PVA水凝胶的制备及在生物医学工程中的应用_崔福兴

ＰＶＡ水凝胶薄膜， 尤其是经过内部分子结构不对称 性改性的ＰＶＡ水凝胶薄膜在人工细胞微囊化方面具有应 用潜力。
Ｄａｉ Ｗ Ｓ［３９］等在合成的ＰＶＡ水凝胶薄膜中发现了不对 称的筛孔，这种不对称性筛孔结构有利于在不改变小分 子透过性的前提下改善膜对周围物质尺寸的选择性渗 透 。他 们 还 开 发 了 具 有 不 对 称 筛 孔 结 构 的ＰＶＡ水凝胶 －微 渗透复合材料薄膜［４０］，发现前者在生物杂化人工器官和细 胞微包囊的应用上具有更优良的运输性质。
２ ＰＶＡ水凝胶溶胀和收缩机理简述［１５］
ＰＶＡ水凝胶吸收溶剂而溶胀包括以下３个 过 程： 第 １步 是 溶 剂 分 子 向 ＰＶＡ网 络 扩 散 ； 第２步 由 溶 剂 化 引 起 ＰＶＡ分子链从玻璃态向橡胶态松弛；第３步ＰＶＡ网络向溶 剂扩散。当第１步决定反应速率时，ＰＶＡ水凝胶吸收的溶
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可能性。研究表明，在材料的润滑性、生物相容性和对 于撞击的吸收性方面 ，ＰＶＡ水凝胶明显优于传统的人工 软 骨 材 料 — — 超 高 分 子 质 量 聚 乙 烯 （ＵＨＷＭＰＥ）。 Ｎｏｇｕｃｈｉ［３０］ 等对制造工艺进行改进 ，使凝胶的拉伸强度提 高到与人体软组织相似的水平。顾正秋等［３１］利用机械－化 学连接法研究了 ＰＶＡ水 凝 胶 与 金 属（底层骨 ）的 牢 固 连 接 ， 并通过４个月动物关节软骨修复实验证明， 利用骨水泥 （ＰＭＭＡ）作粘合剂，可快速、便捷地将复合人工骨组件粘 接于底层（软骨下骨）表面，并实现牢固的连接。组织学检 验表明，植入体周围组织未产生炎症反应。
４．２ 在药物释放系统中的应用 作为药物释放体系中的载体是ＰＶＡ水凝胶的一个重 要用途 。将低分子药物装在用ＰＶＡ水凝胶制成的微胶囊 里，使低分子药物高分子化，从而改变了传统药剂学的 输送释放体系，减少了药物用量，延长了药效时间，从 而实现药物的控制释放［３ 。 ２］ Ｗｏｎ Ｓ Ｌ［３３］等研究了ＰＶＡ的醇解度、等规度和聚合度 等因素对牛血红蛋白（ＢＳＡ）释放的影响。结果表明，随着 ＰＶＡ等规度、醇解度的上升或聚合度的增大，ＢＳＡ的释放 量 和 释 放 速 率 都 会 下 降 。Ｔａｋａｍｕｒａ［３４］等 通 过 乳 液 法 将 ＰＶＡ水溶液分散，再通过冷冻－解冻的方法制备成微球， 通过对亲水性药物和亲油性药物 释放的研究表明，２者 在 ＰＶＡ小球中的释放均属于零级释放 。叶劲［３５］ 等将鱼腥草注 射液与 ＰＶＡ制 成 鱼 腥 草 注 射 液－ＰＶＡ凝胶 ， 对 于 局 部 症 状 的治疗，比庆大霉素、鱼腥草注射液疗效更明显，细菌 计数最低，骨髓腔内炎性细胞数量和骨膜反应程度也为 最低。 ４．３ 在伤口敷料方面的应用 ＰＶＡ水凝胶对机体和组织细胞无任何毒性和刺激作 用，ＰＥＯ／ＰＶＡ水凝胶敷料与医用纱布敷料相比，伤口愈 合时间明显缩短，更换敷料时对新生上皮和肉芽组织无 损 伤 破 坏 作 用 ， 也 没 有 残 余 物 滞 留 于 伤 口 。 