h后,去除原培養基,分別加入等體積的PVA,PVA-CDs1-0以及PVA-CDs1-1復合水凝膠的培養基浸提液,用新鮮培養基代替原培養基的細胞作為對照組。

1.4 抗菌性能評價選用金黃色葡萄球菌作為革蘭氏陽性菌模型,大腸桿菌作為革蘭氏陰性菌模型,評估PVA-CDs復合水凝膠在體外的抗菌活性。在涂覆了細菌培養基的瓊脂板上劃分出四塊區域,中間分別放置預先制備含有不同水和乙醇的體積比的PVA-CDs1-0、PVA-CDs5-1、PVA-CDs2-1。分別標記為“1”“2”“3”;剩下四分之一區域作為空白對照,標記為“0”。將復蘇后的菌液接種到經上述處理后的瓊脂板上,然后在37 ℃的恒溫箱中培育24 h,觀察細菌生長狀況,檢測抑制帶。

2 結果與討論

圖1 PVA、Si-CDs、PVA-CDs水凝膠的紅外光譜圖

水凝膠的微觀結構對宏觀機械性能起決定性作用,為了分析Si-CDs的加入對PVA水凝膠的影響,利用場發射掃描電子顯微鏡觀察了加入Si-CDs前后水凝膠的微觀形貌的變化。如圖2(a)所示,未經修飾的純PVA水凝膠表面松散,孔徑較大,當受到外部載荷時,其結構易被破壞,機械性能無法達到預期效果。而加入Si-CDs后,PVA-CDs微觀形貌發生了明顯變化,具體表現為孔徑變小,結構變得致密(圖2(b))。這可能是因為復合水凝膠中含有偶聯劑KH-580,能夠使巰基、羥基和羧基等基團之間產生很強的相互作用。PVA-CDs水凝膠內部更加緊密規整的結構提高了能量耗散能力,在承受外力作用時,將顯著提高其機械性能,使得不易被破壞。

圖2 PVA (a) 和 PVA-CDs5∶1 (b)的 SEM 圖

2.2 水凝膠的機械性能通過比較PVA水凝膠和PVA-CDs復合水凝膠的力學性能,發現碳量子點的引入能夠顯著改善水凝膠的力學性能,PVA-CDs復合水凝膠有較高的拉伸率,即延展性更好。如圖3(a和b)所示,原始的PVA水凝膠拉伸應力為241 kPa,斷裂應變為172%,韌性為199.52 kJ/m3。隨著碳量子點的加入,其拉伸應力和應變都有所提高,當加入Si-CDs(H2O/EtOH = 5∶1)時,PVA-CDs復合水凝膠的斷裂應變達到最大,約為374%。4種復合水凝膠PVA-CDs1-0、PVA-CDs5-1、PVA-CDs2-1和PVA-CDs1-1,PVA-CDs2-1的拉伸應力和韌性最大,分別為754.57 kPa和1 191.37 kJ/m3。這可能是因為Si-CDs中的偶聯劑KH-580,增強了PVA鏈與丙三醇之間的相互作用,使水凝膠的機械性能顯著增強[19]。然而,PVA溶于水而不溶于乙醇,隨著乙醇含量增多,PVA中鏈與鏈之間纏結增大,三維網絡變得致密,復合水凝膠變得脆而易斷。進一步地,討論了PVA的質量對復合水凝膠機械性能的影響,如圖3(c和d)所示,在一定的范圍內,隨著PVA的增加,拉伸形變和韌性規律性增加,但當PVA為1.2 g時,由于分子鏈之間變得緊密,其斷裂應變變小。

圖3 PVA-CDs復合水凝膠的拉伸應力-應變曲線(a)和最大拉伸應力和應變(b);不同質量PVA復合水凝膠的拉伸應力-應變曲線(c)和最大拉伸應力和韌性(d)

