聚乙烯醇水凝胶及其制备方法与流程

本发明属于生物材料领域，特别是人工关节软骨替代材料领域，涉及兼具高强度和多孔结构的聚乙烯醇水凝胶及其制备方法。

背景技术：

聚乙烯醇(pva)水凝胶具有良好的生物相容性、润滑性、类似人体软骨的力学性能、高含水性(60％—80％)、足够尺寸的孔隙结构(种植软骨细胞)、耐磨性和抗疲劳性，是关节软骨组织修复理想的替代材料。水凝胶内可含有软骨细胞、生长因子、相关基因及药物和生物基质，被种植至病变部位，诱导原位细胞增殖、分化并形成软骨。

为了使替代材料更好的与软骨组织相结合，水凝胶材料需具备适宜大小的孔洞。聚乙烯醇水凝胶可利用真空冷冻干燥法、表面活性剂模板法和成孔剂法等生成多孔结构。由冷冻干燥法制备的聚乙烯醇水凝胶的孔径只有几微米，而软骨细胞的尺寸一般为15～20微米，尺寸较小不适宜种植软骨细胞。使用表面活性剂法制备聚乙烯醇水凝胶可获得较大尺寸的孔径，且通过模板尺寸的改变可以调节水凝胶的形态和孔径，但是表面活性剂易残留，影响聚乙烯醇水凝胶的生物活性。成孔剂法是通过在聚合物中加入成孔剂制备成水凝胶，再将水凝胶用特定的溶剂浸泡、冲洗，将成孔剂去除，留下孔洞，已报道的成孔剂包括聚乙二醇(peg)、氯化钠、硅胶微粒和蔗糖等，成孔剂溶于水或酸性溶液而不溶于有机溶剂。这种方法的缺点在于去除成孔剂耗费时间，且水凝胶中易残留未被洗去的成孔剂。

聚乙烯醇水凝胶可以用水做成孔剂，无需担心残留问题，但只有低浓度的聚乙烯醇水溶液经过冷冻解冻法制备的聚乙烯醇水凝胶有孔结构，且孔径小(一般只有几微米)，高浓度的聚乙烯醇水溶液中的水在冷冻过程中倾向于生成超冷水，制成的聚乙烯醇水凝胶中无孔洞生成，难以获得兼具高强度和孔结构的聚乙烯醇水凝胶。

因此，耗费时间短且工艺简单、工艺质量易控地制备高强度、多孔结构并具有良好的生物相容性的聚乙烯醇水凝胶作为关节软骨替代材料成为本领域研究方向。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种聚乙烯醇水凝胶及其制备方法。

本发明的技术方案为：

一种聚乙烯醇水凝胶，该聚乙烯醇水凝胶以琼脂糖ag为成孔剂，以聚乙烯醇为基质，经冷冻解冻后制备得到；所述的聚乙烯醇水凝胶为多孔结构，具有高强度；以聚乙烯醇水凝胶质量为100份计，其中聚乙烯醇的质量分数为15～20份，琼脂糖的质量分数为2～6，其余为去离子水。溶胀平衡的聚乙烯醇水凝胶呈白色，不透明，触感类似于橡胶，弹性大，强度高，多微孔，具有很好的生物相容性。所述的聚乙烯醇水凝胶的孔径范围为25～150μm，强度为0.4～19.8mpa。

上述聚乙烯醇水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将聚乙烯醇加入去离子水中，90～99℃恒温条件下，搅拌至聚乙烯醇完全融化形成聚乙烯醇水溶液；再将琼脂糖ag加入聚乙烯醇水溶液中，90～99℃恒温条件下搅拌至琼脂糖完全溶解，并与聚乙烯醇水溶液均匀混合，形成混合溶液。所述的混合溶液中聚乙烯醇质量份数为15～20wt％，琼脂糖质量份数为2～6wt％，其余为去离子水。

第二步，将混合溶液倒入模具中，放入真空干燥箱中脱泡2小时以上，至完全脱泡后，再对混合溶液进行冷冻解冻循环，形成聚乙烯醇水凝胶。所述冷冻解冻循环指混合溶液冷冻成型后取出解冻，再进行冷冻成型取出解冻，重复多次至形成聚乙烯醇水凝胶，所述的聚乙烯醇水凝胶力学性能和孔隙结构能够满足天然关节软骨材料的要求。所述的冷冻温度为-18～-23℃，冷冻时间为8～16小时，解冻温度为15～20℃或-1℃～-5℃，解冻时间为6-10小时。循环次数为1次以上。

