人工软骨材料-聚乙烯醇水凝胶的研制*
作者：顾正秋 肖久梅 张湘虹
单位：顾正秋 肖久梅 张湘虹(北京科技大学 材料科学与工程学院 腐蚀工程系，北京 100083)
关键词：人工软骨；聚乙烯醇水凝胶；反复冷冻融化；真空脱水；辐照交联
生物医学工程学杂志990104 内容摘要 聚乙烯醇溶液于-20℃左右的温度下冷冻6～12 h，室温下融化1～2 h，上述过程反复进行1～3次，然后对试样进行真空脱水处理，制得一种人工软骨材料——PVA水凝胶。通过光学显微镜和扫描电镜观察PVA水凝胶的微观形貌；通过差示扫描量热法(DSC)及相应的力学性能试验研究反复冷冻融化、真空脱水和辐照交联对PVA水凝胶结晶度和力学性能的影响。
The Development of a Kind of Artificial Articular Cartilage-PVA-hydrogel
, 百拇医药
Gu Zhengqiu Xiao Jiumei Zhang Xianghong
(Department of Corrosion Enginerring, College of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083)
Abstract In this study, the process included aqueous Poly(vinyl alcohol) solutions frozen at -20℃ for 6-12h, and then thawed for 1-2h. The same process was repeated 1-3times. After the specimen was dehydrated in vacuum, a kind of artificial articular cartilage-PVA-hydrogel was made up. Subsequently, the micromorphology of PVA-hydrogel was observed by means of optical microscopy and SEM. DSC and mechanical tests were employed in ivestigating the influence of freezing, thawing, dehydrating and irradiating upon the crystallity and the mechanical properties of PVA-hydrogel.
, 百拇医药
Key words Artificial articular cartilagel PVA-hydrogel Freezing-thawing repeatedly Dehydrating in vacuum Cross-linking by irradiation
1 引言
近年来，人工全关节置换普遍应用，其临床成就使骨关节病患者受益匪浅，但也存在种种外科并发症状。目前所采用的关节假体一般为金属与超高分子量聚乙烯对磨，这种假体通常处于无润滑状态，即摩擦表面直接接触，摩擦系数较高，易产生磨损和松动而且，金属和超高
分子量聚乙烯的磨屑有时产生异体反应，从而诱发骨吸收，产生肉芽肿组织，最终导致假体周围骨坏死[1]。因而，近年来从改善润滑机制的角度考虑，仿照人关节的软骨结构，设计具有减摩特性的软垫轴承，即人工关节的表面为弹性模量很低的弹性体，这种结构有助于实现液膜润滑，减少磨损及松动[2]。拟采用的软垫轴承材料为硅橡胶、聚氨酯以及PVA水凝胶等。但是硅橡胶的磨损率很高，而且容易吸收体液中的胆固醇、油脂类等油性物质而老化；虽然聚醚类聚氨酯的耐水稳定性较聚酯类聚氨酯的高，但其在体内的降解仍需改进，因而这两种材料作为软垫轴承的应用必然受到限制[3]。
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聚乙烯醇(PVA)水凝胶具有类似于天然软骨的多微孔组织，内含大量的水，是一种可渗透材料。在载荷作用下，液体可以渗入和挤出，从材料中挤出的液体被卷吸作为润滑剂。另外，PVA水凝胶的高含水性及其特殊的表面结构与天然软骨组织非常相似，具有良好的生物相容性，植入动物体内8～52周后，其周围滑膜组织学检验结果表明无炎症变化和退行变化。因而PVA水凝胶是一种较有前途的人工软骨材料[4]。
PVA水凝胶具有上述优点，但其强度较低。本研究证实采用反复冷冻融化、真空脱水和辐照交联等制造工艺可提高这种水凝胶的机械性能。
2 试验材料与方法
2.1 试验材料
聚乙烯醇(PVA)由北京化工二厂提供，分别为：486型，聚合度486，醇解度99.9%；17-88型，聚合度1750±50，醇解度88.8%和17-99型，聚合度1750±50，醇解度99.9%。
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2.2 PVA水凝胶的制备
