高吸水性樹脂的研究及其在藥物制劑中的應(yīng)用

1、高吸水性樹脂的研究及其在藥物制劑中的應(yīng)用摘要: 高吸水性樹脂是一種含有強(qiáng)的親水性基團(tuán)并具有一定交聯(lián)度的功能高分子材料，來(lái)源豐富，用途廣泛。本文主要介紹的是高吸水性樹脂在藥物制劑中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞: 高吸水性樹脂,吸水機(jī)理,藥物制劑Abstract:Super absorbent polymer is a kind of having hydrophilic group and cross-linked functional polymer material，widely used in many fields such as sanitary goods，sealing composites a

2、nd medical drug-delivery systemsThis essay mainly introduces the application in the pharmaceutical preparations of super absorbent polymer.Key words: super absorbent polymer,absorbent mechanism,pharmaceutical preparations高吸水性樹脂(Super Absorbent Polymer ,SAP)又稱為超強(qiáng)吸水劑, 是一種典型的功能高分子材料,具有良好的吸液性能和保水性能的高分子聚

3、合物的總稱。與水溶性聚合物和吸附性聚合物相比, 在分子結(jié)構(gòu)上高吸水樹脂含有大量的親水性很強(qiáng)的諸如羧基、羥基、酰氨基、磺酸基等化學(xué)基團(tuán), 同時(shí)又具有一定的交聯(lián)度而形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些化學(xué)基團(tuán)及其所形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)賦予了樹脂的高吸水特性。與傳統(tǒng)吸水材料如海綿、纖維素、硅膠相比, 它不溶于水, 也不溶于有機(jī)溶劑, 卻又有著奇特的吸水性能和保水能力, 能夠吸收并保持自身質(zhì)量的數(shù)百倍乃至數(shù)千倍的水, 同時(shí)又具有對(duì)光、熱、酸堿的穩(wěn)定性。及良好的生物降解性能。高吸水性樹脂具有吸水倍率高、吸水速率快、保水能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于農(nóng)業(yè)園林、食品加工、土木建筑、醫(yī)療衛(wèi)生、石油化工以及日用化工等領(lǐng)域，并仍在向更廣闊

4、的應(yīng)用領(lǐng)域拓展。1高吸水性樹脂結(jié)構(gòu)與吸水原理1.1高吸水性樹脂的結(jié)構(gòu)高吸水性樹脂是一種三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它不溶于水而能大量吸水膨脹，形成高含水凝膠。高吸水性樹脂的主要性能是具有吸水性和保水性，這是因?yàn)槠浞肿又泻袕?qiáng)吸水性基團(tuán)和一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即具有一定的交聯(lián)度。高吸水性樹脂的微觀結(jié)構(gòu)因合成體系的不同而呈現(xiàn)出多樣性。大多數(shù)高吸水性樹脂是由分子鏈上含有強(qiáng)親水性基團(tuán)（如羧基、磺酸基、酞胺基、羥基等）的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所組成，如圖1所示。吸水時(shí)，首先是離子型親水基團(tuán)在水分子的作用下開始離解，陰離子固定在高分子鏈上，陽(yáng)離子作為可移動(dòng)離子在樹脂內(nèi)部維持電中性。由于網(wǎng)絡(luò)具有彈性，因而可容納大量水分子，當(dāng)交聯(lián)密度較大

5、時(shí)，樹脂分子鏈的伸展受到制約，導(dǎo)致吸水率下降。隨著離解過(guò)程的進(jìn)行，高分子鏈上的陰離子數(shù)增多，離子之間的靜電斥力使樹脂溶脹，同時(shí)，樹脂內(nèi)部的陽(yáng)離子濃度增大，在聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外溶液之間形成離子濃度差，滲透壓隨之增大，使水進(jìn)一步進(jìn)入聚合物內(nèi)部。當(dāng)離子濃度差提供的驅(qū)動(dòng)力不能克服聚合物交聯(lián)結(jié)構(gòu)及分子鏈間的相互作用（如氫鍵）所產(chǎn)生的阻力時(shí)，吸水達(dá)到飽和。圖1 高吸水性樹脂的離子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1.2高吸水性樹脂的吸水原理1.2.1Flo ry-Hug gins 熱力學(xué)理論熱力學(xué)理論認(rèn)為, 標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)位之差U0 <0 時(shí), 水在高分子吸水劑相中穩(wěn)定, 因而水可滲入樹脂內(nèi)直至平衡。樹脂吸水主要是由于分子中存在易于生

