聚乙烯吡咯烷酮/殼聚糖水凝膠的制備與表征

陳　欣，盧小菊,2*，孟　鴛

(1湖北理工學院 化學與化工學院，湖北 黃石 435003；2湖北理工學院 礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復湖北省重點實驗室，湖北 黃石 435003)

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聚乙烯吡咯烷酮/殼聚糖水凝膠的制備與表征

陳欣1，盧小菊1,2*，孟鴛1

(1湖北理工學院 化學與化工學院，湖北 黃石 435003；2湖北理工學院 礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復湖北省重點實驗室，湖北 黃石 435003)

采用熱化學聚合法制備了聚乙烯吡咯烷酮/殼聚糖(PVP/CS)水凝膠，利用紅外光譜和電鏡掃描對復合水凝膠進行表征，并討論了交聯(lián)劑用量、PVP加入量及CS加入量等主要條件對凝膠溶脹性能的影響。結果表明，在CS 0.2 g、PVP 0.3 g和甲醛1 mL時合成的水凝膠溶脹度超過300%。pH敏感性測試表明，當pH=5時復合水凝膠具有最大溶脹度。溫度敏感性測試表明，在55 ℃時復合水凝膠具有最大溶脹度?？咕詫嶒炞C明，PVP/CS水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均無抗菌效果。

PVP/CS水凝膠；紅外光譜；掃描電鏡；溶脹度；抑菌

多重敏感性凝膠對多種外界刺激的響應性使其在多個領域具有更廣泛的應用和獨特優(yōu)勢,尤其在藥物控釋、生物材料合成、酶活性控制等方面有廣闊的應用前景。

聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone，PVP)是一種合成水溶性高分子化合物，分子結構中同時存在高極性的能接受氫鍵的酰胺基團和非極性的亞甲基基團，這種特性使PVP能與含羥基、羧基、胺基等活性氫原子的化合物結合。最受人們重視的是PVP在生物安全性方面的優(yōu)異表現(xiàn)，PVP對皮膚、眼睛無刺激，注射或口服PVP易于從腎臟系統(tǒng)排出，未發(fā)現(xiàn)對人體有致癌作用。鑒于PVP具備如此優(yōu)異的生物相容性和生理惰性，將其與刺激響應性凝膠相結合，PVP對眾多藥物的絡合能力會進一步促進生物醫(yī)藥控釋方面的發(fā)展，拓寬了PVP的應用范圍，形成一類在生物醫(yī)藥和食品、化妝品行業(yè)具有巨大潛力的高分子材料[1-2]。殼聚糖(chitosan，CS)又稱脫乙酰甲殼素，由于其分子鏈上含有大量易水解或質子化的羥基、氨基等活性基團，這些活性基團與氫離子結合或解離，以及相關氫鍵發(fā)生解離或形成，從而使CS水凝膠對環(huán)境刺激產生相應的反應和應激性，如王曉園等[3]用CS 和明膠也制備出具有 pH 敏感性的凝膠，Sun 等[4]采用 CS 和 PNIPAAm 共混制備了具有溫度/pH 敏感性的水凝膠薄膜；陳歡歡等[5]對殼聚糖/甘油磷酸鹽體系通過化學交聯(lián)和與聚乙烯醇(PVA)的物理交聯(lián)，制備了一種能在體溫下迅速成膠的溫敏型水凝膠；Lee 等[6]以 3-巰基丙酸作為鏈轉移劑，制備成具有溫度/pH 雙敏感性的聚氮異丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)/ CS凝膠。同時CS是一種天然抗菌劑，具備一定的抗菌特性且無毒無害，因此CS/PVP復合水凝膠可能也具備一定的抗菌性能，使該水凝膠在生物材料等領域的應用潛力更大。

本實驗以CS和PVP為主要原料制備水凝膠，利用紅外光譜和掃描電鏡觀察復合水凝膠的結構，通過溶脹性測試和抑菌性能測試研究復合水凝膠的性能。

1　實驗材料與方法

1.1實驗材料與儀器

聚乙烯吡咯烷酮(PVP)：化學純，進口分裝；冰醋酸：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；甲醛：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；殼聚糖(CS)：脫乙酰度91.7%，浙江金殼生物化學有限公司。

