PVA-碳量子点复合荧光水凝胶的制备及性能研究

马玉林,樊晓慧,毛林韩,崔聪聪,黄巧雨,陈朝霞,张玉红

(有机化工新材料省部共建协同创新中心,湖北省功能化学品工程技术研究中心,湖北大学化学化工学院,湖北 武汉 430062)

0 引言

水凝胶是一种具有聚合物链的3D交联网络结构的高分子材料,由于其链上存在大量的亲水基团,使其具有显著的吸水和保水能力[1]。水凝胶在生物医学[2]、食品[3]、农业[4]、石油化工[5]等领域有着广泛应用。荧光水凝胶是一类由荧光物质和水凝胶结合而形成的具有荧光效应的复合物[6]。近年来,有机染料[7]、荧光蛋白[8]、镧系元素离子[9],以及碳量子点[10]等都已经成功引入水凝胶基体中,极大丰富了荧光水凝胶的类型,拓宽了荧光水凝胶的应用。荧光水凝胶以高含水的溶胀体形式存在,因其具有良好的发光效应、柔韧性、较大的孔隙率以及高含水量,在传感器、生物成像、皮肤修复等领域具有较好的应用前景[11]。

其中碳量子点(CDs)是表面功能化的小碳纳米颗粒,其毒性小、比表面积较大、边缘缺陷丰富、光谱吸收范围宽且易调控[12]。CDs具有稳定的荧光性质、良好分散性以及生物相容性,受到了研究者们的关注。Wei等[13]采用邻苯二胺碳量子点与壳聚糖复合一种荧光水凝胶,该荧光水凝胶对pH刺激具有高度的敏感性和响应性,可作为智能可穿戴传感器,用于人体健康检测。

CDs拥有优异的抗菌和抗生物膜性能,同时具有良好的生物相容性,Li等[14]以亚精胺为原料合成了具有优异抗菌活性的碳量子点,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有很好的抑制作用。本研究采用简单的冻融法将硅烷碳量子点(Si-CDs)复合到聚乙烯醇(PVA)的凝胶网络中,制备出具有抗菌活性的碳量子点-聚乙烯醇复合荧光水凝胶(PVA-CDs)。该复合荧光水凝胶料对环境pH值变化表现出优异光学响应性,对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有显著的抗菌效果。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂一水合柠檬酸(CA,AR)和丙三醇(GI,AR)购自国药集团化学试剂有限公司;3-巯丙基三乙氧基硅烷(KH-580,AR)、聚乙烯醇(PVA-1799,AR,98%～99%)和乙醇(EtOH,AR)均购于阿拉丁试剂(上海)有限公司;超纯水,自制。

Spectrum one型反射式红外光谱仪和204 F1型荧光光谱仪,美国Perkin-Elmer公司;Instron 3366型万能拉力机,英斯特朗有限公司;TA DHR-2型DHR混合流变仪,美国INSTRON公司;SUPRA 55型场发射扫描电子显微镜,德国卡尔蔡司公司。

1.2 pH响应性荧光水凝胶的制备以水和乙醇做溶剂,采用水热法一步合成硅烷-碳量子点复合物(Si-CDs)[15],改变溶剂中水和乙醇的体积比(H2O∶EtOH分别为1∶0,5∶1,2∶1和1∶1),制备了4种碳量子点Si-CDs1-0、Si-CDs5-1、Si-CDs2-1和Si-CDs1-1,经离心,透析和纯化后得到淡黄色溶液置于冰箱中4 ℃保存。

采用冻融法合成出碳量子点-聚乙烯醇复合荧光水凝胶(PVA-CDs)。称取4 g丙三醇,加入总质量为7.0 g去离子水与纯化后的5 mL Si-CDs溶液混合,搅拌15 min。然后称取不同质量的聚乙烯醇粉末(0.9、1.0、1.1、1.2、1.3 g)加入上述溶液,继续搅拌。接着放入100 ℃的油浴锅中,加热1 h。待其充分混合后,倒入模具,超声除去气泡后,放入低温环境(-20 ℃)静置24 h,然后取出恢复至室温,再继续低温静置,重复循环3次,获得具有一定强度的硅烷-碳量子点荧光水凝胶。此外,为了进一步研究不同溶剂中反应生成的Si-CDs对水凝胶性能的影响,取含量1.2 g的聚乙烯醇粉末,分别加入制备的4种碳量子点(Si-CDs1-0、Si-CDs5-1、Si-CDs2-1、Si-CDs1-1)中。将合成出相应的碳量子点-聚乙烯醇复合荧光水凝胶分别命名为:PVA-CDs1-0、PVA-CDs5-1、PVA-CDs2-1和PVA-CDs1-1。

