pH敏感释放范文
pH敏感释放范文（精选7篇）
pH敏感释放 第1篇
紫杉醇是从红豆杉树中提取的一种高效、低毒、广谱、作用机制独特的天然抗癌原料药,也是目前所了解的唯一一种可以促进微管聚合和稳定已聚合微管的药物,其能够治疗卵巢癌、乳腺癌,对铂类等已有抗药性的顽固性卵巢癌亦有效,也可用于治疗肺癌、头颈部癌、食管癌、生殖细胞肿瘤、子宫内膜癌、淋巴瘤、膀胱癌等。现已经证实在诸多有抗癌活性的紫杉烷类化合物中,紫杉醇的抗癌活性最强。紫杉醇为白色结晶粉末、不溶于水,而难溶于水的药物可通过疏水增溶作用有效地物理负载入和稳定在胶束疏水性内核中[7,8]。
本研究选用pH敏感型聚合物聚丙烯酸(PAA)改善温敏型聚合物聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)的LCST,使其在不同的pH值下具备较宽的温度敏感性行为,即使其在血液循环环境中的LCST高于生理温度,而在癌变环境中的LCST低于人体温度,并以此pH-温度多重响应性聚合物作为亲水外壳制备一系列两亲性嵌段胶束,所合成的嵌段聚合物具有生物相容性和环境敏感性。
1 实验
1.1 试剂和仪器
N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM),美国ACROS化学试剂公司,用无水乙醇重结晶后使用;苯乙烯、溴苯、四氯化碳、2-溴丙酸,北京化学试剂公司,其中苯乙烯减压蒸馏后使用;丙烯酸(AA),北京市兴津化工厂,减压蒸馏后使用;甲基丙烯酸甲酯(MMA)、镁粉、二硫化碳(CS2),国药集团化学试剂有限公司,其中甲基丙烯酸甲酯减压蒸馏后使用;三乙基硼氢化锂,英国阿法埃莎化学有限公司;偶氮二异丁腈(AIBN),天津光复精细化工研究所,用无水乙醇重结晶后使用;N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、1,4-二氧六环、无水乙醚、无水乙醇、正己烷、四氢呋喃、甲醇、氢氧化钠、盐酸,北京化工厂,其中1,4-二氧六环减压蒸馏后使用;紫杉醇,北京华奉联博科技有限公司。
AL104型电子天平,梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;DGG-9000B型电热恒温鼓风干燥箱、DZG-6000型电热真空干燥箱,上海森信实验仪器有限公司;LT-105型冷冻干燥机,上海斯高勒生物科技有限公司;80-2型电动离心机,江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;85-2型磁力搅拌器,上海司乐仪器有限公司;DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器,巩义市予华仪器有限责任公司;RE-52C型旋转蒸发器,郑州市亚荣仪器有限公司;KH3200B型台式超声波清洗器,昆山禾创超声仪器有限公司;PB-10型pH计,北京顺杰欣隆科技有限公司;2XZ-2型真空泵,浙江黄岩求精真空泵厂。
1.2 链转移剂二硫代苯甲酸甲基苄酯(PEDB)的合成
链转移剂二硫代苯甲酸甲基苄酯(PEDB)的合成有很多报道[9],具体合成路线见图1。将0.5mL溴苯和1.2g镁粉(0.05mol)投入到100mL三口烧瓶中,以30mL四氢呋喃作为溶剂,用氮气排氧30min后升温至45℃,待反应引发后,不断搅拌下向体系缓慢滴加4.5mL溴苯(滴加15min),溶液变为黑灰色,镁条表面有气泡冒出,在氮气环境下搅拌反应2h。反应结束后将溶液移入冰水浴,强搅拌下向三口瓶中缓慢逐滴滴加3mL CS2,溶液立即变为红棕色,继续在冰水浴中搅拌反应3h,向得到的溶液加入1.0mol/L的盐酸酸化,除去未反应的镁粉。所得溶液加入500mL冰水和500mL乙醚萃取3次,通过减压蒸馏去除乙醚溶剂,得到暗红色的二硫代苯甲酸。将得到的二硫代苯甲酸和苯乙烯混合在四氯化碳溶剂中,通入氮气30min除氧,在氮气环境中70℃搅拌反应7h,反应产物经过旋转蒸发除去溶剂得到粗产品。粗产物在正己烷和乙醚作洗提液条件下经200目硅胶柱提纯3次,减压蒸馏蒸去溶剂即得到深红色粘稠的链转移剂PEDB。
1.3 大分子链转移剂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA-CAT)的合成
以PEDB作为链转移剂通过可逆加成-断裂链转移自由基聚合法制备大分子链转移剂PMMA-CAT,具体合成路线见图2。将单体MMA (0.2mol)、引发剂AIBN和链转移剂PEDB投入到100mL三口烧瓶中,以DMF作为溶剂将其溶解,通氮气30min除氧,整个反应在氮气环境中于80℃油浴下搅拌反应10h,反应结束后在冰水浴中冷凝,得到的产物旋转蒸发除去大部分溶剂后逐滴加入到过量的无水甲醇中进行沉淀,得到的沉淀用无水甲醇清洗数次后用0.22μm的微孔滤膜过滤,最后在50℃真空干燥得到大分子链转移剂PMMA-CAT粉色粉末。
1.4 嵌段共聚物PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)的合成
同样采用可逆加成-断裂链转移自由基聚合法合成嵌段共聚物PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM),具体合成路线见图3。以PMMA-CAT作为链转移剂,AIBN为引发剂,将NIPAM、AA、AIBN、PMMA-CAT溶解在DMF中,通氮气排氧30min,于氮气保护下80℃油浴中搅拌反应24h合成末端带有硫酯基团的嵌段共聚物PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)[10]。反应结束后,用过量的无水乙醚对产物进行沉淀,并将得到的沉淀用无水乙醚清洗数次以除去杂质,用0.45μm的微孔滤膜过滤后真空干燥24h,得到嵌段共聚物PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)。
通过调节链转移剂PMMA-CAT与单体AA、NIPAM的比例可以调节聚合物各个链段的长度比例,表1为调节聚合单体AA、NIPAM的比例得到的两种不同链段长度的嵌段共聚物PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)。
1.5 共聚物胶束的制备
称取20mg PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)溶解于10mL DMF中,搅拌1h溶解均匀后向溶液中逐滴加入50mL去离子水,待溶液浑浊后装入截流分子量为8000g/mol的透析袋中,在20℃去离子水中透析,每隔2h换1次水,透析24h,得到的产物用孔径为0.45μm的微孔滤膜过滤,经冷冻干燥得到胶束的白色粉末。
1.6 负载紫杉醇胶束的制备
负载紫杉醇胶束同样采取溶剂诱导法制得,即将5mg紫杉醇、10mg PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)胶束一起溶解在5mL DMF溶液中,混合溶液在室温下搅拌2h充分溶解后,向溶液中逐滴慢速地加入去离子水,至溶液开始浑浊后装入截留分子量为8000～10000g/mol的透析袋中,室温下于500mL蒸馏水中透析,每2h换1次水,并测透析液227nm处的紫外吸收以观察未载上药物的残存情况,当透析液227nm处无紫外吸收时将透析袋中的溶液以3000r/min离心15min,所得产物进行冷冻干燥,得到负载紫杉醇的胶束[11]。收集透析液,定量到一定体积测其紫外吸收,根据PTX/C2H5OH(无水)标准曲线算出未负载紫杉醇的质量,由式(1)、(2)算出负载紫杉醇量和负载紫杉醇效率[12,13]。
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1.7 负载紫杉醇胶束的释放
1.7.1 温度对释放的影响
将20mg负载紫杉醇的聚合物胶束溶解在透析袋中,在一定的pH值下,分别在25℃、37℃和40℃的磷酸盐缓冲溶液(PBS)中透析,透析过程中,每隔一定时间从透析袋中取5mL溶液,然后立即用5mL缓冲液补充。通过测定溶液在波长227nm处的紫外吸收计算在不同温度下胶束释放出的紫杉醇的量。紫杉醇的累积释放量由式(3)计算得出:
Cumulative release(%)=(Mt/M0)100% (3)
式中:Mt为t时刻释放的紫杉醇量,M0为紫杉醇的负载量。
1.7.2 pH值对释放的影响
准确称量3份20mg负载紫杉醇的聚合物胶束溶于透析袋中,分别用200mL pH值为2.0、4.2、5.5、7.0的缓冲液作释放介质,置于37℃的恒温箱中,以200r/min搅拌。在设定的时间间隔内用移液管取出5.0mL溶液,同时补进相同体积的溶液。通过测定溶液在227nm处的紫外吸收计算在不同pH值下胶束释放的紫杉醇的量。
1.8 测试与表征
1.8.1 聚合物的结构表征
