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聚乙烯醇(PVA)和丙烯酸共混水凝胶的溶胀和吸收特性:à (³)辐照的影响

*通信:

波达尔P，达卡大学工学院应用化学与化学工程系，孟加拉国达卡，
电话:88029661900;电子邮件: (电子邮件保护)

摘要

系列聚乙烯醇与丙烯酸共混水凝胶利用Co-60源的γ射线在室温(31℃)下制备成棒状。研究了辐射剂量的影响、聚乙烯醇中丙烯酸含量的变化等参数。评价了凝胶分数、溶胀特性(如在水中、在不同浓度的NaCl溶液中)、吸水率等。凝胶分数在25 kGy的辐射下达到最大值。在此辐射剂量后，凝胶分数的变化是不显著的。溶胀性能随辐射剂量的增加而降低，随共混凝胶中丙烯酸含量的增加而增加。溶胀性随NaCl浓度的增加而降低。吸水性在48 h时达到最大值，之后吸水性不显著。

关键字

聚乙烯醇;丙烯酸;凝胶分数;水凝胶;辐射;肿胀属性

简介

水凝胶(1]是一种交联聚合物，具有三维网络结构，可吸收水分并膨胀成一定形状[2］．在水中膨胀是水凝胶的固有特性，水凝胶通过网络与水分子的亲水性相互作用而吸水[3.］．凝胶的亲水特性是由于网络分子主干上存在极性基团而产生的。

水凝胶最重要和最有趣的性质是涉及其体积变化的溶胀程度。这种溶剂吸附随时间发生的变化对不同的因素有强烈的响应，如环境温度，pH值，离子强度，机械压力等等。水凝胶达到平衡的快速响应时间是其在许多应用中成功应用的关键。这些水凝胶已经引起了广泛的关注，其潜在的应用在药物输送设备，人造肌肉，化学分离系统，传感器执行器[4，5］．

亲水性高分子凝胶(水凝胶)作为生物医用材料已成为近年来研究的热点。虽然在制作过程中采用了各种技术水凝胶而辐射交联法由于环境清洁、生产效率高而具有明显的优势。各种基于聚乙烯醇和丙烯酸的作品水凝胶都在过去进行过。

辐射敏感凝胶最初是在20世纪50年代开发出来的，当时戴和斯坦因研究了含有福林苯酚的凝胶在辐照后的颜色变化。1957年，安德鲁斯测量了光子和电子束辐射剂量对琼脂凝胶的影响。后来的研究是利用弗里克溶液和凝胶。1958年，Hoecker和Watkins研究了另一种方法，这是基于伽马辐射诱导的聚合在单体和聚合物溶液中。

的重要性水凝胶在生物医学在20世纪50年代末，随着聚(2-甲基丙烯酸羟乙酯)(PHEMA)凝胶作为软性隐形眼镜材料的开发，首次实现了应用[LD乐动体育官网6］．这些PHEMA凝胶具有较高的平衡含水量，表现出良好的橡胶性能和生物相容性，因此比其他合成材料更接近自然组织。此后，Rosiak于1986年在波兰发明了第一个用于辐射伤口敷料的水凝胶膜，并于1992年进入当地市场。这些都是技术上的突破。受他们工作的启发，近年来在环境响应的开发和分析方面做了很多工作水凝胶这使得它适用于许多生物医学应用，包括眼科设备，生物传感器，生物膜，和载体的控制输送药物或者蛋白质[7-10］．

虽然在准备过程中采用了各种技术水凝胶而辐射交联法由于其环境清洁、生产效率高而具有其他方法所不能比拟的优势。在聚乙烯醇与丙烯酸共混水凝胶的合成和表征方面进行了大量的研究。但是，针对聚乙烯醇-丙烯酸共混水凝胶的制备和表征，还没有针对这些参数的γ剂量、溶剂浓度、pH值和时间等进行优化合成和表征的具体工作。水凝胶最重要的特性与生物医学和公共相关健康［11，12的应用程序也被识别出来，特别是用于水凝胶作为药物和细胞载体及组织工程基质[13］．

实验材料

聚乙烯醇从英国BDH公司购买，纯度为99.5%，丙烯酸从瑞士Fluka购买，纯度为97%。使用这两种化学物质，没有进一步纯化，以制备水凝胶。缓冲片购自英国BDH有限公司。所使用的NaCl购自瑞士Fluka。

设备

•来源:食品和辐射研究所提供钴60 γ辐照生物学(IFRB),原子能源研究机构(AERE)，萨瓦尔，达卡。规格:capacity - 5000ci。BRTI，孟买，印度。