2.3 PVA-CDs水凝膠的流變性能為了闡明宏觀力學性能和微觀交聯結構之間的關系,對4種不同溶劑配比下制備的PVA-CDs復合水凝膠進行了流變性能測試。圖4(a和b)是4種水凝膠在恒定頻率下動態應變掃頻曲線,4種水凝膠的彈性模量(G′)和損耗模量(G″)曲線都相交于一點,相交應變點之前G′均大于G″,這表明4種水凝膠都具有類固體的彈性性質[20]。隨著剪切應變的繼續增加,G′逐漸降低,而G″先增加后降低。在相交應變點,水凝膠的網絡開始塌陷,由固體凝膠狀態到粘性流體狀態轉變[21]。PVA-CDs水凝膠的相交應變為226%,但隨著乙醇的增加,相交應變降低到36.8%以下。結果表明,隨著乙醇增多,盡管碳量子點溶液的固含量增加,KH-580含量增多,分子相互作用力增強,但不足以抵消PVA鏈纏結導致的結構不穩定性。因此,水凝膠的空間穩定性降低。圖4(c和d)展示了在恒定的剪切應變下,不同的角頻率對彈性模量(G′)和損耗模量(G″)的影響,4種水凝膠在測試的角頻率范圍內G′ 均大于G″,且隨著乙醇含量的增加而增加。這是由于交聯劑的增加,PVA與丙三醇分子鍵作用力增強,從而加強了水凝膠機械性能的提高。

圖4 PVA-CDs復合水凝膠的(a和b)動態應變和(c和d)動態角頻率對彈性模量和損耗模量的掃描曲線

2.4 PVA-CDs水凝膠的溶脹性能和保濕性水凝膠的溶脹性能和保濕性對于其用作生物醫用材料尤其重要。如圖5(a)所示,在10 h內,所有的水凝膠都能達到溶脹平衡。其中,純PVA水凝膠溶脹比最大,達到1.2 g/g,其他幾種水凝膠的溶脹比均小于純PVA水凝膠。其中,PVA-CDs1-1降低至0.66 g/g,這是由于碳量子點的引入增強了PVA鏈與鏈之間的相互作用。隨著CDs溶液中乙醇含量的增加,PVA鏈段之間更加緊密,降低了凝膠網絡結構中能夠容納水分子的空間,從而阻止水分子進攻水凝膠并與其發生相互作用[22],這種低的溶脹比有利于維持水凝膠的穩定結構。此外,以丙三醇和水作溶劑,可顯著提高熒光水凝膠的保濕性和長期穩定性[23]。圖5(b)詳細記錄了10 d內水凝膠的失水情況,其中PVA-CDs1-0水凝膠失水率最大,在第9 d達到0.379 g/g,與純PVA水凝膠接近。PVA-CDs1-1水凝膠的失水率最小,這可能是因為致密的結構阻止了水分子的逃逸蒸發。如圖5(c和d)所示,置于空氣中30 d后,PVA-CDs復合水凝膠失水而體積一定程度減小。而PVA-CDs復合水凝膠微微有些發黃,這是因為水凝膠長時間暴露在空氣,內含的硫元素被氧化的緣故[24]。

圖5 PVA-CDs復合水凝膠的溶脹曲線(a)、失水率曲線(b)、初始(c)和30 d后的照片(d)

2.5 PVA-CDs水凝膠的熒光性能由于碳量子點具有獨特的光學性能,將Si-CDs引入PVA中,勢必會改變水凝膠的光學性質。觀察了不同PVA和PVA-CDs水凝膠在日光和紫外光下的區別。如圖6所示,純PVA水凝膠透明度很高,透過PVA-CDs1-0可以清晰看到紙片上“thank you”字樣。然而,隨著合成過程中乙醇含量的增加,PVA-CDs復合水凝膠透明度逐漸降低。此外,PVA-CDs復合水凝膠在365 nm的紫外燈下,呈藍綠色熒光,這是源于碳量子點自身光致發光的特性。進一步地分析,水凝膠透明度改變主要有如下原因:一方面,隨著溶劑中乙醇的增加,固含量增加,即碳量子點和硅烷含量增加,使得PVA鏈之間相互作用增加,距離減少;另一方面,PVA溶于水但不溶于乙醇,乙醇增加會減低PVA的分散性,導致鏈纏結,其透明度也隨之下降[25]。

圖6 在自然光 (a)或 365 nm 紫外光源 (b)下的 PVA、PVA-CDs1-0、PVA-CDs5-1、PVA-CDs2-1和 PVA-CDs1-1水凝膠

