一种高强度取向型聚乙烯醇水凝胶的制备方法及应用与流程

本发明属于智能高分子材料技术领域，涉及一种水凝胶材料，具体涉及一种高强度取向型聚乙烯醇水凝胶的制备方法及应用。

背景技术：

人体软骨是由各向异性的多层次结构组成，这种机制使软骨具备优异的强度、断裂伸长率以及韧性。有文献报道，人体软骨拉伸强度在10mpa以上，应变在200%左右（adv.mater.,2017,29（45）:1703045）。目前，中国骨关节疾病的患者接近4000万，而软骨组织结构特殊，缺乏再生能力，软骨替代或修复材料是解决该疾病的主要手段。由于高分子水凝胶与软骨具有相似的三维网状结构，被誉为最理想的生物医用材料。然而传统水凝胶生物相容性差，强度较低，通常仅能达到kpa级别，在分子及宏观水平上都缺少有序结构，无法满足人工肌肉和软骨、组织工程等生物医学材料领域的要求。

聚乙烯醇（pva）水凝胶因其无毒，且具有良好的生物相容性和可生物降解性等特点已经得到美国食品和药物管理局批准可用于临床。现有传统聚乙烯醇（pva）水凝胶的制备主要有辐射交联、化学交联以及冷冻解冻三种方法。环氧氯丙烷，戊二醛等化学试剂交联所得聚乙烯醇（pva）水凝胶交联结构不可控、强度不高，而且残余化学试剂极难去除，导致生物相容性差。辐射交联和循环冷冻解冻法虽然避免了化学试剂的引入，所得pva水凝胶生物相容性好，但其拉伸强度仅为0.3mpa，伸长率在100%左右（macromolecules,2015,33（7）:2000）。

为提高聚乙烯醇（pva）水凝胶强度，研究者开展了大量工作。例如，中国专利cn108774327a公开了一种高强度聚乙烯醇（pva）水凝胶的制备方法：将pva浸泡在高浓度naoh或lioh水溶液里（如6.0m），但所得聚乙烯醇（pva）水凝胶无法同时兼顾强度和弹性。例如，当拉伸强度超过20mpa时，断裂伸长率仅为40%~50%。此外，苛性强碱的引入会灼伤细胞，破坏pva的生物相容性。中国专利cn106432759a公开了一种提高聚乙烯醇（pva）水凝胶强度的方法：将经过冷冻解冻循环所得pva浸泡在饱和nacl水溶液里，所得聚乙烯醇（pva）水凝胶拉伸强度为2.2mpa，断裂伸长率为800%，其拉伸强度与软骨相比还有不小的差距。中国专利cn108310469a公开了一种提高聚乙烯醇（pva）水凝胶强度的方法：将表面改性的碳纳米材料与pva复合，结合冷冻解冻和拉伸取向策略，所得聚乙烯醇（pva）水凝胶最大拉伸强度为11.5mpa，但断裂伸长率未知。

综上所述，传统聚乙烯醇（pva）水凝胶与软骨相比，虽然二者结构相似，但传统聚乙烯醇（pva）水凝胶在分子及宏观水平上都表现出各向同性结构，力学性能欠佳，难以承受施加于人体的负荷，生物相容性、拉伸强度和断裂伸长率也难以满足严峻的使用条件。另外，现有技术虽然机械性能取得了一定进展，但功能相对单一，缺乏生物功能。这些问题限制了聚乙烯醇（pva）水凝胶在组织工程领域的应用。

因此，制备具有各向异性特性的高强度生物相容性聚乙烯醇（pva）水凝胶，对于拓宽聚乙烯醇（pva）水凝胶在人工肌肉和软骨、组织工程等生物医学材料领域的应用具有重要意义。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的首要目的是提供一种高强度取向型聚乙烯醇（pva）水凝胶，该聚乙烯醇（pva）水凝胶具有各向异性特性、同时还具有很高的拉伸强度、断裂伸长率、抑菌活性、清除自由基功能和良好的生物相容性，拓宽了聚乙烯醇（pva）水凝胶在人工肌肉和软骨、组织工程等生物医学材料领域的应用范围。

本发明的第二个目的是提供一种高强度取向型聚乙烯醇（pva）水凝胶的制备方法，该方法采用冻融循环和预拉伸取向、冷冻干燥、将聚乙烯醇（pva）气凝胶浸泡的三步法制备高强度取向型生物相容性聚乙烯醇（pva）水凝胶。所得聚乙烯醇（pva）水凝胶拉伸强度高达41.0mpa，断裂伸长率228.0%，韧性为49.94mj/m³，能够与软骨媲美。

