可光交联的可注射水凝胶研究

李亚超，査刘生

（东华大学 材料科学与工程学院 纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620）

可注射水凝胶注射前为流动的液体，注射到人体病变部位后经过特定的化学反应或外界刺激（如温度变化、pH变化、光辐照等）发生凝胶化，形成不能流动的固态水凝胶［1］。由于形成的固态水凝胶与病变部位完全贴合并产生黏附，因此可注射水凝胶在修复受损的人体关节软骨方面有广阔的应用前景［2］。基于化学反应发生凝胶化的可注射水凝胶虽然具有良好的稳定性和力学性能，但通常需要添加引发剂、交联剂等反应性小分子化合物，注入人体后存在对细胞或组织有毒性作用的问题［3］。基于外界刺激发生凝胶化的物理交联可注射水凝胶避免了添加有毒小分子化合物的问题，具有良好的生物相容性，但通常力学性能较差，尤其是抗压缩性能差，难以满足修复受损软骨的要求［4］。基于光化学反应的光交联可注射水凝胶结合了化学交联可注射水凝胶和物理交联可注射水凝胶的优点，既有良好的力学性能，又有良好的生物相容性，因此是今后软骨修复用可注射水凝胶的主要发展方向［5］。

聚乙烯醇（PVA）是一种常见的水溶性聚合物，具有无毒、生物相容性好、生物黏附性好、成本低等诸多优点，是目前美国食品与药品管理局认可的可用于医疗用品的少数合成高分子材料之一［6-7］。

为开发综合性能优良的软骨修复用光交联可注射水凝胶，本工作采用甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）对PVA进行接枝改性，然后用改性PVA（MPVA）与低毒性的水溶性光引发剂配制可注射水凝胶，研究了PVA醇解度、GMA接枝率、光引发剂用量、紫外光强度以及辐照时间对光交联后可注射PVA水凝胶抗压缩性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料和试剂

PVA1788（聚合度1 700，醇解度87%～89%）、PVA1795（聚合度1 700，醇解度92%～94%）、PVA1799（聚合度1 700，醇解度98%～99%）、光引发剂2959（纯度大于等于98%）：阿拉丁试剂（上海）有限公司；GMA：纯度大于95%，梯希爱（上海）化成工业发展有限公司；二甲基亚砜（DMSO）、丙酮：分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司；对二甲氨基吡啶（DMAP）：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；蒸馏水：上海亚荣生化仪器厂SZ-93型自动双重纯水蒸馏器制备。

1.2 PVA改性与纯化

称取3 g PVA于三口烧瓶中，加入45 mL DMSO，加热搅拌溶解后冷却至室温。再加入0.066 g DMAP和定量GMA，充分搅拌溶解。升温至60℃后保温反应6 h，冷却至室温得到粗产物。将粗产物缓慢加入丙酮中同时搅拌，倒掉上层清液后再用丙酮两次洗涤产生的沉淀物，最后用医用纱布过滤，将滤渣放在真空干燥箱中，于室温条件下干燥12 h，即得到纯化的MPVA。使用不同醇解度的PVA或改变GMA用量，制备了一系列MPVA。MPVA的配方见表1。

表1 MPVA的配方Table 1 Preparation formula of MPVA

1.3 可注射水凝胶的配制

称取1.0 g MPVA加入到10 mL蒸馏水中，再加入定量光引发剂2959，边搅拌边加热到50 ℃使它溶解，最后通过超声波振荡脱除其中气泡，制得外观透明且具有流动性的可注射水凝胶，见图1。

图1 可注射水凝胶的外观Fig.1 Appearance of injectable hydrogel.

1.4 紫外光辐照可注射水凝胶制备块状水凝胶

将配制的可注射水凝胶注入到内径为12 mm的筒状透明塑料模具中，采用深圳市禾盛邦科技有限公司波长为365 nm的UVP18-6343型紫外光辐照仪在一定光强度下照射一定时间，得到不可流动的透明块状水凝胶，见图2。

1.5 测试与表征

1.5.1 MPVA的1H NMR表征

使用瑞士Bruker公司Avance600型核磁共振波谱仪测定MPVA的1H NMR谱图，溶剂为氘代DMSO。根据1H NMR中有关谱峰的相对面积计算PVA分子链上GMA的接枝率。

图2 紫外光辐照后可注射水凝胶的外观Fig.2 Appearance of injectable hydrogel after UV irradiation.

