本文介绍了一项关于新型生物材料的研究，题为《An Alkaline Based Method for Generating Crystalline, Strong, and Shape Memory Polyvinyl Alcohol Biomaterials》，由Mohammad Ali Darabi、Ali Khosrozadeh、Ying Wang等作者共同完成，发表于2020年的《Advanced Science》期刊。该研究由多个研究机构合作完成，包括加州大学洛杉矶分校、曼尼托巴大学、西南医院烧伤研究所等。

研究背景

随着生物材料在医疗领域的广泛应用，开发具有高强度、可拉伸性、长期稳定性和多功能性的生物材料成为研究热点。水凝胶（hydrogels）作为一种重要的生物材料，广泛应用于组织工程、生物医学设备和软机器人等领域。然而，传统的水凝胶材料在机械强度、化学稳定性和形状记忆性能方面存在局限性。本研究旨在通过一种基于碱性的方法，制备具有高结晶度、高强度、低含水量和形状记忆性能的聚乙烯醇（PVA）水凝胶（PVA-H），以克服传统水凝胶的不足。

研究方法

研究的主要方法是通过高浓度的氢氧化钠（NaOH）溶液处理高密度的PVA聚合物，诱导其结晶并形成物理交联的水凝胶。具体步骤如下： 1. PVA溶液的制备：将PVA粉末溶解在去离子水中，加热至90°C并搅拌过夜，形成100 mg/mL的PVA溶液。 2. 薄膜制备：将PVA溶液倒入培养皿或模具中，干燥后形成PVA薄膜。 3. 碱处理：将干燥的PVA薄膜浸入高浓度的NaOH溶液中10-40分钟，进行碱处理。 4. 水处理：将碱处理后的PVA薄膜浸入去离子水中，去除Na+离子，稳定交联的PVA网络，形成PVA-H。

研究还通过核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）等手段对材料的化学结构、结晶度和热性能进行了表征。

研究结果

1. 机械性能：通过碱处理，PVA-H的机械强度显著提高，弹性模量达到1.7 MPa以上，拉伸强度超过13 MPa。PVA-H表现出优异的弹性，能够承受超过350%的拉伸应变。
2. 结晶度：DSC和X射线衍射（XRD）分析表明，PVA-H的结晶度从7.35%提高到56.9%，显著增强了材料的机械性能。
3. 形状记忆性能：PVA-H表现出优异的形状记忆性能，能够在水中恢复90%以上的塑性变形。这种特性使其在人工肌肉和驱动器应用中具有潜力。
4. 生物相容性：体外和体内实验表明，PVA-H具有良好的细胞相容性、抗蛋白吸附性和血液相容性，适合用于生物医学设备。

应用前景

该研究开发的PVA-H材料具有广泛的应用前景，包括： 1. 生物医学设备：如导管、血管移植物、人工软骨和角膜替代材料。 2. 3D打印和微流控设备：PVA-H可以通过3D打印和层叠组装技术制备复杂的形状和结构，适用于微流控芯片和可注射电子设备。 3. 人工肌肉和驱动器：PVA-H的形状记忆性能使其能够用于开发人工肌肉系统，能够通过水的刺激产生强大的收缩力，足以举起超过自身重量1100倍的物体。

研究亮点

1. 新颖的制备方法：通过高浓度NaOH处理PVA，成功诱导了高结晶度的物理交联水凝胶，克服了传统PVA水凝胶的机械强度不足问题。
2. 多功能性能：PVA-H不仅具有高强度、低含水量和形状记忆性能，还能够通过3D打印和层叠组装技术制备复杂的形状和结构。
3. 广泛的应用前景：该材料在生物医学设备、人工肌肉、3D打印和微流控设备等领域具有广泛的应用潜力。

结论

本研究开发了一种基于碱性的新型PVA水凝胶制备方法，成功制备了具有高强度、低含水量和形状记忆性能的PVA-H材料。该材料在生物医学设备、人工肌肉和3D打印等领域具有广泛的应用前景，为未来的生物材料研究和应用提供了新的思路和方法。