Page 103 - 《精细化工》2020年第9期

第 9 期 雒春辉，等: 高强度耐溶胀仿软骨 PVA/CS 水凝胶的合成及性能 ·1817·

的 88.1%和 84.3%。低于 100%的原因是氢键、结晶 大部分水凝胶吸水膨胀导致机械性能劣化，限
微区以及离子键等非共价键在外力作用下发生的可 制了其在生理环境中的应用 [13] 。而本凝胶溶胀平衡
逆断裂与重组具有依时性 [27] 。综上，PVA 与 CS 之 后的抗拉强度高达 4.3 MPa（图 11b），耐溶胀性远
间的氢键以及 CS 离子网络的动态可逆键赋予了水 高于传统水凝胶（化学交联 PAM 水凝胶溶胀平衡后
凝胶高效的能量耗散机制和耐疲劳特性 [22] 。 抗拉强度仅为 3.8 kPa [13] ）。该数值也高于大多数物
理交联水凝胶溶胀前的拉伸强度 [15] 。其优异的耐溶
胀性能可能源于结晶微区、氢键、离子键以及链缠
结的协同交联作用 [22] 。

图 10 PVA-CS-5-S 水凝胶连续 10 次压缩实验（a）及对
应的抗压强度和韧性（b）
Fig. 10 Continuous 10 compression test (a) and corresponding
compressive strength and toughness (b) of PVA-
CS-5-S hydrogel 图 11 PVA-CS-5-S 水凝胶的溶胀率（a）及溶胀平衡后
的抗拉强度（b）
2.4 水凝胶的综合性能 Fig. 11 Swelling ratio (a) of PVA-CS-5-S gel in deionized
考虑到 CS 和 PVA 均具有良好的生物相容性， water and tensile strength of the hydrogel after
reaching swell-equilibrium (b)
而 Na 3 Cit 在释放量低于临界安全值时没有细胞毒
性 [33] 。因此，采用溶胀平衡实验测试了水凝胶的平 3 结论
衡溶胀度，并采用电导率的方法 [34] 测定了 Na 3 Cit 在
（1）采用 FT 并浸泡 Na 3 Cit 的方法，不使用化
去离子水中的释放行为，结果见图 11。
学交联剂和有机溶剂制备了 PVA/CS 复合水凝胶。
由图 11 可知，复合水凝胶在去离子水中溶胀
（2）由于氢键、离子键以及结晶微区等非共价
12 h 后达到平衡，平衡溶胀度为 180%，此时 Na 3 Cit
键的能量耗散作用，所得水凝胶抗拉强度为 9.3 MPa，
的释放量为 54 mg/kg（图 11a）。假设成年人体重为
60 kg [33] ，可知该凝胶用于体内时 Na 3 Cit 的最高质量 耗散能占总能量的 90%左右，与软骨接近。
（3）该水凝胶具有良好抗疲劳、耐溶胀和生物
含量为 0.9 mg/kg 成人体重，远低于 84 mg/kg 成人
体重的临界安全值 [33] 。说明浸泡 Na 3 Cit 溶液并不会 相容性，在去离子水中溶胀平衡后其抗拉强度依然
影响 CS 和 PVA 的生物相容性。YANG 等 [35] 制备的 高达 4.3 MPa，有望用于软骨修复或替代材料。
PAM/CS 水凝胶在浸泡硫酸钠水溶液后，细胞实验 参考文献:
证实该水凝胶安全无毒。考虑到硫酸钠和 Na 3 Cit 的 [1] FAISAL T R, AAOUNI M, DHAHER Y Y. The effect of fibrillar
临界安全值接近，而 PVA 的安全性高于 PAM，本 degradation on the mechanics of articular cartilage: A computational
实验也未使用其他化学助剂，进一步证实本凝胶没 model[J]. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, 2019,
18(3): 733-751.
有细胞毒性。 [2] ZHAO Z G, FANG R C, RONG Q F, et al. Bioinspired