pH敏感性（共6篇）
pH敏感性 篇1
聚合物胶束一般可通过两亲性聚合物、嵌段共聚物等在溶液中的自组装来制备,其疏水区域能够有效溶解脂性药物,使药物以远大于在水中饱和度的方式稳定存在于水相中,而其亲水端在疏水核周围形成紧密的冠,能避免核中药物水解和酶解,因而聚合物胶束用于载药体系已展现出巨大的潜力[1,2]。大分子荧光探针可归属于两亲性聚合物,它具有独特的光物理和光化学性质,在荧光探针技术、荧光化学传感器、非线性光学装置、微电子等领域中有广泛的应用前景[3,4,5,6,7,8]。本研究通过溴乙酰溴与9-氨基吖啶(9-AA)的酰胺化反应,合成带有两个活性溴原子的新型荧光性引发剂9-AA-Br,引发N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)进行原子转移自由基聚合(ATRP)[9,10,11,12],以合成一种新型的大分子荧光探针PNIPAAm,该聚合物带有两个亲水性的PNIPAAm链段和一个疏水性荧光基团,通过自组装形成温度/pH敏感性聚合物胶束,并对其相关性能进行考察。
1 实验部分
1.1 仪器与试剂
傅里叶变换红外光谱(FTIR),美国ABB公司,2000-104型;核磁共振(1H-NMR),英国布鲁克公司,Bruker MSL500型,测定9-AA-Br和PNIPAAm结构时分别以氘代甲醇(CD3OD)和氘代氯仿(CDCl3)为溶剂;凝胶渗透色谱(GPC),美国惠普公司,Agilent 1100型,以窄分布聚乙二醇为标样;透射电子显微镜(TEM),日本电子公司,JEOL-2100型;Zeta电位及粒度分析仪,美国Brookhaven公司,DB-525 Zeta PALS型;温度敏感性由UV-100紫外-可见分光光度计(北京瑞利分析仪器公司)测得,设定波长为500nm,升温速率:1℃/min;RF-5301PC荧光光谱仪(日本岛津公司)测定荧光响应性,激发波长设为265nm。
9-氨基吖啶(9-AA):Alfa Aesar,由9-AA盐酸盐碱化处理后通过重结晶制备得到;溴乙酰溴:和光纯药工业株式会社,直接使用;三乙胺(Et3N):分析纯,国药集团化学试剂有限公司,加NaOH除水;N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm):日本和光公司,正己烷中重结晶;氯化亚铜(CuCl):分析纯,东京化成工业株式会社,直接使用;四氮杂十四员大环冠醚(Me6[14]aneN4):根据相关文献[13]的方法制备得到;四氢呋喃(THF):分析纯,国药集团化学试剂有限公司,加CaH2搅拌24h后常压蒸馏除水。
1.2 9-AA-Br的合成
在100mL圆底烧瓶中依次加入0.2g 9-AA和30mL干燥的THF,冰浴中搅拌30min后加入0.2mL干燥的三乙胺,继续搅拌30min,向溶液中缓慢滴加30mL的THF与0.23mL的溴乙酰溴混合液,冰浴下反应4h,取出后室温反应20h[14,15]。反应结束后将THF抽干,用去离子水洗涤产物,过滤,干燥后得到两端带有活性溴原子的引发剂9-AA-Br(化合物2),为土黄色固体粉末,产率43%。
1.3 双臂型PNIPAAm大分子荧光探针的合成及自组装
在50mL的圆底烧瓶中,依次加入2g NIPAAm,0.0456g CuCl,0.2606g Me6[14]aneN4,0.1g 9-AA-Br和30mL的THF,冰浴冷却并用磁力搅拌使其混合均匀,持续通高纯氮气1h后密封,在40℃下搅拌反应24h后取出烧瓶,冷却后将溶液通过中性氧化铝玻璃柱,除去CuCl,用无水乙醚进行沉淀、抽滤,产物(化合物3)经多次重新溶解和沉淀后真空干燥至恒重[16,17],产率为42%。再称取5 mg化合物3于5mL容量瓶中,搅拌振荡后制备自组装胶束,通过透射电镜及粒度分析考察胶束的形貌及大小。
1.4 温度敏感性测试
将PNIPAAm配成一定浓度的胶束溶液,在紫外-可见分光光度计上进行测试,观察透光度的变化。
1.5 pH敏感性测试
将PNIPAAm配成一定浓度的胶束溶液,调整胶束溶液的pH值,观察荧光发射峰强度的变化。
2 结果与讨论
在合成9-AA-Br的过程中,需要加入过量的溴乙酰溴以确保9-AA完全酰化,三乙胺与HBr形成的络合物可以进一步加速酰化反应的进程。此外,由于溴乙酰溴极易水解而失去反应活性,所以必须严格保持反应在密闭干燥的环境下进行。以得到的9-AA-Br为引发剂,CuCl/MeundefinedaneN4为催化体系,通过ATRP法制备双臂型PNIPAAm大分子荧光探针(目标产物合成路线略)。在合成PNIPAAm的过程中,需用CuCl作催化剂,但CuCl易被氧化而使活性/可控聚合终止,确保无氧状态对于高分子结构的控制尤为重要。
2.1 9-AA-Br的1H-NMR分析
9-AA-Br的1H-NMR谱图见图1,其中各氢质子的归属如图中标注所示。δ=7.5～8.5处的4个峰a-d归属于吖啶环上的质子(CH),δ=4.7处的单峰e归属于溴乙酰溴上的质子(CH2)。由核磁共振氢谱的积分面积可知,吖啶环上的8个质子的峰面积与酰溴上的4个质子的峰面积之比接近2,表明溴乙酰溴已定量与9-AA反应,成功得到了双臂结构的9-AA-Br。
2.2 PNIPAAm的结构分析
首先用FT-IR对PNIPAAm的结构进行了定性分析,在FT-IR图谱中显示:3500cm-1和3300cm-1左右为NH的吸收峰,3100cm-1处小峰为吖啶环上的CH伸缩振动峰,1682cm-1和1540cm-1两处可以看到较强的酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带,2944cm-1和1385cm-1处甲基的伸缩振动峰和摇摆振动峰表明了异丙基的存在,1428cm-1是亚甲基的剪式振动峰。这些结果符合所合成产物中存在的官能团,初步证明已经合成了所要得到的产物。
图2是双臂型PNIPAAm 的1H-NMR谱图,各组氢质子的归属已在图中标明。a为PNIPAAm上CH3的质子峰,h是引发剂残基中CH2的质子峰,c为NH上的质子峰,其它质子峰在图上都能得到很好的对应。由1H-NMR谱图可知,已成功合成双臂型PNIPAAm。根据质子峰面积Sa/S(d+f+h)=6n/(2+2n),可计算出双臂型PNIPAAm的分子量为2486。
