畢業(yè)論文《膠原多肽聚丙烯酸物理水凝膠的合成與表征》

1、 膠原多肽/聚丙烯酸物理水凝膠的合成與表征 目 錄摘 要.1第一章 緒論311水凝膠的基本性質31.1.1膠原多肽水凝膠概述41.1.2聚丙烯酸水凝膠概述41.2水凝膠的分類41.2.1智能水凝膠41.2.2磁性水凝膠61.2.3聚合物水凝膠71.3水凝膠的應用71.3.1水凝膠在農林業(yè)的應用81.3.2水凝膠在工業(yè)上的應用81.3.3水凝膠在組織工程中的應用81.4水凝膠的研究和發(fā)展趨勢91.5展望9第二章 膠原多肽/聚丙烯酸水凝膠的合成和表征102.1水凝膠的合成與表征102.1.1單體聚合并交聯(lián)102.1.2聚合物交聯(lián)102.1.3載體的接枝共聚112.2水凝膠的性質研究112.2.1溶

2、脹-收縮行為(凝膠狀態(tài)方程)112.2.2力學性能112.3水凝膠性質的影響因素122.3.1共聚單體的組成122.3.2交聯(lián)密度的影響122.3.3合成條件的影響132.4膠原多肽水凝膠的合成132.4.1實驗材料132.4.2合成方法132.5聚丙烯酸水凝膠的合成142.5.1試劑142.5.2聚丙烯酸水凝膠的合成原理142.5.3聚丙烯酸水凝膠的合成142.6聚丙烯酸水凝膠的表征142.6.1含水率的測定142.6.2吸水速率152.6.3在不同電解質中的吸液倍率152.6.4吸水速率152.6.5保水能力152.6.6對鹽溶液的應答性162.6.7接枝率162.6.8性能測試162.7

3、膠原多肽水凝膠的表征162.7.1表征測試方法162.7.2實驗結果與討論172.7.3小結21參考文獻.21致 謝.23摘 要本文對膠原多肽聚丙烯酸水凝膠的合成與表征進行了綜述，水凝膠的吸鹽倍率、吸水速率、保水能力等各項性能均較好。凝膠吸液性能是衡量其性能的最主要指標，為了提高吸液倍率，進行了各種不同條件的研究，通過吸水原理與各種合成方法的簡介，對其中一種方法進行側重說明。并且還對水凝膠進行了表征，如在不同溫度下的保水性、吸水速率、不同pH下的吸液比較、吸水凝膠對鹽水的應答性等，結果表明具有較好的保水性，接枝率較高，吸水速率較快。為了檢驗所得產物，本文通過傅立葉紅外光譜儀分析了其結構。IR分

4、析表明，為一種均一性聚合物，并非簡單的加和。水凝膠具有一定的生物降解性，屬于環(huán)境友好材料。關鍵詞： 膠原多肽 聚丙烯酸 合成與表征 保水性ABSTRACTIn this paper, the collagen peptide/polyacrylic acid water of the synthesis and characterization of gel was summarized, the absorption rate of salt water gel, bibulous rate, ability to hold moisture and so on each performan

5、ce were well. Gel to absorb fluid performance is measured the properties of the most main index, in order to improve the rate of absorb fluid, the various different conditions of the research, through the water absorption principle and the method of synthesis of introduction, to one of the methods t

6、hat are focusing on. And also to gel to characterize, such as different temperature, bibulous rate, the water under different salt absorb fluid comparison, bibulous gel of brine response sex, the result indicates that it has better the ability in swimming, grafting rate is higher, bibulous rate fast

7、er. In order to test the products, this article through the Fourier infrared spectrometer, analyzes its structure. IR analysis shows that, for a uniformity polymer, not simple addition and. Water gel has certain biodegradation, belongs to the environment friendly materials.Keywords: collagen peptide

8、/polyacrylic acid water gel; Synthesis and characterized; The water第一章 緒論11水凝膠的基本性質水凝膠（Hydrogel）是以水為分散介質的凝膠。具有網狀交聯(lián)結構的水溶性高分子中引入一部分疏水基團和親水殘基，親水殘基與水分子結合，將水分子連接在網狀內部，而疏水殘基遇水膨脹的交聯(lián)聚合物。是一種高分子網絡體系，性質柔軟，能保持一定的形狀，能吸收大量的水。 圖1-1水凝膠網絡示意圖水凝膠有各種分類方法,根據水凝膠網絡鍵合的不同,可分為物理凝膠和化學凝膠。物理凝膠是通過物理作用力如靜電作用、氫鍵、鏈的纏繞等形成的,這種凝膠是非永久性

9、的,通過加熱凝膠可轉變?yōu)槿芤?所以也被稱為假凝膠或熱可逆凝膠。許多天然高分子在常溫下呈穩(wěn)定的凝膠態(tài),如k2型角叉菜膠、瓊脂1等在合成聚合物中,聚乙烯醇(PVA)是一典型的例子,經過冰凍-融化處理,可得到在60以下穩(wěn)定的水凝膠2。化學凝膠是由化學鍵交聯(lián)形成的三維網絡聚合物,是永久性的,又稱為真凝膠。據水凝膠對外界刺激的響應情況可分為傳統(tǒng)的水凝膠和環(huán)境敏感的水凝膠兩大類。傳統(tǒng)的水凝膠對環(huán)境的變化如溫度或pH等的變化不敏感，而環(huán)境敏感的水凝膠是指自身能感知外界環(huán)境(如激光、pH、光、電、壓力等)微小的變化或刺激，并能產生相應的物理結構和化學性質變化甚至突變的一類高分子凝膠。此類凝膠的突出特點是在對環(huán)

10、境的響應過程中其溶脹行為有顯著的變化，利用這種刺激響應特性可將其用做傳感器、控釋開關等，這是1985年以來研究者最感興趣的課題之一。根據水凝膠大小形狀的不同,有宏觀凝膠與微觀凝膠(微球)之分,根據形狀的不同宏觀凝膠又可分為柱狀、多孔海綿狀、纖維狀、膜狀、球狀等,目前合成的微球有微米級及納米級之分。根據合成材料的不同,水凝膠又分為合成高分子水凝膠和天然高分子水凝膠。天然的親水性高分子包括多糖類（淀粉、纖維素、海藻酸、透明質酸，殼聚糖等）和多肽類（膠原、聚L-賴氨酸、聚L-谷胺酸等）。合成的親水高分子包括聚乙烯、醇、丙烯酸及其衍生物類（聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等）。天

