高强度低摩擦PVA基水凝胶的研究进展

顾伟，李巧玲，邓晓莉，郝莉，张睿轩，刘振兴

(中北大学 理学院，山西 太原 030051)

现如今，关节软骨组织的损伤是临床最常见的疾病之一[1]，创伤、运动磨损、脱位等因素都会导致关节软骨组织受损[2]。软骨的细胞外基质(ECM)主要由水构成，其含量达到了60%～80%[3]，但是软骨受伤后自行修补的能力有限。目前，人工软骨材料为关节软骨的损伤修复或替代提供了更多的选择性[4]，人工软骨材料的生物相容性是一个需要考虑的重要因素，水凝胶作为一种高分子材料，以多孔网络结构为骨架[5-6]，含水量高，同时具有良好生物相容性，可应用于生物医学领域，因此，水凝胶材料是一种很有前途的关节软骨置换材料[7]。

近年来针对水凝胶的研究得到了快速的发展。如Cui等[8]采用一步凝胶法制备了具有多孔双层结构的PVA-BA/PEG(聚乙烯醇-硼酸/聚乙二醇)仿生水凝胶。这种水凝胶在表现出良好的力学性能的同时，还能够具有优异的水润滑性能。PVA-BA/PEG水凝胶在水润滑或小牛血清中的摩擦系数即使在高负荷下也很低，在关节软骨修复中具有很高的应用潜力。

因此，研究具有高的力学性能、低摩擦性能和良好的生物相容性的水凝胶具有非常好的现实意义。

1 PVA基水凝胶的制备方法

根据形成机制的不同，水凝胶的制备方法主要分为物理交联法和化学交联方法。物理交联通过非共价键方式形成凝胶，具有可逆性；化学交联是以化学键与两种或多种聚合物大分子结合，形成网络结构，凝胶结构稳定，反应不可逆。

1.1 物理交联法

物理交联法不用添加任何化学试剂，且无有毒物质，不会降低材料的生物相容性。物理交联法最常用的方法是“冻融法”(不添加交联剂)。制备高纯度PVA水凝胶的常用方法就是冻融法，制备的水凝胶性能与PVA浓度和冻融循环次数有关。例如，Gonzalez J S等[9]通过在PVA水溶液中添加不同量的HA(羟基磷灰石)并随后进行冻融循环法来制备PVA/HA复合水凝胶。羟基磷灰石作为人和动物骨骼的主要无机成分，具有良好的生物相容性。通过添加HA，一方面解决了粘附性差的问题，另一方面，制备的PVA/HA复合水凝胶具有关节置换的潜在应用，为关节置换水凝胶材料提供了研究方向。

1.2 化学交联法

化学交联法主要有化学引发自由基聚合的反应、辐射交联法等。例如，化学引发的自由基聚合反应通过添加引发剂和交联剂，诱导产生单体自由基，再与其他自由基反应形成新的自由基，最终形成稳定的聚合物。Ceylan S等[10]在蒸馏水中添加聚合物制备具有不同PVA/明胶溶液，在聚合物溶液中加入戊二醛作为交联剂，经过冷冻解冻法成功制备出PVA/明胶基冷冻凝胶。在膨胀率测试中，PVA/明胶比为1∶1的冷冻凝胶具有最高的溶胀率，化学交联冷冻凝胶的溶胀率为(973.20±68.65)%对比同条件下物理交联冷冻凝胶(不添加交联剂)的溶胀率(456.87±10.51)%高得多。采用3-(4,5-二甲基噻唑基)-2,5-二苯四唑溴化铵(MTT)法考察了低温菌的生物相容性，结果表明，细胞在化学交联法制备的水凝胶支架上的存活率更高。实验表明，化学交联对水凝胶的吸水能力有影响，同时水凝胶具有良好的生物相容性。

2 PVA基水凝胶的功能化改性的研究

近年来，由于聚乙烯醇(PVA)水凝胶具有类似于关节软骨的多孔结构和良好的亲水性能[11]，同时具有很好的摩擦特性和生物相容性，因此在工程润滑领域具有良好的应用前景，从而成为关节软骨替代物的首选材料[12-14]。纯PVA水凝胶的力学性能较差难以承受大的载荷，限制了它的应用[15]。改善水凝胶性能的方法可以通过：(1)构建双网络结构；(2)添加纳米粒子，构建纳米复合水凝胶，从而使PVA水凝胶既具有优异的力学性能和良好的摩擦性能，也具有优良的生物相容性。