2.3 PNIPAAm的分子量
为了得到结构良好的聚合物,合成了一系列不同分子量的PNIPAAm,结果见表1。由表1可知,理论分子量(Mn,th)与核磁共振测定的分子量(Mn,NMR)比较接近,而GPC测得的分子量比理论值要大,可能的原因是GPC测定时采用的流动相为DMF,PNIPAAm在其中可形成较强的氢键相互作用,流出时间变短,表现为分子量增大。
2.4 PNIPAAm在水溶液中的自组装
由PNIPAAm-1自组装形成的胶束形态和胶束粒径分布如图3。从图3(a)可以看出,胶束的直径为500nm左右,其大小均一、形态较规整。分散状态下胶束粒径的测定结果为552nm(b),并且呈现窄分布,两者的结果基本一致。
2.5 自组装胶束的温度敏感性
取适量PNIPAAm-1配成3%(wt)的自组装胶束溶液并考察其温度敏感性,结果列于表2。由表2可见,该自组装胶束具有明显的温度敏感性,其LCST为32℃,当温度低于32℃时,PNIPAAm自组装形成胶束,溶液呈无色透明状;温度高于32℃时,外层温敏性PNIPAAm链段收缩,疏水性增强,迅速形成不溶性白色沉淀;再次降低温度至32℃以下,PNIPAAm链段开始在水中伸展,亲水性增强,沉淀重新形成胶束溶液。说明该聚合物对温度有明显的响应性,并且响应过程具有可逆性。
对于不同浓度或分子量的PNIPAAm,其LCST会发生不同程度的移动。因而可以根据需要,设计制备出在不同温度区间响应的自组装胶束。图4和图5分别考察了PNIPAAm的浓度和分子量变化对LCST的影响。
将透光度对温度作图,得到一系列相互关联的曲线,可以看出聚合物浓度及分子量对LCST都有一定的影响:对于相同分子量的样品溶液,浓度低时PNIPAAm的LCST(以50%T计)较高(图4曲线a),随PNIPAAm浓度的增加,LCST逐渐降低(图4曲线a到曲线c);同样,对于相同浓度的样品溶液,也有类似的规律,分子量低的PNIPAAm其LCST较高(图5曲线a),随着其分子量的增加,LCST逐渐降低(图5曲线a到曲线c)。
2.6 自组装胶束的pH敏感性
图6讨论了不同pH条件下PNIPAAm自组装胶束的荧光响应性。可以看出,碱性条件下,荧光的发射强度随着pH的增大而增强,且发射峰发生红移;而在酸性条件下的荧光光谱基本不变。其原因可归结为PNIPAAm疏水基周围存在一个结合水层,该结合水层是一个非刚性的水笼,可以不断被破坏和重新形成,其推动力就是无机离子所带电荷导致的强静电相互作用,它使“水笼子”里的水分子极化并定向在无机离子周围。酸性条件下的H+破坏结合水层的能力比碱性条件下的OH-要弱得多,所以在酸性条件下,H+与吖啶环上的N结合困难,表现在荧光发射光谱上即在酸性条件下PNIPAAm基本没有荧光响应性;然而在碱性条件下,溶液中存在OH-,OH-具有极强的破坏结合水层的能力,水笼内外自由水不断得到交换,OH-随水分子进入水笼,与吖啶环上的N作用,表现在荧光发射光谱上即在碱性条件下PNIPAAm胶束的荧光强度随pH变化显著。在pH=13.39、12.88和10.17的条件下,计算得对应的COH-依次为245.5、75.9和0.1 mmol/L,COH-越大,破坏水笼的能力也越强,OH-和吖啶环作用越剧烈,荧光发射光谱的峰值越大,pH=13.39处的荧光强度约是pH=12.88处的3倍。研究结果表明,胶束的荧光强度可以通过改变pH值来调控。
3 结论
(1)由溴乙酰溴与9-AA的酰胺化反应,成功制得了带有2个活性溴原子的ATRP引发剂9-AA-Br。
(2)温度小于LCST时,由ATRP制得到的双臂型PNIPAAm可以形成胶束,胶束大小在500nm左右,且分布均一;温度高于LCST时,PNIPAAm链段收缩形成白色沉淀。
(3)该胶束具有pH敏感性,在碱性条件下随着pH的增大,荧光发射强度增大。
pH敏感性 篇2
目前葡萄糖响应型聚合物系统主要有3 种[7]:基于葡萄糖氧化酶的氧化葡萄糖系统、基于伴刀豆球蛋白A与葡萄糖特异性的结合系统和基于硼酸与葡萄糖的络合系统。这3种葡萄糖响应性聚合物,在胰岛素给药系统[8]和葡萄糖浓度检测[9]方面已经得到广泛应用,但仍存在不少问题,如前两种物质作为天然生物传感器材料具有良好的生物相容性和生物降解性[10,11],但是它们在环境变化时容易发生变性;而对于苯硼酸衍生物的络合系统来说,其识别唾液酸和葡萄糖的能力较低,且对体液中存在的多羟基物质的选择性较差。
本研究以甲基丙烯酸酯类单体构建分子印迹体系,以葡萄糖为模板分子,制备对葡萄糖具有识别性的pH敏感性分子印迹微凝胶,研究印迹微凝胶的吸附性能,为研发新型葡萄糖响应性微凝胶体系提供基础。
1 实验部分
1.1 主要试剂及仪器
甲基丙烯酸(MAA,化学纯),中国医药(集团)上海化学试剂公司;甲基丙烯酸甲酯(MMA,分析纯),天津市大茂化学试剂厂;甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA,化学纯),日本三菱化工有限公司;二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA,化学纯),瑞士Fluka公司;十二烷基硫酸钠(SDS,分析纯),天津市福晨化学试剂厂;过硫酸铵(APS,分析纯),广东省化学试剂工程技术研究开发中心;葡萄糖、果糖,均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司。
集热式恒温加热磁力搅拌器(CL-200型),巩义市英峪予华仪器厂;pH计(510型),美国EUTECH公司;电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9203A型),上海精宏实验设备有限公司;冷冻干燥机(FDU-2200 型),日本Eyela公司;粒度分析仪(LS230型),美国Coulter公司;紫外分光光度计(Cary50型),美国Varian公司。
1.2 印迹微凝胶的合成
称取一定量的MAA、MMA、HEMA、EGDMA和葡萄糖于烧杯中,静置混合30min,再加入一定量的SDS和一定体积的水。将上述溶液转移至三口烧瓶中,40℃水浴搅拌溶解,通氮气30min。再加入一定量的APS,同时升温到70℃,恒温搅拌反应5h,生成微凝胶。将产品离心,过滤后,用洗脱液反复洗涤,再离心,过滤,然后冷冻干燥,备用。
