智能海藻酸钙_PNIPAAm互穿网络水凝胶微囊制备研究_许立新

第 32 卷 第 1 期 2005 年 北 京 化 工 大 学 学 报 JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF CHEMICAL T ECHNOLOGY Vol. 32, No. 1 2005 智能海藻酸钙/ PNIPAAm互穿网络 水凝胶微囊制备研究 许立新1 王秀芬1* 甘 霓1 张立群2 (北京化工大学 11 可控化学反应科学与技术基础教育部重点实验室; 21 纳米 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 先进制备技术与应用科学教育部重点实验室,北京 100029) 摘 要: 以海藻酸钙凝胶为聚合 模板 个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载 , 过硫酸铵/偏重亚硫酸钠氧化还原引发剂体系、自由基水溶液法聚合制备了 温度敏感和 pH 敏感的海藻酸钙/聚 N-异丙基丙烯酰胺( CA / PNIPAAm)互穿网络水凝胶微囊。并研究了引发剂用 量、单体量、单体/海藻酸钠配比、缓冲液 pH 值等因素对该互穿智能水凝胶温度敏感和 pH 敏感性的影响。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明:该互穿凝胶微囊对 pH/温度具有敏感溶胀性, 可望作为口服药物缓释制剂的载体。 关键词: 海藻酸钙; PN IPAAm; 互穿网络水凝胶微囊; 温度敏感 ; pH 敏感性 中图分类号: O636 收稿日期: 2004-07-09 第一作者: 男, 1974 年生,硕士生 * 通讯联系人 E-mail: wx f0062@ yahoo. com. cn 智能型高分子水凝胶对环境(温度、pH 值、盐浓 度、光强度等)变化的响应性为物质的分离纯化、固 定化以及药物的可控释放等开辟了新途径。随着各 新型功能药物的出现, 近年来对具有良好生物相容 性的水凝胶, 尤其是兼具 pH 和温度双敏感性水凝 胶的制备与应用研究愈加迫切。 自美国麻省理工学院的田中[ 1]教授发现聚 N- 异丙基丙烯酰胺 [ Poly ( N- isopropylacry lamide ) , PNIPAAm]水凝胶具有 LCST(最低临界溶液温度) 附近的温度敏感性以来, 有关 PNIPAAm 类凝胶的 理论及应用研究已有很多报道[ 2-5] , 其中涉及了多 种合成及天然物质, 如采用多种共聚单体[ 6- 8] 与 PNIPAAm共聚获得具有温度敏感性的互穿或半互 穿聚 合物网络。目前研究较 多的双敏感 性 PNIPAAm 类水凝胶多以丙烯酸[ 9]、丙烯酸钠[ 10]、 甲基丙烯酸[ 11]等作为共聚单体或互穿网络组分。 而以海藻酸盐改性 PNIPAAm 制备 pH、温度双敏感 性水凝胶药物载体的则少见报道。本文以海藻酸钙 凝胶为聚合模板,采用过硫酸铵/偏重亚硫酸钠水溶 性氧化还原引发体系, 以自由基水溶液聚合制备具 有温度、pH 双敏感性的 IPN 水凝胶微囊;考察该智 能水凝胶溶胀的温度及 pH 敏感性。 1 实验部分 111 主要试剂 海藻酸钠( SA) ,上海化学试剂公司; N IPAAm, 自制;过硫酸胺( APS) ,天津市天大化工实验厂; N, N.-亚甲基双丙烯酰胺( BIS) , 天津市化学试剂研究 所; CaCl2, Na2S2O5 等试剂级别为分析纯。 112 实验方法 11211 海藻酸钙与 PN IPAAm 互穿凝胶微囊的制 备 将定量的 N IPAAm, SA, BIS, Na2S2O5 完全溶 于去离子水中形成水溶液 A, 溶解过程中鼓泡通入 N2以排除氧气。 将 APS, CaCl2 于密闭容器中完全溶于去离子 水中形成水溶液 B, 鼓泡通入氮气 1 h 后, 将溶液 A 逐滴滴入,连续反应 5 h。凝胶化过程完成后, 取出 凝胶微囊,用去离子水冲洗,真空干燥至恒质量。 11212 海藻酸钙与 PN IPAAm 互穿凝胶微囊的温 敏特性测试 将凝胶微囊置于真空干燥箱 40 e 保 持至恒质量, 测其质量为 m 0, 在不同温度下, 将其 置于 pH 值一定的缓冲溶液中保持 24 h, 取出凝胶 微囊,用滤纸吸去表面水分,称质量为 m t。按( 1)式 计算溶胀比 R S。 R S= ( m t- m 0) / m 0 (1) 11213 海藻酸钙与 PNIPAAm 互穿凝胶微囊 pH 值敏感性测定 将定量恒重的互穿凝胶微囊置于不 同pH 缓冲溶液中。每隔 2 h 改变缓冲溶液的 pH 值。在每次 pH 值变化时, 测凝胶微囊的质量, 按 ( 1)式计算 R S。 