基于對(duì)巰基苯硼酸的糖敏感水凝膠的制備

王彥霞， 智 爽， 柴志華

(華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601)

基于對(duì)巰基苯硼酸的糖敏感水凝膠的制備

王彥霞， 智 爽， 柴志華

(華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601)

本文通過簡(jiǎn)單直接混合海藻酸鈉、對(duì)巰基苯硼酸和CaCl2構(gòu)建水凝膠。通過掃描電子顯微鏡觀察到水凝膠具有明顯的大孔多孔結(jié)構(gòu)。溶脹實(shí)驗(yàn)證實(shí)隨著對(duì)巰基苯硼酸濃度的增加，水凝膠的穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。此外，隨著溶液中葡萄糖濃度的增加，凝膠降解速率逐漸加快。該多孔糖敏感水凝膠有望作為藥物載體用于糖尿病的治療。

海藻酸鈉；對(duì)巰基苯硼酸；水凝膠；糖敏感性

0 引言

水凝膠是一類具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物，它兼有柔軟性和彈性。因此，水凝膠在生物醫(yī)學(xué)和藥學(xué)領(lǐng)域已有很廣泛的應(yīng)用，比如傷口敷料劑、藥物傳遞系統(tǒng)、組織工程支架等[1]。

化學(xué)交聯(lián)的水凝膠通常是通過親水單體的三維聚合或通過水溶性聚合物的化學(xué)交聯(lián)而得到[2]。由于該類水凝膠是通過穩(wěn)定的化學(xué)鍵交聯(lián)得到，因此它們通常不能被可逆的溶解[1]。物理交聯(lián)的水凝膠通常通過聚合物或一些小分子間的非共價(jià)相互作用(如氫鍵相互作用、靜電相互作用、疏水相互作用等)而形成[3]。這類凝膠具有典型的可逆性，可通過改變環(huán)境條件(如溫度、pH值、離子濃度等)而將其再次溶解?；谂鹚岬乃z是通過硼酸和羥基間的可逆硼酸酯鍵形成，其兼具物理交聯(lián)水凝膠和化學(xué)交聯(lián)水凝膠的特性。這是因?yàn)榕鹚狨ス矁r(jià)鍵并不穩(wěn)定，會(huì)被環(huán)境中的葡萄糖所破壞。因此基于硼酸的水凝膠具有典型的糖敏感性能，是一類重要的智能材料[4]。

近年來，通過巰基的化學(xué)反應(yīng)構(gòu)建材料備受研究者關(guān)注，這是因?yàn)閹€基能在非常溫和的條件下氧化成二硫鍵，這一過程可以通過空氣中的氧氣直接氧化實(shí)現(xiàn)，也可以通過向溶液中加入氧劑來實(shí)現(xiàn)[5,6]。因此，含巰基的材料在構(gòu)建水凝膠方面也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

海藻酸鹽是從海帶中提取的天然多糖碳水化合物，由β-D-甘露糖(M)和α-D-古羅糖醛酸(G)單元以M-M，G-G或M-G組合方式通過1，4糖苷鍵連接而成[7]。海藻酸鹽在植物中的重要作用包括避免干燥、維持細(xì)胞的完整性、提供機(jī)械力及離子交換功能等。海藻酸鹽在食品、工業(yè)和醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)楹Ｔ逅猁}具有較強(qiáng)的吸水功能，而且可以形成凝膠或穩(wěn)定乳膠。海藻酸鹽溶液一旦與鈣離子接觸極易通過G殘基上的羧酸根與鈣離子的離子復(fù)合形成凝膠。

因此，本文用對(duì)巰基苯硼酸和CaCl2將海藻酸鈉交聯(lián)構(gòu)建基于苯硼酸的水凝膠。通過掃描電子顯微鏡對(duì)水凝膠的形貌進(jìn)行觀察。通過溶脹實(shí)驗(yàn)研究對(duì)巰基苯硼酸濃度對(duì)水凝膠穩(wěn)定性的影響。此外，通過考察水凝膠在不同葡萄糖濃度下的穩(wěn)定性，研究該水凝膠的糖敏感特性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料與設(shè)備

對(duì)巰基苯硼酸、海藻酸鈉(分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；葡萄糖(分析純，浙江玉環(huán)縣海洋生物有限公司)；其它試劑均為分析純，使用前未經(jīng)過處理。

