聚乙烯醇水凝胶及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种聚乙烯醇水凝胶及其制备方法和应用，属于高分子水凝胶领域。

背景技术：

聚乙烯醇水凝胶在化学性质上不活泼，无毒性，生物相容性好，机械性能优良，吸水量高，并易于加工成型，广泛应用于农林、医药、日用化工、环保以及沙漠防治等各个领域。

目前，制备聚乙烯醇水凝胶可以采用物理交联、化学交联或辐射交联的方法，使其形成水不溶性的凝胶。其中物理交联的方法，即通过将聚乙烯醇溶液进行冷冻-解冻，多次冻融的方式，使聚乙烯醇发生物理交联形成凝胶。

然而，物理交联法存在以下缺陷：

1、采用物理交联法，需要多次冻融；一般冷冻时间为24h，解冻时间为2-12h，所以冻融一次的时间至少为26h，而整个过程多次冻融一般需要80h。

2、采用物理交联的方式，形成的不溶于水的水凝胶是可逆的，在一定条件下容易复溶于水，不稳定；物理交联的水凝胶强度很差，很容易破损。

技术实现要素：

针对上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种聚乙烯醇水凝胶的制备方法，该方法简便易行，用时少，生产成本较低。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种聚乙烯醇水凝胶的制备方法，具体为：将聚乙烯醇与有机溶剂在110℃～145℃下加热溶解制得聚乙烯醇溶液，然后将所得聚乙烯醇溶液静置自然冷却至室温即可形成具有凝胶结构的聚乙烯醇，最后将具有凝胶结构的聚乙烯醇去除有机溶剂后即制得聚乙烯醇水凝胶；其中，所述有机溶剂为二甲基亚砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的共混溶剂，二甲基亚砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的体积比为0.25～1；所得聚乙烯醇溶液的质量浓度为10～30％。

进一步，所述有机溶剂中，二甲基亚砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的体积比为：2:8、3:7、4:6或5:5。

进一步，具有凝胶结构的聚乙烯醇去除有机溶剂前先在室温下静置4～6h使凝胶结构充分交联。

进一步，聚乙烯醇溶液自然冷却前除去其中的微小气泡，优选采用超声震荡的方法除去气泡，超声震荡10～30分钟。

进一步，上述方法中，在聚乙烯醇和有机溶剂中还加入调控聚乙烯醇水凝胶力学性能、生物相容性、降解性能及其他性能的改性剂；所述改性剂与聚乙烯醇的质量比为：1～60：99～40。

优选的，所述改性剂选自：聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙二醇(PEG)或聚己内酯(PCL)中的至少一种。

进一步，具有凝胶结构的聚乙烯醇采用在水中浸泡的方式去除有机溶剂，浸泡时间24～48h。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种聚乙烯醇水凝胶，其采用上述方法制备得到。

本发明要解决的第三个技术问题是提供一种聚乙烯醇水凝胶微管的制备方法，包括如下步骤：

1)制备聚乙烯醇溶液：聚乙烯醇与有机溶剂在110℃～145℃下加热溶解制得聚乙烯醇溶液，所述有机溶剂为二甲基亚砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的共混溶剂，二甲基亚砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的体积比为0.25～1；所得聚乙烯醇溶液的质量浓度为10～30％；

2)制备微管：将步骤1)所得聚乙烯醇溶液浇铸进入模具内，静置冷却至室温形成具有凝胶结构的聚乙烯醇微管，然后使用溶液萃取法去除其中的有机溶剂；

所述模具包括：模具体、模芯；所述模具体具有圆柱形通腔，所述圆柱形通腔两端均设置有同心固定装置，所述模芯两端分别与同心固定装置连接，所述模芯通过同心固定装置固定在圆柱形通腔内，且与圆柱形通腔同轴。

进一步的，步骤1)中，为保障微管的均匀无气泡，聚乙烯醇溶液配制完成后需进行超声震荡10～30分钟。

进一步，步骤1)中，在聚乙烯醇中还加入调控聚乙烯醇水凝胶微管力学性能、生物相容性、降解性能及其他性能的改性剂；所述改性剂与聚乙烯醇的质量比为：1～60：99～40。

优选的，步骤1)中，在聚乙烯醇中加入聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙二醇(PEG)或聚己内酯(PCL)中的至少一种。

进一步，步骤2)中，聚乙烯醇微管在去除有机溶剂前于室温下静置4～6h以保证凝胶充分交联。

进一步，步骤2)中，所述溶液萃取法为：将聚乙烯醇水凝胶微管于去离子水中浸泡24～36h，每4～6小时更换去离子水；优选的可采用辅助加热的方式加快萃取过程，加热温度在60～70℃(优选为65℃)范围内。

