聚乙烯醇-結冷膠復合水凝膠的制備和物理化學性質研究.pdf

1、聚乙烯醇(PVA)水凝膠有較好的彈性和潤滑性、高含水量及特殊的三維網絡結構，同時它也具有良好的生物相容性，是很有前途的關節(jié)軟骨修復材料。但單一的PVA水凝膠并不能滿足生物材料的應用要求，比如力學性能還不能滿足軟骨組織工程需求，有較高的固體腫瘤誘導性，較難的細胞黏附性等缺點。為改善PVA的性能，將其與其它天然材料或具有生物功能的材料復合得到復合水凝膠是有效方法之一。結冷膠是(Gellan Gum，縮寫GG)是一種由革蘭陰性好氧桿菌少動鞘氨

2、醇單胞菌產生的陰離子型線型胞外多糖。由于結冷膠具有良好的生物相容性，高細胞培養(yǎng)存活率，可調節(jié)的力學性能等優(yōu)點，它越來越受到組織工程的重視。在二價或多價陽離子存在的情況下，結冷膠不僅能屏蔽掉自身靜電排斥還能與陽離子形成較強的離子鍵，使得水凝膠變得又硬又脆。PVA和GG各自的優(yōu)點具有互補性。本文探討了合成PVA-GG-陽離子復合水凝膠的方法，通過對其結構、力學、熱力學等性能的研究，獲得水凝膠結構與性質關系的信息，以用于生物材料的研究。

3、>　　本論文的研究主要包括以下三個方面：
　　1.通過循環(huán)冷凍-解凍的方法制備了PVA水凝膠、PVA-GG水凝膠、和PVA-GG-Ca2+復合水凝膠。含水量及SEM斷面結構的實驗結果表明：結冷膠的加入提高了復合水凝膠的含水量，增大了復合水凝膠的孔隙結構，而鈣離子和結冷膠對PVA的共同作用，使得復合水凝膠孔隙結構更加緊密規(guī)整。XRD和FT-IR結果顯示：結冷膠和鈣離子的作用并未導致化學反應而產生新的化學鍵或產生新的晶型峰。流變和拉伸

4、性能的測試結果表明：PVA-GG-Ca2+的力學性質明顯高于PVA和PVA-GG水凝膠。熱分析實驗表明：隨著GG含量的增加，導致PVA的熔融焓和結晶度減少；當Ca2+參加交聯(lián)，導致PVA-GG-Ca2+復合水凝膠具有更好的熱穩(wěn)定性；DSC失水動力學研究表明：加入GG使PVA的失水活化能和擴散活化能有所減少，進一步加入Ca2+卻使復合水凝膠的失水活化能和擴散活化能提高。失水動力學研究反映出Ca2+的引入使得復合水凝膠內分子相互作用力得到增

5、強。溶脹動力學研究結果表明：隨著GG的增加，在不同介質中的水凝膠的溶脹速率常數(shù)(k)和溶脹平衡常數(shù)(We)都是上升的，表現(xiàn)出GG有較好的保水性；當進一步有Ca2+參加交聯(lián)的情況下，k和We則減小。這與Ca2+的引入使得復合水凝膠更加緊密的結構是一致的。綜合上述研究結果得出結論：PVA-GG-Ca2+水凝膠具有更好的結構、力學和熱力學性能。
　　2.通過循環(huán)冷凍-解凍的方法制備了PVA、PVA-GG和PVA-GG-Al3+復合水凝膠

6、。含水量及SEM斷面結構表明：結冷膠的加入提高了復合水凝膠的含水量，增大了復合水凝膠的孔隙結構；鋁離子和結冷膠對PVA的共同作用，使得復合水凝膠孔隙結構更加緊密規(guī)整。XRD和FT-IR結果顯示：結冷膠和鋁離子的作用并未導致化學反應而產生新的化學鍵或產生新的晶型峰。流變和拉伸性能測試結果表明：PVA-GG-Al3+的力學性質明顯高于PVA和PVA-GG水凝膠，當結冷膠含量為1.5％時力學性質最佳。熱分析結果顯示：隨著GG含量的增加，PVA

7、的熔融焓和結晶度減少；而PVA-GG-Al3+復合水凝膠卻有更好的熱穩(wěn)定性。DSC失水動力學研究表明：GG的加入使得PVA的失水活化能和擴散活化能有所減少，但Al3+的加入卻使復合水凝膠的失水活化能和擴散活化能提高，表明分子在復合水凝膠中的作用力得到增強。溶脹動力學表明：隨著GG的增加，在不同介質中水凝膠的溶脹速率常數(shù)(k)和溶脹平衡常數(shù)(We)都是上升的，表現(xiàn)出GG有較好的保水性；當有Al3+存在的情況下，復合水凝膠的k和We比對應的

8、PVA-GG要小。這些現(xiàn)象表明PVA-GG-Al3+復合水凝膠具有更好的結構、力學和熱力學性能。
　　3.通過循環(huán)冷凍-解凍的方法制備了PVA、PVA-GG和PVA-GG-Mg2+復合水凝膠。Mg2+對PVA-GG水凝膠結構和性質的影響與Ca2+、Al3+的影響相似，即：陽離子參加PVA-GG交聯(lián)，導致孔隙結構更加緊密規(guī)整，力學性能增強，熱穩(wěn)定性增強，失水活化能和擴散活化能提高。PVA-GG混合水凝膠通過正離子交聯(lián)，有效的改善了材