ＰＶＡ水 凝 胶 在伤口敷料方面具有广泛的应用前景［３６］。 Ｙｏｓｈｉｉ Ｆ［３７］等提出了一种利用ＰＶＡ水凝胶制造新型伤 口敷料的方法。即通过电子束辐照获得的ＰＶＡ和聚氧化乙 烯共混凝胶作为伤口敷料，与普通纱布相比除了给予伤口 一个湿环境外，更重要的优点是伤口愈合速度明显加快、 容易拆换且不会有任何材料残余在伤口内。Ｓａｉｔｏ Ｊ［３８］等也 用光照和辐射交联的方法制得了能够很好吸收伤口分泌 物并且易于拆换的ＰＶＡ水凝胶伤口敷料。 ４．４ 在人工细胞微囊化方面的应用
在 低 温 条 件 下 冷 却 该 溶 液 ， 经 过 一 段 时 间 后ＰＶＡ分子结 晶而形成凝胶，然后用水浸泡，取代凝胶中的ＤＭＳＯ， 得 到 了 具 有 高 伸 张 强 度 、 高 含 水 且 透 明 的ＰＶＡ水 凝 胶 。 化学交联法的缺点是透明度不好、含水量不高，但保水 性和力学强度有一定提高。辐射交联法制备的水凝胶纯 度高，透明性好，但力学强度不高，抗蠕变性差。 Ｐｅｐｐａｓ Ｎ Ａ［１３，１ 等 ４］ 利用电子束辐照ＰＶＡ的水溶液 ，再经 过 ２次 脱 水 －热 处 理 过 程 制 得 了 不 同 结 晶 度 的 溶 胀 的 ＰＶＡ水凝胶，其力学性能得到了一定程度的提高。
３．３ 电场敏感性ＰＶＡ水凝胶 电场敏感ＰＶＡ水凝胶的制备主要有２种方法：一种是 利用ＰＶＡ和其他聚电解质混合溶液通过冷冻－解冻方法直 接制备成物理交联水凝胶；第２种方法是利用化学交联剂 将ＰＶＡ和其他聚电解质形成互穿网络结构。 Ｋｉｍ［２６］等 制 备 了 ＰＶＡ／聚 （二 烯 丙 基 二 甲 基 氯 化 铵 ）（ＰＤＡＤＭＡＣ）和 ＰＶＡ／透 明 质 子 酸（ＨＡ）２种互穿水凝胶 。 当施加电场时 ，２种凝胶均能迅速向阴极弯曲 ，随着电场 强 度 的 增 大， 弯曲速度随之加快， 而当撤除电场后 ，２种 凝胶均能恢复原状 。李瑞欣［２７ ］等 将ＰＶＡ和海藻酸钠的混合 水溶液通过Fra Baidu bibliotek固浴凝固，再通过反复冷冻－解冻制备出交 联 ＰＶＡ／海 藻 酸 钠 水 凝 胶 。 该水凝胶在 ＮａＣｌ水 溶 液 中 于 直 流电场下表现出溶胀、收缩、弯曲行为。陈莹［２８］等利用冷 冻－解冻方法制备了具有较好的电场响应性的物理交联水 凝胶ＰＶＡ／聚丙烯酸水凝胶。
３ ＰＶＡ水凝胶的改性
尽管ＰＶＡ水凝胶具有诸多优点 ，但在实际应用中仍 然会遇到很多问题［１６，１７］。因而引入其他组分和ＰＶＡ混合制 备成具有不同性能的复合型ＰＶＡ水凝胶 ，进一步改善凝 胶性能，拓宽其应用范围。
