溫和pH雙重敏感新型水凝膠的制備與性能

1、溫度和pH雙重敏感新型水凝膠的制備與性能李潔梅 張黎明*（中山大學化學與化學工程學院，廣州，510275）摘要：以羥丙基纖維素和N-異丙基丙烯酰胺為原料，采用光聚合技術制備了一類新型水凝膠。對其結構與性能進行研究，發(fā)現(xiàn)該類水凝膠同時具有溫度和pH敏感性能。還以阿司匹林為模型藥物，考察了該類水凝膠對模型藥物的釋放行為。關鍵詞：水凝膠 溫度敏感 pH敏感 光聚合 藥物釋放 羥丙基纖維素 N-異丙基丙烯酰胺 “環(huán)境敏感型”水凝膠能對溫度、pH、光、電場、離子強度和壓力等環(huán)境變化引起的刺激作用產(chǎn)生不同程度的響應，可望應用于人造肌肉、酶和細胞的固定化、生物分離、藥物控制釋放等領域。由于pH和溫度是人體環(huán)

2、境中兩個很重要的生理參數(shù)，所以pH及溫度雙重敏感水凝膠的研究尤為活躍。本文利用光聚合交聯(lián)技術合成了一種既有溫度敏感又有pH敏感的水凝膠，這種水凝膠在高溫、酸性條件下處于收縮狀態(tài)，限制了其體系內分子向外擴散；在低溫、堿性條件下處于溶脹狀態(tài)，使體系內的分子可以自由向外擴散。1 實驗部分1.1 原料與試劑羥丙基纖維素（HPC）：CALBICCHEM公司；順丁烯二酸酐（馬來酸酐）：純度99.5%,上海化學試劑有限公司；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）：純度99.5%,廣州化學試劑廠；石油醚：分析純,天津市大茂化學試劑廠；乙酸乙酯：純度99.5%,天津市大茂化學試劑廠；N-異丙基丙烯酰胺（NIPAAm）：

3、純度99%，Acros公司；2，2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮：純度99%，Acros公司；乙烯基-2-吡咯烷酮，純度97%，F(xiàn)luka公司；四氫呋喃（THF）：純度99.0%,天津市大茂化學試劑廠；濃鹽酸：分析純,廣州市東紅化工廠；氯化鉀:分析純,天津市大茂化學試劑廠；氯化鈉：純度99.5%,廣州化學試劑廠；磷酸二氫鉀：分析純，天津市大茂化學試劑廠；磷酸二氫鈉：分析純，天津市大茂化學試劑廠；阿司匹林：純度99%，Alfa Aesar公司。1.2水凝膠的制備按照文獻1方法制備接枝了馬來酸酐的羥丙基纖維素活性單體（HPC-MA）：將4.8900g羥丙基纖維素、0.1916g馬來酸酐和40 ml蒸餾

4、過的DMF加入100 ml圓底燒瓶中，然后在室溫下抽取真空，通入氮氣保護。接著在氮氣保護和80下劇烈攪拌10小時，得到黃色溶液。反應停止后,加入石油醚進行沉淀，得到微黃色沉淀。將產(chǎn)物溶解于乙酸乙酯，再加入石油醚沉淀，反復純化三次，然后放入真空干燥箱干燥2天。基金項目：中山大學化學與化學工程學院第六屆創(chuàng)新化學研究基金項目（批準號：200623）作者簡介：李潔梅，女，中山大學化學專業(yè)2002級本科生；通訊聯(lián)系人：張黎明，按照表1的量稱好總共0.0360g的HPC-MA和NIPAAm，加入2.000g水靜置溶解，然后加入少量的引發(fā)劑溶液（2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮溶于1-乙烯基-2-吡咯烷酮中