将486型PVA于温水中混合20min左右即可溶解；将17-88型PVA于90℃混合2h左右溶解；将17-99型PVA在78-1型磁力搅拌器中，90℃混合 6h左右溶解，将溶液浇铸于模具中，冷冻成型，冷冻温度为-20℃左右，时间6～12h，然后将试样于室温下放置1～2 h融化，上述冷冻，融化过程可反复进行1～3次，冷冻后的试样真空脱水约10h，对部分冷冻或真空脱水的试样于γ-射线下进行辐照交联。所制得试样分别为哑铃形、棒状和环状。
2.3 微观形貌分析
用OLYMPUS双色光学显微镜和扫描电镜进行微观形貌分析。
2.4 差示扫描量热分析(DSC)
将水凝胶试样在乙醇环境中干燥2h，然后，真空脱水24h以除去全部水分，用铝盘盛装10mg左右处理过的试样在美国Perkin-Elmer公司制造的DSC7型差示扫描量热分析仪中进行差热分析，扫描速率为10℃/min，环境为流动的氩气。
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2.5 力学性能的测试
在LLDYD-2000R 材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速率为10mm/min，另外在该材料试验机上进行压痕试验，采用平头圆柱压头测定材料的压缩弹性模量，试样浸于37℃、0.9%的NaCl溶液中。
3 试验结果与分析
3.1 PVA的溶解行为
PVA的特性取决于聚合度和醇解度。聚合度主要影响体系的强度，对溶解行为也有影响，486型PVA于温水中混合20min左右即可溶解，但冷冻时无法形成具有一定强度的凝胶体；而醇解度决定了PVA的溶解性，醋酸根可以减弱邻近分子间及分子内的氢键，改善PVA的溶解性，因而17-88型PVA溶解性优于17-99型PVA溶解性(见表1)。
表1 PVA的基本性能
, 百拇医药
Table 1 The basic properties of PVA The properties of
different types of PVA
486
17-88
17-99
Solubility
excellent
excellent
good
Strength of samples frozen
, 百拇医药
no
good
excellent
Strength of samples
dehydrated in vacuum
no
bad
exceletn
PVA溶于水中时，如果浓度很低，每个分子以包含大量水的形式存在，当浓度达到4%时，分子球间发生相互缠结作用，浓度上升，缠结作用增加，当浓度达到10%～12%时，这种缠结作用形成网状结构，浓度越大，这种网状结构越紧密(通常工业上将这种浓度范围内的PVA溶液称为“熔胶”)，当突然冷却时，这种形貌被保持下来(如图1a)，将试样进行拉伸后，缠结分子沿拉伸方向伸直并取向排列(如图1b)。
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图1 PVA水凝胶的微观形貌(显微镜照片)
a.反复冷冻试样的微观形貌 b.将水凝胶进行拉伸后的微观形貌
Fig 1 Micromorphology of PVA-hydrogel(microscopy photograph)
a.micromorphology of the PVA-hydrogel frozen repeatedly
b.micromorphology of the PVA-hydrogel stretched
3.2 工艺因素对PVA水凝胶结晶度的影响
当PVA“熔胶”突然被冷却时，PVA相互缠结的网状结构被保持下来，在整体材料中以连续相的形式存在，并形成部分结晶区域(图2)，其中一个PVA大分子穿过被无定形区分开的几个结晶区域，而水分子以结合水或自由水的形式存在于无定形区[5]。当PVA“熔胶”突然冷却时，其粘度迅速增加，PVA分子链的活动性减小，部分PVA的大分子链段未来得及作规整排列，形成完善不一的结晶结构，当其在室温解冻时，少量可以在室温时运动的链段重新作规整排列，再次冷冻时可以使结晶更加完善，结晶度增加(见表2)。试验过程中，PVA水凝胶经过第二次冷冻后，模具底层有一层冰，说明无定形区由于形成新的结晶而将其内含的水分挤出。
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表2 PVA水凝胶的结晶度
Table 2 The crystallinity of PVA-hydrogel Samples
1
2
3
4
5
Melting heat(J/g)
8.86
20.01
50.31
36.05
, 百拇医药
79.95
Crystallinity(%)
6.39
14.44
36.30
26.01
57.68
