pH敏感性范文
pH敏感性范文（精选7篇）
pH敏感性 第1篇
聚乙烯醇(PVA)形成的水凝胶具有化学性质稳定,机械强度高,无毒副作用、可生物降解,生物相容性好等特点,是一种重要的功能材料,但其溶胀性能较差、不具备pH敏感性和重金属离子络合功能[5]。聚丙烯酸、丙烯酸钠交联聚合型水凝胶是一类性能优异的吸水率高、吸水速度快、对电场及pH刺激具有响应性的智能水凝胶[6,7]。
为了制备刺激响应性能和力学性能良好的水凝胶,笔者采用水溶液同步聚合法制备了聚乙烯醇/聚丙烯酸钠(PAA-Na)半互穿网络水凝胶,并对其在不同条件下的溶胀性能进行了研究。
1 实验部分
1.1 原料
丙烯酸(分析纯)天津市科密欧化学试剂有限公司;聚乙烯醇(分析纯),天津市风船化学试剂有限公司;氢氧化钠(分析纯),天津化学试剂有限公司;氯化钙(分析纯),天津市博迪化工有限公司;过硫酸铵(分析纯),西安化学试剂厂;N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(Bis)(化学纯),上海化学试剂厂;氯化钠(分析纯),天津化学试剂有限公司。
1.2 仪器
DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器,郑州欧卡仪器设备有限公司;DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱,上海益恒实验仪器有限公司;JJ-1型电动搅拌器,金坛市华峰仪器有限公司;JY601型电子天平,上海海康电子仪器厂; HHS-1S型电子恒温不锈钢水浴锅,上海市南阳仪器有限公司。
1.3 PAA-Na/PVA水凝胶的制备
量取一定量的丙烯酸,开动搅拌,冰浴下缓慢加入计量的NaOH溶液,冷却至室温,加入一定量的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵,搅拌均匀后,与溶解好的计量聚乙烯醇溶液充分混合,密封,为了避免产品中出现气泡,采取逐步升温的方法,先在50℃反应1h,然后在60℃下反应1h,之后升温至70℃保温反应4h,得到聚合物凝胶,取出,用去离子水反复洗涤,剪切,干燥,密封备用。
1.4 水凝胶性能测试
1.4.1 溶胀性能测试
称取一定量的干凝胶分别置于不同pH值溶液、不同浓度NaCl、CaCl2溶液中,隔一定时间取出擦去表面水分,称重,溶胀比(SR)按式(1)计算:
SR =(WtW0)∕W0(1)
式中,W0表示干凝胶质量,Wt表示溶胀后的凝胶质量。
1.4.2 退溶胀性能测定
将在去离子水中达到溶胀平衡的水凝胶准确称重,在室温下将其放入不同pH值溶液和不同浓度离子的氯化钠和氯化钙溶液中,隔一定时间取出擦去表面水分,称重,水凝胶在不同溶液中的退胀率由式(2)计算:
WR = ( Wt-W0) ∕(We-W0)100%(2)
式中,Wt为t时刻凝胶质量,We为去离子水中溶胀平衡凝胶质量,Wo为干凝胶质量。
1.4.3 可逆溶胀-退溶胀性能
将水凝胶放入pH=12和pH=2的溶液中溶胀与退胀,在不同的时间取出,测其质量,反复试验,水凝胶的溶胀比按式(1)计算。
1.5 红外光谱表征
采用美国NICOLET iS10傅里叶红外光谱仪对凝胶结构进行表征。
2 结果与讨论
2.1 产品的红外分析
图1是PVA、PAA-Na及PAA-Na /PVA的红外光谱图,PAANa /PVA反映出PVA、PAA-Na红外谱的共同特征峰,3360cm-1处的宽峰属于O-H收缩振动,1545cm-1为羧酸盐的特征吸收峰,1409为羧酸根离子弯曲振动的特征吸收峰,2922为C-H的不对称伸缩振动吸收峰,1080为C-O伸缩与O-H弯曲振动吸收峰。因此在IPN的合成过程中既未形成复杂的化学键,又无PVA与AA的共聚,说明形成了Semi-IPN结构。
2.2 水凝胶的pH敏感性
2.2.1 干凝胶的溶胀动力学
图2显示不同配比(质量比,以下同)的水凝胶具有类似的动态溶胀曲线,其溶胀行为均具有较明显的pH敏感性。在pH=11的溶液中的溶胀度最大,随pH降低,溶胀度也随之减小。
在低pH下,水凝胶中-COOH的解离受到抑制, -COOH之间及-COOH与-OH之间的氢键作用力,使得凝胶网络收缩,溶胀度降低,在碱性条件下,-COOH基团在解离成-COO一离子,随着溶液pH增加,羧基的离子化使网络中的电荷密度会逐渐增加,由此产生的渗透压及网络间静电排斥作用使凝胶网络张开,结构变得比较松散,进而使溶胀度增大[8]。
2.2.2 不同比例水凝胶在不同pH溶液中的退溶胀性能