2.1 双网络水凝胶

双网络(DN)水凝胶由两个物理性质对比强烈的互穿网络构成，可以实现刚度和韧性之间的力学性能平衡，其中第1个(脆性和刚性)网络容易断裂耗散能量；第2个(柔软且有延展性)网络有助于水凝胶的延展性。第一网络的耗散能力可以防止裂纹扩展，从而显著改善DN水凝胶的力学性能[16]。

双网络水凝胶相对于单网络水凝胶结构发生了变化，增加了分子链的缠结点和交联点，降低了分子链的迁移率，有利于减小分子间滑移引起的不可逆变形，提高了水凝胶的刚度。例如，Yang等[17]合成了BC-PVA-PAMPS[细菌纤维素-聚乙烯醇-聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸钠盐)]双网络水凝胶。纳米纤维网络的细菌纤维素(BC)具有良好的生物相容性，所以将BC渗透到PVA-PAMPS双网络水凝胶中，既增加了水凝胶的抗疲劳强度，也增加了水凝胶的抗拉强度。研究发现，BC-PVA-PAMPS水凝胶的摩擦系数(0.06)约为软骨的一半，比软骨的摩擦系数低45%；耐磨度是PVA水凝胶的4.4倍，并在10万次循环时表现出软骨等效疲劳强度。BC-PVA-PAMPS水凝胶在拉伸和压缩中都具有软骨的强度和模量，PVA网络具有弹性恢复力、粘弹性能量耗散和防止应力集中的作用，PAMPS[聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙烷磺酸钠盐)]网络为水凝胶提供了渗透恢复力的来源，PAMPS网络的电荷表面可以增加凝胶与相对表面之间的水润滑层厚度。在生物相容性的试验中，小鼠成纤维细胞与水凝胶提取物孵育48 h后，未观察到细胞毒性或裂解迹象。因此，BC-PVA-PAMPS水凝胶已被证明具有生物相容性，有望成为人工关节软骨材料良好的候选材料。

一般来说，水凝胶具有低的摩擦系数(COF)，就要要求水凝胶具有较大的水化程度，较大的水化程度又会降低链密度和力学性能[18]。例如，韧性聚丙烯酸-聚乙烯醇复合水凝胶的含水量为40%，而摩擦系数(COF)为0.26[19]。而关节软骨置换材料的摩擦系数仅为0.11[20]。因此，高强度兼具低的COF和具有软骨生物相容性的水凝胶仍然是当前研究热点。Luo等[21]将聚乙烯醇(PVA)和壳聚糖(CS)水溶液冻融，然后用海藻酸钠溶液(SA)浸泡，得到了高强度、低摩擦、生物相容性好的复合水凝胶。根据氢键和离子相互作用的协同作用，得到的水凝胶具有较高的强度(最大抗压强度=141 MPa)， 摩擦系数COF仅仅为0.044。在制备的PVA/CS/SA水凝胶中，具有丰富的胺基和羟基的壳聚糖(CS)网络作为第一网络，PVA作为第二网络，然后在高浓度的海藻酸钠(SA)水溶液中浸泡后，网络的均匀性和交联密度得到了提高，使材料更加坚固，获得了高强度、低摩擦、生物相容性好的水凝胶。水凝胶具有低的摩擦系数，同时海藻酸钠(SA)是一种生物相容性好和无毒的聚合物，制备的PVA/CS/SA复合水凝胶具有的优点使其成为人工关节软骨材料理想的替代品之一。

2.2 纳米复合水凝胶

纳米水凝胶(Hydrogel nanoparticles,NPs)是一种具有交联结构，分散介质为水的纳米颗粒聚合物，粒径范围为1～1 000 nm。纳米水凝胶具有优良的生物相容性、高保水性[22]。因此，由各种纳米粒子和聚合物所制备的纳米聚合水凝胶已经广泛应用于生物医学领域[23]。纳米水凝胶中的高分子聚合物链结构中有多个活性官能团。大量的活性位点可以结合其他组分，如纳米材料。由于纳米材料具有优异的刚性，可以充分提高PVA水凝胶的力学性能。通过选择不同的纳米材料，制备不同结构和功能的纳米水凝胶，通常用于软骨组织材料的纳米水凝胶中的纳米粒子包括：碳基纳米粒子、金属-有机纳米粒子(MOFs)、无机非金属纳米粒子等。