1.3 细胞毒性实验使用CCK-8法测试细胞毒性[16],以评估水凝胶的生物相容性。将小鼠成纤维细胞(3T3)培养在96孔板中,在细胞培养箱(37 ℃)中,5% CO2的氛围下培养24 h后,去除原培养基,分别加入等体积的PVA,PVA-CDs1-0以及PVA-CDs1-1复合水凝胶的培养基浸提液,用新鲜培养基代替原培养基的细胞作为对照组。

1.4 抗菌性能评价选用金黄色葡萄球菌作为革兰氏阳性菌模型,大肠杆菌作为革兰氏阴性菌模型,评估PVA-CDs复合水凝胶在体外的抗菌活性。在涂覆了细菌培养基的琼脂板上划分出四块区域,中间分别放置预先制备含有不同水和乙醇的体积比的PVA-CDs1-0、PVA-CDs5-1、PVA-CDs2-1。分别标记为“1”“2”“3”;剩下四分之一区域作为空白对照,标记为“0”。将复苏后的菌液接种到经上述处理后的琼脂板上,然后在37 ℃的恒温箱中培育24 h,观察细菌生长状况,检测抑制带。

2 结果与讨论

图1 PVA、Si-CDs、PVA-CDs水凝胶的红外光谱图

水凝胶的微观结构对宏观机械性能起决定性作用,为了分析Si-CDs的加入对PVA水凝胶的影响,利用场发射扫描电子显微镜观察了加入Si-CDs前后水凝胶的微观形貌的变化。如图2(a)所示,未经修饰的纯PVA水凝胶表面松散,孔径较大,当受到外部载荷时,其结构易被破坏,机械性能无法达到预期效果。而加入Si-CDs后,PVA-CDs微观形貌发生了明显变化,具体表现为孔径变小,结构变得致密(图2(b))。这可能是因为复合水凝胶中含有偶联剂KH-580,能够使巯基、羟基和羧基等基团之间产生很强的相互作用。PVA-CDs水凝胶内部更加紧密规整的结构提高了能量耗散能力,在承受外力作用时,将显著提高其机械性能,使得不易被破坏。

图2 PVA (a) 和 PVA-CDs5∶1 (b)的 SEM 图

2.2 水凝胶的机械性能通过比较PVA水凝胶和PVA-CDs复合水凝胶的力学性能,发现碳量子点的引入能够显著改善水凝胶的力学性能,PVA-CDs复合水凝胶有较高的拉伸率,即延展性更好。如图3(a和b)所示,原始的PVA水凝胶拉伸应力为241 kPa,断裂应变为172%,韧性为199.52 kJ/m3。随着碳量子点的加入,其拉伸应力和应变都有所提高,当加入Si-CDs(H2O/EtOH = 5∶1)时,PVA-CDs复合水凝胶的断裂应变达到最大,约为374%。4种复合水凝胶PVA-CDs1-0、PVA-CDs5-1、PVA-CDs2-1和PVA-CDs1-1,PVA-CDs2-1的拉伸应力和韧性最大,分别为754.57 kPa和1 191.37 kJ/m3。这可能是因为Si-CDs中的偶联剂KH-580,增强了PVA链与丙三醇之间的相互作用,使水凝胶的机械性能显著增强[19]。然而,PVA溶于水而不溶于乙醇,随着乙醇含量增多,PVA中链与链之间缠结增大,三维网络变得致密,复合水凝胶变得脆而易断。进一步地,讨论了PVA的质量对复合水凝胶机械性能的影响,如图3(c和d)所示,在一定的范围内,随着PVA的增加,拉伸形变和韧性规律性增加,但当PVA为1.2 g时,由于分子链之间变得紧密,其断裂应变变小。