•带热板的磁力搅拌器(型号78，英国型号)。

•恒温水浴(中国制造)。

•普通烤箱(Kasugr E.W.T. Ltd.)日本)。

•电动压力蒸汽灭菌器(高压灭菌器)。

•分析电子天平(Mattler，模型AE-160-5 range-109 g)。

方法

本文对聚乙烯醇和丙烯酸在γ辐射源下合成水凝胶进行了深入研究。下面介绍制备水凝胶的化学试剂、设备和实验步骤等实验设施。

聚乙烯醇/丙烯酸混合溶液的制备:在蒸馏水中制备10%的聚乙烯醇溶液。在80℃水浴条件下，在聚乙烯醇水溶液中加入不同数量的丙烯酸(1、2、3%)，得到最终混合物。将热的混合物倒入几个直径为20毫米的圆柱形玻璃瓶中，在室温下冷却，然后在室温下以辐射剂量为10 kGy、15 kGy、20 kGy、25 kGy、30 kGy、35 kGy和40 kGy的γ源进行辐照。辐照后的样品在化学反应完成后呈固态。首先用蒸馏水配制聚乙烯醇溶液，然后与丙烯酸混合。

样品的物理外观:伽马辐射后，仔细观察样品的物理外观，得出以下结论:

•样品呈实心白色

•它们没有气味

•它们在初始阶段是软的，但如果长期放在室外，质量就会变得坚硬而坚硬

•有轻微的弹性

•它们最初是胶粘剂型

•他们很狡猾

凝胶含量测定:所有辐照样品中约0.4克至0.6克首先风干约10-12小时，然后在60°C的烤箱中干燥至恒定重量。然后样品在蒸馏水中保存24 h，去除样品的可溶性部分，再次干燥，使其重量恒定。然后将提取的样品烘干至恒重。凝胶含量测定重量为;

其中Wg为干凝胶在水中提取后的重量，Wi为干凝胶的初始重量。

蒸馏水溶胀率的测定:首先用烘箱干燥约0.4 g至0.6 g辐照样品。然后将样品在蒸馏水中在室温下膨胀24小时以提取溶胶。然后再次将样品在烤箱中干燥至恒重(W1)，然后在室温下浸入蒸馏水24小时。然后将样品从水中打开，用薄纸轻轻除去表层水并称重(W2)。膨胀比计算为:

NaCl溶液中溶胀率的测定:首先辐照约0.4克至0.6克。将样品在蒸馏水中室温膨胀24小时，提取样品中的溶胶。然后再次将样品在室温下烘干至等重(W1)，并浸入不同浓度的NaCl溶液中24小时。从NaCl溶液中拆包后，去除附水后称重。肿胀的计算方法为:

NaCl溶液中溶胀率的测定:首先辐照约0.4克至0.6克。将样品在蒸馏水中室温膨胀24小时，提取样品中的溶胶。然后再次将样品在室温下烘干至等重(W1)，并浸入不同浓度的NaCl溶液中24小时。从NaCl溶液中拆包后，去除附水后称重。肿胀的计算方法为:

平衡含水量(E_WC)：平衡含水量(E_WC)的计算方法为:

在那里,

W₁=平衡状态下膨胀凝胶的重量。

W₀=干样初始重量。

结果与讨论

凝胶分数

凝胶是交联的不可溶部分聚合物在合适的溶剂中去除溶胶部分(可溶部分)后进行测量。样品的凝胶分数随辐射剂量的增加而增加。当辐射剂量通过单体/聚合物体系时，单体/聚合物体系中的自由基浓度增加。众所周知，自由基负责交联，因此随着辐射剂量的增加，聚合物链之间的交联导致凝胶分数的增加。图1．研究了辐射剂量和聚乙烯醇水溶液中丙烯酸浓度对聚乙烯醇/丙烯酸共混水凝胶凝胶分数的影响。结果表明，凝胶分数随辐射剂量的增加而增加，在辐射剂量为25 kGy时达到最大值。在此辐射剂量后，凝胶分数的变化几乎不变。在聚乙烯醇与丙烯酸溶液的混合物中，凝胶分数取决于丙烯酸的含量。在聚乙烯醇与丙烯酸溶液的混合溶液中，凝胶分数随丙烯酸浓度的增加而降低。

