聚乙烯醇基水凝胶制备及与应用的研究进展

周厚旺，王月琴

（温州大学，浙江 温州 325000）

聚合物水凝胶网络可以通过化学交联或物理交联形成交联点，这种网络可以膨胀或收缩，吸收和保留大量的水，同时不溶于水[1-2]。通常水凝胶在自然条件下可固定成一定的形状，并在一定的压力下表现出良好的柔韧性。这类具有吸水性﹑保水性﹑控释性等功能化性能的高分子材料，近年来引起了研究者的巨大研究兴趣，发展前景广阔。

随着对水凝胶功能需求的增大，功能性水凝胶的设计策略得到了广泛的研究。通过各种化学和物理相互作用制备的水凝胶，通常表现出优异的特性如灵敏度﹑生物适应性等[3]。水凝胶在组成﹑结构和性质上与人类的软组织有相似之处，因此也被广泛用于药物递送﹑细胞培养﹑组织工程以及其他生物医学和仿生应用[4]。此外，功能化水凝胶在智能传感﹑环境治理等诸多方面也具有广阔的应用前景[5]。

聚乙烯醇（PVA）作为早期的高分子水凝胶材料之一，近年来呈现出新的生命力。许多研究表明，PVA 具有进一步研究的价值。PVA 基水凝胶通过交联和溶胀，可形成具有三维网络结构的胶体分散体，并因生物适应性好﹑高吸水率﹑良好的机械性能而备受关注[6-7]。在20 世纪70 年代初期，冷冻凝胶PVA 就被提议用于生物医学应用[8]。同一时期，Peppas 开展了一系列关于PVA 水凝胶制备技术的研究。通过测量PVA 样品在凝胶过程中的结晶浊度，可深入了解PVA 在结晶过程中的交联反应，研究结晶﹑PVA 浓度和凝胶时间之间的关系，从而扩大PVA 水凝胶在传感﹑生物医学等方面的应用[9-11]。此后，研究人员致力于PVA 水凝胶的形成﹑修饰﹑表征和应用的研究。

经过几十年的探索，得益于研究技术的进步（如3D 打印），PVA 水凝胶作为先进功能材料的应用得到了广泛的拓展，如3D 打印组织工程材料[12-13]﹑自修复凝胶[14]﹑形状记忆材料[15]﹑摩擦纳米发电机[16]﹑传感器[17]等，进一步表明这种材料具有更多的潜力和可能性。

1 聚乙烯醇基水凝胶的制备方法

为了制备机械强度好﹑含水量高﹑制备简便的PVA 水凝胶，采用不同的交联方法和制备条件，可获得理想的聚合物网络结构。根据聚合物的交联机理，PVA 水凝胶的制备可分为物理交联﹑化学交联和辐射交联。

1.1 物理交联

当下，重复的“冻融法”是最常用的物理交联工艺[18-19]。通过物理交联获得的水凝胶，机械性能大大提高，且交联过程是热可逆的。聚合物链的聚合部分和非聚合部分在凝胶化的初始阶段形成，因分子内氢键的作用而产生网络结构，当 PVA 溶液冷冻时，分子链的运动减弱，链间的接触时间变长，链间距离缩短，促进了内层/分子间羟基之间氢键缔合的形成[20-21]。冻融法制备的PVA 水凝胶，使用了生物适应性良好的有机交联剂，可保持良好的生物相容性。随着环境参数（如温度﹑pH 值和渗透压）的变化，物理交联点的性质可以改变，溶胶-凝胶状态是可逆的。

Jianquan Hu 等人[22]采用简单的一锅冻融法制备了PVA 基离子导电水凝胶，将不同比例的PVA﹑CNF 蒸馏水悬浮液及甘油混合后，在一定条件下搅拌，得到水凝胶前驱体溶液，再将前驱体溶液转移到四氟乙烯模具中，置于−18℃的冰箱中12h，再在室温下解冻3h。冻融过程循环3 次即得到水凝胶。随着冻融次数增加，分子间的交联程度增加，氢键作用力增强，水凝胶网络结构变得更加紧密，除了具备优异的机械性能外，水凝胶在室温和-18℃下的离子电导率为0.220 S・m-1和 0.183 S・m-1，表现出优异的离子电导率和抗冻性。该水凝胶具有优异的机械性能﹑离子电导率和抗冻性，可被集成到人体运动监测的应变传感器中，表现出优异的传感稳定性﹑可重复性和可靠性。