本发明选择琼脂糖ag作为成孔剂，仅经冷冻解冻等步骤，便能够制备出高强度、多孔结构的聚乙烯醇水凝胶，制备工艺简单，工艺质量易控，无需耗费时间去除成孔剂，也不必担心水凝胶中残留的成孔剂对水凝胶的性能和应用产生影响，其力学性能和孔隙结构能够满足天然关节软骨材料的要求。

本发明制备得到的聚乙烯醇水凝胶的力学性能与天然关节软骨部分重合，为了增强聚乙烯醇分子的结晶度，进一步增强其力学性能，还可以对第二步制备得到的聚乙烯醇水凝胶进行液氮冷冻处理，具体步骤为：将第二步得到的聚乙烯醇水凝胶切成薄片，先经液氮冷冻6～10小时，再经冷冻干燥后，放入45～50℃的恒温去离子水中浸泡两周以上，至溶胀平衡。所述的液氮冷冻的冷冻时间为6～10小时。所述的冷冻干燥的温度是-45～-50℃，时间由薄片状的聚乙烯醇水凝胶的厚度决定，每2毫米厚度干燥12小时以上，以此类推。

上述经过液氮冷冻处理的聚乙烯醇水凝胶中残留有ag颗粒，占据空间，为了形成孔洞通透的聚乙烯醇水凝胶，还可以对该水凝胶进行琼脂糖脱除处理，具体步骤为：将经去离子水中浸泡后的聚乙烯醇水凝胶取出，放置于45～50℃的恒温去离子水中浸泡，浸泡时间依据厚度决定，每2毫米厚度浸泡4天以上，以此类推，每隔6～10小时更换一次溶液。

根据本发明的聚乙烯醇水凝胶的制备方法，能够克服以往利用真空冷冻干燥法、表面活性剂模板法制备聚乙烯醇水凝胶时，孔尺寸不合适、生物相容性不好、化学试剂残留等缺点，并且能够克服以往利用成孔剂法制备聚乙烯醇水凝胶时，去除成孔剂耗费时间，且水凝胶中易残留，未被去除的成孔剂易对水凝胶的性能和应用产生影响等缺点，制备出一种孔尺寸适宜、孔洞通透、具有生物相容性、无化学残留的聚乙烯醇水凝胶。

本发明的有益效果为：本发明制备工艺简单，工艺质量易控，无需耗费时间去除成孔剂，也不必担心水凝胶中残留未被洗去的成孔剂而对水凝胶的性能和应用产生影响。制备得到的水凝胶成型简单，结构稳定；琼脂糖与聚乙烯醇产生物理交联，不发生聚合反应，无化学交联剂的毒副作用；琼脂糖具有良好的生物相容性且无毒性，避免了化学残留和生物毒性；强度满足人工软骨材料性能要求；以及多孔结构为种植软骨细胞提供基础。

附图说明

图1(a)为ag含量为4％的pva水凝胶扫描电镜形貌图。

图1(b)为ag含量为2％的pva水凝胶扫描电镜形貌图。

图1(c)为ag含量为6％的pva水凝胶扫描电镜形貌图。

图2为经45℃恒温去离子水浸泡后的pva水凝胶扫描电镜形貌图。

图3为脱除ag后的pva水凝胶的压缩模量与应变量的变化关系图。

具体实施方式

以下参照附图并根据具体实施方式对本发明进行详细描述。但是应当意识到，本说明书并非旨在将本发明限定为以下实施方式。相反，本发明旨在不但覆盖这些实施方式，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等效形式及其它实施例。

实施例1

第一步，称量15重量份数pva加入到81重量份数去离子水中，95℃恒温搅拌加热2小时直至pva完全融化而形成聚乙烯醇水溶液。第二步，再缓慢加入4重量份数琼脂糖，保持95℃恒温加热搅拌2小时直至琼脂糖完全溶解并且和pva水溶液均匀混合，得到pva质量份数为15wt％，ag质量份数为4wt％的混合溶液。第三步，将制成的混合溶液倒入模具中，并放入真空干燥箱脱泡2小时，之后放入低温冻存箱冷冻成型。设定冷冻温度为-20℃，时间为16小时，将试样取出解冻，解冻温度为18℃，解冻时间为8小时。重复上述冷冻解冻过程，制得冷冻解冻循环次数为3次的ag质量份数为4wt％的物理交联的pva水凝胶。