３．１ 温度敏感性ＰＶＡ水凝胶 作为一种智能水凝胶，在药物控释研究中，温度敏 感水凝胶是环境敏感聚合物系统研究最多的 。聚（ Ｎ－异 丙 基丙烯酰胺）（ＰＮＩＰＡ）水凝胶具有温度敏感性，在３３ ℃左 右有一个相转变温度或较低临界溶解温度（ＬＣＳＴ）［１ 。 ８］ 但 ＰＮＩＰＡ水凝胶很难生物降解。ＰＶＡ的亲水性和生物相容性 较好，可用于改性ＰＮＩＰＡ。 Ｋｉｍ 等 ［１９］ 在 ＰＶＡ及 交 联 剂 戊 二 醛 存 在 下 ， 通 过 与 ＰＮＩＰＡ交 联 聚 合 制 备 了 一 系 列 ＰＶＡ／ＰＮＩＰＡ互 穿 型 水 凝 胶，该类凝胶在３ ｈ内就能达到溶胀平衡 。张先正［２０］等将 ＰＮＩＰＡ／ＰＶＡ混合物进行反复冷冻－融熔，制得物理交联的 温 度 敏 感 ＰＮＩＰＡ／ＰＶＡ水 凝 胶， 其 温 度 敏 感 性 随ＰＮＩＰＡ含 量的增加而增强。李海东等［２１］用物理交联和化学交联的方 法 制 备 了 ＰＶＡ／ＰＡＡ互 穿 网 络 水 凝 胶 ， 也 具 有 温 度 敏 感 性。 ３．２ ｐＨ值敏感性ＰＶＡ水凝胶 ＰＶＡ经冷冻－解冻后形成的凝胶属于传统水凝胶，其 干凝胶的再溶胀性能较差，对环境的变化不敏感，限制 了其在靶向药物释放中的利用。采用化学交联和辐射交 联法在ｐＨ值敏感的ＰＶＡ水凝胶中加入生物高分子制备复
图１ ＰＶＡ水凝胶制备方法 Ｆｉｇ．１ Ｐｒｅｐａｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｗｈｏｌ ｈｙｄｒｏｇｅｌｓ
物 理 交 联 法 制 备 的 ＰＶＡ水 凝 胶 一 般 光 学 透 明 性 不 好。为了提高该类ＰＶＡ水凝胶的透明度，Ｈｙｏｎ［１ 等 ２］ 人将 ＰＶＡ溶解在二甲基亚砜（ＤＭＳＯ）和水组成的混合溶剂中，
ＰＶＡ水 凝 胶 溶 胀 时， ＰＶＡ分 子 链 的 松 弛 影 响 溶 胀 行 为。ＰＶＡ水凝胶收缩时，ＰＶＡ分子链的凝聚引起的结构变 化也影响其收缩。ＰＶＡ水凝胶因外部环境变化从表面开 始收缩，压力在ＰＶＡ水凝胶内部逐渐积累，溶剂从ＰＶＡ水 凝胶中迁出而收缩。 由于ＰＶＡ水凝胶中的分子链互相连 接，溶胀不仅是协同扩散，还必须考虑形变松弛过程。 也就是ＰＶＡ高分子的部分链不能独立运动，与其他部分 链共同运动着。因此，部分链的扩散不是自扩散，而是 协同扩散。这种协同扩散的速度应该比溶剂本身的自扩 散要慢几个数量级。
聚乙烯醇（ＰＶＡ）是一种应用极为广泛的水溶性高 分 子 材 料［１￣５］ 。 而 以 其 为 原 料 制 备 的 水 凝 胶 是 以 水 为 介 质 的凝胶，是一种高分子网络体系，它能保持一定的形状 并具有一系列独特性能。ＰＶＡ水凝胶除了具备一般水凝 胶的性能外，还具有低毒性、机械性能良好（高弹性模量 和高机械强度）、 吸水量大和生物相容性好等优点 ， 在 生 物 医 学 领 域 具 有 广 泛 的 应 用 ［６￣１１］。 本文就 ＰＶＡ水 凝 胶 制 备、改性及其在生物医学工程中的应用进行综述，同时
４ ＰＶＡ水凝胶在生物医学工程中的应用
ＰＶＡ 水凝胶可以通过化学或物理的交联方法改变其 微观结构而获得良好的溶胀度、热力学性质以及渗透性 等性能，在生物医学工程领域得到了广泛的应用。目 前 ，ＰＶＡ水凝胶主要应用在人工软骨材料、药物缓释载 体、伤口敷料、人工细胞微囊化、微生物、细胞固定载 体、眼科和生物智能材料等方面。
