一种可降解、抗溶胀的高强度聚乙烯醇水凝胶及其制备方法与流程

本发明涉及合成材料，特别涉及一种可降解、抗溶胀的高强度聚乙烯醇水凝胶及其制备方法。

背景技术：

1、聚乙烯醇是一种具有优异生物相容性、生物安全性、亲水性、成膜性及力学性能的高分子材料，广泛应用于组织工程、生物医用材料、药物缓释、创伤敷料及柔性电子器件等领域。由于聚乙烯醇分子链富含羟基，可通过反复冻融、化学交联、辐照交联等方式形成三维网络结构，因此聚乙烯醇水凝胶已成为目前研究最广泛的生物医用水凝胶材料之一。

2、目前，聚乙烯醇水凝胶主要包括物理交联型和化学交联型两类。其中，物理交联型聚乙烯醇水凝胶通常采用冻融循环诱导聚乙烯醇链段形成微晶区域作为物理交联点，不需要引入化学交联剂，因此具有较好的生物安全性。然而，该类水凝胶主要依赖氢键及结晶区域维持网络结构，在长期浸泡或受力条件下容易发生微晶解离和网络松弛，导致力学性能下降，且冻融循环次数较多、制备周期较长，难以满足快速制备及复杂结构成型的需求。

3、相比之下，化学交联型聚乙烯醇水凝胶可通过戊二醛、硼酸盐、环氧类化合物、异氰酸酯类化合物等交联剂形成稳定的共价交联网络，具有较高的结构稳定性和力学性能。然而，现有化学交联体系普遍存在交联反应条件较为苛刻、部分交联剂具有潜在细胞毒性、交联效率有限以及难以实现快速原位固化等问题，不利于其在组织工程及生物医学领域的进一步应用。

4、近年来，随着点击化学的发展，巯基-烯（thiol-ene）点击反应因具有反应速度快、反应条件温和、选择性高、氧阻聚效应小以及交联效率高等优点，逐渐应用于生物医用水凝胶的构建。通过在聚合物链上分别引入巯基和烯基，可在紫外光照射下快速形成均匀稳定的三维交联网络，实现水凝胶的快速成型及原位固化。然而，目前利用巯基-烯点击反应构筑聚乙烯醇水凝胶的研究仍相对较少，大多数体系仍采用单一化学交联方式，其网络结构均一性有限，难以兼顾高强度、快速交联和长期稳定性。

5、另一方面，为赋予聚乙烯醇水凝胶良好的生物降解性能，研究人员通常将聚乙烯醇与明胶、透明质酸、海藻酸盐、壳聚糖、丝素蛋白、聚乙二醇等天然或合成可降解聚合物复合构建双网络体系。虽然该类复合水凝胶能够改善细胞黏附性、生物相容性及体内降解性能，但由于上述可降解聚合物普遍具有较高的亲水性，材料在吸水后容易发生明显溶胀，导致体积膨胀、力学性能下降、尺寸稳定性变差，并进一步影响材料在组织修复、长期植入及药物缓释过程中的使用性能。

6、此外，目前公开的大多数聚乙烯醇复合水凝胶主要依赖单一化学交联或单一物理交联方式形成网络结构，交联密度有限，聚合物链排列无序，内部结晶度较低，导致材料抗拉强度、抗疲劳性能及尺寸稳定性仍难以满足软骨修复、骨组织工程及长期植入等高性能应用需求。同时，由于聚乙烯醇本身属于难降解高分子，其传统交联网络难以实现可控降解，限制了其在体内植入材料中的进一步应用。

7、因此，如何构建一种兼具快速交联、抗溶胀、高力学性能、可控降解及优异生物相容性的聚乙烯醇水凝胶，仍然是本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。

8、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种可降解、抗溶胀的高强度聚乙烯醇水凝胶及其制备方法。通过对聚乙烯醇进行巯基功能化修饰，并引入丙烯酸酯类基团修饰的可降解聚合物作为交联剂，结合冷冻-溶剂相转变诱导形成纳米微晶物理交联网络、紫外光诱导巯基-烯点击反应构建化学交联网络以及牵伸热定型促进聚合物链取向和结晶度提高，实现物理交联与化学交联协同作用，在保持优异生物相容性的同时，显著提高材料的力学性能、抗溶胀性能及结构稳定性，并赋予其可控生物降解能力，从而满足组织工程支架、创伤修复材料及药物缓释载体等生物医用领域的应用需求。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种可降解、抗溶胀的高强度聚乙烯醇水凝胶，由聚乙烯醇、可降解聚合物和光引发剂制得；聚乙烯醇与巯基化试剂反应；可降解聚合物与丙烯酸酯类基团反应试剂反应；聚乙烯醇、可降解聚合物和光引发剂经混合溶解、凝固成型、紫外光照射进行快速光交联，并经牵伸、热定型和水洗制得聚乙烯醇水凝胶。

