周學華，劉克碩，葉海木，周　瓊

(中國石油大學，北京 102249)

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高強度多孔聚乙烯醇水凝膠的制備*

周學華，劉克碩，葉海木，周瓊

(中國石油大學，北京 102249)

為制備兼顧多孔性和高強度的水凝膠，本研究利用循環(huán)冷凍和冷凍干燥聯(lián)用設(shè)計和制備了一系列聚乙烯醇水凝膠。從聚乙烯醇溶液的濃度、循環(huán)冷凍次數(shù)、單次冷凍時長三個方面對水凝膠的力學性能、內(nèi)部微觀形貌、含水量進行了研究。結(jié)果表明：以質(zhì)量分數(shù)14%濃度的聚乙烯醇水溶液經(jīng)過3次循環(huán)冷凍過程(16h冷凍，8h解凍)和液氮冷凍冰干后的支架，再經(jīng)溶脹平衡后得到的PVA水凝膠具有最佳的力學性能，此時PVA水凝膠的拉伸強度為5.74MPa，斷裂伸長率為347%；改變循環(huán)冷凍次數(shù)可有效地調(diào)節(jié)PVA水凝膠的含水量；水凝膠力學性能提高來源于體系結(jié)晶度的增大。

PVA水凝膠，微孔結(jié)構(gòu)，循環(huán)冷凍法，力學性能

具有生物相容性和生物活性的聚乙烯醇(PVA)水凝膠因其優(yōu)異的機械性能和超強的吸水能力被廣泛地應用于生物組織工程領(lǐng)域。例如藥物控制釋放、仿生軟骨和人工皮膚、傷口敷料以及組織細胞的培養(yǎng)等[1-4]。然而，一般的方法制備的PVA水凝膠不能兼有高強度和多孔結(jié)構(gòu)，從而在一定程度上限制了其應用。因此，制備一種兼具有多孔結(jié)構(gòu)和高強度的PVA水凝膠是目前研究的一個重要方向。

循環(huán)冷凍法是一種制備高強度PVA水凝膠的常用方法[5]。PVA溶液在低溫發(fā)生相分離，富集的PVA相中構(gòu)筑了水凝膠中的物理交聯(lián)點。Wan等人利用循環(huán)冷凍法對濃度為15%的PVA水體系進行了研究，實驗表明PVA水凝膠的力學性能隨著冷凍循環(huán)次數(shù)的增加而增大，當循環(huán)次數(shù)為6時，拉伸強度達到最大值，0.5MPa[6]。然而，循環(huán)冷凍法制備的PVA水凝膠并不適于制備多孔結(jié)構(gòu)。Gutiérrez等人實驗表明液氮冷凍干燥法是一種制備多孔材料的有效方法，并且水凝膠的微觀形貌參數(shù)(孔的形貌、尺寸、孔壁厚度等)可以通過PVA的分子量、PVA溶液的濃度以及冷凍速率來調(diào)節(jié)[7]。因此，本文通過循環(huán)冷凍法和液氮冷凍干燥法聯(lián)用制備了多孔高強度的PVA水凝膠。這一方法不僅能夠同時保證水凝膠的高孔隙率和高強度，而且制備過程中沒有引入外來雜質(zhì)，保持了水凝膠的生物相容性。

1　實驗

1.1實驗材料

聚乙烯醇(PVA)，上海阿拉丁試劑有限公司，牌號為PVA1799。

1.2PVA水凝膠的制備

分別將不同質(zhì)量(6g～18g)的PVA加入100mL去離子水中，將其置于95℃的水浴鍋中加熱溶解8h。待PVA完全溶解后將溶液置于超聲波儀中除氣泡30min，獲得均一透明溶液。然后將PVA溶液倒入方形培養(yǎng)皿中，將體系進行循環(huán)冷凍操作。在-18℃冷凍4h～16h，37℃解凍8h。達到所需循環(huán)次數(shù)后，將樣品移入液氮中冷凍8h，接著將冷凍樣品置于冷凍干燥機中(FD-1A-50，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司)干燥4天。將冰干的PVA支架重新浸泡于37℃去離子水中24h達溶脹平衡狀態(tài)得到PVA水凝膠。

