CS/PVA水凝胶的制备与性能研究

郭文慧， 杨明成， 刘文涛， 刘树博， 张本尚， 孙志超， 王 允

（1.河南省科学院同位素研究所有限责任公司，郑州 450015； 2.郑州大学材料科学与工程学院，郑州 450001）

创伤面愈合是目前医学界治疗创伤面临的最重要并且最基本问题之一，水凝胶医用材料是近年来发展起来的一种新型的创伤敷料［1］，特别适用于常见的体表创伤，如擦伤、烧伤、划伤、褥疮及烫伤等各种皮肤损伤. 与传统疗法［2-3］相比，用水凝胶敷料敷贴在伤口上时，不但不会粘连伤口、破坏新生组织，而且可包埋药物杀死各种细菌，改善创面微环境，避免伤口感染，且材料透明，因而能够随时观察伤口愈合进程，易于去除或更换［4-6］. 水凝胶敷料极大程度地减轻了患者的痛苦，更好地促进伤口愈合.

壳聚糖（CS）作为一种天然碱性多糖，具有优异的生物相容性；其分子量在一定范围内时具有较好的抗菌和凝血功能，适于创面局部治疗，是创伤敷料的理想材料之一［7-9］. 但是壳聚糖分子间氢键作用力较强，单纯用其制备水凝胶时，产品存在脆性大和力学性能欠佳等缺点；壳聚糖在高能γ射线作用下会出现一定程度的降解［10-11］. 聚乙烯醇（PVA）是一种成膜性好的亲水性高分子材料，具有生物相容性好、物理化学性能优异、可完全降解且价格低廉等优点，目前已广泛应用于医疗用品领域，可作为壳聚糖水凝胶的载体［12-15］.

水凝胶常用的制备方法有化学法、辐射法和物理法等. 其中：化学法需要使用交联剂，产品中将存在一定量的交联剂残留；辐射法是利用γ射线或电子束使单体水溶液聚合或线性高分子生成三维网络结构的水凝胶材料. 采用辐射法制备水凝胶材料时无须使用交联剂或引发剂，不仅产品中无交联剂残留，而且在制备过程中实现了对水凝胶材料的杀菌，延长了产品的货架期. 但是，辐射法制备的水凝胶材料普遍存在力学性能较差的问题；物理法中冻融方法制备的水凝胶材料存在透明性较差的缺点. 本文以聚乙烯醇（PVA）为基体，以壳聚糖（CS）为功能性添加剂，采用冻融法与辐射法相结合的工艺技术制备出了CS/PVA水凝胶.

1 实验

1.1 实验试剂

聚乙烯醇（PVA）：天津市大茂化学试剂厂，黏度为30～40 mPa·s. 壳聚糖（CS）：麦克林-C850347，西格玛-419419，安徽山河药用辅料股份有限公司. 醋酸（CH3COOH）：天津市富宇精细化工有限公司，分析纯.

1.2 主要仪器

钴-60辐射源，活度7.4×1015Ci，河南省科学院同位素研究所有限责任公司. 电子拉力试验机，AGS-X-5KN，传感器100N，日本岛津. 傅里叶变换红外光谱，FTIR-650，天津港东科技股份有限公司. SEM，JSM-7001F，日本电子株式会社. 洁净工作台，SW-CJ-1F，苏州安泰空气技术有限公司.

1.3 样品制备

CS溶液：将CS与1%的醋酸溶液按照质量与体积比为1∶50的比例配置成均匀的CS溶液.

PVA溶液：将一定量的PVA加到蒸馏水中，于85 ℃下搅拌3 h，待PVA完全溶解而形成清澈透明的溶液即可.

CS/PVA复合水凝胶的制备：将上述CS溶液与PVA溶液按照一定的体积比混合后搅拌至均匀溶液，在真空条件下静置消泡；之后将CS和PVA的混合溶液倒入模具中，分别采取辐射法、冻融法和先冻融后辐射等3种制备工艺进行CS/PVA水凝胶材料制备. 其中，冻融法：样品于-20 ℃下冷冻24 h，取出后室温下解冻24 h；辐射法：将抽真空后的样品置入辐射室内进行60Coγ射线照射，吸收剂量率为61.77 Gy/min，吸收剂量分别为20、30、40、50、60 kGy.

1.4 性能测试及表征

红外光谱（IR）测试：漫反射法测试. 将干燥后的水凝胶放置于支架上，样品大小完全遮盖棱镜，较平整地将断面朝上，拉紧盖子，在软件设置好的模式和参数下进行测试.

