PVA水凝膠的制備及其性能研究

易 蘇，譚宇桓，袁 濤，丁玉婷，萬昕桐

（湖南工程學(xué)院 材料與化工學(xué)院，湘潭 411104）

0 前言

聚乙烯醇（PVA）水凝膠是PVA高分子交聯(lián)形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)在溶劑中溶脹形成膠態(tài)物質(zhì)，PVA水凝膠具備吸水、保水、緩釋及對(duì)外界刺激的敏感性響應(yīng)等性能以及具有低毒性，物理力學(xué)性能好以及生物相容性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)［1-2］.在生物醫(yī)藥、食品工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用［3-5］.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

聚乙烯醇（PVA），聚合度2350，上海化學(xué)試劑分裝廠；水楊酸（SA），天津市永大化學(xué)試劑有限公司；硫酸慶大霉素，河南天方藥業(yè)股份有限責(zé)任公司.

紫外可見分光光度計(jì)（UV1800），長沙市八方科學(xué)儀器有限責(zé)任公司；測厚儀（YG142），寧波紡織儀器廠；棒式涂膜涂布器（QTS），天津市精科材料試驗(yàn)機(jī)廠；電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)（WDW-20），濟(jì)南恒瑞試驗(yàn)機(jī)有限公司；防紫外線透過及防曬測試儀（HD902C），北京卓川電子科技有限公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 PVA水凝膠膜的制備

稱量2 g聚乙烯醇，量取30 mL蒸餾水，置于三口瓶中，升溫至95℃，水浴加熱并攪拌溶解4 h.加入10 mL蒸餾水，加速攪拌2 h.保溫10 min，然后用超聲波處理去除氣泡.將玻璃板放在平臺(tái)上，予以固定，采用棒式涂膜涂布器，涂膜成型.將涂膜后的玻璃板放入盒中密封，然后放入冰箱中冷凍，在-18℃下冷凍18 h后從冰箱取出置于室溫下解凍6 h，反復(fù)冷凍、解凍操作5次.將冷凍、解凍完成的涂膜玻璃板放入真空干燥箱中干燥，干燥溫度為55℃.從玻璃板上小心取下干燥的涂膜，放入密封袋中保存.

1.2.2 PVA載水楊酸水凝膠膜的制備

稱量2 g聚乙烯醇，量取30 mL蒸餾水，置于三口瓶中，升溫至95℃，水浴加熱并攪拌溶解4 h.再加入10 mL蒸餾水，加速攪拌2 h.保溫10 min，然后加入一定量的水楊酸，超聲處理30 min，使水楊酸分散均勻［6］，將玻璃板放在平臺(tái)上，予以固定，用同樣的方法將水凝膠成膜，將涂膜后的玻璃板放入盒中密封，然后放入冰箱中冷凍，在-18℃下冷凍18 h后從冰箱取出置于室溫下解凍6 h，反復(fù)冷凍解凍操作5次.將冷凍、解凍完成的涂膜玻璃板放入真空干燥箱中干燥，干燥溫度為55℃.從玻璃板上小心取下干燥的涂膜，放入密封袋中保存.

1.2.3 含硫酸慶大霉素PVA膜的制備

在三口瓶中加入一定量的聚乙烯醇和蒸餾水，升溫至90℃攪拌溶解.待其完全溶解后再向溶液中加入抗菌藥物硫酸慶大霉素注射液，攪拌混合30 min后趁熱用絲棒涂布器均勻涂在模具上，放在50℃恒溫干燥箱中干燥成膜.

1.2.4 PVA載硫酸慶大霉素水凝膠膜的制備

在裝有攪拌器和溫度計(jì)的三口瓶中加入一定量的聚乙烯醇和蒸餾水，在攪拌的情況下緩慢升溫至90℃溶解2 h.待其完全溶解后再向溶液中加入抗菌藥物硫酸慶大霉素注射液，攪拌混合30 min后倒入干凈的模具中，用絲棒涂布器涂勻.把制好的模具放在-18℃冷凍6～12 h，然后解凍1～2 h，同樣的過程重復(fù)5次，制得PVA水凝膠膜.