1.3 微凝胶性能的测定
1.3.1 粒径的测定
取一定量合成的聚合物微凝胶分散液,用粒度分析仪测定微凝胶的粒径分布,并获得平均粒径。
1.3.2 微凝胶溶胀度的测定
取质量为W0的干燥微凝胶,将其置于特定pH值的缓冲溶液中溶胀24h,称量溶胀后的质量W1,按式(1)计算溶胀度SR:
1.3.3 微凝胶葡萄糖吸附量的测定
称取一定质量的干燥微凝胶于锥形瓶中,加入一定体积浓度为2mg/mL的葡萄糖水溶液,25℃恒温振荡吸附24h后,采用紫外分光光度法测定吸附后的葡萄糖浓度,并通过式(2)计算微凝胶对葡萄糖的平衡吸附量Q:
式中,Q为平衡吸附量,mg/g;m为干凝胶的质量,g;V为吸附液的体积,mL;C0为吸附液的原始浓度,mg/mL;C为吸附平衡时吸附液的浓度,mg/mL。果糖吸附量的测定与葡萄糖相似。分离因子α如式(3)所示:
式中,Q1、Q2分别为葡萄糖、果糖的吸附量。
1.3.4 微凝胶吸附性能Scatchard模型分析
改变吸附液中葡萄糖的初始浓度C0(2~9mg/mL),25℃恒温振荡吸附24h,绘制平衡吸附量Q与C0的关系曲线,然后按式(4)进行Scatchard模型分析:
式中,Qmax为微凝胶的最大吸附量,mg/g;Kd为结合位点的平衡离解常数;C为吸附平衡时吸附液的浓度,mg/mL。
2 结果与讨论
2.1 印迹微凝胶的pH敏感性
印迹微凝胶的典型粒径分布见图1。由图1可知,制备的葡萄糖印迹微凝胶粒径呈单峰分布,平均粒径约为31.0μm。pH值对微凝胶溶胀度的影响如图2所示。由图2可见,微凝胶的溶胀度在pH为4~6间有一个阶跃性增大,显示出微凝胶具有明显的pH敏感性,这与微凝胶中MAA单元上—COOH离解的pH依赖性有关。
在低pH条件下,由于—COOH处于非离解状态,羧基之间存在氢键作用,使高分子链相互缠绕,处于蜷缩状态,微凝胶的溶胀度低;当溶液pH值由低逐步升高时,—COOH逐渐离解为COO-,氢键作用减弱,分子链间的静电斥力增强,使处于收缩状态的高分子链打开,水分子容易进入到微凝胶内部,微凝胶的溶胀度变大;当pH增大到一定值后,—COOH的离解度达到最大值,若继续升高溶液的pH值,溶液中的离子浓度将大于微凝胶内部的离子浓度,导致微凝胶开始失水,溶胀度减小。因此,本实验下面印迹微凝胶对葡萄糖吸附性能的研究均在中性环境中进行。
2.2 印迹微凝胶对葡萄糖的吸附性
2.2.1 模板分子/功能单体摩尔比的影响
模板分子/功能单体摩尔比对微凝胶葡萄糖吸附量的影响见图3。从图3可以看出,随着功能单体比例的增加,微凝胶对葡萄糖的吸附量增加,当模板分子/功能单体摩尔比达到1∶4时,印迹微凝胶的吸附量达到最大,此后功能单体继续增加,葡萄糖吸附量随之减少。这是因为功能单体增多能够为模板分子与之结合提供更多的氢键,形成更多与模板分子匹配的印迹孔穴。但过量的功能单体会干扰单体与模板分子之间的结合,而且有很多功能单体不能与模板分子形成复合物,最终导致印迹聚合物内部与模板分子匹配的孔穴相对变少且不稳定,会产生较多的非特异性结合位点,所以葡萄糖吸附量趋于下降。
2.2.2 交联剂用量的影响
交联剂用量对微凝胶葡萄糖吸附量的影响见图4。由图4可以看出,印迹微凝胶的吸附量随着交联剂用量的增加而增加,当交联剂用量为1%时,吸附量达到最大值,继续增加交联剂用量,吸附量降低。这是由于交联剂用量的增加,能够使功能单体与模板分子之间相互作用形成的空间结构有效固定下来,模板分子洗脱之后,在聚合物内部留下稳定并且与葡萄糖结构匹配的孔穴,可以有效识别葡萄糖并与之结合,促进葡萄糖吸附。但当交联剂用量过多时,印迹聚合物的刚性太强,不利于葡萄糖模板分子的洗脱,使得印迹微凝胶上的识别孔穴变少,导致微凝胶的葡萄糖吸附量变少。
2.2.3 引发剂用量的影响
引发剂用量对微凝胶吸附量的影响见图5。从图5可以看出,随着引发剂用量的增加,印迹微凝胶对葡萄糖的吸附量呈现先增加后减少的趋势。分析其原因是当引发剂用量增加时,生成自由基数量增多,有利于促进交联剂与功能单体的结合,固定与模板分子相匹配的空间结构。而引发剂用量过多时,生成的自由基数目太多,链终止概率增大,平均链长减小,交联剂与功能单体不能有效聚合形成结构完善的印迹位点,导致吸附量减少。
2.3 葡萄糖印迹微凝胶的选择吸附性
以与葡萄糖结构类似的果糖作为竞争底物,葡萄糖印迹微凝胶的选择吸附实验结果见表1。由表1可知,印迹微凝胶对葡萄糖及果糖的吸附量差别较大,分离因子α 为1.91。这是因为在合成葡萄糖印迹聚合物微凝胶的过程中,功能单体通过非共价键作用与模板分子结合,洗脱模板分子后在凝胶内留下了可识别模板分子的印迹位点,能够再次通过非共价键的作用选择吸附葡萄糖。
2.4 印迹微凝胶吸附性能的Scatchard模型分析
葡萄糖分子印迹微凝胶的吸附等温线见图6,根据式(3)以Q/C对Q作Scatchard分析图见图7。
由图7可见,Q/C与Q呈非线性关系,但是分段拟合则呈现出两段良好的线性关系,这表明该葡萄糖分子印迹聚合物微凝胶对葡萄糖的吸附作用是不均一的,在印迹微凝胶上存在两种不同的结合位点。这是由于该分子印迹聚合物的模板分子与功能单体之间可能存在着多种不同的相互作用,导致多种不同复合物的形成,进而形成了非均一的结合位点。
3 结论
以MAA和HEMA为功能单体,EGDMA为交联剂,以葡萄糖为模板分子,采用分散聚合法合成了平均粒径约为31.0μm的葡萄糖印迹微凝胶。印迹微凝胶的溶胀度在pH值4~6间出现明显增大,表现出较强的pH敏感性。模板分子/功能单体摩尔比、交联剂用量和引发剂用量对印迹微凝胶的吸附量均有较明显的影响,吸附量变化总体上均呈现先增大后减小的趋势。印迹微凝胶对葡萄糖具有选择吸附性,相对于果糖的分离因子为1.91。通过Scatchard模型分析可知,制备的印迹微凝胶上有两种不同的结合位点存在。
参考文献
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[3]朱雪燕,陈明清,刘晓亚,等.pH响应性水溶性微凝胶的研制[J].江南大学学报:自然学科学版,2004,3(1):83-86.
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[10]郑巧东,高春燕,陈欢林.药物控制释放研究及应用[J].浙江化工,2003,34(5):26-29.