1. 14% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, then fully dehydrated in vacuum；2. 18% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, not dehydrated, water content 82.0%；3. 18% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, then fully dehydrated in vacuum；4. 18% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, cross-linked by irradiation (16 mrad), then fully dehydrated in vacuum；5. 22% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, then fully dehydrated in vacuum
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图2 PVA水凝胶的扫描电镜(SEM)照片
a.冷冻后真空脱水的水凝胶试样扫描电镜照片
b.辐照交联后的水凝胶试样扫描电镜照片
Fig 2 SEM photographs of PVA-hydrogel
a.SEM photograph of PVA-hydrogel frozen, and dehydrated in vacuum
b.SEM photograph of PVA-hydrogel cross-linked by irradiation
图3为试样的差热分析曲线，每种试样都存在两个以上独立的熔融峰，同一水凝胶试样经过真空脱水处理后，试样存在两个独立熔融峰(曲线3)，而未经真空脱水处理，试样只存在一个熔融峰(曲线2，曲线前部较大的峰为水的吸热峰)，说明经过真空脱水处理后，水凝胶试样存在两种以上类型的结晶相区；对冷冻后的试样进行真空脱水处理时，部分PVA分子及晶粒沿水蒸发的方向作规整有序化排列，因而部分非晶区分子及晶粒重新取向排列，由于水的蒸发带走热量，局部温度降低，使这种规整排列被“冻结”起来，形成“束状晶”(如图2a)。图2b为辐照交联后水凝胶试样的微观形貌，其中亮点为交联点。图3中反复冷冻，真空脱水处理后的水凝胶试样(曲线3)的高温熔点与只进行反复冷冻结晶试样(曲线2)的熔点大致相同，说明曲线3的高温熔点是反复冷冻时结晶部分的熔点，而低温熔点是真空脱水处理时试样的“再结晶”部分的熔点，由于真空脱水时水的蒸发带走热量，因而是局部结晶温度较低，熔限较宽。
, 百拇医药
图3 PVA水凝胶试样的差示扫描量热曲线(扫描速率10℃/min，铝盘)
Fig 3 DSC curves of PVA hydrogel specimens(scanning rate 10℃/min, aluminium pans)
PVA水凝胶的结晶度可采用下式计算[6]；
Xt=ΔH./ΔHu
其中：ΔH*为水凝胶的熔融焓；ΔHu为100%结晶时PVA的熔融焓。
本文中，取ΔHu=138.6J/g，ΔH*由图3的差示扫描量热曲线的熔融吸热峰积分得出，结晶度的计算结果列于表2，由表2及图3可见，溶液的浓度愈高，其水凝胶的结晶度也愈高；经真空脱水处理的试样，结晶度明显增加。
, 百拇医药
3.3 工艺因素对PVA水凝胶力学性能的影响
PVA水凝胶中，PVA为连续相(见图1及图2)，并产生部分结晶，使整体材料保持一定的强度；而大量PVA无定形区的存在，加之水分子分散其中，起到外增韧的作用，水分子可以自由运动，因而使PVA分子具有更大的活动空间，这样PVA水凝胶的整体具有很好的弹性。图4为不同工艺条件下水凝胶试样的应力-应变曲线，表3为PVA-水凝胶力学性能试验结果。由表2、表3及图4可见，增加PVA水溶液的浓度并对试样进行真空脱水时，试样的结晶度增加，抗拉强度提高，弹性模量也提高，当对试样进行辐照交联时，结晶度减小(见表2)，但抗拉强度提高，弹性模量增加(见表3)，说明辐照使结晶区的部分PVA分子产生交联，破坏了结晶，从而使结晶度降低，同时由于产生交联而使力学性能提高。
图4 PVA水凝胶的应力-应变曲线
, 百拇医药
Fig 4 The stress-strain curves of PVA-hydrogel
在材料试验机上，以很快的速度对试样加载，试样将在瞬间产生弹性变形。人体在行走期间对关节加载的时间为0.5～1 s[7]，而1 s内试样的变形可视为弹性变形。因此，本试验中选取1 s内的压缩弹性模量与人关节软骨弹性模量作比较。通过压痕试验，可按下式计算材料的压缩弹性模量，材料的压缩弹性模量和抗拉弹性模量列于表3，表中同时列出了人关节和人工关节材料的弹性模量作比较。
E=F/(2.67PR)
其中：F为作用载荷；P为“瞬时”压痕深度；R为压头半径。
表3 PVA水凝胶的力学性能
Table 3 The mechanical properties of PVA-hydrogels Mechanical properties
, 百拇医药
1
2
3
4
5
Cartilage
UHMWPE
SUS316L
Tensile strength(MPa)
2.
23
2.
31
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3.
92
2.
63
4.
47
-
-
-
Elongation at break(%)
296.
9
207.
, 百拇医药
8
245.
1
317.