1.3 分析測試

1.3.1 水凝膠膜厚度的測定

制備好的凝膠膜樣品在恒溫恒濕（20℃，相對(duì)濕度65%）的條件下靜置24 h，使用YG142型測厚儀對(duì)凝膠膜樣品五個(gè)不同位置進(jìn)行測量，取平均值.

1.3.2 水凝膠膜透氣性測試

將制得的凝膠膜樣品裁成大小為50 mm×50 mm的規(guī)格，置于檢測儀器中，設(shè)定試樣壓差為100 Pa，試驗(yàn)面積20 cm2，選擇型號(hào)為0.8的噴嘴，測定不同的凝膠膜樣品透氣性.

1.3.3 水凝膠膜力學(xué)性能測試

聚乙烯醇水凝膠膜的力學(xué)性能主要以抗拉強(qiáng)度這個(gè)物理量表示，即從開始拉伸到完全斷裂過程中承受的最大拉伸應(yīng)力.斷裂伸長率是指試樣完全斷裂時(shí)，標(biāo)線間增加的距離量與初始標(biāo)距之間的比值，用百分率表示.其具體計(jì)算公式如下：

式中：P——抗拉強(qiáng)度，MPa

b——樣品寬度，mm

d——樣品厚度，mm

式中：ε——斷裂伸長率，%

L——試樣斷裂時(shí)被拉伸的長度，mm

L0——試樣未拉伸時(shí)的長度，mm

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GBT1040-1992，將凝膠膜樣品剪裁成大小為50 mm×150 mm的規(guī)格，將樣品裝入機(jī)器中，調(diào)整好位置，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行測試，測定不同合成方法合成的凝膠膜樣品的力學(xué)性能.

1.3.4 水凝膠抗紫外性能測試

按照GB/T 18830-2002標(biāo)準(zhǔn)，將凝膠膜裁成規(guī)格為50 mm×50 mm大小，將試樣放入儀器內(nèi)，開啟儀器，測定不同水凝膠膜的抗紫外線性能.

1.3.5 水凝膠透光性測定

按照國家標(biāo)準(zhǔn)（GB2410-80）裁切試樣50 mm×50 mm，采用可見光分光光度計(jì)在波長為400 nm～700 nm范圍內(nèi)對(duì)復(fù)合水凝膠膜的透光性進(jìn)行檢測.

1.3.6 水凝膠抗菌性能的定性測試

將水凝膠樣品裁剪成大小相同的小圓片，于紫外燈下滅菌30 min，將所有實(shí)驗(yàn)用品轉(zhuǎn)入無菌操作臺(tái)中，做好標(biāo)記；量取15 mL固體培養(yǎng)基于表面皿中，取100μL已培養(yǎng)好的菌液，搖動(dòng)表面皿，使菌液混合均勻［7］，靜置20 min后再貼膜：無菌操作，用鑷子取已滅菌膜材料圓片貼在平板上相應(yīng)位置，將貼膜后的平板轉(zhuǎn)移至恒溫培養(yǎng)箱中，于37℃培養(yǎng)24 h，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果.若實(shí)驗(yàn)菌種為霉菌，則于28℃培養(yǎng)48 h，測量抑菌圈直徑，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行拍照.

1.3.7 水凝膠的緩釋性能測試

（1）pH值為7.2 PBS的配制

0.2 mol/L Na2HPO4的配制：準(zhǔn)確稱量71.628 g磷酸氫二鈉放入燒杯中，加適量水充分溶解后轉(zhuǎn)移至1000 mL的容量瓶中定容.

0.2 mol/L NaH2PO4的配制：準(zhǔn)確稱量15.601 g磷酸二氫鈉放入燒杯中，加適量水充分溶解后轉(zhuǎn)移至500 mL的容量瓶中定容.