pH敏感性 篇3
过去对响应单一刺激(温度、pH、光或电场等) 而发生相转变的微凝胶报道比较多[3],但随着人们对材料功能要求的日益提高,单一响应性凝胶已不能满足发展要求,能够同时对两种或两种以上外界刺激产生响应的微凝胶成为这一领域的发展方向。其中以pH 和温度双重敏感微凝胶的研究尤为活跃,因为pH 和温度是容易得到又便于操作的两种刺激信号,而且是生理、生物和化学系统中的两个重要因素[4],特别在人体体液这种复杂的环境中,微凝胶同时受到pH 和温度等多重刺激作用。
传统的水溶液聚合法制得的水凝胶为大块凝胶,溶胀速率十分缓慢,对外界刺激所做出的反应时间太长,不能在外界急需药物释放的同时做出真正意义上的智能化反应,极大地限制了其应用[5]。反相悬浮聚合法是由水溶性单体制备聚合物交联微球的有效方法。
本实验采用反相悬浮聚合法制备了聚(甲基丙烯酸-co-酰氯化大单体)共聚型微凝胶;通过大量实验研究,探索考察了加速剂用量、搅拌速度、分散剂用量及油水两相比例等因素对成球性能及粒径的影响;并研究了微凝胶的pH及温度敏感性性能。
1 实验部分
1.1 主要仪器及试剂
1.1.1 试剂
甲基丙烯酸(分析纯),天津市瑞金特化学品有限公司; 过硫酸铵(分析纯),天津市化学试剂三厂;四甲基乙二胺(化学纯),北京精求化工有限责任公司;正庚烷(分析纯),天津市百世化工有限公司;Span-80,上海大众制药厂。
1.1.2 主要仪器
ZNHW型电子节能控温仪,河南豫华仪器有限公司;HH-1型电热恒温水浴锅,北京科伟永兴仪器有限公司;PHS-3C精密pH酸度计,上海雷磁仪器厂;带有测微尺的光学显微镜(XSZ型),太原光学仪器厂;偏光显微镜(E4500型 Nikon数码相机;电子天平。
1.2 微凝胶的制备
PCL-Pluronic-PCL嵌段共聚物以辛酸亚锡为催化剂聚合,PCL-Pluronic-PCL丙烯酰衍生物大单体由PCL-Pluronic-PCL嵌段共聚物酰氯化制得(简写为PFCL4,4表示己内酯的聚合度)[6]。
称取1 g上述大单体,在冰浴中用4.8mL水溶解,然后在搅拌下加入0.2mL甲基丙烯酸单体,再依次加入3%(大单体总量的质量百分含量)引发剂过硫酸铵和一定量的加速剂。
在250mL四口烧瓶上装调速搅拌器、回流冷凝管、然后加入一定量正庚烷和span-80,通N2保护,升温至60℃,搅拌溶解均匀,0.5h后,缓慢滴加配制好的上述溶液,调整搅拌速度,N2保护下反应1h后停止搅拌;用丙酮、去离子水冲洗,待用。
1.3 微凝胶形态表征
将冲洗后的微凝胶浸泡在去离子水中,然后在偏光显微镜(E4500型 Nikon数码相机)下观察并拍照。
1.4 微凝胶粒径测试
用有测微尺的光学显微镜(XSZ型)测定微凝胶的粒径,按下式计算微凝胶的平均直径(D):
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1.5 微凝胶温度和pH敏感性测试
将冲洗后的微凝胶用0℃冰水或pH =10的溶液浸泡,然后测其粒径变化;用0.1%的酸性品红染色10min,然后用0℃冰水或pH=10的溶液浸泡并拍照。
2 结果与讨论
2.1 微凝胶形态
图1是微凝胶在显微镜下观察的照片,可以看出,微凝胶粒度比较均匀,球形良好。通过调节反相悬浮聚合条件,制备出最佳工艺条件下的微凝胶。
(放大40倍) (放大75倍)
2.2 各种因素对共聚合体系成球性能及粒径的影响
2.2.1 加速剂的影响
表1列出了加速剂用量对成球情况粒径的影响。由表1可以看出加速剂用量较低时,导致分散开的单体微液珠中含有少量的加速剂,在机械搅拌的剪切作用下,有的微液珠单体还没有被完全引发聚合之前就进一步破碎,不能形成化学交联水凝胶;加速剂用量较高时,微液珠中单体很可能在没被机械破碎或刚被机械破碎时被引发聚合,然而形成饼状,不能被进一步的剪切作用破碎。
2.2.2 搅拌速度
固定其它条件,考察了搅拌速度对体系成球性能及对微凝胶粒径的影响(表2)。当搅拌速度较低时,不能得到微凝胶,产物为粘性饼状。加快搅拌速度,聚合物才可以成球。从表2中看出,随着搅拌速度的增大,微球粒径不断减小。搅拌的目的是产生剪切作用,克服油水界面张力,使分散相液层分散成液滴。搅拌速度较低时,剪切作用较小,不足以克服油水界面张力,不能使分散相液层分散成液滴,故不能成球。提高搅拌速度,水相受到足够大的剪切作用,被分散成小液滴,导致微球的形成,且搅拌速度越高,液滴分散得越细,故微球的平均粒径越小,但当搅拌速度较高时也不能成球。
2.2.3 分散剂
Span系列是疏水性表面活性剂,本聚合体系是油包水型(W/O)悬浮体系,故选用Span系列表面活性剂作为分散剂。本实验选Span-80做分散剂,因为其HLB值与体系中油水两相的界面张力比较匹配,或者说Span-80能够有效地减小油水两相的界面张力使水相层分散成液滴(在搅拌作用下),而且Span-80分子能较好地在水相液滴周围形成保护膜,起到保护分散相的作用,有利于共聚物微球的形成。
以Span-80为分散剂,固定其它条件,考察了改变Span-80的用量对微凝胶粒径的影响(表3)。从表中看出,增加分散剂用量,平均粒径逐渐减小。随着Span-80的用量增加,不但能进一步减小油水两相之间的界面张力,使水相以更微小的液滴形式分散在油相中(在搅拌作用下),而且会使吸附在两相界面处的保护膜变厚,充分保护分散相的液滴不发生聚并,故有利于聚合物交物微球粒径的减小。
2.2.4 油水两相比例
固定其它条件,改变油水两相之比制备了共聚物微凝胶,考察了油水相比对体系成球性能及对微凝胶粒径的影响(表4)。可以看出,在较小油水两相重量比(如油相/水相(w/w)<8∶1)时,不能得到微球,产物为粘性饼状;而当油水两相比过大时(如高于14/1),也得不到微球,产物为白色粉末。当油水两相之比处于合适的范围内时,聚合物才可以成球,从表中看出,随着油水两相比的增大,聚合物颗粒的平均直径不断减小。这是因为随着油水两相比的增加,单位体积连续相中分部的分散相液滴减少,相互碰撞的几率减小,降低了液滴聚并的几率,最终使聚合物颗粒的平均粒径减小。
2.3 微凝胶温度及pH敏感性测试
2.3.1 微凝胶温度敏感性测试
图2为微凝胶在室温下去离子水中(a)及冰水中(b)的形态,从图中明显可以看出,图2(b)中微凝胶的粒径明显比图2(a)中微凝胶的粒径大,并通过测微尺的光学显微镜(XSZ型)测定微凝胶的粒径,按(1)式计算其平均粒径,(a)中微凝胶的平均粒径为800μm,而(b)中微凝胶的平均粒径为958μm,由此表明,微凝胶对温度具有良好的敏感性。
2.3.2 微凝胶pH敏感性测试
图3为微凝胶在室温下去离子水中(a)及pH=10溶液中(b)的形态,从图中明显可以看出,图2(b)中微凝胶的粒径明显比图2(a)中微凝胶的粒径大,并通过测微尺的光学显微镜(XSZ型)测定微凝胶的粒径,按(1)式计算其平均粒径,(a)中微凝胶的平均粒径为800μm,而(b)中微凝胶的平均粒径为1324μm,由此表明,微凝胶具有良好的pH值敏感性。