蒸馏水的膨胀率

膨胀是两种力量平衡的结果。一种是渗透力，另一种是分散力。渗透力推动水进入聚合物网络，而聚合物链产生的分散力则抑制水进入聚合物网络。交联密度增大，分散力增强。图2研究了不同剂量对不同类型聚乙烯醇/丙烯酸共混水凝胶溶胀率的影响。结果表明，膨胀率随辐射剂量的增加而减小。当辐射剂量达到25 kGy时，溶胀率呈快速下降趋势。在这个辐射剂量之后，它变得缓慢。研究还发现，溶胀率与共混水凝胶中丙烯酸的含量有关。共混水凝胶中丙烯酸含量越高，溶胀率越高。结果表明，随着共混水凝胶中丙烯酸含量的增加，亲水性基团增加。结果表明，随着丙烯酸含量的增加，共混水凝胶的比例增加。

吸水率(%)

图3研究了辐射剂量对10%聚乙烯醇溶液制备聚乙烯醇水凝胶吸水率的影响。从图中可以看出，48小时内吸水量最大，之后吸水量不显著。研究还发现，随着辐射剂量的增加，吸水性降低。

图4表示辐射剂量对10%聚乙烯醇溶液和1%丙烯酸混合物溶液制备的聚乙烯醇/丙烯酸共混水凝胶吸水率的影响，图5表示辐射剂量对10%聚乙烯醇溶液和2%丙烯酸混合物溶液制备的聚乙烯醇/丙烯酸共混水凝胶吸水率的影响，图6介绍了辐射剂量对10%聚乙烯醇溶液和3%丙烯酸混合物溶液制备的聚乙烯醇/丙烯酸共混水凝胶吸水率的影响。从这三幅图中可以发现，水分的最大吸收发生在48小时内，之后水分的吸收就不显著了。研究还发现，随着辐射剂量的增加，吸水性降低。

图7介绍了辐射剂量对聚乙烯醇10%溶液和不同浓度丙烯酸共混凝胶中聚乙烯醇/丙烯酸共混凝胶吸水率的影响。随着共混水凝胶浓度的增加，如丙烯酸浓度的增加，吸收率也随之增加。这种聚合物在辐射作用下降解。降解后的丙烯酸分子可能与聚乙烯醇发生夹闭/相互作用。由于羧基的存在，丙烯酸分子的吸水能力较高。结果表明，PVA/AA共混水凝胶溶胀率随丙烯酸浓度的增加而增大。

很明显，最初膨胀过程较快，6小时后吸水率增加，但缓慢。这解释了凝胶的亲水特性。凝胶最初对水的吸引力较高，这就是为什么一开始水化速度较快。经过一段时间后，凝胶处于饱和状态，吸收率降低。从图中可以看出，48小时内吸水量最大，之后吸水量不显著。研究还发现，随着辐射剂量的增加，吸水性也随之降低。

平衡含水量(Ewc)

图8而且9显示了聚乙烯醇/丙烯酸共混物Ewc的变化水凝胶用不同数量的丙烯酸。Ewc值随水凝胶中丙烯酸含量的增加而增加。当水凝胶中丙烯酸的浓度在1%至3%范围内时，其浓度从~89%增加到93%。聚乙烯醇/丙烯酸的酯化反应使丙烯酸中存在-COOH基团，对水具有较高的亲和力水凝胶增加。羧甲基纤维素(CMC)由于CMC分子中羧基的存在，改善了聚乙烯醇/西米共混水凝胶的溶胀性能。

在NaCl溶液中的溶胀率

图10在25kgy辐射剂量下制备的聚乙烯醇/丙烯酸共混水凝胶，其溶胀介质(水)中氯化钠浓度对溶胀率的影响。研究发现，溶液中离子强度的增加导致水凝胶溶胀率的降低。这种特性可以用离子在介质和聚合物网络中不均匀分布而产生的渗透压来解释。当水凝胶浸没在水中，有最大的渗透压发展，因此得到最大的膨胀。当水凝胶在氯化钠溶液中保存时，由于外部溶液中含有钠，其渗透压大大降低⁺和Cl^-．所以肿胀会显著减少。

结论

采用不同剂量(如10 kGy、15 kGy、20 kGy、25 kGy、30 kGy、35 kGy和40 kGy)的γ辐照，以不同比例的丙烯酸为原料制备聚乙烯醇/丙烯酸混合水凝胶。由此得出聚乙烯醇/丙烯酸共混水凝胶制备的最佳辐射剂量为25 kGy。聚乙烯醇在受到辐射时会聚合并交联。随着共混凝胶中丙烯酸比例的增加，凝胶分数降低，反之亦然。聚乙烯醇/丙烯酸共混水凝胶在蒸馏水和NaCl溶液中的溶胀率随丙烯酸含量的增加而增大。水分吸收量在实验48小时内达到最大值。

参考文献

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