图3给出了在去离子水中溶胀平衡凝胶在不同pH溶液中的退溶胀性能。水凝胶在pH=2与pH=8的溶液中均呈现收缩行为,且在酸性条件下收缩更快,根据Donnan平衡理论,凝胶的溶胀主要是由凝胶内外自由离子浓度差产生的渗透压决定,当凝胶内渗透压大于溶液渗透压时,则吸水,反之则脱水。在酸性条件下,凝胶网络内基团结合质子,以-COOH形式存在,由于氢键作用,同时还由于溶液的盐效应,加速凝胶的脱水,因此凝胶在pH=2下,收缩比较快;在碱性条件下,凝胶网络内-COOH大部分解离成COO-,产生静电斥力使网络舒展,促进溶胀,由于此时凝胶网络已经吸收了大量的水,网络分子链已经充分舒展,静电斥力几乎可以忽略,起主要作用的是溶液的离子效应,因此凝胶在碱性条件下仍然收缩,只有当静电作用力、渗透压、网络弹性三者作用力达到平衡时,凝胶才能达到收缩平衡[9]。
2.2.3 凝胶的可逆溶胀-退溶胀性能
水凝胶的溶胀-退溶胀性能如图4所示,凝胶表现出pH刺激性应性,在pH=2的溶液中收缩,pH=12的溶液中溶胀,其机理与上述凝胶的溶胀退溶胀机理相同,这种良好的溶胀-退胀可逆溶胀收缩性能将会在药物释放、仿生材料、化学机械等方面发挥特殊作用。
2.3 在不同盐溶液中的溶胀行为
2.3.1 在氯化钠溶液中的溶胀动力学
图5为 PVA/PAANa水凝胶分别置于浓度为0.05,0.1,0.15,0.20mol/L 的NaCl溶液中溶胀时凝胶溶胀度随时间变化的曲线。由图5可以看出,凝胶在不同浓度的NaCl溶液中的溶胀现象基本相同。开始阶段随着时间的增加溶胀度急剧增大,溶胀后期溶胀度基本随时间增加不再变化,并且随着NaCl溶液浓度的增大水凝胶的溶胀能力下降。比较A和B还发现丙烯酸含量越大,溶胀度有所增加。这是因为在干凝胶溶胀过程中,溶液中的离子Na+和Cl-也会扩散进入凝胶内部,Na+被吸附在分子链的COO-附近,负离子之间的静电斥力被所Na+屏蔽,抑制了凝胶链段的松弛,凝胶网络空隙较小,不利于溶液进入;同时凝胶内渗透压降低,降低了溶液向凝胶渗透的动力,造成溶胀度下降。
2.3.2 在氯化钙溶液中的溶胀动力学
图6显示了凝胶在不同浓度CaCl2的溶胀行为。由图6可知,凝胶的溶胀度随CaCl2溶液浓度增大而减小,同NaCl溶液相比,CaCl2溶液影响更为显著,并且出现溶胀后又收缩现象。这是由于钙离子体积较钠离子体积大,Ca2+为二价离子,溶液离子强度增大,造成溶胀度大大降低;形成凝胶后之所以会收缩,是因为钙离子与羧基反应生成了分子间、分子内的络合物,分子链之间产生更多交联点,减少了阴离子之间的静电斥力,导致水凝胶网络空间减小,溶胀度降低。
3 结论
(1)采用水溶液聚合制备了PVA/PAANa半互穿网络水凝胶,凝胶表现出较好的pH敏感性,随pH增大,凝胶溶胀度增大,在pH=12和pH=2溶液中还表现出较好的溶胀-退溶胀性能。
(2)溶液的离子强度对凝胶的溶胀性能有很大的影响,离子强度增大,凝胶溶胀比降低, CaCl2溶液比NaCl溶液对溶胀性能影响大得多,并且在CaCl2溶液溶液中出现凝胶先溶胀后收缩现象。
参考文献
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pH敏感性 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敏感性 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:
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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敏感性 第4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敏感性 第5篇
1 实验部分
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;苯乙烯,溴苯,四氯化碳,2-溴丙酸,北京化学试剂公司;丙烯酸(AA),北京市兴津化工厂;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;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;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。
AL104型电子天平;DGG-9000B型电热恒温鼓风干燥箱,DZG-6000型电热真空干燥箱;LT-105型冷冻干燥机;80-2型电动离心机;85-2型磁力搅拌器;DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器;RE-52C型旋转蒸发器;KH3200B型台式超声波清洗器;PB-10型pH计;2XZ-2型真空泵。
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[1],具体合成见图1(合成步骤略)。