11、然高分子由于具有更好的生物相容性、對環(huán)境的敏感性以及豐富的來源、低廉的價格,因而正在引起越來越多學者的重視。但是天然高分子材料穩(wěn)定性較差,易降解,近幾年不少學者開始了天然高分子與合成高分子共混合成水凝膠的研究工作,這將是今后的一大重要課題。1.1.1膠原多肽水凝膠概述膠原多肽亦稱水解明膠，是膠原或明膠經蛋白酶等降解處理后的多肽混合物，其分子量在500-20000Da之間，蛋白含量達90%以上,水溶性強,粘度低，氨基酸組成與明膠基本相同，人體消化吸收率為100% 。研究表明，膠原多肽具有提高骨骼強度、抗高血壓、保護胃粘膜、抗衰老和美容護膚等生理功能，可廣泛應用于功能食品、醫(yī)藥、化妝品等領域。目前

12、，膠原多肽的合成方法主要有酸法、堿法、高溫熱解法和酶法。堿水解使蛋白中含羥基和巰基的氨基酸全被破壞，使氨基酸大多消旋，沒有生物價值；酸水解法對設備腐蝕嚴重，同時高溫下使色氨酸徹底破壞；高溫熱解法的產品含鹽量低，但耗時長，產品分子量分布不均且不易控制，不適合生產高品質的膠原多肽。與前三種方法相比，酶法水解反應溫和，氨基酸破壞小，安全可靠，易控制，無污染。本文以明膠為原料，采用正交實驗方法確定膠原多肽合成的最佳工藝條件，并對膠原多肽結構進行表征，為明膠進一步開發(fā)利用提供理論依據。1.1.2聚丙烯酸水凝膠概述聚丙烯酸水凝膠為含有大量不能自由移動羧基的立體網狀大分子。 當溶液的PH值不同時, 這些羧基

13、的離解濃度不同, 使網絡間靜電排斥作用不同; 膠內外的離子濃度差不同, 從而因濃差引起的滲透壓不同。 由于上述兩種原因, 使聚丙烯酸水凝膠在不同pH值溶液中, 呈現(xiàn)不同程度的收縮或溶脹狀態(tài)。1.2水凝膠的分類1.2.1智能水凝膠 智能型水凝膠是一種可以進行傳感、處理并且具有執(zhí)行功能的高分子材料，作為一種新型的智能材料，在諸多領域有著重要的用途。根據對外界環(huán)境條件的刺激表現(xiàn)出不同的響應情況可以分為：溫度敏感性的水凝膠高分子材料、對于pH 敏感性的水凝膠高分子材料、對光敏感的水凝膠高分子材料、 對壓力敏感的水凝膠高分子材料、對于生物分子敏感的水凝膠高分子材料、對于電場敏感的水凝膠高分子材料等。 1

14、.2.1.1溫度敏感性水凝膠 這一類水凝膠高分子材料的溶脹與收縮性，對于溫度的 變化具有非常高的敏感度，具體表現(xiàn)為在較低溫度下溶脹度較高，在相對較高溫度下溶脹度比較低。該凝膠具有最低臨界共溶溫度(LCST)，即溶脹度的變化和溫度的變化并不是線性的，在某一溫度下水凝膠的體積表現(xiàn)為突然的收縮和膨脹。聚(N，N-二甲基丙烯酰胺-共-丙烯酰胺-共-甲基丙烯酸丁酯)與聚丙烯酸的互穿網絡凝膠，具有高溫下溶脹，低溫下收縮的特點。采用不同粒徑的硅膠顆粒從而合成的多孔PNIPA水凝膠高分子材料，并且測定了不同的溫度下達到溶脹平衡時，水凝膠高分子材料的去溶脹的具體作用機理，以及收縮凝膠的再溶脹作用。實驗結果顯示出

15、，和無孔凝膠相比，多孔凝膠高分子材料的溶脹性能有了很大的提高，這主要是因為孔結構的存在使得水凝膠高分子材料的響應速率，尤其是溶脹性能速率有了大幅度的提高等 在合成水凝膠過程中，采用BIS作為交聯(lián)劑，通過兩步聚合反應法得到了和傳統(tǒng)水凝膠材料相比有更好的溶脹和去溶脹作用的對于溫度敏感的冷凍凝膠P(NIPAAA)。許多科研工作的結果都表明，如果水凝膠的溶脹比隨溫度的升高而增加，隨著溫度的降低而降低，則水凝膠表現(xiàn)為熱脹性。這種特性對于水凝膠高分子材料在各方面的應用，特別是在藥物的可控性釋放方面的應用具有非常重要意義。 1.2.1.2pH敏感性水凝膠 水凝膠高分子材料對于pH的敏感性是指其溶脹或消溶脹作

16、用是隨著pH值的不同而進行變化。水凝膠高分子材料對于pH的敏感性最早是由Tanaka等在測定丙烯酰胺進行陳化后的溶脹率時首先發(fā)現(xiàn)的。pH響應水凝膠高分子材料一般是含有-CO0-、-OPO、-NH、-SO 等陰陽離子基團。pH敏感性水凝膠中含酸、堿性基團，溶脹、收縮、滲透壓隨pH、離子強度變化，可實現(xiàn)靶向釋藥。對于pH具有敏感性的甲基丙烯酸共聚物的水凝膠高分子材料進行了研究合成，并且對氫溴酸右美沙芬和維生素在水凝膠中的擴散行為進行了大量研究，結果表明，該水凝膠高分子材料可以控制藥物在相對較低的pH值下的介質中基本不會進行釋放，而在中性或者是堿性的介質中，藥物可以以較快的速率進行釋放。Shi等一一