本发明要解决的第四个技术问题是提供一种聚乙烯醇水凝胶微管，其采用上述方法制得。

本发明要解决的第五个技术问题是提供上述聚乙烯醇水凝胶微管在人造血管中的应用，所述聚乙烯醇水凝胶微管的直径在1～6mm内可任意调节，并且微管的壁厚可控。

本发明的有益效果：

本发明提供一种聚乙烯醇水凝胶的制备方法，本发明在制备聚乙烯醇溶液时，采用了恰当配比的DMSO和DMF混合液作为溶剂，使所得聚乙烯溶液无需经过冷冻-解冻的反复循环过程，只需通过静置自然冷却的方式即可制得聚乙烯醇水凝胶，并且所得聚乙烯醇水凝胶具有优异的机械强度。本发明制备聚乙烯醇水凝胶的方法较传统物理交联法用时短，凝胶成型过程只需8小时左右，工艺简便易行。

此外，本发明还可进一步制备聚乙烯醇水凝胶微管，能够实现水凝胶微管的浇铸成型，相对于传统的挤出成型，能够有效保证微管尺寸的可控性，提高微管制品尺寸的精确度；凝胶成型过程简单，降低了生产成本；同时由于模具加工的便捷性，可制得多种微小尺寸的圆管制品，并能保证圆管壁厚的均匀性。

另外，聚乙烯醇(PVA)是一种生物相容性材料，用此种材料制作的生物体水凝胶微血管基体不会造成机体的免疫排斥反应。本发明制得的聚乙烯醇水凝胶微管其内直径尺寸在1～6mm范围内可任意定制调节，并且壁厚可控，从而为后期微血管制备提供了基体材料支持，为改善血管功能性(如添加不同生物相容性基团改善血管对组织的刺激作用从而造成不同的基因表达)提供材料支撑。

附图说明

图1为实施例1～3所得聚乙烯醇水凝胶的拉伸强度图，图中4-6表示4:6，3-7表示3:7,5-5表示5:5。

图2为实施例1～3所得聚乙烯醇水凝胶的断裂伸长率图，图中4-6表示4:6，3-7表示3:7,5-5表示5:5。

图3为实施例1～3所得聚乙烯醇水凝胶的流变温度扫描曲线。

图4是本发明实施例4～6中制备聚乙烯醇水凝胶微管中使用的模具结构示意图。

具体实施方式

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种聚乙烯醇水凝胶的制备方法，具体为：将聚乙烯醇与有机溶剂在110℃～145℃下加热溶解制得聚乙烯醇溶液，然后将所得聚乙烯醇溶液静置自然冷却至室温即可形成具有凝胶结构的聚乙烯醇，最后将具有凝胶结构的聚乙烯醇去除有机溶剂后即制得聚乙烯醇水凝胶；其中，所述有机溶剂为二甲基亚砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的共混溶剂，二甲基亚砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的体积比为0.25～1；所得聚乙烯醇溶液的质量浓度为10～30％。

本发明中，当聚乙烯醇浓度小于10％时，所形成凝胶结构力学性能差，无实用价值；聚乙烯醇浓度大于30％时溶剂溶解法配置溶液实施困难。

所述加热方式为油浴或烘箱加热。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种聚乙烯醇水凝胶，其采用上述方法制备得到。

本发明要解决的第三个技术问题是提供一种聚乙烯醇水凝胶微管的制备方法，包括如下步骤：

1)制备聚乙烯醇溶液：聚乙烯醇与有机溶剂在110℃～145℃下加热溶解制得聚乙烯醇溶液，所述有机溶剂为二甲基亚砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的共混溶剂，二甲基亚砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的体积比为0.25～1；所得聚乙烯醇溶液的质量浓度为10～30％；

2)制备微管：将步骤1)所得聚乙烯醇溶液浇铸进入模具内，静置冷却至室温形成具有凝胶结构的聚乙烯醇微管，然后使用溶液萃取法去除其中的有机溶剂；

所述模具包括：模具体1、模芯2；所述模具体1具有圆柱形通腔，所述圆柱形通腔两端均设置有同心固定装置3，所述模芯2两端分别与同心固定装置3连接，所述模芯2通过同心固定装置3固定在圆柱形通腔内，且与圆柱形通腔同轴。

本发明中，为了制备直径在1～5mm内的聚乙烯醇微管，所述模具体1的内直径为2～6mm范围内任意尺寸，壁厚为2mm及以上尺寸，材料为石英玻璃、抛光不锈钢材料及其他硬质材料；所述模芯的外直径为1～5mm范围内任意尺寸，材料为石英玻璃、抛光不锈钢材料及其他硬质材料；模芯嵌套进模具体之中并由同心固定装置3固定，保证模芯2与模具体1为同心圆管嵌套装置；所述同心固定装置3为台阶状，各段内尺寸根据模具体1及模芯2特殊设计，材料为抛光不锈钢或其他硬质材料；同心固定装置3保证了模具体1与模芯2为同心嵌套装置，保证了微管壁厚的均匀性。