采用Nicolet 8700型傅里叶红外光谱仪测定聚合物的红外光谱,KBr研磨压片。采用Bruker AVANCE 600型核磁共振谱仪测定1H核磁共振谱图,以氘代氯仿为溶剂。采用Waters1515型凝胶渗透色谱仪测定聚合物的分子量及分子量分布,以一系列窄分子量的聚苯乙烯为标样校准,四氢呋喃(THF)为流动相,流速为1.0mL/min,色谱柱采用HT3-HT5-HT6E三柱联用, Millennium32为数据采集系统。
1.8.2 聚合物胶束的结构表征
使用JEM-2011透射电子显微镜测定嵌段共聚物胶束的形态与尺寸分布。将新制备的嵌段共聚物胶束水溶液用超声波清洗器超声分散30min,取适量胶束的分散液,滴在铜网上,干燥后用3%(质量分数)磷钨酸水溶液染色,观察胶束的形态。
1.8.3 聚合物及聚合物胶束的性能测定
采用荧光探针(探针为芘)测定聚合物的临界胶束浓度(CMC)。通过稀释法配制一系列质量浓度的聚合物溶液((0.5～2.5)10-4mg/mL)各5mL。用微量进样器向不同浓度的聚合物溶液样中加入5μL 芘的浓度为510-5mol/L的丙酮溶液,自然挥发掉样品中的丙酮后,静置24h,使芘能够充分进入疏水微区。采用F-4600型荧光分光光度计(波长范围200～750nm,扫描速度30000nm/min,波长移动速度60000nm/min)测定芘在聚合物溶液中的荧光强度。激发波长设为340nm,发射光谱范围为350～600nm,扫描速度为500nm/min,激发带宽和发射带宽为2.5nm。测定不同浓度的聚合物溶液在373nm和384nm的荧光强度I1和I3,以聚合物的浓度作为X轴,I3/I1的比值为Y轴作图,所得曲线的水平切线与变形曲线的切线的交点处的浓度值,即为聚合物的临界胶束浓度值。
使用UV-Vis 2550 PC型紫外-可见光谱仪测定聚合物水溶液的相转变温度。样品质量浓度分别为500mg/L 和300mg/L,测试温度为20～50℃聚合物的LCST值定义为透光率减小到总增量1/2时对应的温度值。
使用DynaPro NanoStar动态激光光散射仪测定不同温度下聚合物溶液的光强和流体力学直径。散射角为90°,激光波长为658nm,功率0～100nW可调,温度为4～150℃。利用CONTIN软件计算粒子在溶剂中的粒径及粒径分布。将嵌段共聚物PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)胶束在室温下均匀分散在超纯水中,通过盐酸和氢氧化钠来调节溶液的pH值,配制浓度相同(0.2mg/mL)、pH值不同的胶束溶液。取1mL上述溶液,用450nm的亲水性滤膜除尘后接入到散射池中进行测量。
1.8.4 胶束负载紫杉醇量的测定
精密称取一定量的PMMA-b-S(PAA-co-SPNIPAM)/PTX胶束于研钵中研磨,加入pH=6.86的缓冲溶液,超声30min后在50mL量瓶中定容,经0.45μm微孔滤膜过滤,测量其在波长227nm处的吸光度,代入标准曲线中计算其含量,然后根据式(1)计算得到负载紫杉醇的量。
2 结果与讨论
2.1 聚合物的结构
图4为大分子链转移剂PMMA-SCAT的红外光谱图。从图4可以看出,1658cm-1是PMMA中C=O的伸缩振动吸收峰,1240cm-1、1023cm-1是C-O-C 的吸收峰,2900cm-1是由基团-CH2或-CH3的振动引起的[14],1454cm-1处的苯环骨架振动和699cm-1、3000cm-1处的振动吸收峰(苯环上氢的伸缩振动峰)以及1023cm-1处的C=S振动峰证明确实发生了可逆加成-断裂链转移自由基聚合反应。
图5为嵌段共聚物PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)的红外光谱图,可以看出PMMA-CAT的振动峰依然存在,并且增加了NIPAM和AA的特征峰。3300～3500cm-1处的N-H键的伸缩振动、1548cm-1处的N-H键的变形振动以及1608cm-1处的C=O双键的伸缩振动均来自于PNIPAM链;而1654cm-1处的C=OOH峰和2700～2900cm-1处的羧基氢的伸缩振动峰均来自于PAA。红外测试结果证明异丙基丙烯酰胺和丙烯酸成功发生聚合反应形成了嵌段共聚物。
大分子链转移剂PMMA-CAT(以氘代氯仿为溶剂)的1H 核磁共振谱图如图6所示。化学位移为1.14的甲基峰、1.3的亚甲基峰以及3.85处连接酯基的甲基峰均来自于聚甲基丙烯酸甲酯聚合物。而5.10处的次甲基峰、7.2～7.5处的苯环氢以及8.0处与双硫酯相连的苯环上的邻位氢均来自于链转移剂PEDB,说明聚甲基丙烯酸甲酯已经通过可逆加成-断裂链转移自由基聚合成功。
图7为嵌段共聚物PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)的1H 核磁共振谱图,以氘代氯仿为溶剂。图谱上新出现的2.12的亚甲基峰来自聚丙烯酸,而化学位移在4.0处的异丙基的次甲基的质子的特征峰、化学位移为6.3～7.0处的酰胺基(-NH)均来自于聚异丙基丙烯酰胺链段,并且在8.0处的苯环上邻位氢的振动峰也说明已经成功地连接了双硫酯基团。
图8为共聚物胶束的TEM图。由图8可知,共聚物胶束在水溶液中呈球状。这是因为嵌段共聚物在水溶液中发生自组装,疏水性的PMMA发生聚集,形成球状胶束粒子的内核,而亲水性的PAA-co-PNIPAM作为外壳隔断了内核与水介质的接触,形成以PMMA为核、PAA-co-PNIPAM为壳的“核-壳”结构。该测试结果来自于干态聚合物胶束,胶束因外壳塌陷收缩可能会导致粒径变小。在所形成的球状胶束中,粒子尺寸分布较为均匀,平均粒径在200nm左右。
2.2 聚合物低临界胶束浓度(CMC)的测定
一系列含定量芘的PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)溶液由荧光分光光度计测得的荧光发射图谱如图9所示。由图9可以看出,芘的荧光强度随着聚合物溶液浓度的减小逐渐减弱,当聚合物溶液的浓度减小到一定值后芘的荧光强度基本不再发生变化。这是因为芘不溶于纯水,它在纯水中的荧光很弱,但是其在疏水相的荧光强度很强。在聚合物浓度较低时,聚合物以单聚体形式存在于水溶液中,此时只有水相,故芘的荧光强度很小;当逐渐增大聚合物溶液的浓度时,聚合物自组装成具有亲水性外壳、疏水性核结构的胶束,疏水相的出现使芘进入疏水相从而使荧光强度增强。以聚合物浓度的对数(logC)为X轴,I3/I1为Y轴作图,如图10所示,数据点的水平切线与变形曲线的切线的交点处的浓度值,即为嵌段共聚物的CMC值,由图10可得到目标聚合物的CMC值为3.2mg/L。
2.3 共聚物胶束的紫杉醇负载与释放性能研究
鉴于PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)嵌段共聚物胶束的独特的pH和温度敏感性,紫杉醇分子在PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)嵌段共聚物自组装形成胶束的过程中被包裹在胶束的疏水性核内,进一步考察共聚物胶束在不同温度和pH值环境下的控制释放行为。
2.3.1 无水乙醇中标准曲线 A=αC+β中α、β的确定
无水乙醇中不同浓度紫杉醇的吸光度如表2所示。线性回归得回归方程:A=0.0243C+0.0089,R=0.9997, T检验符合误差范围。
测试结果表明,紫杉醇在PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-1胶束中的负载量为0.87mg,紫杉醇负载率为7.3%;在PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-2胶束中的负载量为0.69mg,紫杉醇负载率为5.8%。
2.3.2 负载紫杉醇的聚合物胶束在不同温度下的释放试验
为了研究pH值和温度对紫杉醇释放行为的影响,分别在pH值为2.0、5.5、7.0的模拟环境中,于25℃、37℃和40℃考察了负载紫杉醇的聚合物胶束对紫杉醇的释放动力学行为。图11为负载紫杉醇的聚合物胶束PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-1在不同pH环境下的温度响应释放曲线。从图11可以看出,负载紫杉醇的聚合物胶束在前10h都出现高速释放的现象,而10～40h是缓慢的释放,40h后是近乎恒定的释放。在释放紫杉醇的前5h,环境pH值和温度对其影响很小,其释放量几乎相同,前5h大约有20%的紫杉醇被释放出来,这主要是因为少量的紫杉醇粘附在聚合物胶束亲水性外壳的核表面,这部分分子能在很短的时间内被释放出来。在pH=7.0时,负载紫杉醇的聚合物胶束在25℃和37℃时的紫杉醇释放曲线相似,累积释放率相差不大,分别为53%和58%,而在40℃的释放量略大,为69%。这主要是因为聚合物胶束在此环境的LCST为37.4℃,温度低于LCST时其温敏性外壳PAA-co-PNIPAM处于舒展状态;高温释放速率快主要是因为高温下分子运动更加剧烈。在pH=5.5时,负载紫杉醇的聚合物胶束在25℃、37℃和40℃的紫杉醇累积释放率分别为50%、65%、77%,在人体正常生理温度(37℃)和病变温度(40℃)下的紫杉醇释放速率比室温下快,累积释放量比室温下多。这是由于在pH值为5.5时,聚合物胶束的LCST为35.5℃,在正常和病变的生理温度下,其温敏性外壳PAA-co-PNIPAM脱水发生收缩,胶束内核受到挤压,破坏了内核与紫杉醇的弱键作用力,从而使得紫杉醇释放出来。在pH=2.0的环境中,由于聚合物胶束的LCST为31.6℃,所以紫杉醇在37℃、40℃的释放率更高,分别为79%、89%。