1.3形貌觀察

將樣品置于液氮中淬斷，斷裂面經(jīng)高真空鍍膜儀中噴金后在場發(fā)射掃描電鏡(SEM，F(xiàn)EI Quanta 200F)中觀察其形貌。利用NanoMeasurer 1.2.5 軟件來統(tǒng)計SEM圖中孔的尺寸。隨機選取100個孔并測量其直徑，然后計算100個孔直徑的平均值。

1.4水凝膠的含水率

初始PVA的質(zhì)量為W1，冰干后再溶脹平衡的凝膠質(zhì)量為W2，則最終水凝膠的含水率可由以下公式計算：

1.5力學性能

在25℃室溫下，采用WDL-5000N電子萬能拉伸機分別對不同的PVA水凝膠樣品進行拉伸力學性能測試，拉伸速率為10mm/min。樣品的尺寸為36mm×4mm×2.2mm，每種樣品測試5個，實驗結(jié)果取平均值。

1.6熱力學性質(zhì)表征

示差掃描量熱儀(DSC)為NETZSCH204F1型，氬氣氛圍。稱取5mg的干態(tài)樣品密封于鋁坩堝中，以10℃/min的升溫速率從20℃升溫至240℃。材料的相對結(jié)晶度Xc計算如下：

其中，ΔHm是PVA樣品的測試熔融焓值，ΔHm0是100%結(jié)晶PVA的理論熔融焓值，為138.6J/g。

廣角X射線衍射測試在Burker D8 FOCUS衍射儀上進行。測試電壓為40kV，電流為40mA，掃描速率為2°/min，掃描溫度為25℃。

2　結(jié)果與討論

2.1不同濃度PVA水凝膠

經(jīng)過三次循環(huán)冷凍和液氮冷凍步驟后，再經(jīng)冰干后所得PVA支架內(nèi)部結(jié)構(gòu)形貌如圖1所示。除初始濃度為18%(質(zhì)量分數(shù)，后同)的樣品外，PVA支架均呈現(xiàn)出類似的蜂窩狀有序多孔通道結(jié)構(gòu)。6%、10%和14%初始濃度所制備PVA支架內(nèi)孔結(jié)構(gòu)的平均尺寸分別為2.1μm、1.1μm和0.7μm。隨著濃度的增加，孔徑逐漸減小，這是由于溶液中PVA分子對冰晶的生長抑制作用隨濃度增加而增大[8]。當濃度為18%時，高濃度的PVA溶液中的水在冷凍過程中更傾向于形成無定型的超冷水(而不是冰晶)的緣故，使得體系不出現(xiàn)孔結(jié)構(gòu)[7]。對于某一特定濃度的PVA溶液，冷凍溫度越高，冰晶的晶核形成越困難[9]。-18℃循環(huán)冷凍制備的PVA凝膠中的水分子并沒有形成冰晶，所以利用循環(huán)冷凍法制備的PVA支架一般不具備多孔結(jié)構(gòu)。而將循環(huán)冷凍后的PVA凝膠進一步用液氮冷凍，體系中的水在形成冰晶，去除冰晶提供了多孔結(jié)構(gòu)。

圖1　由不同初始濃度PVA溶液所制備冰干支架內(nèi)部結(jié)構(gòu)的SEM形貌圖：(a)6%、(b)10%、(c)14%、(d)18%

圖2　圖1中多孔樣品溶脹平衡后所得PVA水凝膠的力學性能

將冰干的PVA支架進行溶脹平衡獲得凝膠，再進行力學性能測試。如圖2所示，PVA水凝膠的拉伸強度和斷裂伸長率隨著初始溶液濃度的增加而增大，6%、10%和14%初始濃度的PVA水凝膠的拉伸強度分別為0.71MPa、2.10MPa和5.74MPa，斷裂伸長率分別為122%、251%和347%。拉伸強度遠大于利用循環(huán)冷凍法直接制備的PVA水凝膠[6]。