為了進一步探索復合水凝膠的pH響應性,不同pH值環境下Si-CDs5-1的熒光發射光譜和熒光激發光譜以及PVA-CDs5-1復合水凝膠的顏色變化。如圖7(a和b)所示,隨著環境中pH值的升高,碳量子點的激發光譜和發射光譜均呈藍移趨勢,這是由于溶液的酸堿度使得Si-CDs發生不同的程度地水解和聚集,進而影響其熒光強度和顏色。并比較了不同pH值下碳量子點和復合水凝膠的熒光顏色變化情況,Si-CDs5-1的原溶液呈酸性,pH值在3左右,呈綠色,隨著pH值的增加,復合水凝膠在pH為5～7的環境中呈藍色,pH為8～9時轉變為紫色(圖7(c))。在不同的酸堿環境中,PVA-CDs5-1復合水凝膠的熒光變化在綠-藍-紫之間轉變。因此,該水凝膠的顏色改變能夠直接反映出環境中pH值的變化,有望用于實時監測傷口pH值變化。

圖7 不同pH值(pH = 3、5、7、8、9)下Si-CDs5-1的熒光發射光譜(a)、熒光激發光譜(b)以及PVA-CDs5-1復合水凝膠在不同pH值下的色差(c)

2.6 PVA-CDs水凝膠的生物相容性及抗菌性能已證實制備的PVA-CDs復合水凝膠具有靈敏的pH響應性,為了進一步驗證其生物安全性,評估了凝膠材料的生物相容性。將水凝膠與3T3細胞共同培養,并測試了24、48和72 h的細胞存活率。如圖8 (a) 所示,經PVA,PVA-CDs1-0或PVA-CDs1-1復合水凝膠處理后的3T3的細胞存活率均在90%以上,說明該復合水凝膠對細胞無明顯殺傷作用,細胞相容性好,生物安全性高。

圖8 3T3細胞在PVA,PVA-CDs1-0和PVA-CDs1-1復合水凝膠中培養24 h、48 h和72 h后的活性(a) PVA-CDs復合水凝膠對大腸桿菌(b)或金黃色葡萄球菌(c)的抗菌活性(“0”“1”“2”“3”代表空白對照組、PVA-CDs1-0、PVA-CDs5-1和PVA-CDs2-1)

反復的細菌感染會使傷口潰爛,愈合緩慢,這是慢性創面難以治愈的主要原因之一,亟需開發出抗菌性能良好的水凝膠敷料。因此,研究了PVA-CDs復合水凝膠對大腸桿菌(作為革蘭氏陰性菌模型)和金黃色葡萄球菌(作為革蘭氏陽性菌模型)的抑菌能力。如圖8 (b-c) 所示,在沒有復合水凝膠的“0”區域(PBS對照組),細菌生長狀態良好,而在“1”“2”“3” 區域,形成了以水凝膠為中心的明顯的抑菌圈。無論是將復合水凝膠貼在培養基表面(圖8(b)),還是將水凝膠插入培養基中(圖8(c)),均能達到很好的抗菌效果。

3 結論

采用凍融法,將硅烷-碳量子點(CDs)與聚乙烯醇(PVA)復合制備了PVA-CDs復合熒光水凝膠。實驗結果表明,隨著碳量子點的加入,復合水凝膠PVA-CDs拉伸應力和應變都有所提高,當加入Si-CDs(H2O/EtOH = 5∶1)時,PVA-CDs復合水凝膠的斷裂應變達到最大,約374%。復合水凝膠PVA-CDs2-1的拉伸應力和韌性最大,分別為754.57 kPa和1 191.37 kJ/m3。在365 nm的紫外光照射下,PVA-CDs復合水凝膠呈綠色熒光,在不同的酸堿環境中,復合水凝膠的熒光顏色在綠-藍-紫之間轉變。體外實驗證明PVA-CDs復合水凝膠能形成清晰可見的抑菌圈,具有較好的抗菌能力。該水凝膠的顏色改變能夠直接反映出環境中pH值的變化。PVA-CDs復合熒光水凝膠有望作為抗菌、pH檢測功能的醫用材料。