1.5.2 光辐照后形成的块状水凝胶的抗压缩性能

使用美国英斯特朗公司Instron5969型电子万能材料试验机测试紫外光辐照后形成的块状水凝胶的压缩强度和压缩形变率。试样直径为12 mm，压缩速度为5 mm/min，压缩形变率上限设定为90%。

1.5.3 光辐照后形成的块状水凝胶的平衡溶胀度

将光辐照后形成的块状水凝胶进行冷冻干燥并称重（记作m1），然后将冻干的试样置于100 mL蒸馏水中浸泡72 h（72 h后水凝胶的质量不再发生变化，即达到溶胀平衡），取出后用滤纸吸去表面的水分并称重（记作m2）。按式（1）计算水凝胶的平衡溶胀度（α）。

2 结果与讨论

2.1 优选醇解度合适的PVA

由于GMA分子中的环氧基具有亲电性，在DMAP的催化作用下，环上空间位阻效应较小的亚甲基与PVA分子侧链上的羟基发生亲电取代反应，使环氧基开环，同时使GMA接枝到PVA分子侧链上，得到MPVA。合成MPVA的反应示意见图3。

图3 合成MPVA的反应示意Fig.3 Reaction formula of synthesizing MPVA.DMSO：dimethyl sulfoxide；DMAP：p-dimethylaminopyridine.

不同醇解度PVA合成的MPVA及PVA1788的1H NMR谱图见图4。由图4可知，化学位移δ分别为6.0，5.6的a峰和b峰归属于MPVA分子侧链上接枝的甲基丙烯酰基中与同一个双键碳相连的两个氢（CH2=C），δ分别为4.7，4.5，4.2的c峰、d峰和e峰归属于MPVA分子侧链上未反应的羟基氢，f峰为水峰，g峰为溶剂峰［8］，由此说明MPVA为图3中所示的产物结构。根据1H NMR谱图中a峰和b峰的相对面积之和，c峰、d峰、e峰的相对面积之和，以及PVA的醇解度，通过式（2）可求出GMA在MPVA分子链上的接枝率。

式中，G为接枝率，%；Aa+b为1H NMR谱图中a峰和b峰的相对面积之和；AD为醇解度；Ac+d+e为1H NMR谱图中c峰、d峰、e峰的相对面积之和。

不同醇解度PVA合成的MPVA制备的可注射水凝胶在紫外光辐照后的压缩应力-应变曲线见图5。

由图5可得到形成的块状水凝胶的抗压缩性能指标。MPVA分子链上GMA的接枝率及可注射水凝胶光辐照后的抗压缩性能见表2。

图4 不同醇解度PVA合成的MPVA和PVA1788的1H NMR谱图Fig.4 1H NMR spectra of MPVA synthesized by PVA with different alcoholysis degree and PVA1788.

由表2可知，随着PVA醇解度的增大，GMA的接枝率提高。这是因为PVA的醇解度越高，侧链中羟基的含量越高，这样就有更多的羟基与GMA发生亲电取代反应。由表2还可知，采用PVA1795和PVA1788制备的可注射水凝胶光辐照后的压缩强度和压缩形变率相差不大，抗压缩性能均明显优于PVA1799制备的可注射水凝胶。这可能是由于在GMA用量相同的情况下，采用PVA1799制备的MPVA分子链中GMA接枝率最高，光辐照后形成的块状水凝胶交联度最高，在压缩应力作用下能量不易耗散，容易出现碎裂。另外，由于PVA1788的水溶性比PVA1795好，制备可注射水凝胶所需时间短、耗能少，因此确定选用PVA1788制备可光交联的可注射水凝胶。

图5 不同醇解度PVA制得的可注射水凝胶光交联后的圧缩应力-应变曲线Fig.5 Compressive stress-strain curve of photocrosslinked injectable hydrogels prepared with PVA with different alcoholysis degrees.Conditions：photoinitiator mass concentration 0.001 g/mL，UV light intensity 40 mW/cm2，irradiation time 15 min.

表2 MPVA分子链上GMA的接枝率及可注射水凝胶光辐照后的抗压缩性能Table 2 Grafting ratio of GMA on the molecular chain of MPVA and the ompressive strength of the injectable hydrogels after UV irradiation