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,具体合成见图2(合成步骤略)。
1.4嵌段共聚物PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)的合成
以大分子链转移剂PMMA-CAT作为链转移剂,AIBN为引发剂,具体合成见图3(合成步骤略)。
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2个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的DMF中,搅拌1h溶解均匀后向溶液中逐滴地加入50mL去离子水,待溶液浑浊后装入截流分子量为8000 g/mol的透析袋中,20℃下于去离子水中透析,每隔2h换一次水,透析24h,得到的产物用孔径为0.45μm的微孔滤膜过滤后,冷冻干燥得到胶束的白色粉末。
1.6 测试与表征
1.6.1 聚合物的结构表征
红外光谱图使用Nicolet 8700型傅立叶红外光谱仪测定,KBr研磨压片。1H核磁共振谱图使用Bruker AVANCE 600型核磁共振谱仪测定,以氘代氯仿为溶剂。聚合物分子量及分子量分布采用Waters1515型凝胶渗透色谱仪,以一系列的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。
1.6.2 聚合物胶束的结构表征
嵌段共聚物胶束的形态与尺寸分布使用JEM-2011透射电子显微镜测定。 嵌段共聚物胶束的粒径及其分布采用Malvern zetasizer Nano-S激光粒度分析仪进行测试。
1.6.3 聚合物及聚合物胶束的性能测定
聚合物的临界胶束浓度(CMC)用荧光探针(探针为芘)测得。通过稀释法配制一系列浓度的聚合物溶液(0.5～2.510-4mg/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浓度为510-5mol/L芘的丙酮溶液,自然挥发掉样品中的丙酮后,静置放置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340 nm,发射光谱范围为350～600 nm,扫描速度为500nm/min,激发带宽和发射带宽为2.5 nm。测定不同浓度聚合物溶液样在373 nm和384 nm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或其大致范围。
聚合物水溶液的相转变温度使用UV-vis 2550 PC型紫外-可见光谱仪测定。样品浓度分别为500 mg/L 和300mg/L,测试温度从20～50℃。聚合物的LCST值定义为透光率减小到总增量一半时对应的温度值。
不同温度下聚合物溶液的光强和流体力学直径使用DynaPro NanoStar 动态激光光散射仪测定。散射角为90°,激光波长为658nm,功率0～100nW可调,温度范围为4～150℃。利用CONTIN软件计算粒子在溶剂中的粒径及粒径分布。
2 结果与讨论
2.1 聚合物的结构和组成
对大分子链转移剂PMMA-CAT进行红外光谱分析(图略),可知1658cm-1为PMMA中C=O的伸缩振动吸收峰,1240cm-1-1、1023cm-1为C-O-C 的吸收峰,2900cm-1是由基团-CH2或-CH3的振动引起的[2],1454cm-1处的苯环骨架振动以及699cm-1、3000 cm-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振动峰证明确生了可逆-加成断裂链转移自由基聚合。
图4为嵌段共聚物PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)的红外谱图,由图可看出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COOH峰和2700-2900cm-1处羧基氢的伸缩振动峰均来自与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。
对大分子链转移剂PMMA-CAT以氘代氯仿为溶剂的1H 核磁共振谱图(图略)分析表明,化学位移为1.14ppm 的甲基峰、1.3ppm的亚甲基峰以及3.85ppm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5.10ppm处的次甲基峰,7.2～7.5ppm处的苯环氢以及8.0ppm处与双硫酯相连的苯环上的邻位氢均来自与链转移剂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聚合成功。