把制得的0.2 mol/L Na2HPO4溶液和0.2 mol/L NaH2PO4溶液按72∶28的體積混合得pH值為7.2 PBS的溶液［8］，待用.

（2）凝膠基質(zhì)和釋放介質(zhì)透光率的測定

將沒有摻入藥物的PVA水凝膠膜和PVA膜浸入到二次蒸餾水中，24 h以后取出，準(zhǔn)確量取相同體積的浸出液和上述制備的PBS溶液，用紫外可見分光光度計(jì)在300～400 nm波長范圍內(nèi)測定.

（3）衍生化試劑的配制

準(zhǔn)確量取0.8 mL乙酰丙酮，1.7 mL一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的甲醛溶液，加醋酸-硼酸-磷酸溶液（體積比為11.5∶8.67∶13.5，加堿液調(diào)節(jié)PH值為4）至30 mL，搖勻，立即使用［9］.

（4）衍生化反應(yīng)及測定

通過衍生化反應(yīng)制得的聚乙烯醇衍生物對(duì)包埋在膜中的藥物有較好的控制釋放作用.準(zhǔn)確量取相同體積的衍生化試劑和硫酸慶大霉素注射液于試管中均勻混和，100℃中水浴加熱25 min，冷卻至室溫，以pH值為7.2的PBS溶液為空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)組，分別在波長356 nm處測定其吸光度.

（5）標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

采用pH值為7.2的PBS溶液將硫酸慶大霉素注射液（2 mL：8萬單位），稀釋成硫酸慶大霉素含量分別為5.0、10.0、15.0、20.0、30.0、40.0、50.0 U/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液，每種溶液及衍生化試劑均吸取3 mL，按衍生化反應(yīng)操作進(jìn)行［9］，設(shè)定波長為356 nm，測定其吸光度，以濃度C（U/mL）—吸光度A進(jìn)行線性回歸，得出回歸方程，畫出標(biāo)準(zhǔn)曲線圖.

（6）藥物的體外釋放

分別取等質(zhì)量的已制備好的PVA水凝膠膜和PVA膜各兩份，標(biāo)為A、A1和B、B1以pH為7.2的PBS 400 mL為釋放介質(zhì)，分別加入燒杯中，保持溫度為32℃.將樣品固定于兩層網(wǎng)片中央，再使樣品與旋轉(zhuǎn)槳底面平行，兩者相距25 mm，設(shè)定旋轉(zhuǎn)槳的轉(zhuǎn)速為100 r/min.分別于0.5、1、2、4、6、8、10、12、24、36、48 h取A和B兩種溶液3份，每份3 mL，取樣位置以正中間為宜，并及時(shí)在操作容器中補(bǔ)充空白組A1和B1中溶液9 mL.分別向取出的溶液中加入衍生化試劑3 mL，繼續(xù)反應(yīng)一段時(shí)間，在波長為356 nm處測定吸光度［9］，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，分別計(jì)算每個(gè)樣品在不同時(shí)間的藥物累積釋放量.

1.3.8 水凝膠膜溶脹度測試

稱取一定質(zhì)量的干燥的水凝膠膜，記為W1，將其在乙醇/水混合液中浸泡一段時(shí)間，取出、擦干樣品表面液體、稱量、記錄數(shù)據(jù)，循環(huán)操作數(shù)次，直到其質(zhì)量變化不大，取三次計(jì)算平均值，記為W2.水凝膠膜的溶脹度DS計(jì)算式為：

2 結(jié)果與討論

2.1 水凝膠膜的厚度

根據(jù)國標(biāo)GB/T 3802-1997紡織物厚度的試驗(yàn)方法，使用YG142型測厚儀對(duì)凝膠膜厚度進(jìn)行了測定，測量的數(shù)據(jù)如表1所示.由表1可以看出水凝膠膜的厚度比較均勻.不同水凝膠膜的厚度有微小差別，這主要是由于用棒式涂膜涂布器在玻璃板上涂膜時(shí)所用的力度不同所致.

