改性 PVA 水凝胶的研制及应用性能研究
薛 燕 (上海典范医疗科技有限公司，上海 201210)
摘 要 以 聚 乙 烯 醇 (PVA)为 主 要 原 料 ，以 壳 聚 糖 (CS)、羧 甲 基 壳 聚 糖 (CMCS)、海 藻 酸 钠 (CA)为 改 性 原 料 ，研 制一种预防暴露性角膜炎的水凝胶。设计了以主要原料和改性原料混合，通过冷冻-解冻制备复合水凝胶材料，并对 其 进 行 含 水 量 、拉 伸 强 度 、细 菌 内 毒 素 、无 菌 、霉 斑 等 应 用 性 能 的 表 征 和 研 究 。 结 果 显 示 ，PVA-CS、PVA-CMCS 这 2 种水凝胶材料有很好的抑菌性，且在低剂量的辐照灭菌下获得无菌材料，而PVA-CMCS水凝胶因无气味将更受青 睐，在生物工程学领域有较大的应用潜力。
关键词 聚乙烯醇 壳聚糖 羧甲基壳聚糖 海藻酸钠 水凝胶 中 图 分 类 号 :TB34 文 献 标 识 码 :A
水凝胶是在水中能溶胀但又不溶于水的一类亲水性高 分子材料，它含水量高，柔软性好，对小分子渗透能力强，因 此对周围组织的整合性好，比其他类型的合成材料更宜用作 生物医用材料。聚乙烯醇是自然界中唯一的水溶性高分子 聚 合 物 ，其 亲 水 性 好 、来 源 丰 富 、价 格 低 廉 [1 - 4 ] 。
聚 乙 烯 醇 (Poly(vinyl alcohol)，PVA)是 聚 醋 酸 乙 烯 酯 的 水解产物，而不是由单体直接聚合而成的聚合物。PVA具 有良好的耐溶剂性和优良的成膜性能，能形成表面光滑、非 常强韧且耐撕裂的膜。由于具有优良的生物可降解性，对人 体无毒副作用，PVA 还是一种良好的生物医用材料[5]。
壳 聚 糖 (Chitosan，CS)是 甲 壳 素 脱 乙 酰 基 的 产 物 ，是 一 种天然的阳离子高分子多糖，具有许多独特的生物活性，无 毒、生物相容性好、易于降解、抑菌性强[6]。它来源丰富，无 毒 无 害 ，无 污 染 ，已 广 泛 应 用 于 化 工 、食 品 、化 妆 品 、环 保 及 医 药等诸多领域，但壳聚糖仅溶于某些酸性介质，限制了其应 用范围。
羧 甲 基 壳 聚 糖 (Carboxymethyl chitosan，CMCS)是 一 种 水溶性的壳聚糖衍生物，无味，无任何毒副作用，有抑菌作 用，可生物降解，生物相容性好，其在食品、化妆品尤其在医 药保健领域得到了广泛应用。含有 CMCS的膜和凝胶可以 用做伤口敷料、人造皮肤，并可以防止组织粘连。CMCS还有诱导半抗原特异性抗体功能的作用，CMCS水溶液形成 的薄膜对气体有选择性的通透作用，另外，CMCS还具有保 湿 、促 进 伤 口 愈 合 且 不 留 疤 痕 等 特 性 [7 ，8 ] 。
海 藻 酸 钠 (Sodium alginate，CA)是 从 海 藻 中 提 取 的 一 种 天然多糖类化合物，无臭无味，易溶于水。它是由古洛糖醛 酸(G段)与其立体异构体甘露糖醛酸(M 段)2种结构单元 以 3 种 方 式 ( M M 段 、G G 段 与 M G 段 ) 通 过 α (1 -4 ) 糖 苷 键 链 接而成的线性嵌段共聚物。在其水溶液中加入 Ca2+ 、Ba2+ 等 阳离子后，G 单元上的 Na+ 与二价离子发生离子交换反应，G 基团堆积而成交联网络结构，从而转变成水凝胶[9]。CA 具 有良好的增稠性、成膜性、稳定性、絮凝性和螯合性，应用相 当广泛。
目前研究开发的水凝胶主要采用将天然聚合物与合成 聚合物共混聚合的方法来制备，这样制备的水凝胶比单种聚 合物聚合获得的水凝胶具有更好的力学性能和生物相容性。
本实验采用循环冷冻-解冻法制备水凝胶，形成的水凝胶 有一定的保湿功能和抑菌作用，可用于预防暴露性角膜炎。
1 实 验 1 .1 原 料