对嵌段共聚物PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)进行1H 核磁共振谱分析(均以氘代氯仿为溶剂,图略),可知2.12ppm的亚甲基峰来自聚丙烯酸,而化学位移在4.0ppm处异丙基上的次甲基上的质子的特征峰、化学位移为6.3～7.0ppm处的酰胺基(-NH)均来自与聚异丙基丙烯酰胺链段,并且在8.0ppm处的苯环上邻位氢的振动峰也说明双硫酯基团已经成功的被连接上。
对共聚物胶束进行TEM分析(图略),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,以PAA-co-PNIPAM 为壳的“核-壳”结构。在所形成的球状胶束中,粒子大小分布较为均匀,平均粒径在200nm左右。
2.2 聚合物低临界胶束浓度(CMC)的测定
一系列浓度含定量芘的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5所示。由图可看出,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上不再发生变化。这是因为芘不溶于纯水溶液,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(log C)为X轴,I3/I1为Y轴作图,如图6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,由图算得目标聚合物的CMC值为3.2mg/L。
2.3 嵌段共聚物的温度响应行为
2.3.1 嵌段共聚物的低临界溶解温度(LCST)的测定
PNIPAM水凝胶的LCST在32℃左右[3],为确定嵌段共聚物PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)胶束是否同均聚物PNIPAM一样具有温度敏感性,利用紫外-可见分光光度计,测定PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-1和PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-2胶束随温度变化的透光率变化,从而确定其低临界溶解温度(LCST)。透光率减小到总量一半时对应的温度值定义为LCST。分别测定了PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-1和PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-2胶束在波长为540nm时的透光率随温度的变化曲线(溶液的浓度为110-4g/mL)(图略)。可知PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-1胶束的透光率在36℃开始降低,在40℃时已经完全不透明(透光率T<1%),相转变温度为37.4℃,对温度响应性很迅速;PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-2的相转变温度为40.8℃,相转变点发生在36℃,一直到43℃溶液的透光率才为10%,相转变温度区域(7℃)比较宽,并且最后仍然有10%的透光率,这是因为PNIPAM 链段变短,所以对温度的敏感响应性变差。两种胶束都和PNIPAM均聚物一样具有温度敏感性,但是通过接枝AA侧链,LCST温度有所增加,且AA链段所占比例越大,LCST温度越高。通过改变嵌段共聚物中亲水性单体AA与NIPAM的反应配比,可以改变聚合物的LCST。AA的亲水性较强,亲水性基团的增加使体系的氢键作用增强,破坏氢键作用需要更多的能量,从而使LCST增加[4]。
2.3.2 聚合物胶束的温敏性可逆测试
图7为共聚物PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-1胶束在25℃和40℃下的透光率循环变化图。温度在25℃和40℃之间循环,以30min为周期间隔。由图明显可知聚合物胶束在这两个温度循环刺激下其透光率呈现可逆的交替变化,即胶束溶液随温度升高变浑浊,透光率降到10%以下,但是降低温度胶束恢复原状,透光率达到100%,表明PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)胶束的体积相转变具有可逆性。即使经过5个升温-降温循环后,这种温度敏感性变化仍然存在。
2.3.3 温度对聚合物胶束的粒径及其分布的影响
由PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-1、PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-2胶束分别在25℃和40℃时的粒径分布图(图略)可知。聚合物胶束在25℃的水溶液中粒径分布较窄,PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-1的平均直径在240nm左右,当温度升至40℃时,由于温度高于LCST,分子运动加剧,胶束外壳塌陷,胶束在水溶液中聚集,其粒径减小到200nm左右。由于温度的不均匀和分子的不断运动,胶束的聚集行为并不均匀,所以此时胶束的粒径分布较宽。PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-2在25℃和40℃时的粒径也从210nm急剧减小到了190nm。由于此种方法测得的胶束粒径是在水中的水力直径,所以激光粒度分析仪测得的粒径大小要大于由TEM测得的粒径。
当温度低于嵌段共聚物的LCST时,高分子以无规线团形式伸展,均匀地存在于溶液中。当温度高于LCST时,由于分子间的疏水作用增强,氢键作用力减弱,聚合物链相互聚集,形成胶束,溶液中粒子的尺寸急剧减小。因此,可以通过测定溶液中嵌段共聚物尺寸随温度的变化情况来表征聚合物的胶束化行为。测定了不同温度下胶束的粒径及其分布(图略)。可知PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-1在温度从25℃升至45℃时,粒径从240nm降到219nm,与粒度分析仪测得的结果相同,并可知粒径的突变温度为36℃,与PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-1的相转变温度吻合。PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-2胶束的粒径变化规律及其分布也与粒度分析仪的结果相似。
2.4 嵌段共聚物的pH值响应行为
2.4.1 嵌段共聚物在不同pH值下的LCST
人体细胞浆液和癌变组织的大多偏酸性,pH值约为5.5,因此为了提高药物的靶向释放,胶束溶液的pH值应调节在 5.5左右时其LCST接近人体生理温度。分别配制pH为2.0、4.2、5.5、7.0,浓度为0.5mg/mL的PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)聚合物胶束磷酸盐缓冲溶液,测定胶束溶液在不同pH值下540nm处的透光率随温度的变化情况,如图8、图9所示。由图可以看出,随着pH值的升高共聚物胶束溶液的LCST也逐渐增大。分析表明,通过调节AA在聚合物中的含量和环境的pH值,就可以调节控制共聚物胶束的LCST。PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-1胶束在pH为7.0、PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-2胶束在pH为5.5时,其LCST分别为37.4℃和37.1℃,接近人体正常体温,可根据需要调节其临界相变温度。
2.4.2 嵌段共聚物胶束在不同pH值下的稳定性测试
嵌段共聚物胶束作为药物运载的载体,需在人体血液中长期稳定存在。图10为PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)-2聚合物胶束在模拟人体血液(pH=7.0,T=37℃)和细胞浆液(pH=5.5,T=37℃)中的水力直径随着时间的变化图。如图所示,聚合物胶束在这两个模拟环境中储存10天,其水力直径基本保持稳定,这说明聚合物胶束可以在模拟的人体环境中长期存在。
3 结论
通过可逆加成断裂链转移自由基聚合方法合成了具有“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,可以有效的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。采用紫外-可见光谱测定了PMMA-b-(PAA-co-PNIPAM)聚合物胶束的LCST。随着pH值的升高共聚物胶束溶液的LCST也逐渐增大,通过调节AA在聚合物中的含量和环境的pH值,就可以调节控制共聚物胶束的LCST。聚合物胶束的水力直径可以通过pH值和温度来调节,随着pH值的增大和温度的降低而逐渐增大,聚合物胶束在模拟人体血液环境 (pH=7.0,T=37℃)和细胞浆液环境 (pH= 5.5,T=37℃) 中储存10天,其水力直径基本未发生明显变化,聚合物胶束在人体环境中是能够长时间稳定存在的。所合成的嵌段聚合物具有生物相容性和环境敏感性,在生物医药控释体系等领域具有一定的应用潜力。
参考文献
[1]王玉霞.苯乙烯体系可逆加成-断裂链转移本体活性聚合的研究[D].天津:天津大学,2003.
