聚乙烯醇基水凝膠制備及與應(yīng)用的研究進展

周厚旺，王月琴

（溫州大學(xué)，浙江 溫州 325000）

聚合物水凝膠網(wǎng)絡(luò)可以通過化學(xué)交聯(lián)或物理交聯(lián)形成交聯(lián)點，這種網(wǎng)絡(luò)可以膨脹或收縮，吸收和保留大量的水，同時不溶于水[1-2]。通常水凝膠在自然條件下可固定成一定的形狀，并在一定的壓力下表現(xiàn)出良好的柔韌性。這類具有吸水性﹑保水性﹑控釋性等功能化性能的高分子材料，近年來引起了研究者的巨大研究興趣，發(fā)展前景廣闊。

隨著對水凝膠功能需求的增大，功能性水凝膠的設(shè)計策略得到了廣泛的研究。通過各種化學(xué)和物理相互作用制備的水凝膠，通常表現(xiàn)出優(yōu)異的特性如靈敏度﹑生物適應(yīng)性等[3]。水凝膠在組成﹑結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上與人類的軟組織有相似之處，因此也被廣泛用于藥物遞送﹑細胞培養(yǎng)﹑組織工程以及其他生物醫(yī)學(xué)和仿生應(yīng)用[4]。此外，功能化水凝膠在智能傳感﹑環(huán)境治理等諸多方面也具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。

聚乙烯醇（PVA）作為早期的高分子水凝膠材料之一，近年來呈現(xiàn)出新的生命力。許多研究表明，PVA 具有進一步研究的價值。PVA 基水凝膠通過交聯(lián)和溶脹，可形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的膠體分散體，并因生物適應(yīng)性好﹑高吸水率﹑良好的機械性能而備受關(guān)注[6-7]。在20 世紀70 年代初期，冷凍凝膠PVA 就被提議用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用[8]。同一時期，Peppas 開展了一系列關(guān)于PVA 水凝膠制備技術(shù)的研究。通過測量PVA 樣品在凝膠過程中的結(jié)晶濁度，可深入了解PVA 在結(jié)晶過程中的交聯(lián)反應(yīng)，研究結(jié)晶﹑PVA 濃度和凝膠時間之間的關(guān)系，從而擴大PVA 水凝膠在傳感﹑生物醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用[9-11]。此后，研究人員致力于PVA 水凝膠的形成﹑修飾﹑表征和應(yīng)用的研究。

經(jīng)過幾十年的探索，得益于研究技術(shù)的進步（如3D 打印），PVA 水凝膠作為先進功能材料的應(yīng)用得到了廣泛的拓展，如3D 打印組織工程材料[12-13]﹑自修復(fù)凝膠[14]﹑形狀記憶材料[15]﹑摩擦納米發(fā)電機[16]﹑傳感器[17]等，進一步表明這種材料具有更多的潛力和可能性。

1 聚乙烯醇基水凝膠的制備方法

為了制備機械強度好﹑含水量高﹑制備簡便的PVA 水凝膠，采用不同的交聯(lián)方法和制備條件，可獲得理想的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。根據(jù)聚合物的交聯(lián)機理，PVA 水凝膠的制備可分為物理交聯(lián)﹑化學(xué)交聯(lián)和輻射交聯(lián)。

1.1 物理交聯(lián)

當(dāng)下，重復(fù)的“凍融法”是最常用的物理交聯(lián)工藝[18-19]。通過物理交聯(lián)獲得的水凝膠，機械性能大大提高，且交聯(lián)過程是熱可逆的。聚合物鏈的聚合部分和非聚合部分在凝膠化的初始階段形成，因分子內(nèi)氫鍵的作用而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng) PVA 溶液冷凍時，分子鏈的運動減弱，鏈間的接觸時間變長，鏈間距離縮短，促進了內(nèi)層/分子間羥基之間氫鍵締合的形成[20-21]。凍融法制備的PVA 水凝膠，使用了生物適應(yīng)性良好的有機交聯(lián)劑，可保持良好的生物相容性。隨著環(huán)境參數(shù)（如溫度﹑pH 值和滲透壓）的變化，物理交聯(lián)點的性質(zhì)可以改變，溶膠-凝膠狀態(tài)是可逆的。