2.2.1 GO纳米复合水凝胶 石墨烯作为一种优异的纳米材料，自从2004年首次报道以来，就被广泛研究[24]。氧化石墨烯(GO)是石墨烯的衍生物，与其他纳米材料[25]相比较，具有良好的柔韧性、力学性能优异，而且容易制备；GO比表面积大、易修改，并且具有很好的生物相容性，所以得到了人们的广泛关注。一方面，GO具有大量的含氧官能团，PVA链与GO之间的强键合作用，可以有效的提高PVA水凝胶的性能；另一方面，GO表面的含氧官能团可以通过物理或化学方法修饰，进一步扩大了其的应用范围。

研究软骨替代水凝胶材料的关键就是水凝胶材料在不同接触条件下的摩擦响应。为了更好地理解PVA/GO水凝胶在迁移和固定接触下的摩擦行为，Shi等[26]采用反复冻融法制备了不同GO含量的PVA/GO复合水凝胶，讨论了PVA/GO在迁移和固定接触条件下的两相润滑行为。PVA/0.10%GO水凝胶与天然软骨接触摩擦系数仅为0.03，PVA/GO水凝胶在固定和迁移接触构型下的摩擦系数很大程度上取决于间隙流体增压和摩擦再水化作用。PVA/GO水凝胶的摩擦行为表现出与天然关节软骨相似的载荷、速度和表面直径依赖性，制得的良好生物相容性的PVA/GO水凝胶材料可以作为软骨置换材料。

除此之外，可以通过在GO和PVA添加交联剂(化学交联法)，使得水凝胶获得更好的力学性能。例如，Chen等[15]采用生物相容性交联剂β-环糊精醛交联氧化石墨烯薄片，形成无机氧化石墨烯网络(β-氧化石墨烯，β-GO)，将合成的无机氧化石墨烯网络加入到PVA基体中，通过冻融的方法制备无机/有机互穿(IPN)水凝胶。β-GO/PVA水凝胶的压缩模量达到了0.91 MPa，与天然关节软骨组织(0.4～0.8 MPa)[27]相当。与纯PVA水凝胶相比，β-GO浓度为3 mg/mL时，β-GO/PVA水凝胶的压缩模量增加了533%，断裂伸长率增加了255%；与相同浓度的GO/PVA水凝胶相比，β-GO/PVA水凝胶具有更高的力学性能。在含水率测试中，β-GO/PVA水凝胶仍保持75%以上的高含水率，与天然软骨含水率(75%)近似。在细胞相容性实验中，β-氧化石墨烯/PVA水凝胶对hCHs(人软骨细胞)细胞的毒性很小，表明β-氧化石墨烯/PVA水凝胶具有良好的生物相容性。

纳米粒子的引入使PVA水凝胶的拉伸性能发生了非常明显的变化。β-氧化石墨烯网络的加入一方面不仅增强了PVA水凝胶的压缩性能而不增加其脆性，而且还增强了其拉伸性能；另一方面，β-GO/PVA水凝胶中加入纳米粒子含水率仍能达到与天然软骨近似的含水量；对hCHs(人软骨细胞)细胞的毒性很小，具有良好的生物活性。这些结果表明，良好生物相容性的β-氧化石墨烯/PVA水凝胶是一种很有前景的人工关节软骨替代品。

2.2.2 金属-有机纳米粒子复合水凝胶 具有有机界面的金属-有机骨架(MOFs)纳米粒子的出现，在催化剂[28]、吸附等[29]领域已经有了广泛的研究。Sharma S K等[30]研究发现，由有机配体组成的ZIF-8(沸石型咪唑骨架)能够在聚合物中很好的分散开，同时ZIF-8与PVA之间的界面更好，拉伸强度提高到了20%。另一方面，具有层状结构的二维MOFs纳米片在油[31]中具有明显的分散性和良好的减摩擦性能。因此，二维MOFs的有机界面和层状结构能够提高其在水凝胶中的分散性，从而也能够提高水凝胶力学性能和摩擦性能。

