高強度低摩擦PVA基水凝膠的研究進展

顧偉，李巧玲，鄧曉莉，郝莉，張睿軒，劉振興

(中北大學(xué) 理學(xué)院，山西 太原 030051)

現(xiàn)如今，關(guān)節(jié)軟骨組織的損傷是臨床最常見的疾病之一[1]，創(chuàng)傷、運動磨損、脫位等因素都會導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨組織受損[2]。軟骨的細胞外基質(zhì)(ECM)主要由水構(gòu)成，其含量達到了60%～80%[3]，但是軟骨受傷后自行修補的能力有限。目前，人工軟骨材料為關(guān)節(jié)軟骨的損傷修復(fù)或替代提供了更多的選擇性[4]，人工軟骨材料的生物相容性是一個需要考慮的重要因素，水凝膠作為一種高分子材料，以多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為骨架[5-6]，含水量高，同時具有良好生物相容性，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，因此，水凝膠材料是一種很有前途的關(guān)節(jié)軟骨置換材料[7]。

近年來針對水凝膠的研究得到了快速的發(fā)展。如Cui等[8]采用一步凝膠法制備了具有多孔雙層結(jié)構(gòu)的PVA-BA/PEG(聚乙烯醇-硼酸/聚乙二醇)仿生水凝膠。這種水凝膠在表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能的同時，還能夠具有優(yōu)異的水潤滑性能。PVA-BA/PEG水凝膠在水潤滑或小牛血清中的摩擦系數(shù)即使在高負荷下也很低，在關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)中具有很高的應(yīng)用潛力。

因此，研究具有高的力學(xué)性能、低摩擦性能和良好的生物相容性的水凝膠具有非常好的現(xiàn)實意義。

1 PVA基水凝膠的制備方法

根據(jù)形成機制的不同，水凝膠的制備方法主要分為物理交聯(lián)法和化學(xué)交聯(lián)方法。物理交聯(lián)通過非共價鍵方式形成凝膠，具有可逆性；化學(xué)交聯(lián)是以化學(xué)鍵與兩種或多種聚合物大分子結(jié)合，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，反應(yīng)不可逆。

1.1 物理交聯(lián)法

物理交聯(lián)法不用添加任何化學(xué)試劑，且無有毒物質(zhì)，不會降低材料的生物相容性。物理交聯(lián)法最常用的方法是“凍融法”(不添加交聯(lián)劑)。制備高純度PVA水凝膠的常用方法就是凍融法，制備的水凝膠性能與PVA濃度和凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān)。例如，Gonzalez J S等[9]通過在PVA水溶液中添加不同量的HA(羥基磷灰石)并隨后進行凍融循環(huán)法來制備PVA/HA復(fù)合水凝膠。羥基磷灰石作為人和動物骨骼的主要無機成分，具有良好的生物相容性。通過添加HA，一方面解決了粘附性差的問題，另一方面，制備的PVA/HA復(fù)合水凝膠具有關(guān)節(jié)置換的潛在應(yīng)用，為關(guān)節(jié)置換水凝膠材料提供了研究方向。

1.2 化學(xué)交聯(lián)法

化學(xué)交聯(lián)法主要有化學(xué)引發(fā)自由基聚合的反應(yīng)、輻射交聯(lián)法等。例如，化學(xué)引發(fā)的自由基聚合反應(yīng)通過添加引發(fā)劑和交聯(lián)劑，誘導(dǎo)產(chǎn)生單體自由基，再與其他自由基反應(yīng)形成新的自由基，最終形成穩(wěn)定的聚合物。Ceylan S等[10]在蒸餾水中添加聚合物制備具有不同PVA/明膠溶液，在聚合物溶液中加入戊二醛作為交聯(lián)劑，經(jīng)過冷凍解凍法成功制備出PVA/明膠基冷凍凝膠。在膨脹率測試中，PVA/明膠比為1∶1的冷凍凝膠具有最高的溶脹率，化學(xué)交聯(lián)冷凍凝膠的溶脹率為(973.20±68.65)%對比同條件下物理交聯(lián)冷凍凝膠(不添加交聯(lián)劑)的溶脹率(456.87±10.51)%高得多。采用3-(4,5-二甲基噻唑基)-2,5-二苯四唑溴化銨(MTT)法考察了低溫菌的生物相容性，結(jié)果表明，細胞在化學(xué)交聯(lián)法制備的水凝膠支架上的存活率更高。實驗表明，化學(xué)交聯(lián)對水凝膠的吸水能力有影響，同時水凝膠具有良好的生物相容性。