进一步，步骤2)中聚乙烯醇凝胶微管使用溶液萃取法去除有机溶剂，具体实施方法为：凝胶浸泡进去离子水中24～36h，每4～6小时更换去离子水，可采用辅助加热的方式加快萃取过程，加热温度在60～70℃(优选为65℃)范围内。

进一步的，为保障微管的均匀无气泡，聚乙烯醇溶液配制完成后需进行超声震荡10～30分钟。

进一步，步骤1)中，在聚乙烯醇中还加入调控聚乙烯醇水凝胶微管力学性能、生物相容性、降解性能及其他性能的改性剂；所述改性剂与聚乙烯醇的质量比为：1～60：99～40。

优选的，步骤1)中，在聚乙烯醇中加入聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙二醇(PEG)或聚己内酯(PCL)中的至少一种。

进一步，步骤2)中，聚乙烯醇微管于室温下静置4～6h以保证凝胶充分交联。

本发明要解决的第四个技术问题是提供一种聚乙烯醇水凝胶微管，其采用上述方法制得。

采用本发明方法制备得到的聚乙烯醇凝胶具有很好的可塑性，可根据实际需要设计不同尺寸的模具从而得到不同直径的聚乙醇水凝胶微管

本发明要解决的第五个技术问题是提供上述聚乙烯醇水凝胶微管在人造血管中的应用，所述聚乙烯醇水凝胶微管的直径在1～6mm内可任意调节，并且微管的壁厚可控。

本发明采用二甲基亚砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)溶液配比为2:8，3:7，4:6，5:5及其他比例，配置聚乙烯醇所占质量分数比例为10％及以上比例溶液加热至110～145℃，溶解聚乙烯醇(PVA)；然后超声震荡除去溶液内微小气泡，静置自然冷却至室温即可形成凝胶结构。另外，本发明还可在聚乙烯醇中掺杂调控聚乙烯醇基水凝胶力学性能、生物相容性、降解性能及其他改性成分，如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙二醇(PEG)、聚己内酯(PCL)等一种或几种混合物；从而制得聚乙烯醇基水凝胶。

下面结合具体实施例对本发明进一步说明。

实施例1聚乙烯醇水凝胶的制备

称量11克聚乙烯醇(PVA)，60摄氏度干燥24小时，称量35.20克DMSO、45.48克DMF(DMSO与DMF体积比为4:6)，瓶子进行密封处理，放置进入温度为130度的烘箱内(或油浴锅内)加热至PVA完全溶解，磁力搅拌器搅拌使PVA溶解均匀制得PVA溶液；将PVA溶液静置自然冷却至室温，室温下静置6h以保证PVA凝胶的充分交联。采用溶剂萃取的方法去除PVA凝胶内的有机溶剂：将制得的PVA凝胶浸泡进去离子水中，每6小时更换去离子水，循环4-6次。制备PVA凝胶标准拉伸样条进行了拉伸测试，并进行了流变性能测试，以表征PVA凝胶的力学性能和热稳定性。

实施例2聚乙烯醇水凝胶的制备

称量10.84克聚乙烯醇(PVA)，60摄氏度干燥24小时，称量26.4克DMSO、53.06克DMF(DMSO与DMF体积比为3:7)，瓶子进行密封处理，放置进入温度为130度的烘箱内(或油浴锅内)加热至PVA完全溶解，磁力搅拌器搅拌使PVA溶解均匀制得PVA溶液；将PVA溶液静置自然冷却至室温，室温下静置6h以保证PVA凝胶的充分交联。采用溶剂萃取的方法去除PVA凝胶内的有机溶剂：将制得的PVA凝胶浸泡进去离子水中，每6小时更换去离子水，循环4-6次。制备PVA凝胶标准拉伸样条进行了拉伸测试，并进行了流变性能测试，以表征PVA凝胶的力学性能和热稳定性。

实施例3聚乙烯醇水凝胶的制备

称量11.17克聚乙烯醇(PVA)，60摄氏度干燥24小时，称量44.00克DMSO、37.90克DMF(DMSO与DMF体积比为5:5)，瓶子进行密封处理，放置进入温度为130度的烘箱内(或油浴锅内)加热至PVA完全溶解，磁力搅拌器搅拌使PVA溶解均匀制得PVA溶液；将PVA溶液静置自然冷却至室温，室温下静置6h以保证PVA凝胶的充分交联。采用溶剂萃取的方法去除PVA凝胶内的有机溶剂，将制得的PVA凝胶浸泡进去离子水中，每6小时更换去离子水，循环4-6次。制备PVA凝胶标准拉伸样条进行了拉伸测试，并进行了流变学测试，以表征PVA凝胶的力学性能和热稳定性。