图1(a)为ag含量为4wt％的pva水凝胶的扫描电镜观测图，由图中可看出，ag含量为4wt％的pva水凝胶中孔洞所占比例多，孔径尺寸分布25～150μm，尺寸在100μm以上的大孔数量多且连通性良好，可以传输水分和其他营养物质，为以后种植软骨细胞做基础，并且强度能够满足人工软骨材料性能要求。因此通过本聚乙烯醇水凝胶的制备方法，能够制备出高强度、多孔结构的聚乙烯醇水凝胶，并且不必担心水凝胶中残留的成孔剂对水凝胶的性能和应用产生影响。

同样地，能够制备pva质量份数为15wt％，ag质量份数分别为2wt％和6wt％的pva水凝胶。

第一步，称量15重量份数pva加入到83重量份数去离子水中，95℃恒温搅拌加热2小时直至pva完全融化而形成聚乙烯醇水溶液。第二步，再缓慢加入2重量份数琼脂糖，保持95℃恒温加热搅拌2小时直至琼脂糖完全溶解并且和pva水溶液均匀混合，得到pva质量份数为15wt％，ag质量份数为2wt％的混合溶液。第三步，将制成的混合溶液倒入模具中，并放入真空干燥箱脱泡2小时，之后放入低温冻存箱冷冻成型。设定冷冻温度为-20℃，时间为16小时，将试样取出解冻，解冻温度为18℃，解冻时间为8小时。重复上述冷冻解冻过程，制得冷冻解冻循环次数为3次的ag质量份数为2wt％的物理交联的pva水凝胶。

第一步，称量15重量份数pva加入到79重量份数去离子水中，95℃恒温搅拌加热2小时直至pva完全融化而形成聚乙烯醇水溶液。第二步，再缓慢加入6重量份数琼脂糖，保持95℃恒温加热搅拌2小时直至琼脂糖完全溶解并且和pva水溶液均匀混合，得到pva质量份数为15wt％，ag质量份数为6wt％的混合溶液。第三步，将制成的混合溶液倒入模具中，并放入真空干燥箱脱泡2小时，之后放入低温冻存箱冷冻成型。设定冷冻温度为-20℃，时间为16小时，将试样取出解冻，解冻温度为18℃，解冻时间为8小时。重复上述冷冻解冻过程，3次，得到ag质量份数为6wt％的物理交联的pva水凝胶。

图1(b)、图1(c)分别为ag含量为2wt％、6wt％的pva水凝胶的扫描电镜观测图，由图中可看出，与ag含量为4wt％的pva水凝胶相比，在ag含量为2wt％的pva水凝胶中，孔洞所占比例较少，孔径尺寸分布20～150μm，ag颗粒残留很少；在ag含量为6wt％的pva水凝胶中，孔洞所占比例较多，孔径尺寸分布25～150μm，多数孔的孔径在75μm左右，ag颗粒残留较多。综合以上，ag含量为2wt％、4wt％和6wt％的pva水凝胶中的孔洞质量均符合软骨细胞种植要求，能够制备出高强度、多孔结构的聚乙烯醇水凝胶，且不必担心水凝胶中残留的成孔剂对水凝胶的性能和应用产生影响。

因此，通过本聚乙烯醇水凝胶的制备方法，能够耗费时间短且工艺简单、工艺质量易控地制备出高强度、多孔结构的聚乙烯醇水凝胶，且不必担心水凝胶中残留的成孔剂对水凝胶的性能和应用产生影响。

实施例2

进一步地，为了使pva水凝胶中pva分子的结晶度增强，也可以在上述聚乙烯醇水凝胶的制备方法中增加液态冷冻等步骤。

(1)第一步，称量15重量份数pva加入到81重量份数去离子水中，95℃恒温搅拌加热2小时直至pva完全融化而形成聚乙烯醇水溶液。第二步，再缓慢加入4重量份数琼脂糖，保持95℃恒温加热搅拌2小时直至琼脂糖完全溶解并且和pva水溶液均匀混合，得到pva质量份数为15wt％，ag质量份数为4wt％的混合溶液。第三步，将制成的混合溶液倒入模具中，放入真空干燥箱脱泡2小时，之后放入低温冻存箱冷冻成型。设定冷冻温度为-20℃，时间为16小时，将试样取出解冻，解冻温度为18℃，解冻时间为8小时。重复上述冷冻解冻过程，制得冷冻解冻循环次数为3次的物理交联的pva水凝胶。

