PVA水凝胶制备，改性及在生物医学工程中的进展 |
| 2012-06-12 11:28 作者：李一凡 刘 捷 李政 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑：GuiGu 【搜索试试】
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摘要：聚乙烯醇（PVA）水凝胶由于良好的理化和生物性能，在近几十年里得到极大的发展。就PVA水凝胶的制备、改性、及应用进行介绍。其中重点综述水凝胶的“反复冷冻解冻”法的制备，与生物大分子明胶的共混改性，和在生物医学工程方面的研究应用。
关键词：聚乙烯醇水凝胶；制备；改性；应用
中图分类号：R318.08文献标识码：A文章编号：1671—7597（2012）0410
【《硅谷》杂志2012年4月下刊文】
0前言
聚乙烯醇（PVA）是由醋酸乙烯酯经过醇解，水解或氨解而得到的水溶性高聚物。PVA水凝胶是线性高分子通过交联形成三维网状结构，再经过大量溶剂溶胀形成的一种胶态物质。PVA水凝胶由于具有低毒性，吸水量高，机械性能优良（高弹性模量和高机械强度）以及生物相容性[1]好等优点，在生物医药，食品工业，渔林业等方面备受瞩目。本文简述了PVA水凝胶的制备方法、改性研究及应用，同时详细介绍了PVA水凝胶“反复冷冻解冻法”的机制、特点，与生物大分子明胶的共混改性及在生物医药方面的应用[2-7]。
1PVA水凝胶的制备
PVA水凝胶的合成根据交联机制可以分为物理交联法，化学交联法和辐射交联法三种。物理交联目前报导中使用最多的是“反复冷冻解冻法”[8-9]和“冻结部分脱水法”[10-11]通过物理交联得到的水凝胶物理机械性能有很大的改善，交联过程可逆，但是透光性不好。可通过改变溶剂类型或使用混合溶剂等方法来改善。日本Hyon[12]等人用水和DMSO有机溶剂，通过冷冻处理得到透光率高的PVA水凝胶。化学交联主要采用化学交联剂，通过共价键或配位键的作用使PVA分子链之间形成凝胶。通过化学交联制得的水凝胶，保水性和某些力学强度有一定提高，但是透明性不好且含水量不高。辐射交联主要是利用γ射线、电子束、X光及紫外线等直接辐射PVA水溶液，或辐射用物理交联法制成的PVA水凝胶。经辐射制得的水凝胶因不需要添加任何添加剂，所以PVA纯度高，光学透明性好，但力学强度不高，抗蠕变性差，同时强烈的反应条件常常造成某些优异性能的损失。将辐射交联制得的PVA水凝胶经一定的物理处理过程可以使凝胶部分结晶化，从而提高了机械强度[13]。
2“反复冷冻解冻法”PVA水凝胶成胶机制及性能特点
2.1“反复冷冻解冻法”PVA水凝胶成胶机制
此法是将一定浓度的PVA水溶液浇铸于模具中，在-10℃~-40℃的条件下冷冻成型。时间为一天左右。然后将试样在室温下放置1~2小时融化，上述冷冻，解冻过程反复数次（一般为三到五次），可以得到弹性好，具有一定的机械强度、不透明的水凝胶。
此法的成胶机制目前比较成熟的有以下两点[14]：1）凝胶化是网络形成的结果且在凝胶化初始阶段形成高分子聚集区和非聚集区。2）凝胶在水溶液中形成首先是高分子氢键的作用。