5、），在365nm波長的紫外光下光照8小時，得到無色透明的HPC-MA/NIPAAm水凝膠。將得到的水凝膠放入四氫呋喃浸泡兩天，每隔一定時間換一次溶劑，以除去未反應的單體。最后放入真空干燥箱中干燥兩天。制備的樣品編號為HMN系列水凝膠（見表1）。作為對比，同樣制備了100%HPC-MA的空白樣品，編號為HMN0。產(chǎn)物用紅外光譜 (采用Nicolet-670型傅立葉變換紅外光譜儀，以KBr為背景，KBr壓片) 進行表征。表1 水凝膠合成條件組成樣品編號HMN1HMN2HMN3HMN0HPC-MA0.1000g0.1500g0.2600g0.2600gNIPAAm0.2600g0.2100g0.10

6、00g0.0000g水2.0000g2.0000g2.0000g2.0000g1.3 溶脹性能的測定 水凝膠溶脹動力學測試取已干燥至恒重的樣品，記下其干重為W0；將其放入蒸餾水中浸泡，在設定的時間取出，用濕濾紙吸取水凝膠表面的水分，稱其質量為W2，計算其溶脹比SR（SR=（W2-W0）/W0），直至水凝膠恒重，達到溶脹平衡為止。 水凝膠溫度敏感性能測試取已干燥至恒重的樣品，記下其干重為W1；將其放入設定溫度（12、24、33、37、42、50）的蒸餾水中浸泡7小時（水凝膠基本達溶脹平衡），取出后用濕濾紙吸取水凝膠表面的水分，稱其質量為W3，計算其溶脹比SR（SR=（W3-W1）/W1）。 水凝

7、膠pH敏感性能測試取已干燥至恒重的樣品，記下其干重為W4；將其放入設定pH值（pH=1、3、5、7.4）的緩沖溶液中浸泡7小時（水凝膠基本達溶脹平衡），取出后用濕濾紙吸取水凝膠表面的水分，稱其質量為W5，計算其溶脹比SR（SR=（W5-W4）/W4）。其中，pH=1、3、5的緩沖溶液為濃鹽酸稀釋而得；pH=7.4的緩沖溶液為PBS溶液:KCl：0.20g/L；KH2PO4:0.20g/L；Na2HPO4:1.15g/L；NaCl：8.00g/L。1.4 水凝膠藥物負載及釋放選取藥物阿司匹林作為模型藥物，稱取3.0000 g阿司匹林配成500 ml乙醇溶液。稱取已干燥的樣品，記下其干重為W6；在

8、低溫（12）下放入阿司匹林的飽和溶液中浸泡48h，使其達到溶脹平衡。然后將載藥水凝膠在室溫下干燥，稱其質量記為W7，根據(jù)質量差求出載藥率（載藥率=( W7- W6)/ W6）稱取0.0300 g的阿司匹林，用PBS溶液（pH=7.4）配制成100 mL的溶液，分別稀釋2、4、8、16倍，得到一系列不同濃度的溶液。分別量取1ml溶液,加入3 ml 1mol/L的NaOH溶液,加熱至沸騰,靜置30分鐘后,在296nm處測溶液的紫外吸收光密度2 (采用紫外分光光度計5203017,上海棱光技術有限公司),根據(jù)吸收光密度與濃度的關系制作出標準曲線。分別稱取不同組成的已干燥的載藥水凝膠樣品，放入10 m

9、l 37的PBS（pH=7.4）緩沖溶液中，在設定的時間換取同溫同體積的溶液，在取出的溶液中量取1 ml溶液，加入3 ml 1mol/L的NaOH溶液,加熱至沸騰,靜置30分鐘后,在296nm處測溶液的紫外吸收光密度，根據(jù)標準曲線計算其累積釋放量。2 結果和討論2.1 HPC-MA/NIPAAm水凝膠的制備和表征HPC-MA/NIPAAm水凝膠是通過光引發(fā)自由基聚合得到的。由于HPCMA的光引發(fā)聚合單元MA是接枝于多糖主鏈上，而NIPAAm的光引發(fā)聚合單元C=C則位于PNIPAAm的兩個鏈端基上，因此在聚合反應中，HPC-MA既是共聚單體，也是交聯(lián)劑。所以，隨著HPC量的增加，水凝膠的交聯(lián)密度

