1、敏感性多孔半纤维素水凝胶的制备及药物释放性能研究孙晓锋 ，景占鑫 ，王海洪 ，王广征（西北工业大学 应用化学系 ，陕西 西安）摘要 ：以聚乙二醇 （）为致孔剂 ，利用自由基聚合法制备了具有多孔结构的半纤维素接枝共聚丙烯酰胺水凝胶 ，分别用和对水凝胶的结构和表面形态进行了分析 ；研究了水凝胶的值敏感性以及单体比例 、用量 、分子量和交联剂对溶胀率的影响 ；最后 ，以亚甲基蓝为模型药物研究了该水凝胶对药物的释放性能 。实验结果表明 ，为致孔剂 ，没有参与聚合反应 ；该水凝胶具有多孔结构以及优良的值敏感性 ，能够实现药物的控制释放 ，有望成为一种良好的药物载体 。关键词 ：半纤维素 ；水凝胶 ；多孔
2、 ；值敏感性 ；释药性能中图分类号 ：文献标识码 ：文章编号 ：（） 引言水凝胶是具有三维网络结构的亲水性聚合物 ，它能够吸收大量的水分 ，但又不会溶解 。根据对外界环境的响应程度不同 ，水凝胶可分为传统水凝胶和环境敏感性水凝胶 。环境敏感性水凝胶由于对环境的微小变化 ，如温度 、值 、磁场 、电场等能够产生响应 ，被广泛地应用于药物控制释放、固定化酶和组织工程等领域 。天然高分子如纤维素 、壳聚糖 、海藻酸钠 、明胶等相对合成的高分子具有无毒 、生物降解性和生物相容性等优点 ，因此基于天然高分子的水凝胶得到了快速的发展 。半纤维素是一种重要的聚合糖 ，它是由木聚糖 、阿拉伯糖 、葡萄糖 、半
3、乳糖 、甲基葡萄糖醛酸等组成的异聚糖 。它是植物资源大组分之一 ，其含量仅次于纤维素 ，是一种取之不尽 、用之不竭的天然高分子，。研究发现 ，半纤维素具有抗菌 、抗凝血等作用 ，因此研究基于半纤维素的生物医药材料具有广阔的发展前景 。环境敏感性水凝胶的响应性对其应用是非常重要的 ，然而传统方法制备的水凝胶响应时间较长 ，极大地限制了 水 凝 胶 在 药 物 控 释 、组织工程等领域的应用，。为了解决这一问题 ，诸多科学家开始研究多孔凝胶 ，希望在凝胶表面引入多孔结构提高水凝胶的响应速率 。目前 ，制备多孔水凝胶的方法有致孔剂法 、发泡法 、冷冻干燥法 、相分离法等，。本文以小麦秸秆半纤维素作为
4、原料 ，为致孔剂 ，利用自由基聚合制备了一系列多孔半纤维素接枝聚丙烯酰胺水凝胶 。 实验 试剂与仪器试剂 ：半纤维素 （）自制；丙烯酰胺 （）、过硫酸铵 、，亚甲基双丙烯酰胺以及其它试剂均为分析纯 ，实验过程中使用的水为二次蒸馏水 。仪器 ：红外光谱仪 （ ）；型热重分析仪 （ ）；紫外可见分光光度计 （天津市普瑞斯仪器有限公司 ，）；扫描电子显微镜 （，）；冷冻干燥机（北京松源华兴科技发展有限公司 ）等 。 水凝胶的制备将半纤维素和一定量的致孔剂加入到蒸馏水中 ，并将其置于的水浴中搅拌 ；待其完全溶解后 ，将引发剂 （）和一定量的丙烯酰胺依次加入 ；大约之后 ，加入交联剂，亚甲基双丙烯酰胺
5、，并剧烈搅拌使其混合均匀 ，然后停止搅拌 ，将混合溶液置于的水浴中使反应完全 。反应结束后 ，将凝胶切成大小均匀的块 ，在室温下浸泡，每隔数小时换一次水 ，以除去致孔剂、未反应的单体 、引发剂和交联剂等 。水凝胶的合成条件如表所示 。表 水凝胶的合成条件 样品编号（）（）（）（）（）交联剂（） 年第 期 （）卷基金项目 ：国家自然科学基金资助项目 （）；陕西省青年科技新星资助项目 （）；西北工业大学基础研究基金资助项目 （）；西北工业大学研究生创业种子基金资助项目 （）收到初稿日期 ：收到修改稿日期 ：通讯作者 ：景占鑫作者简介 ：孙晓锋（），男 ，陕西宝鸡人 ，副教授 ，博士 ，从事天然高分
6、子功能材料研究 。注 ：的百分含量是相对于半纤维素和丙烯酰胺的总质量 。 水凝胶的表征将干燥的水凝胶研磨后 ，与混合均匀压片 ，测定其在范围内的红外光谱 ；将溶胀的凝胶样品冷冻干燥 ，然后喷金 ，用扫描电镜观察其表面形态 。 平衡溶胀率的测定将大约的水凝胶浸泡在具有不同值的缓冲液中 ，使其达到溶胀平衡 。后 ，凝胶被取出 ，并用滤纸擦干其表面的水分 ，然后称重 。水凝胶的溶胀率（）按式 （）计算 ：（）其中 ，是水凝胶的干重 ，是水凝胶溶胀后的质量 。 释药性能研究将大 约的 水 凝 胶 浸 泡 在浓 度 为的亚甲基蓝溶液中 ，密封后 ，凝胶被取出并在的烘箱中干燥。用紫外可见分光光度计测量剩余