图3 PVA-CDs复合水凝胶的拉伸应力-应变曲线(a)和最大拉伸应力和应变(b);不同质量PVA复合水凝胶的拉伸应力-应变曲线(c)和最大拉伸应力和韧性(d)

2.3 PVA-CDs水凝胶的流变性能为了阐明宏观力学性能和微观交联结构之间的关系,对4种不同溶剂配比下制备的PVA-CDs复合水凝胶进行了流变性能测试。图4(a和b)是4种水凝胶在恒定频率下动态应变扫频曲线,4种水凝胶的弹性模量(G′)和损耗模量(G″)曲线都相交于一点,相交应变点之前G′均大于G″,这表明4种水凝胶都具有类固体的弹性性质[20]。随着剪切应变的继续增加,G′逐渐降低,而G″先增加后降低。在相交应变点,水凝胶的网络开始塌陷,由固体凝胶状态到粘性流体状态转变[21]。PVA-CDs水凝胶的相交应变为226%,但随着乙醇的增加,相交应变降低到36.8%以下。结果表明,随着乙醇增多,尽管碳量子点溶液的固含量增加,KH-580含量增多,分子相互作用力增强,但不足以抵消PVA链缠结导致的结构不稳定性。因此,水凝胶的空间稳定性降低。图4(c和d)展示了在恒定的剪切应变下,不同的角频率对弹性模量(G′)和损耗模量(G″)的影响,4种水凝胶在测试的角频率范围内G′ 均大于G″,且随着乙醇含量的增加而增加。这是由于交联剂的增加,PVA与丙三醇分子键作用力增强,从而加强了水凝胶机械性能的提高。

图4 PVA-CDs复合水凝胶的(a和b)动态应变和(c和d)动态角频率对弹性模量和损耗模量的扫描曲线

2.4 PVA-CDs水凝胶的溶胀性能和保湿性水凝胶的溶胀性能和保湿性对于其用作生物医用材料尤其重要。如图5(a)所示,在10 h内,所有的水凝胶都能达到溶胀平衡。其中,纯PVA水凝胶溶胀比最大,达到1.2 g/g,其他几种水凝胶的溶胀比均小于纯PVA水凝胶。其中,PVA-CDs1-1降低至0.66 g/g,这是由于碳量子点的引入增强了PVA链与链之间的相互作用。随着CDs溶液中乙醇含量的增加,PVA链段之间更加紧密,降低了凝胶网络结构中能够容纳水分子的空间,从而阻止水分子进攻水凝胶并与其发生相互作用[22],这种低的溶胀比有利于维持水凝胶的稳定结构。此外,以丙三醇和水作溶剂,可显著提高荧光水凝胶的保湿性和长期稳定性[23]。图5(b)详细记录了10 d内水凝胶的失水情况,其中PVA-CDs1-0水凝胶失水率最大,在第9 d达到0.379 g/g,与纯PVA水凝胶接近。PVA-CDs1-1水凝胶的失水率最小,这可能是因为致密的结构阻止了水分子的逃逸蒸发。如图5(c和d)所示,置于空气中30 d后,PVA-CDs复合水凝胶失水而体积一定程度减小。而PVA-CDs复合水凝胶微微有些发黄,这是因为水凝胶长时间暴露在空气,内含的硫元素被氧化的缘故[24]。

图5 PVA-CDs复合水凝胶的溶胀曲线(a)、失水率曲线(b)、初始(c)和30 d后的照片(d)

2.5 PVA-CDs水凝胶的荧光性能由于碳量子点具有独特的光学性能,将Si-CDs引入PVA中,势必会改变水凝胶的光学性质。观察了不同PVA和PVA-CDs水凝胶在日光和紫外光下的区别。如图6所示,纯PVA水凝胶透明度很高,透过PVA-CDs1-0可以清晰看到纸片上“thank you”字样。然而,随着合成过程中乙醇含量的增加,PVA-CDs复合水凝胶透明度逐渐降低。此外,PVA-CDs复合水凝胶在365 nm的紫外灯下,呈蓝绿色荧光,这是源于碳量子点自身光致发光的特性。进一步地分析,水凝胶透明度改变主要有如下原因:一方面,随着溶剂中乙醇的增加,固含量增加,即碳量子点和硅烷含量增加,使得PVA链之间相互作用增加,距离减少;另一方面,PVA溶于水但不溶于乙醇,乙醇增加会减低PVA的分散性,导致链缠结,其透明度也随之下降[25]。