本发明的第三个目的是提供一种高强度取向型聚乙烯醇（pva）水凝胶的应用。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种高强度取向型聚乙烯醇（pva）水凝胶，其特征在于，所述高强度取向型聚乙烯醇（pva）水凝胶是由聚乙烯醇（pva）粉末加去离子溶解，经过冻融循环和预拉伸取向、冷冻干燥得到聚乙烯醇（pva）气凝胶，然后将所得聚乙烯醇（pva）气凝胶浸泡在具有霍夫曼效应的盐的水溶液或能形成配位键的盐的水溶液或能与聚乙烯醇（pva）之间形成氢键的多羧基化合物水溶液中制备而成，其拉伸强度高达41.0mpa，断裂伸长率高达228.0%，韧性高达49.94mj/m³。

进一步，所述高强度取向型聚乙烯醇（pva）水凝胶具有取向性，同时还具有抑菌、防腐、清除自由基的作用。

进一步，所述具有霍夫曼效应的盐具体为硫酸铵、硫酸钠、氯化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、柠檬酸钠中任意一种或多种的组合。

进一步，所述能形成配位键的盐为铝盐。

优选的，所述铝盐为硫酸铝、硝酸铝、氯化铝中任意一种或多种的组合。

进一步，所述多羧基化合物为柠檬酸、乙二胺四乙酸、单宁酸、聚丙烯酸中任意一种或多种的组合。

本发明还提供了一种上述高强度取向型聚乙烯醇（pva）水凝胶的用途，可用于人工肌肉和软骨、组织工程等生物医学材料领域，可用作人工软骨的替代材料。

本发明还提供了一种上述高强度取向型聚乙烯醇（pva）水凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括以下步骤：

s01.采用冻融循环法制备物理交联聚乙烯醇（pva）水凝胶i；

s02.采用冷冻干燥法制备聚乙烯醇（pva）气凝胶ii；

s03.采用浸泡法将聚乙烯醇（pva）气凝胶ii浸泡在具有霍夫曼效应的盐的水溶液或能形成配位键的盐的水溶液或能与聚乙烯醇（pva）之间形成氢键的多羧基化合物水溶液中制备高强度取向型聚乙烯醇（pva）水凝胶iii。

进一步，所述步骤s01具体为，取聚乙烯醇（pva）粉末1g，加去离子水4ml-19ml，90℃下溶解6h形成均匀的溶液，静置过夜，除氧后迅速转移至模具中；在-40℃—-5℃下放置4h-12h，转移至20℃—35℃放置4h-12h，连续循环2-7次，得物理交联聚乙烯醇（pva）水凝胶i。

进一步，所述步骤s02具体为，将步骤s01所得物理交联聚乙烯醇（pva）水凝胶i预拉伸0%-100%，冷冻干燥除去水凝胶中所含水分，并保持水凝胶的微孔结构；冷冻干燥温度-40℃—-20℃，冷冻干燥时间24h-72h，得到聚乙烯醇（pva）气凝胶ii。

进一步，所述步骤s03具体为，将步骤s02所得聚乙烯醇（pva）气凝胶ii浸泡在0wt%-饱和的具有霍夫曼效应的盐的水溶液中，或者浸泡在能形成配位键的盐的水溶液中，或者浸泡在能够与聚乙烯醇（pva）之间形成氢键的化合物水溶液中0.1h-24h，制得高强度取向型聚乙烯醇（pva）水凝胶iii。

进一步，所述具有霍夫曼效应的盐为硫酸铵、硫酸钠、氯化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、柠檬酸钠中任意一种或多种的组合。

进一步，所述能形成配位键的盐为铝盐，具体为硫酸铝、硝酸铝、氯化铝中任意一种或多种的组合。

进一步，所述多羧基化合物为柠檬酸、乙二胺四乙酸、单宁酸、聚丙烯酸中任意一种或多种的组合。

本发明利用聚乙烯醇（pva）构筑多层次结构取向型水凝胶材料，探索在保持pva水凝胶生物相容性优点的同时，通过控制pva基水凝胶的微观结构、取向结构、交联网络来构筑具有多层次结构的强韧水凝胶材料。本发明采用三步法制备高强度取向型生物相容性聚乙烯醇（pva）水凝胶：1）将冻融循环制成的纯聚乙烯醇（pva）水凝胶通过预拉伸取向，使聚乙烯醇（pva）高分子链间距离变短从而增加分子间相互作用力；2）将上述水凝胶冷冻干燥除去水分制备多孔气凝胶以降低小分子浸泡时的扩散阻力；3）将聚乙烯醇（pva）气凝胶浸泡在硫酸铵、硫酸钠、氯化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、柠檬酸钠，或硫酸铝、硝酸铝、氯化铝，或多羧基化合物如柠檬酸、乙二胺四乙酸、单宁酸、聚丙烯酸等水溶液中使聚乙烯醇（pva）高分子链间距离变短和相互作用力进一步增强。

