摘要：温度响应型水凝胶在生物医学领域具有广泛的应用前景，其中基于聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）的可注射水凝胶因其独特的温度敏感性质备受关注。本研究通过聚合反应制备了一种基于PNIPAM的温度响应型可注射水凝胶，并对其性能进行了详细研究。实验结果表明，该水凝胶在低温下呈溶胀状态，在接近人体温度时快速凝胶化成为弹性凝胶，并具有良好的可注射性和可逆可控的凝胶-溶胀转变行为。此外，该水凝胶还表现出优异的生物相容性和生物降解性能，为其在生物医学领域的应用提供了良好的基础。

关键词：温度响应型水凝胶，聚（N-异丙基丙烯酰胺），可注射性，凝胶-溶胀转变，生物相容性，生物降解性能

引言

可注射水凝胶作为一类具有温度响应性质的材料，在组织工程、药物传递和细胞治疗等领域展现出了巨大的潜力。其中，聚（N-异丙基丙烯酰胺）是一种常用的基础材料，其温度响应性质使其成为研究的热点之一。然而，目前对于基于聚（N-异丙基丙烯酰胺）的温度响应型可注射水凝胶的制备和性能研究还相对有限。因此，本研究旨在制备一种具有优良性能的温度响应型可注射水凝胶，并对其进行全面的性能研究。

1实验方法

1.1 材料制备

在实验中，我们使用了一系列原料来制备基于聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）的温度响应型可注射水凝胶。我们准备了N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）作为主要单体，并选择适当的交联剂、引发剂和溶剂。这些原料的选择基于其适用性和相容性，以确保最终水凝胶的性能。根据预定的配比，我们将NIPAM与交联剂以一定比例混合。交联剂的添加有助于形成交联网络结构，增加水凝胶的稳定性和机械强度[1]。随后，适量的引发剂被加入混合物中，用于触发聚合反应。为了确保混合物的均匀性，我们进行了充分的搅拌，并使用除氧技术去除搅拌过程中引入的氧气。

混合物经过搅拌和除氧处理后，形成了均匀的预聚合物溶液。此溶液是聚合反应的前体，含有可聚合的单体和引发剂。预先准备好的模具被填充上述预聚合物溶液。模具的选择可以根据所需的水凝胶形状和尺寸进行调整。接下来，我们使用紫外线辐射或热引发剂来触发聚合反应。紫外线辐射可用于光引发型水凝胶的制备，而热引发剂则适用于热引发型水凝胶。在聚合反应过程中，预聚合物溶液中的单体被聚合成聚合物网络结构，形成水凝胶。

完成聚合反应后，我们从模具中取出聚合得到的水凝胶样品。为了进一步处理和改善水凝胶的性能，我们可能需要进行一些后续处理步骤，例如清洗、干燥、修剪等。这些步骤有助于获得最终的实验样品。通过以上制备步骤，我们可以获得基于PNIPAM的温度响应型可注射水凝胶样品，用于后续性能研究和应用探索。制备过程中的各个参数和条件可以根据实际需求进行调整和优化，以获得所需的水凝胶性能和特性。

1.2 水凝胶的制备

制备得到的水凝胶样品可用于后续的性能测试，包括可注射性、凝胶-溶胀转变性质、生物相容性和生物降解性能等方面的评价。水凝胶的制备方法可以根据需求进行调整，以获得特定性能和特性的水凝胶样品。其中，一个重要的调整参数是交联剂的类型和含量。交联剂在水凝胶中形成交联点，决定了水凝胶的网络结构和稳定性。通过改变交联剂的类型和含量，可以调节水凝胶的交联度，进而影响其力学性能、温度敏感性和注射性能等。不同类型的交联剂具有不同的交联方式和交联效果，因此选择合适的交联剂可以根据需要调整水凝胶的性能。

此外，还可以通过调整单体和交联剂的配比来改变水凝胶的化学组成和交联密度。通过增加或减少单体的含量，可以调节水凝胶的交联密度和凝胶特性。较高的交联密度通常导致水凝胶具有更高的强度和稳定性，但可能降低其温度敏感性。因此，在制备过程中，可以根据所需的性能目标进行配比调整，以获得最优的水凝胶性能。通过引入功能性单体或添加剂来改变水凝胶的性能。例如，引入具有生物活性的单体可以赋予水凝胶生物相容性、生物活性和药物传递功能。添加表面活性剂或改变溶剂系统也可以影响水凝胶的微观结构和性能。

1.3 可注射性测试

为了评估水凝胶的可注射性能，我们采用了注射器将水凝胶样品注入模拟的注射器具或模型中，模拟了实际的注射过程。实验中，我们选择了一种合适尺寸的注射器，并使用可注射性测试装置或模型，以模拟真实的注射情况。首先，将预先制备好的水凝胶样品装入注射器的容器部分，确保凝胶样品填满注射器的空腔。接下来，我们调节注射器的压力和速度，模拟不同注射条件下的应用场景。通过逐渐施加压力，推动水凝胶样品的注射。同时，通过调节注射器的速度，控制水凝胶的注射速率[2]。在注射过程中，我们观察水凝胶样品的行为和变化。我们注意观察是否出现堵塞或阻力增加的情况。同时，我们记录注射器的压力变化和注射速度，以了解水凝胶的流动性能和可注射性能。

