PVA水凝胶的制备及其性能研究

易 苏，谭宇桓，袁 涛，丁玉婷，万昕桐

（湖南工程学院 材料与化工学院，湘潭 411104）

0 前言

聚乙烯醇（PVA）水凝胶是PVA高分子交联形成的三维网状结构，此结构在溶剂中溶胀形成胶态物质，PVA水凝胶具备吸水、保水、缓释及对外界刺激的敏感性响应等性能以及具有低毒性，物理力学性能好以及生物相容性优良等优点［1-2］.在生物医药、食品工业等领域具有广泛的应用［3-5］.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

聚乙烯醇（PVA），聚合度2350，上海化学试剂分装厂；水杨酸（SA），天津市永大化学试剂有限公司；硫酸庆大霉素，河南天方药业股份有限责任公司.

紫外可见分光光度计（UV1800），长沙市八方科学仪器有限责任公司；测厚仪（YG142），宁波纺织仪器厂；棒式涂膜涂布器（QTS），天津市精科材料试验机厂；电子万能拉伸试验机（WDW-20），济南恒瑞试验机有限公司；防紫外线透过及防晒测试仪（HD902C），北京卓川电子科技有限公司.

1.2 实验方法

1.2.1 PVA水凝胶膜的制备

称量2 g聚乙烯醇，量取30 mL蒸馏水，置于三口瓶中，升温至95℃，水浴加热并搅拌溶解4 h.加入10 mL蒸馏水，加速搅拌2 h.保温10 min，然后用超声波处理去除气泡.将玻璃板放在平台上，予以固定，采用棒式涂膜涂布器，涂膜成型.将涂膜后的玻璃板放入盒中密封，然后放入冰箱中冷冻，在-18℃下冷冻18 h后从冰箱取出置于室温下解冻6 h，反复冷冻、解冻操作5次.将冷冻、解冻完成的涂膜玻璃板放入真空干燥箱中干燥，干燥温度为55℃.从玻璃板上小心取下干燥的涂膜，放入密封袋中保存.

1.2.2 PVA载水杨酸水凝胶膜的制备

称量2 g聚乙烯醇，量取30 mL蒸馏水，置于三口瓶中，升温至95℃，水浴加热并搅拌溶解4 h.再加入10 mL蒸馏水，加速搅拌2 h.保温10 min，然后加入一定量的水杨酸，超声处理30 min，使水杨酸分散均匀［6］，将玻璃板放在平台上，予以固定，用同样的方法将水凝胶成膜，将涂膜后的玻璃板放入盒中密封，然后放入冰箱中冷冻，在-18℃下冷冻18 h后从冰箱取出置于室温下解冻6 h，反复冷冻解冻操作5次.将冷冻、解冻完成的涂膜玻璃板放入真空干燥箱中干燥，干燥温度为55℃.从玻璃板上小心取下干燥的涂膜，放入密封袋中保存.

1.2.3 含硫酸庆大霉素PVA膜的制备

在三口瓶中加入一定量的聚乙烯醇和蒸馏水，升温至90℃搅拌溶解.待其完全溶解后再向溶液中加入抗菌药物硫酸庆大霉素注射液，搅拌混合30 min后趁热用丝棒涂布器均匀涂在模具上，放在50℃恒温干燥箱中干燥成膜.

1.2.4 PVA载硫酸庆大霉素水凝胶膜的制备

在装有搅拌器和温度计的三口瓶中加入一定量的聚乙烯醇和蒸馏水，在搅拌的情况下缓慢升温至90℃溶解2 h.待其完全溶解后再向溶液中加入抗菌药物硫酸庆大霉素注射液，搅拌混合30 min后倒入干净的模具中，用丝棒涂布器涂匀.把制好的模具放在-18℃冷冻6～12 h，然后解冻1～2 h，同样的过程重复5次，制得PVA水凝胶膜.