3 结 论
(1)采用反相悬浮聚合法制备了微凝胶,制备出球形良好、粒径分布均匀、得率较高的微凝胶的最佳工艺条件为:加速剂用量为1.0μL/mL,分散剂用量7%(在分散相中的质量含量),搅拌速度500rpm,油水两相比例=10/1(W/W)。
(2)通过观察微凝胶在不同条件下的形状及粒径变化,结果表明,微凝胶具有良好的温度敏感及pH敏感性。
参考文献
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pH敏感性 篇4
本文采用不同浓度的乙醇溶液作为反应介质,以N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)为交联剂,安息香双甲醚作为光引发剂,紫外光照下,使NIPAM与单体MAA共聚,制备了温度与p H快速响应性聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸)[P(NIPAM-coMAA)] 水凝胶,探讨了该凝胶的形成机理,研究了不同浓度的乙醇溶液对凝胶性能的影响。
1 实验
1.1 主要试剂与仪器
N- 异丙基丙烯酰胺(NIPAM,AR),甲基丙烯酸(MAA,AR),安息香双 甲醚(BDK,AR),N,N’- 亚甲基双丙烯酰胺(BIS,AR),其余试剂均为分析纯。实验用水为自制蒸馏水。
DZF6020型真空干 燥箱,FA1004型电子天平,SYP-Ⅲ型玻璃恒温水浴,JSM-840型扫描电镜,AVATAR-360型傅里叶变换红外谱仪(FT-IR),紫外灯 (175W,市售 )。
1.2实验方法
1.2.1 P(NIPAM-co-MAA) 水凝胶的制备
称取260.0 mg单体NIPA,以及一定量的BDK、交联剂BIS,于5 m L的玻璃具塞试管中,用微量进样器量取一定量的MAA注入试管,并移取2 m L乙醇溶液(乙醇溶液的初浓度分别为20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%),用力震荡 使固体全 部溶解。通入氮气大约8min,以排出全部氧气(因为氧气是阻聚剂)。用塞子盖紧,将试管放在距紫外灯5cm的地方进行光照聚合,反应在室温下进行。反应完全后,终止光照。得到的凝胶依次编号为Gel 0.2、Gel0.3、Gel 0.4、Gel 0.5、Gel 0.6、Gel 0.7、Gel 0.8。取出凝胶,先用去离子水反复冲洗数遍,然后再将凝胶置于去离子水中浸泡,每隔24h换水1次,以除去未反应的杂质。4d后将凝胶切片,真空烘干,编号,置于干燥器中待用。
1.2.2 P(NIPAM-co-MAA) 水凝胶的红外分析
取少量凝胶,在70℃的真空烘箱中充分干燥并研磨,用KBr压片,测定其在400~4000 cm-1的红外光谱。
1.2.3 P(NIPAM-co-MAA) 水凝胶的形态观察
为了防止凝胶样品在干燥过程中孔洞结构遭到破坏,观察不到其真实的形态,本实验将凝胶于液氮中冷冻24h,然后低温真空干燥6h,最后取凝胶新鲜的断面喷金,通过扫描电镜在20k V下观察其微观形貌。
1.2.4 P(NIPAM-co-MAA) 水凝胶溶胀率测试
将恒温水浴设定为初始温度12℃,将切片溶胀平衡后的凝胶置于恒温水浴中,每隔60min升温1次,刚开始每次升高2℃,在接近33℃时,每次升高1℃。用滤纸拭干凝胶表面的水后称重,分别记下凝胶的质量。重复上述过程,直至凝胶质量变化很小为止。水凝胶的溶胀率SR由式(1)求得。
式中,ms是不同温度下充分溶胀的水凝胶的质量,md是真空干燥后干凝胶的质量。
1.2.5 P(NIPAM-co-MAA) 水凝胶退胀率测试
将在室温下达到溶胀平衡的样品投入温度60℃的恒温水中,每隔一定时间用滤纸拭干凝胶表面的水后称重1次,直至样品质量基本不变为止。水凝胶的退涨率WU由式(2)求得。
式中,mt是时间t时水凝胶的质量,md是真空干燥后干凝胶的质量。
1.2.6 P(NIPAM-co-MAA) 水凝胶 p H 敏感性测试
首先,用盐酸、冰乙酸、乙酸钠、氨水和氯化铵配置p H分别为2.0、4.0、9.0、12.0的缓冲溶液,其p H用p HS-25C数显酸度计测定并校准,用Na Cl溶液将其离子强度统一调至0.10 mol·kg-1,然后,取在20℃蒸馏水中溶胀平衡后体积大致相同的小块凝胶,分别放入上述p H缓冲溶液中,每隔12 h取出,用湿的滤纸快速擦去其表面的水分并称重,直到恒重为止;最后,将其放入80℃真空烘箱中,干燥12 h至恒重,并按照公式(1)计算其平衡溶胀比(SR)。
2 结果与讨论
2.1 P(NIPAM-co-MAA) 水凝胶的制备
实验表明,P(NIPAM-co-MAA) 凝胶很容易合成,在紫外光照射下,1h后,生成凝胶,并出现颜色的差别。80%、70% 与60% 的乙醇溶液制得的凝胶为无色透明状,20%、30%、40% 与50% 的乙醇溶 液制得的凝胶为白色不透明状。尽管线形的P(NIPAM-coMAA) 也是水溶性的,但是由于它在乙醇和水溶液中的溶解度不同,当它溶解在混合溶液中时在二者中的分配不同,形成非均匀相。当乙醇浓度较高时,P(NIPAM-co-MAA) 高分子链能够较充分伸展,不会发生蜷曲形成核,所形成的凝胶内部结构均匀,因而呈透明状;但当反应介质中乙醇浓度等于或小于50% 时,凝胶内的高分子链得不到充分的伸展,被迫发生蜷曲,相互缠绕在一起,结果形成一个核。而随着聚合与交联的进行,由于生成的凝胶发生持续的相分离,导致新核不断地出现,这些核的聚集导致凝胶变为白色不透明状,同时在凝胶内生成不均匀的孔网络结构。
2.2 P(NIPAM-co-MAA)水凝胶的红外光谱分析
我们可以看出7个样品的红外图基本相同,表明它们具有相同的结构。1637.61 cm-1处为酰胺Ⅰ带,是C=O的吸收峰;1560.28 cm-1是酰胺Ⅱ带 -NH的面内弯曲振动峰;2973 cm-1左右的峰是甲基和次甲基的C-H振动峰;1417cm-1附近为C-H的不对称弯曲振动峰。1346cm-1附近为 -CH(CH3)2中双甲基的对称振动耦合分裂峰,再加上1130.75cm-1处的C-C骨架振动吸收峰,可以证明 -CH(CH3)2的存在。1271.46cm-1处为C-O的伸缩振动峰。由此说明该聚合物为N-异丙基丙稀酰胺与甲基丙稀酸的共聚物。
2.3 P(NIPAM-co-MAA) 水凝胶的微观形态
凝胶的微观形态如图2所示,Gel 0.2内部形成许多微孔,Gel 0.4分子链发生卷曲,但是并未形成孔洞,Gel 0.6的内部出现的孔洞比较明显。Gel 0.8内部孔洞更大,并且相互贯穿。水凝胶的孔洞网络结构为水分子提供了较大的接触面积和进出的通道,很大程度上减小了水分子在水凝胶中的扩散阻力,同时也为水分子提供了巨大的容纳空间。
2.4 P(NIPAM-co-MAA)水凝胶的溶胀性能测试