17、采用輻照的方法合成了一類不同的殼聚糖丙烯酸共聚水凝膠高分子材料，該水凝膠在較低的pH值和較高的pH值下都具備良好的溶脹性能，而在pH值不高不低時溶脹性比較低。對pH敏感的聚-乙烯吡啶(PVP)微凝膠粒子，當pH值低于4.5時，吡啶基團質子化，微凝膠網絡呈正電性，引起微凝膠網絡的擴張，適合于作控制藥物的控釋載體。 1.2.1.3光敏感性水凝膠 水凝膠高分子材料的光敏感性是指水凝膠在受到光照的刺激下而發(fā)生的一種體積相互轉變的現(xiàn)象。光敏材料的響應性機理主要有3種：(1)是對于熱敏感的材料中的含有特殊感光的分子，能夠將光能轉化為熱能，從而使材料內局部溫度發(fā)生改變，當凝膠內部的溫度達到熱敏性材料的相轉變

18、溫度時，凝膠產生光敏感；(2)是利用光敏感的分子遇到光照分解產生的離子化從而實現(xiàn)光敏感；(3)是在水凝膠高分子材料中加入了發(fā)色基團，在光照下，這些發(fā)色團的物理化學性質發(fā)生了變化，從而導致具有發(fā)色團的聚合物鏈的空間或者幾何構型發(fā)生變化，從而導致聚合物的性能也發(fā)生了變化。Suzuki3和Tanak4等 在PNIPAAm水凝膠高分子材料中引入葉綠素的分子結構，光照時葉綠素吸收光使水凝膠的微環(huán)境溫度進行升高，凝膠從而收縮。反之，凝膠發(fā)生溶脹。 1.2.1.4壓力敏感性凝膠 水凝膠高分子材料的壓力敏感性能最早是由Marchetti5通過理論性計算得出來的，計算結果表明，凝膠在低壓下出現(xiàn)塌陷，在高壓下出現(xiàn)

19、膨脹。鐘興等研究了壓力對聚N-正丙基丙烯酞胺(PNIPA)、聚N，N-二乙基丙烯酞胺(PNDEA)及PNIPAAm這3種溫敏性凝膠高分子材料溶脹性的影響，實驗結果顯示，這3種凝膠的壓敏性是其相轉變溫度隨壓力改變的結果，對于壓力有不同的響應。他們認為3種凝膠能表現(xiàn)出明顯的對于壓力的敏感性，這主要是因為它們還具有溫敏性；同時還由于其相轉變溫度隨壓力而有所升高，于是，當溫度不發(fā)生改變時，如果常壓下處于收縮狀態(tài)下的凝膠是因為壓力的增加而使凝膠材料所處溫度低于相轉變的溫度的話，凝膠將會發(fā)生大幅度的溶脹。 1.2.2磁性水凝膠 磁性聚合物微球是指通過一定的合成方法使得有機的高分子化合物與無機磁性粒子結合從

20、而形成具有一定的磁性以及特殊結構的復合微球。結構通常有3類：(1)核殼式，即內核為磁性材料，殼為聚合物材料的結構；(2)反核殼式，即內核為聚合物高分子材料，外殼是磁性材料構成的；(3)三明治式，即內層以及外層都為聚合物高分子材料構成，中間的夾層為磁性材料的結構。合成了表面含有活性基團的聚苯乙烯的磁性微球結構化合物，并用于固定葡萄糖淀粉酶，從而得到了固定化酶的最佳條件，而且葡萄糖淀粉酶的固定化率達到了7O ，并且固定化后酶活性與未固化效果接近。磁性微球作為給藥載體具有很好的特點 ：(1)載有藥物的微球被吸附到靶區(qū)的附近，使靶區(qū)很快達到所需的藥物濃度，而使未患病區(qū)域的藥物布量相應地減少，可以實現(xiàn)有

21、效增加供給藥物，降低總的給藥劑量；(2)藥物絕大部分作用在局部，相對地減少了藥物對人體正常組織的損害，特別是降低了對肝、脾、腎等器官等的造血和排泄系統(tǒng)的損害；(3)由于使藥物集中于病患區(qū)，能夠加速產生藥效，提高療效。合成對熱敏感的磁性Fes04P-(St-NIPAM)微球凝膠化合物，將其用于人的血清白蛋白(HAS)的吸附解吸的研究，結果表明，該微球具有簡便，非?？旖葸M行分離的磁特性。磁性聚合物微球因為表面不同的表面功能基團，可以具備不同功能，例如在固定化酶、細胞分離與標記、免疫測定、靶向藥物釋放、環(huán)境食品微生物檢測、新型涂料或顏料及有機和生化合成等諸多方面有著重要的作用。 1.2.3聚合物水凝

22、膠 有學者稱，聚合物凝膠高分子化合物在外界環(huán)境條件，例如溫度，PH值等，在這些條件改變時其體積會發(fā)生變化，這主要認為是聚合物分子內的離子作用、疏水作用、范德華力、氫鍵等分子結構作用所至。水凝膠高分子化合物的合成合成方法非常多，根據所用的引發(fā)劑不同可以分為化學法以及輻射法。而化學法又分為乳液法、反相乳液法等。輻射法可以分為紫外光和T射線輻射法等。另外，通過輻射提供能量引發(fā)單體接枝的方法，也是目前合成聚電解質性的水凝膠高分子化合物的一個主要的方法。JenniferE6也用紫外光輻照進行自由基聚合方法合成了聚乙烯基乙二醇甲基丙烯酸的水凝膠高分子化合物。Kimikou7通過界面聚合的方法合成的聚L-賴

23、氨酸異丙基丙烯酰胺和對苯二甲酸的對溫度敏感的凝膠微膠囊。Chapiro8等報道了在輻射的作用下，進行合成孔徑相對比大的凝膠高分子化合物。另外在合成凝膠高分子化合物時通過在溶液中添加不同的添加劑從而調節(jié)聚合物鏈之間，以及聚合物鏈與水分子之間的不同作用力來調節(jié)凝膠的孔徑大小。Filipcsei9等報道了聚二甲基硅氧烷中引入二氧化鈦的凝膠高分子化合物，在電場中進行檢測時發(fā)生彎曲的現(xiàn)象，分析其機理主要是因為電場作用在凝膠內粒子的力轉移到凝膠高分子化合物的大分子鏈上所導致的。 1.3水凝膠的應用水凝膠在醫(yī)藥領域的應用水凝膠類高分子化合物類似于生命組織的結構，所以它在人體內可以做到不影響生命體的代謝過程，