1.3 分析测试

1.3.1 水凝胶膜厚度的测定

制备好的凝胶膜样品在恒温恒湿（20℃，相对湿度65%）的条件下静置24 h，使用YG142型测厚仪对凝胶膜样品五个不同位置进行测量，取平均值.

1.3.2 水凝胶膜透气性测试

将制得的凝胶膜样品裁成大小为50 mm×50 mm的规格，置于检测仪器中，设定试样压差为100 Pa，试验面积20 cm2，选择型号为0.8的喷嘴，测定不同的凝胶膜样品透气性.

1.3.3 水凝胶膜力学性能测试

聚乙烯醇水凝胶膜的力学性能主要以抗拉强度这个物理量表示，即从开始拉伸到完全断裂过程中承受的最大拉伸应力.断裂伸长率是指试样完全断裂时，标线间增加的距离量与初始标距之间的比值，用百分率表示.其具体计算公式如下：

式中：P——抗拉强度，MPa

b——样品宽度，mm

d——样品厚度，mm

式中：ε——断裂伸长率，%

L——试样断裂时被拉伸的长度，mm

L0——试样未拉伸时的长度，mm

按照国家标准GBT1040-1992，将凝胶膜样品剪裁成大小为50 mm×150 mm的规格，将样品装入机器中，调整好位置，设定相关参数，进行测试，测定不同合成方法合成的凝胶膜样品的力学性能.

1.3.4 水凝胶抗紫外性能测试

按照GB/T 18830-2002标准，将凝胶膜裁成规格为50 mm×50 mm大小，将试样放入仪器内，开启仪器，测定不同水凝胶膜的抗紫外线性能.

1.3.5 水凝胶透光性测定

按照国家标准（GB2410-80）裁切试样50 mm×50 mm，采用可见光分光光度计在波长为400 nm～700 nm范围内对复合水凝胶膜的透光性进行检测.

1.3.6 水凝胶抗菌性能的定性测试

将水凝胶样品裁剪成大小相同的小圆片，于紫外灯下灭菌30 min，将所有实验用品转入无菌操作台中，做好标记；量取15 mL固体培养基于表面皿中，取100μL已培养好的菌液，摇动表面皿，使菌液混合均匀［7］，静置20 min后再贴膜：无菌操作，用镊子取已灭菌膜材料圆片贴在平板上相应位置，将贴膜后的平板转移至恒温培养箱中，于37℃培养24 h，观察实验结果.若实验菌种为霉菌，则于28℃培养48 h，测量抑菌圈直径，最后对实验结果进行拍照.

1.3.7 水凝胶的缓释性能测试

（1）pH值为7.2 PBS的配制

0.2 mol/L Na2HPO4的配制：准确称量71.628 g磷酸氢二钠放入烧杯中，加适量水充分溶解后转移至1000 mL的容量瓶中定容.

0.2 mol/L NaH2PO4的配制：准确称量15.601 g磷酸二氢钠放入烧杯中，加适量水充分溶解后转移至500 mL的容量瓶中定容.

把制得的0.2 mol/L Na2HPO4溶液和0.2 mol/L NaH2PO4溶液按72∶28的体积混合得pH值为7.2 PBS的溶液［8］，待用.

（2）凝胶基质和释放介质透光率的测定

将没有掺入药物的PVA水凝胶膜和PVA膜浸入到二次蒸馏水中，24 h以后取出，准确量取相同体积的浸出液和上述制备的PBS溶液，用紫外可见分光光度计在300～400 nm波长范围内测定.

（3）衍生化试剂的配制

准确量取0.8 mL乙酰丙酮，1.7 mL一定质量分数的甲醛溶液，加醋酸-硼酸-磷酸溶液（体积比为11.5∶8.67∶13.5，加碱液调节PH值为4）至30 mL，摇匀，立即使用［9］.