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剂量较少，ＰＶＡ分子链几乎不松弛，或者松弛很快 ；若 第２步决定反应速率，溶胀为不规则扩散；第３步过程决 定反应速率时，凝胶的溶胀由ＰＶＡ分子网络链向溶剂中 扩散所支配。此时ＰＶＡ水凝胶的溶胀行为可用网络的协 同扩散来解释。
合水凝胶，可以解决上述问题。 Ｔａｏ Ｗａｎｇ［２２］等 在 壳 聚 糖 和 ＰＶＡ混 合 液 中 加 入 戊 二
醛，制备成半互穿网络水凝胶，提高了凝胶的力学强 度 。 杨 黎 明 ［２３， ２４］等 以ＰＶＡ和 羧 甲 基 壳 聚 糖 （ＣＭＣｈ）为 原 料 ，利用电子加速器辐照法和６０Ｃｏ－γ射线交联制备具 有 ｐＨ响 应 性 的 ＰＶＡ／ＣＭＣ水 凝 胶 。 高 永 康 ［２５］将 ＣＭＣ与 ＰＶＡ混合溶液经冷冻－解冻制成物理交联、具有ｐＨ响应性 的ＣＭＣ／ＰＶＡ复合水凝胶。结果表明，复合水凝胶对于环 境 ｐＨ的 敏 感 性 随 ＣＭＣ含 量 的 增 加 而 增 强 ； 同 时 ＣＭＣ／ＰＶＡ复合凝胶可用作水溶性蛋白质药物的载体。
简述了ＰＶＡ水凝胶的溶胀和收缩机理，并对其发展方向 进行了展望。
１ ＰＶＡ水凝胶制备方法
ＰＶＡ是一种通过聚醋酸乙烯酯的水解作用而得到的 长链水溶性高聚物，分子结构见式（１）。
ＰＶＡ水 凝 胶 的 合 成 根 据 交 联 机 制 可 分 为 物 理 交 联 法、化学交联法和辐射交联法３种，如图１所示。
摘 要 ：聚乙烯醇水凝胶在生物医学工程领域的用途非常广泛。本 文 就Ｐ Ｖ Ａ水凝胶的制备 、 改 性及其在生物医学工程中的应用进行综述 ， 简述了ＰＶＡ水凝胶的溶胀和收缩机理，同 时 对 其 发 展 方向进行了展望。
关 键 词： 聚乙烯醇水凝胶 ； 制备 ；改 性 ；应 用 中 图 分 类 号：ＴＱ４３６ ＋．５ 文献标识码 ：Ａ 文章编号：１ ０ ０ １ － ５９２２（２ ０ １ ０）０ ５－０ ０ ６ ４ － ０５
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收稿日期：２００９－１２－１７ 作者简介：崔福兴（１９７４－），男，黑龙江省青冈县中医院普外科主任，主治医师。Ｅ－ｍａｉｌ： ｃｕｉ＿ｆｕｘｉｎｇ＠１６３．ｃｏｍ。
ＰＶＡ水凝胶的制备及在生物医学工程中的应用
崔福兴 （黑龙江省青冈县中医院外科，黑龙江 青冈 １５１６００）
４．１ 在人工软骨中的应用 ＰＶＡ水凝胶具有和人体关节软骨类似的生物力学性 质和良好的生物相容性，植入人体后能重建平滑的软骨 面，部分替代关节软骨，可延缓或阻止创伤性骨关节炎 的发作，成为一种极具潜力的人体软骨替换或修复材 料。 Ｏｋａ［２９］等系统研究了ＰＶＡ水凝胶作为生物软骨材料的
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