Jianquan Hu 等人[22]采用簡單的一鍋凍融法制備了PVA 基離子導(dǎo)電水凝膠，將不同比例的PVA﹑CNF 蒸餾水懸浮液及甘油混合后，在一定條件下攪拌，得到水凝膠前驅(qū)體溶液，再將前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到四氟乙烯模具中，置于?18℃的冰箱中12h，再在室溫下解凍3h。凍融過程循環(huán)3 次即得到水凝膠。隨著凍融次數(shù)增加，分子間的交聯(lián)程度增加，氫鍵作用力增強，水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更加緊密，除了具備優(yōu)異的機械性能外，水凝膠在室溫和-18℃下的離子電導(dǎo)率為0.220 S?m-1和 0.183 S?m-1，表現(xiàn)出優(yōu)異的離子電導(dǎo)率和抗凍性。該水凝膠具有優(yōu)異的機械性能﹑離子電導(dǎo)率和抗凍性，可被集成到人體運動監(jiān)測的應(yīng)變傳感器中，表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感穩(wěn)定性﹑可重復(fù)性和可靠性。

1.2 化學(xué)交聯(lián)

化學(xué)交聯(lián)是水凝膠最常用的制備方法，水凝膠的性能會受到濃度﹑交聯(lián)劑種類和反應(yīng)條件的影響。化學(xué)交聯(lián)劑可以在PVA 分子之間形成化學(xué)交聯(lián)點，從而形成凝膠?；瘜W(xué)交聯(lián)反應(yīng)迅速，但由于交聯(lián)劑的分散不均勻，因此經(jīng)常會出現(xiàn)不均勻的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。目前大多數(shù)的化學(xué)交聯(lián)劑都具有生物毒性且難以去除，對組織細胞有巨大的損傷，植入后會引起炎癥，且不會降低水凝膠材料的生物相容性[23]。

Jun Seo Park 等人[24]采用水溶液流延制備了在HCl 存在下與戊二醛（GA）化學(xué)交聯(lián)的聚乙烯醇（PVA）薄膜。PVA 和戊二醛（GA）之間發(fā)生反應(yīng)生成了聚合物網(wǎng)絡(luò)，其機械性能和溶脹受到交聯(lián)程度的影響，所形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)是PVA 的羥基與GA 的醛基在強酸存在下反應(yīng)而獲得的。

1.3 輻射交聯(lián)

輻射交聯(lián)一般是利用高能射線如伽馬射線﹑電子束和X 射線等，直接輻射PVA 溶液。當(dāng)用高能射線照射PVA 時，它會產(chǎn)生大分子自由基，輻照PVA產(chǎn)生的自由基分別位于仲碳和叔碳上。2 個大分子自由基通過雙基團偶聯(lián)反應(yīng)交聯(lián)在一起，產(chǎn)生交聯(lián)鍵。隨著交聯(lián)鍵增加，它們開始凝膠化，并逐漸在整個系統(tǒng)中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[25-27]。由于輻射產(chǎn)生的PVA 水凝膠不含交聯(lián)劑，因此具有良好的光學(xué)透明度。采用輻射交聯(lián)制備的PVA 水凝膠，其另一個優(yōu)點是反應(yīng)迅速，可以在室溫和大氣壓下制備[28-29]，但是制備成本偏高。

Y. C.Nho 等人制備了由PVA﹑PVP 和殼聚糖組成的可作為傷口敷料的水凝膠。水凝膠由殼聚糖和PVA/PVP 的混合物，通過冷凍和解凍及用伽馬射線照射的兩步法制成。將水凝膠樣品和凡士林紗布覆蓋在大鼠背部皮膚上的傷口，術(shù)后當(dāng)天對傷口狀態(tài)進行觀察，凡士林紗布很快干燥并粘在老鼠的傷口上，PVA/PVP-殼聚糖水凝膠敷料可以止血，固化效果優(yōu)于凡士林紗布，實驗結(jié)果顯示了輻射交聯(lián)水凝膠的優(yōu)勢。