24、同時體內的代謝物質可以通過水凝膠達到排除體外的目標，因而水凝膠可以作為體內某些組織填充劑。水凝膠還可以用于制造角膜接觸鏡、醫(yī)療傳感器、人造皮膚等。高分子水凝膠材料在吸水方面有著較好的作用，并且在吸尿、吸血方面也有較好的應用，所以在衛(wèi)生材料領域內的應用是開發(fā)最早，也是最為成熟的。因此紙尿布、排尿袋、生理巾方面有著大量應用等。聚合物水凝膠。目前在某些藥物的應用，制造成微膠囊作為藥物的載體，可以定向的把藥物送至患病處可控的緩釋，從而提高藥物使用效率。在生物科學領域方面，不同孔徑的聚丙烯酰胺凝膠高分子化合物一直被用作某些不同分子量的蛋白質和氨基酸分離的工具。 1.3.1水凝膠在農林業(yè)的應用 水凝膠在農

25、業(yè)上稱為保水劑。水凝膠可以鎖住土壤中的水分，保持土壤的肥力。國內外大量實驗證明，水凝膠可以提高土壤水分4O 左右。水凝膠在一定程度上可以減少可溶性養(yǎng)分的淋溶損失，與化肥、農藥混用可起到增效緩釋的作用。目前，專家研究表明，水凝膠可以改善土壤結構，具有降低土壤容重、增加孔隙度、提高土壤團聚體的作用。我國黃土高原造林實驗研究所用LSA-2保水劑處理蘋果樹苗代替?zhèn)鹘y(tǒng)的泥漿包法，不僅減輕了勞動強度和運輸重量，而且樹苗成活率也得到提高 。 1.3.2水凝膠在工業(yè)上的應用 將水凝膠添加到涂料中，可以賦予涂料假塑性和觸變性，使其具有很高的粘度和屈服應力，可以防止涂層的流掛現(xiàn)象。在造紙廢液、制革廢液、食品加工廢

26、液中，水凝膠可以作為一種絮凝劑，對這些廢液進行污水處理。水凝膠還可以用為電纜包裹材料、鉆井潤滑劑、食品、水果、蔬菜等的保鮮型包裝材料以及電子工業(yè)中使用的濕度傳感器、水分測量傳感器以及漏水檢測器等精細化工產品與儀器等高精密儀器合成過程中。 1.3.3水凝膠在組織工程中的應用生物體內許多組織具有水凝膠高分子化合物的結構，生物體的組織由細胞和以及細胞外基質組成，而細胞外基質成分是蛋白質，糖分以及水組成的類似水凝膠的物質。目前被人們廣泛關注的生物高分子凝膠主要是多肽凝膠。天冬氨酸在射線的輻照下進行交聯(lián)得到凝膠，檢測吸水率可以高達3400倍。諸多科研人員對于利用微生物進行合成的多肽創(chuàng)制凝膠也進行了很多有

27、益的探索工作，這些多肽在生物降解性方面具有很好的性能。 組織工程學是將供體細胞在體外培養(yǎng)、擴增后，種植到可降解的三維空間結構的支架材料上生長，再將此細胞和材料的復合物植入體內或缺損部位，植入的細胞繼續(xù)增殖并分泌細胞外基質，隨著支架材料的降解，新的與所修復組織或器官有著相同形態(tài)和功能的組織或器官形成，從而達到修復缺損和重建功能的目的。組織工程學孕育著巨大的科學價值和廣闊的研究應用前景，是21世紀生命科學研究領域的焦點之一。用細胞吸附多肽RGDS對PVA水凝膠進行功能化修飾，發(fā)現(xiàn)有助于增強細胞的吸附和分散。而且可以通過注射的方式得到預期的材料，避免了外科手術植入。用細胞吸附多肽RGDS對PVA水凝

28、膠進行功能化修飾，發(fā)現(xiàn)有助于增強細胞的吸附和分散。而且可以通過注射的方式得到預期的材料，避免了外科手術植入。Mann10等合成了多肽改性以及用作改善細胞特異性吸附的RGD改性的PEG水凝膠，用作組織工程細胞支架模擬胞外基質，實驗發(fā)現(xiàn)平滑肌細胞在多肽改性的水凝膠酶解過程中以及在RGD改性的水凝膠中仍然保持細胞活性，并發(fā)生遷移、增殖而且分泌胞外基質。池光范等采用膠原-纖維蛋白混合凝膠用作關節(jié)軟骨細胞支架，在體外生理環(huán)境下培養(yǎng)3周后，軟骨細胞分泌型膠原，并形成有彈性和一定強度的組織工程人工軟骨.1.4水凝膠的研究和發(fā)展趨勢水凝膠材料所具有的優(yōu)異性能已經而且仍然在不斷引起人們的廣泛興趣，使其研究與開發(fā)

29、、生產與銷售不斷的發(fā)展與提高。研制和開發(fā)性能更為優(yōu)良的高分子水凝膠高分子材料已經成為目前一個重要的研究熱點。對于環(huán)境敏感的高分子水凝膠材料在諸多方面有著重要的作用，例如細胞分離、固定化酶、緩控藥物及靶向藥物等領域的應用研究日益活躍，并且顯示出非常好的應用和市場前景。環(huán)境敏感性高分子水凝膠材料的重要之處是在于其用于酶等具有生物活性分子進行固定化后，可通過控制條件而實現(xiàn)均相進行反應和異相分離的有效統(tǒng)一，而在藥物控制釋放領域的研究時則又可以跟不同的場合環(huán)境條件進行變化，這將使其在生物活性分子及生物醫(yī)用高分子方面的研究中具有非常重要的意義。水凝膠力學性能的提高，增加聚合物分子之間的交聯(lián)是一種提高水凝膠

