zzz微波輻射殼聚糖基智能水凝膠的制備

1、微波輻射法制備殼聚糖基智能水凝膠李小靜1，馮曉薈2（1.天津市塑料研究所，2.東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）摘要:三元水凝膠以戊二醛為交聯(lián)劑，硝酸鈰銨為引發(fā)劑。當(dāng)PVP:CS（質(zhì)量比）=2:1，0.06wt.%交聯(lián)劑，5.8wt.%引發(fā)劑，在160W和320W微波下分別輻照60s和40s，可獲得具有很好溶脹率的殼聚糖基三元水凝膠。向殼聚糖（CS）引入聚乙烯基吡咯烷(PVP)和聚乙烯醇（PVA），加入戊二醛硝酸和鈰銨分別為交聯(lián)劑和引發(fā)劑，利用微波輻射制備了具有環(huán)境敏感型的CS/PVP/PVA三元智能水凝膠。結(jié)果表明，當(dāng)PVP:CS=2:1、引發(fā)劑用量5.14wt.%、交聯(lián)劑用量1.2wt.%、320

2、W，40s的條件下，可制備出理想的三元凝膠。在45、pH=7的溶液中可達(dá)到最大溶脹率，約為2200%。溫敏感性測(cè)試表明，隨著溫度的升高，平衡溶脹率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在45左右達(dá)溶脹率有個(gè)突變，達(dá)到最大值。pH敏感性測(cè)試表明，當(dāng)pH=2，7，11時(shí)有最大溶脹率；pH在27,711,1114間溶脹率變化較小。與傳統(tǒng)加熱法相比，微波輻射具有省時(shí)、節(jié)能、高效、原料利用率高等明顯的優(yōu)勢(shì)，具有良好的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：殼聚糖（CS）；智能水凝膠；微波輻射；制備水凝膠是一種能夠顯著溶脹于水、而在水中不溶解、且溶脹后仍能保持其形狀的親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)。目前水凝膠作為一種醫(yī)用材料已被廣泛用于細(xì)胞分離與培養(yǎng)、組

3、織工程、固定化酶、藥物的控制釋放和靶向藥物等領(lǐng)域1-3?；谒z的特殊用途，天然、無(wú)毒、具有良好生物相容性的物質(zhì)已成為主要的制備原料。殼聚糖（CS）是一種天然高分子，來(lái)源廣泛、經(jīng)濟(jì)、無(wú)毒、易降解，對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛應(yīng)用前景，而成為研究的重點(diǎn)。近幾年，國(guó)內(nèi)外對(duì)殼聚糖水凝膠的研究非常熱，從不同角度分析了影響殼聚糖水凝膠性能的因素。其中交聯(lián)改性是解決問(wèn)題的方法之一，傳統(tǒng)交聯(lián)方式為水浴或油浴加熱4，而本研究用微波輻射法制備CS/PVP/PVA三元水凝膠，以達(dá)到彌補(bǔ)傳統(tǒng)制備方法性能不足的缺陷。以期滿足和實(shí)現(xiàn)CS/PVP/PVA水凝膠多功能和多用途的需要。1 實(shí)驗(yàn)部分1.1試劑及儀器聚乙烯吡咯烷

4、酮K30（天津市科密歐化學(xué)試劑開(kāi)發(fā)中心）；殼聚糖（脫乙酰度91.7%，浙江金殼生物化學(xué)有限公司)；乙酸（AR，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；異丙醇（AR，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；戊二醛25%（BR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；硝酸鈰銨（AR，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所）。電子天平；恒溫水浴鍋；真空干燥箱；Tensor-27型紅外光譜儀。WD800型微波爐；PHS-3C精密PH計(jì)。1.2 水凝膠的制備將PVA溶解在一定量的水中，在80水浴條件下加熱一段時(shí)間，待其完全溶解后，然后依次加入PVP、CS攪拌均勻，加入一定量的乙酸攪拌至透明，再加入適量的引發(fā)劑（硝酸鈰銨）和交聯(lián)劑（戊二醛），放入微波爐中反應(yīng)一定