[2]Wei Hua,Zhang Xian-Zheng,Zhou Ying,et al.Self-assembledthermoresponsive micelles of poly(N-isopropylacrylamide-b-methyl methacrylate)[J].Biomaterials,2006.27(9):2028-2034.
[3]Schild H G.Poly(N-isopropylacrylamide):experiment,theoryand application[J]].Progress in Polymer Science,1992,17(2):163-249.
pH敏感性 第6篇
1 实验部分
1.1 原料与试剂
临硝基苯甲醛、甲苯、2-氯乙醇、原甲酸三甲酯、五甲基二乙烯三胺、溴化亚铜、对甲苯磺酸、N,N-二甲基甲酰胺、二硫苏糖醇、中性氧化铝、叠氮化钠、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺、3,3-二硫代二丙酸、丙炔醇、N,N-二环己基碳二亚胺(均为AR)。
1.2 主要实验仪器
WATERS 2695-2414 凝胶渗透色谱仪、UVSF80型UV LED固化装置、AVANCE-500 核磁共振波谱仪、Hei-VAP旋转蒸发仪。
1.3制备路线
1.4 实验步骤
室温条件下,在一个干净的单口烧瓶(100m L) 里加入磁力搅拌子和甲醇50m L、原甲酸三甲酯15.75g(0.1485mol),催化剂对甲苯磺酸1.2g(6.6mmol),再加入临硝基苯甲醛5g(33mmol)。然后油浴80℃回流19h,通过薄层色谱监测反应进程,待反应结束后用饱和碳酸氢钠水溶液终止反应,水层用乙酸乙酯萃取,遵循少量多次原则,收集有机层, 减压旋蒸除去溶剂乙酸乙酯。粗产物为淡黄色液体,最后用柱层析法(石油醚/ 乙酸乙酯=8/1)分离得到亮黄色的液体产物a(产率98%)。
在一个干净的单口烧瓶(100m L)中加入磁力搅拌子和甲苯60m L,加入单体a 5g(25.37mmol),2-氯乙醇4.9g(60.88mmol),缓慢加入催化剂对甲苯磺酸0.024g(0.127mmol),采用蒸馏装置,副产物甲醇与甲苯共沸除去甲醇。通过薄层色谱监测反应进程,待反应结束时用饱和碳酸氢钠溶液终止反应。收集有机层,水层再用乙酸乙酯萃取3 次,合并有机层,减压旋蒸除去溶剂甲苯,粗产物用柱层析法(石油醚/ 乙酸乙酯=8/1)分离得到淡黄色液体b(产率95%)。
在一个干净的单口烧瓶(100m L)中加入磁力搅拌子和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)60m L,加入4g单体a(13.65mmol),再小心加入叠氮化钠(Na N3)4.44g(68.25mmol)。充分溶解后将温度设为80℃回流10h,通过薄层色谱监测反应进程,待反应结束时用饱和碳酸氢钠溶液终止反应并过滤。收集滤液,然后用乙酸乙酯反复多次萃取收集有机层,减压旋蒸除去溶剂乙酸乙酯,粗产物用柱层析法(石油醚/ 乙酸乙酯=8/1)分离得到淡黄色液体c(产率98%)。
点击聚合:选用一个干净的三口圆底烧瓶加入磁力搅拌子,加入单体c AMNOB 0.430g(1.4mmol),单体d 3,3-二硫代二丙酸二丙炔酯0.343g(1.2mmol),配体五甲基二乙烯三胺20.76mg(0.12mmol), 溶剂选用N,N- 二甲基甲酰胺(DMF)5m L,氮气保护室温搅拌30min,然后再加催化剂溴化亚铜17.16 mg(0.12mmol),并继续鼓足氮气30min后用止水钳夹紧密封体系反应12h。反应体系之所以先氮气保护其根本目的在于除去体系里的空气,避免反应体系因为氧气的存在造成催化剂失活而使反应终止。反应结束后采用简单过柱的方法,用中性氧化铝除去铜离子至溶液没有蓝色。减压旋蒸除去溶剂并用乙醚沉淀的方法得到聚合物。
聚合物降解:选用干净的石英管3 支,分别加入聚合物10mg并用2m L四氢呋喃溶解并标记a、b、c。将a试管放入紫外灯(365nm) 光照5min后待测GPC;将b试管中加入DTT 10mg溶解静置1h待测GPC;将c试管中加入提前配置好的pbs缓冲溶液(p H=5.5)3 滴,静置1h待测GPC。