图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水凝胶

为了进一步探索复合水凝胶的pH响应性,不同pH值环境下Si-CDs5-1的荧光发射光谱和荧光激发光谱以及PVA-CDs5-1复合水凝胶的颜色变化。如图7(a和b)所示,随着环境中pH值的升高,碳量子点的激发光谱和发射光谱均呈蓝移趋势,这是由于溶液的酸碱度使得Si-CDs发生不同的程度地水解和聚集,进而影响其荧光强度和颜色。并比较了不同pH值下碳量子点和复合水凝胶的荧光颜色变化情况,Si-CDs5-1的原溶液呈酸性,pH值在3左右,呈绿色,随着pH值的增加,复合水凝胶在pH为5～7的环境中呈蓝色,pH为8～9时转变为紫色(图7(c))。在不同的酸碱环境中,PVA-CDs5-1复合水凝胶的荧光变化在绿-蓝-紫之间转变。因此,该水凝胶的颜色改变能够直接反映出环境中pH值的变化,有望用于实时监测伤口pH值变化。

图7 不同pH值(pH = 3、5、7、8、9)下Si-CDs5-1的荧光发射光谱(a)、荧光激发光谱(b)以及PVA-CDs5-1复合水凝胶在不同pH值下的色差(c)

2.6 PVA-CDs水凝胶的生物相容性及抗菌性能已证实制备的PVA-CDs复合水凝胶具有灵敏的pH响应性,为了进一步验证其生物安全性,评估了凝胶材料的生物相容性。将水凝胶与3T3细胞共同培养,并测试了24、48和72 h的细胞存活率。如图8 (a) 所示,经PVA,PVA-CDs1-0或PVA-CDs1-1复合水凝胶处理后的3T3的细胞存活率均在90%以上,说明该复合水凝胶对细胞无明显杀伤作用,细胞相容性好,生物安全性高。

图8 3T3细胞在PVA,PVA-CDs1-0和PVA-CDs1-1复合水凝胶中培养24 h、48 h和72 h后的活性(a) PVA-CDs复合水凝胶对大肠杆菌(b)或金黄色葡萄球菌(c)的抗菌活性(“0”“1”“2”“3”代表空白对照组、PVA-CDs1-0、PVA-CDs5-1和PVA-CDs2-1)

反复的细菌感染会使伤口溃烂,愈合缓慢,这是慢性创面难以治愈的主要原因之一,亟需开发出抗菌性能良好的水凝胶敷料。因此,研究了PVA-CDs复合水凝胶对大肠杆菌(作为革兰氏阴性菌模型)和金黄色葡萄球菌(作为革兰氏阳性菌模型)的抑菌能力。如图8 (b-c) 所示,在没有复合水凝胶的“0”区域(PBS对照组),细菌生长状态良好,而在“1”“2”“3” 区域,形成了以水凝胶为中心的明显的抑菌圈。无论是将复合水凝胶贴在培养基表面(图8(b)),还是将水凝胶插入培养基中(图8(c)),均能达到很好的抗菌效果。

3 结论

采用冻融法,将硅烷-碳量子点(CDs)与聚乙烯醇(PVA)复合制备了PVA-CDs复合荧光水凝胶。实验结果表明,随着碳量子点的加入,复合水凝胶PVA-CDs拉伸应力和应变都有所提高,当加入Si-CDs(H2O/EtOH = 5∶1)时,PVA-CDs复合水凝胶的断裂应变达到最大,约374%。复合水凝胶PVA-CDs2-1的拉伸应力和韧性最大,分别为754.57 kPa和1 191.37 kJ/m3。在365 nm的紫外光照射下,PVA-CDs复合水凝胶呈绿色荧光,在不同的酸碱环境中,复合水凝胶的荧光颜色在绿-蓝-紫之间转变。体外实验证明PVA-CDs复合水凝胶能形成清晰可见的抑菌圈,具有较好的抗菌能力。该水凝胶的颜色改变能够直接反映出环境中pH值的变化。PVA-CDs复合荧光水凝胶有望作为抗菌、pH检测功能的医用材料。