pH/溫度雙重敏感微凝膠的制備與藥物緩釋模擬

李培培，張達(dá)志，王 彬，劉瓊瓊，徐云慧，趙海峰

(1.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，江蘇徐州 221140;2.江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122)

環(huán)境響應(yīng)性微凝膠顆粒廣泛應(yīng)用在生物工程、藥物輸送、化學(xué)分離、化學(xué)傳感器以及催化反應(yīng)等方面［1-2］，主要是由于響應(yīng)性微凝膠在溫度、pH值等因素發(fā)生變化時(shí)，微凝膠內(nèi)部發(fā)生溶劑的擠出或溶脹，從而導(dǎo)致微凝膠的體積發(fā)生膨脹或收縮，引起其他性能變化的一類微凝膠。研究較集中的是以N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm)為基本單體的一類溫度響應(yīng)性微凝膠，可利用PNIPAAm微凝膠來(lái)做生物分子或藥物分子的載體，通過(guò)溫度來(lái)控制活性物質(zhì)的吸收和釋放［3-4］。本文采用沉淀聚合法合成出具有pH/溫度雙重敏感性且形態(tài)規(guī)則的P(NIPAAmco-AAc)微凝膠，AAc單體的加入可以改變PNIPAAm的相轉(zhuǎn)變溫度，以滿足作為藥物載體的要求。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與設(shè)備

丙烯酸(AAc):分析純，中國(guó)醫(yī)藥(集團(tuán))上?；瘜W(xué)試劑公司生產(chǎn)，減壓蒸餾后使用;N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm):日本興人公司生產(chǎn)，正己烷重結(jié)晶提純后使用;聚乙烯吡咯烷酮(PVP，K-30):中國(guó)醫(yī)藥(集團(tuán))上?；瘜W(xué)試劑公司進(jìn)口分裝，直接使用;N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺(Bis):日本和光純藥工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)，直接使用;過(guò)硫酸鉀(KPS):化學(xué)純，上海試四赫維化工有限公司生產(chǎn)，重結(jié)晶提純后使用;無(wú)水乙醇:分析純，上海振興化工一廠生產(chǎn)，蒸餾后使用;氮?dú)?工業(yè)用高純氮，中國(guó)華晶電子集團(tuán)公司動(dòng)力廠生產(chǎn)。掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-5610LV-VANTAGE)，美國(guó)Noran公司;紫外-可見分光光度計(jì)(UV-1100)，北京瑞利分析儀器公司;傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR，2000-104型)，美國(guó)ABB公司。

1.2 表征

P(NIPAAm-co-AAc)微凝膠的形態(tài)由掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀測(cè);將微凝膠配制成3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的水溶液，通過(guò)UV光譜在525 nm處測(cè)量，升溫速率:1℃/min;微凝膠的分子結(jié)構(gòu)由紅外光譜儀進(jìn)行表征;將溶脹測(cè)試后的微凝膠放在表面皿中，在50℃條件下于真空干燥箱中充分干燥，得干凝膠稱重Wd;根據(jù)公式SR=(Ws-Wd)/Wd計(jì)算出溶脹率。將微凝膠放在定量阿司匹林的溶液中浸泡一晝夜，然后將含藥物的凝膠分別放于不同pH值溶液中，在37℃下進(jìn)行釋放試驗(yàn)，隔固定時(shí)間取2 mL該溶液，滴加FeCl3鹽酸液顯色，在525 nm處測(cè)吸光度，計(jì)算釋放率。

1.3 P(NIPAAm-co-AAc)微凝膠的合成

將一定量的NIPAAm、AAc、Bis、PVP 溶于15 mL去離子水，放入聚合反應(yīng)管中，待全部溶解后，通氮?dú)?0 min，加入KPS，在70℃油浴中恒溫?cái)嚢璺磻?yīng)12 h。通過(guò)高速離心機(jī)分離，并用去離子水反復(fù)洗滌。將洗滌以后的微球分散液冷凍并干燥，得到P(NIPAAm-co-AAc)微凝膠粉末。

2 結(jié)果與討論

2.1 P(NIPAAm-co-AAc)FTIR 表征

對(duì)分離凈化后的高分子微凝膠結(jié)構(gòu)進(jìn)行FTIR分析(圖1)，由圖1看出:P(NIPAAm-co-AAc)微凝膠顆粒在1 731 cm-1、1 650 cm-1屬于丙烯酸鏈段和酰胺鏈段中的υ(═CO特征吸收峰，可基本判斷P(NIPAAm-co-AAc)微凝膠基本合成。

圖1 微凝膠的FI-IR圖譜

2.2 微凝膠的形態(tài)分析

因?yàn)橹苽淠z粒子的關(guān)鍵是控制交聯(lián)劑Bis的量，故考察Bis的用量對(duì)微凝膠形態(tài)的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 樣品的物料配方