本发明的有益效果。

（1）本发明方法以水为溶剂，制备方法简单，绿色环保，在材料制备过程中避免使用有毒有害的试剂，同时保证了材料的生物相容性。

（2）本发明结合冻融循环、定向拉伸和霍夫曼效应或配位效应或氢键效应增强pva分子间的相互作用力和取向程度，进一步显著提升其机械性能（强度，断裂伸长率，韧性等），所得聚乙烯醇（pva）水凝胶拉伸强度高达41.0mpa，断裂伸长率高达228.0%，韧性高达49.94mj/m³，能够与软骨媲美。

（3）本发明高强度水凝胶的强度可以通过调整预拉伸倍数，浸泡离子种类和浓度以及浸泡时间进行大范围调控。因此，可根据需要制备相应强度的取向型水凝胶。

（4）本发明水凝胶是具有各向异性特性、以及抑菌、防腐、清除自由基功能的高强度生物相容性聚乙烯醇（pva）水凝胶，对于拓宽聚乙烯醇（pva）水凝胶在人工肌肉和软骨、组织工程等生物医学材料领域的应用具有重要意义。

附图说明

图1为本发明高强度聚乙烯醇制备机理图。

图2为本发明实施例2所得聚乙烯醇-硫酸铝（pva-x-as）水凝胶的拉伸曲线。

图3为本发明实施例3所得聚乙烯醇-硫酸铝（pva-as-y）水凝胶的拉伸曲线。

图4为本发明实施例4所得聚乙烯醇-硫酸铝（pva-as-t）水凝胶的拉伸曲线。

图5为本发明实施例5所得聚乙烯醇水凝胶的拉伸强度和韧性图。

图6为本发明实施例1所得传统聚乙烯醇（pva）水凝胶的扫描电镜（sem）照片。

图7为本发明实施例3所得聚乙烯醇-硫酸铝（pva-as-30）水凝胶的扫描电镜（sem）照片。

图8为本发明实施例5所得聚乙烯醇-单宁酸（pva-ta）水凝胶的扫描电镜（sem）照片。

图9a为本发明实施例1所得聚乙烯醇（pva）水凝胶的抗菌防腐照片。

图9b为本发明实施例5所得聚乙烯醇-单宁酸（pva-ta）水凝胶的抗菌防腐照片。

图9c为本发明实施例3所得聚乙烯醇-硫酸铝（pva-as-30）水凝胶的抗菌防腐照片。

图10为本发明实施例5所得聚乙烯醇-单宁酸（pva-ta）水凝胶的清除自由基图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明的实施并不局限于此。

实施例1：

传统聚乙烯醇（pva）水凝胶的制备。

称取1gpva粉末溶于9ml去离子水，90℃下溶解6h形成均匀的10wt%pva溶液，静置过夜，在真空箱中除氧后迅速转移至模具中。在-20℃下放置8h后转移至25℃放置4h，连续循环3次，得传统物理交联聚乙烯醇（pva）水凝胶i。

凝胶力学性能测试方法如下：

采用东莞力显仪器科技有限公司hz-1003b-10kg型电子拉力机对所得聚合物水凝胶进行拉伸试验。拉伸试样尺寸为50mm×10mm×1.5mm，以初始横截面积计算拉伸强度。拉伸速度为100mm/min。以应力应变曲线积分面积计算韧性，按下式计算拉伸强度。每组进行五组实验，取平均。

式中：为拉伸强度，单位pa；为最大力，单位n。

测试结果如下：由实施例1所得传统聚乙烯醇（pva）的拉伸强度为0.2mpa，断裂伸长率为250%。

增加pva的质量分数或提高冻融次数，聚乙烯醇（pva）水凝胶的强度最高可增加至0.3mpa-0.6mpa，断裂伸长率变化不大。

实施例2：

高强度pva-x-as水凝胶的制备。

1）将实施例1制备的聚乙烯醇（pva）水凝胶预拉伸0%、25%、50%、75%以及100%，-20℃冷冻干燥70h除去所含水分，制得取向型聚乙烯醇（pva）气凝胶ii。

