温度和pH双重敏感新型水凝胶的制备与性能李洁梅 张黎明*（中山大学化学与化学工程学院，广州，510275）摘要：以羟丙基纤维素和 N -异丙基丙烯酰胺为原料，采用光聚合技术制备了一类新型水凝胶 对其结构与性能进行研究，发现该类水凝胶同时具有温度和 pH 敏感性能还以阿司匹林为模型 药物，考察了该类水凝胶对模型药物的释放行为关键词：水凝胶温度敏感pH敏感光聚合药物释放羟丙基纤维素N-异丙基丙烯酰胺“环境敏感型”水凝胶能对温度、pH、光、电场、离子强度和压力等环境变化引起的刺激 作用产生不同程度的响应，可望应用于人造肌肉、酶和细胞的固定化、生物分离、药物控制释放 等领域由于pH和温度是人体环境中两个很重要的生理参数，所以pH及温度双重敏感水凝胶 的研究尤为活跃本文利用光聚合交联技术合成了一种既有温度敏感又有pH敏感的水凝胶，这 种水凝胶在高温、酸性条件下处于收缩状态，限制了其体系内分子向外扩散；在低温、碱性条件 下处于溶胀状态，使体系内的分子可以自由向外扩散1 实验部分1.1 原料与试剂羟丙基纤维素（HPC）： CALBICCHEM公司；顺丁烯二酸酐（马来酸酐）：纯度299.5%,上 海化学试剂有限公司；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）：纯度299.5%，广州化学试剂厂；石油醚：分 析纯，天津市大茂化学试剂厂；乙酸乙酯：纯度2 99.5%,天津市大茂化学试剂厂；N-异丙基丙烯 酰胺（NIPAAm）:纯度99%, Acros公司；2, 2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮：纯度2 99%, Acros 公司；乙烯基-2-吡咯烷酮，纯度297%, Fluka公司；四氢咲喃（THF）：纯度299.0%,天津市大 茂化学试剂厂；浓盐酸：分析纯,广州市东红化工厂；氯化钾:分析纯,天津市大茂化学试剂厂；氯 化钠：纯度299.5%,广州化学试剂厂；磷酸二氢钾：分析纯，天津市大茂化学试剂厂；磷酸二氢 钠：分析纯，天津市大茂化学试剂厂；阿司匹林：纯度99%, Alfa Aesar公司。
1.2 水凝胶的制备按照文献［1 方法制备接枝了马来酸酐的羟丙基纤维素活性单体（HPC-MA）：将4.8900g羟丙 基纤维素、0.1916g马来酸酐和40 ml蒸馏过的DMF加入100 ml圆底烧瓶中，然后在室温下抽 取真空，通入氮气保护接着在氮气保护和80°C下剧烈搅拌10小时，得到黄色溶液反应停止 后,加入石油醚进行沉淀，得到微黄色沉淀将产物溶解于乙酸乙酯，再加入石油醚沉淀，反复 纯化三次，然后放入真空干燥箱干燥 2天基金项目：中山大学化学与化学工程学院第六届创新化学研究基金项目（批准号：200623）作者简介：李洁梅，女，中山大学化学专业 2002 级本科生；通讯联系人：张黎明，E-mail: ceszhlm@ 按照表1的量称好总共0.0360g的HPC-MA和NIPAAm，加入2.000g水静置溶解，然后加 入少量的引发剂溶液（2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮溶于1-乙烯基-2-吡咯烷酮中），在365nm波长 的紫外光下光照 8 小时，得到无色透明的 HPC-MA/NIPAAm 水凝胶将得到的水凝胶放入四 氢呋喃浸泡两天，每隔一定时间换一次溶剂，以除去未反应的单体最后放入真空干燥箱中干燥 两天。
