聚乙烯醇水凝膠及其制備方法和應用與流程

本發明涉及一種聚乙烯醇水凝膠及其制備方法和應用，屬于高分子水凝膠領域。

背景技術：

聚乙烯醇水凝膠在化學性質上不活潑，無毒性，生物相容性好，機械性能優良，吸水量高，并易于加工成型，廣泛應用于農林、醫藥、日用化工、環保以及沙漠防治等各個領域。

目前，制備聚乙烯醇水凝膠可以采用物理交聯、化學交聯或輻射交聯的方法，使其形成水不溶性的凝膠。其中物理交聯的方法，即通過將聚乙烯醇溶液進行冷凍-解凍，多次凍融的方式，使聚乙烯醇發生物理交聯形成凝膠。

然而，物理交聯法存在以下缺陷：

1、采用物理交聯法，需要多次凍融；一般冷凍時間為24h，解凍時間為2-12h，所以凍融一次的時間至少為26h，而整個過程多次凍融一般需要80h。

2、采用物理交聯的方式，形成的不溶于水的水凝膠是可逆的，在一定條件下容易復溶于水，不穩定；物理交聯的水凝膠強度很差，很容易破損。

技術實現要素：

針對上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種聚乙烯醇水凝膠的制備方法，該方法簡便易行，用時少，生產成本較低。

本發明的技術方案：

本發明要解決的第一個技術問題是提供一種聚乙烯醇水凝膠的制備方法，具體為：將聚乙烯醇與有機溶劑在110℃～145℃下加熱溶解制得聚乙烯醇溶液，然后將所得聚乙烯醇溶液靜置自然冷卻至室溫即可形成具有凝膠結構的聚乙烯醇，最后將具有凝膠結構的聚乙烯醇去除有機溶劑后即制得聚乙烯醇水凝膠；其中，所述有機溶劑為二甲基亞砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的共混溶劑，二甲基亞砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的體積比為0.25～1；所得聚乙烯醇溶液的質量濃度為10～30％。

進一步，所述有機溶劑中，二甲基亞砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的體積比為：2:8、3:7、4:6或5:5。

進一步，具有凝膠結構的聚乙烯醇去除有機溶劑前先在室溫下靜置4～6h使凝膠結構充分交聯。

進一步，聚乙烯醇溶液自然冷卻前除去其中的微小氣泡，優選采用超聲震蕩的方法除去氣泡，超聲震蕩10～30分鐘。

進一步，上述方法中，在聚乙烯醇和有機溶劑中還加入調控聚乙烯醇水凝膠力學性能、生物相容性、降解性能及其他性能的改性劑；所述改性劑與聚乙烯醇的質量比為：1～60：99～40。

優選的，所述改性劑選自：聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙二醇(PEG)或聚己內酯(PCL)中的至少一種。

進一步，具有凝膠結構的聚乙烯醇采用在水中浸泡的方式去除有機溶劑，浸泡時間24～48h。

本發明要解決的第二個技術問題是提供一種聚乙烯醇水凝膠，其采用上述方法制備得到。

本發明要解決的第三個技術問題是提供一種聚乙烯醇水凝膠微管的制備方法，包括如下步驟：

1)制備聚乙烯醇溶液：聚乙烯醇與有機溶劑在110℃～145℃下加熱溶解制得聚乙烯醇溶液，所述有機溶劑為二甲基亞砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的共混溶劑，二甲基亞砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的體積比為0.25～1；所得聚乙烯醇溶液的質量濃度為10～30％；

2)制備微管：將步驟1)所得聚乙烯醇溶液澆鑄進入模具內，靜置冷卻至室溫形成具有凝膠結構的聚乙烯醇微管，然后使用溶液萃取法去除其中的有機溶劑；

所述模具包括：模具體、模芯；所述模具體具有圓柱形通腔，所述圓柱形通腔兩端均設置有同心固定裝置，所述模芯兩端分別與同心固定裝置連接，所述模芯通過同心固定裝置固定在圓柱形通腔內，且與圓柱形通腔同軸。