实施例1-3所得PVA凝胶力学性能实验结果如图1(拉伸强度)、图2(断裂伸长率)所示，流变温度扫描实验结果如图3所示；由图1可知，其中当溶剂比例为4:6时制备的凝胶具有较好的力学性能，平均强度为1.143Mpa，标准差为0.177Mpa；由图2可知，各组分溶剂比例制得的PVA凝胶断裂伸长率均在500％以上；由图3可知流变学测试表明在65℃范围内凝胶能保持稳定的交联结构。

实施例4聚乙烯醇水凝胶微管的制备

称量11克聚乙烯醇(PVA)，60摄氏度干燥24小时，称量35.2克DMSO、45.48克DMF(DMSO与DMF体积比为4:6)，瓶子进行密封处理，放置进入温度为130度的烘箱内(或油浴锅内)加热至PVA完全溶解，磁力搅拌器搅拌使PVA溶解均匀，超声震荡祛除溶液内气泡，使用一次性注射器将溶液注射进一端装配的模具内，溶液完全填充后装配另一端的同心固定模块；室温下使模具及高温溶液自然冷却，室温下静置6h以保证PVA凝胶的充分交联；取出PVA凝胶微管，将微管浸泡入去离子水中36小时(壁厚不同浸泡时间有所差别)使用溶液萃取方法除去有机溶剂，浸泡过程中每隔6小时更换去离子水，辅助手段可采用超声震荡，升温等方法加快萃取过程。

实施例5

称量11克聚乙烯醇(PVA)，5.5克聚偏氟乙烯(PVDF),60摄氏度干燥24小时，称量35.2克DMSO、45.48克DMF(DMSO与DMF体积比为4:6)，瓶子进行密封处理，放置进入设置温度为130度的烘箱内(或油浴锅内)加热至PVA及PVDF完全溶解，磁力搅拌器搅拌使PVA及PVDF溶解均匀，超声震荡祛除溶液内气泡，使用一次性注射器将溶液注射进一端装配的模具内，溶液完全填充后装配另一端的同心固定模块。室温下使模具及高温溶液自然冷却，室温下静置6h以保证PVA凝胶的充分交联。取出PVA及PVDF混合基体凝胶微管，将微管浸泡入去离子水中36小时(壁厚不同浸泡时间有所差别)使用溶液萃取方法除去有机溶剂，浸泡过程中每隔6小时更换去离子水，辅助手段可采用超声震荡，升温等方法加快萃取过程。

实施例6

称量11克聚乙烯醇(PVA)，5.5克聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),60摄氏度干燥24小时，称量35.2克DMSO、45.48克DMF(DMSO与DMF体积比为4:6)，瓶子进行密封处理，放置进入设置温度为130度的烘箱内(或油浴锅内)加热至PVA及PMMA完全溶解，磁力搅拌器搅拌使PVA及PMMA溶解均匀，超声震荡祛除溶液内气泡，使用一次性注射器将溶液注射进一端装配的模具内，溶液完全填充后装配另一端的同心固定模块。室温下使模具及高温溶液自然冷却，室温下静置6h以保证PVA凝胶的充分交联。取出PVA及PMMA混合基体凝胶微管，将微管浸泡入去离子水中36小时(壁厚不同浸泡时间有所差别)使用溶液萃取方法除去有机溶剂，浸泡过程中每隔6小时更换去离子水，辅助手段可采用超声震荡，升温等方法加快萃取过程。

上述实例中PVA为白色絮状物；PVDF为白色粉末状固体；PMMA为无色透明颗粒状固体。上述实例中采用的凝胶体系为纯PVA基体及掺杂调控凝胶性能的PVDF及PMMA高分子聚合物混合凝胶基体，调控聚乙烯醇基水凝胶力学性能、生物相容性、降解性能及其他改性成分，如聚乳酸(PLA)、聚乙二醇(PEG)、聚己内酯(PCL)等一种或几种混合物凝胶基体同样落入本发明使用凝胶基体保护范畴。

上述实例中采用的模具体1内直径为2～6mm范围内任意尺寸，模芯2为外直径1～5mm范围内任意尺寸，同心固定装置3为与之相配套的同心固定装配件。与本装置外观类似的其他尺寸模具同样在本发明保护范畴。

为了便于浇铸微管产品成型后，成品的脱模，模具体1内壁及模芯2外表面需进行抛光处理，模具体1及模芯2材料选择可使用不锈钢及其他硬质材料，为满足表面光洁度要求，优先使用石英玻璃作为模具体1及模芯2材料。