4
233.
0
-
250[8]
8[8]
Tensile modulus (MPa)
0.
38
, 百拇医药
0.
93
1.
03
0.
60
2.
28
3[8]
1400[8]
200000[8]
Compressive modulus(MPa)
8.
, 百拇医药
99
10.
81
11.
25
-
14.
84
1.9-14.4[7]
-
-
1. 14% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, then dehydrated in vacuum for 8h, water content 86.5%；2. 18% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃,then dehydrated in vacuum for 4h, water content 81.4%；3. 18% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, then dehydrated in vacuum for 8h, water content 78.4%；4. 18% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, cross-linked by irradiation(16 Mrad), water content 83.5%；5. 18% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, then dehydrated in vacuum for 8h, cross-linked by irradiation(16 Mrad),water content 80.6%
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由表3可见，目前所采用的人工关节材料(不锈钢、UHMWPE)的弹性模量与人关节软骨的相差甚远，为减少“应力遮挡”，宜采用“等弹性”设计[9]。PVA水凝胶可能是一种理想的人工软骨材料[8]。
4 结论
(1)采用反复冷冻及真空脱水处理方法获得的PVA水凝胶材料，其弹性模量和人关节软骨相近，较有希望成为理想的人工软骨材料。
(2)PVA水凝胶中，PVA分子为连续相，水分子分散其中。
(3)反复冷冻、真空脱水及辐照交联使PVA水凝胶结晶度增加，力学性能提高。
* 国家自然科学基金资助项目(59775038)参考文献
[1] Fisher J, Dowson D. Tribology of total artificial joints. Proc Instn Mech Engrs, 1991; 205H∶73
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[2] Unsworth A. Soft layer lubrication of artificial hip joints. Proc IME, 1987; 201H∶715
[3] Stokes K, Mcvenes R. Polyurethane Elastomer Biostability. Journal of Biomaterials Applications, 1995; 9∶321
[4] Bray JC,Merrill EW. Poly(vinyl alcohol) Hydrogels for synthetic articular cartilage material.Journal of Biomedicine Materials Research, 1973; 7∶431
[5] Peppas NA, Turbidimetric studies of aqueous Poly(vinyl alcohol) solutions. Die Makromolekulare Chemie, 1975; 176∶3433
, 百拇医药
[6] Peppas NA, Hansen PJ. Crystallization kinetics of Poly(vinyl Alcohol). Journal of Applied Polymer Science, 1982; 27∶4787
[7] Kempson GE. Mechanical properties of articular cartilage. In: Freeman AR ed. Adult Articular Cartilage, Turnbridge wells, England:Pitman Medical, 1979∶333
[8] Oka M et al. Development of an artificail articular cartilage. Clin Mater, 1990; 6∶361
[9] Morscher E, Mathys R, Henche HR. Iso-elastic endoprosthesis-A new concept in artificial joint replacement, In: Schaldach M and Hohman D eds. Advances in artificial hip and knee joint technology, Berlin:Springer-Verlag, 1976∶403
(收稿：1998-01-25), 百拇医药
单位：顾正秋 肖久梅 张湘虹(北京科技大学 材料科学与工程学院 腐蚀工程系，北京 100083)
关键词：人工软骨；聚乙烯醇水凝胶；反复冷冻融化；真空脱水；辐照交联
生物医学工程学杂志990104 内容摘要 聚乙烯醇溶液于-20℃左右的温度下冷冻6～12 h，室温下融化1～2 h，上述过程反复进行1～3次，然后对试样进行真空脱水处理，制得一种人工软骨材料——PVA水凝胶。通过光学显微镜和扫描电镜观察PVA水凝胶的微观形貌；通过差示扫描量热法(DSC)及相应的力学性能试验研究反复冷冻融化、真空脱水和辐照交联对PVA水凝胶结晶度和力学性能的影响。
The Development of a Kind of Artificial Articular Cartilage-PVA-hydrogel
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Gu Zhengqiu Xiao Jiumei Zhang Xianghong
(Department of Corrosion Enginerring, College of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083)
Abstract In this study, the process included aqueous Poly(vinyl alcohol) solutions frozen at -20℃ for 6-12h, and then thawed for 1-2h. The same process was repeated 1-3times. After the specimen was dehydrated in vacuum, a kind of artificial articular cartilage-PVA-hydrogel was made up. Subsequently, the micromorphology of PVA-hydrogel was observed by means of optical microscopy and SEM. DSC and mechanical tests were employed in ivestigating the influence of freezing, thawing, dehydrating and irradiating upon the crystallity and the mechanical properties of PVA-hydrogel.