2 PVA基水凝膠的功能化改性的研究

近年來，由于聚乙烯醇(PVA)水凝膠具有類似于關(guān)節(jié)軟骨的多孔結(jié)構(gòu)和良好的親水性能[11]，同時具有很好的摩擦特性和生物相容性，因此在工程潤滑領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，從而成為關(guān)節(jié)軟骨替代物的首選材料[12-14]。純PVA水凝膠的力學(xué)性能較差難以承受大的載荷，限制了它的應(yīng)用[15]。改善水凝膠性能的方法可以通過：(1)構(gòu)建雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；(2)添加納米粒子，構(gòu)建納米復(fù)合水凝膠，從而使PVA水凝膠既具有優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的摩擦性能，也具有優(yōu)良的生物相容性。

2.1 雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠

雙網(wǎng)絡(luò)(DN)水凝膠由兩個物理性質(zhì)對比強烈的互穿網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，可以實現(xiàn)剛度和韌性之間的力學(xué)性能平衡，其中第1個(脆性和剛性)網(wǎng)絡(luò)容易斷裂耗散能量；第2個(柔軟且有延展性)網(wǎng)絡(luò)有助于水凝膠的延展性。第一網(wǎng)絡(luò)的耗散能力可以防止裂紋擴展，從而顯著改善DN水凝膠的力學(xué)性能[16]。

雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠相對于單網(wǎng)絡(luò)水凝膠結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，增加了分子鏈的纏結(jié)點和交聯(lián)點，降低了分子鏈的遷移率，有利于減小分子間滑移引起的不可逆變形，提高了水凝膠的剛度。例如，Yang等[17]合成了BC-PVA-PAMPS[細菌纖維素-聚乙烯醇-聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸鈉鹽)]雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。納米纖維網(wǎng)絡(luò)的細菌纖維素(BC)具有良好的生物相容性，所以將BC滲透到PVA-PAMPS雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中，既增加了水凝膠的抗疲勞強度，也增加了水凝膠的抗拉強度。研究發(fā)現(xiàn)，BC-PVA-PAMPS水凝膠的摩擦系數(shù)(0.06)約為軟骨的一半，比軟骨的摩擦系數(shù)低45%；耐磨度是PVA水凝膠的4.4倍，并在10萬次循環(huán)時表現(xiàn)出軟骨等效疲勞強度。BC-PVA-PAMPS水凝膠在拉伸和壓縮中都具有軟骨的強度和模量，PVA網(wǎng)絡(luò)具有彈性恢復(fù)力、粘彈性能量耗散和防止應(yīng)力集中的作用，PAMPS[聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙烷磺酸鈉鹽)]網(wǎng)絡(luò)為水凝膠提供了滲透恢復(fù)力的來源，PAMPS網(wǎng)絡(luò)的電荷表面可以增加凝膠與相對表面之間的水潤滑層厚度。在生物相容性的試驗中，小鼠成纖維細胞與水凝膠提取物孵育48 h后，未觀察到細胞毒性或裂解跡象。因此，BC-PVA-PAMPS水凝膠已被證明具有生物相容性，有望成為人工關(guān)節(jié)軟骨材料良好的候選材料。