2 聚乙烯醇基水凝膠的改性方法

隨著科技的發(fā)展，對水凝膠的功能需求越來越多，研究人員越發(fā)致力于PVA 水凝膠的形成﹑修飾﹑表征和應(yīng)用研究。聚乙烯醇基水凝膠的改性方法大致有化學(xué)改性﹑物理改性﹑加裝填料等。

2.1 化學(xué)改性

純PVA 水凝膠對環(huán)境刺激不敏感，通?？梢詫⒐倌軋F嫁接到PVA 骨架上，以此來修飾PVA 的分子結(jié)構(gòu)。Xu Yang 等人[30]以丙烯酸化PVA 與DMC 或SBMA 單體的共聚交聯(lián)為基礎(chǔ)，開發(fā)了帶電基團改性的PVA 水凝膠。所制備的水凝膠具有大孔結(jié)構(gòu)﹑高孔隙率﹑適當(dāng)?shù)娜苊浤芰土W(xué)性能。水凝膠在較寬的pH 范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，并賦予了PVA 水凝膠抗菌功能。Monika Muchová等人[31]用不同濃度的交聯(lián)劑﹑2，3-二醛纖維素﹑DAC﹑不同分子量的基質(zhì)聚乙烯醇PVA 進行組合，優(yōu)化了PVA/DAC 薄膜在局部應(yīng)用中的性能。使用較高分子量的PVA 基質(zhì)與較低濃度的交聯(lián)劑組合，制備的薄膜具有高孔隙率和高含水量（載藥能力），所有的測試樣品對皮膚均具有最佳的附著力，增強了其透皮給藥性能。

2.2 物理改性

利用聚合物鏈之間的分子間力形成分子聚集體，可以獲得具有優(yōu)異性能的復(fù)合體系。Elnaz Farzinfar 等人[32]采用離子向凝膠法合成了殼聚糖納米顆粒，將PVA 與殼聚糖納米顆粒組合，采用凍融循環(huán)制備了納米復(fù)合水凝膠，研究了PVA 納米復(fù)合水凝膠在傷口敷料中的特性。PVA 納米復(fù)合水凝膠具有良好的溶脹性和機械強度，能滿足傷口敷料的要求。

2.3 加裝填料

將無機填料或有機分子復(fù)合到PVA 水凝膠中，可以增強PVA 水凝膠的性能。這種共混不僅可以保持PVA 水凝膠的生物活性，還可以改善PVA 水凝膠的機械性能，賦予水凝膠新的功能。Xiongxin Luo 等人研發(fā)了一種基于MXene/PVA 水凝膠的柔性多功能摩擦電納米發(fā)電機，MXene 納米片的摻雜不僅促進了PVA 水凝膠的交聯(lián)，還提高了復(fù)合水凝膠的拉伸性。Yeqiao Meng 等人[33]采用擠出3D 打印技術(shù)，構(gòu)建了一種具有仿生梯度結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇（PVA）基復(fù)合水凝膠，可作為人工軟骨的替代品。GO 或GO-HA 的引入使得分子間氫鍵減弱，糾纏密度降低，動態(tài)黏度得到極大改善，在人工軟骨的精準定制修復(fù)中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

3 聚乙烯醇基水凝膠的應(yīng)用

PVA 高分子材料具有無毒﹑生物相容性好﹑可降解性﹑可加工性等特性，可滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求，已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥[34-36]﹑自修復(fù)材料[37]﹑摩擦納米發(fā)電機﹑傳感器[38]等領(lǐng)域。