图12为负载紫杉醇的聚合物胶束PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-2在不同pH环境下的温度响应释放曲线。由于PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-2胶束在pH=7.0时的LCST为40.8℃,所以在此环境的3种温度下紫杉醇的释放量几乎相同,只是由于分子运动速率不同而使释放速率略有不同,其在25℃、37℃、40℃的释放率分别为47%、50%、53%。而在pH值为5.5和2.0的环境下,聚合物胶束的LCST分别为37.1℃、30.4℃,所以在常温(25℃)下的释放量要远远低于人体正常体温和病变体温下的释放量。
2.3.3 负载紫杉醇的聚合物胶束在不同pH值下的释放试验
图13比较了PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-1负载紫杉醇胶束在37℃、不同pH环境下的释放行为。由图13可以看出,在前20h内,在pH=7.0、5.5环境中紫杉醇的累积释放量相差不大,分别为47%和50%,而在pH=2.0时则为70%,这表明负载紫杉醇的聚合物胶束在37℃时随着pH值的减小,紫杉醇的释放量增大。
图14为PMMA-b-(PAA-co-PNIPAAM)-2负载紫杉醇聚合物胶束在37℃、不同pH值环境时的释放行为。由图14可以看出,在前20h,胶束在pH=7.0、5.5、2.0时的释放率分别为40%、65%和72%。pH=5.5、2.0环境下紫杉醇的释放率要明显大于pH=7.0时的释放率,这主要是因为当pH减小时PAA段具有pH响应,链段收缩对内核产生压力,使得胶束内核结构更加紧密,胶束内核空间减小将紫杉醇加速挤出内核,加快释放速度。这表明PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)聚合物胶束可能有负载抗癌药物并能发挥被动靶向的作用。
3 结论
通过可逆加成-断裂链转移自由基聚合法合成了具有“核-壳”结构的嵌段共聚物PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM),此嵌段共聚物具有pH、温度双重敏感性。通过调节链转移剂和引发剂的比例,可以有效地控制聚合物的分子量。通过调节AA和NIPAM单体的比例,聚合得到两种不同链段的嵌段共聚物。分别用两种嵌段共聚物胶束对抗癌药物紫杉醇进行负载,两种胶束的负载量(负载率)分别为0.87mg(7.3%)和0.69mg(5.8%)。
通过控制环境温度和pH值可以控制负载紫杉醇的聚合物胶束的释放速率和释放量,负载紫杉醇聚合物胶束在人体正常生理温度(37℃)和病变温度(40℃)下的释放速率和累积释放量都要比室温下大。研究表明PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)聚合物胶束可能有负载抗癌药物并能发挥被动靶向的作用。
摘要：采用可逆加成-断裂链转移自由基聚合法成功地制备了以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为疏水性内核,聚丙烯酸-b-聚异丙基丙烯酰胺(PAA-b-PNIPAM)为亲水性外壳的具有核-壳结构的两亲嵌段共聚物聚甲基丙烯酸甲酯-b-聚丙烯酸-co-聚异丙基丙烯酰胺(PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM))。此嵌段共聚物以聚异丙基丙烯酰胺作为温度敏感段、以聚丙烯酸作为pH敏感段,具有温度、pH值双重敏感性。通过一系列测试分析,结果表明嵌段共聚物在水溶液中能够自组装形成直径为200nm的胶束颗粒。以嵌段共聚物PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)为载体,成功负载了抗癌药物紫杉醇(PTX),模拟了这种载药胶束在人体环境中的控释行为。结果表明载药胶束在人体正常生理温度(37℃)和病变温度(40℃)下的释放速率和累积释放量都要比室温(25℃)下大很多。此嵌段共聚物兼具温度、pH值双重敏感性,在药物缓释方面有潜在的应用前景。
pH敏感释放 第2篇
人体各消化器官的p H值各不相同,胃(p H值1.0-3.0)、小肠(p H值6.5-7.0)、结肠(p H值7.0-8.0)变化,以及在肿瘤组织中(p H值6.5-7.2)。因此,可以设计p H敏感的药物组装体,通过检测周围环境的p H值,来实现药物的靶向释放[4],以达到降低副作用及药物毒性,提高疗效的作用。
盐酸二甲双胍是一种治疗糖尿病的药物,广泛应用于非胰岛素依赖型(Ⅱ型)糖尿病的降糖药,口服后主要通过降低肝及外周组织对胰岛素的敏感度来降低血糖水平。
本文采用原位合成法,利用氰乙基三烷氧基氯硅烷作为修饰剂,在SBA-15的表面用嫁接了-COOH官能团。载入盐酸二甲双胍后,在药物组装体外包裹p H敏感聚合物壳聚糖,合成出一种新型介孔p H敏感材料的控释释放系统。该系统可以根据不同p H值环境,利用-COOH官能团与壳聚糖之间的相互作用,以达到药物的p H值敏感和肠道靶向释放。
1 实验材料和仪器设备
1.1 主要试剂
1.2 主要仪器设备
样品的扫描电镜在Hitachi S-4800扫描电子显微镜上进行(加速电压20~30 k V)。紫外用上海光谱仪器有限公司的752型紫外分光光度计。X-射线粉末衍射(XRD)数据在Siemens D5005型衍射仪上收集,管电压40 k V,管电流50 m A,Cu Kα辐射(λ=1.540598 nm),扫描速度1°/min。氮气吸附/脱附实验在液氮温度下进行,由Micromeritics ASAP2010M分析仪上测得。红外光谱在Nicolet Impact410 FT-IR光谱仪上测定,采用KBr压片(样品占1wt%),测试范围400~4000 cm-1,真空脱气至压力小于310-4 Torr。比表面积采用BET比表面积,孔分布利用BJH方法计算,孔容根据t-plot计算。高分辨透射电镜照片在日本电子公司的JEM-2010透射电子显微镜上进行(加速电压200 k V)。
2 实验部分
2.1 介孔分子筛的合成
SBA-15的合成:将4 g P123加入到30 g水和120 g 2 mol/L HCl混合溶液中,搅拌使其溶解。然后加入8.50 g TEOS搅拌5 min。混合液在35℃静置陈化20 h后,100℃晶化5d。将所得产物洗涤、过滤、室温干燥后550℃焙烧样品5 h除去表面活性剂。
-COOH修饰的SBA-15合成:将2 g P123加入到75 g 2 mol/L HCl中,搅拌使其溶解。然后加入4.50 g TEOS和CTES,35℃搅拌2 h,过滤后用乙醇洗涤3次。将所得产物过滤、室温干燥。将样品加入到50 wt%H2SO4中,在100℃加热24 h,然后产品过滤用去离子水洗涤至中性得到最终产品。
2.2 药物在分子筛中的组装
药物组装的基本过程如下:配置0.1 M的Met H的水溶液,取165 mg的SBA-15样品加入到10 m L的上述溶液中,在室温下搅拌2 h,搅拌过程中仪器要要密封以防止溶剂挥发,再通过室温下真空过滤和干燥来分离载药后的粉末样品。取1.0 m L的滤液适当的稀释后,取一定量进行紫外分光光度计测定,计算得出装载量。
2.3 甲壳素中提取可溶性壳聚糖
取0.5 g的甲壳素溶解在20 g 40%的Na OH溶液中剧烈搅拌10 min,混合物在80℃条件下保持24 h。最后把样品洗涤、过滤取上层清液稀释至50 m L待用。
2.4 p H敏感聚合物的包裹
p H敏感的药物释放系统的包覆Chit/COOH/SBA-15过程如下:取样品约0.18 g在3.0 MP压成直径约为10 mm,厚度约为0.5 mm的片剂。同时取0.32 g的壳聚糖溶解于水溶液中,室温下搅拌。取载药后的COOH/SBA-15的片剂采用蘸取-浸渍法包覆壳聚糖。再把Chit/COOH/SBA-15片剂置于室温下干燥,即得到包覆好的样品。
2.5 药物释放性能测试
药物释放过程中,取不同分子筛片剂样品206mg,室温37℃下浸泡于500 m L模拟人工胃液(p H=1.2的缓冲溶液)和模拟人工小肠液(p H=7.4的缓冲溶液)中,经一定时间间隔后吸附一定量(3 ml)释液,同时立即补充等量的模拟人工胃液或者模拟人工小肠液。吸取液用0.45μm的微孔滤膜过滤,适当稀释,在波长为233 nm紫外法测定药物的释放量。
释放液中所释放布洛芬精确量的计算是根据以下公式进行:
公式中Cc是在t时间时推倒后的浓度,Ct是在t时间时的测定浓度,V是加入释放液体的总体积,ν是吸取释放液的体积。
3 结果讨论
3.1 小角粉末XRD分析
图1-1分别为介孔分子筛修饰前后的小角粉末X射线衍射图。由图可以看出样品修饰前后,在2θ=2°处均出现明显的(100)晶面的衍射峰,与未修饰前比较,羧基修饰后的介孔分子筛在(100)晶面的衍射峰强度明显增强,说明经过羧基修饰后,仍然保持介孔相结构。羧基嫁接后的COOH/SBA-15的衍射峰较之SBA-15的衍射峰稍微低,这是由于羧基嫁接之后孔道塌陷造成的。
3.2 氮气吸附/脱附测试分析
图2 a为羧基修饰前后样品的氮气吸附-脱附等温曲线图,由图可见两种样品均为Ⅳ型等温曲线H1型滞后环。图2 b为样品的孔径分布图,由图b可以看出,未修饰的SBA-15平均孔径约为7.1 nm,羧基修饰后孔径下降至约为4.2 nm。
由表中的数据中可知SBA-15具有较大的比表面积(706 m2/g)和孔容(1.08 cm3/g),平均孔径为(7.1 nm)。羧基修饰后,材料的比表面积(534 m2/g)和孔容(0.53 cm3/g),孔径(4.2 nm),由此可知,加入修饰剂后孔径变小,相应的比表面积和孔容也随之降低,这可能是由于-COOH嫁接到分子筛中,占据了一部分孔道。这与XRD分析结果相一致。
图3为样品的红外光谱图。由图3 b可知羧基修饰后,波长在1648和3023 cm-1处有两个吸收峰,这分别是羧基集团中C=O的伸缩振动峰和修饰剂中烷基振动峰。说明羧基已经成功嫁接在SBA-15介孔分子筛上。从图3 c可见,波长在1078,1458,和1687 cm-1处有三个振动峰,分别是硅烷化残基C─H的伸缩振动峰,并在807和780 cm-1处出现Si─C的υ(C-O-C),δ(N-H)andυ(C=O)伸缩振动峰[11],说明壳聚糖已经包裹分子筛。
3.3 介孔分子筛的组装和释放
图4是组装不同浓度的Met H(2 h),其组装量随浓度的变化曲线,当浓度达到0.1 mol/L时,两种样品均达到最大组装量。SBA-15的最大载药量为25.32%,而羧基修饰的SBA-15的最大载药量可达52.3%。可见修饰后的SBA-15具有更大的载药量。这是由于修饰后的材料表面富含-COOH,这些基团可与药物分子中的-NH2产生氢键相互作用,增加了分子筛与药物分子之间的作用,即使在比表面积较小的情况下,仍然具有较大的载药量。
图5 a、b和c分别表示SBA-15、COOH/SBA-15和Chit/COOH/SBA-15载药后在p H=4.0以及p H=7.4中的缓释曲线。由图可见SBA-15与COOH/SBA-15在两种p H条件下都具有良好的释放曲线。由SBA-15释放曲线可见,在p H=4.0时盐酸二甲双胍2 h内有43 wt%的首释放,70 wt%经48 h释放完全,与SBA-15相比,盐酸二甲双胍在COOH/SBA-15的释放较慢,盐酸二甲双胍2 h内有29 wt%的首释放,55 wt%经48 h释放完全,COOH/SBA-15体系的释放率要略低于SBA-15,这是因为-COOH基与药物分子中的-NH2在p H=4.0的环境下产生作用力,SBA-15中的孪Si-OH与药物分子的作用力稍弱,因此纯SBA-15体系的释放量要比COOH/SBA-15药物释放体系的释放速度快。然而在p H=7.4的条件下,COOH/SBA-15的初释放率要快于SBA-15,这是由于在微碱性条件下COOH/SBA-15中的羧基与药物分子作用减弱,因此导致COOH/SBA-15的释放率较快。由氮气吸附数据可知,SBA-15的孔道大于COOH/SBA-15,而SBA-15的释放速度在7 h后快于COOH/SBA-15体系。因为COOH/SBA-15具有较小的孔道,介空孔道内部的药物分子较难释放出来,故此在7 h之后COOH/SBA-15的释放速率开始减慢。这表明一定时间之后,介孔分子筛的孔径成为决定药物分子释放的关键。
Chit/COOH/SBA-15系统在p H=7.4具有良好的释放曲线,而在p H=4.0时难以释放,主要原因在于壳聚糖分子中富含大量的-NH2基,这些基团与分子筛表面形成氢键堵塞孔道,因此释放率较低。根据Chit/COOH/SBA-15的释放曲线可见该体系在p H7.4时具有良好的释放性能,但是在p H 4.0时的释放量非常小。在p H 7.4的释放过程中,Chit/COOH/SBA-15体系在1 h释放45%的药物,在经过12 h释放了近50%。在p H 4.0的环境下包裹的分子筛的释放能力明显降低,其经过24 h只释放低于20%的盐酸二甲双胍。这是因为壳聚糖在这个体系起到了p H控制阀的作用。当在低p H环境中,壳聚糖与分子筛上的羧基氢键作用力较强阻塞孔道,因此药物释放量降低;反之当在高p H环境下,壳聚糖与分子筛上的羧基氢键作用力较弱,因此药物释放量升高。
4 结论
本试验主要合成了一个新型的p H敏感的药物靶向释放系统,这个释放系统采用壳聚糖包覆COOH/SBA-15片剂而形成,该系统药物释放在胃液中受到抑制,而尽量多的释放到小肠液中,因此可以针对小肠病变形成靶向释放的效果。从而能够极大地增加了药效,降低毒副作用,该系统将具有很好的应用前景。
参考文献
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pH敏感释放 第3篇
本研究采用自由基水溶液聚合法[12]将丙烯酸与聚乙烯醇共聚得到具有pH敏感性的智能水凝胶,考察其溶胀动力学性能,选择水溶液pH变化范围为2~12,在酸性、中性、碱性的较大pH变化范围内,考察不同pH条件下PVA/AA的溶胀性能,研究 PVA/AA水凝胶的pH敏感性,为探索该类智能水凝胶作为酸碱探针用于水溶液pH测定以及应用于水中污染物处理等方面的可能性提供研究基础。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
试剂:聚乙烯醇(聚合度1750士50,国药集团化学试剂有限公司),丙烯酸(化学纯,国药集团化学试剂有限公司,实验前经减压蒸馏除去阻聚剂),过硫酸铵(APS)(分析纯,上海青析化工科技有限公司;实验前需重结晶),N,N’-亚甲基丙烯酰胺(Bis)(化学纯,国药集团化学试剂有限公司),氢氧化钠,盐酸均为分析纯。
仪器:集热式恒温加热磁力搅拌器(巩义市予华仪器有限责任公司),D25-2F电动搅拌机(杭州仪表电机有限公司),EQVINOX55红外光谱仪(Bruker公司),干燥用DZF-6020真空干燥箱(上海一恒科技有限公司),2XZ-2型旋片真空泵(上海申光仪器仪表公司),Sartorius普及型pH计(PB-10,德国赛多利斯股份有限公司)。
1.2 PVA水凝胶的制备
称取PVA颗粒1g,加20mL去离子水,在95℃恒温下搅拌至完全溶解,制得5%的聚乙烯醇溶液;称取PVA质量的7.5%的硼酸溶解于去离子水中,用一定量5mol/L的NaOH溶液调节pH在7~8之间,制得硼酸-氢氧化钠溶液;将PVA溶液倒入四口瓶内,抽真空,充氮气,在50℃时,边搅拌边缓慢加入硼酸-氢氧化钠溶液,搅拌一段时间后倒出,静置形成凝胶。
1.3 PVA/AA水凝胶的制备
称取1g PVA颗粒在95℃恒温条件下溶解于20mL去离子水中得到PVA溶液;另称取9mL丙烯酸(AA)溶解于45mL去离子水中,以适量5mol/L氢氧化钠溶液调节pH在7~8之间,得到AA溶液。将PVA溶液和AA溶液倒入四口瓶内,在氮气保护下加入PVA和AA总质量的0.2%的引发剂过硫酸铵(APS)和0.3%的交联剂N,N’-亚甲基丙烯酰胺,50℃恒温搅拌进行共聚反应,待出现爬杆现象后将反应物转移到烧杯中,在70℃下静置进行热处理,待形成凝胶之后,将该凝胶在去离子水中浸泡48h,其间每隔12h换水1次,以去除未反应单体,60℃真空干燥保存。
1.4 各种pH值水溶液的制备
取一定量去离子水,用1mol/L的HCl溶液和1mol/L的NaOH溶液调节pH值,得到pH值为2~12的系列水溶液,用于各种pH值条件下水凝胶溶胀性能的测试。
1.5 PVA/AA水凝胶的平衡溶胀时间测定
取一定量PVA/AA干水凝胶,加入pH=7的250mL水溶液中浸泡溶胀一段时间,每隔30min取出凝胶,用滤纸滤去表面水分,称量溶胀水凝胶质量,直到溶胀水凝胶质量无较大变化。
1.6PVA/AA水凝胶在不同pH条件下的溶胀率测定
称取一定量片状PVA/AA干凝胶浸泡于250mL一定pH的水溶液中,在不同pH溶液中进行溶胀吸水性实验,在室温下静置溶胀24h后,用滤纸滤去表面水分,称重。按下式计算水凝胶的溶胀率。
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式(1)中,Q为凝胶样品溶胀率(g/g),m1为干凝胶样品的质量(g),m2为干凝胶样品吸水后的质量(g)。
水凝胶平均吸水速率按下式计算:
undefined
式(2)中,(为水凝胶平均吸水速率,t为水凝胶溶胀时间,mt1、mt2分别为水凝胶在t1、t2时的重量,
2 结果与讨论
2.1 PVA/AA水凝胶溶胀动力学研究
