pH響應(yīng)型殼聚糖-明膠水凝膠的制備研究

劉伶俐，錢 洋

（安徽新華學(xué)院 藥學(xué)院，安徽 合肥 230088）

pH響應(yīng)型殼聚糖-明膠水凝膠的制備研究

劉伶俐，錢 洋

（安徽新華學(xué)院 藥學(xué)院，安徽 合肥 230088）

pH敏感型水凝膠是指水凝膠的體積隨外界環(huán)境如pH值、離子強(qiáng)度變化而變化的一類高分子凝膠，可方便地調(diào)節(jié)和控制凝膠內(nèi)藥物的釋放和擴(kuò)散速率，目前常用于緩控釋藥物載體.本文利用明膠與殼聚糖為原料，采用化學(xué)交聯(lián)法制備了一種pH響應(yīng)性水凝膠，探討原料用量、反應(yīng)溫度及交聯(lián)劑用量對(duì)凝膠溶脹性能的影響，獲得了一種對(duì)pH敏感的智能水凝膠.

pH敏感型水凝膠；殼聚糖；明膠

水凝膠是一種以水為分散介質(zhì)，通過共價(jià)鍵、氫鍵或范德華力等作用相互交聯(lián)構(gòu)成三維高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠.具有網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)的水溶性高分子中引入一部分疏水基團(tuán)和親水殘基，親水殘基與水分子結(jié)合，而疏水殘基遇到水膨脹形成聚合物.水凝膠具有良好的生物相容性，與疏水聚合物相比，固定在水凝膠中的生物分子活性能夠保持較長(zhǎng)時(shí)間，同被固定化的酶或細(xì)胞相互作用弱很多，因此水凝膠在生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有許多用途[1-2].智能水凝膠是對(duì)外界環(huán)境微細(xì)的物理或化學(xué)變化并能產(chǎn)生相應(yīng)響應(yīng)的一類水凝膠，也被稱為刺激響應(yīng)性或響應(yīng)性凝膠.其中pH敏感性水凝膠是指水凝膠的體積隨外界環(huán)境pH值、離子強(qiáng)度變化而變化的一類高分子凝膠.這類凝膠中含有大量易水解或質(zhì)子化的酸、堿基團(tuán)，這些基團(tuán)的解離受外界pH的影響，當(dāng)外界pH變化時(shí)，這些基團(tuán)的解離程度相應(yīng)改變，造成內(nèi)外離子濃度改變，這些基團(tuán)的解離還會(huì)破壞凝膠內(nèi)相應(yīng)的氫鍵，使凝膠網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)點(diǎn)減少，造成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起水凝膠溶脹度的變化[3-4].在藥學(xué)領(lǐng)域中，根據(jù)pH敏感性水凝膠的這種性質(zhì)可以方便地調(diào)節(jié)和控制凝膠內(nèi)藥物的釋放和擴(kuò)散速率，從而常用于藥物緩控釋制劑的研究[5-6].

凝膠敏感性的研究始于20世紀(jì)70年代后期，大量的研究結(jié)果表明:環(huán)境的某些微小擾動(dòng)，都可能導(dǎo)致水凝膠體積的顯著變化.而pH敏感性凝膠在環(huán)境響應(yīng)性高分子材料中獨(dú)樹一幟，占據(jù)著非常重要的地位，因此關(guān)于pH敏感性凝膠的研究非常迅速，特別是在藥物控釋中的應(yīng)用[7-8].有研究者[9]制備了pH敏感牛血清白蛋白親水微球，這種微球?qū)τ讦?普萘洛爾在pH=1.0釋放較快，在pH=6.8、1h后釋放完；二氟尼柳在pH=1.0時(shí)釋放量很少,在pH=6.8時(shí)釋放量增加.另外還有人制備具有不同pH值響應(yīng)性的P (HEMA-co-AA)和P(HEMA-co-DMAEMA)凝膠.選擇非甾體消炎藥雙氯酚酸鈉為模型藥物，考察凝膠對(duì)模型藥物的控釋行為.對(duì)于P(HEMA-co-AA)凝膠，在模擬胃液中，凝膠收縮，藥物釋放速度較慢，前3h雙氯酚酸鈉的累積釋放量小于5%.在模擬腸液中，凝膠溶脹，藥物釋放速度增快，26h后藥物的累積釋放量達(dá)97.5%[10].