3.1 生物醫(yī)藥

作為一種新興的藥物載體，水凝膠被廣泛應(yīng)用于腫瘤藥物的遞送。水凝膠藥物載體的副作用相對較輕，并能對腫瘤部位實施藥物的持續(xù)遞送。此外，水凝膠具有優(yōu)異的生物相容性和生物降解性，比其他載體的毒性更低，能響應(yīng)環(huán)境中的刺激（如熱﹑pH﹑光﹑超聲波），實現(xiàn)原位凝膠化和控制藥物釋放，從而大大提高了藥物遞送的便利性和效率。Xiuqi Li 等人采用化學(xué)交聯(lián)和原位合成技術(shù)，制備了一系列PU/PVA 和PU/PVA/Ag 水凝膠。PU/PVA 水凝膠具有均勻的多孔結(jié)構(gòu)﹑良好的溶脹能力和生物相容性。PU/PVA 水凝膠中的銀納米顆粒，進一步提高了材料的力學(xué)和摩擦學(xué)性能（楊氏模量﹑拉伸強度﹑斷裂伸長率和摩擦系數(shù)）。此外，PU/PVA/Ag 復(fù)合水凝膠顯示出優(yōu)異的抗菌性能，表明它們可以用于傷口愈合。Katarzyna Bialik-W?s 等人使用紫外輻射，開發(fā)了含有紫錐菊提取物的海藻酸鈉/聚乙烯醇水凝膠，水凝膠具有抗氧化活性，可以在傷口愈合過程中保持傷口潮濕，促進新組織的生長和傷口愈合。

3.2 自修復(fù)材料

自主自愈被定義為能使材料自動愈合損傷，使機體恢復(fù)正常狀態(tài)的屬性。自主自愈通常發(fā)生在制備的材料中，無需外部刺激的干預(yù)即可實現(xiàn)自我修復(fù)。水凝膠的流動性可以填充不規(guī)則的空腔和形狀而無需預(yù)成型加工。其保水能力和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與細胞外基質(zhì)相似，具有較強的穩(wěn)定性。但與傳統(tǒng)水凝膠不同，自修復(fù)水凝膠通過動態(tài)連接而形成空間網(wǎng)絡(luò)。Maria Bercea 等人將PVA 經(jīng)過冷凍/解凍程序會形成三維網(wǎng)絡(luò)的能力，與氧化普魯蘭多糖大分子與PVA 相互作用的能力相結(jié)合，?COOH 基團的存在避免了交聯(lián)劑的補充，僅3 個凍融循環(huán)即加速形成了網(wǎng)絡(luò)。該水凝膠具有自愈能力，且恢復(fù)快，疤痕小，患者的疼痛小。這種特性提供了以侵入性較小的方式實施體內(nèi)藥物遞送的可能性。該水凝膠不會釋放細胞毒性化合物，具備良好的生物適應(yīng)性。

3.3 摩擦電納米發(fā)電機

摩擦電納米發(fā)電機（TENG）代表了在自供電﹑醫(yī)療科學(xué)和電子信息技術(shù)中的新興技術(shù)?；赥ENG 的柔性，簡單易制造﹑可自供電的電子器件備受期待，但傳統(tǒng)柔性電極的復(fù)雜制備工藝和高昂的成本，阻礙了其的實際應(yīng)用。Xiongxin Luo 等人研究發(fā)現(xiàn)，MXene/聚乙烯醇（PVA）水凝膠TENG（MH-TENG）具有制備簡單﹑可多功能應(yīng)用的特點。MXene 納米片的摻雜不僅促進了PVA 水凝膠的交聯(lián)，還能通過增加化學(xué)鍵提高復(fù)合水凝膠的拉伸性。MXene 納米片在表面形成微通道，通過改善離子傳輸來增強水凝膠的導(dǎo)電性，還能通過流動振動電位機制，產(chǎn)生額外的摩擦電輸出。在單電極應(yīng)用下，MH-TENG 的輸出開路電壓高達230V。MH-TENG出色的形變性能和對刺激反應(yīng)的良好靈敏度，展示了在可穿戴人體運動監(jiān)測﹑高精度書寫筆畫識別及低頻無規(guī)則機械能量收集中的應(yīng)用。

3.4 傳感器

基于優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，PVA 基水凝膠的防凍﹑自愈﹑刺激響應(yīng)等功能，也可以用作特定的傳感應(yīng)用。水凝膠會對外部環(huán)境的變化做出反應(yīng)，產(chǎn)生膨脹/收縮行為。環(huán)境的變化可以通過測量水凝膠的體積變化來判斷。