進一步的，步驟1)中，為保障微管的均勻無氣泡，聚乙烯醇溶液配制完成后需進行超聲震蕩10～30分鐘。

進一步，步驟1)中，在聚乙烯醇中還加入調控聚乙烯醇水凝膠微管力學性能、生物相容性、降解性能及其他性能的改性劑；所述改性劑與聚乙烯醇的質量比為：1～60：99～40。

優選的，步驟1)中，在聚乙烯醇中加入聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙二醇(PEG)或聚己內酯(PCL)中的至少一種。

進一步，步驟2)中，聚乙烯醇微管在去除有機溶劑前于室溫下靜置4～6h以保證凝膠充分交聯。

進一步，步驟2)中，所述溶液萃取法為：將聚乙烯醇水凝膠微管于去離子水中浸泡24～36h，每4～6小時更換去離子水；優選的可采用輔助加熱的方式加快萃取過程，加熱溫度在60～70℃(優選為65℃)范圍內。

本發明要解決的第四個技術問題是提供一種聚乙烯醇水凝膠微管，其采用上述方法制得。

本發明要解決的第五個技術問題是提供上述聚乙烯醇水凝膠微管在人造血管中的應用，所述聚乙烯醇水凝膠微管的直徑在1～6mm內可任意調節，并且微管的壁厚可控。

本發明的有益效果：

本發明提供一種聚乙烯醇水凝膠的制備方法，本發明在制備聚乙烯醇溶液時，采用了恰當配比的DMSO和DMF混合液作為溶劑，使所得聚乙烯溶液無需經過冷凍-解凍的反復循環過程，只需通過靜置自然冷卻的方式即可制得聚乙烯醇水凝膠，并且所得聚乙烯醇水凝膠具有優異的機械強度。本發明制備聚乙烯醇水凝膠的方法較傳統物理交聯法用時短，凝膠成型過程只需8小時左右，工藝簡便易行。

此外，本發明還可進一步制備聚乙烯醇水凝膠微管，能夠實現水凝膠微管的澆鑄成型，相對于傳統的擠出成型，能夠有效保證微管尺寸的可控性，提高微管制品尺寸的精確度；凝膠成型過程簡單，降低了生產成本；同時由于模具加工的便捷性，可制得多種微小尺寸的圓管制品，并能保證圓管壁厚的均勻性。

另外，聚乙烯醇(PVA)是一種生物相容性材料，用此種材料制作的生物體水凝膠微血管基體不會造成機體的免疫排斥反應。本發明制得的聚乙烯醇水凝膠微管其內直徑尺寸在1～6mm范圍內可任意定制調節，并且壁厚可控，從而為后期微血管制備提供了基體材料支持，為改善血管功能性(如添加不同生物相容性基團改善血管對組織的刺激作用從而造成不同的基因表達)提供材料支撐。

附圖說明

圖1為實施例1～3所得聚乙烯醇水凝膠的拉伸強度圖，圖中4-6表示4:6，3-7表示3:7,5-5表示5:5。

圖2為實施例1～3所得聚乙烯醇水凝膠的斷裂伸長率圖，圖中4-6表示4:6，3-7表示3:7,5-5表示5:5。

圖3為實施例1～3所得聚乙烯醇水凝膠的流變溫度掃描曲線。

圖4是本發明實施例4～6中制備聚乙烯醇水凝膠微管中使用的模具結構示意圖。

具體實施方式

本發明要解決的第一個技術問題是提供一種聚乙烯醇水凝膠的制備方法，具體為：將聚乙烯醇與有機溶劑在110℃～145℃下加熱溶解制得聚乙烯醇溶液，然后將所得聚乙烯醇溶液靜置自然冷卻至室溫即可形成具有凝膠結構的聚乙烯醇，最后將具有凝膠結構的聚乙烯醇去除有機溶劑后即制得聚乙烯醇水凝膠；其中，所述有機溶劑為二甲基亞砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的共混溶劑，二甲基亞砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的體積比為0.25～1；所得聚乙烯醇溶液的質量濃度為10～30％。