（4）衍生化反应及测定

通过衍生化反应制得的聚乙烯醇衍生物对包埋在膜中的药物有较好的控制释放作用.准确量取相同体积的衍生化试剂和硫酸庆大霉素注射液于试管中均匀混和，100℃中水浴加热25 min，冷却至室温，以pH值为7.2的PBS溶液为空白对照实验组，分别在波长356 nm处测定其吸光度.

（5）标准曲线的绘制

采用pH值为7.2的PBS溶液将硫酸庆大霉素注射液（2 mL：8万单位），稀释成硫酸庆大霉素含量分别为5.0、10.0、15.0、20.0、30.0、40.0、50.0 U/mL的标准溶液，每种溶液及衍生化试剂均吸取3 mL，按衍生化反应操作进行［9］，设定波长为356 nm，测定其吸光度，以浓度C（U/mL）—吸光度A进行线性回归，得出回归方程，画出标准曲线图.

（6）药物的体外释放

分别取等质量的已制备好的PVA水凝胶膜和PVA膜各两份，标为A、A1和B、B1以pH为7.2的PBS 400 mL为释放介质，分别加入烧杯中，保持温度为32℃.将样品固定于两层网片中央，再使样品与旋转桨底面平行，两者相距25 mm，设定旋转桨的转速为100 r/min.分别于0.5、1、2、4、6、8、10、12、24、36、48 h取A和B两种溶液3份，每份3 mL，取样位置以正中间为宜，并及时在操作容器中补充空白组A1和B1中溶液9 mL.分别向取出的溶液中加入衍生化试剂3 mL，继续反应一段时间，在波长为356 nm处测定吸光度［9］，根据标准曲线方程，分别计算每个样品在不同时间的药物累积释放量.

1.3.8 水凝胶膜溶胀度测试

称取一定质量的干燥的水凝胶膜，记为W1，将其在乙醇/水混合液中浸泡一段时间，取出、擦干样品表面液体、称量、记录数据，循环操作数次，直到其质量变化不大，取三次计算平均值，记为W2.水凝胶膜的溶胀度DS计算式为：

2 结果与讨论

2.1 水凝胶膜的厚度

根据国标GB/T 3802-1997纺织物厚度的试验方法，使用YG142型测厚仪对凝胶膜厚度进行了测定，测量的数据如表1所示.由表1可以看出水凝胶膜的厚度比较均匀.不同水凝胶膜的厚度有微小差别，这主要是由于用棒式涂膜涂布器在玻璃板上涂膜时所用的力度不同所致.

表1 不同水凝胶膜厚度

2.2 水凝胶膜的透气性

以透气系数P表征薄膜透气性.其计算如下式：

式中p1、p2是薄膜两侧气体的分压强，L是薄膜的厚度，Q为透过样品的测试气体总量，从（4）式可见，透气系数即为单位时间内，在单位分压差的作用下，单位厚度的材料在其单位面积上通过的测试气体总量.表2为两种PVA水凝胶的透气测试结果.

表2 不同水凝胶膜的透气性能

从表2可知，加入水杨酸的PVA水凝胶透气系数明显大于纯PVA水凝胶的透气系数，这是在合成凝胶的过程中，使用了水杨酸从而使分子链的规整度遭到破坏，使得样品的结晶度下降，阻隔性变差，导致透气系数增大［8］.

2.3 水凝胶膜的力学性能

通过相关力学性能测试，表3为不同水凝胶膜的力学性能.

表3 不同水凝胶膜的力学性能

从表3可以看出，纯PVA水凝胶膜的拉伸强度略大于PVA载水杨酸水凝胶膜，这是由于水杨酸中存在亲水基团—COOH及—OH，使得PVA分子链分散不均匀，在形成凝胶后，PVA水凝胶物理缠结点分布不均匀，使得凝胶膜在拉力作用下受力不均匀，而PVA载水杨酸水凝胶膜的伸长率大于纯PVA水凝胶膜，这可能是由于水杨酸的加入使得PVA大分子链规整度遭到破坏，导致结晶度下降，从而使凝胶膜表现出韧的性质［9］.