扫描电子显微镜（SEM）表征：利用SEM表征水凝胶样品的表面形貌. 具体是将经冷冻干燥后的样品进行淬断，断面经喷金处理后在10 kV电压下进行断面形貌表征.

拉伸性能测试：将厚度为2 mm的水凝胶利用模具制成哑铃状（中间部分宽4 mm，长40 mm），利用电子拉力试验机进行拉伸性能测试，拉伸速率20 mm/min.

溶胀性能测试：将制得的水凝胶样品在60 ℃下真空干燥24 h至完全干燥，此时质量为M1；之后将该样品浸泡在37 ℃的纯净水中36 h至重量不再变化为止，取出用吸水纸轻轻沾去表面的水分并称重，此时质量为M2，样品的溶胀比为（M2-M1）/M1.

抑菌性实验：通过平板琼脂扩散法评价CS/PVA水凝胶材料对大肠杆菌的抑菌效果.

2 结果与讨论

2.1 吸收剂量对PVA水凝胶性能的影响

图1 为吸收剂量对PVA水凝胶的溶胀性能影响. 由图1可以看出，PVA水凝胶的溶胀比先随吸收剂量的增加而增大，当吸收剂量大于40 kGy后，PVA水凝胶的溶胀比则呈现出下降的趋势. 其原因可能是：在γ射线辐射的作用下PVA分子由线性转变为三维网络结构，交联点密度随吸收剂量的增加而增大，当PVA网络间的交联点的密度过于密集，PVA分子链的运动受阻，造成PVA水凝胶的溶胀行为受到限制，其溶胀比呈现出下降的现象［16］.

图2为吸收剂量对PVA水凝胶力学性能的影响. 由图2可以看出，PVA水凝胶的拉伸强度随吸收剂量的增大而增大. 吸收剂量较小时，PVA水凝胶的断裂伸长率略有增大；之后随吸收剂量的增大呈现出下降的趋势. 其原因可解释为：PVA分子链经辐射交联成三维网络，提高了PVA水凝胶的拉伸强度，所以其断裂伸长率有一定程度提升. 当PVA分子链形成的三维网络的交联点过多，这将造成PVA水凝胶断裂伸长率的下降［17］. 由图1、图2可以看出，采用辐射法制备PVA水凝胶适宜的吸收剂量为30 kGy.

图1 吸收剂量对PVA水凝胶的溶胀性能影响Fig.1 Effect of absorbed dose on swelling performance of PVA hydrogel

图2 吸收剂量对PVA水凝胶力学性能的影响Fig.2 Effect of absorbed dose on mechanical properties of PVA hydrogel

PVA 水凝胶的凝胶分数与吸收剂量的关系如图3 所示. 如图所示，辐射合成PVA 水凝胶的凝胶分数均在97%以上，且随着辐射剂量的增加成正比例增长，其中，30～40 kGy 区间增速最缓，吸收剂量为由20 kGy 增加至60 kGy，凝胶分数由97%增加为98.6%. 表明高强度剂量的辐射有利于体系发生交联形成具有网络结构的水凝胶，这一结果和PVA水凝胶的溶胀性能与力学性能随吸收剂量变化一致.

图3 吸收剂量对PVA水凝胶凝胶分数的影响Fig.3 Effect of absorbed dose on gel fraction of PVA hydrogel

2.2 制备工艺对PVA水凝胶形貌的影响

图4 为不同制备工艺制备的PVA 水凝胶外观和SEM照片. 由图4（a）、（b）、（c）可以看出，采用辐射方法制备的PVA水凝胶透明性好，但是有大量气泡产生；采用冻融法制备的PVA水凝胶外观不透明，呈现乳白色；采用先冻融后辐射方法制备PVA水凝胶时，不仅较好地解决了单独采用辐射法产生大量气泡的问题，而且该方法制备的PVA水凝胶的透明性较单独采用冻融法有较大的改善. 冻融法制备的水凝胶不透明，其原因可能是凝胶化过程中早期发生了微相分离. 辐射法制备的水凝胶透明性较好，其原因可能为PVA溶液在接受较低的吸收剂量时就能形成均匀性较好的凝胶. 采用先冻融后辐射方法制备的PVA水凝胶气泡较辐射法明显减少，其原因可能是PVA溶液经冻融后形成了物理凝胶，物理凝胶经辐射形成三维网络结构的水凝胶时较单独辐射法需要接受较低的吸收剂量的缘故［16，18］.