2.2不同冷凍時間PVA水凝膠

影響循環(huán)冷凍法的因素包括冷凍時長和循環(huán)次數(shù)等。本部分選取初始溶液濃度為14%的PVA溶液經(jīng)過3次冷凍循環(huán)和液氮冷凍過程，研究單次循環(huán)的冷凍時長對PVA水凝膠的力學性能的影響。如圖3所示，PVA水凝膠的拉伸強度和斷裂伸長率隨單次冷凍時長的增加而增大。4h、8h和16h冷凍時長所制備的PVA水凝膠的拉伸強度分別為1.77MPa、3.47MPa和5.74MPa。相對于4h單次冷凍時長制得的PVA水凝膠，8h和16h單次冷凍時長制得的PVA水凝膠的拉伸強度提升分別達96%和224%。綜合圖4和圖1(c)中PVA支架內(nèi)部微觀形貌可知PVA水凝膠拉伸力學性能的變化與其孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。4h、8h和16h冷凍時長得到的PVA冰干支架內(nèi)孔通道的平均直徑分別為0.95μm、0.77μm和0.7μm。更致密的孔結(jié)構(gòu)使得PVA水凝膠力學性能的提高。同時，測量了平衡溶脹狀態(tài)的PVA水凝膠的含水率，發(fā)現(xiàn)單次冷凍時長的改變不改變?nèi)苊浧胶釶VA水凝膠的含水量，均維持在約75%，較初始溶液的含水率(86%)下降了9%。為探究PVA水凝膠含水率的變化是否引起了力學性能的變化，利用循環(huán)冷凍法(16h冷凍，8h解凍，3次循環(huán))制備了初始濃度為25%的PVA水凝膠。測試結(jié)果顯示，該PVA水凝膠的拉伸強度和斷裂伸長率分別為0.86MPa、201%，遠低于液氮冷凍干燥處理的初始溶液濃度為14%的PVA水凝膠，這表明含水率的變化不是引起PVA水凝膠力學性能顯著提升的主要原因。

圖3　冷凍時長對PVA水凝膠的力學性能的影響

圖4　單次冷凍時長為(a)4h和(b)8h時所制備的PVA支架的內(nèi)部形貌(樣品初始溶液濃度選為14%，循環(huán)冷凍次數(shù)為3)

2.3冷凍循環(huán)次數(shù)PVA水凝膠

如圖5所示，PVA水凝膠的力學性能隨著冷凍次數(shù)的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。經(jīng)過3次冷凍循環(huán)得到的PVA水凝膠的力學性能最優(yōu)，此時凝膠的拉伸強度為5.74MPa、斷裂伸長率為347%，滿足部分軟骨力學性能的使用要求[10]。此外，實驗結(jié)果表明冷凍循環(huán)次數(shù)對最終所制備PVA水凝膠的含水率影響很大。循環(huán)冷凍次數(shù)為1、3和5所對應得到的PVA凝膠含水率分別為80%、75%和67%。隨循環(huán)冷凍次數(shù)的增加，PVA凝膠含水率下降。這可能是由于循環(huán)冷凍次數(shù)的增加，使得更多的羥基參加到結(jié)晶過程中，自由羥基數(shù)減少，最終導致PVA水凝膠的親水能力下降，含水率下降。因此，通過改變循環(huán)冷凍的次數(shù)可以有效調(diào)節(jié)PVA水凝膠的力學性能和含水量，從而滿足不同領(lǐng)域的使用要求。

圖5　冷凍循環(huán)次數(shù)對最終PVA水凝膠力學性能的影響(樣品初始溶液濃度選為14%)