表1 不同水凝膠膜厚度

2.2 水凝膠膜的透氣性

以透氣系數(shù)P表征薄膜透氣性.其計(jì)算如下式：

式中p1、p2是薄膜兩側(cè)氣體的分壓強(qiáng)，L是薄膜的厚度，Q為透過樣品的測試氣體總量，從（4）式可見，透氣系數(shù)即為單位時(shí)間內(nèi)，在單位分壓差的作用下，單位厚度的材料在其單位面積上通過的測試氣體總量.表2為兩種PVA水凝膠的透氣測試結(jié)果.

表2 不同水凝膠膜的透氣性能

從表2可知，加入水楊酸的PVA水凝膠透氣系數(shù)明顯大于純PVA水凝膠的透氣系數(shù)，這是在合成凝膠的過程中，使用了水楊酸從而使分子鏈的規(guī)整度遭到破壞，使得樣品的結(jié)晶度下降，阻隔性變差，導(dǎo)致透氣系數(shù)增大［8］.

2.3 水凝膠膜的力學(xué)性能

通過相關(guān)力學(xué)性能測試，表3為不同水凝膠膜的力學(xué)性能.

表3 不同水凝膠膜的力學(xué)性能

從表3可以看出，純PVA水凝膠膜的拉伸強(qiáng)度略大于PVA載水楊酸水凝膠膜，這是由于水楊酸中存在親水基團(tuán)—COOH及—OH，使得PVA分子鏈分散不均勻，在形成凝膠后，PVA水凝膠物理纏結(jié)點(diǎn)分布不均勻，使得凝膠膜在拉力作用下受力不均勻，而PVA載水楊酸水凝膠膜的伸長率大于純PVA水凝膠膜，這可能是由于水楊酸的加入使得PVA大分子鏈規(guī)整度遭到破壞，導(dǎo)致結(jié)晶度下降，從而使凝膠膜表現(xiàn)出韌的性質(zhì)［9］.

2.4 水凝膠膜的抗紫外性能

使用HD902C防紫外線透過及防曬測試儀對(duì)兩種不同水凝膠膜進(jìn)行抗紫外性能測試，其結(jié)果如圖1所示.

圖1 水凝膠膜紫外線透過率

從圖1可知，在280～300 nm范圍內(nèi)，紫外線的透過率與波長呈正相關(guān)關(guān)系，即在這個(gè)范圍內(nèi)PVA水凝膠膜對(duì)紫外光有一定的屏蔽作用，且隨著波長的增加其紫外線透過率增加.但是，在300～400 nm之間，PVA水凝膠膜對(duì)紫外線的吸收效果并不理想，此時(shí)紫外線的透過率高達(dá)95%以上，這說明PVA水凝膠在此段波長范圍內(nèi)幾乎沒有抗紫外線性能，而圖中PVA載水楊酸水凝膠的紫外線透過率略小于純PVA水凝膠的紫外線透過率，這是因?yàn)榧尤胨畻钏岷?，水楊酸本身?duì)紫外線具有吸收作用，并在300 nm左右處達(dá)到最大吸收峰，當(dāng)紫外線照射到PVA載水楊酸水凝膠膜時(shí)，水楊酸吸收一部分紫外線，使得紫外線透過率減小.

2.5 水凝膠的透光性

以分光光度計(jì)測定樣品的透光率，其透光率越大，樣品的透明度越好.透光率數(shù)值根據(jù)水凝膠膜的實(shí)際厚度d校正為0.02 mm厚的PVA水凝膠膜的透光率Ta，所用校正公式：

表4為兩種PVA水凝膠膜的透光率Ta.