这种物理交联所制备的水凝胶是分子链间通过氢键和微晶区等物理交联点形成的三维网络结构。当PVA溶液冷冻处理时，分子链运动减弱，链之间的接触时间变长，链之间的距离缩短，有利于分子链上的羟基间形成氢键缔合，同时PVA在低温下结晶作用，促使了物理网络交联点的形成，使形成了完善程度不一的结晶结构。柳明珠[15]等认为当在室温下解冻时，由于交联点仍然稳定，所以该凝胶不会溶解。当反复冷冻处理后，少量可以活动的链段及未交联的分子链进一步交联，使得结晶结构不断完善，进而形成不溶于水的凝胶。Willcox[16]研究表明：链段中微晶的形成，多数由第一次的冷冻解冻中决定。编排链段成3~8纳米的间距，被分隔与平均距离为30纳米的不规则的网格中。
2.2“反复冷冻解冻法”PVA水凝胶成型条件及特点
“反复冷冻解冻”法制备的水凝胶具有高强度高弹性，含水率也较高。凝胶的成型条件取决于PVA的分子量，浓度，冷冻条件、解冻条件及循环次数。潘育松[17]等人研究表明：此方法制备的PVA水凝胶的拉伸强度和拉伸模量随凝胶的浓度和冷冻解冻次数的增加而增大。最高拉伸强度可达2.27MPa。但当浓度大于20%时，溶液粘度较大，分子量较大时影响微晶的形成显著。所以常用浓度在7%~15%之间[18]。冷冻温度不仅影响冷冻动力学而且影响界面间相平衡。冷冻温度一般在低于-10℃下进行。我们实验发现，15%的PVA溶液在-20℃下具有好的物理及力学性能，所以-20℃是常用的冷冻温度。此方法制备的PVA水凝胶不使用有毒性的有机交联剂，保持了良好的生物相容性，属于可逆性水凝胶，随着环境参数的变化，可以使物理交联点改变，还可以被溶解。因为方法简单，所制水凝胶与化学交联无明显差别，因此近年来备受亲睐，在许多领域，极具开发潜力。
3PVA水凝胶的改性方法及与明胶复合的研究
3.1PVA水凝胶常用的改性方法
PVA水凝胶常用的改性方法有：1）化学改性法：通过接枝等化学方法，改变PVA分子链的化学结构，或把水凝胶接枝到具有一定强度的载体上。如将利用苯酐或琥珀酸酐与PVA酯化，可得到侧链含有羧基的PVA。这种PVA还可以与双官能团的化合物如芳香族二环氧甘油醚反应，得到交联的PVA。这种立体网络结构使PVA薄膜的化学稳定性和选择性提高[19]。2）物理共混法：利用高分子链间分子间作用力形成分子聚集体，从而制备出性能优良的复合体系。但复合的材料要有良好的互溶性。例如董彦博[20]等以丙三醇为增塑剂，加入一定量的淀粉，对PVA膜进行了改性，研究表明，加入淀粉后薄膜的水溶性得到很大改善。3）与无机填料或有机小分子复合：其中无机填料包括生物活性陶瓷颗粒，如磷酸三钙，生物活性玻璃等。不仅保持了生物活性，同时提高了力学性能。有机小分子经常用复合润滑剂，来降低PVA水凝胶的摩擦系数，改善摩擦性能。4）与生物活性分子的复合：一般通过生物活性分子的水溶液或悬浮液同PVA溶液共混，制得成型凝胶或用生物活性分子的溶液淋洗水凝胶，让生物活性分子扩散进去。常用的生物活性分子有胶原质，透明质酸盐、纤维素、壳聚糖，海藻酸盐等。
3.2PVA水凝胶与明胶复合研究
胶原是最丰富的哺乳动物蛋白质，明胶是胶原降解的产物。降解后的明胶仍然保持着胶原的某些构想与属性。明胶具有良好的生物亲和性，是天然的聚合物，没有抗原性，在体内能完全吸收[21-22]。同时有大量的功能基团可被交联，理化性质可调。明胶随温度升高或降低具有溶胶与凝胶的可逆转化的优良特性，但未交联的明胶膜易溶于水、硬脆，力学性能差。因此可与PVA水凝胶共混改性，得到理化及生物性能优良的复合物。因明胶廉价易得，因此PVA水凝胶与明胶的复合研究，尤其在生物医药方面具有巨大的实际生产意义。