Shohreh Azadi 等人提出了一種生物相容性水凝膠傳感器。該傳感器由聚乙烯醇（PVA）納米復(fù)合材料制成，具有高達500%的高應(yīng)變拉伸性，900kPa的高機械強度和導(dǎo)電性，可與人體皮膚相媲美。水凝膠傳感器在整個檢測范圍內(nèi)表現(xiàn)了出色的線性度，在循環(huán)負載下具有出色的耐用性?；诳焖夙憫?yīng)時間（0.32s）和高生物相容性，這種新型傳感器作為表皮傳感應(yīng)用的可穿戴傳感器，具有巨大的應(yīng)用潛力，比如用于檢測人體的關(guān)節(jié)和肌肉運動。

Xin Jing 等人合成了一種聚乙烯醇/纖維素納米纖維（PVA/CNF）水凝膠，具有雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可用于高度透明﹑可拉伸﹑可自愈的壓力應(yīng)變傳感器。與傳統(tǒng)的PVA 水凝膠相比，該水凝膠含有動態(tài)的硼酸鹽鍵﹑金屬-羧酸配位鍵和氫鍵，使得水凝膠具有更好的穩(wěn)定性﹑機械強度﹑柔韌性及自愈能力。制備的水凝膠具有11.2kPa 的中等模量和1900%的高伸長率。接觸后15s 內(nèi)可自愈，不受任何外界的刺激，透光率高達90%以上，與人體纖維細胞的相容性極佳?；赑VA/CNF 水凝膠開發(fā)的電容式傳感器，對細微的應(yīng)力變化具有很高的靈敏度，用作應(yīng)變傳感器時，能夠識別和監(jiān)測各種人體運動如手指﹑膝蓋﹑肘部和頭部的運動，以及呼吸﹑輕拍等。所開發(fā)的水凝膠傳感器不僅在電子皮膚﹑健康檢測﹑可穿戴器件方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力，還可能促進透明﹑智能類皮膚傳感器的開發(fā)。

4 結(jié)論和展望

基于應(yīng)用前景的考慮，未來的水凝膠設(shè)計應(yīng)具有以下特點：1）功能化水凝膠材料應(yīng)采用毒性小﹑可生物降解的大分子材料，即具有良好的生物相容性和生物降解性，水凝膠可自愈，從而延長其使用壽命，節(jié)約成本；2）對于組織工程，水凝膠的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)應(yīng)與組織高度匹配；3）注射或植入的水凝膠可以在體內(nèi)進行跟蹤，以進一步擴大其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用；4）開發(fā)多功能的水凝膠，以滿足體內(nèi)復(fù)雜生物條件的要求并實現(xiàn)協(xié)同作用。PVA 水凝膠因優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，具有巨大的發(fā)展和應(yīng)用潛力。PVA 水凝膠的進一步深入研究，應(yīng)側(cè)重于結(jié)構(gòu)設(shè)計和改性，特別是提高水凝膠材料的長期生物相容性和力學(xué)強度。

水凝膠制備和加工技術(shù)的改進，對提高其性能起到了非常積極的作用。隨著3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展，基于不同原理﹑使用不同材料的3D 打印設(shè)備相繼被開發(fā)，其中，智能材料是最近備受關(guān)注的一種材料。Jing X 等人[39]強調(diào)了開發(fā)3D 打印對多功能智能響應(yīng)材料的重要性，并提出了4D 打印的概念，即在某些外部刺激（溫度﹑光線﹑外力或pH）下，印刷材料會隨時間發(fā)生變化。PVA 水凝膠顯示了3D/4D 打印在未來智能應(yīng)用中的巨大潛力[40]。

隨著水凝膠設(shè)計的不斷發(fā)展和改進，以及加工和成型方法的不斷優(yōu)化，傳統(tǒng)的PVA 水凝膠材料展現(xiàn)出更多的可能性，未來PVA 基水凝膠的發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>