表4 不同水凝膠膜的透光率

從表4數(shù)據(jù)可知，水凝膠膜的透光率都比較高，均在95%以上，說明材料的透明度較高，PVA水凝膠中存在液態(tài)水、未結(jié)晶的PVA分子鏈和PVA結(jié)晶區(qū)，處于溶解狀態(tài)的未結(jié)晶PVA分子鏈和水均不會(huì)對(duì)水凝膠的透光率產(chǎn)生影響，只有水凝膠中的PVA結(jié)晶區(qū)會(huì)對(duì)光線產(chǎn)生散射、折射及反射，最終會(huì)降低水凝膠的透明度，而加入水楊酸后，水凝膠膜的透光率稍有升高，這是由于水楊酸的加入限制了PVA晶體的生長，導(dǎo)致PVA水凝膠中晶體體積減小，透明度增大［9］.

2.6 水凝膠膜的抗菌性能

以大腸桿菌作為實(shí)驗(yàn)菌種，對(duì)不同水凝膠膜進(jìn)行抗菌能力測試，將不同水凝膠膜的抑菌圈直徑大小統(tǒng)計(jì)如表5所示.

表5 不同水凝膠膜對(duì)大腸桿菌的抑菌圈直徑大小

從表5可以看出，純PVA對(duì)大腸桿菌幾乎沒有太大的抑制作用，當(dāng)加入水楊酸后，其抑制作用明顯提高，這是由于在大腸桿菌體內(nèi)存在多酚氧化酶，在其作用下水楊酸能轉(zhuǎn)變?yōu)橛休^高毒性的醌類物質(zhì)，而醌類物質(zhì)可以抑制大腸桿菌的磷酸化酶、轉(zhuǎn)氫酶的活性，并進(jìn)一步對(duì)大腸桿菌的果膠分解酶、纖維素分解酶起到強(qiáng)烈的抑制作用，從而抑制大腸桿菌的生長［7］.

以黑曲霉為實(shí)驗(yàn)菌種，對(duì)兩種不同PVA水凝膠進(jìn)行抗菌能力測試將不同水凝膠膜的抑菌圈直徑大小統(tǒng)計(jì)如表6所示.

表6 不同水凝膠膜對(duì)黑曲霉的抑菌圈直徑大小

由表6可知，純PVA對(duì)霉菌幾乎沒有太大的抑制作用，并未觀察到明顯的抑菌圈，因此可以認(rèn)為PVA水凝膠膜對(duì)霉菌的抗菌性能并不明顯，當(dāng)加入水楊酸后其抑菌圈增大，可以認(rèn)為水楊酸對(duì)霉菌有一定的抑制作用.

2.7 水凝膠的緩釋性能

（1）凝膠基質(zhì)和釋放介質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

在300～400 nm波長范圍內(nèi)掃描，水凝膠浸出液和PBS的吸光度均為零，說明兩者對(duì)藥物的測定無干擾.

（2）標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

通過配制不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在356 nm波長下測定其吸光度.測定結(jié)果如表7所示.對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到硫酸慶大霉素注射液濃度和吸光度的關(guān)系如圖2所示.

圖2 硫酸慶大霉素注射液濃度和吸光度的關(guān)系圖

表7 標(biāo)準(zhǔn)溶液和吸光度的測定

通過對(duì)濃度C（U/mL）和吸光度A進(jìn)行直線回歸，得到方程：

結(jié)果表明，在5.0～50.0 U/mL之間線性關(guān)系較好.

（3）藥物釋放的測定

準(zhǔn)確稱取0.200 g PVA水凝膠膜，在pH為7.2的PBS溶液中進(jìn)行藥物釋放實(shí)驗(yàn)，在各個(gè)時(shí)間段取樣，設(shè)定波長為356 nm，測定吸光度A，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算累積濃度［9-12］，其結(jié)果如表8所示.同樣準(zhǔn)確稱取0.200 g PVA膜，按上述相同操作步驟進(jìn)行，其結(jié)果如表9所示.