2）将上述聚乙烯醇（pva）气凝胶ii浸泡在质量分数为30%的硫酸铝（as）水溶液中4h，得到高强度pva-x-as系列水凝胶（其中x为pva的预拉伸倍数）。

按照实施例1中的凝胶力学性能测试方法，对所得pva-x-as系列水凝胶进行测试，测试结果为：

pva-0-as水凝胶：拉伸强度为22.93mpa，断裂伸长率为472.85%；

pva-25-as水凝胶：拉伸强度为25.79mpa，断裂伸长率为442.89%；

pva-50-as水凝胶：拉伸强度为31.67mpa，断裂伸长率为310.86%；

pva-75-as水凝胶：拉伸强度为36.55mpa，断裂伸长率为193.962%；

pva-100-as水凝胶：拉伸强度为41.02mpa，断裂伸长率为229.64%；

由本发明实施例2所得pva-x-as系列水凝胶应力-应变曲线如图2所示。

实施例3：

高强度pva-as-y水凝胶的制备。

1）将实施例1制备的聚乙烯醇（pva）水凝胶预拉伸100%，-35℃冷冻干燥48h除去所含水分，制得取向型聚乙烯醇（pva）气凝胶ii。

2）将上述聚乙烯醇（pva）气凝胶ii浸泡在质量分数为0%，10%，20%，30%的硫酸铝（as）水溶液中4h，得到高强度pva-as-y系列水凝胶（其中y为硫酸铝的质量分数）。

按照实施例1中的凝胶力学性能测试方法，对所得pva-as-y系列水凝胶进行测试，测试结果为：

pva-as-0水凝胶：拉伸强度为1.72mpa，断裂伸长率为177.75%；

pva-as-10水凝胶：拉伸强度为15.75mpa，断裂伸长率为377.93%；

pva-as-20水凝胶：拉伸强度为19.52mpa，断裂伸长率为314.72%；

pva-as-30水凝胶：拉伸强度为41.02mpa，断裂伸长率为229.64%；

由本发明实施例3所得pva-as-y系列水凝胶应力-应变曲线如图3所示。

实施例4：

高强度pva-as-t水凝胶的制备。

1）将实施例1制备的聚乙烯醇（pva）水凝胶预拉伸75%，-38℃冷冻干燥72h除去所含水分，制得取向型聚乙烯醇（pva）气凝胶ii。

2）将上述聚乙烯醇（pva）气凝胶ii浸泡在质量分数为30%的硫酸铝（as）水溶液中1h、3h、5h及7h得到高强度pva-as-t系列水凝胶（其中t为气凝胶的浸泡时间）。