本發明中，當聚乙烯醇濃度小于10％時，所形成凝膠結構力學性能差，無實用價值；聚乙烯醇濃度大于30％時溶劑溶解法配置溶液實施困難。

所述加熱方式為油浴或烘箱加熱。

本發明要解決的第二個技術問題是提供一種聚乙烯醇水凝膠，其采用上述方法制備得到。

本發明要解決的第三個技術問題是提供一種聚乙烯醇水凝膠微管的制備方法，包括如下步驟：

1)制備聚乙烯醇溶液：聚乙烯醇與有機溶劑在110℃～145℃下加熱溶解制得聚乙烯醇溶液，所述有機溶劑為二甲基亞砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的共混溶劑，二甲基亞砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)的體積比為0.25～1；所得聚乙烯醇溶液的質量濃度為10～30％；

2)制備微管：將步驟1)所得聚乙烯醇溶液澆鑄進入模具內，靜置冷卻至室溫形成具有凝膠結構的聚乙烯醇微管，然后使用溶液萃取法去除其中的有機溶劑；

所述模具包括：模具體1、模芯2；所述模具體1具有圓柱形通腔，所述圓柱形通腔兩端均設置有同心固定裝置3，所述模芯2兩端分別與同心固定裝置3連接，所述模芯2通過同心固定裝置3固定在圓柱形通腔內，且與圓柱形通腔同軸。

本發明中，為了制備直徑在1～5mm內的聚乙烯醇微管，所述模具體1的內直徑為2～6mm范圍內任意尺寸，壁厚為2mm及以上尺寸，材料為石英玻璃、拋光不銹鋼材料及其他硬質材料；所述模芯的外直徑為1～5mm范圍內任意尺寸，材料為石英玻璃、拋光不銹鋼材料及其他硬質材料；模芯嵌套進模具體之中并由同心固定裝置3固定，保證模芯2與模具體1為同心圓管嵌套裝置；所述同心固定裝置3為臺階狀，各段內尺寸根據模具體1及模芯2特殊設計，材料為拋光不銹鋼或其他硬質材料；同心固定裝置3保證了模具體1與模芯2為同心嵌套裝置，保證了微管壁厚的均勻性。

進一步，步驟2)中聚乙烯醇凝膠微管使用溶液萃取法去除有機溶劑，具體實施方法為：凝膠浸泡進去離子水中24～36h，每4～6小時更換去離子水，可采用輔助加熱的方式加快萃取過程，加熱溫度在60～70℃(優選為65℃)范圍內。

進一步的，為保障微管的均勻無氣泡，聚乙烯醇溶液配制完成后需進行超聲震蕩10～30分鐘。

進一步，步驟1)中，在聚乙烯醇中還加入調控聚乙烯醇水凝膠微管力學性能、生物相容性、降解性能及其他性能的改性劑；所述改性劑與聚乙烯醇的質量比為：1～60：99～40。

優選的，步驟1)中，在聚乙烯醇中加入聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙二醇(PEG)或聚己內酯(PCL)中的至少一種。

進一步，步驟2)中，聚乙烯醇微管于室溫下靜置4～6h以保證凝膠充分交聯。

本發明要解決的第四個技術問題是提供一種聚乙烯醇水凝膠微管，其采用上述方法制得。

采用本發明方法制備得到的聚乙烯醇凝膠具有很好的可塑性，可根據實際需要設計不同尺寸的模具從而得到不同直徑的聚乙醇水凝膠微管

本發明要解決的第五個技術問題是提供上述聚乙烯醇水凝膠微管在人造血管中的應用，所述聚乙烯醇水凝膠微管的直徑在1～6mm內可任意調節，并且微管的壁厚可控。

本發明采用二甲基亞砜(DMSO)和N-N,二甲基甲酰胺(DMF)溶液配比為2:8，3:7，4:6，5:5及其他比例，配置聚乙烯醇所占質量分數比例為10％及以上比例溶液加熱至110～145℃，溶解聚乙烯醇(PVA)；然后超聲震蕩除去溶液內微小氣泡，靜置自然冷卻至室溫即可形成凝膠結構。另外，本發明還可在聚乙烯醇中摻雜調控聚乙烯醇基水凝膠力學性能、生物相容性、降解性能及其他改性成分，如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙二醇(PEG)、聚己內酯(PCL)等一種或幾種混合物；從而制得聚乙烯醇基水凝膠。