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Key words Artificial articular cartilagel PVA-hydrogel Freezing-thawing repeatedly Dehydrating in vacuum Cross-linking by irradiation
1 引言
近年来，人工全关节置换普遍应用，其临床成就使骨关节病患者受益匪浅，但也存在种种外科并发症状。目前所采用的关节假体一般为金属与超高分子量聚乙烯对磨，这种假体通常处于无润滑状态，即摩擦表面直接接触，摩擦系数较高，易产生磨损和松动而且，金属和超高
分子量聚乙烯的磨屑有时产生异体反应，从而诱发骨吸收，产生肉芽肿组织，最终导致假体周围骨坏死[1]。因而，近年来从改善润滑机制的角度考虑，仿照人关节的软骨结构，设计具有减摩特性的软垫轴承，即人工关节的表面为弹性模量很低的弹性体，这种结构有助于实现液膜润滑，减少磨损及松动[2]。拟采用的软垫轴承材料为硅橡胶、聚氨酯以及PVA水凝胶等。但是硅橡胶的磨损率很高，而且容易吸收体液中的胆固醇、油脂类等油性物质而老化；虽然聚醚类聚氨酯的耐水稳定性较聚酯类聚氨酯的高，但其在体内的降解仍需改进，因而这两种材料作为软垫轴承的应用必然受到限制[3]。
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聚乙烯醇(PVA)水凝胶具有类似于天然软骨的多微孔组织，内含大量的水，是一种可渗透材料。在载荷作用下，液体可以渗入和挤出，从材料中挤出的液体被卷吸作为润滑剂。另外，PVA水凝胶的高含水性及其特殊的表面结构与天然软骨组织非常相似，具有良好的生物相容性，植入动物体内8～52周后，其周围滑膜组织学检验结果表明无炎症变化和退行变化。因而PVA水凝胶是一种较有前途的人工软骨材料[4]。
PVA水凝胶具有上述优点，但其强度较低。本研究证实采用反复冷冻融化、真空脱水和辐照交联等制造工艺可提高这种水凝胶的机械性能。
2 试验材料与方法
2.1 试验材料
聚乙烯醇(PVA)由北京化工二厂提供，分别为：486型，聚合度486，醇解度99.9%；17-88型，聚合度1750±50，醇解度88.8%和17-99型，聚合度1750±50，醇解度99.9%。
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2.2 PVA水凝胶的制备
将486型PVA于温水中混合20min左右即可溶解；将17-88型PVA于90℃混合2h左右溶解；将17-99型PVA在78-1型磁力搅拌器中，90℃混合 6h左右溶解，将溶液浇铸于模具中，冷冻成型，冷冻温度为-20℃左右，时间6～12h，然后将试样于室温下放置1～2 h融化，上述冷冻，融化过程可反复进行1～3次，冷冻后的试样真空脱水约10h，对部分冷冻或真空脱水的试样于γ-射线下进行辐照交联。所制得试样分别为哑铃形、棒状和环状。
2.3 微观形貌分析
用OLYMPUS双色光学显微镜和扫描电镜进行微观形貌分析。
2.4 差示扫描量热分析(DSC)
将水凝胶试样在乙醇环境中干燥2h，然后，真空脱水24h以除去全部水分，用铝盘盛装10mg左右处理过的试样在美国Perkin-Elmer公司制造的DSC7型差示扫描量热分析仪中进行差热分析，扫描速率为10℃/min，环境为流动的氩气。
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2.5 力学性能的测试
在LLDYD-2000R 材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速率为10mm/min，另外在该材料试验机上进行压痕试验，采用平头圆柱压头测定材料的压缩弹性模量，试样浸于37℃、0.9%的NaCl溶液中。
3 试验结果与分析
3.1 PVA的溶解行为
PVA的特性取决于聚合度和醇解度。聚合度主要影响体系的强度，对溶解行为也有影响，486型PVA于温水中混合20min左右即可溶解，但冷冻时无法形成具有一定强度的凝胶体；而醇解度决定了PVA的溶解性，醋酸根可以减弱邻近分子间及分子内的氢键，改善PVA的溶解性，因而17-88型PVA溶解性优于17-99型PVA溶解性(见表1)。
表1 PVA的基本性能
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Table 1 The basic properties of PVA The properties of
different types of PVA
486
17-88
17-99
Solubility
excellent
excellent
good
Strength of samples frozen
, 百拇医药
no
good
excellent
Strength of samples
dehydrated in vacuum
no
bad
exceletn
PVA溶于水中时，如果浓度很低，每个分子以包含大量水的形式存在，当浓度达到4%时，分子球间发生相互缠结作用，浓度上升，缠结作用增加，当浓度达到10%～12%时，这种缠结作用形成网状结构，浓度越大，这种网状结构越紧密(通常工业上将这种浓度范围内的PVA溶液称为“熔胶”)，当突然冷却时，这种形貌被保持下来(如图1a)，将试样进行拉伸后，缠结分子沿拉伸方向伸直并取向排列(如图1b)。