考察了pH敏感水凝胶PVA/AA在室温下pH=7的去离子水溶液中溶胀率随时间的变化趋势,结果见图1。由图1可知,在开始的0.5h溶胀率增加较慢,在0.5~4.5h溶胀率增加较快,水凝胶平均吸水速率达16.14g/h,4.5h之后溶胀率变化变缓,到8h后溶胀率几乎不随时间而变化,显示水凝胶溶胀达到平衡,平衡溶胀率达到863.6g/g。水凝胶的溶胀动力学研究表明该水凝胶在室温pH=7的去离子水溶液可以发生溶胀,其达到溶胀平衡的时间为8h。
PVA/AA水凝胶中含有亲水的-OH,-C00H基团,其中聚丙烯酸的pKa=4.7[13],在pH=7的水溶液中,-C00H离解为带负电荷的-COO-,使水凝胶的亲水性增加,与水分子的水合作用增强。水凝胶吸水过程刚开始较缓慢,这是因为凝胶网络结构未完全打开,水分子与凝胶表面的吸附位点结合,并缓慢渗透进入凝胶网络内部,溶胀率变化较慢。水凝胶溶胀0.5h后,水凝胶的溶胀率变化加快,这是因为水分子与聚合物网络中的亲水基团-OH、-C00H的水合作用加快,同时凝胶中-C00-离子浓度大,渗透压大,有利于水分子进入,与凝胶内部的吸附位点结合。其次,凝胶内部网格间的-COO-相互产生静电排斥作用,使网络扩张,溶胀速度加快。
随着水凝胶溶胀过程的进行,凝胶网络的扩张,凝胶网络内外的亲水性吸附位点逐渐减少,凝胶网络内外的渗透压差逐渐减小,-COO-间的静电斥力逐渐减小,溶胀4.5h后,溶胀率变化开始减缓。当PVA/AA凝胶网络内亲水性吸附位点饱和,凝胶网络内外的渗透压差趋于零时,溶胀率不再变化,溶胀率达到最大,此时水凝胶达到溶胀平衡。
2.2 PVA/AA水凝胶溶胀行为的pH敏感性能研究
考察了PVA/AA水凝胶和PVA水凝胶在不同pH水溶液中的溶胀吸水性能,水溶液pH对水凝胶溶胀率的影响见图2。从图2可知,在一定的pH范围内,PVA/AA聚合水凝胶的溶胀率随着水溶液pH值的变化而发生大幅度的变化,而PVA水凝胶的溶胀率随水溶液pH值的不同变化幅度很小。
当水溶液pH值由2变化到4 时,PVA/AA水凝胶的溶胀率与PVA水凝胶的溶胀率几乎相同;当pH由5变化到7时,PVA/AA水凝胶的溶胀率开始迅速增加,随溶液pH值增加,PVA/AA水凝胶的溶胀率产生突越性增加,至pH=7时达到最大为878g/g,此时,PVA水凝胶的溶胀率随溶液pH值增加略有增加,变化幅度很小,最大仅为24g/g;当溶液pH值由7增加到12,溶液酸碱性由中性变化到碱性时,PVA/AA水凝胶溶胀率迅速下降,显示出突越性变化,此时,PVA水凝胶溶胀率略有下降,变化幅度很小。
合成的PVA/AA水凝胶中含有聚丙烯酸,文献报道聚丙烯酸的pKa值大约为4.7[13],当水溶液pH<4.7时,水溶液pH
3 结论
pH敏感释放 第4篇
如何有效利用聚合物治疗克服肿瘤细胞内的多种抗药机制,仍是肿瘤化疗面临的难题。研究发现,利用能响应肿瘤酸性的智能聚合物载体输送抗癌药物可能是解决这一难题的途径之一[4]。肿瘤p H可用于触发聚合物载体的快速药物释放,输送药物到细胞内甚至特定的细胞器,大量增加药物作用部位如细胞质和细胞核中的浓度,饱和癌细胞的多种抗药机制,克服肿瘤的耐药性,减少肿瘤化学治疗的毒副作用[5]。
1 p H 敏感高分子载药系统及缩醛聚合物的研究进展
p H响应的聚合物可分成2类:质子化的聚合物和酸不稳定的聚合物。质子化的聚合物,通常有带胺基、吡啶或者咪唑基等碱性基团的弱碱性聚合物,或带羧酸基、磺基的化学键有腙键[6]、缩醛(酮)键[7,8]、β-羧酸酰胺键[9]、原酸酯键[10]等。这类酸性条件下快速水解的化学键还常用于设计高分子与药物之间,或者嵌段或接枝共聚物之间的连接桥(linker) 等[11,12]。
具有p H响应的酸不稳定聚合物中,含缩醛键的聚合物具有如下优点[13]:合成条件温和,结构较明确,可在弱酸性条件下水解,是一种潜在的肿瘤微酸环境响应型抗肿瘤药物输送载体。缩醛键的生成一般有2种方式[13,14],第1种是醛基与羟基直接进行羟醛缩合,一般适用于小分子合成,特别是芳香醛参与的化学反应,通常不用于直接合成高分子材料;第2种是乙烯基醚与羟基通过亲电加成得到,常被用于羟基的保护。二乙烯基(A2单体)与二元醇(B2单体 ) 直接缩合可合成线性聚缩醛,目前多种聚缩醛已被成功合成并运用于药物传输领域,表现出了良好的p H控制释放性能。此外含1个乙烯基和1个羟基的AB型单体也可以直接分子间缩合,得到线性聚缩醛。按推理,如果能合成AB2型单体(1个乙烯基与2个羟基或2个乙烯基和1个羟基),将可以用来合成超支化聚缩醛。Frey等[15]合成了带乙烯基醚结构的环氧单体,直接均聚或与环氧乙烷共聚后得到含多乙烯基醚侧链的聚乙二醇,Jia等[16]合成了带乙烯基醚结构的丙烯酸酯类单体。Frey等[17]通过合成以缩醛键连接环氧环与羟基的单体,通过阴离子聚合方法,与环氧乙烷共聚,合成了可降解成小分子的超支化聚醚。
缩醛转移是指缩醛键中,来源于醇的基团被别的醇取代。由于用醇对醛进行保护时,是2个醇分子与醛基形成缩醛结构,因此,如果用另一高沸点醇进行转移时,一般是2个醇同时被转移,是一种对称转移[18]。这种对称缩醛转移法已被用于合成超支化聚合物及对称结构的小分子单体。
本文通过缩酮交换的办法得到了自引发剂单体,并同时具备了可以弱酸降解的缩酮结构。
2 实验部分
2.1 主要试剂
丙烯酸羟乙酯(98%)、2-溴异丁酰溴(98%)、2,2-二甲氧基丙烷(99%)、乙二醇(99%)、三乙胺(98%)、对苯二酚、二氯甲烷(分析纯)、三氯甲烷(分析纯)。
2.2 p H 敏感的引发剂型单体的合成过程
取100m L单口瓶一只,量取20m L干燥的二氯甲烷(CH2Cl2)溶剂,称取乙二醇(1.862g, 30mmol),并加入缚酸剂三乙胺(3.946g, 39mmol),将反应置于冰水浴中搅拌30min,逐滴加入溶于10m L二氯甲烷的2-溴异丁酰溴(7.587g,33mmol)溶液,保持缓慢滴加2h之后撤掉冰水浴,在室温下搅拌12h,反应结束。将溶剂除去,加入高纯水萃取3次之后,再次除去溶剂后得到黄色油状液体,并且通过柱层析提纯得到目标产物。
取一个100m L二口瓶,搭建一个蒸馏装置。向二口瓶中量取溶剂三氯甲烷35m L,加入上一步得到的产物(1)(2.785g,13.2mmol),2,2-二甲氧基丙烷(1.25g, 12mmol),丙烯酸羟乙酯HEA(1.533g, 13.2mmol),催化剂对 甲苯磺酸PTSA(1.15mg, 0.006mmol),阻聚剂对苯二酚(0.4g)。将反应瓶置于油温为65℃的油浴锅中,一段时间后,冷凝管中有氯仿和甲醇的共沸物(共沸温度为54℃)流出,促使反应的正向进行。待反应24h之后,萃取除去催化剂对甲苯磺酸和阻聚剂对苯二酚,旋蒸除去溶剂。得到的浅黄色液体,通过柱层析提纯得到目标产物。干燥避光保存样品以待检测。
2.3 化合物分析方法
使用AVANCE-500核磁共振波谱仪对物质的结构组成进行1HNMR表征。
3 结果和讨论
图3是inimer合成第一步产物(1)的1HNMR图谱。从图中可以看出,b氢即与酯键相连的亚甲基(-CH2-)的吸收峰b(4.25×10-6)处,a处归属于与羟基相连的亚甲基的吸收峰,c(1.97×10-6)处归属于2个甲基的吸收峰。所以通过核磁氢谱可以判断,合成的物质与目标产物相吻合。
图4是最终产物(2)inimer的1H-NMR图谱。从图中可以看出,d处归属于与酯键相连的亚甲基(-CH2-)的吸收峰,而e处归属于与丙烷相连的亚甲基的吸收峰,f处归属于b丙烷结构中的2个甲基的吸收峰,g(1.97×10-6)处归属于酰溴结构式上的2个甲基的吸收峰,而a、b、c处的双键特征吸收峰出现在5.8×10-6~6.5×10-6处。所以我们通过核磁氢谱可以判断,通过缩酮交换得到的目标产物完全符合我们的设计合成路线。
图5是最终产物(2)inimer的13C-NMR图谱。通过13C-NMR图谱可以再次证明,合成的inimer上碳的个数完全与目标产物吻合。那么证明酸降解性引发剂型单体即合成成功了。
4 结论
pH敏感释放 第5篇
Fe3O4是一种重要的反尖晶石结构的铁氧体材料,在磁存储、催化、陶瓷颜料和磁流体等方面具有广泛的应用。此外,该材料具有良好的生物相容性和磁响应性,在生物及医药领域内可广泛地用于细胞分离、固定化酶、免疫诊断及靶向释药等[9]。磁性Fe3O4纳米粒子无毒,易于制备,且具有超顺磁性和生物相容性好等优点。但在高温有氧条件下,Fe3O4可氧化成Fe2O3,使其磁性能下降较多,大大影响了Fe3O4磁性纳米粒子的应用[10]。如不对颗粒表面进行改性,在聚合过程中不能有效的被包埋在聚合物微球中,并影响微球的均匀性[11]。采用化学共沉淀法制备的Fe3O4磁性纳米颗粒,通过油酸改性,使其分散稳定性提高,从而有效地减少粒子的团聚和氧化,并赋予粒子新的特性和功能[12]。
近年来,研究者报道了关于由β-CD与Fe3O4磁性纳米粒子制备新型功能颗粒的方法[13,14,15]。其中,颗粒的磁核可以对外加磁场感知和响应,颗粒外层的环糊精功能性基团拥有对特定分子的包合和承载作用[16]。这些制备方法过程比较复杂,关于既具有pH值敏感性,又具有磁性的β-CD微球的研究报道很少。为了满足磁性β-CD微球对药物释放体系pH值敏感的要求,在制备磁性β-CD微球的过程中,将丁二酸酐用于改性β-CD磁性微球,从而得到具有pH值敏感性的β-CD磁性微球。即由改性的磁性Fe3O4纳米粒子、β-CD和丁二酸酐(SA)进行聚合反应,制得具有pH值敏感的磁性β-CD微球。