2.4 水凝胶膜的抗紫外性能

使用HD902C防紫外线透过及防晒测试仪对两种不同水凝胶膜进行抗紫外性能测试，其结果如图1所示.

图1 水凝胶膜紫外线透过率

从图1可知，在280～300 nm范围内，紫外线的透过率与波长呈正相关关系，即在这个范围内PVA水凝胶膜对紫外光有一定的屏蔽作用，且随着波长的增加其紫外线透过率增加.但是，在300～400 nm之间，PVA水凝胶膜对紫外线的吸收效果并不理想，此时紫外线的透过率高达95%以上，这说明PVA水凝胶在此段波长范围内几乎没有抗紫外线性能，而图中PVA载水杨酸水凝胶的紫外线透过率略小于纯PVA水凝胶的紫外线透过率，这是因为加入水杨酸后，水杨酸本身对紫外线具有吸收作用，并在300 nm左右处达到最大吸收峰，当紫外线照射到PVA载水杨酸水凝胶膜时，水杨酸吸收一部分紫外线，使得紫外线透过率减小.

2.5 水凝胶的透光性

以分光光度计测定样品的透光率，其透光率越大，样品的透明度越好.透光率数值根据水凝胶膜的实际厚度d校正为0.02 mm厚的PVA水凝胶膜的透光率Ta，所用校正公式：

表4为两种PVA水凝胶膜的透光率Ta.

表4 不同水凝胶膜的透光率

从表4数据可知，水凝胶膜的透光率都比较高，均在95%以上，说明材料的透明度较高，PVA水凝胶中存在液态水、未结晶的PVA分子链和PVA结晶区，处于溶解状态的未结晶PVA分子链和水均不会对水凝胶的透光率产生影响，只有水凝胶中的PVA结晶区会对光线产生散射、折射及反射，最终会降低水凝胶的透明度，而加入水杨酸后，水凝胶膜的透光率稍有升高，这是由于水杨酸的加入限制了PVA晶体的生长，导致PVA水凝胶中晶体体积减小，透明度增大［9］.

2.6 水凝胶膜的抗菌性能

以大肠杆菌作为实验菌种，对不同水凝胶膜进行抗菌能力测试，将不同水凝胶膜的抑菌圈直径大小统计如表5所示.

表5 不同水凝胶膜对大肠杆菌的抑菌圈直径大小

从表5可以看出，纯PVA对大肠杆菌几乎没有太大的抑制作用，当加入水杨酸后，其抑制作用明显提高，这是由于在大肠杆菌体内存在多酚氧化酶，在其作用下水杨酸能转变为有较高毒性的醌类物质，而醌类物质可以抑制大肠杆菌的磷酸化酶、转氢酶的活性，并进一步对大肠杆菌的果胶分解酶、纤维素分解酶起到强烈的抑制作用，从而抑制大肠杆菌的生长［7］.

以黑曲霉为实验菌种，对两种不同PVA水凝胶进行抗菌能力测试将不同水凝胶膜的抑菌圈直径大小统计如表6所示.

表6 不同水凝胶膜对黑曲霉的抑菌圈直径大小

由表6可知，纯PVA对霉菌几乎没有太大的抑制作用，并未观察到明显的抑菌圈，因此可以认为PVA水凝胶膜对霉菌的抗菌性能并不明显，当加入水杨酸后其抑菌圈增大，可以认为水杨酸对霉菌有一定的抑制作用.

2.7 水凝胶的缓释性能

（1）凝胶基质和释放介质对实验结果的影响

在300～400 nm波长范围内扫描，水凝胶浸出液和PBS的吸光度均为零，说明两者对药物的测定无干扰.

（2）标准曲线的绘制

通过配制不同浓度的标准溶液，在356 nm波长下测定其吸光度.测定结果如表7所示.对实验数据进行处理得到硫酸庆大霉素注射液浓度和吸光度的关系如图2所示.