下面結合具體實施例對本發明進一步說明。

實施例1聚乙烯醇水凝膠的制備

稱量11克聚乙烯醇(PVA)，60攝氏度干燥24小時，稱量35.20克DMSO、45.48克DMF(DMSO與DMF體積比為4:6)，瓶子進行密封處理，放置進入溫度為130度的烘箱內(或油浴鍋內)加熱至PVA完全溶解，磁力攪拌器攪拌使PVA溶解均勻制得PVA溶液；將PVA溶液靜置自然冷卻至室溫，室溫下靜置6h以保證PVA凝膠的充分交聯。采用溶劑萃取的方法去除PVA凝膠內的有機溶劑：將制得的PVA凝膠浸泡進去離子水中，每6小時更換去離子水，循環4-6次。制備PVA凝膠標準拉伸樣條進行了拉伸測試，并進行了流變性能測試，以表征PVA凝膠的力學性能和熱穩定性。

實施例2聚乙烯醇水凝膠的制備

稱量10.84克聚乙烯醇(PVA)，60攝氏度干燥24小時，稱量26.4克DMSO、53.06克DMF(DMSO與DMF體積比為3:7)，瓶子進行密封處理，放置進入溫度為130度的烘箱內(或油浴鍋內)加熱至PVA完全溶解，磁力攪拌器攪拌使PVA溶解均勻制得PVA溶液；將PVA溶液靜置自然冷卻至室溫，室溫下靜置6h以保證PVA凝膠的充分交聯。采用溶劑萃取的方法去除PVA凝膠內的有機溶劑：將制得的PVA凝膠浸泡進去離子水中，每6小時更換去離子水，循環4-6次。制備PVA凝膠標準拉伸樣條進行了拉伸測試，并進行了流變性能測試，以表征PVA凝膠的力學性能和熱穩定性。

實施例3聚乙烯醇水凝膠的制備

稱量11.17克聚乙烯醇(PVA)，60攝氏度干燥24小時，稱量44.00克DMSO、37.90克DMF(DMSO與DMF體積比為5:5)，瓶子進行密封處理，放置進入溫度為130度的烘箱內(或油浴鍋內)加熱至PVA完全溶解，磁力攪拌器攪拌使PVA溶解均勻制得PVA溶液；將PVA溶液靜置自然冷卻至室溫，室溫下靜置6h以保證PVA凝膠的充分交聯。采用溶劑萃取的方法去除PVA凝膠內的有機溶劑，將制得的PVA凝膠浸泡進去離子水中，每6小時更換去離子水，循環4-6次。制備PVA凝膠標準拉伸樣條進行了拉伸測試，并進行了流變學測試，以表征PVA凝膠的力學性能和熱穩定性。

實施例1-3所得PVA凝膠力學性能實驗結果如圖1(拉伸強度)、圖2(斷裂伸長率)所示，流變溫度掃描實驗結果如圖3所示；由圖1可知，其中當溶劑比例為4:6時制備的凝膠具有較好的力學性能，平均強度為1.143Mpa，標準差為0.177Mpa；由圖2可知，各組分溶劑比例制得的PVA凝膠斷裂伸長率均在500％以上；由圖3可知流變學測試表明在65℃范圍內凝膠能保持穩定的交聯結構。