聚 乙 烯 醇 ，化 学 纯 ，聚 合 度 1750±50，国 药 集 团 化 学 试 剂有 限 公 司 ;壳 聚 糖 ，生 化 试 剂 (BR)，脱 乙 酰 度 大 于 等 于 80% ， 国药集团化学试剂有限公司;羧甲基壳聚糖:脱乙酰度大于 等于80%，浙江澳兴生物科技有限公司;海藻酸钠，化学纯 (CP)，国 药 集 团 化 学 试 剂 有 限 公 司 ;冰 醋 酸 ，化 学 纯 (CP)，国 药集团化学试剂有限公司;蒸馏水，自制。
1 .2 水 凝 胶 的 制 备
称 取 一 定 量 的 P V A 、C M C S 或 C A 按 比 例 8 ∶ 1 溶 入 1 0 0
份 蒸 馏 水 中 或 将 P V A 、C S 按 比 例 8 ∶ 1 溶 于 1 0 0 份 1 % 稀 醋 酸 溶 液 中 ，80 °C 水 浴 搅 拌 至 完 全 溶 解 ，后 放 入 50 °C 烘 箱 中 脱 泡 0 .5 h ， 再 放 入 冷 冻 箱 中 冷 冻 1 8 h ， 取 出 后 在 室 温 中 解 冻 。 以上过程为1次冷冻-解冻循环，做2次这样的循环。
1 .3 水 凝 胶 性 能 表 征
1 .3 .1 含 水 量 取样品1份，平铺置于与样品相同条件下干燥至恒重的
扁 形 称 量 瓶 中 ，精 密 称 重 m 0 ;在 105 °C 干 燥 至 恒 重 ，精 密 称 重 m1;由减失的质量和取样量计算得出样品的含水量。取3个
样品的含水量的平均值。计算公式为:
含 水 量 = (m 0 - m 1 )/m 0 × 100 %
1 .3 .2 拉 伸 强 度
采 用 材 料 万 能 试 验 机 (INSTRON 3367)测 试 水 凝 胶 的
拉 伸 强 度 ，温 度 为 20 °C ，拉 伸 速 率 为 100 mm/min。
1 .3 .3 细 菌 内 毒 素
细 菌 内 毒 素 测 试 方 法 如 下 [10]:将 样 品 放 入 装 有 一 定 灵 敏
度的鲎试剂溶液的试管中，浸没样品，将试管中溶液轻轻混 匀后，封闭管口，垂直放入37 °C的恒温箱中，保温60min。 将试管从恒温箱中轻轻取出，缓缓倒转180°。管内形成凝 胶，且凝胶不成形、不从管壁滑脱者为阳性;未形成凝胶或形 成的凝胶不坚实、变形并从管壁滑脱者为阴性。
1 .3 .4 无 菌 检 查 将样品通过一定剂量的辐照灭菌后，测试其无菌性能。
无 菌 的 测 试 方 法 为 [11]:预 先 配 制 硫 乙 醇 酸 盐 流 体 制 备 培 养 基 和改良马丁琼脂培养基;取规定数量，以无菌操作拆开每个 包装，于不同部位剪取1cm×3cm 的样品，接种于各管足以 浸没样品的上述两种培养基中，培养14天，观察是否有菌。
1 .3 .5 霉 变 现 象 观 察 将样品在室温环境中放置，每周观察1次，记录是否有
霉斑出现及出现霉斑时间。
2 结果与讨论
2 .1 含 水 量 表1为不同原料的水凝胶样品的含水量比较。可以看
出，这4种不同原料制备的水凝胶含水量均大于80%，说明 均具有较好的含水量。这种高含水量的性能由其自身结构 所致，所制备的水凝胶其内部结构由3部分组成，即分子内 组成的无定形区、分子间和分子内由羟基结合而成的氢键组 成的结晶区、三维网状内部包含的大量自由水，而网络内部 大量自由水使得水凝胶具有高含水量。
2 .2 拉 伸 强 度 表2为不同原料的水凝胶样品的拉伸强度比较。由表2可 以 看 出 ，PVA-CS、PVA-CMCS、PVA-CA 这 3 种 不 同 原 料 制备的水凝胶比纯 PVA 制备的水凝胶具有更高的拉伸强 度。这种力学性能的结果是因为PVA分子链中含有大量羟 基，而 CS中含有大量的羟基和氨基，CMCS和 CA 中也含有 大量的羟基，因而两者相互之间能形成较强的氢键，且两种 高分子化合物链间能互相渗透、彼此缠结，复合材料中两种 高分子不会彼此分离，且拉伸强度优于纯 PVA。
2 .3 细 菌 内 毒 素 表3为不同原料的水凝胶样品的细菌内毒素测试结果。