2 结果与讨论 211 海藻酸钙与 PNIPAAm互穿凝胶微囊温敏性 21111 引发剂中还原剂用量对互穿凝胶微囊溶胀 性能的影响 由图 1可知, [还原剂] / [ NIPAAm]为 515%时,互穿凝胶微囊仍保持原均聚 PNIPAAm 凝 胶的相变收缩( 32~ 36 e )温敏性(见图 1a) ,但体积 收缩程度有所减小, 且转变温度变高, 范围加宽 图 1 不同引发剂用量互穿凝胶微囊溶胀比 与温度的关系 F ig. 1 Relations between swelling ratio and temperature for IPN beads wit h different initiato r concentrations ( 32~ 40 e )。[还原剂] / [ N IPAAm]为 919%时, 互 穿凝胶微囊没有表现出温敏特性。显然, 单体与引 发剂中还原剂的比例会影响凝胶的温敏性: 随还原 剂组分的增加, 一方面减少了初级自由基数, 进而 N IPAAm 单体自由基数减少, 使 PNIPAAm 凝胶网 络在互穿凝胶网络体系中的比例减少, 当还原剂组 分过大时, 凝胶微囊的温度敏感性变得不明显。另 一方面海藻酸钠的存在也使得 PNIPAAm 在 LCST 附近的体积收缩受到阻碍, 使得互穿凝胶微囊的收 缩转变温度向高温方向移动。 21112 缓冲液 pH 值对互穿凝胶微囊溶胀性能的 影响 由图 2 可知, 在低 pH 缓冲溶液中互穿凝胶 微囊的 RS 较低,体积收缩趋势不明显;随 pH 增加, 互穿凝胶微囊的 R S 明显增大,随温度升高,体积收 缩趋势也增加。这可解释为: 互穿凝胶在低 pH 值 时,海藻酸钙凝胶中存在海藻酸,且两者形成致密的 凝胶状态(海藻酸及其钙盐 40 e 下在水中的溶解度 也仅分别为01098 g 和01052 g,导致其 R S 较低[ 12] ; 由于其结构中的古罗糖醛酸部分和甘露糖醛酸部分 图 2 不同 pH 值缓冲液中互穿凝胶微囊溶胀比 与温度的关系 F ig. 2 Relations betw een swelling ratio and temperature for IPN beads in different pH solutions 的 pK a分别为 312和 4,随 pH 的增加, 电离程度增 加,凝胶微囊中羧酸根量增大, 在 pH 值为 4 左右的 缓冲液中,海藻酸钙凝胶可很好地保持溶胀平衡,吸 水率较高, R S 较高同时对微囊中 PN IPAAm 的温敏 性影响较小[ 13]。缓冲液 pH 值继续增大, 微囊中海 藻酸钙溶解, 互穿网络被破坏, 满足中性 pH 条件下 药物载体的溶解控释要求。 21113 单体浓度对互穿凝胶溶胀性的影响 如图 3所示,单体浓度较大的互穿凝胶微囊在 LCST 附 近的体积收缩明显,互穿凝胶微囊的温敏性增加,在 图 3 不同单体浓度互穿凝胶微囊溶胀比与温度的关系 Fig . 3 Relations between swelling ratio and temperature for IPN beads w ith different monomer concentrations 32 ~ 36 e 之 间出 现 较明 显的 体积 收 缩突 变。PNIPAAm的羰基及亚胺基与水分子形成氢键, 它与异丙基疏水作用构成亲疏水平衡: 低温时氢键 起主要作用, 表现为凝胶的 R S 较大, 随温度的升 高,疏水作用逐渐起主要作用,在 LCST 时,聚合物 网络产生收缩, R S 不连续突降, 产生对温度的敏感 特性[ 2]。PNIPAAm 在互穿凝胶微囊中的比例足够 #56# 北京化工 大学学报 2005年 大,才会表现出对温度的敏感特性。 212 海藻酸钙与 PNIPAAm互穿凝胶微囊酸敏性 21211 还原剂用量对互穿凝胶酸敏感的影响 由 图 4可知, 随 pH 值的增加, 不同用量的还原剂制备 的互穿水凝胶微囊的 RS 均呈上升趋势,并具有 SA 的酸敏特性;相同 pH 值条件下随还原剂用量增大, 图 4 不同还原剂用量互穿凝胶微囊 溶胀比与 pH 值的关系 F ig. 4 Relations between sw elling ratio and pH for IPN beads w ith different reducer concentrations 互穿凝胶 R S 减小,但酸敏感性增加。这一现象可归 结为: 凝胶的酸敏特性缘于凝胶其中的 RCOO ) 基, 酸性条件下, 其 RCOONa 基转向 RCOOH, 电离度 大大降低,凝胶网络与水分子的亲和力相应减弱, 迫 使凝胶中的水分子析出, 凝胶体积收缩。pH 值增加 时, 有利于凝胶中的羧基离子化、R S 增加。因而总 体表现为凝胶微球 R S 随 pH 值增长而均匀增长。 在互穿凝胶中海藻酸钙的存在使得微囊随 pH 值的 增加溶胀程度增加, IPN微囊仍具有酸敏感特性。 增加还原剂组分, 使初级自由基量减少、单体 N IPAAM 自由基量减少, 在互穿凝胶网络中 PNIPAAM 凝胶网络组分相对减少,海藻酸钙凝胶 组分相对增加。宏观表现为: 低 pH 值时随海藻酸 钙凝胶组分的增加, 微囊的紧密程度增大,故 R S 较 低,凝胶微囊的酸敏感性明显。