7、亚甲基蓝溶液溶度 ，水凝胶的亚甲基蓝的负载量（）按下式可得 ：（）（）其中 ，（）和（）分别是亚甲基蓝的初始浓度和平衡溶度 ；（）是亚甲基蓝溶液的体积 ；（）是凝胶的质量 。将载药水凝胶置于的值的磷酸缓冲液中 ，然后在的水浴振荡器 （）中振荡 。每隔一定时间将水凝胶取出 ，置于新的磷酸缓冲液中 。载药水凝胶的释放效率根据式 （）计算 ：（）（）其中 ，（）是在（）时刻亚甲基蓝在磷酸缓冲液中的浓度 ；（）是磷酸缓冲液的体积 ；、与式 （）相同 。 结果与讨论 水凝胶的制备本文以 （）为引发剂 ，其受热分解产生自由基，夺取半纤维素链上羟基的氢原子产生活性位点 ，将丙烯酰胺接枝到半纤维素链上 。同时
8、 ，由于加入的交联剂，亚甲基双丙烯酰胺含有两个双键结构 ，使半纤维素链接枝聚丙烯酰胺后聚合形成三维网络结构 。作为致孔剂 ，没有参与聚合过程 ，待凝胶形成后 ，通过水浸泡将其除去 。凝胶形成过程如图所示 。图 水凝胶的形成机理 水凝胶的分析图为半纤维素和水凝胶的红外光谱图 。从图（）可以看出 ，在、和处的吸收峰是半纤维素本身的吸收峰 。在和处的吸收峰分别是和的伸缩振动峰 ；处的吸收峰是半纤维素中的吸收水产生的 ；处为典型的木聚糖特征吸收峰 ，是糖单元、的吸收峰；处是糖单元之间糖苷键的特征吸收峰 ，是由基团频率振动和环频率振动产生的。与半纤维素相比 ，水凝胶在和处出现明显的吸收峰 ，这是丙烯酰胺
9、中的 和伸缩振动产生的。同时还发现 ，两种水凝胶的红外谱图基本相同 ，水凝胶的谱图中不存在由的伸缩振动孙晓锋 等 ：敏感性多孔半纤维素水凝胶的制备及药物释放性能研究在处产生的特征吸收峰，。上述结果表明 ，丙烯酰胺成功接枝到半纤维素上 ，并且没有参与聚合过程 。图 半纤维素 、水凝胶和的红外光谱图 ， 水凝胶的分析图为传统水凝胶 （）和致孔水凝胶（）的图 。从图（）可以看出 ，利用传统方法制备的水凝胶虽然存在孔通道 ，但是相对于致孔水凝胶没有孔洞结构 。从图（）可以看出加入致孔剂后 ，凝胶不仅具有孔通道 ，而且其表面出现分布相对均匀的孔洞结构 。这种孔洞结构的出现主要归因于水凝胶的记忆效应。在水
10、凝胶的合成过程中被包埋在凝胶中 ，待凝胶形成后 ，通过水的浸泡将释放出去 ，会在凝胶表面留下孔洞 。该孔洞不会因为的去除而消失 。 水凝胶的值敏感性研究水凝胶在不同值缓冲液中的溶胀率如图所示 。可以看出 ，水凝胶在不同值缓冲液中的溶胀率变化存在个阶段 ：（）在值的缓冲液中的溶胀率较低 ；（）值时 ，随着值的升高 ，水凝胶的溶胀率在迅速增大 ，出现一个最大值后其溶胀率略有下降 ；（）值时水凝胶的溶胀率又将增大 。图 传统水凝胶 （）和致孔水凝胶 （）的图 （） （）图 水凝胶在不同值缓冲液中的溶胀率 水凝胶的溶胀率与其孔结构密切相关 ，为此利用分析了水凝胶在种不同值缓冲液中溶胀后的孔结构 ，结果
11、如图所示 。从图可以看出 ，随着值的升高水凝胶的孔径也在增大 ，可能的原 年第 期 （）卷因是在低值 （值）时 ，凝胶中的氢键作用较强 ，不利于水凝胶的溶胀 ；随着值 （值）的升高 ，水凝胶网络中的氢键作用在减弱 ，使凝胶的溶胀率增大 ；当水凝胶处于强碱性 （值）溶液时 ，酰胺基团可能发生水解生成 基团增强了凝胶网络间的排斥力 ，导致水凝胶的溶胀率增大 。为了更清楚地分析值对水凝胶溶胀率和孔径产生影响的原因 ，利用红外光谱分析了水凝胶在值和的缓冲液中溶胀后的红外光谱图 ，其谱图如图所示 。从图可以看出 ，水凝胶在值溶液中溶胀的红外光谱图与图水凝胶的红外光谱图基本一致 ，可能的原因是由于在酸性条