30、力學性能的重要的方法，主要有化學交聯(lián)法和物理交聯(lián)法，但一般的交聯(lián)會使水凝膠高分子化合物的溶脹性能變的很差，這對水凝膠在實際應用中是非常不利。有研究表明，添加層狀硅酸鹽到N，N-二乙基丙烯酰胺水凝膠高分子材料中，可以提高水凝膠的溶脹性能。1.5展望從近年水凝膠的發(fā)展趨勢來看，理論性的研究相對比較多，研究人員對其應用前景非常感興趣，尤其是在生物醫(yī)藥方面的應用。近來研究較熱的智能水凝膠的幾種敏感性行為更是具有一系列傳統(tǒng)材料所沒有的突出性能(例如傳統(tǒng)材料機械性能比較差，響應速度慢等)，預期將會在分子器件、生物醫(yī)學等方面將會有更新的突破應用。目前，圍繞水凝膠的力學性能的改善、新的種類的研發(fā)還需大量艱苦的

31、工作去做。第二章 膠原多肽/聚丙烯酸水凝膠的合成和表征2.1水凝膠的合成與表征2.1.1單體聚合并交聯(lián)合成水凝膠的單體很多,大致分為中性、酸性、堿性3種,表1列出了部分單體及交聯(lián)劑表2-1水凝膠合成中常用的單體和交聯(lián)劑中性單體酸性或陰離子型堿性或陽離子型交聯(lián)劑甲基丙酸羥烷基酯丙烯酸衍生物甲基丙烯酸胺乙酯衍生物二甲基丙烯酸乙二醇酯及衍生物丙烯酰胺衍生物巴豆酸乙烯基吡啶N，N-亞甲基雙丙烯酰胺2，4-戊二烯醇-1苯乙烯磺酸鈉-N-乙烯基吡咯烷酮-丙烯酸酯衍生物-水凝膠可以由一種或多種單體采用電離輻射、紫外照射或化學引發(fā)聚合并交聯(lián)而得。一般來說,在形成水凝膠過程中需要加入少量的交聯(lián)劑。Nogao k

32、a11等在不使用交聯(lián)劑的情況下通過輻射引發(fā)使單體在水溶液中交聯(lián)合成聚N-異丙基丙烯酰胺(polyNI-PAAm)水凝膠,這種方法操作簡單,交聯(lián)度可通過改變單體濃度及輻射條件來控制,無任何添加成分,不會污染產品,可以一步完成產品的合成及消毒。與傳統(tǒng)方法相比,合成的凝膠更均勻,更有利于其性質的研究及生產更方便。此外,為了特定的應用,可以使用不同種類的單體以使水凝膠具有特殊的物理和化學性質。2.1.2聚合物交聯(lián)從聚合物出發(fā)合成水凝膠有物理交聯(lián)和化學交聯(lián)兩種。物理交聯(lián)通過物理作用力如靜電作用、離子相互作用、氫鍵、鏈的纏繞等形成?；瘜W交聯(lián)是在聚合物水溶液中添加交聯(lián)劑,如在PVA水溶液中加入戊二醛可發(fā)生醇

33、醛縮合反應從而使PVA交聯(lián)成網絡聚合物水凝膠。從聚合物出發(fā)合成水凝膠的最好方法是輻射交聯(lián)法,所謂輻射交聯(lián)是指輻照聚合物使主鏈線性分子之間通過化學鍵相連接。許多水溶性聚合物可通過輻射法合成水凝膠12,如PVA、polyNI-PAAm、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸(PAAc)、聚丙烯酰胺(PAAm)、聚氧乙烯(PEO)、聚甲基丙烯酸羥乙酯(PHEMA)等。采用輻射法合成水凝膠無須添加引發(fā)劑,產物更純凈。2.1.3載體的接枝共聚水凝膠的機械強度一般較差, 為了改善水凝膠的機械強度, 可以把水凝膠接枝到具有一定強度的載體上。在載體表面產生自由基是最為有效的合成接枝水凝膠的技術,單體可以共價地連

34、接到載體上。通常在載體表面產生自由基的方法有電離輻射、紫外線照射、等離子體激化原子或化學催化游離基13等,其中電離輻射技術是最常采用的產生載體表面自由基的一種技術。2.2水凝膠的性質研究2.2.1溶脹-收縮行為(凝膠狀態(tài)方程)吸水溶脹是水凝膠的一個重要特征。在溶脹過程中,一方面水溶劑力圖滲入高聚物內使其體積膨脹,另一方面由于交聯(lián)聚合物體積膨脹,導致網絡分子鏈向三維空間伸展,分子網絡受到應力產生彈性收縮能而使分子網絡收縮。當這兩種相反的傾向相互抗衡時,達到了溶脹平衡,可見凝膠的體積之所以溶脹或收縮是由于凝膠內部的溶液與其周圍的溶液之間存在著滲透壓。根據Flory凝膠溶脹理論,滲透壓為:在上式中V

35、0是溶劑的摩爾體積; R和T分別是氣體常數和熱力學溫度;是Flory相互作用函數;0、分別是溶脹前及溶脹平衡時凝膠中高分子的體積分數; Ngel和Nsol分別是凝膠和溶液中離子的總濃度;是干凝膠中有效高分子鏈密度。上式稱為水凝膠的狀態(tài)方程,它表達了-T的關系?？梢?水凝膠的溶脹特征與溶質、溶劑的性質、溫度、壓力及凝膠的交聯(lián)度有關,滲透壓由大分子鏈-水相互作用1(第1項) ,大分子網絡的橡膠彈性2(第2項)及聚合物水凝膠內、外離子濃度差3(第3項)構成。水凝膠的溶脹-收縮行為通常用凝膠溶脹前后的質量百分比表示,對于膜的溶脹也常用膜面積的變化表示。2.2.2力學性能水凝膠不僅要求具有良好的溶脹性能