1 实验部分
1.1 原料与仪器
β-CD,生化试剂;司盘80(Span80),化学纯;FeC136H2O、FeC124H2O和油酸,均为分析纯。以上试剂购自天津市科密欧化学试剂有限公司。丁二酸酐,分析纯,天津市福晨化学试剂厂;环氧氯丙烷(EPI),分析纯,天津市瑞金特化学品有限公司;吐温20为化学纯,聚乙二醇4000为分析纯,购自天津市光复精细化工研究所;蒸馏水为二次蒸馏水。
JSM-100S透射电镜,日本电子公司;LakeShore-7304振动样品磁强计,美国LakeShore公司;Specode75型傅立叶红外光谱仪,日本岛津公司; BK-100型生物显微镜,重庆光电仪器有限公司;KQ-100E型超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司。
1.2 油酸改性Fe3O4颗粒的制备
根据相关文献[16,17]介绍的方法,采用油酸低温水洗改性制备磁性Fe3O4纳米粒子,待用。
1.3 pH值敏感的磁性β-CD微球的制备
具有pH值敏感的磁性β-CD微球的制备方法参考相关文献[16]。
1.4 pH值敏感的磁性β-CD微球的表征与性能测试
将干燥的pH值敏感磁性β-CD微球与溴化钾混合压片,采用Specode75红外光谱仪表征微球的结构。
分别将Fe3O4纳米粒子和pH值敏感磁性β-CD微球,加无水乙醇超声分散20 min后滴在涂炭铜网上挥发至干,在工作电压为100 kV下用JSM-100S透射电镜观察低温油酸改性Fe3O4磁性纳米粒子和pH值敏感磁性β-CD微球的形貌特征。
采用LakeShore-7304振动样品磁强计,通过测定pH值敏感磁性β-CD微球的磁滞回线,来判断其磁性能。
将一定量的磁性β-CD微球放入一个有刻度的试管(d=12mm),加入缓冲溶液将分别浸入不同pH值、离子强度为0.1mol/L的缓冲溶液中,25℃下通过测定pH值对微球溶胀率(SR)的影响,分析微球的pH值敏感性。溶胀率用下式计算:
SR=Vs/Vd (1)
式中,SR溶胀率;Vs微球充分溶胀的体积;Vd微球溶胀前的干燥体积。pH缓冲溶液[5]:pH=1.4～2.0,采用HCl-KCl体系;pH=3.0～5.0,采用HCl-KHC8H4O4-NaOH体系;pH=6.0～7.4,采用NaOH-KH2PO4-Na2HPO4体系。并用等摩尔比的氯化钠和氯化钾将缓冲溶液的离子强度调节到0.1mol/L。
2 结果与分析
2.1 β-CD微球和pH值敏感的磁性β-CD微球的红外光谱表征
通过对β-CD微球(图1)和pH值敏感的磁性β-CD微球(图2)进行红外光谱谱图分析,可知:与图1相比,图2中595cm-1为Fe3O4的吸收峰,3500cm-1的O-H伸缩振动吸收峰与1035cm-1的C-O伸缩振动吸收峰,说明Fe3O4存在β-CD微球的功能基团,而在1575cm-1及1667cm-1 的COO-强吸收峰证实了丁二酸酐已经引入到复合微球中。
2.2 透射电镜形貌分析
由低温油酸改性Fe3O4磁性纳米粒子和pH值敏感磁性β-CD微球的透射电镜照片(略)可见,油酸低温水洗改性过的Fe3O4纳米粒子的粒径约为18nm,分散性较好[17];pH值敏感的磁性β-CD微球为核壳结构,粒径约为20μm。
2.3 pH值敏感的磁性β-CD微球的磁性能分析
图3为pH值敏感的磁性β-CD微球的磁滞回线。
从图3可看到,pH值敏感的磁性β-CD微球的磁滞回线基本上呈现为一条曲线,矫顽力为0,且几乎没有磁滞现象,说明制备的pH值敏感的磁性β-CD微球具有优良的超顺磁性。此外,磁性高分子微球的饱和磁强度为0.2 emu/g,与相关文献[17]中油酸改性的Fe3O4磁性纳米粒子的饱和磁强度38.83 emu/g相比,磁性高分子微球的饱和磁强度明显降低,主要是因为在油酸改性的Fe3O4磁性纳米粒子表面包覆了比较厚的β-CD聚合物外壳,使pH值敏感的磁性β-CD微球的粒径达到20μm左右,从而造成磁性高分子微球的磁性能降低较多。但是,粒径在20μm左右的微球利于将来的药物控释,且可以增加外加磁场强度,来提高其磁性能。
2.4 磁性β-CD微球的pH值敏感性
为了模拟微球在胃、肠内的释药环境,选择pH=1～7的缓冲溶液,测定pH值对微球溶胀率(SR)的影响,结果如图4所示。
由图4可见,随着pH的增大,β-CD微球的溶胀率变化很小,磁性β-CD微球的溶胀率变化较大,而且磁性β-CD微球的溶胀率在pH=1.0～4.0之间有显著的变化,胃液的pH值在1.4左右,正好在此显著变化范围之内。将来如果用于体内药物释放,可以考虑胃部疾病治疗药物的控释。
3 结论
pH敏感释放 第6篇
智能型药物释放系统是利用水凝胶的收缩和溶胀来实现药物释放的。浸含药物的凝胶粒子对于外界条件的刺激能产生相应的体积相变,具有响应温度、pH值、离子强度以及光、电、磁等刺激使某些物理化学性质发生突变的特点,从而达到对药物控制释放的作用[1,2]。pH敏感型药物控释系统适合药物的口服控制释放,利用水凝胶在不同pH值条件下溶胀度、渗透性能的不同,可方便地调节和控制凝胶内药物的扩散和释放速率,在体内酶或胃内低pH值环境下保护药物,从而实现药物经胃肠道给药的可行性[3]。
聚天冬氨酸(Polyaspartic acid,PASP)水凝胶是一种分子中含有羧基和酰胺基团的聚合物。相对于交联糖类、聚丙烯酸类等制备的水凝胶,PASP水凝胶具有很强的吸水性、生物降解性、生物相容性,无毒副作用,在人体内不显抗原性,对人类安全[4]。PASP水凝胶网络结构上的羧基基团可解离成离子基团,根据环境pH值的变化而释放或获取质子,具有pH敏感性[5]。
PASP水凝胶主要是以聚天冬氨酸或聚琥珀酰亚胺为原料,采用光交联法[6]或化学交联合成法制得。化学交联法简单、产率高、成本低。Fang Li等[7]研究了水解过程对PASP凝胶制备及性能的影响,制备过程仍存在反应条件剧烈、反应温度较高、反应条件不易控制、耗时长等缺点。本实验采用较温和快捷的方法制备PASP水凝胶,并通过正交实验甄选制备凝胶的最优工艺参数,研究凝胶pH敏感性及释药性能。
1 实验
1.1 原料和仪器
聚琥珀酰亚胺(PSI),实验室自制[8];酮洛芬,分析纯,车头制药厂;N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、盐酸、NaOH、KH2PO4、己二胺,分析纯,北京化工厂。
DZF-6050型真空干燥箱,上海精宏实验设备有限公司;SHA-A型水浴恒温磁力搅拌器,金坛市华峰仪器有限公司;Thermo absystems型全波长酶标仪,江苏省高邮市新邮仪器厂;S-4700型扫描电子显微镜,日本Hitachi公司。
1.2 制备pH敏感性PASP水凝胶
每1g PSI原料与28mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液混合搅拌配制成DMF-PSI溶液, 40℃磁力搅拌下溶解过夜。加入若干量的分散剂去离子水,恒温水浴磁力搅拌30min。按PSI与交联剂己二胺质量比为1/0.06加入己二胺,搅拌反应2h。加入与DMF等体积的无水乙醇搅拌30min,静置24h,倒去上清液,再用一定体积的无水乙醇洗涤沉淀,在4℃、6000r/min条件下离心10min。
冰浴搅拌条件下,向交联的PSI沉淀中加入一定浓度若干量的NaOH溶液,每隔10min加入均等的NaOH溶液,并控制在2h内滴加完。常温水浴继续搅拌6h至pH值完全降至中性为止,将凝胶置于透析袋中透析2～3天,真空干燥得干PASP凝胶。
1.3 pH敏感PASP水凝胶体外释药实验
选用酮洛芬为模型药物。将一定量的PASP干凝胶粉末置于酮洛芬乙醇溶液中,加入适当比例的去离子水使凝胶溶胀,40℃磁力搅拌12h。药物充分包覆于水凝胶中,凝胶载药率为10%。真空干燥产品至恒重。将载药水凝胶粉碎,过80目筛,各取400mg制成药片片剂。
37℃条件下将载药片剂置于模拟缓冲液中进行体外药物释放实验。模拟肠液(pH=6.8)为:KH2PO4 6.8045g、NaOH 0.944g,去离子水1L;模拟胃液(pH=1.05)为:浓HCl 8.5mL,去离子水1L。每隔一段时间取1mL样品溶液,稀释4倍,并补充相同的缓冲液。通过全波长酶标仪于260nm波长下测量样品溶液的吸光度,空白凝胶在此波长下无吸收,测定含量无干扰。根据吸光度与标准曲线计算药物释放百分数,绘制药物累计释放曲线。
1.4 设计正交实验
在预实验基础上利用正交实验考察交联、水解等因素对pH敏感性PASP凝胶制备的影响,考察载药凝胶对药物释放度的影响,选择制备载药材料的最佳工艺参数。
采用四因素三水平的正交实验进行直观分析, 选择参考因素为:A PSI与己二胺物质的量比,B NaOH浓度(mol/L),C NaOH与PSI物质的量比,D 凝胶载药率/%。表1为正文实验因素水平表。