按照实施例1中的凝胶力学性能测试方法，对所得pva-as-t系列水凝胶进行测试，测试结果为：

pva-as-1h水凝胶：拉伸强度为16.11mpa，断裂伸长率为221.36%；

pva-as-3h水凝胶：拉伸强度为21.39mpa，断裂伸长率为296.45%；

pva-as-5h水凝胶：拉伸强度为40.69mpa，断裂伸长率为290.38%；

pva-as-7h水凝胶：拉伸强度为28.91mpa，断裂伸长率为317.21%；

由本发明实施例4所得pva-as-t系列水凝胶应力-应变曲线如图4所示。

实施例5：

其它高强度聚乙烯醇（pva）水凝胶的制备。

1、浸泡碳酸氢钠（sb）

在实施例2的基础上，将实施例2中的硫酸铝改为质量百分比浓度为7.2％的碳酸氢钠（sb）水溶液，其它均按照与实施例2相同的制备步骤进行操作。

2、浸泡碳酸钠（scb）

在实施例2的基础上，将实施例2中的硫酸铝改为质量百分比浓度为17.4%的碳酸钠（scb）水溶液，其它均按照与实施例2相同的制备步骤进行操作。

3、浸泡氯化钠（sc）

在实施例2的基础上，将实施例2中的硫酸铝改为质量百分比浓度为26%的氯化钠（sc）水溶液，其它均按照与实施例2相同的制备步骤进行操作。

4、浸泡硫酸钠（ss）

在实施例2的基础上，将实施例2中的硫酸铝改为质量百分比浓度为22.1%的硫酸钠（ss）水溶液，其它均按照与实施例2相同的制备步骤进行操作。

5、浸泡硫酸铵（asf）

在实施例2的基础上，将实施例2中的硫酸铝改为质量百分比浓度为20%的硫酸铵（asf）水溶液，其它均按照与实施例2相同的制备步骤进行操作。

6、浸泡柠檬酸钠（sct）

在实施例2的基础上，将实施例2中的硫酸铝改为质量百分比浓度为40%的柠檬酸钠（sct）水溶液，其它均按照与实施例2相同的制备步骤进行操作。

7、浸泡单宁酸（ta）

在实施例2的基础上，将实施例2中的硫酸铝改为质量百分比浓度为20%的单宁酸（ta）水溶液，其它均按照与实施例2相同的制备步骤进行操作。

按照实施例1中的凝胶力学性能测试方法，对所得其它高强度聚乙烯醇（pva）水凝胶进行测试，测试结果为：

浸泡碳酸氢钠（sb）聚乙烯醇（pva）水凝胶：拉伸强度为15.84mpa，断裂伸长率为307.34%，韧性：34.33mj/m³；

浸泡碳酸钠（scb）聚乙烯醇（pva）水凝胶：拉伸强度为28.86mpa，断裂伸长率为392.95%，韧性：59.65mj/m³；

浸泡氯化钠（sc）聚乙烯醇（pva）水凝胶：拉伸强度为29.96mpa，断裂伸长率为426.81%，韧性：66.31mj/m³；

浸泡硫酸钠（ss）聚乙烯醇（pva）水凝胶：拉伸强度为33.62mpa，断裂伸长率为320.79%，韧性：67.21mj/m³；

浸泡硫酸铵（asf）聚乙烯醇（pva）水凝胶：拉伸强度为31.27mpa，断裂伸长率为430.68%，韧性：67.21mj/m³；

浸泡柠檬酸钠（sct）聚乙烯醇（pva）水凝胶：拉伸强度为33.45mpa，断裂伸长率为299.71%，韧性：62.66mj/m³；

浸泡单宁酸（ta）聚乙烯醇（pva）水凝胶：拉伸强度为20.97mpa，断裂伸长率为288.56%，韧性：32.96mj/m³；

由本发明实施例5所得聚乙烯醇（pva）水凝胶的拉伸强度和韧性如图5所示。

实施例6：

水凝胶微观结构表征

采用扫描电镜表征水凝胶的取向结构。

由本发明实施例1所得聚乙烯醇（pva）水凝胶的扫描电镜（sem）照片，见图6。由图6可见，传统冻融所得聚乙烯醇（pva）水凝胶呈现蜂窝状各向同性结构，水凝胶孔大疏松。

由本发明实施例3所得聚乙烯醇-硫酸铝（pva-as-30）水凝胶的扫描电镜（sem）照片，见图7。由本发明实施例5所得聚乙烯醇-单宁酸（pva-ta）水凝胶的扫描电镜（sem）照片，见图8。由图7和图8可见，聚乙烯醇-硫酸铝（pva-as-30）水凝胶和聚乙烯醇-单宁酸（pva-ta）水凝胶均呈现规则的条带状结构，水凝胶非常致密。由此可见，本发明所得高强度聚乙烯醇水凝胶具有取向性，且其强度较传统聚乙烯醇水凝胶有大幅提升。

实施例7：

水凝胶抑菌防腐性能测试。

测试方法：将实施例1、实施例3和实施例5所得水凝胶将水凝胶储存在密闭的玻璃培养皿中，在温度为25℃，相对湿度为30%~35%的条件下放置15天。取出水凝胶样品，观察外观变化，察看其表面是否有发霉现象。

测试结果：实施例1所得传统pva水凝胶培养15天后观察到pva水凝胶表面有明显的发霉现象。由实施例1所得聚乙烯醇（pva）水凝胶的抗菌防腐照片，见图9a所示。而实施例5所得pva-ta水凝胶以及实施例3所得pva-as-30水凝胶表面没有发霉现象，由实施例5所得聚乙烯醇-单宁酸（pva-ta）水凝胶的抗菌防腐照片见图9b，由实施例3所得聚乙烯醇-硫酸铝（pva-as-30）水凝胶的抗菌防腐照片，见图9c所示。说明本发明所得水凝胶具有良好的抑菌防腐性能，有利于水凝胶的运输和储存。

实施例8：

水凝胶清除自由基的效果测试。

测试方法：将水凝胶浸没入3ml0.1mmol/l的dpph自由基溶液中，密封置于暗室环境下半小时，取出水凝胶，用紫外分光光度计测试溶液吸光度，计算自由基清除率：，其中，是初始dpph溶液吸光度，是水凝胶浸入半小时后dpph溶液吸光度。

测试结果：将实施例5所得pva-ta水凝胶进行自由基清除效果的测试，测试结果如图10所示。由图10可见：由实施例1所得传统pva水凝胶对dpph自由基的清除效率仅为20.46%，而由实施例5所得pva-ta水凝胶对dpph自由基的清除效率高达91.19%。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非用以限制本发明的权利范围。任何以本申请专利范围所涵盖的权利范围实施的技术方案，或者任何熟悉本领域的技术人员，利用上述揭示的方法内容做出许多可能的变动和修饰的方案，均属于本发明的保护范围。