1.2 水凝膠的構(gòu)建

將2.0 g海藻酸鈉溶解于100 mL pH 7.4 磷酸緩沖溶液中(PBS)，配制海藻酸鈉的濃度為20 mg/mL。將對(duì)巰基苯硼酸溶解于甲醇中，配制50 mg/mL、25 mg/mL和12.5 mg/mL的對(duì)巰基苯硼酸溶液。在攪拌的情況下，向2 mL的海藻酸鈉PBS溶液中加入0.4 mL的對(duì)巰基苯硼酸甲醇溶液。最后加入0.1 mL濃度為20 mg/mL的CaCl2得到水凝膠，根據(jù)對(duì)巰基苯硼酸溶液濃度的不同，將三種水凝膠分別標(biāo)記為水凝膠50、水凝膠25和水凝膠12.5(表1)。

表1 不同交聯(lián)度水凝膠的配方

1.3 水凝膠的形貌觀察

利用掃描電子顯微鏡(KYKY-EM3200)觀察凝膠的多孔結(jié)構(gòu)。為保持凝膠的多孔狀形貌，將新制的水凝膠投入液氮速凍再冷凍干燥24 h后獲得干燥后的凝膠。將小塊海藻酸鈉和干燥的水凝膠固定到雙面膠上，之后貼到掃描電鏡的樣品臺(tái)上。把樣品臺(tái)放到噴金池里面噴金后，放在掃描電鏡的樣品室里面觀察其多孔狀結(jié)構(gòu)。

1.4 水凝膠的溶脹性研究

首先，將干燥的水凝膠50、水凝膠25和水凝膠12.5分別放于離心管中，接著向離心管中加入3 mL的PBS溶液，每隔一段時(shí)間取出水凝膠稱重。最后，計(jì)算水凝膠的溶脹速率(SR)。

SR=m2/m1

這里的m1是干燥的水凝膠的質(zhì)量，m2是置于PBS中浸泡一段時(shí)間后水凝膠的質(zhì)量。

1.5 水凝膠的糖敏感性研究

首先，配制濃度為1 mg/mL和3 mg/mL的葡萄糖的PBS溶液。接著，將干燥的水凝膠50分別放入3 mL 濃度為0 mg/mL、1 mg/mL 和3 mg/mL的葡萄糖的PBS溶液中，每隔一段時(shí)間取出水凝膠稱重。最后，計(jì)算不同葡萄糖濃度下水凝膠的SR。

2 結(jié)果與討論

2.1 水凝膠的形成

將不同濃度的對(duì)巰基苯硼酸與海藻酸鈉混合后，加入CaCl2得到水凝膠。如圖1所示，與海藻酸鈉溶液(圖1a)相比，水凝膠(圖1b)的流動(dòng)性變差。將對(duì)巰基苯硼酸加入海藻酸鈉的水溶液中后，在攪拌的過程中，對(duì)巰基苯硼酸上的硼酸基團(tuán)會(huì)與海藻酸鈉上的鄰二醇形成可逆硼酸酯共價(jià)鍵，同時(shí)對(duì)巰基苯硼酸上的巰基也會(huì)被氧化為二硫鍵。再加入CaCl2后，鈣離子會(huì)將海藻酸鈉上的鈉離子替換，與海藻酸鈉上的羧酸根發(fā)生離子復(fù)合，最終形成凝膠(圖2)。

圖1 海藻酸鈉溶液(a)和水凝膠(b)的照片

圖2 水凝膠的形成過程機(jī)理圖

2.2 水凝膠的形貌觀察

圖3為海藻酸鈉和干燥水凝膠的掃描電子顯微鏡圖。圖3a為海藻酸鈉的掃描電子顯微鏡圖，從圖中可以看出，海藻酸鈉不具有孔結(jié)構(gòu)。圖3b為水凝膠的掃描電子顯微鏡圖，與海藻酸鈉的掃描電子顯微鏡圖相比，水凝膠具有大孔多孔的結(jié)構(gòu)。水凝膠的多孔結(jié)構(gòu)利于其在藥物負(fù)載等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖3 海藻酸鈉(a)和水凝膠(b)的掃描電鏡照片

2.3 水凝膠的溶脹率測(cè)定

由圖4可知，這幾種不同交聯(lián)度的水凝膠都在120 min左右達(dá)到最大溶脹速率。水凝膠25和水凝膠12.5在達(dá)到最大溶脹速率后，便開始降解，而且隨著對(duì)巰基苯硼酸濃度的降低，水凝膠的降解速率加快。而在長(zhǎng)達(dá)300 min的時(shí)間內(nèi)，水凝膠50基本沒有發(fā)生降解。我們認(rèn)為，高濃度的對(duì)巰基苯硼酸對(duì)海藻酸鈉的交聯(lián)度更高，水凝膠多孔結(jié)構(gòu)會(huì)更緊密，因此水凝膠的降解速度變緩。