pH敏感水凝膠在藥物載體材料方面有著許多巨大潛在的應(yīng)用，因此關(guān)于其研究也成為了一個(gè)重要的方向.殼聚糖[11-12]無(wú)毒，具有很好的生物相容性、生物可降解性，明膠[13-14]作載體材料，無(wú)不良反應(yīng)，無(wú)免疫原性，具生物可降解性.本文通過交聯(lián)劑使殼聚糖和明膠發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，用以制備殼聚糖/明膠pH響應(yīng)性水凝膠，并研究了該水凝膠的溶脹性能，為控制緩釋載體材料的研究奠定一定的研究基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 試劑及儀器

試劑：殼聚糖，BR級(jí)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；明膠，BR級(jí)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；25%戊二醛（GA），BR級(jí)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；檸檬酸，江蘇強(qiáng)盛化工有限公司；36.5%濃鹽酸；檸檬酸；令苯二甲酸氫鉀；磷酸氫二鈉；磷酸二氫鈉；甘氨酸；氫氧化鈉.恒溫水浴鍋(HSG-IB)，上海儀表(集團(tuán))供銷公司；DF-101S型集熱式恒溫磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；電子天平（JJ500），常熟雙杰測(cè)試儀器廠；RC-6智能溶出儀，天津市光學(xué)儀器廠；754紫外分光光度計(jì)，天津市拓普儀器有限公司；PHS-25pH計(jì)，上海虹益儀器儀表有限公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 不同pH值緩沖液的的制備

配制一系列不同pH值、一定離子強(qiáng)度的緩沖溶液，pH=1.2（鹽酸溶液），pH=3.0（鄰苯二甲酸氫鉀-HCL溶液），pH=5.0（磷酸氫二鈉-檸檬色溶液），pH=7.4（磷酸鹽溶液），pH=9.0（甘氨酸-氫氧化鈉溶液），見表1.室溫下，將凝膠置緩沖溶液中溶脹一定時(shí)間后取出，測(cè)定溶脹度[公式(1)].

SR=Wt-W0/W0(1) SR—溶脹度；W0—凝膠溶脹前質(zhì)量；Wt—凝膠溶脹后質(zhì)量；

1.2.2 不同質(zhì)量比對(duì)水凝膠溶脹性能的影響

表1 配制的不同pH值緩沖溶液

分別稱取0.5g、1g、1g的明膠和1.5g、1g、2g的殼聚糖按照1:1、1:2、1:3的比例分成三組進(jìn)行試驗(yàn).稱取的明膠在試驗(yàn)之前應(yīng)進(jìn)行溶脹，即在20mL的蒸餾水中讓其侵泡3到4小時(shí)，再把取得的殼聚糖在研缽中加入配置好的10%檸檬酸溶液50mL，使其充分溶解，再把溶脹后的明膠倒入其中，最后加入30mL的蒸餾水.最后加入一定量戊二醇，在50℃的水浴鍋中進(jìn)行攪拌反應(yīng)，最后收集產(chǎn)物.然后置于pH值3.0的緩沖液中溶脹，分別記錄不同時(shí)間明膠溶脹后的質(zhì)量，研究不同質(zhì)量比對(duì)水凝膠溶脹性能的影響.

1.2.3 不同交聯(lián)劑用量對(duì)水凝膠溶脹性能的影響

固定殼聚糖-明膠混合溶液體積為100mL，按明膠：殼聚糖=l:1（質(zhì)量比）的比例，按照上述實(shí)驗(yàn)步驟將戊二醛用量分別為5.00mL、6.25mL、7.25mL加入膠液中，保持恒溫水浴鍋溫度為50℃制備一系列水凝膠，冷凍干燥，將制備好的一系列水凝膠置于pH值3.0的緩沖溶液中，記錄不同時(shí)間明膠溶脹后的質(zhì)量，研究不同交聯(lián)劑用量對(duì)水凝膠溶脹性能的影響.