實施例4聚乙烯醇水凝膠微管的制備

稱量11克聚乙烯醇(PVA)，60攝氏度干燥24小時，稱量35.2克DMSO、45.48克DMF(DMSO與DMF體積比為4:6)，瓶子進行密封處理，放置進入溫度為130度的烘箱內(或油浴鍋內)加熱至PVA完全溶解，磁力攪拌器攪拌使PVA溶解均勻，超聲震蕩祛除溶液內氣泡，使用一次性注射器將溶液注射進一端裝配的模具內，溶液完全填充后裝配另一端的同心固定模塊；室溫下使模具及高溫溶液自然冷卻，室溫下靜置6h以保證PVA凝膠的充分交聯；取出PVA凝膠微管，將微管浸泡入去離子水中36小時(壁厚不同浸泡時間有所差別)使用溶液萃取方法除去有機溶劑，浸泡過程中每隔6小時更換去離子水，輔助手段可采用超聲震蕩，升溫等方法加快萃取過程。

實施例5

稱量11克聚乙烯醇(PVA)，5.5克聚偏氟乙烯(PVDF),60攝氏度干燥24小時，稱量35.2克DMSO、45.48克DMF(DMSO與DMF體積比為4:6)，瓶子進行密封處理，放置進入設置溫度為130度的烘箱內(或油浴鍋內)加熱至PVA及PVDF完全溶解，磁力攪拌器攪拌使PVA及PVDF溶解均勻，超聲震蕩祛除溶液內氣泡，使用一次性注射器將溶液注射進一端裝配的模具內，溶液完全填充后裝配另一端的同心固定模塊。室溫下使模具及高溫溶液自然冷卻，室溫下靜置6h以保證PVA凝膠的充分交聯。取出PVA及PVDF混合基體凝膠微管，將微管浸泡入去離子水中36小時(壁厚不同浸泡時間有所差別)使用溶液萃取方法除去有機溶劑，浸泡過程中每隔6小時更換去離子水，輔助手段可采用超聲震蕩，升溫等方法加快萃取過程。

實施例6

稱量11克聚乙烯醇(PVA)，5.5克聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),60攝氏度干燥24小時，稱量35.2克DMSO、45.48克DMF(DMSO與DMF體積比為4:6)，瓶子進行密封處理，放置進入設置溫度為130度的烘箱內(或油浴鍋內)加熱至PVA及PMMA完全溶解，磁力攪拌器攪拌使PVA及PMMA溶解均勻，超聲震蕩祛除溶液內氣泡，使用一次性注射器將溶液注射進一端裝配的模具內，溶液完全填充后裝配另一端的同心固定模塊。室溫下使模具及高溫溶液自然冷卻，室溫下靜置6h以保證PVA凝膠的充分交聯。取出PVA及PMMA混合基體凝膠微管，將微管浸泡入去離子水中36小時(壁厚不同浸泡時間有所差別)使用溶液萃取方法除去有機溶劑，浸泡過程中每隔6小時更換去離子水，輔助手段可采用超聲震蕩，升溫等方法加快萃取過程。

上述實例中PVA為白色絮狀物；PVDF為白色粉末狀固體；PMMA為無色透明顆粒狀固體。上述實例中采用的凝膠體系為純PVA基體及摻雜調控凝膠性能的PVDF及PMMA高分子聚合物混合凝膠基體，調控聚乙烯醇基水凝膠力學性能、生物相容性、降解性能及其他改性成分，如聚乳酸(PLA)、聚乙二醇(PEG)、聚己內酯(PCL)等一種或幾種混合物凝膠基體同樣落入本發明使用凝膠基體保護范疇。

上述實例中采用的模具體1內直徑為2～6mm范圍內任意尺寸，模芯2為外直徑1～5mm范圍內任意尺寸，同心固定裝置3為與之相配套的同心固定裝配件。與本裝置外觀類似的其他尺寸模具同樣在本發明保護范疇。

為了便于澆鑄微管產品成型后，成品的脫模，模具體1內壁及模芯2外表面需進行拋光處理，模具體1及模芯2材料選擇可使用不銹鋼及其他硬質材料，為滿足表面光潔度要求，優先使用石英玻璃作為模具體1及模芯2材料。