大腸桿菌菌種(ATCC25922)：武漢大學生命科學院菌種保藏中心；金黃色葡萄球菌菌種(ATCC25923)：武漢大學生命科學院菌種保藏中心。

紅外光譜儀：Tensor-27型，德國布魯克公司；掃描電鏡：JSM-6360LA，日本電子公司；電子天平：FA1004N型，昆山盛蘭衡器有限公司；磁力攪拌器：DF-101S，上海東璽制冷儀器設備有限公司；超聲清洗器：KQ-400KDE，昆山市超聲儀器有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱：DHG-9240A，上海和呈儀器制造有限公司。

1.2PVP/CS水凝膠的制備

稱取不同質量的CS于燒杯中，各加入10 mL蒸餾水和6 mL冰醋酸，超聲使其攪拌均勻。另稱取不同質量的PVP分別置于5 mL蒸餾水中，超聲至均一溶液。將兩者溶液倒入燒杯中，再加入不同體積的甲醛并攪拌均勻，靜置一段時間除去氣泡后，分別制得7種水凝膠。將制得的凝膠切成細小顆粒，置于透析袋中，用去離子水浸泡、洗滌，并不斷換水，24 h后取出冷凍保存。

1.3性能測試

1.3.1PVP/CS水凝膠的紅外光譜圖

將干燥的PVP/CS水凝膠磨碎后，用KBr壓片，測定其紅外光譜圖，掃描范圍 500～4 000 cm-1。

1.3.2掃描電鏡的檢測

將水凝膠干燥后置于掃描電鏡下觀察，以了解其表面結構形態(tài)。

1.3.3溶脹度的測定

用電子分析天平準確稱量一定量的水凝膠，在室溫下浸泡于去離子水中，待凝膠充分溶脹達到平衡后，取出凝膠快速用濾紙吸干水凝膠表面的水分，稱重。水凝膠的溶脹度(SR)按式(1)計算：

SR=(mw-md)/md×100%

(1)

式(1)中mw、md分別為濕膠和干膠的質量。

1.3.4抗菌性評價

以大腸桿菌(ATCC25922)和金黃色葡萄球菌(ATCC25923)為模型菌檢測PVP/CS凝膠的抗菌性。分別稱取干燥后的待測材料(PVP/CS凝膠和殼聚糖溶液)1.0 g，紫外滅菌后放置于無菌水中溶脹至平衡后取出，分別加入70 mL PBS和5 mL菌懸液(菌懸液濃度保持在5×104cfu/mL左右)，在37 ℃恒溫搖床中震蕩2 h，分別取震蕩前后的樣液1 mL涂布平板?？瞻讓φ者x用無菌水代替待測材料，操作步驟同上。

2　結果與討論

2.1紅外光譜

殼聚糖與PVP/CS水凝膠的紅外光譜圖如圖1所示。在圖1中，3 438 cm-1處是殼聚糖中羥基的O-H伸縮振動峰， 2 922 cm-1處是殼聚糖中甲基的C-H伸縮振動峰，1 590 cm-1處屬于氨基的變形振動，1 421 cm-1處是殼聚糖中C-H不對稱彎曲振動峰，1 383 cm-1處是殼聚糖中C-H對稱彎曲振動峰，1 264 cm-1處屬于羥基的O-H變形振動,1 029 cm-1處是與仲醇羥基相連的羥基伸縮振動峰。對比圖1中PVP/CS水凝膠的紅外光譜，凝膠中殼聚糖的O-H伸縮振動與N-H伸縮振動重疊的多重吸收峰發(fā)生位移，由3 438 cm-1移位到3 440 cm-1，氨基變形振動峰由1 590 cm-1移位到1 595 cm-1，說明已形成氫鍵配合物。