10、增加，單體轉換率也相應增加。 圖1 HMN系列水凝膠紅外圖譜圖1是HMN系列水凝膠的紅外譜圖，雖然各水凝膠的HPC和NIPAAm的含量不同，但是它們的紅外圖譜非常相似。每個圖譜都可以看到在37003300cm-1范圍內有較寬的峰（a），這個是HPC的O-H和NIPAAm的N-H的伸縮振動峰；在1640cm-1和1560cm-1附近有屬于NIPAAm的典型的酰胺和峰（c和d）；另外，在1790cm-1附近有一個小峰（b），是HPC-MA酯基的羰基峰。這證明了HMN系列水凝膠是由HPC-MA和NIPAAm共聚得到的。2.2 水凝膠溶脹動力學圖2是HMN系列水凝膠干膠在室溫（28）條件下的溶脹比隨時

11、間變化關系曲線。從圖中可以看到NIPAAm含量最多的干膠（HMN1）溶脹速率最慢，而隨著HPC量的增加，干膠的溶脹速率增快，達到平衡的時間縮短。這是因為水凝膠溶脹的過程往往是復雜的，一般包括三個連續(xù)的步驟：（1）水分子擴散進入凝膠的高分子體系中；（2）凝膠中的高分子鏈松弛；（3）整個凝膠高分子網(wǎng)絡骨架膨脹，疏散于水介質中；一般來說，水凝膠溶脹速率的快慢是由凝膠中高分子鏈的松弛這一步驟決定的。所以當HPC量增加時，整個水凝膠的親水性增加,水分子較容易滲透進來,使聚集在一起的高分子鏈松弛、松散，最后整個高分子網(wǎng)絡舒展于水介質中.，因此水凝膠的溶脹速率加快。2.3水凝膠溫度敏感性能圖3是HMN系列水

12、凝膠最大平衡溶脹比隨溫度變化的曲線。從圖中可以看到HMN0（100%HPC）不具有溫度敏感性，而其它HMN系列水凝膠的平衡溶脹比都隨著介質溫度的上升而下降，并且在某一溫度點（LCST, 最低溶解性溫度）出現(xiàn)明顯的體積相轉變，表現(xiàn)出明顯的溫度敏感性。HMN系列水凝膠的溫度敏感性源于NIPAAm單體,是親水性的酰胺基與疏水性異丙基共同作用的結果。在外界溫度較低(低于其LCST)時, 凝膠網(wǎng)絡中高分子鏈上的親水基團酰胺基通過氫鍵與水分子結合,導致水凝膠溶脹吸水。溫度上升時,這種氫鍵作用減弱，而高分子鏈中疏水基團異丙基間的相互作用得以加強。溫度上升至其LCST以上時,高分子鏈間的疏水作用起主導作用,

13、于是高分子網(wǎng)絡發(fā)生解體,高分子鏈通過疏水作用互相聚集，此時水凝膠發(fā)生相轉變,其溶脹率突然急劇下降。從圖3中還可以看到，HMN系列水凝膠的LCST與純PNIPAAm相近，也在32附近。但是，隨著HPC量的增加，溫度敏感性越來越不明顯，而且LCST也有上升的趨勢。這是因為在凝膠的骨架中親水基團增加，使整個凝膠網(wǎng)絡的親水/疏水比提高,而且與水分子形成的氫鍵數(shù)目相應增加，需要較多能量才能破壞這些氫鍵。因此,水凝膠發(fā)生相轉變的溫度升高。圖2 HMN系列水凝膠干膠在室溫（28）條件下的溶脹比隨時間變化關系曲線。圖3 HMN系列水凝膠最大平衡溶脹比 隨溫度變化的曲線。2.4 水凝膠pH敏感性能圖4是HMN系

