周學(xué)華，劉克碩，葉海木，周　瓊

(中國(guó)石油大學(xué)，北京 102249)

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高強(qiáng)度多孔聚乙烯醇水凝膠的制備*

周學(xué)華，劉克碩，葉海木，周瓊

(中國(guó)石油大學(xué)，北京 102249)

為制備兼顧多孔性和高強(qiáng)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(jì)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(shí)長(zhǎng)三個(gè)方面對(duì)水凝膠的力學(xué)性能、內(nèi)部微觀形貌、含水量進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：以質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%濃度的聚乙烯醇水溶液經(jīng)過(guò)3次循環(huán)冷凍過(guò)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(xué)性能，此時(shí)PVA水凝膠的拉伸強(qiáng)度為5.74MPa，斷裂伸長(zhǎng)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(xué)性能提高來(lái)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(xué)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(jī)械性能和超強(qiáng)的吸水能力被廣泛地應(yīng)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(xì)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(qiáng)度和多孔結(jié)構(gòu)，從而在一定程度上限制了其應(yīng)用。因此，制備一種兼具有多孔結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度的PVA水凝膠是目前研究的一個(gè)重要方向。

循環(huán)冷凍法是一種制備高強(qiáng)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(diǎn)。Wan等人利用循環(huán)冷凍法對(duì)濃度為15%的PVA水體系進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)表明PVA水凝膠的力學(xué)性能隨著冷凍循環(huán)次數(shù)的增加而增大，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為6時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)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(shí)驗(yàn)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(guò)PVA的分子量、PVA溶液的濃度以及冷凍速率來(lái)調(diào)節(jié)[7]。因此，本文通過(guò)循環(huán)冷凍法和液氮冷凍干燥法聯(lián)用制備了多孔高強(qiáng)度的PVA水凝膠。這一方法不僅能夠同時(shí)保證水凝膠的高孔隙率和高強(qiáng)度，而且制備過(guò)程中沒(méi)有引入外來(lái)雜質(zhì)，保持了水凝膠的生物相容性。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

聚乙烯醇(PVA)，上海阿拉丁試劑有限公司，牌號(hào)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(jìn)行循環(huán)冷凍操作。在-18℃冷凍4h～16h，37℃解凍8h。達(dá)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(jī)中(FD-1A-50，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)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(dá)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(chǎng)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(lái)統(tǒng)計(jì)SEM圖中孔的尺寸。隨機(jī)選取100個(gè)孔并測(cè)量其直徑，然后計(jì)算100個(gè)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(jì)算：

1.5力學(xué)性能

在25℃室溫下，采用WDL-5000N電子萬(wàn)能拉伸機(jī)分別對(duì)不同的PVA水凝膠樣品進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測(cè)試，拉伸速率為10mm/min。樣品的尺寸為36mm×4mm×2.2mm，每種樣品測(cè)試5個(gè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值。

1.6熱力學(xué)性質(zhì)表征

示差掃描量熱儀(DSC)為NETZSCH204F1型，氬氣氛圍。稱(chēng)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(duì)結(jié)晶度Xc計(jì)算如下：

其中，ΔHm是PVA樣品的測(cè)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(cè)試在Burker D8 FOCUS衍射儀上進(jìn)行。測(cè)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(guò)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?jǐn)?shù)，后同)的樣品外，PVA支架均呈現(xiàn)出類(lèi)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(duì)冰晶的生長(zhǎng)抑制作用隨濃度增加而增大[8]。當(dāng)濃度為18%時(shí)，高濃度的PVA溶液中的水在冷凍過(guò)程中更傾向于形成無(wú)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(duì)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(méi)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(jìn)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(xué)性能

將冰干的PVA支架進(jìn)行溶脹平衡獲得凝膠，再進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。如圖2所示，PVA水凝膠的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)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(qiáng)度分別為0.71MPa、2.10MPa和5.74MPa，斷裂伸長(zhǎng)率分別為122%、251%和347%。拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)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(shí)間PVA水凝膠

影響循環(huán)冷凍法的因素包括冷凍時(shí)長(zhǎng)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(guò)3次冷凍循環(huán)和液氮冷凍過(guò)程，研究單次循環(huán)的冷凍時(shí)長(zhǎng)對(duì)PVA水凝膠的力學(xué)性能的影響。如圖3所示，PVA水凝膠的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨單次冷凍時(shí)長(zhǎng)的增加而增大。4h、8h和16h冷凍時(shí)長(zhǎng)所制備的PVA水凝膠的拉伸強(qiáng)度分別為1.77MPa、3.47MPa和5.74MPa。相對(duì)于4h單次冷凍時(shí)長(zhǎng)制得的PVA水凝膠，8h和16h單次冷凍時(shí)長(zhǎng)制得的PVA水凝膠的拉伸強(qiáng)度提升分別達(dá)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(xué)性能的變化與其孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。4h、8h和16h冷凍時(shí)長(zhǎng)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(xué)性能的提高。同時(shí)，測(cè)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(shí)長(zhǎng)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(xué)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(cè)試結(jié)果顯示，該P(yáng)VA水凝膠的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為0.86MPa、201%，遠(yuǎn)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(xué)性能顯著提升的主要原因。

圖3　冷凍時(shí)長(zhǎng)對(duì)PVA水凝膠的力學(xué)性能的影響

圖4　單次冷凍時(shí)長(zhǎng)為(a)4h和(b)8h時(shí)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(xué)性能隨著冷凍次數(shù)的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)3次冷凍循環(huán)得到的PVA水凝膠的力學(xué)性能最優(yōu)，此時(shí)凝膠的拉伸強(qiáng)度為5.74MPa、斷裂伸長(zhǎng)率為347%，滿足部分軟骨力學(xué)性能的使用要求[10]。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明冷凍循環(huán)次數(shù)對(duì)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(duì)應(yīng)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(guò)程中，自由羥基數(shù)減少，最終導(dǎo)致PVA水凝膠的親水能力下降，含水率下降。因此，通過(guò)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(xué)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(duì)最終PVA水凝膠力學(xué)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(shí)驗(yàn)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(xué)性能，聚合物的力學(xué)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(xué)性能提高。從圖6中可以看出，經(jīng)歷過(guò)1、3和5次冷凍循環(huán)的PVA冰干支架的相對(duì)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(shì)，與圖5中的對(duì)應(yīng)水凝膠的力學(xué)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(rèn)為相對(duì)結(jié)晶度的變化是PVA水凝膠力學(xué)性能改變的一個(gè)重要原因。

為了進(jìn)一步證實(shí)PVA水凝膠力學(xué)性能的提高與其結(jié)晶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，實(shí)驗(yàn)測(cè)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(méi)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(qiáng)度隨循環(huán)冷凍次數(shù)的增加而增強(qiáng)。因此本研究中所制備的高強(qiáng)度水凝膠的力學(xué)性能主要來(lái)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(qiáng)度多孔PVA水凝膠。

(2)以質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%濃度的PVA水溶液經(jīng)過(guò)3次循環(huán)冷凍(16h冷凍，8h解凍)過(guò)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(xué)性能，此時(shí)的PVA水凝膠的拉伸強(qiáng)度可達(dá)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(xué)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(guó)石油大學(xué)(北京)科研基金資助(2462013BJRC001)

O 631.2