2.4分析討論

Holloway等在研究循環(huán)冷凍法制備PVA水凝膠的實驗中指出，體系中PVA分子的結(jié)晶行為影響了PVA水凝膠的力學性能，聚合物的力學性能與其結(jié)晶能力成正相關(guān)性[11]。結(jié)晶度的增大使得聚合物體系力學性能提高。從圖6中可以看出，經(jīng)歷過1、3和5次冷凍循環(huán)的PVA冰干支架的相對結(jié)晶度分別為37.6%、44.9%和43.5%，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，與圖5中的對應水凝膠的力學性能的變化規(guī)律相符。Hong等指出3次冷凍循環(huán)前，PVA分子的結(jié)晶逐步完善，3次循環(huán)后凝膠的結(jié)晶程度不再改變[5]。因此，本研究認為相對結(jié)晶度的變化是PVA水凝膠力學性能改變的一個重要原因。

為了進一步證實PVA水凝膠力學性能的提高與其結(jié)晶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，實驗測量的PVA水凝膠的衍射譜圖，如圖7所示：25% PVA溶液直接循環(huán)冷凍3次得到的水凝膠沒有出現(xiàn)PVA晶體相關(guān)的衍射峰，而利用循環(huán)冷凍與液氮冷凍后冰干再溶脹獲得的PVA水凝膠顯示出PVA的晶體衍射峰(20.7°、28.2°、31.6°)，且衍射峰的強度隨循環(huán)冷凍次數(shù)的增加而增強。因此本研究中所制備的高強度水凝膠的力學性能主要來源于其高的結(jié)晶度。

圖6　經(jīng)歷不同冷凍循環(huán)次數(shù)所制備的冰干PVA支架的DSC熔化曲線：(a)1次，(b)3次，(c)5次

圖7不同水凝膠的X射線衍射譜圖：(a)25% PVA溶液直接循環(huán)冷凍3次得到的水凝膠；(b)、(c)、(d)則分別為循環(huán)冷凍1、3和5次與液氮冷凍后冰干再溶脹獲得的PVA水凝膠(初始PVA濃度為14%)

Fig.7X-ray diffractograms of PVA hydrogels：(a) Hydrogel prepared from 25% PVA solution by directly freezing-thaw method.(b)，(c) and(c) belong to hydorgels prepared by the combined method using in this study with 1，3 and 5 freezing-thaw cycles respectively from 14% original PVA solution

3　結(jié)論

(1)綜合利用循環(huán)冷凍法和液氮冷凍干燥法可以制備高強度多孔PVA水凝膠。

(2)以質(zhì)量分數(shù)14%濃度的PVA水溶液經(jīng)過3次循環(huán)冷凍(16h冷凍，8h解凍)過程和液氮冷凍冰干后的支架，再經(jīng)溶脹平衡后得到的PVA水凝膠具有最佳的力學性能，此時的PVA水凝膠的拉伸強度可達5.74MPa。

(3)改變循環(huán)冷凍次數(shù)可以有效地調(diào)節(jié)PVA水凝膠的含水量。

(4)PVA水凝膠的力學性能提高主要由于其結(jié)晶度的提高。

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Preparation of High Strength Porous Poly(vinyl alcohol) Hydrogels

ZHOU Xue-hua，LIU Ke-shuo，YE Hai-mu，ZHOU Qiong

(China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

In order to obtain hydrogel with porous structure and excellent mechanical properties，the combination of freeze-thaw method and liquid nitrogen freezing method was utilized to design and prepare a series of PVA hydrogels. The mechanical properties，inner microstructure and water uptake content were regulated through three aspects，including original concentration of PVA，freeze-thaw cycle number and freezing time length. The results revealed that PVA hydrogel prepared form solution with 14 wt% original concentration after freeze-thaw(freeze for 16h and thaw for 8h) for 3 cycles and liquid nitrogen freezing possesses the optimal mechanical properties，while the scaffold can also has good porous structure. The tensile strength and elongation at break of optimized porous hydrogel can reach 5.74MPa and 347%，respectively. The water uptake content of PVA hydrogel can be modulated by changing freeze-thaw cycle. And the improvement of hydrogel mechanical properties is due to the increase of PVA crystallinity.

PVA hydrogel，micropore structure，freeze-thaw method，mechanical property

中國石油大學(北京)科研基金資助(2462013BJRC001)

O 631.2