图4（d）、（e）、（f）为3种方法制备的PVA水凝胶SEM照片（×5000倍）. 图4（d）、（e）、（f）可以看出，辐射法制备的PVA水凝胶断面存在数量较多的凹陷，这与图4（a）呈现的水凝胶外观具有较多气泡的结果相一致.冻融法制备的PVA水凝胶的断面呈现出致密的多孔结构，这与图4（b）中水凝胶具有不透明的外观结果相一致. 采用先冻融后辐射方法制备的PVA水凝胶的断面则呈现出均匀性好且相对独立的孔洞，这也与该方法制备的PVA水凝胶的透明性较单独冻融法有较大改善的结果相一致.

图4 PVA水凝胶外观和SEM照片Fig.4 Appearance and SEM images of PVA hydrogel

2.3 制备工艺对CS/PVA水凝胶性能的影响

图5为CS的相对用量对CS/PVA水凝胶溶胀性能的影响. 从图5可以看出，CS/PVA水凝胶的溶胀比随CS相对用量的减少呈现出下降的趋势. 其原因可能是两个方面：其一，随CS 用量的减小，CS/PVA 水凝胶体系中能生成三维网状的PVA的相对用量增加，过多的网状结构将导致体系的溶胀比下降；其二，在酸性介质中，CS中质子化的氨基会引起聚合物链段之间的静电排斥或氢键解离，从而导致大分子链松弛，溶胀过程中阻力减小，溶胀比增大. 因此，在制备CS/PVA水凝胶时，CS与PVA二者适宜的用量为1∶1.

图5 CS的相对用量对CS/PVA水凝胶溶胀性能的影响Fig.5 Effect of relative dosage of CS on swelling properties of CS/PVA hydrogel

图6 为冻融次数对CS/PVA 水凝胶溶胀性能的影响. 由图6可以看出，CS/PVA水凝胶的溶胀比随冻融次数的增加先增大后减小. 冻融次数为2时，CS/PVA 水凝胶的溶胀比达192%. 其原因可能是，冻融次数的增加将导致CS/PVA 体系生成物理凝胶量的增加，从而使得CS/PVA水凝胶的溶胀比出现下降.

图6 冻融次数对CS/PVA水凝胶溶胀性能的影响Fig.6 Effect of freeze-thaw cycles on swelling properties of CS/PVA hydrogels

图7 为制备工艺对CS/PVA 水凝胶力学性能的影响. 从图7（a）中可以看出，与冻融法和辐射法相比，采用先冻融后辐射方法制备的CS/PVA水凝胶的拉伸强度有明显提升. CS的添加使得CS/PVA水凝胶的拉伸强度一定程度的降低. 另外，不同种类的CS 对CS/PVA 水凝胶拉伸强度的影响存在差异. 由图7（b）中可以看出，采用先冻融后辐射方法制备的CS/PVA水凝胶的断裂伸长率较辐射法有显著提高；不同种类的CS 对CS/PVA 水凝胶断裂伸长率的影响不明显.

图7 制备工艺对CS/PVA水凝胶力学性能的影响Fig.7 Effect of preparation process on mechanical properties of CS/PVA hydrogel

2.4 CS/PVA水凝胶的抑菌性能

CS的抑菌性与其分子量有着密切的关系［19-20］，本文考察了重均分子量（Mw）为5万的CS对大肠杆菌的抑菌效果，如图8 所示. 采用牛津杯为容器进行了CS 溶液对大肠杆菌的抑菌性能测试，如图8（a）所示.由图8（a）可以看出，左侧对照组未表现出抑菌性，而右侧盛装有100 μL CS 溶液的牛津杯周围出现了明显的抑菌圈，直径约为15.5 mm. 图8（b）中上方为CS/PVA 水凝胶，下方为对照组PVA 水凝胶. 由图8（b）可以看出，与PVA 水凝胶相比，添加了CS 的CS/PVA 水凝胶呈现出明显的抑菌圈，直径约为10.3 mm. 由图8可以看出，对大肠杆菌的抑菌作用，CS/PVA 水凝胶抑菌圈较CS 溶液的小. 其原因可能有两个方面，一是片状水凝胶的原始尺寸小；二是PVA 基体减缓了CS的释放与扩散，一定程度上影响了CS/PVA 水凝胶的抑菌性能.

图8 CS/PVA水凝胶的抑菌性能Fig.8 Antibacterial performance of CS/PVA hydrogel

3 结论

1）采用先冻融后辐射的方法制备的CS/PVA 水凝胶材料，不仅具有较好的力学性能，而且具有良好的外观.

2）CS/PVA水凝胶材料适宜的制备工艺为：CS/PVA为1∶1，冻融次数为2次，吸收剂量为30 kGy.

3）CS的添加，不仅提高了CS/PVA水凝胶的溶胀性能，而且赋予了CS/PVA水凝胶对大肠杆菌具有较好的抑菌性能.