Gao D Y等[32]成功制备出了Ni-Fe MOF(Ni-Fe-MOF纳米片)/PVA复合水凝胶。二维Ni-Fe MOF纳米片表面存在有丰富的含氧官能团，二维Ni-Fe MOF纳米片与PVA链间的相互作用，从而实现更好的分散。2D Ni-Fe MOF/PVA(二维Ni-Fe MOF纳米片/聚乙烯醇)水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率与纯PVA水凝胶相比，2D Ni-Fe MOF/PVA水凝胶的拉伸强度达到1.04 MPa，断裂伸长率达到299%，明显大于0.64 MPa和211%的纯PVA水凝胶。加入纳米材料可以明显提高水凝胶的拉伸强度。2D Ni-Fe MOF/PVA的摩擦系数最小达到0.1，明显小于纯PVA水凝胶的摩擦系数(COF=0.17)。二维Ni-Fe MOF/PVA复合水凝胶具有典型的减阻性能以及优异的力学性能。因此，这些二维(2D)纳米材料本身具有良好的刚性和较大的比表面等优点，制备的低摩擦水凝胶有望为人工关节软骨的研究提供一个新的方向。

2.2.3 无机纳米粒子复合水凝胶 纳米羟基磷灰石(HA)作为天然骨矿物的主要成分，同时也是生物相容性很好的无机材料，内部具有相互联通的孔隙结构，在有机/无机复合水凝胶的研究中受到人们越来越多的关注[33-34]。HA与PVA的有效结合能够提高水凝胶的生物活性、细胞粘附性和摩擦性能[35-36]。

水凝胶被认为是软骨修复或替换的理想材料，而水凝胶的生物摩擦性能和生物相容性仍然是关键的挑战。HA的存在能够使水凝胶具有低的摩擦性、耐磨性和良好的生物相容性。例如，Gan S 等[37]通过冷冻/解冻技术，制备了双物理交联的聚乙烯醇-(纳米羟基磷灰石)/(2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖)(PVA-HA/HACC-Cit)双网络(DN)水凝胶。得到的水凝胶具有良好的力学性能，包括高断裂拉应力(2.70±0.24) MPa、韧性(14.09±2.06) MJ/m3和压缩模量(0.88±0.09) MPa。由于其独特的双重物理交联结构，制备的水凝胶具有显著的抗疲劳性能和自恢复性能；在以牛血清作为界面润滑剂，在不同的滑动速度下的摩擦系数测量中，PVA-HA/HACC-Cit水凝胶的摩擦系数都较高，表明HA(纳米羟基磷灰石)的存在可以提高水凝胶的摩擦学性能；在相同滑动速度和不同载荷来测摩擦滑动的摩擦系数，摩擦系数能够随载荷的增加而增加。结果表明，PVA-HA/HACC-Cit水凝胶在软骨修复中具有广阔的应用前景。

Chen等[36]采用冻融退火法制备了高强度、低摩擦的PVA-HA/PAA(聚乙烯醇-纳米羟基磷灰石/聚丙烯酸)复合水凝胶。PVA、PAA(聚丙烯酸)和HA(纳米羟基磷灰石)之间能够发生物理交联，互相发生氢键反应；经过退火处理，PVA、PAA和HA之间氢键的相互作用进一步发生反应。实验结果表明，退火处理的PVA-HA/PAA复合水凝胶的断裂应变低于其他水凝胶，而其拉伸强度和弹性模量最高。在摩擦系数测量中，退火处理的PVA-HA/PAA复合水凝胶在滑动速度为10 mm/s和载荷10～20 N下的摩擦系数为最低。因此，HA纳米粒子的加入，再通过退火处理，PVA-HA/PAA复合水凝胶的摩擦系数出现明显降低，而且明显增加了水凝胶的弹性，并且具有良好的回收性。由此可见，采用冻融退火制备的高强度、低摩擦的PVA-HA/PAA复合水凝胶应于关节软骨材料的置换具有一定的创新性，具有很好的研究价值。

3 结论及展望

水凝胶高分子材料的出现，为关节软骨的损伤修复或替代提供了新的研究方向。PVA水凝胶具有良好的亲水性能和好的摩擦特性以及良好的生物相容性，根据需求进行了改性和加工，通过在PVA水凝胶中构建双网络结构和添加纳米粒子，制备的水凝胶实现了低摩擦、高承载和高耐磨等优点，满足了人工关节软骨置换材料的需求。虽然水凝胶的研究已经受到研究者们的青睐，但是有关延长水凝胶材料的使用寿命和水凝胶低的细胞毒性仍需进一步研究。可以预见，随着现代科技的发展,以水溶性PVA为基质的良好生物相容性的高分子材料会得到更加广泛的应用。