1.5 电镜扫描
将样品真空干燥喷金,采用扫描电子显微镜观察其表面微观形态。
2 结果与讨论
2.1 正交实验结果分析
以2h内模拟肠液中(pH=6.8)药物体外释放度(E)、2h内模拟胃液中(pH=1.05)药物体外释放度(F)、6h内模拟肠液及模拟胃液药物体外释放度差值的绝对值(G)为试验指标。试验指标E和F反映药物的突释效应,E、F值越大,药物突释效应越明显;E、F值越小,载药凝胶对药物的包覆效果较好,可有效控制药物缓慢释放。指标G反映药物释放度在不同pH值条件下的差值,差值越大,则载药凝胶pH敏感性越强,反之则越弱。pH敏感性越强,载药水凝胶在模拟胃液中对药物的释放度越小,抑制药物释放的效果越明显;而在模拟肠液中,凝胶促进药物释放的效果明显,有利于药物的结肠定位给药。因此,E、F值越小,G值越大,对应的因素水平越符合优选要求。
正交设计安排及评分结果见表2和表3。通过不同指标下各影响因素的极差可判定影响凝胶制备的主次因素及最佳工艺搭配。
表4为影响因素主次、最佳水平与工艺搭配结果。综合表4,选择2个或2个以上指标均为较佳的工艺搭配,即A2B2C1D3,PSI与己二胺物质的量比为20∶1,NaOH浓度为1mol/L,NaOH与PSI物质的量比为0.4,凝胶载药率为15%。影响药物控释行为及载体材料pH敏感性的主次因素为:NaOH浓度、NaOH与PSI物质的量比、PSI与己二胺物质的量比、凝胶载药率。NaOH浓度影响原料的水解程度,从而影响凝胶的形成及其释药性能。因此,可通过调节水解程度改变凝胶的性能间接调节凝胶的释药速率。
2.2 验证实验
9组正交实验中,方案A2B3C1D2的E值较低、F值最低、G值最高,因此此方案为最佳方案。
由正交实验的直观分析可知最佳工艺搭配A2B2C1D3不在9组正交实验方案之内,因此需比较方案A2B3C1D2与A2B2C1D3所制备的载药材料对药物体外释放度的影响。
图1为2种工艺制备的载药凝胶分别在模拟肠液(pH=6.8)、模拟胃液(pH=1.05)中的药物释放度曲线。由图1可知,工艺A2B3C1D2与A2B2C1D3所得凝胶对药物控制释放具有很强的pH敏感性,2种工艺对药物释放度的影响没有显著差异。A2B3C1D2与A2B2C1D3在2h内模拟肠液中(pH=6.8)的药物体外释放度均值分别为67.52%和58.52%,在2h内模拟胃液中(pH=1.05)的药物体外释放度均值分别为7.28%和2.96%。由此可见,工艺A2B2C1D3所得载药凝胶对药物释放的控制效果优于工艺A2B3C1D2所得载药凝胶。因此选择A2B2C1D3为制备PASP载药水凝胶的最佳工艺。
2.3 载药凝胶的结构表征
图2为由工艺A2B2C1D3制备的载药凝胶于不同缓冲溶液中浸泡12h后的表面形态。工艺A2B2C1D3制备的载药干凝胶于pH=6.8缓冲溶液中浸泡12h后呈现无定形的胶状形态;而在pH=1.05缓冲溶液中浸泡后呈收缩状态,并且保留药片片剂的形状。
图3为由工艺A2B2C1D3制备的载药凝胶于不同缓冲溶液中浸泡12h后的电镜扫描图。工艺A2B2C1D3制备的载药干凝胶在pH=6.8缓冲溶液中浸泡12h后表面出现较多孔状结构,且孔径较大;而在pH=1.05缓冲溶液中浸泡后表面结构紧致、孔洞结构少,且孔径小。
由于NaOH碱液的水解将PSI环打开,故PASP水凝胶结构中存在大量羧基基团。在体外模拟肠液中,载体材料中的羧基解离成阴离子,凝胶分子间静电斥力作用较强,凝胶呈溶胀状态,有利于药物分子的扩散;而在模拟胃液中,由于羧基不解离,整个凝胶网络呈收缩状态,从而抑制药物的释放。因此,PASP水凝胶具有较强的pH敏感性。
2.4 pH敏感PASP水凝胶释放模型的拟合
亲水凝胶骨架的释药受骨架溶蚀的速率和药物扩散速率共同影响。Peppas方程是综合溶蚀和扩散作用的半经验方程[9],其表达式为:
Mt/M∞=ktn
式中:Mt、M∞分别为t和∞时间累计释放量,k为骨架结构和几何特性常数,n为释放指数,用来判断释药机理。当n为0.5和1极端值时,分别表示扩散和溶蚀控制释放机制;当n为0.5～1时,释放为不规则转运,表示释放规律是扩散和溶蚀综合作用的结果。
对工艺A2B2C1D3制备的凝胶作释药动力学研究,将Mt、M∞、t所对应的值代入Peppas方程。lnMt/M∞对lnt作图,求得模拟肠液及模拟胃液的线性回归方程分别为:
y=0.86x+3.2416 R2=0.9716 (1)
y=1.00x+0.445 R2=0.9931 (2)
由式(1)可知,在模拟肠液中n=0.86,药物释放以非Fick扩散为主,即药物通过扩散和溶蚀协同作用影响释药行为;而由式(2)可知,在模拟胃液中n=1,主要通过亲水凝胶骨架的溶蚀作用释药。当片状PASP水凝胶置于模拟肠液中时,由于凝胶吸水膨胀,具有较多孔道,有利于水分进入,凝胶吸水溶蚀的同时促进了药物向外扩散。而当片状PASP水凝胶置于模拟胃液中时,由于其强烈的收缩作用,且孔道少而窄,凝胶难以吸水溶蚀,阻碍了水分进入凝胶内部,药物不易溶解在介质中而通过孔道进行扩散。因此,在模拟胃液中主要由凝胶骨架的溶蚀作用来控制药物的释放。此结果进一步证明了以上结论。
3 结论
(1)通过正交实验优化PASP载药水凝胶的制备工艺,以酮洛芬为模型药物,确定影响凝胶制备的主次因素及最佳工艺搭配为NaOH浓度1mol/L、NaOH与PSI物质的量比0.4、PSI与己二胺物质的量比20∶1、凝胶载药率15%。
(2)采用电镜扫描观察载药凝胶的表面微观结构,载药PASP凝胶在pH=6.8缓冲溶液中呈现无定形的胶状状态,表面孔洞结构较多;而在低pH值缓冲溶液中呈收缩状态,表面结构紧致。PASP载药水凝胶具有很强的pH敏感性。
(3)由Peppas方程判断PASP水凝胶的释药机理。结果表明,此pH敏感型水凝胶在模拟肠液中对药物的释放受药物的扩散和凝胶溶蚀作用的共同影响,而在模拟胃液中对药物的释放主要受凝胶溶蚀作用的影响。
因此,可通过调节pH值来调节PASP凝胶的释药性能,凝胶在低pH值环境中抑制药物的释放,从而降低药物对胃的刺激性,具有一定的控释作用,在口服药物控制释放领域具有极大的发展潜力。
参考文献
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pH敏感释放 第7篇
海藻酸钠(SA)又称为海藻胶、褐藻酸钠或海带胶,是从褐藻类的海带或马尾藻中提取碘和甘露醇以后的副产品。海藻酸钠是海藻细胞壁和细胞间质的主要成分,海藻酸分子是由β-D-甘露糖醛酸(M)和α-L-古洛糖醛酸(G)2种单体组成的嵌段线性聚合物[4]。海藻酸钠具有无毒、可生物降解、良好的生物相容性等特点,作为生物医用材料引起了研究者的极大兴趣。
本实验以海藻酸钠和PNIPAM共聚制备了具有温度和pH值双重敏感性的水凝胶,研究了该水凝胶的结构,在不同温度、不同pH值条件下,考察了单体浓度、交联剂用量、引发剂用量和反应温度对该凝胶溶胀度的影响。
1 实验
1.1 原料与仪器
N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM),阿拉丁试剂;N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(NMBA),CP,上海国药集团化学试剂有限公司;过硫酸铵(APS),AR,广东省汕头市西陇化工厂;海藻酸钠(SA),CP,上海国药集团化学试剂有限公司;N,N,N′,N′-四甲基乙二胺(TMEDA),生化试剂,上海国药集团化学试剂有限公司;电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9146A型),上海精密仪器设备有限公司;电子天平(PL2002型),北京塞多利斯天平有限公司;粉碎机(IKAMF 10 basic型),德国;扫描电子显微镜(Hitachi S-3500N型),日本;傅立叶红外光谱仪(Nicolet Nexus 470型),美国;冷冻干燥机(FD-1B-50型),北京博医康实验仪器有限公司。
1.2 海藻酸钠/聚(N-异丙基丙烯酰胺)半互穿网络水凝胶的制备
将0.94g NIPAM单体、0.06g海藻酸钠和0.02g交联剂NMBA溶于4mL去离子水中,搅拌均匀,加入0.02g引发剂APS和0.02g促进剂TMEDA,密封烧杯,室温下反应48h后取出凝胶并切成薄片用去离子水浸泡1周,定期换水以洗去未反应的单体,将凝胶置于40℃去离子水中使其均匀收缩,于60℃真空干燥至恒重后备用。反应物组成及配比如表1所示。
1.3 扫描电镜(SEM)观察
将达到吸水平衡的水凝胶样品取出,用滤纸擦去水凝胶表面的水后放入液氮中淬冷,再转入冷冻干燥机中干燥除水。切取干燥后的小块样品表面经喷金,用日立Hitachi S-3500N型扫描电镜在15kV加速电压下观察。
1.4 水凝胶的红外分析(IR)
将凝胶样品研磨后用KBr制片,采用美国Nicolet Nexus-470傅立叶红外光谱仪进行测定。
1.5 水凝胶温度敏感性测试
将凝胶样品分别置于不同温度的缓冲溶液中,待凝胶溶胀平衡后取出并擦干表面的水分,称重。溶胀度(Swelling ratio,SR)定义为:
SR=ms-md/md
式中:ms为凝胶溶胀平衡后的质量;md为凝胶干态的质量。
1.6 水凝胶pH敏感性测试
将凝胶样品放入不同pH值的缓冲溶液中,待凝胶溶胀平衡后取出并擦干表面的水分,称重,测其溶胀度。溶胀度的定义同上。
2 结果与讨论
2.1 水凝胶的形态结构分析
采用普通真空干燥,由于水凝胶干燥后的体积变化很大,会使水凝胶的孔洞结构因水分的失去而塌陷破坏,因此本研究采用液氮淬冷后冷冻干燥的方法,可以较好地保持水凝胶的三维网状孔洞结构。图1为SA/PNIPAM凝胶溶胀冷冻干燥后的扫描电镜照片。从图1中可以看出,该凝胶结构存在明显的孔洞,可以预见,由于存在水凝胶孔洞结构,为水提供了进出水凝胶的通道,有利于水分子的扩散。
2.2 水凝胶的FTIR分析
图2为SA、NIPAM和SA/PNIPAM的红外光谱图。由图2可见,单体NIPAM聚合为SA/PNIPAM后,IR谱有明显变化,对于聚合物SA/PNIPAM,NIPAM单体的特征带C=C为1620cm-1,CH2=为1409cm-1[5],H2C=C-为1305cm-1,1325cm-1消失。1386cm-1和1367cm-1为异丙基的吸收带[6,7,8];1460cm-1为C-H的弯曲振动带[8];1645cm-1和1548cm-1则分别为C=O的伸缩振动和N-H的弯曲振动带[6]。与纯单体(图1(a))相比,C=O和N-H 带明显变宽,且向低波数方向移动,显然是由于聚合物链中形成了分子内氢键(C=OH-N)所致。由图2还可以看出,比较SA和SA/PNIPAM的红外光谱图,SA/PNIPAM图谱中,在1457cm-1和1648cm-1处出现了2个吸收峰,前者是-COO-的对称伸缩振动峰,后者是-COO-的反对称伸缩振动,这均是海藻酸钠的特征吸收峰,表明SA被很好地接枝在SA/PNIPAM凝胶中,并没有被洗去。
2.3 SA用量对凝胶溶胀度的影响
PNIPAM链上有亲水的酰胺基团(-CONH-)和疏水的异丙基(-CH(CH3)2),在PNIPAM凝胶网络内存在一个亲水/疏水平衡,在相转变温度以下,PNIPAM分子链溶于水时由于氢键和范德华力的作用,大分子链周围将形成一种由氢键连接、有序化程度较高的溶剂化层。由于氢键的形成,其溶解过程的焓变ΔH为负值,即为放热溶解。同时,在溶解过程中,由于水分子包裹在分子链的疏水部分(异丙基)的周围形成较规则的笼状结构,致使熵变ΔS也为负值,从而导致温度较低时焓和熵的共同作用可以使ΔG<0。由此可知,升温不利于PNIPAM的溶解,温度较高时会导致ΔG>0,从而发生相变。从分子论的角度来看,这是由于升温破坏了部分氢键,使大分子链疏水部分的溶剂化层排出,而疏水部分互相聚集,宏观上表现为相变,即凝胶的温敏性能。
海藻酸钠是一种聚电解质,分子链中含有大量的羧基(-COOH),羧基的离解程度与环境的pH值有关。图4是SA/PNIPAM水凝胶在酸性和碱性条件下的溶胀示意图。由图4可知,在强酸条件下,海藻酸钠分子中离解出的-COO-会与H+结合成-COOH基团,-COOH基团会与PNIPAM网络中的-CONH-以及相邻的-COOH形成氢键,使凝胶网络收缩;在碱性条件下,海藻酸钠分子中的-COOH会解离生成-COO-,-COO-之间的静电排斥作用以及与相邻基团的作用力减弱,最终导致凝胶分子链充分伸展,溶胀度增大。
图5为海藻酸钠用量对凝胶在pH值为1.2、7.8时不同温度下溶胀度的影响,图6为26℃时凝胶在不同pH值条件下的溶胀曲线图。由图5和图6可以看出:(1)在酸性和碱性条件下,凝胶溶胀度均随温度的升高而降低,具有明显的温度敏感效应,这是因为海藻酸钠的加入量不足以破坏PNIPAM凝胶网络中的亲水/疏水平衡,当温度变化时凝胶的温度响应性依然存在;(2)在碱性条件下,凝胶溶胀度随SA含量的增多而增大,而在酸性条件下,凝胶溶胀度随SA含量的增多而减小。由于海藻酸钠分子链中含有大量的羧基(-COOH),羧基的离解程度与环境的pH值有关,在强酸条件下,海藻酸钠分子中离解出的-COO-会与H+结合成-COOH基团,-COOH基团会与PNIPAM网络中的-CONH-以及相邻的-COOH形成氢键,使凝胶网络收缩;而在碱性条件下,海藻酸钠分子中的-COOH会解离生成-COO-,-COO-之间的静电排斥作用,以及与相邻基团的作用力减弱,最终导致凝胶分子链充分伸展,溶胀度增大。
2.4 反应温度对凝胶溶胀度的影响
图7为反应温度对凝胶在pH值为7.8、1.2时不同温度下溶胀度的影响曲线图,图8为26℃时凝胶在不同pH值条件下的溶胀曲线图。由图7和图8可以看出:(1)不同温度条件下制备的凝胶均具有良好的温度敏感性能和pH敏感性能,表明在不同的反应温度下SA/PNIPAM都能很好地聚合,且没有破坏其网络结构中高分子链上基团间的亲水/疏水平衡;(2)在碱性条件下(如图7(a)所示),凝胶随反应温度的升高凝胶溶胀度增大,而在酸性条件下(如图7(b)所示),凝胶溶胀度随反应温度的升高而降低。原因是,在制备SA/PNIPAM过程中,反应温度会影响SA与PNIPAM高分子链之间的接枝率。许立新等[5]利用APS/TMEDA氧化还原引发体系引发SA/PNIPAM反应反应温度对接枝率的影响,30℃时为3%,45℃时为5.5%,到60℃时为22.5%,由于APS/TMEDA体系产生的自由基须与SA主链反应才可进一步生成接枝共聚物,而低温时SA分子链上生成的自由基不多,故接枝率较低;随温度的升高,SA链上产生的自由基数目增加,接枝率上升。在SA/PNIPAM凝胶网络中,SA并不只是被包裹在PNIPAM网络中,而是部分与高分子链接枝,温度越高接枝的SA越多。当凝胶在碱性条件下溶胀时,接枝的SA越多,其能解离的-COO-也就越多,从而使-COO-之间的静电排斥作用以及与相邻基团的作用力减弱,最终导致凝胶分子链充分伸展,溶胀度增大。在酸性条件下,接枝的SA越多,其上所含有的羧基(-COOH)也就越多,-COOH基团会与PNIPAM网络中的-CONH-以及相邻的-COOH形成氢键,使凝胶网络收缩。
2.5 引发剂用量对凝胶溶胀度的影响
图9为凝胶引发剂用量对凝胶在pH值为7.8、1.2时不同温度下溶胀度的影响曲线图,图10为26℃时凝胶在不同pH值条件下的溶胀曲线图。可以看出,凝胶具有良好的温度敏感性能和pH敏感性能,且凝胶的溶胀度随引发剂用量的不同有一最高点。APS/TMEDA聚合为自由基聚合,NIPAM聚合与SA和PNIPAM的接枝共聚均与引发剂用量有关,当引发剂用量低于2%时,引发后形成的聚合链少,引发时间长,不能形成有效的聚合物三维网络,凝胶溶胀时,凝胶的可溶部分太多,且SA与PNIPAM的接枝率低,导致凝胶溶胀度降低;引发剂用量过高时,引发后形成的聚合链多且短,单体容易发生自交联甚至暴聚,导致分子量降低,不能形成有效的空间结构。虽然引发剂增多可以产生更多的自由基,提高SA与PNIPAM的接枝率,但是凝胶中的SA量太少,引发剂对NIPAM聚合的作用占主导作用,致使凝胶溶胀度降低。
2.6 交联剂用量对不同温度下凝胶溶胀度的影响
图11为交联剂用量对凝胶在pH值为7.8、1.2时不同温度条件下的溶胀度影响曲线图,图12为26℃时凝胶在不同pH条件下的溶胀曲线图。由图11和图12可以看出:(1)凝胶均具有良好的温度敏感性能和pH敏感性能,且凝胶溶胀度都随着交联剂用量的增加而降低。这是因为随着交联剂的增多,PNIPAM网络中的交联点增多,交联密度增大,网络空间减少,不利于水分子的进出及储存,导致溶胀度降低。(2)随着交联剂的增多,在碱性和酸性条件下,凝胶的温度敏感性都有所降低。交联剂的增多使太多的-CONH-CH2-NH-CO-基团固定在PNIPAM高分子链上,酰胺基团的加入破坏了PNIPAM的亲水/疏水平衡,从而导致随着交联剂的增多,凝胶敏感性降低。
3 结论
以海藻酸钠和N-异丙基丙烯酰胺为原料制备了具有温度和pH敏感性能的SA/PNIPAM水凝胶,重点研究了反应条件对凝胶溶胀度的影响。结果表明,(1)碱性条件下,凝胶溶胀度随SA用量的增加而增大,酸性条件下则相反;(2)反应温度会提高SA与PNIPAM高分子链的接枝率,从而影响凝胶溶胀度,碱性条件下,随反应温度的升高凝胶溶胀度增大,酸性条件下则相反;(3)引发剂用量为2%时凝胶的溶胀度较高;(4)凝胶的溶胀度随交联剂用量的增加而减小。
摘要：以海藻酸钠(SA)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)为原料,采用水溶液聚合法制备了具有温度和pH值双重敏感性的海藻酸钠/聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶。在不同温度、不同pH值条件下,考察了单体浓度、交联剂用量、引发剂用量和反应温度对该凝胶溶胀度的影响,结果表明,凝胶有良好的温度和pH敏感性能,单体浓度、交联剂用量、引发剂用量和反应温度对凝胶的溶胀度均有较大影响。
关键词：海藻酸钠,N-异丙基丙烯酰胺,反应条件,温度敏感,pH敏感
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