此外, 随 pH 值增 加,海藻酸钙溶胀程度增加,故酸敏感程度更明显。 21212 单体/海藻酸配比对酸敏感性的影响 图 5 显示:随 NIPAAM 单体/海藻酸钠配比的增加,微囊 的 R S 增大, 配比在 519%以下, 随 PNIPAAm 凝胶 量在互穿网络中的增加, 凝胶微囊的 R S 增大; 配比 超过 519% , 凝胶微囊的 R S 继续增大, 但 pH 值敏 感性下降。其配比在 519%时微囊的 SR适中,酸敏 感特性最为明显。因为 pH 值改变, 基团离解程度 不同, 会破坏凝胶内外的氢键, 造成网络结构的破 坏,引起凝胶 R S 的变化。微囊中 PNIPAAM 凝胶 的含量增大, 有利于提高微囊的 R S; 低 pH 值时,羧 图 5 不同单体/海藻酸钠配比互穿凝胶微囊 溶胀比与 pH 值的关系 Fig . 5 Relations betw een swelling ratio and pH for IPN beads with different NIPAAm/ alg inate ratios 基质子化为海藻酸凝胶引起凝胶收缩; 高 pH 值时, 有利于凝胶中的羧基离子化、R S 增加。两者相互作 用的结果导致单体/海藻酸钠配比对此凝胶微囊 pH 值敏感性的影响存在最佳区间。 3 结论 ( 1)还原剂用量、[ NIPAAm]及缓冲液 pH 值均 对 CA/ PN IPAAm IPN 凝胶微囊的 R S 及 LCST 有 影响,仅当还原剂用量低于 919%, [ N IPAAm]大于 016mol/ L,缓冲液 pH 值在 4左右时, IPN凝胶微囊 才表现出较大的 R S 和明显的体积相变。 ( 2)还原剂量及 [ NIPAAm] / [ SA]比均对 CA/ PNIPAAm IPN凝胶微囊的 R S 及酸敏特性有影响, 还原剂用量较大有助于提高 IPN 凝胶微囊的酸敏 性, [ NIPAAm] / [ SA]在519%时, IPN微囊的 RS 适 中,酸敏感特性最为明显。 ( 3)交联海藻酸盐与 PNIPAAm 凝胶两组分的 比例适当时所得的 IPN微胶囊,其 R S 对温度和 pH 值的变化具有敏感的响应性,具备药物控释载体难 得的温度和 pH 值双敏感性优势。 参 考 文 献 [ 1] Shunsuke Hiro tsu, Yoshitsugu Hirokaw a, T oylchi T anaka. 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Key Laboratory for Nanomaterials, M inst ry of Educat ion, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China) Abstract: A thermo- and pH-sensitive interpenet rat ing netw ork hydrogels beads were prepared w ith both calcium alg inate and PNIPAAm hydrogels w hich were synthesized by free-radical aqueous solut ion polymerizat ion using APS ( ammonium persulphate) / Na2S2O5 ( Sodium pyrosulfite ) as redox init iators in a simultaneous interpenetrating network process. T he effects of the init iator concentration, monomer concentrat ion, N IPAAm/ alginate ratio, the solut ion pH values on the gel sw elling performance in dif ferent temperatures and pH solutions were discussed. Results show that the IPN hydrogel beads exhibit thermo- and pH-sensitive swelling rat io characterist ics. Therefore, the IPN hydrogels may be useful in the field of cont rolled drug delivery. Key words: calcium alginate; PNIPAAm; interpenet rat ing netw ork hydrogels beads; thermosensit ive; pH- sensit ive (责任编辑 朱晓群) #58# 北京化工 大学学报 2005年