36、,而且應具有理想的力學強度,以滿足實際的需要。研究水凝膠力學性能14必須很好地掌握橡膠彈性及粘彈性理論,橡膠彈性及粘彈性理論基于鏈的取向和結構的回復與時間的關系,前者不依賴于時間,而后者與時間有關。通過使用描述力學行為的理論,能夠分析聚合物的結構,測定交聯(lián)鏈間的有效分子量以及闡明彈性活動鏈交聯(lián)成環(huán)的數目,有時候也必須使用理論外推力學性能以確定所選用的材料。大多數水凝膠在溶脹狀態(tài)下呈橡膠態(tài),當水凝膠處于橡膠態(tài)時,它的力學行為主要依賴于聚合物網絡結構,在足夠低的溫度下,這些凝膠失去橡膠彈性而表現(xiàn)為粘彈性。通常測定水凝膠的力學性能包括拉力試驗(橡膠彈性行為)和動態(tài)力學分析(粘彈行為)。在大多數同軸拉

37、伸試驗中,樣品在適當的模具中切成啞鈴狀,然后放在兩個夾具之間,在不同的載荷和速率下反向拉伸, Peppas15等詳細討論了典型樣品的尺寸及實驗方法。柱狀水凝膠的強度用壓縮強度表征,相當直徑的水凝膠被切成等長度的樣品,在不同壓力及速率下壓縮,則可得到凝膠的壓縮強度。為了測定聚合物的時間依賴性,動態(tài)粘彈行為,需要進行動態(tài)力學試驗,樣品要求作成薄的長條狀,邊成直角,斷面均勻,運用剪切應力完成試驗,所以,啞鈴狀不再是最佳的樣品形狀,最佳的樣品形狀與材料的模量有關,Lustig16等在聚甲基丙烯酸羥乙酯和聚(甲基丙烯酸羥乙酯-共-甲基丙烯酸甲酯)水凝膠的動態(tài)力學試驗中,采用6cm×1cm

38、15;0.3cm的樣品尺寸。另外需要指出的是,有關水凝膠的力學性能測試,目前還沒有一個統(tǒng)一的標準。2.3水凝膠性質的影響因素前面我們分析了水凝膠的溶脹行為及力學性能,以下從3個方面簡述水凝膠性能的調整方法。2.3.1共聚單體的組成改變共聚單體的組成是最重要,也是最簡單的改變水凝膠性質的方法。在共聚凝膠中,提高剛性鏈組分的相對含量可提高其力學性能,但卻使其溶脹性能減弱,這是因為剛性鏈是更為疏水的聚合物,有關這一方面研究的例子很多17,比如N2-乙烯基吡咯烷酮(NVP)加入甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)中以后,水凝膠的楊氏模量下降,而溶脹比卻增加。2.3.2交聯(lián)密度的影響水凝膠的力學強度幾乎完全起因

39、于凝膠的交聯(lián)。增加交聯(lián)劑的含量可提高交聯(lián)密度,從而提高凝膠的強度,但應注意在某些體系中加入大量的交聯(lián)劑常常導致非均相現(xiàn)象發(fā)生。比如,在PAAm凝膠中加N ,N2-亞甲基雙丙烯酰胺(Bis)18,當Bis的量超過5 %后,出現(xiàn)非均相,盡管凝膠的強度仍被提高,但在非均相體系內,交聯(lián)劑之間反應形成大量的環(huán),對凝膠強度的提高沒有貢獻。另一個提高交聯(lián)度的方法是采用電離輻射法,許多水溶性聚合物水溶液,比如PVP、PVA、PHEMMA、P EO、PAAm、PAAc等輻照后可形成水凝膠,且隨著劑量的增加,凝膠的交聯(lián)度增加,凝膠強度提高。但是,隨著凝膠交聯(lián)度的增加,凝膠網絡孔徑變小,溶脹度下降,網絡分子鏈的活動

40、性下降,凝膠的彈性也下降。2.3.3合成條件的影響合成條件主要包括反應時間、溫度及溶劑的類型及用量等因素,上述因素中最重要的是溶劑的影響,如果存在大量的溶劑,則交聯(lián)劑更易成環(huán),而不是與其他單體交聯(lián),這將減少交聯(lián)密度,降低凝膠的強度。當溶劑的種類及性質發(fā)生變化時(比如改善p H或水溶液的離子強度) ,共聚結構可能被改變,因為離子強度、p H影響單體的反應性,這些條件的改變可能導致共聚物由無規(guī)轉變?yōu)榍抖位蛐纬商厥饨Y構的共聚物。從HEMA和DMAMA(甲基丙烯酸二甲基氨乙基酯)的共聚實驗可清楚地看到合成水凝膠性能與合成條件的關系19,隨著合成凝膠時pH及溶劑加入量的變化,凝膠溶脹比由2.1增大到12

41、.6。在pH 38范圍內隨pH的輕微增大,溶脹比降低,當溶劑的體積分數由0.1增大到0.7時,溶脹比幾乎增大400 %。綜上所述,水凝膠的溶脹行為與其力學性能密切相關,大多數提高凝膠強度的方法均導致溶脹度降低,所以,合成水凝膠時應綜合考慮影響水凝膠的各種因素,從而獲得符合要求的水凝膠。2.4膠原多肽水凝膠的合成2.4.1實驗材料木瓜蛋白酶 廣西龐博生物工程有限公司；明膠 溫州醫(yī)藥采購供應站；酪氨酸 上海藍季科技有限公司；其余試劑 均為分析純。NDJ-79 型旋轉黏度計 珠海偉源測試儀器有限公司；RF-5301PC型熒光光度計 日本島津公司；臺式離心機 上海安亭科學儀器廠；UV-2000紫外分光

42、光度計 上海尤尼柯儀器有限公司；ORION818pH計 美國奧立龍公司; Magna-IR550紅外光譜儀 Nicolet公司。2.4.2合成方法配制一定濃度的明膠溶液，高速剪切后加熱至80 ，保溫10min。啟動超級恒溫水浴，調節(jié)至適當溫度和pH，加入木瓜蛋白酶進行水解。水解結束后，沸水浴滅酶10min，冷卻后調pH至等電點，4000r/min 離心15min，上清液真空濃縮后冷凍干燥成粉末，備用。首先根據單因素實驗結果確定水解pH為7.0，加酶量2000u/g ；并選取明膠濃度、水解溫度和時間三個因素，以水解度和多肽得率為指標進行正交實驗，實驗設計如表表2-2正交試驗結果水平因素A溫度（）