2 结果与讨论
图3 显示了单体a的核磁1H NMR (500MHz,CDCl3):δ7.78(m,2H),δ7.60(t,1H),δ7.47(t,1H),δ5.92(s,1H),δ3.40(s,6H)。 单体b的核磁1H NMR (500MHz, CDCl3):δ7.86(m,2H),δ7.62(t,1H),δ7.49(t,1H),δ6.25(s,1H),δ3.85(m,2H),δ3.65(m,2H)。 单体c的核磁1H NMR (500MHz,CDCl3):δ7.86(m,2H),δ7.62(t,1H),δ7.49(t,1H),δ6.25(s,1H),δ3.74(m,2H),δ3.45(m,2H)。
图4 显示了原料3,3-二硫代二丙酸的核磁1H NMR (500MHz, 氘代DMSO):δ2.87(t,4H),δ2.61(t,4H)。单体d的核磁1H NMR(500MHz, CDCl3):δ4.70(d,4H),δ2.92(t,4H),δ2.78(t,4H),δ2.45(s,2H)。
图5 显示了单体AMNOB与3,3- 二硫代二丙酸二丙炔酯通过点击化学聚合得到的三重敏感高分子材料的核磁1H NMR(500MHz,CDCl3):δ7.90~7.40(m,6H,该处的种质子氢的积分面积b∶c∶d∶g=2∶1 ∶ 1∶2),δ6.06(s,1H),δ5.26(s,4H),δ4.42(m,4H),δ3.72(m,4H),δ2.88(m,4H),δ2.69(m,4H)。
图6 是单体AMNOB与3,3- 二硫代二丙酸二丙炔酯通过点击化学逐步聚合所得产物的凝胶渗透色谱(GPC)谱图,其测试结果为Mn=7912, Mw=9861,PDI (Mw/Mn)=1.24。
图7 是单体AMNOB与3,3-二硫代二丙酸二丙炔酯通过点击化学逐步聚合所得聚合物,及聚合物分别进行UV/DTT/p H降解的凝胶渗透色谱(GPC)谱图。通过对比我们可以更加直观地看到,在进行UV/DTT/p H降解处理后,聚合物的出峰位置都明显后后移移,,说说明明降降解解效效率率很很高高。。
3 结论
1)通过核磁氢谱(1H NMR)分析,我们成功合成点击聚合所需的两种单体c和d,以及三重敏感的聚合高分子材料。
2)通过凝胶渗透色谱(GPC)谱图分析,我们直观地得出三重敏感聚合高分子材料在分别进行UV/DTT/p H降解实验时,分子量都发生明显的变化,也进一步验证了该材料具有很好的三重降解特性。
参考文献
[1]P.Klan,T.Solomek,C.G.Bochet,A.Blanc,R.Givens,M.Rubina,V.Popik,A.Kostikov,J.Wirz,Photoremovable protecting groups in chemistry and biology[J].Chem.Rev.,2013,113(1):119-191.
[2]Anna Paola,Pelliccioli,Jakob,Wirz.Photoremovable protecting groups:reaction mechanisms and applications.[J].Photochemical&Photobiological Sciences,2002(7):441-458.
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[4]Roberts D L,M Yaning,Bowles S E,et al.Polymer-stabilized phospholipid vesicles with a controllable,p H-dependent disassembly mechanism.[J].Langmuir,2009,25(4):1908-1910.
pH敏感性 第7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。
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