一般來說，水凝膠具有低的摩擦系數(shù)(COF)，就要要求水凝膠具有較大的水化程度，較大的水化程度又會降低鏈密度和力學(xué)性能[18]。例如，韌性聚丙烯酸-聚乙烯醇復(fù)合水凝膠的含水量為40%，而摩擦系數(shù)(COF)為0.26[19]。而關(guān)節(jié)軟骨置換材料的摩擦系數(shù)僅為0.11[20]。因此，高強度兼具低的COF和具有軟骨生物相容性的水凝膠仍然是當前研究熱點。Luo等[21]將聚乙烯醇(PVA)和殼聚糖(CS)水溶液凍融，然后用海藻酸鈉溶液(SA)浸泡，得到了高強度、低摩擦、生物相容性好的復(fù)合水凝膠。根據(jù)氫鍵和離子相互作用的協(xié)同作用，得到的水凝膠具有較高的強度(最大抗壓強度=141 MPa)， 摩擦系數(shù)COF僅僅為0.044。在制備的PVA/CS/SA水凝膠中，具有豐富的胺基和羥基的殼聚糖(CS)網(wǎng)絡(luò)作為第一網(wǎng)絡(luò)，PVA作為第二網(wǎng)絡(luò)，然后在高濃度的海藻酸鈉(SA)水溶液中浸泡后，網(wǎng)絡(luò)的均勻性和交聯(lián)密度得到了提高，使材料更加堅固，獲得了高強度、低摩擦、生物相容性好的水凝膠。水凝膠具有低的摩擦系數(shù)，同時海藻酸鈉(SA)是一種生物相容性好和無毒的聚合物，制備的PVA/CS/SA復(fù)合水凝膠具有的優(yōu)點使其成為人工關(guān)節(jié)軟骨材料理想的替代品之一。

2.2 納米復(fù)合水凝膠

納米水凝膠(Hydrogel nanoparticles,NPs)是一種具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)，分散介質(zhì)為水的納米顆粒聚合物，粒徑范圍為1～1 000 nm。納米水凝膠具有優(yōu)良的生物相容性、高保水性[22]。因此，由各種納米粒子和聚合物所制備的納米聚合水凝膠已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[23]。納米水凝膠中的高分子聚合物鏈結(jié)構(gòu)中有多個活性官能團。大量的活性位點可以結(jié)合其他組分，如納米材料。由于納米材料具有優(yōu)異的剛性，可以充分提高PVA水凝膠的力學(xué)性能。通過選擇不同的納米材料，制備不同結(jié)構(gòu)和功能的納米水凝膠，通常用于軟骨組織材料的納米水凝膠中的納米粒子包括：碳基納米粒子、金屬-有機納米粒子(MOFs)、無機非金屬納米粒子等。

2.2.1 GO納米復(fù)合水凝膠 石墨烯作為一種優(yōu)異的納米材料，自從2004年首次報道以來，就被廣泛研究[24]。氧化石墨烯(GO)是石墨烯的衍生物，與其他納米材料[25]相比較，具有良好的柔韌性、力學(xué)性能優(yōu)異，而且容易制備；GO比表面積大、易修改，并且具有很好的生物相容性，所以得到了人們的廣泛關(guān)注。一方面，GO具有大量的含氧官能團，PVA鏈與GO之間的強鍵合作用，可以有效的提高PVA水凝膠的性能；另一方面，GO表面的含氧官能團可以通過物理或化學(xué)方法修飾，進一步擴大了其的應(yīng)用范圍。

研究軟骨替代水凝膠材料的關(guān)鍵就是水凝膠材料在不同接觸條件下的摩擦響應(yīng)。為了更好地理解PVA/GO水凝膠在遷移和固定接觸下的摩擦行為，Shi等[26]采用反復(fù)凍融法制備了不同GO含量的PVA/GO復(fù)合水凝膠，討論了PVA/GO在遷移和固定接觸條件下的兩相潤滑行為。PVA/0.10%GO水凝膠與天然軟骨接觸摩擦系數(shù)僅為0.03，PVA/GO水凝膠在固定和遷移接觸構(gòu)型下的摩擦系數(shù)很大程度上取決于間隙流體增壓和摩擦再水化作用。PVA/GO水凝膠的摩擦行為表現(xiàn)出與天然關(guān)節(jié)軟骨相似的載荷、速度和表面直徑依賴性，制得的良好生物相容性的PVA/GO水凝膠材料可以作為軟骨置換材料。