6、成氫鍵的基團(tuán), 若存在離子性基團(tuán), 水滲入的傾向則更大?？茖W(xué)家Flory 深入研究高分子在水中的膨脹后提出式（1）： (1)式中:Q 、Ve /V 0 、Vu 、i/V u 、S 和(1/2 -X 1)/V1 分別為樹脂的吸水率、交聯(lián)密度、結(jié)構(gòu)單元體積、樹脂中固定電荷的密度、外部溶液電解質(zhì)的離子強(qiáng)度以及樹脂對(duì)水的親和力。式(1)中分子的第一項(xiàng)表示滲透壓, 第二項(xiàng)表示與水的親和力, 是增加吸水能力的部分, 分母代表交聯(lián)密度。因此, 式(1)可簡(jiǎn)化為:由此可知, 高吸水性樹脂的吸水率與離子的滲透壓及離子與水的親和力之和成正比, 與樹脂的交聯(lián)密度成反比。1.2.2溶液熱力學(xué)理論林潤(rùn)雄等基于溶液熱力學(xué)

7、理論和交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的彈性自由能推導(dǎo)出式(2)： （2）式中:Q 、2 、V 1 、Mc 、X 1 分別為樹脂的吸水率、密度、水的摩爾體積、交聯(lián)點(diǎn)間的分子量以及樹脂和水的交互作用參數(shù)。式(2)表明, 高吸水性樹脂的吸水能力與親水基離子和交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。親水基離子產(chǎn)生的滲透壓是吸水的動(dòng)力因素, 交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的存在是吸水的結(jié)構(gòu)因素 。2高吸水性樹脂的合成方法2.1本體聚合法本體聚合法就是不加入其它介質(zhì), 只有單體自身在引發(fā)劑或催化劑、熱、光、輻射等作用下進(jìn)行聚合的方法。自由基聚合、離子聚合、縮聚都可選用本體聚合。氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)單體均可進(jìn)行本體聚合。其中自由基本體聚合和液態(tài)單體的本體聚合最為重要。用本

8、體聚合法制備高吸水性樹脂方法簡(jiǎn)單, 產(chǎn)品純度高, 可根據(jù)成型的要求制成多種形狀。但本體聚合法也存在一些問(wèn)題:(1)由于無(wú)散熱介質(zhì), 隨著反應(yīng)的進(jìn)行, 反應(yīng)熱難以排除, 加之凝膠效應(yīng), 易造成局部過(guò)熱,嚴(yán)重者發(fā)生爆聚;(2)反應(yīng)產(chǎn)物粘度很高, 易凝聚成固體, 反應(yīng)產(chǎn)物不易出料。因此, 本體聚合法已很少采用。2 .2 溶液聚合法溶液聚合法是將單體和添加劑溶于適當(dāng)溶劑中,經(jīng)光照或加熱、輻射、引發(fā)劑(或催化劑)的作用而進(jìn)行聚合的方法。溶液聚合法較為成熟, 應(yīng)用廣泛?？导t梅等采用溶液聚合法合成了聚丙烯酸系樹脂, 吸水倍率達(dá)1430 g · g-1 , 吸鹽水倍率達(dá)102 g ·g -

9、1 。張立穎等以機(jī)械活化淀粉和丙烯酸為原料,采用溶液聚合法合成了耐鹽性較好的高吸水性樹脂,吸水倍率為3100 g · g-1 , 吸鹽水倍率達(dá)272 g · g-1 。溶液聚合法生產(chǎn)成本較其它合成方法低, 操作簡(jiǎn)便, 適于較大規(guī)模生產(chǎn), 但仍存在以下缺點(diǎn):單體濃度較低, 聚合反應(yīng)速率較慢;聚合物分子量較低, 顆粒分布不均勻, 吸水倍率低, 防潮性和流動(dòng)性較差;溶劑分離回收費(fèi)用高, 固體聚合物出料困難。2 .3反相懸浮聚合法反相懸浮聚合法是以油相作為分散介質(zhì), 借劇烈攪拌和懸浮劑的作用, 使水溶性單體和引發(fā)劑分散成水相液滴懸浮于油相中進(jìn)行聚合的方法。懸浮聚合體系由單體、油溶性