1.2 化学交联

化学交联是水凝胶最常用的制备方法，水凝胶的性能会受到浓度﹑交联剂种类和反应条件的影响。化学交联剂可以在PVA 分子之间形成化学交联点，从而形成凝胶。化学交联反应迅速，但由于交联剂的分散不均匀，因此经常会出现不均匀的交联结构。目前大多数的化学交联剂都具有生物毒性且难以去除，对组织细胞有巨大的损伤，植入后会引起炎症，且不会降低水凝胶材料的生物相容性[23]。

Jun Seo Park 等人[24]采用水溶液流延制备了在HCl 存在下与戊二醛（GA）化学交联的聚乙烯醇（PVA）薄膜。PVA 和戊二醛（GA）之间发生反应生成了聚合物网络，其机械性能和溶胀受到交联程度的影响，所形成的交联结构是PVA 的羟基与GA 的醛基在强酸存在下反应而获得的。

1.3 辐射交联

辐射交联一般是利用高能射线如伽马射线﹑电子束和X 射线等，直接辐射PVA 溶液。当用高能射线照射PVA 时，它会产生大分子自由基，辐照PVA产生的自由基分别位于仲碳和叔碳上。2 个大分子自由基通过双基团偶联反应交联在一起，产生交联键。随着交联键增加，它们开始凝胶化，并逐渐在整个系统中形成三维网络结构[25-27]。由于辐射产生的PVA 水凝胶不含交联剂，因此具有良好的光学透明度。采用辐射交联制备的PVA 水凝胶，其另一个优点是反应迅速，可以在室温和大气压下制备[28-29]，但是制备成本偏高。

Y. C.Nho 等人制备了由PVA﹑PVP 和壳聚糖组成的可作为伤口敷料的水凝胶。水凝胶由壳聚糖和PVA/PVP 的混合物，通过冷冻和解冻及用伽马射线照射的两步法制成。将水凝胶样品和凡士林纱布覆盖在大鼠背部皮肤上的伤口，术后当天对伤口状态进行观察，凡士林纱布很快干燥并粘在老鼠的伤口上，PVA/PVP-壳聚糖水凝胶敷料可以止血，固化效果优于凡士林纱布，实验结果显示了辐射交联水凝胶的优势。

2 聚乙烯醇基水凝胶的改性方法

随着科技的发展，对水凝胶的功能需求越来越多，研究人员越发致力于PVA 水凝胶的形成﹑修饰﹑表征和应用研究。聚乙烯醇基水凝胶的改性方法大致有化学改性﹑物理改性﹑加装填料等。

2.1 化学改性

纯PVA 水凝胶对环境刺激不敏感，通常可以将官能团嫁接到PVA 骨架上，以此来修饰PVA 的分子结构。Xu Yang 等人[30]以丙烯酸化PVA 与DMC 或SBMA 单体的共聚交联为基础，开发了带电基团改性的PVA 水凝胶。所制备的水凝胶具有大孔结构﹑高孔隙率﹑适当的溶胀能力和力学性能。水凝胶在较宽的pH 范围内表现出优异的稳定性，并赋予了PVA 水凝胶抗菌功能。Monika Muchová等人[31]用不同浓度的交联剂﹑2，3-二醛纤维素﹑DAC﹑不同分子量的基质聚乙烯醇PVA 进行组合，优化了PVA/DAC 薄膜在局部应用中的性能。使用较高分子量的PVA 基质与较低浓度的交联剂组合，制备的薄膜具有高孔隙率和高含水量（载药能力），所有的测试样品对皮肤均具有最佳的附着力，增强了其透皮给药性能。

2.2 物理改性

利用聚合物链之间的分子间力形成分子聚集体，可以获得具有优异性能的复合体系。Elnaz Farzinfar 等人[32]采用离子向凝胶法合成了壳聚糖纳米颗粒，将PVA 与壳聚糖纳米颗粒组合，采用冻融循环制备了纳米复合水凝胶，研究了PVA 纳米复合水凝胶在伤口敷料中的特性。PVA 纳米复合水凝胶具有良好的溶胀性和机械强度，能满足伤口敷料的要求。