由 表 3 可 以 看 出 ， 在 细 菌 内 毒 素 限 值 L = 2 .1 5 E U / 件 、 灵 敏 度 λ = 0 .2 5 E U / m L 时 ，4 种 水 凝 胶 均 为 阴 性 ， 说 明 这 4 种 材 料均不存在热原，可用于人体中和脑脊液接触及胸内应用的 医 疗 器 械 [12]，在 热 原 方 面 具 有 足 够 的 安 全 性 。
2 .4 无 菌 检 查 表4为不同原料的水凝胶样品的无菌测试结果。由表4
可以看出，在辐照剂量为5kGy时，PVA-CS和 PVA-CMCS 这2种水凝胶为阴性，而PVA和PVA-CA水凝胶为阳性，说 明加入CS、CMCS制备的水凝胶自身具有抑菌性，故灭菌所 需的辐照剂量较低，可在较低剂量下获得无菌水凝胶，但其 他2种水凝胶不能在此辐照剂量下灭菌获得无菌样品，可通过增加辐照剂量来实现。作为无菌医疗器械，其产品必须为
无菌才能符合国家规定的要求。
2 .5 霉 斑 记 录 表5为不同原料的水凝胶样品的霉斑观察结果。图1、图 4 分 别 为 水 凝 胶 样 品 P V A 、P V A -C A 放 置 在 常 温 中 出 现 霉 斑 时 的 表 观 状 态 ，图 2、图 3 分 别 为 水 凝 胶 样 品 PVA-CS、P V A -C M C S 放 置 在 常 温 中 8 个 月 后 的 表 面 性 状 。 从表5和图1-图4可看出，在 PVA 中加入 CS或 CMCS，出 现 霉 斑 的 时 间 大 大 延 长 ，也 有 可 能 在 有 限 的 使 用 时间 内 不 发 生 霉 变 ，这 大 大 增 加 了 PVA-CS、PVA-CMCS 这 2种 复 合 材 料 的 实 用 性 ，也 说 明 了 CS、CMCS 在 抑 菌 性 方 面 有很 好 的 贡 献 。 C S 、C M C S 的 抑 菌 作 用 可 能 有 两 种 机 理 ， 一 种是 C S 、C M C S 通 过 正 电 荷 的 N H + 吸 附 带 负 电 荷 的 细 胞 壁 ， -3使 CS、CMCS吸附在细胞膜表面形成一层高分子膜，改变了 细胞膜的选择透过性，阻止营养物质向细胞内的运输，致使 细胞质流失、细胞质壁分离，从而起到抑菌杀菌作用;另一种 机 理 是 CS、CMCS 通 过 渗 入 进 细 胞 体 内 ，吸 附 细 胞 体 内 带 有 阴离子的细胞质，并发生絮凝作用，来扰乱细胞正常的生理 活 动 ，从 而 杀 灭 细 菌 [13]。
3 结 论
所制备的4种复合水凝胶材料均具有较好的含水量;冷 冻-解冻循环2次获得的复合水凝胶材料均具有较好的拉伸 性能，且复合水凝胶比纯 PVA 材料的拉伸性能优越;在细菌 内 毒 素 限 值 L = 2 .1 5 E U / 件 、 灵 敏 度 λ = 0 .2 5 E U / m L 时 ，4 种 水 凝 胶 材 料 均 为 阴 性 ; 在 辐 照 剂 量 为 5 k G y 时 ，P V A -C S 、
PVA-CMCS无菌检测结果为阴性，而其他2种水凝胶为阳 性 ;在 常 温 情 况 下 ，PVA-CS、PVA-CMCS 能 保 持 8 个 月 以 上 不霉变，而其他2种水凝胶则在较短时间内发生霉变。综上 所 述 ，在 低 剂 量 的 辐 照 灭 菌 后 获 得 的 材 料 中 ，PVA-CS、PVA-CMCS优于其他2种水凝胶材料;在长时间不霉变的材料中，PVA-CS、PVA-CMCS 优 于 其 他 2 种 水 凝 胶 材 料 ;另 外 ，因 CS需溶于稀醋酸中才能溶解，而 CMCS可直接溶于水中， CMCS无气味，比酸味更能让人接受，因此制备的 PVA- CMCS水凝胶是一种更合适的预防暴露性角膜炎的医用材料，有很好的应用前景。
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