2.2 GMA用量对光辐照后可注射水凝胶抗压缩性能和平衡溶胀度的影响

不同GMA用量制备的可注射水凝胶光辐照后的抗压缩性能和平衡溶胀度见表3。由表3可知，随着GMA用量的增加，MPVA分子链上GMA的接枝率逐渐升高，这是因为反应体系中有更多的GMA与PVA侧链中的羟基发生亲电取代反应。随着GMA用量的增加，水凝胶的压缩强度和压缩形变率都逐渐降低，压缩性能变差。这是因为光辐照后形成的块状水凝胶是由交联的PVA网络和未交联的PVA分子链组成，前者作为刚性骨架使水凝胶具有一定形状，后者受到压缩时易产生滑移，通过使水凝胶产生压缩形变而耗散能量。二者综合作用结果使得水凝胶具有一定的压缩强度和压缩形变率。GMA接枝率越低，MPVA中具有光反应活性的甲基丙烯酰基含量越少，相应地未交联的PVA分子链越多，水凝胶的抗压缩性能越好。但如果GMA接枝率过低（如试样MPVA88-0.10），光辐照后难以形成具有固定形状的块状水凝胶，这是由于交联密度过低，形成的交联网络不能有效固定水分子。由表3还可知，随着GMA接枝率的增加，光辐照后水凝胶的平衡溶胀度逐渐降低。这是因为MPVA分子链中具有光活性的甲基丙烯酰基越多，在同样的光引发剂用量和光辐照条件下，形成的水凝胶网络中交联度越大。因此，选用GMA接枝率为1.24%的MPVA制备可光交联的可注射水凝胶。

2.3 光引发剂用量对光辐照后可注射水凝胶抗压缩性能的影响

光引发剂2959具有光引发效率高、水溶性好、毒性低等特点，是制备生物医用材料常用的光引发剂［9］。采用MPVA88-0.12与不同用量光引发剂2959配制的可注射水凝胶，在相同光辐照条件下得到的块状水凝胶的压缩强度见表4。

表3 不同GMA用量制备的可注射水凝胶光辐照后的抗压缩性能和平衡溶胀度Table 3 Compressive strength and swelling ratios of injectable hydrogels prepared with different amounts of GMA after UV irradiation

表4 不同用量光引发剂制备的可注射水凝胶光辐照后的压缩强度Table 4 Compressive strength of injectable hydrogels prepared with different amounts of photoinitiator after UV irradiation

由表4可知，随着光引发剂用量的增加，水凝胶的压缩强度呈现先上升后下降的趋势。这是由于在同样的紫外光辐照条件下，随着光引发剂用量的增加，形成的水凝胶的交联度相应提高。但过高的交联密度同样会导致水凝胶在压缩应力作用下能量不易耗散，容易出现碎裂。因此，选用光引发剂用量为0.002 g/mL制备可光交联的可注射水凝胶。

2.4 辐照强度和时间对块状水凝胶抗压缩性能的影响

采用GMA接枝率为1.24%的MPVA和0.002 g/mL的光引发剂配制可注射水凝胶，在不同紫外光辐照条件下形成的块状水凝胶的压缩强度和平衡溶胀度见表5。

表5 不同紫外光辐照条件下形成的块状水凝胶的压缩强度和平衡溶胀度Table 5 Compressive strength and equilibrium swelling degree of massive hydrogels formed under different ultraviolet radiation conditions

由表5可知，随着光强度的增加，水凝胶的压缩强度呈现先上升后下降的趋势，而平衡溶胀度呈现先降低后上升的趋势。这是因为在其他条件相同的情况下，紫外光强度越高，光引发速率越快，MPVA发生交联反应的程度会相应提高，使得形成的水凝胶网络中交联点增多。但紫外光强度过高，会导致部分聚合物链发生断裂，水凝胶交联度下降，导致压缩强度降低。因此，确定波长为365 nm紫外光辐照可注射水凝胶的光强度为40 mW/cm2。由表5还可知，随着辐照时间的延长，水凝胶的压缩强度也呈现先升高后降低的趋势，而平衡溶胀度也是呈现先降低后上升的趋势。这是因为在其他条件相同的情况下，辐照时间越长，形成的水凝胶的交联度越高，压缩强度上升。但如果辐照时间过长，也会使聚合物链发生断裂，结果同样导致水凝胶交联度下降，压缩强度降低。因此，确定紫外光辐照可注射水凝胶的时间为15 min，最终优选出的可注射水凝胶的压缩强度达到1.27 MPa，明显优于人体软骨的压缩强度（0.50 MPa）。

3 结论

1）用GMA改性PVA得到分子侧链接枝GMA的MPVA。

2）随着GMA用量的增加或PVA醇解度的增大，GMA的接枝率逐渐升高。

3）选用PVA1788，在其分子链上接枝1.24%的GMA，与0.002 g/mL的光引发剂配制可注射水凝胶，以光强度为40 mW/cm2、波长为365 nm的紫外光辐照15 min，得到的块状水凝胶的压缩强度可达1.27 MPa，优于人体软骨的压缩强度（0.50 MPa）。