综述：聚乙烯醇水凝胶：结构、制备、改性策略及其生物医学应用

《European Polymer Journal》：Polyvinyl alcohol Hydrogels: Structure, Preparation, modification strategies and biomedical applications

聚乙烯醇（PVA）水凝胶因其高生物相容性和低毒性成为生物医学工程的重要材料，但存在机械强度不足、抗菌性差等问题。本文系统综述了通过共混、接枝、纳米复合等改性策略提升其性能的研究进展，重点探讨抗菌改性、力学强化及细胞亲和性优化方法，并分析其在伤口敷料、药物递送、组织工程和应变传感器等领域的应用前景，最后总结当前技术瓶颈与未来发展方向。

　　

田一晨|李亚楠|徐梦媛|李文杰|丛海林|于冰

青岛大学化学与化学工程学院、材料科学与工程学院、生物医学材料与工程研究所，中国青岛266071

摘要

聚乙烯醇（PVA）水凝胶在生物医学工程中构成了一个基础材料平台，其独特的亲水性、优异的生物相容性和低细胞毒性使其备受青睐。它们丰富的羟基分子结构为多种化学修饰提供了反应位点。通过混合、接枝共聚和纳米复合等策略，可以将功能性聚合物、生物活性分子和纳米材料有效地结合到PVA基质中。这些方法不仅克服了PVA的固有局限性，还赋予了其新的功能，从而促进了高性能水凝胶的设计。本文系统地总结了PVA水凝胶的改性策略，旨在提升其抗菌性能、机械强度和细胞粘附性，并探讨了其在伤口敷料、药物递送、组织工程、应变传感器和生物医学检测中的应用。最后，本文总结了PVA水凝胶的应用前景和关键挑战，为相关生物医学应用提供了新的见解。

引言

水凝胶是通过化学或物理交联形成的三维聚合物网络，能够吸收大量水分同时保持结构完整性[[1], [2], [3]]。这些材料具有优异的生物相容性、可调的物理化学性质和良好的渗透性，使其成为生物医学应用的理想选择[2,4,5]。自问世以来，水凝胶已在多个领域展现出巨大潜力，包括伤口敷料[[6], [7], [8]]、药物递送[9,10]、组织工程[3,11,12]和应变传感器[13,14]。材料科学与生物医学工程的不断融合推动了研究重点从基础性质探索向功能化和智能设计的转变。

聚乙烯醇（PVA）水凝胶因其材料的易获取性和高生物安全性而受到广泛关注。作为一种亲水性、生物相容性的聚合物，高水解度的PVA在生理条件下通常被认为是不可降解的[[17], [18], [19]]，但其羟基基团支持氢键形成和化学修饰；而高水解度（>98%）的PVA溶液可以自发交联形成水凝胶[20,21]。然而，这些水凝胶也存在一些局限性：凝胶密度低导致网络结构疏松、链伸展受限导致机械强度低、润滑性和透光性差以及抗菌活性弱，从而影响了其在伤口敷料中的应用[22,23]。此外，它们的生物惰性、有限的载药能力和较差的细胞粘附性也限制了其在组织工程中的应用。

纯PVA水凝胶存在一些固有缺陷，如机械强度不足、抗菌活性差和细胞粘附性不佳。通过混合和复合引入天然聚合物（如壳聚糖）、合成聚合物或无机纳米颗粒可以改善其机械性能和抗菌能力[24]。双网络或多网络结构尤其有效，能够显著提高韧性和抗疲劳性。通过引入特定基团（–NH₃⁺, –COO^-）并进行交联参数优化，可以精确控制网络结构，从而制备出具有优异机械韧性、高保水性和增强生物活性的水凝胶。这些方法大大扩展了PVA水凝胶在伤口愈合、可控药物释放和组织工程中的应用，并为高性能多功能系统奠定了基础。因此，本文系统总结了基于PVA的水凝胶的结构分类、制备方法和改性策略，重点讨论了其在生物医学中的应用，并展望了未来的发展挑战和机遇。

结构分类

根据网络结构，PVA基水凝胶可分为四种类型：单网络、双网络、互穿网络和多网络结构。这些结构差异显著影响了水凝胶的机械强度、膨胀能力和在生物医学应用中的整体性能。

网络构建与交联策略

对于PVA基水凝胶而言，交联方法通过调节聚合物链之间的相互作用来决定其生物机械和生物特性。PVA可以通过链堆积和结晶形成物理交联网络，而化学交联则引入共价键以增强稳定性。常见的交联方法包括物理交联和化学交联（图5）[63,64]。选择和组合这些方法可以实现精确的控制

抗菌改性

PVA本身不具备抗菌性和细胞亲和性，但可以通过与天然物质、金属纳米颗粒、氧化物、抗生素、抗菌肽（AMPs）或合成聚合物的混合、接枝、离子交换或后处理来赋予PVA水凝胶抗菌能力。值得注意的是，很少有研究报道仅依赖PVA内在的杀菌和防污性能而不使用外加添加剂的PVA水凝胶[95,96]。

应用

生物医学聚合物材料应具备非毒性、生物相容性、可降解性，并支持后续加工。PVA衍生的水凝胶符合这些要求，被广泛应用于组织工程、药物递送、人工器官、伤口敷料和创新材料领域，展现了其潜在价值和多功能性。

总结与展望

由于制备简单、生物相容性好且毒性低，PVA水凝胶在生物医学领域得到广泛应用。然而，纯PVA水凝胶仍存在一些局限性，如细胞粘附性差、抗菌活性不足和机械强度不够。为了解决这些问题，人们开发了针对性的改性方法：通过接枝或嵌入活性成分来增强抗菌性能；通过

作者贡献声明

田一晨：撰写——审稿与编辑；撰写——初稿。李亚楠：撰写——审稿与编辑。徐梦媛：撰写——审稿与编辑。李文杰：撰写——审稿与编辑。丛海林：资源获取、资金筹措。于冰：资源获取、资金筹措。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（22074072、2227408、22574089）、山东省自然科学基金（ZR2022LZY022、ZR2023LZY005）、青岛市南区科技规划项目（2022-4-005-YY）、青岛大学生物纤维与生态纺织国家重点实验室的探索项目（TSKT202101）、国家重点研发计划（2024YFE0104100）以及青岛医学Plus重点项目的支持。