10、引發(fā)劑、水、分散劑四個(gè)基本組分組成。賈振宇等采用反相懸浮聚合法, 通過(guò)AA/AM/AMPS(丙烯酸/丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)三元共聚制備的高吸水性樹脂, 吸水倍率達(dá)1250 g · g-1 , 吸鹽水倍率達(dá)225 g · g-1 。反相懸浮聚合法聚合熱易排除, 聚合過(guò)程穩(wěn)定, 操作方便, 產(chǎn)品分子量較高, 成粒狀, 吸水、耐鹽、防潮性較好, 后處理簡(jiǎn)單, 成為引人注目的獨(dú)特的聚合新工藝。但由于原料成本高, 聚合過(guò)程采用間歇式生產(chǎn), 效率較低, 目前難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。2 .4 反相乳液聚合法反相乳液聚合法是指水溶性單體在油性介質(zhì)中借助乳化劑的作用, 并經(jīng)強(qiáng)

11、烈攪拌或振蕩分散成乳液狀態(tài)而進(jìn)行聚合的方法。其主要特點(diǎn)有:單體是親水性或水溶性物質(zhì);乳化劑采用油包水型;引發(fā)劑為油溶性;聚合速率與產(chǎn)品分子量同時(shí)提高;粒徑較小;最終產(chǎn)物可以是乳液, 也可破乳制成微粒粉末。朱秀林等用反相乳液聚合法合成內(nèi)交聯(lián)型高吸水性聚丙烯酸鈉, 吸水速率快, 在4 min 內(nèi)吸去離子水倍率1800 g · g-1 , 吸鹽水倍率150 g · g-1 。2 .5 其它特殊合成方法除上述主要方法外, 還有其它一些特殊的制備高吸水性樹脂方法, 如輻射聚合法、固相合成法、模板聚法、管道聚合法、槽式合成法、薄膜制備法等。3高吸水性樹脂國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展日本、美國(guó)和西歐在

12、這一領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位, 他們對(duì)淀粉接枝丙烯腈的工藝提出了很多改良方案, 并申請(qǐng)了專利,如用甲醇-水混合溶劑進(jìn)行水解, 不僅解決了水解難題, 同時(shí)提高了吸水速率。1975 年美國(guó)成功研究出“淀粉-聚丙烯腈接枝” 的高吸水產(chǎn)品并進(jìn)入市場(chǎng);隨后日本三洋化成公司考慮到丙烯腈單體殘留在聚合物中會(huì)有毒性, 不安全, 而開發(fā)出“淀粉-丙烯酸交聯(lián)性單體接枝共聚物” , 日本還于1978 年批準(zhǔn)了高吸水性樹脂應(yīng)用于生理衛(wèi)生材料, 并最先將它應(yīng)用于衛(wèi)生用品;UCC 公司還報(bào)道了用放射線對(duì)各種氧化烯烴作交聯(lián)處理, 合成非離子型高吸水性樹脂, 其吸水性能力為2000 倍, 從而打開了合成非離子型高吸水性樹脂的大門

13、。20 世紀(jì)80 年代后,歐、美、日各大化學(xué)公司相繼開發(fā)出各種類型具有保水功能的高吸水性樹脂, 并對(duì)制造方法、樹脂性能、應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。且隨著日本和歐美等國(guó)紙尿布的迅速普及, 該類樹脂的用量也迅猛增加, 如該類樹脂的生產(chǎn)能力從1980 年的0.5 萬(wàn)t 增加到1990 年的20.7 萬(wàn)t , 1999 年又猛增到129.2 萬(wàn)t , 并以30 %的速度遞增, 明顯高于其它功能高分子材料。我國(guó)對(duì)高吸水性樹脂的研究起始于20 世紀(jì)80年代中期, 經(jīng)過(guò)20 多年的發(fā)展, 全國(guó)已有數(shù)十家單位在從事高吸水性樹脂的研究。目前有關(guān)高吸水性樹脂的專利和文獻(xiàn)報(bào)道在逐漸增多, 如1982 年中科院化學(xué)所

