水凝胶化学结构表征：应用案例篇（核磁、红外、紫外……）

在上一期的介绍中，EFL带大家了解了水凝胶常见化学结构表征方法（核磁、红外、紫外等）。本期，我们将通过两个研究案例的分析，从实践角度学习如何运用这些表征手段说明课题中的关键问题。

案例一

ACS Appl. Mater. Interfaces：通过动态交联反应构建具备微孔、组织粘附性和自愈合性能的微凝胶挤出打印生物墨水

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c01295

01

课题设计分析

整个材料体系可分为两部分：【微凝胶】+【粘接剂】。

🔺【微凝胶】由两种组分构成：

组分1：苯硼酸基团修饰的甲基丙烯酰化透明质酸(HAMA-PBA)

功能说明：可以简单理解为在光固化材料HAMA上接枝苯硼酸基团。用其制备的微球可通过苯硼酸基团与粘接剂作用，使微凝胶粘合组装成型。

组分2：甲基丙烯酸酯化明胶(GelMA)

功能说明：与组分1一起交联形成凝胶微球，GelMA材料提供更好生物学性能。

🔺【粘接剂】

成分：多巴胺修饰的透明质酸（HA-DA）

功能说明：修饰的多巴胺基团可以与苯硼酸发生动态交联，将微凝胶粘接在一起，使其组装成型，这种动态交联使墨水具有自愈合特性。此外，多巴胺基团还提供较强的组织粘合特性。

以上是微凝胶生物墨水（DC-MA）的材料设计思路。随后，便是一系列材料合成。

02

如何证明合成产物确实“如我所述”？

对于多数水凝胶课题，核磁共振氢谱法是合成产物定性、定量的最常用手段。

图1 HAMA-PBA、GelMA、HA-DA的HNMR图

🔺¹H NMR图谱解读：

甲基丙烯双键的修饰：HAMA-PBA图谱中化学位移6.08ppm（a图中数字2）和GelMA图谱中化学位移5.61ppm（b图中数字1）处质子峰的出现表明了这两个聚合物中甲基丙烯酸酯基团的接枝成功。

苯硼酸的修饰：HAMA-PBA中化学位移7.61ppm（a图中数字1）处质子峰的出现表明苯硼酸基团接枝成功。

多巴胺的修饰：HA-DA核磁谱图中7.32 ppm（c图中数字1）处的DA特征峰证明多巴胺基团的接枝成功。

此外，通过对图谱中特征峰的积分面积进行比较计算，还可得到接枝度等定量信息。

随后，基于以上DM-MA材料，课题通过负载生物玻璃（BG）促进L929细胞的浸润，通过负载醋酸氯己定（CHDA）提升材料抗菌性。

03

如何证明材料中负载了活性物质？

在此研究中，作者采用了红外光谱和紫外吸收光谱分别表征BG和CHDA的负载。

大致过程如下：1)获取DC-MA材料和活性物质的谱图；2)获取复合物谱图；3）将单一组分和复合物谱图对比。

当复合物谱图上有各组分特征峰时，表明活性物质有效负载。

图2 微凝胶生物墨水（DC-MA）负载生物玻璃（BG）及醋酸氯己定（CHDA）的FT-IR及UV-Vis图

🔺谱图解读：

BG的负载：FT-IR谱图

与DC-MA相比，BG在800 cm^-1处存在特征吸收峰，复合后的DC-MA+BG中同样出现了此吸收峰，证明了BG已被成功载入到凝胶中。

CHDA的负载：UV-Vis谱图

DC-MA+CHDA中出现了CHDA的紫外特征吸收峰（~300 nm），证明CHDA已被成功载入到凝胶中。

案例二

Nature Communications：多巴胺功能化肟交联PEG水凝胶预防术后心脏粘连

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-24104-w

01

课题设计分析：

本课题为典型的基于醛基与氨基间席夫碱反应的双组份水凝胶。

🔺【醛基部分】

主要由醛基化八臂PEG构成，其参与成胶，同时也有较多研究表明醛基与组织上氨基反应提供粘附性。

作者同时在该部分加入多巴胺修饰的八臂PEG，提供良好的组织粘附性。

🔺【氨基部分】

此部分由氨基化八臂PEG构成，其与醛基化八臂PEG发生席夫碱反应交联成胶。

02

核磁表征合成结果

图3 Ald-8PEG/AO-8PEG/Cat-8PEG的核磁谱图

🔺¹H NMR图谱解读：

Ald-8PEG：

化学位移7.95ppm、8.24ppm及10.11ppm（A图中a/b/c）处质子峰的出现表明苯甲醛基团的修饰成功；

AO-8PEG：

化学位移3.86ppm（B图中a）处质子峰的出现表明-O-NH₂的成功接枝。

Cat-8PEG：

化学位移6.40ppm、6.54ppm及6.59ppm（C图中a/b/c）处质子峰的出现表明多巴胺粘附基团的成功接枝。

进一步的，通过HNMR图，由各活性官能团的积分面积，研究者可计算得到Ald-8PEG的接枝率为97%、AO-8PEG的接枝率为83%，Cat-8PEG的接枝率为74%。

然而，由于PEG衍生物较强的吸湿性，在利用核磁计算Cat-8PEG接枝率时，水分会使结果偏低，研究人员又用UV-Vis光谱法进行补充测定。

03

紫外法补充测定Cat-8PEG接枝率

由于多巴胺的儿茶酚基团氧化为醌式结构后（Waite和Benetict开发的比色DOPA测定法），其在500nm处有较强的光谱吸收峰，进而可建立目标产物与浓度的线性关系。

图4 用于量化儿茶酚接枝率的标准曲线

🔺UV-Vis图谱解读：

首先建立儿茶酚吸光度与浓度的线性，然后依靠该标准曲线通过一些列计算得到Cat-8PEG中儿茶酚基团的接枝率为81%。

综上，关于Cat-8PEG接枝率的表征，核磁法为74%，UV-Vis法为81%。由此可见，当一种方法在定量测试方面存在不足时，需要选择更合理的检测手段。

EFL小贴士

每种测试技术都有自己的特点和局限性，不同的测试目的和样品性质需要对应合适的测试方法。研究者首先需要了解基本检测手段的测试原理及适用点，然后结合材料属性，制定合适、合理的表征方案。当然，最核心的是这些测试结果想要说明什么问题。

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