2.4 水凝膠的糖敏感性研究

眾所周知，基于苯硼酸的水凝膠具有糖敏感性，這是因?yàn)樾》肿犹菚?huì)與水凝膠中的二醇結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)，與硼酸間形成可逆硼酸酯鍵。從圖5可以看出，我們構(gòu)建的水凝膠50在含葡萄糖的pH 7.4 的PBS溶液中逐漸降解。當(dāng)葡萄糖的濃度為1 mg/mL(模擬的是人體正常的血糖濃度)時(shí)，僅部分水凝膠發(fā)生降解。當(dāng)葡萄糖的濃度提高到3 mg/mL(模擬的是糖尿病患者的血糖濃度)時(shí)，水凝膠的降解更顯著。隨著溶液中葡萄糖濃度的提高，會(huì)有更多的葡萄糖與海藻酸鈉發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)作用，與對(duì)巰基苯硼酸結(jié)合，因此水凝膠的交聯(lián)結(jié)構(gòu)被破壞的越多，降解就會(huì)更顯著。

圖4 水凝膠在pH 7.4的PBS中的溶脹曲線

圖5 水凝膠50在不同葡萄糖濃度下的pH 7.4的PBS中的溶脹/降解曲線

3 結(jié)論

本文通過對(duì)巰基苯硼酸和CaCl2將海藻酸鈉交聯(lián)構(gòu)建水凝膠。該水凝膠具有明顯的大孔多孔結(jié)構(gòu)，且水凝膠的穩(wěn)定性受到苯硼酸含量和溶液中葡萄糖濃度的影響。隨著對(duì)巰基苯硼酸含量的增加，水凝膠的穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。隨著溶液中葡萄糖濃度的增加，凝膠降解速率逐漸加快。目前，正嘗試將胰島素負(fù)載于該水凝膠中，并考察在不同葡萄糖濃度下，胰島素的體外釋放速率，以此進(jìn)一步推動(dòng)該水凝膠作為藥物載體用于糖尿病的治療研究。

[1] Hennink W E,Van Nostrum C F.Novel crosslinking methods to design hydrogels[J].Adv.Drug Deliv.Rev.2012,64：223-236.

[2] Cook J P,Goodall G W,Khutoryanskaya O V.,et al.Microwave-assisted hydrogel synthesis:a new method for crosslinking polymers in aqueous solutions[J].Macromol.Rapid Commun.2012,33(4)：332-336.

[3] Lee K Y,Mooney D J.Alginate:properties and biomedical applications[J].Prog.Polym.Sci.2012,37(1)：106-126.

[4] Guan Y,Zhang Y.Boronic acid-containing hydrogels:synthesis and their applications[J].Chem.Soc.Rev.2013,42(20)：8106-8121.

[5] Irmukhametova G S,Mun G A,Khutoryanskiy V V.Thiolated mucoadhesive and PEGylated nonmucoadhesive organosilica nanoparticles from 3-mercaptopropyltrimethoxysilane[J].Langmuir.2011,27(5)：9551-9556.

[6] Khutoryanskiy V V,Tirelli N,Oxidation-responsiveness of nanomaterials for targeting inflammatory reactions[J].Pure Appl.Chem.2008,80(8)：1703-1718.

[7] Amsden B,Turner N.Diffusion characteristics of calcium alginate gels[J].Biotechnol.Bioeng.1999,65(5)：605-610.

Preparation of glucose-responsive hydrogels based 4-mercapto-phenylboronic acid

WANG Yan-xia,ZHI Shuang,CHAI Zhi-hua

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao， 101601，China)

In this paper,the hydrogels were fabricated by simple mixing of sodium alginate,4-mercapto-phenylboronic acid,and CaCl2.The scanning electron microscope images of hydrogels exhibited a highly macroporous spongelike structure.Swelling assay indicated that the hydrogels prepared at a high 4-mercapto-phenylboronic acid concentration had a higher stability.Furthermore,the degradation of hydrogels became more pronounced with the increase in the concentration of glucose in solutions.The glucose-responsive hydrogels with spongelike structure were expected to serve as a drug carrier for the treatment of diabetes.

sodium alginate;4-mercapto-phenylboronic acid;hydrogel;glucose-sensitivity

2016-12-26 基金項(xiàng)目:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(3142015080)

王彥霞( 1987-)，女，山東臨沂人，博士，華北科技學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院副教授，研究方向:納米材料。E-mail:wanglele-108@163.com

TQ427.26

A

1672-7169(2017)01-0091-04