圖1　殼聚糖與PVP/CS水凝膠的紅外光譜圖

2.2掃描電鏡譜圖

PVP/CS水凝膠的SEM譜圖如圖2所示。圖2是編號6的PVP/CS水凝膠不同放大倍數(shù)SEM照片，其中A圖為放大2 000倍，B圖為放大5 000倍，C圖為放大10 000倍，揭示了PVP/CS水凝膠微觀結構特征。A圖顯示PVP/CS水凝膠形成了網(wǎng)狀孔洞結構；B圖顯示PVP/CS水凝膠呈現(xiàn)多孔性，孔與孔之間呈現(xiàn)相互貫穿的狀態(tài)；C圖中PVP/CS水凝膠孔徑大小約在10 μm左右。

圖2　PVP/CS水凝膠的SEM譜圖

2.3PVP/CS水凝膠溶脹度分析

2.3.1交聯(lián)劑用量對溶脹度的影響

甲醛加入量對溶脹度的影響如圖3所示。通過圖3可以看出水凝膠的溶脹度隨甲醛濃度的增大而減小。這是因為當交聯(lián)劑使用較少時, 交聯(lián)密度低，易造成交聯(lián)不均勻，溶液難以最終形成凝膠狀。交聯(lián)劑用量過多時, 大量的交聯(lián)劑沒能有效連接PVP共聚后的分子鏈，殘存于凝膠內的小分子鏈過多[7]，最終生成易碎的深褐色水凝膠，而網(wǎng)絡結構中的交聯(lián)點增多, 交聯(lián)點間的距離變小, 交聯(lián)密度增大,因而網(wǎng)絡結構中微孔變小, 即凝膠的溶脹度變小, 所能容納的液體量減小進而吸液率降低[8]。

圖3　甲醛加入量對溶脹度的影響

2.3.2PVP的加入量對溶脹度的影響

PVP的加入量可影響水凝膠的反應速度和成膜性能[9]。PVP加入量對溶脹度的影響如圖4所示。通過圖4可以看出，PVP加入量越大，聚合反應速度越快，水凝膠的機械性能越好，吸水率越高，溶脹度越大，這是由于CS分子結構上的極性集團如-OH和-NH與水分子存在相互作用；當PVP加入量過少時，則生成的水凝膠不易成膜，機械性能下降而導致吸水率下降，溶脹度不佳。

圖4　 PVP加入量對溶脹度的影響

2.3.3CS的加入量對溶脹度的影響

CS的加入量對合成出的水凝膠的溶脹性能、顏色、反應速度,機械強度均有影響[9]。CS加入量對溶脹度的影響如圖5所示。圖5表明，當CS加入量為0.2 g時，水凝膠溶脹性能最好，且水凝膠的溶脹度隨著CS的增加而逐漸減小，水凝膠的顏色由淺黃向深褐色變化。這是因為CS含量過高時，生成的游離氨基自由基較多，氨基之間可能發(fā)生自聚，或可能直接與交聯(lián)劑反應形成網(wǎng)狀結構而導致吸水率下降，且生成的水凝膠易碎。

圖5　CS加入量對溶脹度的影響

2.4PVP/CS水凝膠的性能

2.4.1pH敏感性

不同pH值下水凝膠的溶脹效果如圖6所示。由圖6可以看出，復合水凝膠對pH 值的變化敏感。隨pH 值的增大，復合水凝膠溶脹率的變化趨勢是先增大再減小。當pH值在5～7 之間，溶脹率較高，且在pH=5時有最大溶脹率；pH 值在7～13 之間時，溶脹率迅速減小。這是由于具備pH敏感性的水凝膠一般都含有可質子化的酸性或堿性基團，這些基團隨著pH值的改變會發(fā)生不同程度的電離，導致聚合物網(wǎng)絡內大分子鏈段間氫鍵的解離，產生不連續(xù)的溶脹體積變化[10]。因此在強酸條件下，水凝膠網(wǎng)狀結構間氫鍵的斷裂被抑制，分子間纏繞現(xiàn)象變多，限制了水凝膠的溶脹；在弱酸性或中性條件下，水凝膠中的氨基發(fā)生質子化，分子鏈親水性增強，有利于凝膠的溶脹；隨著 pH值繼續(xù)升高，氨基質子化趨勢減弱，水凝膠網(wǎng)絡高分子鏈間疏水作用增加，水分子進入孔道的速度受到阻礙，結構收縮，溶脹度反而變小[11]。