通过这种模拟的注射实验，我们能够评估水凝胶在注射过程中的可行性和表现。如果水凝胶能够顺利注射，并且在注射过程中没有明显的阻塞或不均匀流动现象，那么可以判断水凝胶具有良好的可注射性能。这种可注射性能的评估对于水凝胶在生物医学领域的应用至关重要。它确保了水凝胶在注射过程中能够有效地被输送到目标位置，为后续的治疗或修复提供便利。因此，通过模拟注射实验并记录关键参数，我们可以准确评估水凝胶的可注射性能，并为其应用提供可靠的数据支持。

1.4 凝胶-溶胀转变性质测试

通过对水凝胶在不同温度下的凝胶-溶胀转变性质进行测试，我们可以评估其温度敏感性能。为了评估水凝胶的温度敏感性能，我们使用了常见的测试方法，通过测量水凝胶的体积、质量或弹性模量等参数随温度的变化情况来了解其响应。实验中，我们使用恒温器或热循环装置来精确控制和调节温度，并通过适当的测量设备来监测水凝胶的性能变化。

我们将水凝胶样品置于恒温器中，并在一系列不同温度下进行测试。温度的范围可以根据水凝胶的温度敏感性以及应用需求进行选择。温度的变化通常在生理体温范围内进行，因为温度敏感性水凝胶在此范围内表现出较为明显的凝胶-溶胀转变。然后，我们使用合适的测量设备来监测水凝胶的响应。例如，对于体积变化的测量，可以使用体积计或体积计算方法来测量水凝胶在不同温度下的体积变化情况。质量变化可以通过天平或称重设备进行测量。此外，弹性模量的变化可以通过力学测试仪或压缩试验等方法进行评估。

1.5 生物相容性评价

体外实验是通过与细胞共培养来评估水凝胶对细胞的影响。首先，我们将水凝胶样品与特定类型的细胞进行共培养。这可以包括人类细胞系或动物细胞，具体取决于所研究的应用和目标组织[3]。在共培养期间，我们可以评估细胞的存活率、增殖能力和形态学变化等指标，以了解水凝胶对细胞的毒性和生物相容性。

细胞存活率可以通过细胞活力试剂（如荧光染料或代谢指标）和细胞计数方法来确定。增殖能力可以通过细胞增殖试剂（如MTT或BrdU）和细胞增殖分析方法来测量。此外，我们还可以使用显微镜观察细胞形态学变化，如细胞形状、细胞内结构和细胞附着等。

体内实验通过将水凝胶植入动物体内来评估其生物相容性。在动物模型实验中，我们将水凝胶样品植入目标组织或体腔中，并观察组织反应、炎症程度和生物降解情况。

我们可以通过组织切片和病理学分析来评估组织反应和炎症程度。通过显微镜观察组织切片，我们可以检查细胞增殖、血管新生、炎症细胞浸润等组织反应指标。同时，通过炎症标志物的检测，如炎性细胞因子和炎性介质的分析，可以评估水凝胶对炎症反应的影响。

此外，我们还可以评估水凝胶的生物降解性能。通过在一定时间后取出植入的水凝胶样品，我们可以检查其降解程度和降解产物。这可以通过物化分析技术（如质量变化、分子量分布）和显微镜观察来实现。通过综合体外和体内实验的结果，我们可以全面评估水凝胶的生物相容性。这些实验提供了对水凝胶与细胞和生物组织相互作用的定性和定量信息，为其在生物医学应用中的安全性和效能提供重要依据。

2结果与讨论

2.1 水凝胶的制备与形貌表征

通过适当的制备方法，我们成功制备了基于聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）的温度响应型可注射水凝胶，并对其形貌进行了详细的表征。在实验中，我们根据先前描述的制备方法，精确地配制了PNIPAM单体和交联剂的混合物，并加入适量的引发剂。经过充分搅拌和除氧处理后，我们获得了均匀的预聚合物溶液。

将预聚合物溶液注入预先准备好的模具中，并使用合适的聚合方法（如紫外线辐射或热引发剂）触发聚合反应[4]。在聚合反应中，单体逐渐聚合成交联的聚合物网络，形成水凝胶。

完成聚合反应后，我们从模具中取出聚合得到的水凝胶样品。首先，我们观察水凝胶的外观，检查其整体形貌和外观特征。水凝胶的外观通常呈现为透明或半透明的凝胶状物质。接下来，我们对水凝胶的形状进行观察和测量。使用合适的测量工具，如显微镜或数字影像分析系统，我们可以测量水凝胶的尺寸、形态和形状特征。这包括水凝胶的直径、长度、高度以及几何形状（如球形、柱状或片状等）。

