用于制备PVA水凝胶的方法、使用其制备的PVA水凝胶及复合材料技术

本发明专利技术提供了一种新颖的用于制备PVA水凝胶的方法，其通过使用碱性溶液对PVA进行凝胶化可以简便的方式获得PVA水凝胶。本发明专利技术还涉及使用该方法制备的PVA水凝胶及其复合材料。

Method for preparing PVA hydrogel, PVA hydrogel and composite material prepared using the same

The invention provides a novel method for preparing PVA hydrogels, which can obtain PVA hydrogels in a simple way by using alkaline solution to gelatinization of PVA. The invention also relates to the PVA hydrogel prepared by the method and the composite material thereof.

【技术实现步骤摘要】
用于制备PVA水凝胶的方法、使用其制备的PVA水凝胶及复合材料本申请是申请日为2018年05月25日、申请号为201810560799.8、名称为PVA水凝胶、使用其的复合材料、其制造方法及其应用的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及用于制备聚乙烯醇(PVA)水凝胶的方法、使用其制备的PVA水凝胶及复合材料。
技术介绍
聚乙烯醇(PVA)是由碳、氧和氢原子组成的最重要的合成聚合物之一，并且在有氧和无氧条件下均可生物降解，广泛用于商业、工业、医疗和营养保健领域。PVA可以很容易地溶解在水中。PVA对于生物医学、组织工程和软机器人应用是非常重要的。目前，PVA水凝胶通常通过两种常用机制合成，包括使用交联剂如谷氨酸盐的化学键合和/或如冷冻和融化的物理方式。采用这两种方式制备PVA水凝胶均存在制备过程复杂、难于控制交联度等问题。人们期望能开发一种方法，其能以简便的方式制备性能优异的PVA水凝胶，使得PVA水凝胶能更合适地应用在植入式电子学、纳米医学和微创技术以及生物医学等领域。
技术实现思路
本专利技术人意外地发现，通过使用碱性溶液对PVA进行凝胶化可以简便的方式获得PVA水凝胶。通过引入这种新颖的凝胶化机制，可获得能应用于各种领域的具有优异性能的PVA水凝胶。本专利技术提供了一种PVA水凝胶，该PVA水凝胶具有1MPa-20MPa的弹性模量和10MPa-100MPa的极限强度。进一步地，本专利技术的PVA水凝胶在加入水时具有65-95％的变形恢复率。优选地，本专利技术的PVA水凝胶在加入水时具有70-92％的变形恢复率。此处，变形恢复率通过下式计算：变形恢复率＝PVA水凝胶在加入水时的变形恢复长度/PVA水凝胶的拉伸变形长度。进一步地，本专利技术的PVA水凝胶的接触角为15-20度。本专利技术还涉及一种复合材料，其包括该PVA水凝胶。优选地，所述复合材料包括该PVA水凝胶和掺入在该PVA水凝胶内的磁性纳米粒子。优选地，所述复合材料包括该PVA水凝胶和掺入在该PVA水凝胶内的石墨烯。优选地，所述复合材料包括该PVA水凝胶和掺入在该PVA水凝胶内的碳纳米管。优选地，所述复合材料包括该PVA水凝胶和掺入在该PVA水凝胶内的尿素。优选地，所述复合材料包括由该PVA水凝胶形成的层和涂覆在该PVA水凝胶上的聚苯胺。优选地，所述复合材料包括依次层叠的由含有银纳米颗粒的PVA水凝胶形成的层、由PVA水凝胶形成的层和由含有碳纳米管的PVA水凝胶形成的层。本专利技术还涉及一种新颖的制备PVA水凝胶的方法，其包括将分子量为100-1000K的聚乙烯醇与水混合获得PVA溶液，接着将PVA溶液倒入培养皿，经干燥后制得PVA膜，之后将PVA膜浸入摩尔浓度为1～10M的碱性溶液中，获得PVA水凝胶。与现有的制备PVA水凝胶的方法相比，本专利技术的方法能以更简便的方式制造性能优异的PVA水凝胶。在本专利技术的方法中，作为碱性溶液的例子，包括NaOH、KOH、LiOH、氨水、碳酸钠、碳酸氢钠等的溶液。考虑到PVA水凝胶的力学性能，优选地，碱性溶液为NaOH溶液或KOH溶液，摩尔浓度为3～10M。更优选地，碱性溶液为NaOH溶液或KOH溶液，摩尔浓度为3～6M。优选地，本专利技术的方法还包括用纯水洗涤PVA水凝胶。优选地，本专利技术的方法还包括对该PVA水凝胶进行脱水处理。该脱水处理能进一步提高PVA水凝胶的机械强度。优选地，该脱水处理为在室温下空气干燥2-8小时。优选地，该脱水处理使用微型风扇在室温下干燥2-5小时。优选地，在本专利技术的方法中，聚乙烯醇与水按质量比1:5～1:30混合，并在60℃的振荡浴中放置过夜，获得PVA溶液。优选地，在本专利技术的方法中，聚乙烯醇与水混合获得浓度为10％的PVA溶液，以及该PVA溶液与碱性溶液之间按重量份数计的比率为1:3-10。优选地，PVA溶液倒入培养皿后在室温下干燥8-24小时。优选地，PVA膜浸入碱性溶液中1-60分钟；进一步优选地，PVA膜浸入碱性溶液中10-20分钟。本专利技术还涉及使用上述方法制得的PVA水凝胶，所述PVA水凝胶具有优异的力学性能、形状记忆性、亲水性、生物相容性、3D可打印性或可注射性等性能。