2、一种可降解、抗溶胀的高强度聚乙烯醇水凝胶的制备方法，包括以下步骤：s1、巯基修饰的聚乙烯醇的制备：将聚乙烯醇加入溶剂中溶解，配置聚乙烯醇溶液，随后加入巯基化试剂并在酸性试剂催化下反应，得到巯基修饰的聚乙烯醇。

3、s2、丙烯酸酯类基团修饰的可降解聚合物的制备：用良溶剂溶解可降解聚合物，配制成溶液，机械搅拌至完全溶解，滴加丙烯酸酯类基团反应试剂，机械搅拌至反应完全，将反应液倒入不良溶剂中洗涤，经干燥获得丙烯酸酯类基团修饰的可降解聚合物。

4、s3、水凝胶的制备：将上述修饰后的聚乙烯醇和可降解聚合物、光引发剂和良溶剂按比例投入搅拌釜中，加热机械搅拌至完全溶解，增压过滤，将滤液挤入脱泡釜中，抽真空脱泡，得到均质胶液，将均质胶液倒入矩形模具中，放入凝固浴中凝固成型，随后用紫外光照射进行快速光交联，最后经过牵伸、热定型和水洗，即得可降解、可快速光交联的高强度聚乙烯醇水凝胶。

5、作为本发明的一种优选技术方案，所述聚乙烯醇的溶解温度为20～250℃，配置的聚乙烯醇溶液浓度为0.5%～80%；溶剂包括水、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮和二甲基亚砜的一种或多种；巯基化试剂包括γ-硫代丁内酯、δ-硫代戊内酯、ε-硫代己内酯、高半胱氨酸硫内酯、α-硫辛酸、3,3'-二硫代二丙酸、环状硫代碳酸酯、硫代琥珀酸酐、保护型硫内酯和双硫代内酯的一种或多种；酸性试剂包括硫酸、对甲苯磺酸、甲磺酸、樟脑磺酸、盐酸、磷酸和高氯酸的一种或多种；巯基化试剂溶液和酸性试剂溶液与聚乙烯醇侧链羟基摩尔比均为0.0001～1，浓度为1%～70%；巯基修饰的聚乙烯醇分子量6000～200000，醇解度60%～100%，巯基修饰的聚乙烯醇在聚乙烯醇组合物的浓度1%～90%；良溶剂包括水、dmf、dmac、nmp、dmso的一种或多种；可降解聚合物包括明胶、透明质酸、氧化海藻酸钠、泊洛沙姆、丝素蛋白、葡聚糖、壳聚糖、聚乙二醇的一种或多种，良溶剂溶解可降解聚合物配制的溶液浓度为0.5%～80%；丙烯酸酯类基团反应试剂包括甲基丙烯酸酐、丙烯酸酐、甲基丙烯酰氯、丙烯酰氯、肉桂酰氯、甲基丙烯酸缩水甘油酯的一种或多种；丙烯酸酯类基团反应试剂与可降解聚合物侧链可修饰基团摩尔比为0.0001～1，浓度为1%～70%；不良溶剂包括正己烷、环己烷、石油醚、甲苯、二氯甲烷、氯仿、乙酸乙酯、乙醚、丙酮、乙醇、乙二醇的一种或多种；丙烯酸酯类基团反应试剂与可降解聚合物侧链可修饰基团摩尔比为0.0001～1，浓度为1%～70%；丙烯酸酯类基团修饰的可降解聚合物在聚乙烯醇组合物的浓度为0.5%～30%；光引发剂包括irgacure 2959、irgacure 1173、核黄素rf、曙红ey（四溴荧光素）、苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂（lap）、苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸钠（nap）中的一种，用量为巯基修饰的聚乙烯醇质量的0.005wt%~5wt%；滤液挤入脱泡釜中的温度设定为0～200℃，抽真空脱泡时间为1h～72h；凝固浴组分包括乙二醇、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、二乙二醇单甲醚、丙二醇单甲醚的一种或多种，凝固浴的温度为-60～70℃；紫外光配置为波长200～400nm，强度20～150w，紫外光照射时间为5s～180s；牵伸为0.1～50倍，热定型的温度为20～300℃，水洗的温度为10～100℃。