2.3 加装填料

将无机填料或有机分子复合到PVA 水凝胶中，可以增强PVA 水凝胶的性能。这种共混不仅可以保持PVA 水凝胶的生物活性，还可以改善PVA 水凝胶的机械性能，赋予水凝胶新的功能。Xiongxin Luo 等人研发了一种基于MXene/PVA 水凝胶的柔性多功能摩擦电纳米发电机，MXene 纳米片的掺杂不仅促进了PVA 水凝胶的交联，还提高了复合水凝胶的拉伸性。Yeqiao Meng 等人[33]采用挤出3D 打印技术，构建了一种具有仿生梯度结构的聚乙烯醇（PVA）基复合水凝胶，可作为人工软骨的替代品。GO 或GO-HA 的引入使得分子间氢键减弱，纠缠密度降低，动态黏度得到极大改善，在人工软骨的精准定制修复中显示出广阔的应用前景。

3 聚乙烯醇基水凝胶的应用

PVA 高分子材料具有无毒﹑生物相容性好﹑可降解性﹑可加工性等特性，可满足不同应用领域的要求，已广泛应用于生物医药[34-36]﹑自修复材料[37]﹑摩擦纳米发电机﹑传感器[38]等领域。

3.1 生物医药

作为一种新兴的药物载体，水凝胶被广泛应用于肿瘤药物的递送。水凝胶药物载体的副作用相对较轻，并能对肿瘤部位实施药物的持续递送。此外，水凝胶具有优异的生物相容性和生物降解性，比其他载体的毒性更低，能响应环境中的刺激（如热﹑pH﹑光﹑超声波），实现原位凝胶化和控制药物释放，从而大大提高了药物递送的便利性和效率。Xiuqi Li 等人采用化学交联和原位合成技术，制备了一系列PU/PVA 和PU/PVA/Ag 水凝胶。PU/PVA 水凝胶具有均匀的多孔结构﹑良好的溶胀能力和生物相容性。PU/PVA 水凝胶中的银纳米颗粒，进一步提高了材料的力学和摩擦学性能（杨氏模量﹑拉伸强度﹑断裂伸长率和摩擦系数）。此外，PU/PVA/Ag 复合水凝胶显示出优异的抗菌性能，表明它们可以用于伤口愈合。Katarzyna Bialik-W・s 等人使用紫外辐射，开发了含有紫锥菊提取物的海藻酸钠/聚乙烯醇水凝胶，水凝胶具有抗氧化活性，可以在伤口愈合过程中保持伤口潮湿，促进新组织的生长和伤口愈合。

3.2 自修复材料

自主自愈被定义为能使材料自动愈合损伤，使机体恢复正常状态的属性。自主自愈通常发生在制备的材料中，无需外部刺激的干预即可实现自我修复。水凝胶的流动性可以填充不规则的空腔和形状而无需预成型加工。其保水能力和网络结构与细胞外基质相似，具有较强的稳定性。但与传统水凝胶不同，自修复水凝胶通过动态连接而形成空间网络。Maria Bercea 等人将PVA 经过冷冻/解冻程序会形成三维网络的能力，与氧化普鲁兰多糖大分子与PVA 相互作用的能力相结合，−COOH 基团的存在避免了交联剂的补充，仅3 个冻融循环即加速形成了网络。该水凝胶具有自愈能力，且恢复快，疤痕小，患者的疼痛小。这种特性提供了以侵入性较小的方式实施体内药物递送的可能性。该水凝胶不会释放细胞毒性化合物，具备良好的生物适应性。

