PVA_壳聚糖_淀粉水凝胶的制备和性能

1、文章编号:1003-1251(200704-0019-03PVA /壳聚糖/淀粉水凝胶的制备和性能尤春,张振方,童昕(沈阳理工大学材料科学与工程学院,辽宁沈阳110168摘要:采用反复冷冻-解冻法制备了一系列的P VA /壳聚糖/淀粉水凝胶.测试了共混膜的力学性能、脱水率和溶胀度.结果表明:壳聚糖含量为217%的水凝胶具有最大的断裂延伸率,拉伸强度也较高.淀粉和壳聚糖的加入,改变了复合水凝胶的脱水率和溶胀度.关键词:组织工程;水凝胶;溶胀度;力学性能中图分类号:0631121文献标识码:APrepara ti on and Properti es of PVA /Ch itos an /St

2、artch HydrogelY OU Chun,ZHANG Zhen 2fang,T ONG Xin(Shenyang L igong University,Shenyang 110168,China Abstract:D ifferent contents of P VA /Chit osan /startch hydr ogels are p repared by the repeated freezing -tha wing method .The mechanical p r operties,dehydrati on rati o and s welling rati o are d

3、eter m ined .It shows that the hydr ogel with the chit osan contents of 217%has the lagest fracture el ongati on and larger tensile strengh .I ntr oducti on of starch and Chit osan changes the dehydrati on rati o and s welling rati o of the composite hydr ogels .Key words:tissue engineering;hydr oge

4、l;s welling rati o;mechanical p r operties收稿日期:2006-09-04作者简介:尤春(1981,男,辽宁锦州人,硕士研究生1随着材料科学和生物医学的发展,越来越多的高分子材料应用于医疗领域.组织工程学是一门新兴的学科,它是应用细胞生物学、工程学原理和方法,来研究和制备能够恢复或改善受损组织和器官的形态和功能的替代品,以达到修复重建的目的13.组织工程学的关键技术之一是制备具有生物相容性和一定力学性能且可降解吸收的细胞支架.作为组织工程细胞支架的一大类材料是水凝胶4.聚乙烯醇(P VA 是一种常见的水溶性高分子之一,其分子主链为碳链,每一个重复单元上含

5、有一个羟基,由于羟基尺寸小,极性强,容易形成氢键,因此P VA 具有良好的水溶性、成膜性.P VA 水凝胶由于其含水量高,毒性低,生物相容性好,易于加工等特点,逐渐被广泛应用于医疗卫生领域5.但是,P VA 水凝胶的脱水率和溶胀度不能满足某些支架材料的需要.因此,添加一定的天然的高分子物质来改变其脱水率、溶胀度以及一些其它生物性能是组织工程领域的一个新热点6,7.本文将天然的壳聚糖、淀粉与人工合成的P VA 结合起来,希望保持P VA 的良好力学性能,同时改变P VA 的一些其它性能,如脱水率和溶胀度等,以适应组织工程领域的一些应用.2007年8月沈阳理工大学学报Vol.26No .4第26卷

6、第4期TRANS ACTI O NS OFSHE NY ANG L I G ONG UN I V ERSI TYAug .271实验部分1.1试剂及仪器试剂:聚乙烯醇:DP1750±50,醇解度99%,国药集团化学试剂有限公司;可溶性淀粉(SST:分析纯,天津市标准科技有限公司;壳聚糖(Chi2 t osan:脱乙酰度:9010%,上海伯奥生物科技有限公司;Na OH等.仪器:T HD22015低温恒温槽,永磁直流搅拌机,DZT W调温电热套,电子恒温水浴锅,电子天平,RGT-10微机控制电子万能实验机,四川瑞格尔仪器有限公司.1.2实验方法首先用电子天平精确称量一定质量的P VA

7、颗粒,放入三口瓶中,并加入一定体积的蒸馏水作为溶剂.加热85,搅拌速率150r/m in,加热时间115h左右,使P VA颗粒充分溶解,配成质量分数为10%的P VA水溶液.再加入一定比例淀粉(始终保持m(P VAm(淀粉=51进行共混,继续加热,搅拌速率不变,加热时间015h左右,待淀粉全部溶化后,与3%的壳聚糖醋酸溶液共混, P VA/淀粉水溶液与壳聚糖醋酸溶液的质量比为31,然后继续加热、搅拌,直到溶液成透明液体时,停止加热、搅拌,40保温一定时间,去除气泡.然后将其倒入铝制模板上,压紧、密封,放入低温恒温槽中,进行冷冻-解冻工艺.工艺流程:室温降到-20,保温1h,然后再升温到室温,保

8、温10h,如此反复进行六个循环.这样可以制备出壳聚糖占固相含量为717%的复合水凝胶.如上通过改变P VA/淀粉水溶液与壳聚糖醋酸溶液的质量比可以制备出壳聚糖含量为4%、217%的复合水凝胶,同时制备了10%的纯P VA水凝胶与其进行比较.将水凝胶试样按照壳聚糖含量由少至多编号为A、B、C、D.对水凝胶膜在室温下(25自然脱水干燥并测定其脱水率,将干燥后的试样放入37的蒸馏水中进行二次溶胀试验,测量溶胀度.脱水率计算公式:(m-mt/(m-md×100%,溶胀度计算公式:(mt-md/md×100%,其中m为初始凝胶质量,mt为t时刻凝胶质量,md为干凝胶质量.采用微机控制