表8 PVA水凝膠膜的釋放時(shí)間和累積釋放度的關(guān)系

表9 PVA膜的釋放時(shí)間和累積釋放度的關(guān)系

根據(jù)表8和表9作PVA水凝膠膜和PVA膜累積藥物釋放與時(shí)間的關(guān)系圖，如圖3所示.

圖3 PVA水凝膠膜和PVA膜藥物釋放趨勢圖

由圖3比較兩者之間藥物釋放的速度，分析可知，隨著時(shí)間的增加，PVA水凝膠膜和PVA膜的累積釋放度都在逐漸增大，由表8、表9以及圖3可見，在0～6 h內(nèi)PVA膜的釋放速度迅速，之后釋放速度很慢，PVA水凝膠膜藥物的釋放速度緩慢增快，在6 h處濃度達(dá)到最大，PVA水凝膠膜的藥物釋放速度相對(duì)于PVA膜，釋放速度更加平穩(wěn).因?yàn)椴捎美鋬觥鈨龇ㄖ苽涞乃z屬于物理交聯(lián)，是一種可逆水凝膠，由此法制備的水凝膠膜是以水為介質(zhì)，通過分子物理纏繞和氫鍵作用力而形成的高分子網(wǎng)絡(luò)體系.當(dāng)PVA溶液在低溫條件下，分子鏈運(yùn)動(dòng)減弱，鏈之間的接觸時(shí)間變長，鏈之間的距離縮短，有利于分子鏈上的羥基間形成氫鍵締合，同時(shí)PVA在低溫下通過結(jié)晶作用，促使了物理網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)點(diǎn)的形成，并形成了很好的結(jié)晶結(jié)構(gòu)［13］.

將PVA水凝膠作為藥物載體，與小分子藥物以結(jié)合鍵的形式相連，或?qū)⑿》肿铀幬锇裼谒z內(nèi)，通過這種方法，可使藥物釋放時(shí)間得到較大程度的延長，增加了藥物的穩(wěn)定性，減少了藥物的用量，實(shí)現(xiàn)了藥物控制緩釋技術(shù)［14］.

從表8、表9以及圖3可以看出PVA水凝膠膜和PVA膜都具有緩釋性能，而由于PVA水凝膠膜在冷凍解凍過程中，形成了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，有利于對(duì)藥物進(jìn)行包埋，藥物釋放速度緩慢，所以PVA水凝膠膜的緩釋性能比PVA膜相對(duì)優(yōu)異.

2.8 水凝膠膜溶脹度測試

表10為兩種不同水凝膠膜在85%的乙醇溶液中15℃時(shí)的溶脹度.

表10 不同水凝膠膜的溶脹度

從表10可知，PVA水凝膠膜在15℃時(shí)的溶脹度可達(dá)33.64%，而PVA/SA水凝膠膜略小于PVA水凝膠膜的溶脹度，可能是由于在溶脹過程中，PVA/SA水凝膠膜中的SA能部分溶于水而析出，使得水凝膠膜增加的質(zhì)量減少，最終導(dǎo)致溶脹度下降.

3 結(jié)論

（1）以PVA、SA等為原料制備出了一系列PVA膜、含硫酸慶大霉素PVA膜、PVA載硫酸慶大霉素水凝膠膜、PVA水凝膠膜、PVA/SA復(fù)合水凝膠膜.

（2）從制備的樣品表征發(fā)現(xiàn)PVA水凝膠膜、PVA/SA復(fù)合水凝膠膜都具有較均勻的厚度、很高的透明度及比較優(yōu)良的溶脹度，同時(shí)也具有一定的力學(xué)拉伸強(qiáng)度和透氣性，而PVA/SA復(fù)合水凝膠膜其抗菌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于PVA水凝膠膜.

（3）對(duì)PVA水凝膠膜的緩釋性能考察時(shí)，發(fā)現(xiàn)PVA水凝膠膜的藥物釋放速度相對(duì)于PVA膜更加平穩(wěn)，明顯優(yōu)于PVA膜的緩釋性能.