(2)第四步，将在步骤(1)中制备的pva水凝胶先切成切成6mm×6mm×6mm的小块，经液氮冷冻8小时，再经冷冻干燥40小时后，放入45℃恒温去离子水中浸泡两周，至溶胀平衡。

对比增加上述步骤(2)后溶胀平衡的pva水凝胶与未进行上述步骤(2)的pva水凝胶的一组实验结果，增加上述步骤(2)后溶胀平衡的pva水凝胶的压缩强度为6.616mpa，比未进行上述步骤(2)的pva水凝胶的压缩强度5.122mpa增加了29％。

经实验总结，增加上述步骤(2)使得pva水凝胶中pva分子的结晶度增强。增加上述步骤(2)后溶胀平衡的pva水凝胶，比未进行上述步骤(2)的pva水凝胶的压缩强度增强。

因此，通过本聚乙烯醇水凝胶的制备方法，在实施方式一的基础上增加上述步骤(2)，能够制备出更高强度、多孔结构的聚乙烯醇水凝胶，也不必担心水凝胶中残留的成孔剂而对水凝胶的性能和应用产生影响。

实施例3

进一步地，为了改善pva水凝胶中的孔洞结构，也可以在上述聚乙烯醇水凝胶的制备方法中增加脱糖等步骤。

(1)第一步，称量15重量份数pva加入到81重量份数去离子水中，95℃恒温搅拌加热2小时直至pva完全融化而形成聚乙烯醇水溶液。第二步，再缓慢加入4重量份数琼脂糖，保持95℃恒温加热搅拌2小时直至琼脂糖完全溶解并且和pva水溶液均匀混合，得到pva质量份数为15wt％，ag质量份数为4wt％的混合溶液。第三步，将制成的混合溶液倒入模具中，并放入真空干燥箱脱泡2小时，之后放入低温冻存箱冷冻成型。设定冷冻温度为-20℃，时间为16小时，将试样取出解冻，解冻温度为18℃，解冻时间为8小时。重复上述冷冻解冻过程，制得冷冻解冻循环次数为3次的物理交联的pva水凝胶。

(2)第四步，将在步骤(1)中制备的pva水凝胶先切成10mm×17mm×2mm尺寸的薄片，经液氮冷冻8小时，再经冷冻干燥12小时后，放入45℃恒温去离子水中浸泡两周，至溶胀平衡。

(3)第五步，将该聚乙烯醇水凝胶在45℃恒温去离子水中浸泡4天，期间每隔8小时更换一次该45℃恒温去离子水。

图2是经45℃恒温去离子水浸泡清洗后的pva水凝胶微观形貌图，由图中观察可知，经45℃恒温去离子水浸泡清洗后的水凝胶中目测无ag颗粒残留，放大1000倍后观察到仅有很小的颗粒(直径4μm左右)残留，孔径尺寸分布20～150μm，大孔占据体积多且尺寸均匀，孔与孔之间连通性良好，且用去离子水浸泡，无化学试剂残留，符合种植软骨细胞的要求。经以上观测，45℃恒温去离子水浸泡得到的水凝胶孔结构效果较好，能够满足关节软骨替代材料的要求。

因此，通过本聚乙烯醇水凝胶的制备方法，在实施方式二的基础上增加上述步骤(3)，能够制备出更高强度、孔洞结构更好的聚乙烯醇水凝胶，也不必担心水凝胶中残留未被洗去的成孔剂而对水凝胶的性能和应用产生影响。

通过具体的实验可知,以上实施方式中的实验条件并不被限定为具体数值,只要是合理的实验条件即可制备高强度、多孔结构并具有良好的生物相容性的聚乙烯醇水凝胶。

例如，在第一步以及第二步中，以制备出的聚乙烯醇水凝胶质量为100份计，在将聚乙烯醇加入去离子水中时，将15～20重量份数的聚乙烯醇加入去离子水中，并且在聚乙烯醇水溶液中加入琼脂糖时，缓慢加入2～6重量份数的琼脂糖，从而得到聚乙烯醇质量份数为15～20wt％、琼脂糖质量份数为2～6wt％的聚乙烯醇水凝胶即可。