12、件下 ，只是凝胶网络中的氢键数目增多 ，这不能通过红外光谱图显示 ；然而在值的缓冲液中溶胀的水凝胶在和处出现明显的吸收峰 ，这是基团中的 的非对称和对称伸缩吸收峰 。该结果充分地说明了在碱性条件下 ，酰胺基团发生水解生成了 基团 ，这与文献 的报道一致 。因此 ，我们可以知道 ，值的升高导致了水凝胶中氢键作用的减弱以及静电排斥力的增加 ，导致了水凝胶孔径的增大 ，最终使凝胶的溶胀率增大 。图 在不同值缓冲液中溶胀后的图 图 水凝胶在值和的缓冲液中溶胀后的红外光谱图 单体比例对溶胀率的影响图（）是具有不同单体比例的水凝胶的溶胀率 。从图（）可以发现 ，随着单体比例的增大 ，水凝胶的溶胀率在不断减
13、小 。这可能是由于随着单体比例的增大 ，水凝胶网络中的酰胺基团数目不断增多 ，使得凝胶网络中的氢键作用加强 ；同时 ，生成的丙烯酰胺均聚物量也在增加 ，最终导致水凝胶溶胀率的减小 。 用量对溶胀率的影响图（）展示的是致孔剂用量的不同对水凝胶溶胀率的影响 。从图（）可以看出 ，随着用量的增大 ，水凝胶的溶胀率是先增大后减小 。这是因为的引入 ，使水凝胶具有了多孔结构 ，并且随着用量的增加水凝胶中孔的数量也在增加 ，使得水凝胶的溶胀率增大 。然而 ，当致孔剂的用量过大时 ，这可能严重地破坏水凝胶本身的孔结构 ，不利于水分子的 包 合 ；同 时的用量过大也有可能引起参与聚合反应 。所以 ，随着用量的
14、增大 ，水凝胶的溶胀率先增大后减小 。 分子量对溶胀率的影响图（）是以和分别作为致孔剂制备的水凝胶的溶胀率 。从 图（）可 以 发 现 ，为 致 孔 剂 制 备 的 水 凝 胶 的 溶 胀 率 大 于为致孔剂制备的水凝胶的致孔率 。因 为分子量越大 ，其被去除后 ，水凝胶的孔径较大 ，利用凝胶内部亲水基团与水分子的结合 ，使得水凝胶的溶胀率增大 。 交联剂用量对溶胀率的影响图（）展示的是交联剂用量对水凝胶溶胀率的影响 。从图（）可以看出 ，随着交联剂用量的增加 ，水凝胶的溶胀率在不断减小 。这是由于交联剂量的增大 ，使得水凝胶网络的交联密度增大 ，限制了高分子链的舒展和松弛 ，导致水凝胶的溶胀
15、率减小 。 释药性能研究水凝胶和分别在的亚甲基蓝溶液中 （）浸泡，测得它们对亚甲基蓝的单位负载量分别为和。将负载有亚甲基蓝的水凝胶在的真空干燥箱中烘干 ，研究其在值的磷酸缓冲液中的释放性能 ，其结果如图所示 。从图可以看出 ，水凝胶的释放速率明显大于水凝胶的释放速率 ，这是因为水凝胶的溶胀率大于的溶胀率 。在时水孙晓锋 等 ：敏感性多孔半纤维素水凝胶的制备及药物释放性能研究凝胶和的释放效率分别为和；当释放时 ，水凝胶和的释放效率分别可达到和。结果表明 ，该水凝胶具有良好的药物控制释放性能 ，有望成为一种良好的药物载体 。图 水凝胶的药物释放曲线 结论（）通过和分析表明没有参与聚合过程 ，但是的
16、引入使水凝胶具有多孔结构 ，它在凝胶形成过程中起到了致孔剂的作用 。（）通过和分析表明 ，随着值的升高水凝胶的孔径增大 。值的升高使酰胺基团发生水解生成 ，水凝胶的溶胀率增大 。溶胀实验结果显示 ，随着单体比例和分子量的增大 ，水凝胶的溶胀率也在增大 ；随着用量的增大 ，水凝胶的溶胀率先增大后减小 ；随着交联剂用量的增大 ，半纤维素的溶胀率减小 。（）以亚甲基蓝为模型药物 ，研究了该多孔凝胶在模拟胃液 （值）中的释放性能 。结果表明 ，该水凝胶具有优良的释放效率和缓释性能 ，有望成为良好的药物载体 。参考文献 ： ， （） ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）， ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， （） ，（）： ， ， （ ） ，（）： ， ，： ， ， ， ，（）： ， ， ， （ ） ，（）： ， ， ， （ ， ， ，）： ， （） ， ， ， ； ， ：； 年第 期 （）卷