1.2.4 反應(yīng)溫度對(duì)水凝膠溶脹行為的影響

按明膠：殼聚糖=1:l(質(zhì)量比)的比例，按照上述的實(shí)驗(yàn)步驟分別加入戊二醛用量6.25mL，反應(yīng)溫度為40℃、50℃、60℃制備一系列水凝膠，冷凍干燥，然后放入pH值3.0的緩沖溶液中溶脹，記錄不同時(shí)間明膠溶脹后的質(zhì)量，研究反應(yīng)溫度對(duì)交聯(lián)凝膠溶脹性能的影響.

1.2.5 水凝膠的pH響應(yīng)性

固定戊二醇體積為6.25mL，殼聚糖-明膠混合溶液的體積為100mL，明膠：殼聚糖=1:1，反應(yīng)溫度為50℃制備一系列水凝膠，冷凍干燥，然后置于pH值分別為1.2、3.0、5.0、7.4、9.0的緩沖液中，記錄不同時(shí)間明膠溶脹后質(zhì)量，觀察其在不同pH值的緩沖液中的溶脹行為.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同質(zhì)量比對(duì)水凝膠的溶脹性能的影響

明膠-殼聚糖質(zhì)量比分別為1:1、1:2、1:3，交聯(lián)劑用量在6.25mL，反應(yīng)溫度為50℃制得的水凝膠在pH值為3的緩沖液中的溶脹行為，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)可得不同質(zhì)量比對(duì)水凝膠溶脹度的影響曲線，如圖1所示.

由圖1可以看出不同質(zhì)量比的明膠-殼聚糖水凝膠在pH=3的緩沖液中的溶脹性能的差異顯著，隨著殼聚糖質(zhì)量濃度的增加，水凝膠的溶脹行為減小.這是因?yàn)闅ぞ厶堑馁|(zhì)量濃度高時(shí)使凝膠結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，溶脹度因而下降，濃度較低時(shí)會(huì)導(dǎo)致凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，溶度能力大.同時(shí)溶脹大約在2～6小時(shí)內(nèi)達(dá)到平衡.因此選用明膠和殼聚糖的質(zhì)量比為1:1來制備水凝膠，其溶脹性能最佳.

圖1 不同質(zhì)量比對(duì)明膠溶脹度的影響

2.2 不同交聯(lián)劑用量對(duì)水凝膠溶脹性能的影響

保證殼聚糖-明膠質(zhì)量比為1:1，反應(yīng)溫度為50℃，交聯(lián)劑用量為6.25mL，制備的水凝膠在pH值為3的緩沖液中的溶脹行為，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)可得不同交聯(lián)劑用量對(duì)水凝膠溶脹性能的影響.如圖2.

圖2 不同交聯(lián)劑用量對(duì)水凝膠溶脹性能的影響

由圖2所示，交聯(lián)劑用量為6.25mL凝膠溶脹性能最佳.且在相對(duì)增大交聯(lián)劑用量時(shí)，凝膠溶脹性能降低.這是由于交聯(lián)度較小時(shí)，交聯(lián)內(nèi)部的交聯(lián)密度比較低，凝膠內(nèi)自由空間大，水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)疏松，另外-COOH和-NH2都具較強(qiáng)的親水作用，因此水凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部可以容納大量的水.交聯(lián)劑質(zhì)量濃度較高時(shí)，水凝膠交聯(lián)密度增大，水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得緊密，網(wǎng)格變小，限制了親水基團(tuán)與水的相互作用. 2.3反應(yīng)溫度對(duì)水凝膠溶脹性能的影響

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)水凝膠溶脹性能的影響

按明膠:殼聚糖=1:l(質(zhì)量比)的比例，分別加入戊二醛用量6.25mL，反應(yīng)溫度為40℃、50℃、60℃制備一系列水凝膠，冷凍干燥，然后放入pH值3.0的緩沖溶液中溶脹，記錄不同時(shí)間明膠溶脹后的質(zhì)量可得表3.