5、時(shí)間，得到粗凝膠，將粗產(chǎn)品依次用稀HAC、異丙醇和去離子水洗滌,除去其中未反應(yīng)的單體和小分子后，40下真空干燥至恒重得到干凝膠。1.3 敏感性能測(cè)試1.3.1溶脹率的測(cè)定準(zhǔn)確稱取一定量的干凝膠(m0),將其置于相應(yīng)的溶液中充分浸泡后，用尼龍紗布濾去多余的水，再用濾紙吸干凝膠表面的水分，準(zhǔn)確稱量濕凝膠的質(zhì)量(mt)，凝膠平衡溶脹率按如下公式進(jìn)行計(jì)算： 式中，m0，mt,為凝膠溶脹前后的質(zhì)量。1.3.2溫敏性測(cè)試準(zhǔn)確稱量一定量的干凝膠，將其分別置于不同溫度的pH=2溶液中，達(dá)到溶脹平衡后，取出飽和凝膠，吸干表面多余水分，測(cè)定凝膠溶脹率的大小，考察凝膠溶脹率隨溫度的變化情況。1.3.3 pH敏感性測(cè)

6、試稱量一定量的干凝膠，將其分別置于20的不同pH值溶液中，達(dá)到溶脹平衡后，取出飽和凝膠，吸干表面多余水分，測(cè)定凝膠溶脹率的大小，考察凝膠溶脹率隨pH值的變化情況。1.4 FTIR表征 取干凝膠與KBr粉末共混制成壓片，采用德國(guó)布魯克公司的Tensor-27型傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行分析，掃描范圍400-4000cm-12 結(jié)果與討論2.1工藝條件的優(yōu)化 凝膠制備過(guò)程中，反應(yīng)時(shí)間和微波功率，原料配比，PVA用量，引發(fā)劑及交聯(lián)劑用量等條件對(duì)CS/PVP/PVA凝膠的溶脹性能以及敏感性有很大的影響，實(shí)驗(yàn)對(duì)這幾個(gè)方面進(jìn)行考察和優(yōu)化。2.1.1 微波功率與反應(yīng)時(shí)間的影響實(shí)驗(yàn)考察了微波功率和反應(yīng)時(shí)間對(duì)凝膠

7、溶脹率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖中可以看出，在160W下輻射60s和320W下輻射40s時(shí)，凝膠的溶脹率最大，并且兩個(gè)功率下所達(dá)到的溶脹率幾乎相同，這說(shuō)明在兩個(gè)功率的兩個(gè)相應(yīng)時(shí)間下，它們所達(dá)到的效果相同，都使得凝膠獲得了完全反應(yīng)的最佳反應(yīng)熱。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象看到，功率過(guò)低時(shí)，反應(yīng)緩慢，反應(yīng)很難進(jìn)行完全；功率過(guò)高時(shí)，反應(yīng)劇烈，難于控制。因此，在160W和320W功率下分別輻照40s和60s 是合適的。 圖1微波功率對(duì)溶脹率影響2.1.2 PVP與CS配比的影響本實(shí)驗(yàn)考察了原料PVP和CS的配比對(duì)凝膠溶脹率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2?？梢钥闯?，當(dāng)PVP和CS質(zhì)量比為2:1時(shí)，水凝膠具有較高的溶脹率。PVP含量過(guò)高

8、，由于PVP活性鏈之間容易發(fā)生自聚交聯(lián)，導(dǎo)致交聯(lián)度增大，凝膠結(jié)構(gòu)變得過(guò)于致密，因而使得凝膠的吸水率下降；當(dāng)PVP含量過(guò)少時(shí)，單位體積內(nèi)PVP分子數(shù)亦較少，過(guò)多的CS游離氨基可能直接與交聯(lián)劑戊二醛反應(yīng)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致吸水率下降5。圖2 PVP與CS的配比對(duì)溶脹率的影響2.1.3 PVA 用量的影響實(shí)驗(yàn)考查了PVA用量的影響，從圖3中可以看出，當(dāng)PVA用量（相對(duì)于PVP）為0.125wt.%時(shí)，水凝膠具有較高的溶脹率。PVA是一種易溶于水的多羥基聚合物，在普通條件下是很難與戊二醛發(fā)生縮醛反應(yīng)的6，但由于其有特征基團(tuán)-羥基，可以和CS或PVP分子間形成氫鍵發(fā)生物理交聯(lián)。當(dāng)PVA含量過(guò)高，產(chǎn)生的交聯(lián)