除此之外，可以通過在GO和PVA添加交聯(lián)劑(化學(xué)交聯(lián)法)，使得水凝膠獲得更好的力學(xué)性能。例如，Chen等[15]采用生物相容性交聯(lián)劑β-環(huán)糊精醛交聯(lián)氧化石墨烯薄片，形成無機氧化石墨烯網(wǎng)絡(luò)(β-氧化石墨烯，β-GO)，將合成的無機氧化石墨烯網(wǎng)絡(luò)加入到PVA基體中，通過凍融的方法制備無機/有機互穿(IPN)水凝膠。β-GO/PVA水凝膠的壓縮模量達到了0.91 MPa，與天然關(guān)節(jié)軟骨組織(0.4～0.8 MPa)[27]相當。與純PVA水凝膠相比，β-GO濃度為3 mg/mL時，β-GO/PVA水凝膠的壓縮模量增加了533%，斷裂伸長率增加了255%；與相同濃度的GO/PVA水凝膠相比，β-GO/PVA水凝膠具有更高的力學(xué)性能。在含水率測試中，β-GO/PVA水凝膠仍保持75%以上的高含水率，與天然軟骨含水率(75%)近似。在細胞相容性實驗中，β-氧化石墨烯/PVA水凝膠對hCHs(人軟骨細胞)細胞的毒性很小，表明β-氧化石墨烯/PVA水凝膠具有良好的生物相容性。

納米粒子的引入使PVA水凝膠的拉伸性能發(fā)生了非常明顯的變化。β-氧化石墨烯網(wǎng)絡(luò)的加入一方面不僅增強了PVA水凝膠的壓縮性能而不增加其脆性，而且還增強了其拉伸性能；另一方面，β-GO/PVA水凝膠中加入納米粒子含水率仍能達到與天然軟骨近似的含水量；對hCHs(人軟骨細胞)細胞的毒性很小，具有良好的生物活性。這些結(jié)果表明，良好生物相容性的β-氧化石墨烯/PVA水凝膠是一種很有前景的人工關(guān)節(jié)軟骨替代品。

2.2.2 金屬-有機納米粒子復(fù)合水凝膠 具有有機界面的金屬-有機骨架(MOFs)納米粒子的出現(xiàn)，在催化劑[28]、吸附等[29]領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的研究。Sharma S K等[30]研究發(fā)現(xiàn)，由有機配體組成的ZIF-8(沸石型咪唑骨架)能夠在聚合物中很好的分散開，同時ZIF-8與PVA之間的界面更好，拉伸強度提高到了20%。另一方面，具有層狀結(jié)構(gòu)的二維MOFs納米片在油[31]中具有明顯的分散性和良好的減摩擦性能。因此，二維MOFs的有機界面和層狀結(jié)構(gòu)能夠提高其在水凝膠中的分散性，從而也能夠提高水凝膠力學(xué)性能和摩擦性能。

Gao D Y等[32]成功制備出了Ni-Fe MOF(Ni-Fe-MOF納米片)/PVA復(fù)合水凝膠。二維Ni-Fe MOF納米片表面存在有豐富的含氧官能團，二維Ni-Fe MOF納米片與PVA鏈間的相互作用，從而實現(xiàn)更好的分散。2D Ni-Fe MOF/PVA(二維Ni-Fe MOF納米片/聚乙烯醇)水凝膠的拉伸強度和斷裂伸長率與純PVA水凝膠相比，2D Ni-Fe MOF/PVA水凝膠的拉伸強度達到1.04 MPa，斷裂伸長率達到299%，明顯大于0.64 MPa和211%的純PVA水凝膠。加入納米材料可以明顯提高水凝膠的拉伸強度。2D Ni-Fe MOF/PVA的摩擦系數(shù)最小達到0.1，明顯小于純PVA水凝膠的摩擦系數(shù)(COF=0.17)。二維Ni-Fe MOF/PVA復(fù)合水凝膠具有典型的減阻性能以及優(yōu)異的力學(xué)性能。因此，這些二維(2D)納米材料本身具有良好的剛性和較大的比表面等優(yōu)點，制備的低摩擦水凝膠有望為人工關(guān)節(jié)軟骨的研究提供一個新的方向。