由實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)可得不同反應(yīng)溫度對(duì)水凝膠溶脹性能的影響，由圖3可知反應(yīng)溫度對(duì)溶脹度的影響較小，大約在4小時(shí)左右基本達(dá)到溶脹平衡.且在反應(yīng)溫度為50℃時(shí)凝膠溶脹性能最佳，因此我們選用反應(yīng)溫度為50℃來制備水凝膠.在低溫下，水滲透進(jìn)入凝膠內(nèi)部，以結(jié)合態(tài)水形式存在.隨著溫度的升高，水分子獲得能量，凝膠內(nèi)的親水基團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿觾?nèi)氫鍵，這樣勢(shì)必降低凝膠與水分子之間的親合力，凝膠內(nèi)部的水分子由結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂蓱B(tài)，從網(wǎng)絡(luò)中釋放出來.

2.4 水凝膠的pH響應(yīng)性

固定戊二醇體積為6.25mL，殼聚糖-明膠混合溶液的體積為100mL，明膠：殼聚糖=1:1，反應(yīng)溫度為50℃制備一系列水凝膠，冷凍干燥，然后置于pH值分別為1.2、3.0、5.0、7.4、9.0的緩沖液中，記錄不同時(shí)間明膠溶脹后質(zhì)量.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得不同pH水凝膠隨時(shí)間變化的溶脹度，如圖4所示.

圖4 水凝膠的pH響應(yīng)性

如圖4所示，制備所得凝膠均表現(xiàn)出顯著的pH響應(yīng)性溶脹行為，即凝膠在低pH值有較大的溶脹度，在高pH值有較小的溶脹度.在pH值為1.2-5.0時(shí)，隨pH值的增大，殼聚糖/明膠凝膠的溶脹度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)；在pH值為5.0-9.0時(shí)，隨pH值的增大，凝膠的溶脹度逐漸減小，但溶脹度的變化已經(jīng)不很明顯.在不同pH值緩沖液中，水凝膠的離子程度不同，所形成基團(tuán)親水性也有所不同.在酸性溶液中，殼聚糖-明膠水凝膠分子中的氨基質(zhì)子化，其網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生電荷，會(huì)破獲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氫鍵和靜電吸引力，產(chǎn)生電子斥力，分子鏈充分伸展，致使凝膠溶脹.當(dāng)體系為中性或堿性環(huán)境時(shí)，殼聚糖中的氨基質(zhì)子化趨勢(shì)減弱，結(jié)構(gòu)收縮，溶脹度減小.

3 結(jié)論

利用明膠與殼聚糖為原料交聯(lián)制備了一種pH響應(yīng)性水凝膠，通過實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)論：

3.1 明膠和殼聚糖的最佳質(zhì)量比

當(dāng)明膠和殼聚糖的質(zhì)量比為1:1時(shí)，制備的水凝膠呈現(xiàn)果凍狀，疏松多孔，含有大量微氣泡，水凝膠的溶脹性能最佳.

3.2 最佳質(zhì)量下的不同交聯(lián)劑用量對(duì)水凝膠溶脹行為的影響

交聯(lián)劑質(zhì)量濃度增大，交聯(lián)凝膠的溶脹速率變慢，溶脹度降低.

3.3 不同反應(yīng)溫度對(duì)水凝膠溶脹行為的影響

最佳配比下的水凝膠在反應(yīng)溫度在50℃最佳，且反應(yīng)溫度水凝膠的溶脹性能影響較小.

3.4 最佳質(zhì)量比下的pH響應(yīng)性

凝膠對(duì)溶脹介質(zhì)pH值變化具有良好的響應(yīng)性，其溶脹過程可逆，在酸性環(huán)境中的pH敏感性優(yōu)于堿性環(huán)境中的pH敏感性.且在pH值為3.0溶脹性能最佳.

該pH響應(yīng)型的水凝膠對(duì)不同pH具有不同的響應(yīng)性，具備良好的溶脹性能，由于殼聚糖和明膠的生物相容性及無(wú)毒性，這種載體材料將有望應(yīng)用于藥物的緩釋載體中，具備良好的應(yīng)用前景.

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O648.17

A

1673-260X（2014）04-0125-03

校級(jí)科研課題（2012zr002）