9、點(diǎn)過(guò)多，使凝膠結(jié)構(gòu)過(guò)于致密，因而使得凝膠的吸水率下降；當(dāng)PVA含量過(guò)少時(shí)，單位體積內(nèi)PVA分子上含的羥基數(shù)亦較少，過(guò)多的CS游離氨基可能直接與交聯(lián)劑戊二醛反應(yīng)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而導(dǎo)致吸水率下降。圖3 PVA用量與溶脹率關(guān)系2.1.4引發(fā)劑用量的影響可以看出，隨引發(fā)劑用量的增加，凝膠的溶脹率先增加，當(dāng)引發(fā)劑用量達(dá)到5.14wt.%時(shí)，凝膠的溶脹率達(dá)到最大值，繼續(xù)增大引發(fā)劑用量，溶脹率下降。這是因?yàn)楫?dāng)引發(fā)劑用量少時(shí)，鏈引發(fā)反應(yīng)困難，聚合速度低，單體轉(zhuǎn)化率低，導(dǎo)致溶脹率低；隨著引發(fā)劑量的增加，能夠充分引發(fā)反應(yīng)，聚合速度加快，單體轉(zhuǎn)化率提高，溶脹率增加；引發(fā)劑用量過(guò)多時(shí)，聚合反應(yīng)速度過(guò)快，體系反應(yīng)不均勻，

10、副產(chǎn)物含量增多，可溶解部分含量增加，故吸水率下降。圖4 引發(fā)劑用量與溶脹率關(guān)系2.1.5交聯(lián)劑用量的影響交聯(lián)劑的用量是影響凝膠溶脹性能的一個(gè)重要因素。實(shí)驗(yàn)考察了交聯(lián)劑用量的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。圖5 交聯(lián)劑用量與溶脹率關(guān)系可以看出，隨著交聯(lián)劑用量的增加，凝膠的溶脹率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)交聯(lián)劑用量為1.2wt.%時(shí)，就能很好的與單體發(fā)生交聯(lián)，形成有效的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，溶脹性能最好。這是由于交聯(lián)劑用量過(guò)少，各單體之間不能形成有效的交聯(lián)，交聯(lián)點(diǎn)之間的距離較大，三維網(wǎng)絡(luò)稀疏，強(qiáng)度下降，導(dǎo)致溶解現(xiàn)象產(chǎn)生，不利于凝膠吸液能力。故溶脹率較低。CS分子鏈上存在大量氨基，PVA分子鏈上含有大量羥基，當(dāng)戊二醛

11、濃度增加時(shí)，化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)作用同時(shí)增加，高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)致密，凝膠強(qiáng)度增加。在其溶脹的過(guò)程中，水分子不容易進(jìn)入，高分子網(wǎng)絡(luò)自身伸展受到限制，因而溶脹率降低。2.2敏感性能2.2.1溫敏性凝膠溫度敏感性考察結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖中可以看出，在25-80的范圍內(nèi)，隨溫度的升高，水凝膠的溶脹率先升高后降低，在45附近有一突變，溶脹率達(dá)到最大。這是由于PVA分子只纏繞于CS網(wǎng)絡(luò)體系中，是物理交聯(lián)，它與CS和PVP之間沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只有氫鍵作用7。當(dāng)溫度過(guò)低或過(guò)高時(shí)，分子間的氫鍵作用減弱或被破壞，CS分子鏈的疏水作用增大，不利于凝膠吸水。因此，在45時(shí)達(dá)到最佳，凝膠的敏感性最強(qiáng)。圖6 溫度與溶脹率關(guān)系2

12、.2.2 pH敏感性三元凝膠的溶脹率隨溶液pH值的變化情況見(jiàn)圖7。 圖7 pH值與溶脹率關(guān)系具有pH敏感性的水凝膠一般都含有可質(zhì)子化的酸性或堿性基團(tuán)，這些基團(tuán)隨著介質(zhì)pH值、離子強(qiáng)度的改變，會(huì)發(fā)生電離，導(dǎo)致聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大分子鏈段間氫鍵的解離，產(chǎn)生不連續(xù)的溶脹體積變化8。凝膠的溶脹率隨pH值的變化情況見(jiàn)圖7。可以看出，凝膠對(duì)pH值呈多級(jí)敏感，當(dāng)pH=2、7、11時(shí)，氨基質(zhì)子化達(dá)到最佳狀態(tài)，溶脹率達(dá)到最大值。2.3 FTIR分析對(duì)所制備的凝膠結(jié)構(gòu)采用FTIR進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖8?？梢钥闯?，在3443cm-1，1655cm-1處出現(xiàn)特征峰說(shuō)明水凝膠中有酰胺（-CONH2-）基團(tuán)，其中3443cm-1