图3是P(NIPAM-co-MAA) 水凝胶的溶胀率曲线。由图3可以看出,由不同浓度的乙醇溶液作溶剂而制得的凝胶的溶胀性能不同。当乙醇浓度为50% 时,凝胶为不透明状,随着乙醇浓度的降低,溶胀率依次降低。但是当乙醇浓度降低到20% 时,凝胶的溶胀率反而得到很大的提升。结合凝胶的电镜扫描图可以看出,当乙醇浓度降低至20% 时,此时形成细密的互相贯通的小孔,当乙醇浓度为40%时,凝胶内的高分子链发生卷曲,致使表面凹凸不平,但是此时还没有形成孔洞,随着乙醇浓度的增加,逐渐形成较大的孔洞。可以看到,当乙醇浓度为60% 时,形成的孔洞明显大于Gel 0.2的凝胶。这样的大孔洞更有利于水分子快速地进出,所以凝胶的溶胀率得到极大的提升,当乙醇浓度为80% 时,凝胶的溶胀率最大。
2.5 P(NIPAM-co-MAA) 水凝胶的退胀性能测试
将在20℃蒸馏水中充分溶胀的凝胶转移到60℃的热水中时,凝胶开始收缩并失水,其退胀曲线见图4。随着反应介质中乙醇浓度的增加,凝胶的退胀速率加快,退胀率升高,和前面溶胀率的变化一致。当凝胶放在60℃的热水中时,高分子链之间的氢键遭到破坏,疏水作用占主导,高分子链开始聚集,导致凝胶网络收缩而发生退胀。对于有孔结构的凝胶,因其孔洞结构有利于其内部的自由水快速地析出,因此其退胀速率较快。
2.6 P(NIPAM-co-MAA) 水凝胶的 p H 敏感性研究
图5是凝胶在不同p H值缓冲溶液中24 h后的溶胀情况。从图5可以看出,该水凝胶为阴离子型p H敏感凝胶,并具有较高的p H敏感性。在乙醇浓度大于30% 时,凝胶的溶胀率呈递增状态。凝胶在p H=2.0的缓冲溶液中溶胀率很小,甚至不溶胀,随着p H值的增大,凝胶的溶胀率开始增大。当p H值增大至9.0时,溶胀率达到最高值。随着p H值继续增大,溶胀率开始降低。这是因为在酸性缓冲溶液中,由于H+浓度较高,抑制了亲水基团 -COOH和酰胺基 (-CONH) 的解离,所以水凝胶的亲水性变弱。而在强碱性缓冲溶液中,可能是由于未被交联的酰胺基 (-CONH) 上的氢原子会和凝胶网络上的氧原子形成氢键,致使网络坚实而水分子不易进入,所以凝胶的溶胀率有所下降。
3 结论
1)采用不同浓度的乙醇水溶液作为反应介质,成功制备了温度与p H快速响应性P(NIPAM-coMAA) 水凝胶。
2)当反应介质中C(乙醇)≤20% 时,凝胶内部形成微小互通的小孔,当反应介质中C(乙醇)>20% 并且C(乙醇)≤50% 时,凝胶内部高分子链发生卷曲,有很明显的聚集状态,但是没有形成孔状结构;当反应介质中C(乙醇)≥60% 时,形成不均匀的孔,孔明显增大。因为时间关系,没有研究C(乙醇)> 80% 的情况。
pH敏感性 篇5
1 实验部分
1.1 原料
主要原料:木薯淀粉 (食品级) 、丙烯酸 (AA) 、甲基丙烯酸 (MA) 、甲基丙烯酸丁酯 (BMA) 、甲基丙烯酰氯、无水吡啶、无水乙醇、冰乙酸、过硫酸钾、过硫酸铵、硫化钠均为分析纯。
1.2 仪器及设备
循环水多用真空泵 (SHB-III型) , 上海比朗仪器有限公司;恒温水浴锅 (B-220型) , 上海亚荣生化仪器厂;集热式磁力加热搅拌器, 金坛市医疗仪器厂;旋转蒸发仪 (RE52CS型) , 上海亚荣生化仪器厂;电热鼓风恒温干燥箱, 艾德生仪器有限公司;扫描电子显微镜 (S-3000N型) , 日立;微波合成仪 (XH-MC-1型) , 北京祥鹄科技发展有限公司;傅立叶变换红外光谱仪 (TENS) , 德国布鲁克公司;电子天平, 北京塞多利斯仪器有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 水凝胶的合成
参照文献[7,8]制备交联剂4, 4′-二 (甲基丙烯酰胺基) 偶氮苯。
在三口烧瓶中将木薯淀粉溶于去离子水中, 在60℃, 800W条件下糊化2min, 后冷却至室温, 形成均相溶液。将丙烯酸和甲基丙烯酸丁酯溶于二甲基亚砜中, 搅拌均匀后一并加入上述木薯淀粉溶液中, 最后, 向该混合液加入引发剂过硫酸钾及交联剂4, 4′-二 (甲基丙烯酰胺基) 偶氮苯, 并置于微波合成器均匀搅拌直至反应形成凝胶。
1.3.2 水凝胶的纯化
称取接枝粗产物, 用无水乙醇作溶剂进行浸泡, 隔一定时间更换新的溶剂, 后用蒸馏水浸泡3d, 以除去乙醇及未反应的丙烯酸, 最后将余物置60℃下烘干至恒重, 即得纯接枝共聚物。接枝率及接枝效率按照下列公式计算[9,10]。
式 (1) 、 (2) 中, GR为淀粉的接枝率, g;GE为淀粉的接枝效率, g;M0为淀粉的质量, g;M1为粗产物的质量, g;M2为精产物的质量, g。
1.3.3 水凝胶的红外 (FTIR) 测试
将经过干燥的样品和KBr (质量比1∶100) 混合均匀, 并研磨至粒度小于0.2μm, 置于磨具中于8MPa下压片, 用红外光谱分析仪扫描后得到样品的红外光谱图。
1.3.4 水凝胶的扫描电镜 (SEM) 观察
将制得的共聚物经冷冻干燥后切成直径1mm左右小颗粒, 置于铜台上, 真空喷金, 在加速电压15kV下检测。
1.3.5 降解率及溶胀率测定
溶胀率[11]:将一定干重的凝胶于60℃干燥, 使其达到平衡, 称重 (wd) 。在37℃条件下将此干燥的凝胶分别浸入pH值为2、6.8、7.4的PBS缓冲溶液中, 每隔预定的时间取出1次, 直至溶胀到恒重, 并用滤纸充分吸干表面的水分称重 (WS) 。并通过下式计算水凝胶在不同时间和pH环境下的溶胀率 (SR) 。
降解率:将干燥恒重 (W1) 的凝胶加入至pH=2的PBS缓冲溶液中溶胀1h, 取出并浸入含有α-淀粉酶的pH=6.8的PBS缓冲溶液中 (以不含α-淀粉酶的PBS缓冲溶液做对照) , 将其置于37℃水浴中, 每隔一定时间取出凝胶, 放入干净的蒸馏水中浸泡, 然后于60℃烘箱中干燥至恒重, 称量 (W2) 。凝胶降解率 (DR) 根据下式计算。
2 结果和讨论
2.1 水凝胶的红外解析
通过对淀粉和水凝胶进行红外 (FT-IR) 测试得知:淀粉在3424cm-1、2930cm-1、1637cm-1、1381cm-1和1157cm-1处有强的吸收峰 (图1-A) , 其中3424cm-1处为分子间氢键O-H的伸缩振动, 2930cm-1处为饱和C-H的伸缩振动, 1637cm-1处为羰基C=O吸收峰, 1381cm-1处为C-C的弯曲振动吸收峰, 1157cm-1处为淀粉中糖苷键C-O-C的特征吸收峰;3443cm-1吸收峰为N-H伸缩振动引起的, 800cm-1处为N-H面外弯曲振动, 1524cm-1处为N-H的变性振动, 2929cm-1吸收峰为羧酸的O-H伸缩振动引起的, 1703cm-1处为羰基C=O强的宽吸收峰, 2962cm-1处为甲基C-H的伸缩振动, 1454cm-1处为C-N的伸缩振动, 3424cm-1处未出现分子间氢键O-H的吸收峰 (图1-B) , 说明淀粉上的羟基被破坏, 由上述可以判断, 单体接枝到了淀粉上。