图2 硫酸庆大霉素注射液浓度和吸光度的关系图

表7 标准溶液和吸光度的测定

通过对浓度C（U/mL）和吸光度A进行直线回归，得到方程：

结果表明，在5.0～50.0 U/mL之间线性关系较好.

（3）药物释放的测定

准确称取0.200 g PVA水凝胶膜，在pH为7.2的PBS溶液中进行药物释放实验，在各个时间段取样，设定波长为356 nm，测定吸光度A，然后根据标准曲线方程计算累积浓度［9-12］，其结果如表8所示.同样准确称取0.200 g PVA膜，按上述相同操作步骤进行，其结果如表9所示.

表8 PVA水凝胶膜的释放时间和累积释放度的关系

表9 PVA膜的释放时间和累积释放度的关系

根据表8和表9作PVA水凝胶膜和PVA膜累积药物释放与时间的关系图，如图3所示.

图3 PVA水凝胶膜和PVA膜药物释放趋势图

由图3比较两者之间药物释放的速度，分析可知，随着时间的增加，PVA水凝胶膜和PVA膜的累积释放度都在逐渐增大，由表8、表9以及图3可见，在0～6 h内PVA膜的释放速度迅速，之后释放速度很慢，PVA水凝胶膜药物的释放速度缓慢增快，在6 h处浓度达到最大，PVA水凝胶膜的药物释放速度相对于PVA膜，释放速度更加平稳.因为采用冷冻—解冻法制备的水凝胶属于物理交联，是一种可逆水凝胶，由此法制备的水凝胶膜是以水为介质，通过分子物理缠绕和氢键作用力而形成的高分子网络体系.当PVA溶液在低温条件下，分子链运动减弱，链之间的接触时间变长，链之间的距离缩短，有利于分子链上的羟基间形成氢键缔合，同时PVA在低温下通过结晶作用，促使了物理网络交联点的形成，并形成了很好的结晶结构［13］.

将PVA水凝胶作为药物载体，与小分子药物以结合键的形式相连，或将小分子药物包埋于水凝胶内，通过这种方法，可使药物释放时间得到较大程度的延长，增加了药物的稳定性，减少了药物的用量，实现了药物控制缓释技术［14］.

从表8、表9以及图3可以看出PVA水凝胶膜和PVA膜都具有缓释性能，而由于PVA水凝胶膜在冷冻解冻过程中，形成了三维网络结构使其结构变得复杂，有利于对药物进行包埋，药物释放速度缓慢，所以PVA水凝胶膜的缓释性能比PVA膜相对优异.

2.8 水凝胶膜溶胀度测试

表10为两种不同水凝胶膜在85%的乙醇溶液中15℃时的溶胀度.

表10 不同水凝胶膜的溶胀度

从表10可知，PVA水凝胶膜在15℃时的溶胀度可达33.64%，而PVA/SA水凝胶膜略小于PVA水凝胶膜的溶胀度，可能是由于在溶胀过程中，PVA/SA水凝胶膜中的SA能部分溶于水而析出，使得水凝胶膜增加的质量减少，最终导致溶胀度下降.

3 结论

（1）以PVA、SA等为原料制备出了一系列PVA膜、含硫酸庆大霉素PVA膜、PVA载硫酸庆大霉素水凝胶膜、PVA水凝胶膜、PVA/SA复合水凝胶膜.

（2）从制备的样品表征发现PVA水凝胶膜、PVA/SA复合水凝胶膜都具有较均匀的厚度、很高的透明度及比较优良的溶胀度，同时也具有一定的力学拉伸强度和透气性，而PVA/SA复合水凝胶膜其抗菌性远远优于PVA水凝胶膜.

（3）对PVA水凝胶膜的缓释性能考察时，发现PVA水凝胶膜的药物释放速度相对于PVA膜更加平稳，明显优于PVA膜的缓释性能.