目前报导的PVA水凝胶与明胶复合的方法有是将一定量的明胶加热溶解，加入到一定浓度的PVA水溶液中，将两种溶液按一定比例混合，浇铸到模具中，反复冷冻成型，解冻，制得复合水凝胶。我们通过实验得出：当总浓度为15%的混合溶液制得的复合膜中，当PVA和明胶的质量比低于1:1时，明胶溶解，不能形成复合膜。用扫描电镜观察膜表面形貌，当PVA：明胶质量为4:1时，膜表面有呈海岛结构的微小颗粒不均匀分布。说明两者的相容性差。当质量比达到9:1时，共混膜中颗粒消失，达到互容[23]。这是由于当PVA含量过低，明胶含量过高时，网络交联是以明胶间的相互作用为主，PVA只起到填充剂的作用。所以明胶PVA之间无法形成整体。尤春[24]等通过实验得出：PVA与明胶质量比为6:1的水凝胶具有较大的拉伸强度和断裂伸长率，9:1的拉伸强度与断裂伸长率比6:1的小，但略大于纯PVA水凝胶膜。同时根据公式，溶胀度=[(mt-md)]\md×100%，其中mt是t时刻的凝胶质量，md是干凝胶质量，随着PVA与明胶比例的增大而减小。9:1配比时具有小的溶胀度，表现好的稳定性。
4PVA水凝胶在生物医学领域的应用
作为生物医用高分子材料，应该具备无毒性，良好的生物相容性，可降解性及可加工性等一系列特点。而PVA水凝胶的优良特性基本上符合生物医用高分子的要求[25]。所以PVA被广泛应用于药物缓释载体及微胶囊[26-28]、伤口敷料、人工器官组织及智能材料等领域。
4.1药物缓释载体及微胶囊
将PVA水凝胶作为药物载体，与小分子药物以结合健的形式相联，或者将凝胶做成微胶囊，将小分子药物包埋。通过这种方法，可避免药物服后很快被吸收，使药物释放时间得到较大的延长，增加了药物的稳定性，较少了药物的用量。实现了药物控制缓释技术。Takamura[29]等通过乳液法将PVA溶液分散，通过冷冻解冻法制备成微球，研究表明，两者在PVA中的释放均属于零级释放，即理想模式的释放。
4.2在伤口敷料方面的应用[30]
传统纱布敷料虽然用途广泛，但是由于吸液量小，需经常更换，与伤口粘连等缺点，应用存在许多弊端。而PVA水凝胶由于优异的性能，如可吸收大量渗液而不与伤口粘连，减少了细菌滋生的机会，对水和氧气通透性好，不容易引起伤口感染，对皮肤无刺激等，接近理想敷料[31--32]。YoshiiF.SaitoJ.[33]等用辐照法均制出了理想的PVA水凝胶的伤口敷料。
4.3人工器官组织
PVA水凝胶在人工关节、人造肌肉、人工玻璃体、人工角膜、虹膜等方面均有涉及[34]。Cha[35]等利用水和DMSO为溶剂，通过冷冻解冻方法制备出PVA水凝胶。这种水凝胶能够降低对蛋白质的吸收，在人造角膜方面有潜在的价值。临床上关节软骨的治疗主要是软骨代替[36-38]，但软骨移植供体有限，李海东[39]等通过物理交联方法对普通PVA水凝胶改性，制得医用软骨材料。
4.4智能材料
智能型水凝胶只对环境的细微变化或刺激能做做出及时响应[40~41]。如温度，PH值，电场、压强等。因此可以用作传感器，制动器等。例如温敏性水凝胶可以感应环境温度的变化，改变溶胀----收缩状态来控制药物的释放[42]。近年来比较受关注的形状记忆材料，就可有PVA水凝胶制得，用于包装、管道等传动装置中
5结束语
PVA水凝胶由于众多良好的理化性能，有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。但同时也必须加强对PVA水凝胶的更加深入的研究，尤其是水凝胶的结构设计与调控、生物效应、力学强度等方面仍然需要进一步突破，真正降低生产成本，使PVA水凝胶能早日取得大规模生产。
参考文献：
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