例如，在第一步以及第二步中，所述搅拌在90～99℃恒温状态下进行即可。

例如，在第三步中，将制成的混合溶液倒入模具中，并放入真空干燥箱脱泡2小时以上至完全脱泡后放入低温冻存箱冷冻成型，设定冷冻温度为-18～-23℃，时间设为8～16小时，之后取出解冻，解冻温度为15～20℃，解冻时间为6～10小时即可。

例如，在第四步中，将在步骤(1)中制备的pva水凝胶先切成厚度为2～6毫米的薄片，经液氮冷冻的时间为6～10小时，再经冷冻干燥，冷冻干燥的时间由pva水凝胶的厚度决定，每2毫米厚度需干燥12小时，之后放入45～50℃恒温去离子水浸泡两周以上，至溶胀平衡即可。例如，在pva水凝胶被切成厚度为4毫米的薄片时干燥24小时，在pva水凝胶被切成厚度为6毫米的薄片时干燥36小时，以此类推。

例如，在第五步中，将在恒温去离子水中浸泡后的聚乙烯醇水凝胶在45～50℃恒温去离子水中浸泡的时间为每2毫米厚度浸泡4天，期间每隔6～10小时更换一次该45℃恒温去离子水即可。例如，在pva水凝胶被切成厚度为4毫米的薄片时浸泡8天，在pva水凝胶被切成厚度为6毫米的薄片时浸泡12天，以此类推。

以上具体实施方式对称量15重量份数pva加入到81重量份数去离子水中，95℃恒温搅拌加热2小时直至pva完全融化而形成聚乙烯醇水溶液的情况进行了说明，但是该搅拌加热时间只是一个例子，并不限于2小时，只要pva完全融化而形成聚乙烯醇水溶液即可。

以上具体实施方式对缓慢加入4重量份数琼脂糖，保持95℃恒温加热搅拌2小时直至琼脂糖完全溶解并且和pva水溶液均匀混合，得到混合溶液的情况进行了说明，但是该搅拌加热方式只是一个例子，并不限于缓慢加入，也并不限于2小时，只要琼脂糖完全溶解并且和pva水溶液均匀混合，得到混合溶液即可。

以上具体实施方式对将脱泡后的混合溶液进行3次冷冻解冻循环，从而形成聚乙烯醇水凝胶的情况进行了说明，但是冷冻解冻循环的次数不限于3次，也可以是1次或2次，还可以是4次以上，只要能形成聚乙烯醇水凝胶即可。

以上具体实施方式对低温冻存箱冷冻时间为16小时的情况进行了说明，但是冷冻时间不限定为16小时，可以是8～16小时，只要能形成聚乙烯醇水凝胶即可。

以上具体实施方式对解冻温度为15～20℃的情况进行了说明，但是解冻温度不限制为15～20℃，也可以通过低温解冻方式对冷冻成型的pva水凝胶进行解冻，解冻温度设置为-5～-1℃。

综上所述，通过本申请的聚乙烯醇水凝胶的制备方法，能够耗费时间短且工艺简单、工艺质量易控地制备高强度、多孔结构并具有良好的生物相容性的聚乙烯醇水凝胶。

并且,本发明还提供一种聚乙烯醇水凝胶,该聚乙烯醇水凝胶是通过上述聚乙烯醇水凝胶的制备方法制备而成的。

图3为实施方式一中脱除ag后的pva水凝胶的压缩模量与应变量的变化关系图。压缩强度具有明显的应变相关性，在应变量从0.2增大到0.7时，压缩模量从0.64mpa增加到19.8mpa，与自然关节软骨的压缩模量1.9～14.4mpa部分重合。该pva水凝胶是经液氮冷冻和冷冻干燥后在45℃恒温去离子水中浸泡达到溶胀平衡并脱除ag得到的水凝胶，该水凝胶的多孔结构符合种植软骨细胞的尺寸要求，且压缩强度增强，达到了软骨替代材料的强度要求。

可见，应用该制备方法制备的水凝胶具有如下优点：成型简单，结构稳定；琼脂糖与聚乙烯醇产生物理交联，不发生聚合反应，无化学交联剂的毒副作用；琼脂糖具有良好的生物相容性且无毒性，避免了化学残留和生物毒性；强度满足人工软骨材料性能要求；以及多孔结构为种植软骨细胞提供基础。

以上结合优选实施方式对本发明进行了说明，但是本技术领域的技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本发明的限制。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本发明进行修改和变型，这些修改和变型都将落在本发明的权利要求书所要求的范围之内。