43、B明膠濃度(w/v，%)C時間（h）15046255583606102.5聚丙烯酸水凝膠的合成2.5.1試劑丙烯酸, C#P, 北京市旭東化工廠; N, N´- 亞甲基雙丙烯酰胺,C#P,軍事醫(yī)學科學院藥材供應站;N, N, N´, N´- 四甲基乙二胺, C#P,北京化學試劑公司;過硫酸鉀,C#P,天津市東方化工廠;亞硫酸氫鉀,AR,天津市塘沽鵬達化工廠;無水乙醇,A#R,中國醫(yī)藥公司。2.5.2聚丙烯酸水凝膠的合成原理 以氧化還原引發(fā)體系引發(fā)的自由基溶液聚合為基本原理。同時,在聚合體系中,加入官能度為4的N, N´-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑,促使在聚

44、合過程中形成網狀、交聯(lián)的大分子,即為聚丙烯酸水凝膠.2.5.3聚丙烯酸水凝膠的合成 向反應器中依次加入12ml蒸餾水、4ml無水乙醇、6ml丙烯酸、0.127g交聯(lián)劑,混合均勻.通入氮氣趕氧.注入0.05%的亞硫酸氫鈉和0.105%的過硫酸鉀各4ml.繼續(xù)通氮趕氧.密封反應容器.在一定溫度下聚合,成膠后取出。2.6聚丙烯酸水凝膠的表征2.6.1含水率的測定20用濾紙吸去水凝膠試樣表面的水分稱重，得凝膠試樣的濕重W1，然后將該試樣真空干燥后再稱重，得凝膠的干重W2。水凝膠的含水率計算式如下：CW=×100%2.6.2吸水速率 吸水倍率是指單位質量所吸收液體的最大量。其單位為gg、倍或m

45、lg。按膨脹能力定義的吸水能力測定方法有：自然過濾法、流動法、離心分離法、紙袋法、薄片法、量筒法等。 采用自然過濾法測定凝膠的吸水倍率。稱取O1克的干燥產品放入燒杯中，加入足量的蒸餾水，在室溫下靜置吸水，達到飽和后濾除多余的蒸餾水，并稱其重量。然后按下式計算樹脂的吸水倍率(gg)： 吸水倍率=(吸水后樹脂的質量-吸水前樹脂的質量)吸水前樹脂的質量2.6.3在不同電解質中的吸液倍率用蒸餾水配制不同濃度的NaCl、KCl、Na2S04、MgCl2、CaCl2電解質溶液，測定其的吸液倍率。2.6.4吸水速率吸水速率是指單位質量的凝膠在單位時間內吸收水的質量。在一小濾袋中加入0.5克的干樣，將濾袋泡在

46、500ml的蒸餾水中，每隔一定時間把濾袋取出并以濾紙吸去多余的水分，稱重，計算這時間點的吸水倍率，用吸水倍率與吸水時間作圖，可從所得出的曲線反映凝膠的吸水倍率。2.6.5保水能力保水能力是指吸水后的膨脹體能保持其水溶液不離析狀態(tài)的能力。保水能力包括自然條件下的保水性、熱保水性、加壓保水性等。2.6.5.1自然條件下的保水性稱取一定量的干燥的產品放入燒杯中，加入足量的蒸餾水，在室溫下靜置吸水，待其充分吸水后，用濾袋濾去多余的水分，稱取一定質量的吸水后的凝膠及純水分別置于燒杯中，敞口于自然條件下，每隔幾天稱其質量，按下式計算它的保水率：保水率=一定時間后的凝膠重起始凝膠重×100用凝膠保

47、水率及純水的保留量與時聞作圖，可從所得出曲線反映保水能力。2.6.5.2不同壓力下的保水性 稱取20克左右充分吸水后的凝膠，放在一個用100目篩網代替濾紙的布氏漏斗中，樹脂凝膠上壓一直徑與布氏漏斗內徑相同的圓板(不吸水)，圓板上依次加不同重量的砝碼，待水停止滴下后，測其流出的水的重量，由下式計算其保水率(樹脂所承受的壓力由圓板加砝碼重量與圓板面積求得)：保水率=(起始凝膠重-濾出的水量)起始凝膠重×1002.6.5.3不同溫度下的保水性稱取2克左右充分吸水后的凝膠置于培養(yǎng)皿中，放入一定溫度下的烘箱中，每隔一定時問取出稱其重量。按下式計算凝膠的保水率：保水率=在一定溫度下干燥一定時間后

48、的凝膠重起始凝膠重×1002.6.6對鹽溶液的應答性充分吸水后的凝膠在接觸的液體環(huán)境中，受接觸液體的刺激會有著明顯的應答性，但只研究其在鹽水中的應答性。將一定質量充分吸水后的凝膠置于濾袋中，將濾袋置于0.9NaCl水溶液中，每隔一定時間稱其重量。按下式計算其失水率：失水率=(起始凝膠重-失水后凝膠重)起始凝膠重×1002.6.7接枝率 將一定質量的干燥樹脂產品裝入紙袋中，置于索氏提取器中，以丙酮為萃取液，加熱回流萃取48h，以去除未反應的小分子，萃取后的物質洗滌干燥即為純接枝共聚物。按下式計算其接枝率：接枝率=提純后的樹脂重量起始樹脂重量×1002.6.8性能測試

49、取少量的經提純后的產品與干燥的KBr一起壓片，在傅里葉變換紅外光譜上進行掃描。紅外譜圖是探討分子結構及分子間相互作用的有力手段，其振動譜帶的強度、寬度以及峰的位置對聚合物分子水平級別上相互作用類型和強度的改變敏感度。通過測定紅外光譜中相關譜帶的位移以及寬度和強度的相對變化，就可準確的表征聚合物間的相互作用。2.7膠原多肽水凝膠的表征2.7.1表征測試方法明膠組成的分析 蛋白含量測定參照GB/T5009.5-2003第一法，換算系數為5.79 ；水分測定參照 GB/T5009.3-2003恒重法；灰分測定參照GB/T5009.4-2003的灼燒法。A 等光點的測定熒光/黏度法21用熒光光度計比較