制备的样品编号为HMN系列水凝胶（见表1）作为对比，同样制备了 100%HPC-MA的 空白样品，编号为HMN产物用红外光谱（采用Nicolet-670型傅立叶变换红外光谱仪，以KBr 为背景， KBr 压片） 进行表征表1水凝胶合成条件组成样品编号HMNHMN2HMN3HMNHPC-MAO.lOOOg0.1500g0.2600g0.2600gNIPAAm0.2600g0.2100gO.lOOOgO.OOOOg水2.0000g2.0000g2.0000g2.0000g1.3 溶胀性能的测定1.3.1 水凝胶溶胀动力学测试取已干燥至恒重的样品，记下其干重为W°；将其放入蒸馏水中浸泡，在设定的时间取出， 用湿滤纸吸取水凝胶表面的水分，称其质量为W，计算其溶胀比SR （SR= （W -W）/W ），直2 2 0 0 至水凝胶恒重，达到溶胀平衡为止1.3.2 水凝胶温度敏感性能测试取已干燥至恒重的样品，记下其干重为W1；将其放入设定温度（12°C、24°C、33°C、37°C、 42°C、50C ）的蒸馏水中浸泡7小时（水凝胶基本达溶胀平衡），取出后用湿滤纸吸取水凝胶表 面的水分，称其质量为W，计算其溶胀比SR （SR= （W-W ） /W ）。
3 3 1 11.3.3 水凝胶 pH 敏感性能测试取已干燥至恒重的样品，记下其干重为W4；将其放入设定pH值（pH=1、3、5、7.4）的缓 冲溶液中浸泡7小时（水凝胶基本达溶胀平衡），取出后用湿滤纸吸取水凝胶表面的水分，称其 质量为W，计算其溶胀比SR （SR= （W -W ） /W ）其中，pH=1、3、5的缓冲溶液为浓盐酸稀5 5 4 4释而得；pH=7.4 的缓冲溶液为 PBS 溶液:KC1： 0.20g/L； KH2P04：0.20g/L； Na2HPO4：1.15g/L； NaCl： 8.00g/L1.4 水凝胶药物负载及释放选取药物阿司匹林作为模型药物，称取3.0000 g阿司匹林配成500 ml乙醇溶液称取已干 燥的样品，记下其干重为W ；在低温（12°C）下放入阿司匹林的饱和溶液中浸泡48h,使其达6到溶胀平衡然后将载药水凝胶在室温下干燥，称其质量记为w7,根据质量差求出载药率（载 药率=（ W - W ）/ W ）7 6 6称取0.0300 g的阿司匹林，用PBS溶液（pH=7.4）配制成100 mL的溶液，分别稀释2、4、 8、16 倍,得到一系列不同浓度的溶液。
分别量取1ml溶液，加入3 ml 1mol/L的NaOH溶液，加热 至沸腾，静置30分钟后，在296nm处测溶液的紫外吸收光密度⑵（采用紫外分光光度计5203017，上 海棱光技术有限公司），根据吸收光密度与浓度的关系制作出标准曲线分别称取不同组成的已干燥的载药水凝胶样品，放入10 ml 37C的PBS （pH=7.4）缓冲溶液 中，在设定的时间换取同温同体积的溶液，在取出的溶液中量取1 ml溶液，加入3 ml 1mol/L的 NaOH溶液，加热至沸腾，静置30分钟后，在296nm处测溶液的紫外吸收光密度，根据标准曲线计算其累积释放量2 结果和讨论2.1 HPC-MA/NIPAAm 水凝胶的制备和表征HPC-MA/NIPAAm 水凝胶是通过光引发自由基聚合得到的由于 HPC—MA 的光引发聚合 单元MA是接枝于多糖主链上，而NIPAAm的光引发聚合单元C=C则位于PNIPAAm的两个链 端基上，因此在聚合反应中，HPC-MA既是共聚单体，也是交联剂所以，随着HPC量的增加, 水凝胶的交联密度增加，单体转换率也相应增加ecnatimsnar3000 2000 1000Wavenumber(cm -1)图 1 HMN 系列水凝胶红外图谱图1是HMN系列水凝胶的红外谱图，虽然各水凝胶的HPC和NIPAAm的含量不同，但是 它们的红外图谱非常相似。