3.3 摩擦电纳米发电机

摩擦电纳米发电机（TENG）代表了在自供电﹑医疗科学和电子信息技术中的新兴技术。基于TENG 的柔性，简单易制造﹑可自供电的电子器件备受期待，但传统柔性电极的复杂制备工艺和高昂的成本，阻碍了其的实际应用。Xiongxin Luo 等人研究发现，MXene/聚乙烯醇（PVA）水凝胶TENG（MH-TENG）具有制备简单﹑可多功能应用的特点。MXene 纳米片的掺杂不仅促进了PVA 水凝胶的交联，还能通过增加化学键提高复合水凝胶的拉伸性。MXene 纳米片在表面形成微通道，通过改善离子传输来增强水凝胶的导电性，还能通过流动振动电位机制，产生额外的摩擦电输出。在单电极应用下，MH-TENG 的输出开路电压高达230V。MH-TENG出色的形变性能和对刺激反应的良好灵敏度，展示了在可穿戴人体运动监测﹑高精度书写笔画识别及低频无规则机械能量收集中的应用。

3.4 传感器

基于优异的物理和化学性能，PVA 基水凝胶的防冻﹑自愈﹑刺激响应等功能，也可以用作特定的传感应用。水凝胶会对外部环境的变化做出反应，产生膨胀/收缩行为。环境的变化可以通过测量水凝胶的体积变化来判断。

Shohreh Azadi 等人提出了一种生物相容性水凝胶传感器。该传感器由聚乙烯醇（PVA）纳米复合材料制成，具有高达500%的高应变拉伸性，900kPa的高机械强度和导电性，可与人体皮肤相媲美。水凝胶传感器在整个检测范围内表现了出色的线性度，在循环负载下具有出色的耐用性。基于快速响应时间（0.32s）和高生物相容性，这种新型传感器作为表皮传感应用的可穿戴传感器，具有巨大的应用潜力，比如用于检测人体的关节和肌肉运动。

Xin Jing 等人合成了一种聚乙烯醇/纤维素纳米纤维（PVA/CNF）水凝胶，具有双交联网络，可用于高度透明﹑可拉伸﹑可自愈的压力应变传感器。与传统的PVA 水凝胶相比，该水凝胶含有动态的硼酸盐键﹑金属-羧酸配位键和氢键，使得水凝胶具有更好的稳定性﹑机械强度﹑柔韧性及自愈能力。制备的水凝胶具有11.2kPa 的中等模量和1900%的高伸长率。接触后15s 内可自愈，不受任何外界的刺激，透光率高达90%以上，与人体纤维细胞的相容性极佳。基于PVA/CNF 水凝胶开发的电容式传感器，对细微的应力变化具有很高的灵敏度，用作应变传感器时，能够识别和监测各种人体运动如手指﹑膝盖﹑肘部和头部的运动，以及呼吸﹑轻拍等。所开发的水凝胶传感器不仅在电子皮肤﹑健康检测﹑可穿戴器件方面显示出巨大的应用潜力，还可能促进透明﹑智能类皮肤传感器的开发。

4 结论和展望

基于应用前景的考虑，未来的水凝胶设计应具有以下特点：1）功能化水凝胶材料应采用毒性小﹑可生物降解的大分子材料，即具有良好的生物相容性和生物降解性，水凝胶可自愈，从而延长其使用寿命，节约成本；2）对于组织工程，水凝胶的力学性能和结构应与组织高度匹配；3）注射或植入的水凝胶可以在体内进行跟踪，以进一步扩大其在生物医学领域的应用；4）开发多功能的水凝胶，以满足体内复杂生物条件的要求并实现协同作用。PVA 水凝胶因优异的物理和化学性能，具有巨大的发展和应用潜力。PVA 水凝胶的进一步深入研究，应侧重于结构设计和改性，特别是提高水凝胶材料的长期生物相容性和力学强度。

水凝胶制备和加工技术的改进，对提高其性能起到了非常积极的作用。随着3D 打印技术的快速发展，基于不同原理﹑使用不同材料的3D 打印设备相继被开发，其中，智能材料是最近备受关注的一种材料。Jing X 等人[39]强调了开发3D 打印对多功能智能响应材料的重要性，并提出了4D 打印的概念，即在某些外部刺激（温度﹑光线﹑外力或pH）下，印刷材料会随时间发生变化。PVA 水凝胶显示了3D/4D 打印在未来智能应用中的巨大潜力[40]。

随着水凝胶设计的不断发展和改进，以及加工和成型方法的不断优化，传统的PVA 水凝胶材料展现出更多的可能性，未来PVA 基水凝胶的发展潜力巨大。