摘要：本研究采用扫描电化学显微镜技术，系统表征了不同网格尺寸光聚合聚乙二醇（PEG）水凝胶的分子传输特性。实验通过调控光聚合前溶液中PEG二丙烯酸酯大分子单体的分子量（508 Da或3000 Da）及其质量百分比（20%、40%或60%），制备了系列水凝胶体系。基于

光聚合聚乙二醇（PEG）水凝胶扫描电化学显微镜（SECM）表征‌‌

2010 年Polymer

摘要：

本研究采用扫描电化学显微镜技术，系统表征了不同网格尺寸光聚合聚乙二醇（PEG）水凝胶的分子传输特性。实验通过调控光聚合前溶液中PEG二丙烯酸酯大分子单体的分子量（508 Da或3000 Da）及其质量百分比（20%、40%或60%），制备了系列水凝胶体系。基于溶胀平衡测定与热力学模型估算，水凝胶网格尺寸呈现显著差异：60% PEG 508凝胶约为10埃，而20% PEG 3000凝胶可达约100埃。通过铂微电极氧化检测电化学活性示踪分子二茂铁甲醇发现，特定水凝胶的多组趋近曲线均显示电流与探针距离的稳定响应关系。电化学法测得的扩散系数变化趋势与基于网格尺寸的理论预测一致，其扩散速率为水溶液中的25%-80%。作为概念验证，该技术成功实现了具有复杂拓扑结构的细胞支架水凝胶表面形貌的精准测绘。

2.1 PEG水凝胶制备‌

‌PEGDA合成与纯化‌

聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）508为市售商品，而PEGDA 3000通过以下方法合成：将PEG 3000溶于含三乙胺的冰浴二氯甲烷溶液中（三乙胺与PEG摩尔比3:1），缓慢滴加经二氯甲烷稀释10倍的丙烯酰氯（丙烯酰氯与PEG摩尔比2.5:1）。滴加完毕后，室温反应过夜。产物经冷乙醚沉淀分离、48 h干燥后，于氩气保护下4 °C储存，并通过质子核磁共振波谱法确认化学结构。

‌水凝胶前驱体制备‌

• ‌PEG 508水凝胶‌：将PEGDA 508与41%乙二醇/59%水（体积比）混合；

• ‌PEG 3000水凝胶‌：将PEGDA 3000与去离子水混合。

光引发剂2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮溶于1-乙烯基-2-吡咯烷酮（终浓度500 mg/mL），按1.5%（质量比）加入大分子单体溶液中。将混合液注入由载玻片和垫片组成的模具（凝胶厚度0.76 mm），在365 nm紫外光（8 mW/cm²）下光聚合8 min。研究浓度包括20%、40%、60%（共6种配方）。所得凝胶经水浸24 h（多次换液）后，冲切为直径10 mm圆片，储存于水中备用。

‌电化学测试样品处理‌

取直径10 mm水凝胶去除表面水分，浸入含电活性探针（0.001 mol/L二茂铁甲醇+0.1 mol/L KCl）的10 mL电解液中至少96 h（多次换液）。将凝胶固定于聚碳酸酯池中（上下边缘涂真空脂），确保上下表面均接触电解液（SECM测试条件详见2.2节）。所有溶液均采用去离子水配制。

‌多孔水凝胶制备与表征‌

将未交联聚甲基丙烯酸甲酯微球（150-180 μm）筛分后置入模具，经两次20 min超声处理，140 °C烧结19 h。分步注入40% PEG 508水凝胶前驱体溶液并光聚合。脱模后，用1:1丙酮/二氯甲烷混合溶剂溶解微球约48 h（三次换液）。所得多孔凝胶水化后冲切为直径10 mm圆片，经SECM表征（条件见2.2节）后，浸泡于70%乙醇/水溶液过夜，室温真空（约16.7 kPa）干燥2 h，最后以1.5 keV加速电压进行扫描电镜（SEM）观察。

3.3 多孔水凝胶支架的形貌表征‌

多孔PEG水凝胶（Porous PEG hydrogels）通过多种模板策略被开发为细胞支架40,41。本研究对多孔支架的顶部表面进行了分析，其孔洞结构源于球形模板的融合区域，孔径约为模板球体直径的25%，42。图5a的大面积扫描图像通过在水凝胶表面上方使用半径为5 μm的微电极获取。在多孔区域上方，由于微电极对孔洞底部不敏感，电流趋近极限值；但图像清晰显示了单个孔口的规则性及其六边形间距分布，表明其基于密堆积球体模板制备。图中上方方框标记了可能覆盖孔洞的凝胶本体区域，下方方框则标注了部分开放的孔洞。此类图像为后续在截面多孔支架上定位微电极以成像细胞（研究正在进行中）提供了可行性依据。此外，孔径更小的水凝胶（未展示）因孔间距不规则且部分孔道内残留气泡，成像复杂度显著增加。

图5b中的扫描电子显微镜（SEM）图像‌‌显示水凝胶经干燥处理后，孔间裂纹由真空干燥过程导致‌。通过此类图像可分析孔洞的长程有序性，并偶见孔底及相邻孔道间的连通结构‌。然而，干燥导致孔口形变，其规整圆度显著低于水合状态‌。此外，孔口尺寸与间距的不均一性，与水合状态下呈现的均一尺寸及六边形有序排列形成对比‌。‌扫描电化学显微镜（SECM）图像‌因此能够提供水合聚合物支架的互补信息，弥补SEM图像的局限性‌。

4. 结论‌：

本研究利用扫描电化学显微镜（SECM）技术，探究了不同网格尺寸光聚合聚乙二醇（PEG）水凝胶的分子传输特性。通过调节光聚合前溶液中PEG二丙烯酸酯大分子单体的分子量及其质量百分比，制备了具有不同结构参数的水凝胶体系。基于溶胀平衡实验估算的网格尺寸，可预测铂微电极氧化检测的二茂铁甲醇分子扩散能力。

SECM趋近曲线成功定位了水凝胶表面，并通过归一化电流值估算了分子在水凝胶内部的扩散系数。实验测得的扩散系数变化趋势与溶胀平衡实验的理论预测一致。趋近曲线展现的稳定电流-距离关系，可进一步用于表征PEG水凝胶支架的拓扑形貌。

Polymer ， Volume 51, Issue 23, 29 October 2010, Pages 5456-5461，Scanning electrochemical microscopy measurements of photopolymerized poly(ethylene glycol) hydrogels☆

Kavita M. Jeerage a,Stephanie M. LaNasa b,Holly A. Hughes b,Damian S. Lauria a,Stephanie J. Bryant b,Andrew J. Slifka a

a

Materials Reliability Division, National Institute of Standards and Technology, 325 Broadway, Boulder, CO 80305, USA

b

Department of Chemical and Biological Engineering, University of Colorado, 424 UCB, Boulder, CO 80309, USA

来源：迪新材料科普南乔