每个图谱都可以看到在3700—33OOcm-i范围内有较宽的峰（a）,这 个是HPC的O-H和NIPAAm的N-H的伸缩振动峰;在1640cm-i和1560cm-i附近有属于NIPAAm 的典型的酰胺I和11峰（c和d）；另外，在1790cm-i附近有一个小峰（b）,是HPC-MA酯基的 羰基峰这证明了 HMN系列水凝胶是由HPC-MA和NIPAAm共聚得到的2.2 水凝胶溶胀动力学图2是HMN系列水凝胶干胶在室温（28°C）条件下的溶胀比随时间变化关系曲线从图中可 以看到NIPAAm含量最多的干胶（HMN］）溶胀速率最慢，而随着HPC量的增加，干胶的溶胀 速率增快，达到平衡的时间缩短这是因为水凝胶溶胀的过程往往是复杂的，一般包括三个连续 的步骤：（1）水分子扩散进入凝胶的高分子体系中；（2）凝胶中的高分子链松弛；（3）整个凝胶 高分子网络骨架膨胀，疏散于水介质中；一般来说，水凝胶溶胀速率的快慢是由凝胶中高分子链 的松弛这一步骤决定的所以当HPC量增加时，整个水凝胶的亲水性增加，水分子较容易渗透进 来,使聚集在一起的高分子链松弛、松散，最后整个高分子网络舒展于水介质中.，因此水凝胶的 溶胀速率加快。
2.3 水凝胶温度敏感性能图 3 是 HMN 系列水凝胶最大平衡溶胀比随温度变化的曲线从图中可以看到 HMN0（100%HPC）不具有温度敏感性，而其它HMN系列水凝胶的平衡溶胀比都随着介质温度的上 升而下降，并且在某一温度点（ LCST， 最低溶解性温度）出现明显的体积相转变，表现出明显的温度敏感性 HMN 系列水凝胶的温度敏感性源于 NIPAAm 单体,是亲水性的酰胺基与疏水性 异丙基共同作用的结果在外界温度较低（低于其LCST）时，凝胶网络中高分子链上的亲水基团 酰胺基通过氢键与水分子结合,导致水凝胶溶胀吸水温度上升时,这种氢键作用减弱，而高分子 链中疏水基团异丙基间的相互作用得以加强温度上升至其 LCST 以上时，高分子链间的疏水作 用起主导作用， 于是高分子网络发生解体，高分子链通过疏水作用互相聚集，此时水凝胶发生相转 变，其溶胀率突然急剧下降从图3中还可以看到，HMN系列水凝胶的LCST与纯PNIPAAm相近，也在32C附近但 是，随着 HPC 量的增加，温度敏感性越来越不明显，而且 LCST 也有上升的趋势这是因为在 凝胶的骨架中亲水基团增加，使整个凝胶网络的亲水/疏水比提高，而且与水分子形成的氢键数目 相应增加，需要较多能量才能破坏这些氢键。
因此，水凝胶发生相转变的温度升高141200100 200300 400 5001g.g/RS60010Time/min图2 HMN系列水凝胶干胶在室温（28C）条件下的溶胀比随时间变化关系曲线210 15 20 25 30 35 40 45 50 55Temperature/°C图 3 HMN 系列水凝胶最大平衡溶胀比 随温度变化的曲线2.4 水凝胶 pH 敏感性能图 4 是 HMN 系列水凝胶最大平衡溶胀比随 pH 值变化的曲线从图中可以看到水凝胶在酸 性介质时，平衡溶胀比最小随着介质 pH 值的升高，平衡溶胀比增大，在 pH 为弱碱性时，平 衡溶胀比达到最大水凝胶的这种pH敏感性是由于凝胶中含有一COOH基团在酸性介质时，一COOH基团难 以离解，而且容易与凝胶中的一OH和一NH形成氢键，增加了分子链间的作用，限制了高分子 链的运动和松弛，形成更加紧密的凝胶网络，从而得到低的平衡溶胀比随着pH值的升高，一 COOH逐渐离子化成一COO-,使氢键断裂，并且由于一COO-的强亲水性和它们之间的静电斥力， 使凝胶的网络扩展，平衡溶胀比随之增大另外，从图.4中还可以看到HMN］对pH敏感性很强，而随着HPC量的增加，水凝胶对pH 敏感越来越弱。
这归根于上文提到的交联密度的影响 HPC 量的增加，使得水凝胶的交联密度 也增加，平衡溶胀比下降，所以水凝胶对介质pH变化的响应就变弱了2.5 水凝胶药物释放性能图5是HMN系列水凝胶在37°C、pH=7.4时阿司匹林的药物累积释放曲线从图中可以看到 HMN 释放最快，在 5 小时后就达到 90% HMN 释放较 HMN 慢，虽然在 5 小时后就达到 80%1 2 1但是一直到 30 小时后才达到 90% HMN (。