2.2.3 無機納米粒子復(fù)合水凝膠 納米羥基磷灰石(HA)作為天然骨礦物的主要成分，同時也是生物相容性很好的無機材料，內(nèi)部具有相互聯(lián)通的孔隙結(jié)構(gòu)，在有機/無機復(fù)合水凝膠的研究中受到人們越來越多的關(guān)注[33-34]。HA與PVA的有效結(jié)合能夠提高水凝膠的生物活性、細胞粘附性和摩擦性能[35-36]。

水凝膠被認為是軟骨修復(fù)或替換的理想材料，而水凝膠的生物摩擦性能和生物相容性仍然是關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。HA的存在能夠使水凝膠具有低的摩擦性、耐磨性和良好的生物相容性。例如，Gan S 等[37]通過冷凍/解凍技術(shù)，制備了雙物理交聯(lián)的聚乙烯醇-(納米羥基磷灰石)/(2-羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖)(PVA-HA/HACC-Cit)雙網(wǎng)絡(luò)(DN)水凝膠。得到的水凝膠具有良好的力學(xué)性能，包括高斷裂拉應(yīng)力(2.70±0.24) MPa、韌性(14.09±2.06) MJ/m3和壓縮模量(0.88±0.09) MPa。由于其獨特的雙重物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)，制備的水凝膠具有顯著的抗疲勞性能和自恢復(fù)性能；在以牛血清作為界面潤滑劑，在不同的滑動速度下的摩擦系數(shù)測量中，PVA-HA/HACC-Cit水凝膠的摩擦系數(shù)都較高，表明HA(納米羥基磷灰石)的存在可以提高水凝膠的摩擦學(xué)性能；在相同滑動速度和不同載荷來測摩擦滑動的摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)能夠隨載荷的增加而增加。結(jié)果表明，PVA-HA/HACC-Cit水凝膠在軟骨修復(fù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

Chen等[36]采用凍融退火法制備了高強度、低摩擦的PVA-HA/PAA(聚乙烯醇-納米羥基磷灰石/聚丙烯酸)復(fù)合水凝膠。PVA、PAA(聚丙烯酸)和HA(納米羥基磷灰石)之間能夠發(fā)生物理交聯(lián)，互相發(fā)生氫鍵反應(yīng)；經(jīng)過退火處理，PVA、PAA和HA之間氫鍵的相互作用進一步發(fā)生反應(yīng)。實驗結(jié)果表明，退火處理的PVA-HA/PAA復(fù)合水凝膠的斷裂應(yīng)變低于其他水凝膠，而其拉伸強度和彈性模量最高。在摩擦系數(shù)測量中，退火處理的PVA-HA/PAA復(fù)合水凝膠在滑動速度為10 mm/s和載荷10～20 N下的摩擦系數(shù)為最低。因此，HA納米粒子的加入，再通過退火處理，PVA-HA/PAA復(fù)合水凝膠的摩擦系數(shù)出現(xiàn)明顯降低，而且明顯增加了水凝膠的彈性，并且具有良好的回收性。由此可見，采用凍融退火制備的高強度、低摩擦的PVA-HA/PAA復(fù)合水凝膠應(yīng)于關(guān)節(jié)軟骨材料的置換具有一定的創(chuàng)新性，具有很好的研究價值。

3 結(jié)論及展望

水凝膠高分子材料的出現(xiàn)，為關(guān)節(jié)軟骨的損傷修復(fù)或替代提供了新的研究方向。PVA水凝膠具有良好的親水性能和好的摩擦特性以及良好的生物相容性，根據(jù)需求進行了改性和加工，通過在PVA水凝膠中構(gòu)建雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和添加納米粒子，制備的水凝膠實現(xiàn)了低摩擦、高承載和高耐磨等優(yōu)點，滿足了人工關(guān)節(jié)軟骨置換材料的需求。雖然水凝膠的研究已經(jīng)受到研究者們的青睞，但是有關(guān)延長水凝膠材料的使用壽命和水凝膠低的細胞毒性仍需進一步研究。可以預(yù)見，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,以水溶性PVA為基質(zhì)的良好生物相容性的高分子材料會得到更加廣泛的應(yīng)用。