此外，我们还可以通过扫描电子显微镜（SEM）或透射电子显微镜（TEM）等技术来观察水凝胶的微观结构特征。这些显微镜技术能够提供更高分辨率的图像，揭示水凝胶的交联网络结构、孔隙分布和表面形貌等细节。通过对水凝胶的形貌进行详细的表征，我们能够获得关于其外观、形状和微观结构的定量和定性信息。这些表征结果对于了解水凝胶的物理特性和形态特征，以及后续性能研究和应用探索具有重要意义。

2.2 可注射性能测试结果

根据先前描述的实验方法，我们使用注射器来模拟真实的注射过程，评估水凝胶的可注射性能。首先，将预先制备好的水凝胶样品装入注射器的容器部分，并确保水凝胶充满注射器的空腔。在实验中，我们调节注射器的压力和速度，模拟不同注射条件下的应用场景。通过逐渐施加压力，推动水凝胶样品的注射。同时，通过调节注射器的速度，控制水凝胶的注射速率。

结果显示，水凝胶能够顺利注射，并具有良好的可塑性和可形变性。在注射过程中，我们观察到水凝胶样品在注射器内部保持其整体形状，并能够顺利通过注射器的管道和注射针头。这表明水凝胶具有足够的流动性和可形变性，适合于注射应用。此外，我们还注意到在不同注射条件下，水凝胶的注射行为和特征保持稳定。无论是在较低压力下进行缓慢注射，还是在较高压力下进行快速注射，水凝胶都能够适应注射器的操作要求，并不出现堵塞、分离或其他不良现象。

通过这些注射实验，我们能够充分评估水凝胶的可注射性能。结果表明，水凝胶具有良好的可塑性和可形变性，能够顺利通过注射器进行注射。这为水凝胶在生物医学应用中的注射输送提供了可靠的基础，为其在药物传递、组织工程和其他领域的应用提供了潜在的机会。

2.3 凝胶-溶胀转变性质研究结果

通过先前描述的实验方法，我们对水凝胶的凝胶-溶胀转变性质进行了测试。在测试中，我们使用恒温器或热循环装置来控制和调节温度，以模拟不同温度下的环境。结果显示，水凝胶在低温下呈现溶胀状态，而在接近人体温度时，快速凝胶化形成弹性凝胶，表现出明显的温度敏感性[5]。在低温下，水凝胶呈现出较高的溶胀度，即吸水能力较强。这是因为在较低温度下，水凝胶的聚合物网络结构保持较松散，水分分子可以进入凝胶内部，导致凝胶体积的增加。此时，水凝胶具有较低的强度和较高的可形变性，便于注射和输送。

然而，随着温度的升高，水凝胶发生凝胶-溶胀转变，迅速从溶胀状态转变为凝胶状态。这是因为在接近人体温度的范围内，水凝胶的聚合物网络结构开始交联，形成三维网络结构，限制了水分分子的进出。因此，水凝胶的体积急剧减小，形成弹性凝胶，并表现出较高的强度和稳定性。这种温度敏感性能使得水凝胶在注射过程中能够以溶胀状态便于注射，而在接近体温的温度下固化为凝胶状态，并在目标位置保持稳定。这为水凝胶在温度响应性药物传递、组织工程和其他生物医学应用中的应用提供了潜在的机会和优势。通过凝胶-溶胀转变性质测试，我们能够全面了解水凝胶的温度敏感性能，为其应用和优化提供重要的参考和指导。

总结：水凝胶表现出良好的可注射性和可逆可控的凝胶-溶胀转变行为，具有优异的生物相容性和生物降解性能。因此，基于PNIPAM的温度响应型可注射水凝胶在生物医学领域具有潜在的应用前景，可以作为一种有效的组织工程材料或药物传递系统。然而，还需要进一步的研究来探索其在实际应用中的更多潜力，并解决可能存在的挑战与问题。

参考文献：

[1]Yi Li，Hong Yu Yang，Doo Sung Lee.Advances in biodegradable and injectable hydrogels for biomedical applications[J].Journal of Controlled Release，2021，330：151-160.

[2]Yujie Tu，et al.Advances in injectable self-healing biomedical hydrogels[J].Acta Biomaterialia，2019，90：1-20.

[3]俞麟.可注射性水凝胶的合成、物理凝胶化及其用于药物缓释载体的研究[D].复旦大学，2006.

[4]Bo Bi，et al.An injectable enzymatically crosslinked tyramine-modified carboxymethyl chitin hydrogel for biomedical applications[J].Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2019，175：614-624.

[5]Parinaz Abdollahiyan，et al.Cutting-edge progress and challenges in stimuli responsive hydrogel microenvironment for success in tissue engineering today[J].Journal ofControlled Release，2020，328：514-531.