14、列水凝膠最大平衡溶脹比隨pH值變化的曲線。從圖中可以看到水凝膠在酸性介質時，平衡溶脹比最小。隨著介質pH值的升高，平衡溶脹比增大，在pH為弱堿性時，平衡溶脹比達到最大。水凝膠的這種pH敏感性是由于凝膠中含有COOH基團。在酸性介質時，COOH基團難以離解，而且容易與凝膠中的OH和NH形成氫鍵，增加了分子鏈間的作用，限制了高分子鏈的運動和松弛，形成更加緊密的凝膠網(wǎng)絡，從而得到低的平衡溶脹比。隨著pH值的升高，COOH逐漸離子化成COO-，使氫鍵斷裂，并且由于COO-的強親水性和它們之間的靜電斥力，使凝膠的網(wǎng)絡擴展，平衡溶脹比隨之增大。另外，從圖.4中還可以看到HMN1對pH敏感性很強，而隨著HP

15、C量的增加，水凝膠對pH敏感越來越弱。這歸根于上文提到的交聯(lián)密度的影響。HPC量的增加，使得水凝膠的交聯(lián)密度也增加，平衡溶脹比下降，所以水凝膠對介質pH變化的響應就變弱了。2.5水凝膠藥物釋放性能 圖5是HMN系列水凝膠在37、pH=7.4時阿司匹林的藥物累積釋放曲線。從圖中可以看到HMN1釋放最快，在5小時后就達到90%。HMN2釋放較HMN1慢，雖然在5小時后就達到80%，但是一直到30小時后才達到90%。HMN0（100%HPC）釋放最慢，5小時后達到50%，到了45小時后才達到80%，直至53小時才達到90%。這主要是因為藥物是溶于水中的，藥物釋放主要決定于藥物分子與水分子的擴散作用。

16、由于HMN1到HNM0，HPC量不斷增加，水凝膠中的羥基不斷增多，與阿司匹林發(fā)生氫鍵吸附，限制了藥物分子的移動和擴散3。同時，由于HPC含量的增多，交聯(lián)密度增大，水凝膠的網(wǎng)絡尺寸相對變小，也對藥物分子的移動和擴散有一定的限制作用。所以HMN0（100%HPC）釋放最慢，HMN1（HPC最少）釋放最快?？梢姡梢酝ㄟ^HPC量的控制來達到控制藥物釋放的目的。圖4 HMN系列水凝膠最大平衡溶脹比隨pH值變化的曲線3 結論制備了接枝了馬來酸酐的羥丙基纖維素單體(HPC-MA)，而且通過紫外光聚合技術交聯(lián)制備了HPC-MA/NIPAAm水凝膠。該水凝膠具有溫度敏感特性，在32附近有LCST。低于LCST

17、時，水凝膠膨脹；溫度升高，水凝膠收縮。同時，水凝膠也具有pH敏感特性，在酸性介質中收縮；在堿性介質中膨脹。該水凝膠對阿司匹林藥物的釋放受到凝膠組成的影響，當HPC增加時，藥物釋放變慢。致謝：感謝中山大學化學與化工學院第六屆創(chuàng)新化學研究基金項目對本研究工作的資助。 圖5 HMN系列水凝膠在37、pH=7.4時對阿司匹林的藥物累積釋放曲線參 考 文 獻1 X.Z. Zhang,D.Q. Wu , C.C. Chu. Synthesis and characterization of partially biodegradable,temperature and Ph sensitive Dex-M

18、A/PNIPAAm hydrogels. Biomaterials ,2004,25:4719-4730.2 楊宇欣,陳振陽,周建平. 阿司匹林粒徑對羥丙甲基纖維素水凝膠骨架片釋放度的影響. 中國藥科大學學報, 2001,32,(2):106108.3 李凌冰,譚業(yè)邦,孟建文. 丙烯酰胺與葡萄糖烯丙基酰胺共聚水凝膠的合成與釋藥性能研究. 生物醫(yī)學工程學雜志, 2004,21,(6):960963.Synthesis and Properties of pH- and Temperature- Sensitive HydrogelsLI Jie-Mei ZHANG Li-Ming*Abstract In this paper, a series of new hydrogels were prepared from hydroxypropylcellulose and N-isopropylacrylamide via UV photopolymerization method, and their structure and properties were studied. It was found that such hydrogels have thermo-sensitive