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图1 PVA水凝胶的微观形貌(显微镜照片)
a.反复冷冻试样的微观形貌 b.将水凝胶进行拉伸后的微观形貌
Fig 1 Micromorphology of PVA-hydrogel(microscopy photograph)
a.micromorphology of the PVA-hydrogel frozen repeatedly
b.micromorphology of the PVA-hydrogel stretched
3.2 工艺因素对PVA水凝胶结晶度的影响
当PVA“熔胶”突然被冷却时，PVA相互缠结的网状结构被保持下来，在整体材料中以连续相的形式存在，并形成部分结晶区域(图2)，其中一个PVA大分子穿过被无定形区分开的几个结晶区域，而水分子以结合水或自由水的形式存在于无定形区[5]。当PVA“熔胶”突然冷却时，其粘度迅速增加，PVA分子链的活动性减小，部分PVA的大分子链段未来得及作规整排列，形成完善不一的结晶结构，当其在室温解冻时，少量可以在室温时运动的链段重新作规整排列，再次冷冻时可以使结晶更加完善，结晶度增加(见表2)。试验过程中，PVA水凝胶经过第二次冷冻后，模具底层有一层冰，说明无定形区由于形成新的结晶而将其内含的水分挤出。
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表2 PVA水凝胶的结晶度
Table 2 The crystallinity of PVA-hydrogel Samples
1
2
3
4
5
Melting heat(J/g)
8.86
20.01
50.31
36.05
, 百拇医药
79.95
Crystallinity(%)
6.39
14.44
36.30
26.01
57.68
1. 14% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, then fully dehydrated in vacuum；2. 18% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, not dehydrated, water content 82.0%；3. 18% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, then fully dehydrated in vacuum；4. 18% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, cross-linked by irradiation (16 mrad), then fully dehydrated in vacuum；5. 22% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, then fully dehydrated in vacuum
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图2 PVA水凝胶的扫描电镜(SEM)照片
a.冷冻后真空脱水的水凝胶试样扫描电镜照片
b.辐照交联后的水凝胶试样扫描电镜照片
Fig 2 SEM photographs of PVA-hydrogel
a.SEM photograph of PVA-hydrogel frozen, and dehydrated in vacuum
b.SEM photograph of PVA-hydrogel cross-linked by irradiation
图3为试样的差热分析曲线，每种试样都存在两个以上独立的熔融峰，同一水凝胶试样经过真空脱水处理后，试样存在两个独立熔融峰(曲线3)，而未经真空脱水处理，试样只存在一个熔融峰(曲线2，曲线前部较大的峰为水的吸热峰)，说明经过真空脱水处理后，水凝胶试样存在两种以上类型的结晶相区；对冷冻后的试样进行真空脱水处理时，部分PVA分子及晶粒沿水蒸发的方向作规整有序化排列，因而部分非晶区分子及晶粒重新取向排列，由于水的蒸发带走热量，局部温度降低，使这种规整排列被“冻结”起来，形成“束状晶”(如图2a)。图2b为辐照交联后水凝胶试样的微观形貌，其中亮点为交联点。图3中反复冷冻，真空脱水处理后的水凝胶试样(曲线3)的高温熔点与只进行反复冷冻结晶试样(曲线2)的熔点大致相同，说明曲线3的高温熔点是反复冷冻时结晶部分的熔点，而低温熔点是真空脱水处理时试样的“再结晶”部分的熔点，由于真空脱水时水的蒸发带走热量，因而是局部结晶温度较低，熔限较宽。
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图3 PVA水凝胶试样的差示扫描量热曲线(扫描速率10℃/min，铝盘)
Fig 3 DSC curves of PVA hydrogel specimens(scanning rate 10℃/min, aluminium pans)
PVA水凝胶的结晶度可采用下式计算[6]；
Xt=ΔH./ΔHu
其中：ΔH*为水凝胶的熔融焓；ΔHu为100%结晶时PVA的熔融焓。
本文中，取ΔHu=138.6J/g，ΔH*由图3的差示扫描量热曲线的熔融吸热峰积分得出，结晶度的计算结果列于表2，由表2及图3可见，溶液的浓度愈高，其水凝胶的结晶度也愈高；经真空脱水处理的试样，结晶度明显增加。