(A为淀粉, B为水凝胶)
2.2 水凝胶的表观形貌
通过对水凝胶扫描电镜 (SEM) 观察发现凝胶的表面呈突起的泡状 (图2a) , 可能由于水凝胶在除去均聚物的过程中, 依次要经过有机试剂和蒸馏水的处理, 在此期间, 凝胶内部的网孔吸收水而溶胀, 在干燥过程中, 其内部网孔中的水蒸发, 因此出现突起;此外凝胶内部有均匀的三维网状结构 (图2b) , 这是因为在形成凝胶时, 有共价键形成, 温度急剧升高, 热量向外释放过程中, 凝胶形成网状结构;然将淀粉加入水中, 升高温度, 只是将淀粉的支链展开, 使淀粉易溶于水, 而未发生化学反应, 所以不存在能量的释放, 因此不会出现网状结构, 如图2c表面光滑, 图2d未出现明显的孔状结构。
2.3 温度、引发剂、单体比例和功率对水凝胶接枝率及接枝效率的影响
温度的影响:随着温度升高, 接枝率和接枝效率先逐渐升高后下降 (图3a) :70℃时, 接枝率和接枝效率分别为308%、72%, 80℃时, 淀粉接枝率、接枝效率分别达到355%、79%, 90℃时, 接枝率和接枝效率均下降, 原因是温度升高、自由基形成加速, 此外, 淀粉链端与单体充分接触有利于接枝反应。当温度更高时, 由于反应太快, 形成的凝胶不均匀, 反应剧烈, 凝胶内部温度急剧升高, 无法控制, 部分反应物未来得及反应。同时, 随着温度的升高, 链长延长的同时, 链终止反应的加速导致均聚物也随之增加, 降低了接枝效率。
引发剂的影响:随着引发剂的增加, 接枝率和接枝效率均上升, 引发剂量为0.15g时, 接枝率、接枝效率均达到最大, 此时接枝率和接枝效率分别为355%、76%, 随着引发剂量增大, 其效率逐渐下降 (图3b) , 原因是:随着引发剂的增加, 自由基随之增多, 更多单体接枝到淀粉骨架结构上的活性中心, 单体链长增加较快, 因此接枝率也增加。然过量的引发剂增加了活性中心数量, 均聚反应加剧, 同时, 过多的自由基自身相互键合, 消耗了自由基, 对提高接枝率和接枝效率不利, 故引发剂量继续增大时, 接枝率和接枝效率快速下降。
单体比例的影响:随着单体配比的增加, 接枝率和接枝效率先增加后降低, 单体配比在1.7时, 接枝率和接枝效率均达到最大, 分别为305%、68% (图3c) , 可能的原因是当单体较少时, 不足与淀粉分子上的活性中心反应, 随着单体比例增加, 单体与活性中心接触概率增大, 因此接枝率和接枝效率增大, 但是随着单体浓度继续增大, 由于淀粉活性中心有限, 单体过量, 导致单体自身发生均聚, 其中丙烯酸的均聚反应较为强烈, 所以均聚反应会影响淀粉与单体的聚合反应, 进而使接枝率和接枝效率下降。
[a为共聚物的表面SEM图;b为凝胶的断面SEM图;c为木薯淀粉糊的表面SEM图;d为木薯淀粉的断面SEM图]
功率的影响:随着微波功率的增加, 接枝率和接枝效率相应的增加 (图3d) , 原因是, 随着功率的增加, 聚合反应的温度升高, 生成自由基的速率加快, 淀粉与接枝单体接枝的速率和效率也相应加快, 然功率增加到900W时, 接枝率和接枝效率分别下降至251%、63%。在本研究中, 反应温度为80℃, 功率达到800W的时候, 反应在30s内即可完成, 当功率继续升高, 达到900W, 自由基反应增加, 聚合反应剧烈, 部分反应物甚至喷出反应器, 故反应接枝率下降。
2.4 pH对水凝胶溶胀性能的影响
在pH=2缓冲溶液中, 凝胶的溶胀平衡率为311% (图4) , 因为制备的凝胶网络中含有酸性基团羧基-COOH, 水凝胶的溶胀性能受离子强度的影响;在pH<4的酸性环境中, 基团不会发生电离, 整个网络中的高分子链相互缠绕呈收缩状态。此外, PAA的链联合起来形成了链间和链内的氢键, 氢键又自身形成链, 网络空间变小, 因此溶胀率较低[12,13,14,15];当pH>4, 如pH=6.8, 酸性基团羧基开始电离成羧化物, 溶胀率有所增加, 但是由于凝胶网络中含有疏水的侧基酯基, 因此溶胀率增加不多, 在pH=7.4的缓冲溶液中, 凝胶网络中的离子充分解离, 形成亲水的碱性基团, 此时溶胀率急剧增加, 达到1285%。
(A为含有α-淀粉酶;B为不含α-淀粉酶)
2.5 淀粉酶对水凝胶降解性能的影响
凝胶在含有α-淀粉酶的pH=6.8的PBS缓冲溶液中12h后, 降解率即达到2.17%, 24h后, 降解率增加到2.39%, 随着时间延长, 降解率逐步上升, 72h后, 降解率达到4.61%, 96h后, 降解率仅为6.26% (图5) 。在人体小肠, 尤其十二指肠, α-淀粉酶浓度很高, 淀粉极容易被淀粉酶降解为单糖而进入血液, 供给机体能量。将淀粉接枝单体以后, 淀粉的链端发生变化, 发现其降解率也随之降低。一般食物在胃中的运行时间不定, 从15min到12h不等, 而在小肠的运行时间只有3~4h。因此将淀粉基水凝胶作为药物载体, 可以避免淀粉在小肠部位降解使药物大量释放。
3 结论
(1) 通过对合成的共聚物的结构进行表征, 结果表明, 已成功制备了水凝胶。
(2) 对其性能进行研究, 在pH=2的缓冲溶液中, 凝胶的平衡溶胀率为311%, pH=7.4的缓冲溶液中, 平衡溶胀率达到了1285%, 结果认为所制备的水凝胶具有pH敏感性。
pH敏感性 篇6
近年来,人们对可用于生物医用材料的水凝胶进行了大量的研究,尤其是具有环境敏感性的智能水凝胶受到了广泛的关注[1,2]。合成高分子的环境敏感性水凝胶材料易获得,且可塑性强,成为制备智能水凝胶的主要原料。但大部分合成高分子都存在细胞毒性、生物相容性低或不可降解性等缺点,限制了其应用,而很多天然高分子材料在这个方面却显示了独特的优势。因此,很多学者转向于采用天然高分子为原料制备智能水凝胶,如使用壳聚糖、蛋白质等为原料制备水凝胶。
胶原是哺乳动物体内含量最丰富的蛋白质,其由于独特的三股螺旋结构特点而具有良好的生物相容性、可生物降解性及促进细胞生长等特性[3],近年来在生物医用材料和高分子复合材料等方面的应用备受关注。然而,胶原在应用中还存在一些问题,如热稳定性等不能满足需要[4],因此需要通过改性来改善这些不足。IPN技术是近年发展起来的一种对聚合物进行改性的方法,其特有的强迫互容作用能使两种性能差异很大或具有不同功能的聚合物稳定结合,从而实现组分之间性能的互补;同时IPN 的特殊细胞状结构、界面互穿和双相连续等结构形态特征,又使得它们在性能或功能上产生特殊的协同作用,因此IPN 用作功能材料具有独特的优点[5]。
本实验的目的是想通过具有明显pH敏感性的丙烯酸与胶原通过互穿网络进行交联,制备出既具有胶原的良好生物相容性和可生物降解性又具有明显pH敏感性的水凝胶,并研究了其结构特征及理化性能。
1 实验
1.1 试剂及仪器