50、相同pH時明膠和純酪氨酸的熒光光譜。儀器參數設置為：激發(fā)波長Eb=277nm，發(fā)射波長Em=306nm；溫度：25；所用液池：1cm石英比色皿。同等條件測定不同pH下明膠熒光強度，測定不同pH下濃度為1%（w/v ）的明膠溶液的黏度值，計算公式如下：=k*式中：為絕對黏度（mPa·s）；k為系數；為指針讀數。濁度/分光光度法測定等電點22配制3ml 0.1mol/L pH分別為 4.5、4.7、4.8、4.9、5.0、5.4、5.7、5.8、5.9、6.0、6.3的系列緩沖液，置于不同試管，分別加入1mL 1%（w/v）明膠溶液，搖勻；滴加相同體積的無水乙醇，直至出現(xiàn)渾濁；用分光光度

51、計測定400nm和600nm處的吸光度值。B 評價指標水解度測定Ph-stat19法；多肽得率計算公式為：多肽得率（%）= （上清液中多肽含量/樣品中的總氮含量）×100%樣品中總氮含量采用微量凱氏定氮法測定，多肽含量測定采用三氯乙酸沉淀C 膠原多肽的傅里葉紅外分析 采用溴化鉀壓片法，取適量干燥樣品混合KBr在瑪瑙缽中輕輕研磨均勻，在5004000cm-1之間掃描，分辨率為4cm-1，掃描次數為32次。2.7.2實驗結果與討論A 明膠成分分析明膠成分分析說明本實驗所用的明膠達到國家標準A級水平，且蛋白含量高，是膠原多肽的良好來源。表2-3 明膠成分分析蛋白質水分灰分含量84.6712

52、.651.55國家標準-141B 明膠等電點的測定黏度熒光分析法 如圖2-1所示，明膠和純酪蛋白的熒光光譜非常一致，在306nm處均有一個熒光峰，最大激發(fā)峰為277nm，這是酪氨酸的特征光譜。二者的微小區(qū)別在于，對應與激發(fā)光譜中的第一激發(fā)峰即羰基的K吸收帶，明膠的峰強度較低，這是由于羰基參與形成肽鍵的緣故，說明測定明膠的熒光強度時可以酪氨酸為基準。圖2-1 純酪氨酸和明膠熒光光譜圖在25，Ex=277nm和Em=306nm的條件下，測得不同 pH明膠的熒光強度和黏度值如圖2-2 所示。由圖可知，pH4.5-4.8范圍明膠黏度最低，偏離此范圍均有黏度最大值出現(xiàn)；明膠的熒光強度在pH4.5-4.8

53、范圍出現(xiàn)極大值，這是因為在等電點處，明膠分子收縮和側鏈基團相互作用所引起。分析表明明膠等電點在pH4.5-4.8范圍，同時也說明該明膠是以動物皮、骨、腱為原料堿水解方法合成而得。圖2-2不同pH下明膠溶液的粘度和熒光值C 濁度分光光度法 由圖2-3可知，加入乙醇后明膠在400nm的吸光度較600nm處大，并且在pH4.60處明膠溶液最渾濁，吸光度最大，OD400和OD600分別為0.218和0.103。圖2-3加入乙醇后吸光度與pH的關系綜合分析上述兩種方法，確定明膠等電點為pH4.5-4.6。D 膠原多肽水解條件的確定由表2-4結果可知，影響多肽得率因素的次序為RARCRB，最佳條件為A3B

54、3C1；影響水解度因素的次序為R´C R´A R´B，最佳條件為A3B3C3。進行方差分析后可知（方差分析表略），影響多肽得率的顯著因素是A(溫度），因素B和C對兩個指標影響均不顯著。綜合考慮兩指標同時提高的原則，確定最佳工藝條件為A3B3C1。為檢驗正交實驗結果，進行了驗證實驗，測得多肽得率為85.38%，水解度為45.87%。表2-4 正交試驗結果E 膠原多肽的傅里葉變換紅外光譜分析 圖2-8 紅外光譜分析可知，32003500cm-1之間3246.87cm-1的強吸收歸屬于酰胺A帶的N-H的伸縮振動（氫鍵）峰；3066cm-1處的弱吸收為酰胺 帶的C-N伸縮

55、振動引起的特征吸收峰。一般認為在3080cm-1附近是多肽（-CONH-）的特征吸收，而2962.31cm-1出現(xiàn)的吸收峰恰好說明膠原多肽具有多肽特征.1641.14cm-1的強吸收峰屬于酰胺帶，是由蛋白多肽骨架的C=O伸縮振動所引起的。1455.24cm-1屬于膠原多肽氨基酸殘基的側鏈基團，應是苯環(huán)骨架振動造成的，說明有苯環(huán)存在。由于膠原多肽的甘氨酸和特征氨基酸羥脯氨酸和脯氨酸含量高，且形成獨特的（Gly-Pro-Hyp）n20序列，這使得膠原多肽在12001400光譜范圍內具有其他蛋白質所沒有的紅外光譜特征，1244.03cm-1和1338.15cm-1歸屬于酰胺帶，是由C-N伸縮振動和N

56、-H彎曲振動引起的；膠原多肽的特征氨基酸Hyp的特征吸收在1107.38cm-1和847.92cm-1被表征出來，說明膠原多肽具有膠原和蛋白多肽的雙重特征。圖2-4 膠原多肽紅外圖譜2.7.3小結采用熒光粘度法和濁度分光光度法分別測定明膠等電點，最終確定等電點為pH4.5-4.6。利用木瓜蛋白酶水解明膠合成膠原多肽，最適工藝條件為溫度60，明膠濃度6%,pH7.0的條件下水解明膠6h，多肽得率為85.38%，水解度為45.87%。傅里葉變換紅外光譜分析表明，膠原多肽具有膠原和蛋白多肽的雙重特征。與明膠相比，膠原多肽具有良好的溶解性，粘度低，耐酸堿和高溫性能好，而且可以在腸道直接被吸收，比氨基酸具有更大的吸收量，是生產功能性食品和化妝品添加劑的良好原料來源。參考文獻1 Nijenhuis K T. Thermoreversible Net