14、的黃美玉等人在國(guó)內(nèi)最先以二氧化硅為載體, 聚-琉丙基硅氧烷為引發(fā)劑, 制備出吸水能力為400 倍的聚丙烯酸鈉類高吸水性樹脂;季鴻漸等人采用丙烯酸和淀粉接枝共聚并用堿中和的工藝, 研制出了吸水率達(dá)2000 g·g-1的高吸水性樹脂;朱秀林等人用反相乳液聚合法合成的內(nèi)交聯(lián)型高吸水性聚丙烯酸鈉, 吸水速率快, 在4 min 內(nèi)吸去離子水1800 g·g-1 , 吸鹽水率為150 g·g-1 左右;路建美等人為了提高吸水性樹脂的凝膠強(qiáng)度, 以丙烯酸和烏頭酸為單體, 用K2S2O8 (過(guò)硫酸鉀)-Na2S2O4(連二亞硫酸鈉)作引發(fā)劑, 乙二醇縮水甘油醚為交聯(lián)劑, 在水溶液

15、中進(jìn)行微波輻射共聚,制得吸水率為500 g·g-1 , 吸鹽水率為75 g·g-1 , 保壓吸水率為90 g ·g-1 的高吸水性樹脂;崔英德等以丙烯酸為主要單體, 采用兩段加料反應(yīng)反相懸浮聚合法合成了一種具有軟核硬殼結(jié)構(gòu)的新型高吸水性樹脂, 該產(chǎn)品吸水性和滲透性良好。張立穎等以機(jī)械活化淀粉和丙烯酸為原料, 采用水溶液聚合法合成了耐鹽性能較好的高吸水性樹脂,其吸水率為3100 g·g-1 , 吸收0.9 %的氯化鈉溶液能力為272 g·g-1 。4高吸水性樹脂在藥物制劑中的應(yīng)用高吸水性樹脂的超強(qiáng)吸水能力和保水能力使得生理衛(wèi)生方面的產(chǎn)品大大輕薄化

16、、小型化、舒適化，消除了人們很多苦惱。高吸水性樹脂在生物體中的適應(yīng)性已經(jīng)有不少的學(xué)者進(jìn)行過(guò)這方面的研究，結(jié)果表明某些合成和半合成的高吸水性物質(zhì)，具有一定的生物適應(yīng)性。利用高吸水性材料具有極強(qiáng)的吸水性和保水性的特性，可制成和生物體含水量相近的各種組織材料，而且醫(yī)藥吸水性材料吸水后形成的凝膠比較柔軟，具有人體適應(yīng)性，如對(duì)人體無(wú)刺激性、無(wú)副反應(yīng)、不發(fā)生炎癥、不引起血液凝固等，這些都為其在醫(yī)藥上的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。在緩控釋藥物中作為藥物的骨架載體的合成類親水性高分子有相當(dāng)一部分屬于高吸水性樹脂。在該領(lǐng)域享有盛名的美國(guó)古立德公司（Goodrich Corp）的系列交聯(lián)丙烯酸聚合物carbopol就是緩控釋

17、骨架材料的典范。聚丙烯酸類的高吸水性樹脂有良好的生物相容性、生物粘附性，發(fā)達(dá)國(guó)家近十幾年來(lái)采用這類材料制備的靶向給藥系統(tǒng)巴布劑得到了廣泛的發(fā)展。把中藥提取物做成巴布劑，近幾年在中國(guó)也有了廣泛的發(fā)展。高吸水性樹脂作為醫(yī)藥釋放材料的優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)載藥量，控制藥物釋放的速度。巴布劑采用高吸水性樹脂類的親水性高分子為藥物載體材料，該劑型在患者皮膚上易揭下、無(wú)殘留、不痛苦，藥物的儲(chǔ)量較大，完全可以取代采用毒性鉛丹收膏的傳統(tǒng)中藥外用制劑“狗皮膏藥”。近年來(lái)，高吸水性樹脂已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥醫(yī)療的各個(gè)方面：超強(qiáng)吸水性材料可用于制備能吸收手術(shù)及外傷出血和分泌液，并可防止化膿的醫(yī)用繃帶、棉球和紗布等；用于接觸眼鏡、人體埋入材料、保溫保冷材料等醫(yī)療用品的生產(chǎn)和制造中；用于制造人工玻璃體、人工角膜、人工皮膚、人工血管、人工肝臟、人工腎臟等人工器官；用于保持部分被測(cè)液的醫(yī)用檢驗(yàn)試片；用于制備含水量大、使用舒適的外用軟膏：另外，高吸水性樹脂還在緩釋藥物基材等制造中得到應(yīng)用，能通過(guò)調(diào)節(jié)含水率改變藥劑的釋放速度，避免隨時(shí)間推移，釋放速度逐漸降低。參考文獻(xiàn) 1 龔吉安，李倩，趙彥生高吸水性樹