胶原(实验室自制,胃蛋白酶醋酸法提取);丙烯酸(AR,天津市博迪化工有限公司);过硫酸钾(AR,武汉化学试剂厂);硫代硫酸钠(AR,武汉化学试剂厂);Bis (Ultra Pure Grade,上海华舜生物工程有限公司)。酸度计(pHS-3E型,成都方舟科技开发公司);真空冷冻干燥机(ALPHA1-2LD型,德国);傅立叶变换红外光谱仪(MAGNA IR560型,美国);差示扫描量热仪(DSC200 PC型,德国)。
1.2 胶原/聚丙烯酸互穿网络水凝胶的制备
取一定体积丙烯酸放入100mL小烧杯中,然后加入10mL蒸馏水,称取一定质量的KOH使丙烯酸的中和度为80%,搅拌均匀后,加入Bis和Na2S2O3,搅拌均匀,最后加入K2S2O8,搅拌均匀。称取0.2g左右的胶原海绵,放入上述溶液中,封口,再将烧杯放置冰箱(4℃)过夜,取出后放在25℃水浴中反应24h,反应组成见表1。再将制备的样品用蒸馏水浸泡24h,每隔6h更换1次蒸馏水,以除去未反应的单体,最后将处理的样品进行冷冻干燥。
1.3 不同配比水凝胶的溶胀动力学
称取相同质量的各种干凝胶,分别置于40mL蒸馏水中,每隔一定时间取出凝胶,用湿润滤纸拭去其表面的水分,称其质量,按式(1)计算凝胶的溶胀比(Swelling ratio,SR):
SR=(ms-md)/md (1)
式中:ms为溶胀状态下凝胶的质量,md为干凝胶的质量。
按式(2)计算平衡溶胀比 (Equilibrium swelling ratio, SRe):
SRe=(me-md)/md (2)
式中:me为溶胀平衡状态下凝胶的质量,md为干凝胶的质量。
1.4 水凝胶的结构表征及热分析
将冷冻干燥后的水凝胶样品和胶原海绵分别磨碎后用KBr压片,测定其红外光谱;差示扫描量热采用DSC200 PC分析系统做DSC测试 (升温速率为5℃/min)。
1.5 水凝胶的pH敏感性
用HCl和NaOH溶液配制pH值分别为1～12的溶液,然后称取一定质量的干燥水凝胶分别放入上述不同pH值的溶液中,测定其平衡溶胀比。
2 结果与讨论
2.1 胶原/聚丙烯酸互穿网络水凝胶的制备过程
胶原/聚丙烯酸互穿网络水凝胶的制备过程见图1,首先引发剂Na2S2O3和K2S2O8生成自由基SO-4·和S2O-3·,然后贯穿在胶原海绵中的丙烯酸在交联剂的作用下发生自由基聚合反应并与胶原形成互穿网络水凝胶。
2.2 胶原/丙烯酸配比对水凝胶溶胀过程的影响
在实际应用中,不仅要有较高的平衡溶胀比,而且还要有较快的溶胀速率。图2为胶原与丙烯酸的不同配比对水凝胶溶胀过程的影响,可知原料配比对溶胀速率的影响不大,但是对水凝胶的平衡溶胀比有很大影响,样品2的溶胀比最大,所以选定样品2对水凝胶结构特征进行测试。所制备的水凝胶的吸水率在13min时就可以达到93%左右,与传统的水凝胶相比,大大缩短了溶胀平衡的时间。
2.3 傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析
胶原和水凝胶样品的红外图谱见图3。
其中3332cm-1为酰胺键峰A(N-H),3077cm-1为酰胺键峰B(C-H),1667cm-1为酰胺峰Ⅰ(C=O),1548cm-1为酰胺峰Ⅱ(N-H)。而样品中胶原与丙烯酸形成互穿网络后,酰胺键峰A由3332cm-1移至3321cm-1高频率方向,表明有氢键形成,同时表明胶原与丙烯酸发生了交联,使胶原结构更加有序。水凝胶在1667cm-1处也有强吸收峰,说明水凝胶的制备过程中保持了胶原的三股螺旋结构[6]。且水凝胶的红外图在1600cm-1附近没有出现强吸收峰(C=C),说明凝胶中不含丙烯酸单体。
2.4 水凝胶与胶原的热稳定性研究
表2为胶原和水凝胶样品的DSC分析结果。比较二者的热变性温度可知,水凝胶的热变性温度比胶原的升高了49.2℃,即水凝胶的热稳定性比胶原强很多。这表明胶原与丙烯酸之间发生交联,分子间的作用力增大,肽链的活动受到约束,发生相变化的难度增大,表现为相转变所需的热能增加和温度升高,材料的热稳定性增强,从而扩大了该材料的应用范围。
2.5 水凝胶的pH敏感性
不同配比水凝胶的pH敏感性见图4,它们均表现出明显的pH敏感性。水凝胶的这种pH敏感特性主要是由高分子网络中的-NH2和-COOH引起的。在酸性条件下,-NH2被质子化而带正电荷,此时凝胶亲水性加强,同时由于正电荷之间的静电排斥作用使整个凝胶链以伸展的构象存在,体系自由能降到最低,渗透压增大,水分子更易渗透到凝胶内,从而表现出较高的溶胀比;在碱性条件下,-COOH呈解离状态,也存在上述效应,从而也表现出较高的溶胀比。由图4可看出,在酸性条件下,不同配比的水凝胶在pH=2时溶胀比最大,在pH=1～2之间溶胀比减小,这是由于凝胶链的-COOH在较低pH值下几乎不以-COO-形式存在[7],导致亲水性和离子排斥作用下降,所以溶胀比较小;在碱性环境中,不同比例的水凝胶在pH=12时的溶胀比最大。当凝胶处于中性环境时,-COOH 部分解离形成-COO-,-NH2部分质子化形成-NH3+,正负电荷之间的作用导致凝胶收缩释放水分,从而出现最小的溶胀比。
2.6 水凝胶pH溶胀-退胀性能的研究
水凝胶在不同的pH值溶液中表现出不同的溶胀行为,研究了水凝胶在pH=2和pH=8条件下的溶胀-退胀过程,结果见图5。由图5可知,水凝胶的溶胀-退胀具有良好的可逆性,其机理与pH敏感性相同。水凝胶这种良好的pH溶胀-退胀可逆性,使其适用于药物控制释放和离子渗透性开关,并且在药物控释中还可以利用体内一些蛋白酶和微生物对胶原的降解作用进一步加快药物的释放。此外,由于-COOH和胶原对重金属都有一定的螯合作用,可利用pH敏感性通过改变pH值达到对重金属离子的最大吸收。
3 结论
以Bis为交联剂,采用互穿网络(IPN)技术制备胶原/聚丙烯酸pH敏感水凝胶,对其相关制备过程和性能进行了研究,得到以下结论。
(1)红外光谱和差示扫描量热法分析表明,在水凝胶的制备过程中保持了胶原的三股螺旋结构,且胶原与丙烯酸形成互穿网络后,使胶原肽链的活动受到约束,材料的热稳定性显著提高,从而扩大了材料的应用范围。
(2)原料的不同配比对水凝胶溶胀速率影响不大,但对水凝胶的平衡溶胀比有很大影响,其中样品2的溶胀比最大。
(3)制备的水凝胶具有较快的吸水率,在13min时可达93%左右,且具有明显的pH敏感性和良好的pH溶胀-退胀可逆性,适用于药物控制释放和离子渗透性开关,并且在药物控释中可以利用体内的一些蛋白酶和微生物对胶原的降解作用进一步加快药物的释放。此外,由于-COOH和胶原对重金属都有一定的螯合作用,可利用pH敏感性通过改变pH值达到对重金属离子的最大吸收。
参考文献
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[3]李国英,张忠楷,雷苏,等.胶原、明胶和水解胶原蛋白的性能差异[J].四川大学学报(工程科学版),2005,37(4):54
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