13、是C-N鍵振動(dòng)的結(jié)果，而1655cm-1是C=O鍵振動(dòng)的效果；在1068cm-1，1291cm-1處的兩個(gè)特征峰說(shuō)明水凝膠中有酯基，并且兩個(gè)特征峰是C-O-C鍵振動(dòng)的結(jié)果。4000.03600320028002400200018001600140012001000800600450.042.2444648505254565860626466.6cm-1%T 3443.791655.001422.851291.901068.02650.77圖8水凝膠的紅外光譜圖2.4微波輻射法和傳統(tǒng)加熱法的比較傳統(tǒng)加熱法5需在80下反應(yīng)6h才能制得溶脹率1500%左右的凝膠；而微波輻射法僅需4060s就能獲得溶

14、脹率高達(dá)2000%左右的凝膠。此外，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象還觀察到，傳統(tǒng)加熱法中，有一部分殼聚糖未參加反應(yīng)，反應(yīng)物利用率低；而在微波法中，無(wú)明顯的反應(yīng)單體殘留。綜上，微波輻射法在殼聚糖基智能水凝膠的制備上具有省時(shí)、高效、節(jié)能、原料利用率高、成本低等明顯的優(yōu)勢(shì)。3結(jié)論：以天然高分子CS為主要原料通過(guò)引入具有環(huán)境友好性的高分子PVP和PVA，采用高效節(jié)能的微波輻射法合成了具有環(huán)境敏感性的三元水凝膠，對(duì)制備工藝和條件進(jìn)行了考察和優(yōu)化，對(duì)凝膠的溶脹性能和敏感性能進(jìn)行了測(cè)試，并通過(guò)FTIR進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。實(shí)驗(yàn)得到的主要結(jié)論如下：（1）三元水凝膠以戊二醛為交聯(lián)劑，硝酸鈰銨為引發(fā)劑。當(dāng)PVP:CS（質(zhì)量比）=2:1，0.

15、06wt.%交聯(lián)劑，5.8wt.%引發(fā)劑，在160W和320W微波下分別輻照60s和40s，可獲得具有很好溶脹率的殼聚糖基三元水凝膠。（2）溫度敏感性實(shí)驗(yàn)表明凝膠具有很好的溫度敏感性，45時(shí)具有最大溶脹率，吸水率達(dá)到2200%，明顯高于現(xiàn)有文獻(xiàn)中報(bào)到的各類敏感性凝膠的溶脹率。（3）pH敏感性實(shí)驗(yàn)表明凝膠具有多重pH值敏感性。（4）與傳統(tǒng)加熱法相比，微波輻射具有省時(shí)、節(jié)能、高效、原料利用率高等明顯的優(yōu)勢(shì)，具有良好的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)：1Drury J L, Mooney D J. Hydrogels for Tissue engineering: Scaffold Design Variable

16、s and Applications. Biomaterials 2003, 24(24):43374351.2Mcglohorn J B, Grimes LW, Webster SS, et al. Characterization of Cellular Carriers for Use in Injectable Tissue-engineering CompositesJ. Journal of Biomedical Materials Research, 2003, 66A(3): 441449.3Tang Y F, Zhao Y Y, Li Y, et al. A thermosensitive chitosan/poly(vinyl alcohol) hydrogel containing nanoparticles for drug deliveryJ. J Biomed Mater Res, 2009, 91(4):95363.4 蔣挺大殼聚糖M 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20015 舒靜等，溫度/pH敏感性殼聚糖-聚乙烯吡咯烷酮水凝膠的制備.高分子材料科學(xué)與工程,2011(8):151153.6 吳國(guó)杰. 固定化載體材料殼聚糖基