6、作为本发明的一种优选技术方案，所述聚乙烯醇的溶解温度为40～150℃，配置的聚乙烯醇溶液浓度为1%～40%；巯基修饰的聚乙烯醇分子量80000～170000，醇解度70%～99%，巯基修饰的聚乙烯醇在聚乙烯醇组合物的浓度10%～60%；丙烯酸酯类基团修饰的可降解聚合物在聚乙烯醇组合物的浓度为1%～20%；光引发剂用量为巯基修饰的聚乙烯醇质量的0.5%～2%；滤液挤入脱泡釜中的温度设定为40～150℃，抽真空脱泡时间为3h～10h；凝固浴组分包括乙二醇、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、二乙二醇单甲醚、丙二醇单甲醚的一种或多种，凝固浴的温度为-40～20℃；紫外光配置为波长200～400nm，强度50～100w，紫外光照射时间为10s～120s；牵伸为1～30倍，热定型的温度为80～200℃，水洗的温度为50～90℃。

7、作为本发明的一种优选技术方案，所述聚乙烯醇的溶解温度为80～100℃，配置的聚乙烯醇溶液浓度为5%～15%；巯基化试剂为γ-硫代丁内酯；酸性试剂为硫酸；巯基化试剂溶液和酸性试剂溶液与聚乙烯醇侧链羟基摩尔比均为0.01～0.5，浓度为10%～30%；巯基修饰的聚乙烯醇分子量120000～150000，醇解度90%～97%，巯基修饰的聚乙烯醇在聚乙烯醇组合物的浓度20%～40%；良溶剂为水，良溶剂溶解可降解聚合物配制的溶液浓度为1%～20%；丙烯酸酯类基团反应试剂为甲基丙烯酰氯；丙烯酸酯类基团反应试剂与可降解聚合物侧链可修饰基团摩尔比为0.01～0.5，浓度为5%～30%；丙烯酸酯类基团修饰的可降解聚合物在聚乙烯醇组合物的浓度为5%～10%；光引发剂为irgacure 2959，用量为巯基修饰的聚乙烯醇质量的0.8%～1.5%；滤液挤入脱泡釜中的温度设定为60～90℃，抽真空脱泡时间为6h～24h；凝固浴组分为乙二醇单甲醚，凝固浴的温度为-30～-10℃；紫外光配置为波长365nm，强度80w，紫外光照射时间为30s～90s；牵伸为5～10倍，热定型的温度为140～180℃，水洗的温度为80～95℃。

8、与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：

9、1、本发明构建了物理交联与化学交联协同作用的双重网络结构，显著提高了聚乙烯醇水凝胶的力学性能及结构稳定性。本发明首先利用冷冻与溶剂相转变诱导聚乙烯醇链形成纳米微晶物理交联网络，再通过紫外光诱导巯基-烯点击化学反应构建稳定的共价交联网络，最后结合牵伸热定型进一步提高聚合物链取向度和结晶程度，实现了物理交联、化学交联及链取向增强的协同作用，使所得水凝胶具有更高的拉伸强度、断裂伸长率及抗疲劳性能，能够满足软骨修复、骨组织工程及长期植入等应用对高强度生物材料的需求。

10、2、本发明有效降低了水凝胶的溶胀率，提高了材料的尺寸稳定性及长期服役性能。本发明采用经丙烯酸酯基团修饰的可降解聚合物作为交联剂，通过巯基-烯点击反应形成均匀致密的三维交联网络，并结合聚乙烯醇纳米微晶区域的物理限域作用，有效限制聚合物链段的自由运动，降低了水分子的过度吸收和网络过度膨胀，使所得水凝胶具有优异的抗溶胀性能，在长期浸泡、组织液环境及药物缓释过程中仍能够保持较好的尺寸稳定性和力学稳定性。。

11、3、本发明制备工艺简单高效，所得水凝胶兼具快速成型、可控降解及优异生物相容性，具有良好的产业化应用前景。本发明采用紫外光诱导巯基-烯点击化学反应，实现了水凝胶的快速交联成型，交联速度快、反应条件温和、交联效率高；同时引入可降解聚合物作为交联组分，使所得水凝胶在保持高力学性能的同时具备可控生物降解性能，并具有较高的细胞相容性和生物安全性，可广泛应用于软骨及骨组织工程、皮肤创伤修复、药物缓释、生物医用敷料及其他生物医用材料领域，具有较高的临床应用价值和产业化推广前景。