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3.3 工艺因素对PVA水凝胶力学性能的影响
PVA水凝胶中，PVA为连续相(见图1及图2)，并产生部分结晶，使整体材料保持一定的强度；而大量PVA无定形区的存在，加之水分子分散其中，起到外增韧的作用，水分子可以自由运动，因而使PVA分子具有更大的活动空间，这样PVA水凝胶的整体具有很好的弹性。图4为不同工艺条件下水凝胶试样的应力-应变曲线，表3为PVA-水凝胶力学性能试验结果。由表2、表3及图4可见，增加PVA水溶液的浓度并对试样进行真空脱水时，试样的结晶度增加，抗拉强度提高，弹性模量也提高，当对试样进行辐照交联时，结晶度减小(见表2)，但抗拉强度提高，弹性模量增加(见表3)，说明辐照使结晶区的部分PVA分子产生交联，破坏了结晶，从而使结晶度降低，同时由于产生交联而使力学性能提高。
图4 PVA水凝胶的应力-应变曲线
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Fig 4 The stress-strain curves of PVA-hydrogel
在材料试验机上，以很快的速度对试样加载，试样将在瞬间产生弹性变形。人体在行走期间对关节加载的时间为0.5～1 s[7]，而1 s内试样的变形可视为弹性变形。因此，本试验中选取1 s内的压缩弹性模量与人关节软骨弹性模量作比较。通过压痕试验，可按下式计算材料的压缩弹性模量，材料的压缩弹性模量和抗拉弹性模量列于表3，表中同时列出了人关节和人工关节材料的弹性模量作比较。
E=F/(2.67PR)
其中：F为作用载荷；P为“瞬时”压痕深度；R为压头半径。
表3 PVA水凝胶的力学性能
Table 3 The mechanical properties of PVA-hydrogels Mechanical properties
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1
2
3
4
5
Cartilage
UHMWPE
SUS316L
Tensile strength(MPa)
2.
23
2.
31
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3.
92
2.
63
4.
47
-
-
-
Elongation at break(%)
296.
9
207.
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8
245.
1
317.
4
233.
0
-
250[8]
8[8]
Tensile modulus (MPa)
0.
38
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0.
93
1.
03
0.
60
2.
28
3[8]
1400[8]
200000[8]
Compressive modulus(MPa)
8.
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99
10.
81
11.
25
-
14.
84
1.9-14.4[7]
-
-
1. 14% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, then dehydrated in vacuum for 8h, water content 86.5%；2. 18% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃,then dehydrated in vacuum for 4h, water content 81.4%；3. 18% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, then dehydrated in vacuum for 8h, water content 78.4%；4. 18% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, cross-linked by irradiation(16 Mrad), water content 83.5%；5. 18% Aqueous Poly(vinyl alcohol) solution frozen at -26℃, then dehydrated in vacuum for 8h, cross-linked by irradiation(16 Mrad),water content 80.6%
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由表3可见，目前所采用的人工关节材料(不锈钢、UHMWPE)的弹性模量与人关节软骨的相差甚远，为减少“应力遮挡”，宜采用“等弹性”设计[9]。PVA水凝胶可能是一种理想的人工软骨材料[8]。
4 结论
(1)采用反复冷冻及真空脱水处理方法获得的PVA水凝胶材料，其弹性模量和人关节软骨相近，较有希望成为理想的人工软骨材料。
(2)PVA水凝胶中，PVA分子为连续相，水分子分散其中。
(3)反复冷冻、真空脱水及辐照交联使PVA水凝胶结晶度增加，力学性能提高。
* 国家自然科学基金资助项目(59775038)参考文献
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(收稿：1998-01-25), 百拇医药