圖6　不同pH值下水凝膠的溶脹度

2.4.2溫度敏感性

不同溫度下水凝膠的溶脹效果如圖7所示。由圖7可以看出, 隨著溫度的升高, 平衡溶脹度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢, 在55 ℃左右達到最大值。這可能是由于低于此溫度區(qū)間時，隨著溫度升高，殼聚糖分子鏈上氨基與水分子的氫鍵作用增強，利于分子鏈舒展，進而水分子快速通過孔道滲入水凝膠內部。而隨溫度的繼續(xù)升高，溶脹率開始下降。這可能是因為，一方面氫鍵的水合作用減弱，從而凝膠網(wǎng)絡整體上親水性降低，疏水基團之間的氫鍵作用加強，疏水性增加；另一方面, 溫度升高使凝膠內部分子鏈更容易斷裂，水凝膠因鍵斷裂可能損失一些小分子鏈，導致溶脹率降低[11]。

圖7　 不同溫度下水凝膠的溶脹度

2.4.3抗菌性評價

采用革蘭氏陰性代表菌大腸桿菌和革蘭氏陽性代表菌金黃色葡萄球菌考察PVP/CS水凝膠對2種模型菌的抗菌效果，結果如圖8所示。對于大腸桿菌，空白對照的菌落數(shù)與PVP/CS水凝膠對應的平板菌落數(shù)差別不大，說明PVP/CS水凝膠抑菌效果不明顯，而殼聚糖溶液對應的平板菌落數(shù)明顯少于空白對照，說明殼聚糖溶液的抑菌效果明顯強于PVP/CS水凝膠。對于金黃色葡萄球菌，抑菌效果強弱與大腸桿菌一致，對應平板菌落數(shù)均為殼聚糖溶液

圖8　PVP/CS水凝膠和CS溶液的抑菌效果

3　結論

1)以甲醛為交聯(lián)劑、CS 和PVP 為原料制備了溶脹率超過300%的PVP/CS復合水凝膠。

2)表征結果表明，PVP/CS復合水凝膠形成了半互穿聚合物網(wǎng)絡，表面呈現(xiàn)致密均勻的多孔性網(wǎng)狀結構。

3)pH敏感和溫度敏感實驗表明，PVP/CS水凝膠對溫度和pH敏感，在pH=5和55 ℃時溶脹率達到最大值。

4)抑菌實驗表明，PVP/CS水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均無抗菌效果。

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(責任編輯高嵩)

Synthesis and Characteristics of PVP/CS Hydrogels

Chen Xin1,Lu Xiaoju1,2*,Meng Yuan1

(1School of Chemistry and Chemical Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435000；2Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control and Remediation,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435000)

PVP/CS hydrogels were synthesized by thermopolymerization.The products were studied by fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and scanning electron microscopy (SEM).And the influence of three main conditions on swelling property of hydrogel were discussed.The results showed that the swelling degree of the hydrogels was more than 300 %,when the addition of CS was 0.2 g,the addition of PVP was 0.3 g and the addition of formaldehyde was 1mL.pH-sensitive test showed that the swelling degree of the hydrogels could reach the maximum when the pH value reached 5.0.Temperature-sensitive test showed that the swelling degree of the hydrogels could reach the maximum when the temperature was above 55 ℃.Antimicrobial experiments illustrated that the antibacterial properties of PVP/CS hydrogels to Escherichacoli and Staphylococcus aureus were poor.

PVP/CS hydrogels;IR;SEM;swelling degree;antimicrobial

2015-11-18

國家自然科學基金項目(項目編號：51402099)；湖北省自然科學基金項目(項目編號：2012FFC018)；湖北理工學院校級科研項目(項目編號：12xjz08R)；湖北省高校青年教師深入企業(yè)行動計劃項目(項目編號：XD2014679)。

陳欣，本科生。

盧小菊，副教授，博士，研究方向：生物醫(yī)用高分子材料和環(huán)境友好高分子材料。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.04.007

TQ427.2

A

2095-4565(2016)04-0026-05