9、电子万能实验机进行拉伸实验,实验温度9,湿度80%,拉伸速率20mm/ m in.将试样裁成哑铃型(标长30mm,宽4mm,厚1mm,每种配比取5个试样,取其平均值.2结果与讨论2.1脱水率和溶胀度随时间变化关系图1为P VA/CS/淀粉水凝胶的脱水率与时间关系曲线,从图中可以看出,壳聚糖含量为717%的水凝胶脱水率随时间变化较快,其它三种水凝胶脱水率随时间变化曲线类似,稍慢于含壳聚糖717%的水凝胶膜.这是由于淀粉含量保持不变,主要是受壳聚糖含量影响的.壳聚糖含量较少时,对水凝胶性能影响较小,P VA在凝胶中占主导地位,脱水率与纯P VA水凝胶类似,此时壳聚糖和P VA相容性也较好,材料整体

10、的脱水率较慢.当壳聚糖含量增加到一定量时,使凝胶的性能发生了较大变化,脱水率会有所变化,从图中可以看到同一时间内含壳聚糖717%的水凝胶脱水率比较快,可能原因是壳聚糖含量增加,与P VA相容性变差,导致材料不稳定,脱水率较快 .图1水凝胶的脱水率与时间关系图2为P VA/CS/淀粉水凝胶的溶胀度与时间关系曲线.从图中可以看到各种配比的水凝胶出现溶胀平衡的时间不同,纯P VA水凝胶出现溶胀2沈阳理工大学学报2007年图2P VA/CS/淀粉水凝胶的溶胀度与时间关系平衡的时间为80m in左右,壳聚糖含量为217%和4%的水凝胶大约在120m in时才出现溶胀平衡.壳聚糖含量为717%的水凝胶出现

11、平衡溶胀的时间最长,而且有溶解的可能.从溶胀度大小看,壳聚糖含量为717%的水凝胶溶胀度最大,217%的水凝胶溶胀度最小.可见,淀粉和壳聚糖的加入会影响水凝胶的溶胀性能.壳聚糖含量增加延长水凝胶达到溶胀平衡的时间,主要是壳聚糖的良好的吸水性引起的.壳聚糖含量较高时,由于壳聚糖中大量的-OH及-NH2的亲水作用,可能会使水凝胶发生溶解.2.2力学性能随壳聚糖含量的变化表1为P VA/CS/淀粉水凝胶的力学性能数据.表1PVA/CS/淀粉水凝胶的力学性能力学性能样品A B C D拉伸强度/MPa 1115±01131112±0119017±901030178±

12、;0108断裂延伸率/%160167±12183175172±#177;11187157108±10100由表1可以看出,当壳聚糖含量较少时,水凝胶拉伸强度变化不是很大,接近纯P VA水凝胶.当含量超过217%时,随着壳聚糖含量的进一步增加,水凝胶膜的拉伸强度呈逐渐减小趋势.其中217%配比的水凝胶拉伸强度为1112MPa,最接近于纯P VA水凝胶的拉伸强度,717%配比的水凝胶膜拉伸强度最小,为0178MPa左右.断裂延伸率只有含壳聚糖217%的水凝胶增加较多,其它几种配比的水凝胶断裂延伸率与纯P VA水凝胶相比略有下降.分析出现这种现象

13、的原因,当壳聚糖量比较少时,P VA占主导地位,力学性能接近于纯P VA 水凝胶.当壳聚糖含量增加时,P VA在混合凝胶中所占比例减少,因此,壳聚糖与P VA间形成氢键的机会减少,整体的拉伸强度有所下降.由于壳聚糖是非水溶性的,而P VA是水溶性高分子,当壳聚糖含量进一步增加,二者的相容性会变差,也会使水凝胶的拉伸强度下降.由于壳聚糖的大分子链中含有大量的环状结构,存在于环上的-OH 及-NH2可形成分子内或分子间的氢健,会阻碍分子链的旋转和运动,使分子链僵硬,会使断裂延伸率略有减小.由此可见,当壳聚糖的含量适合时,可以提高P VA水凝胶的韧性,而且强度不会有太大的降低. 3结论(1淀粉和壳聚

14、糖的加入,改变了复合水凝胶的脱水速率和溶胀度,其中壳聚糖含量为717%的水凝胶具有较快的脱水率和较高的溶胀度.(2壳聚糖含量为217%的水凝胶膜,具有较高的断裂延伸率,达到了175%左右,拉伸强度略小于纯P VA水凝胶.参考文献:1Langer R,Vacanti J P.Tissue engineeringJ.Science,1993,260:9202926.2Langer R.I deas are L ike ChildrenJ.Te-chnol ogy Review,1999,102:74277.3商庆新,曹谊林,张涤生.生物工程领域的崭新前沿-组织工程C.第一届全国组织工程学术交流会论文汇编,上海, 1999