本专利技术还涉及PVA水凝胶的应用，用于制造导管、可3D打印的溶液、可注射电子器件、微流体通道、生物可吸收传感器、微型机器人中的任一种。本专利技术还涉及PVA水凝胶的应用，用于制造组织工程支架、手术缝合线、医用手套和避孕套中的任一种。本专利技术通过用碱性溶液将PVA凝胶化，可提供具有优异的力学性能、形状记忆性、亲水性、生物相容性、3D可打印性或可注射性等性能的多功能聚乙烯醇水凝胶。通过本专利技术的新的凝胶化机制，可将PVA与其他材料组合制成新的复合材料。从3D打印和微流控技术中受益的能力为这种用于不同工业领域的新型材料的商业化提供了很大的希望。本专利技术可提供一种强韧的PVA水凝胶，其可承载比其重量高1500倍的重量。该PVA水凝胶的简易制造工艺和生物相容性不仅可以代表下一代电阻导管的良好候选，而且还可以结合基于导管的监测系统。考虑到其良好的形状记忆性，可将由此制得的PVA水凝胶用于制造组织工程支架、手术缝合线、医用手套和避孕套中。该新型材料提出了无数在药物输送、生物医学装置、生物机器人和生物医学领域中的应用。附图说明图1所示为通过本专利技术的方法将10％PVA溶液与不同纳米材料组合制得的基于PVA水凝胶的复合材料，其中图A为PVA与MNP(磁性纳米粒子)的组合；图B为PVA与剥离石墨烯的组合；图C为含CNT(碳纳米管)的PVA超薄膜；图D为经过一次涂覆和多次涂覆后涂有PANI(聚苯胺)的PVA；图E为通过涂有PANI的PVA进行颜色变化的PH感应。图2A所示为完全水解的PVA的化学结构，图2B所示为部分水解的PVA的化学结构。图3A所示为部分水解的PVA水溶液的化学结构，图3B显示干的PVA膜通过加入具有强氢键的浓缩NaOH溶液而固化。图4A所示为本专利技术的用摩尔浓度为6M的NaOH制备的PVA水凝胶的ATR-FTIR结果，图4B所示为干的原始PVA膜的ATR-FTIR结果。图5所示为本专利技术的以不同比率混合PVA和尿素获得的水凝胶的SEM图(用于测定溶胀比)，其中图A为将PVA和尿素按质量百分比以90：10的比率混合并倒入培养皿中，干燥后经氢氧化钠凝胶化获得的水凝胶，图B为将5ml尿素(摩尔浓度为8M)与5mlPVA(添加0.4grPVA粉末)混合，干燥后用氢氧化钠进行凝胶化获得的样品。图6所示为本专利技术的由不同浓度NaOH(摩尔浓度分别为1M、3M和6M)制成的PVA水凝胶的ATR-FTIR结果。图7A、7B和7C分别为本专利技术的用摩尔浓度为1M、3M和6M的NaOH制备的PVA水凝胶的照片。图8所示为本专利技术的用不同种类和不同浓度的氢氧化物固化的10％PVA水凝胶的拉伸结果，其中图8A为拉伸测试期间PVA水凝胶的照片；图8B为用不同浓度的NaOH制备的PVA水凝胶的应力-应变曲线和弹性模量(使用浓度分别为3M、5M和6M的NaOH制得的样品的尺寸(长度、宽度和厚度)为15、5、0.1(单位：mm)，使用浓度为1M的NaOH制得的样品的尺寸为(长度、宽度和厚度)12、5、0.05(单位：mm)，测试速度为10mm/min)；图8C为用KOH、NaOH和Li本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制备PVA水凝胶的方法，包括将分子量为100‑1000K的聚乙烯醇与水混合获得PVA溶液，接着将PVA溶液倒入培养皿中，经干燥后制得PVA膜，然后将PVA膜浸入摩尔浓度为1～10M的碱性溶液中，获得PVA水凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种用于制备PVA水凝胶的方法，包括将分子量为100-1000K的聚乙烯醇与水混合获得PVA溶液，接着将PVA溶液倒入培养皿中，经干燥后制得PVA膜，然后将PVA膜浸入摩尔浓度为1～10M的碱性溶液中，获得PVA水凝胶。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碱性溶液为LiOH溶液、氨水、碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碱性溶液的摩尔浓度为1M～小于3M。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述碱性溶液为NaOH溶液、KOH溶液、LiOH溶液、氨水、碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括用纯水洗涤PVA水凝胶。6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对所述PVA水凝胶进行脱水处理。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述脱水处理为在室温下空气干燥2-8小时。8.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，聚乙烯醇与水按质量比1:5～1:30混...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢孟秋，吴军，叶海雁，刘抗，邱佩琪，
申请(专利权)人：湖州斯蔓生物材料有限公司，邢孟秋，吴军，叶海雁，刘抗，
类型：发明
国别省市：浙江,33