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)沉淀聚合制備微凝膠，反應(yīng)溫度控制在70℃，而此溫度遠(yuǎn)高于PNIPAAm的LCST，則會(huì)增加PNIPAAm鏈的相分離行為，導(dǎo)致膠態(tài)粒子的形成，通過(guò)這種方法合成的微凝膠單分散性良好，且表面形態(tài)規(guī)則。通過(guò)微凝膠的SEM照片(見圖2)可以看出，Bis含量的不同，所制備的凝膠形態(tài)發(fā)生很大變化，當(dāng)Bis的用量為單體用量NIPAAm的10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，所制備的凝膠形態(tài)為較分散的球形。

圖2 不同濃度交聯(lián)劑得到的微凝膠圖像

圖3 2%的微凝膠溶液在不同溫度時(shí)的透光率

2.3 微凝膠的pH值和溫敏性雙重測(cè)試

圖3考察P(NIPAAm-co-AAc)微凝膠的pH敏感性，以HCl或NaOH調(diào)節(jié)微凝膠溶液的pH值，測(cè)定微凝膠在不同pH值條件下透光率隨溫度的變化曲線［5］。

AAc是一種親水性能比NIPAAm更好的單體，AAc引入到聚合物鏈后，AAc與水形成更強(qiáng)的氫鍵，從而導(dǎo)致相分離溫度提高。由于P(NIPAAm-co-AAc)為球形聚合物，羧基主要分布在聚合物表面，在水中時(shí)表面羧基會(huì)發(fā)生離解，生成羧酸根離子和氫離子，呈離解平衡狀態(tài)，該平衡態(tài)受到溶液pH值的影響。

①當(dāng)pH值較低時(shí)，即氫離子濃度較大，在聚陰離子鏈的外部與內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，使部分陰離子靜電場(chǎng)得到平衡，以致其排斥力作用減弱，聚合物鏈發(fā)生蜷曲，尺寸縮小，溶解性變差;②當(dāng)pH值較高時(shí)，羧酸根離解度增加而氫濃度很小，陰離子之間的排斥力增強(qiáng)使得共聚物鏈在水溶液中呈伸展?fàn)顟B(tài)，溶解性增強(qiáng)。③當(dāng)pH值繼續(xù)升高(＞7時(shí))，P(NIPAAm-co-AAc)上的羧基與堿作用形成羧酸鹽，增加了微凝膠粒子的親水性，大分子之間疏水締合作用減小，大分子鏈段處于伸展?fàn)顟B(tài)而自由運(yùn)動(dòng)，以致無(wú)相分離現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.4 微凝膠的載藥、釋藥性

考慮藥物應(yīng)盡可能在人體的小腸部位釋放，因此凝膠的LCST值應(yīng)在37℃附近，通過(guò)調(diào)整合成配比，合成出了符合要求的凝膠，以用于體外模擬實(shí)驗(yàn)。圖4表示吸收藥物凝膠塊的緩釋效果?？煽闯?，吸收藥物凝膠在pH值7.0時(shí)，藥物8h的釋放率約為89%，而pH值2的條件下，相同時(shí)間僅釋放54%。其機(jī)理可解釋為，pH值增大，以陰離子形式存在的羧基含量增多，電荷間的靜電排斥作用使凝膠溶脹，易釋放出藥物小分子。

圖4 pH值對(duì)藥物自微凝膠中釋放的影響

3 結(jié)論

采用沉淀聚合法制備了pH/溫度雙重敏感P(NIPAAm-co-AAc)微凝膠。通過(guò)控制交聯(lián)劑的量，可制備不同形態(tài)的凝膠。其中當(dāng) Bis量為NIPAAm的10%時(shí)，制備大小均一，單分散較好的凝膠粒子。P(NIPAAm-co-AAc)微凝膠的LCST的大小與AAc的含量有關(guān)。微凝膠的pH敏感性隨聚合物中AAc含量的增加而顯著提高。為使微凝膠同時(shí)具有 pH，溫敏性，故本實(shí)驗(yàn)選擇 AAc占NIPAAm10%的配比。

［1］楊禮賀，施冬健，東為富，等.溫度/pH敏感性Sem-i IPN水凝膠的制備與性能［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2011，12(27):131-134.

［2］Zhang J，Chu LY，Li Y K，et al.Dual thermo-and pH-sensitive poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid)hydrogels with rapid response behaviors［J］.Polymer，2007，48(6):1718-1728.

［3］Fang S J，Kawaguchi H.A thermosensitive amphoteric microsphere and its potential application as a biological carrier［J］.Colloid and Polymer Science，2002，280:984-989.

［4］Elaissari A，Burrel V.Thermosensitive magnetic latex particles for controlling protein adsorption and desorption［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2001，225:151-155.

［5］趙海峰.稀土離子和聚酰胺類高分子微凝膠顆粒相互作用的研究［D］.無(wú)錫:江南大學(xué)，2008.