《温度和pH双重敏感新型水凝胶的制备与性能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《温度和pH双重敏感新型水凝胶的制备与性能（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上温度和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，）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
2、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99.5%,上海化学试剂有限公司；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）：纯度99.5%,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99.5%,天津市大茂化学试剂厂；N-异丙基丙烯酰胺（N
3、IPAAm）：纯度99%，Acros公司；2，2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮：纯度99%，Acros公司；乙烯基-2-吡咯烷酮，纯度97%，Fluka公司；四氢呋喃（THF）：纯度99.0%,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99.5%,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
4、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：）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
5、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HMN0。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HMN1HMN2HMN3HMN0HPC-MA0.1000g0.1500g0.2600g0.2600gNIPAAm0
6、.2600g0.2100g0.1000g0.0000g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W0；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W2，计算其溶胀比SR（SR=（W2-W0）/W0），直至水凝胶恒重，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、24、33、37、42、50）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W3，
7、计算其溶胀比SR（SR=（W3-W1）/W1）。1.3.3 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W5，计算其溶胀比SR（SR=（W5-W4）/W4）。其中，pH=1、3、5的缓冲溶液为浓盐酸稀释而得；pH=7.4的缓冲溶液为PBS溶液:KCl：0.20g/L；KH2PO4:0.20g/L；Na2HPO4:1.15g/L；NaCl：8.00g/L。1.4 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
8、配成500 ml乙醇溶液。称取已干燥的样品，记下其干重为W6；在低温（12）下放入阿司匹林的饱和溶液中浸泡48h，使其达到溶胀平衡。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=( W7- W6)/ W6）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2 (采用紫外分光光度计,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
9、称取不同组成的已干燥的载药水凝胶样品，放入10 ml 37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HPCMA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
10、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。 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37003300cm-1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-1和1560cm-1附近有属于NIPAAm的典型的酰胺和峰（c和d）；另外，在1790cm-1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H
11、MN系列水凝胶干胶在室温（28）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（HMN1）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
12、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
13、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32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。图2 HMN系列水凝胶干胶在室温（28）条件下的溶胀比随时间变化关系曲线。图3 HMN系列水凝胶最大平衡溶胀比 随温度变
14、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COOH基团。在酸性介质时，COOH基团难以离解，而且容易与凝胶中的OH和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，COOH逐渐离子化成COO-，使氢键断裂，并且由于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.
15、4中还可以看到HMN1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、pH=7.4时阿司匹林的药物累积释放曲线。从图中可以看到HMN1释放最快，在5小时后就达到90%。HMN2释放较HMN1慢，虽然在5小时后就达到80%，但是一直到30小时后才达到90%。HMN0（100%HPC）释放最慢，5小时后达到50%，到了45小时后才达到80%，直至53小时才达到90%。这主要是因为药物是溶于水中的，药物释放主要决定于药物分子与水分子的扩散作用。由于HMN1到HNM0，HPC量不断增加，水凝胶中的羟基不断增多，与阿司匹林发生氢键吸附，限制了药物分子的移动和扩散3。同时，由于HPC含量的增多，交联密度增大，水凝胶的网络尺寸相对变小，也对药物分子的移动和扩散有一定的限制作用。所以HMN0（100%HPC）释放最慢，HMN1（HPC最少）释放最快。可见，可以通过HPC量的控制来达到控制药物释放的目的。图4 HMN系列水凝胶最大平衡溶胀比随pH值变化的曲线3 结论制备了接枝了马来酸酐的羟
