氨基-酰胺類智能超分子水凝膠農(nóng)藥載體制備

郝麗，黃丹丹，關(guān)梅，周紅軍，周新華

（1 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，廣東廣州510225； 2 廣東省普通高校農(nóng)業(yè)綠色精細(xì)化學(xué)品重點實驗室，廣東廣州510225）

引 言

刺激響應(yīng)凝膠的智能性使其能夠在受到外界刺激(如光、熱、酸堿度、電力、磁場等)時產(chǎn)生自身物理化學(xué)性質(zhì)、膠體性質(zhì)和流變性質(zhì)等方面的可逆變化[1-5]。由于這類凝膠的可調(diào)控性和多功能性，使其在生物醫(yī)學(xué)、藥物控釋、化妝品、生物傳感器和化工分離等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景[6-8]。超兩親分子是基于非共價鍵相互作用或動態(tài)共價鍵而構(gòu)建的兩親分子，超兩親分子本身對環(huán)境的刺激作用較為敏感，所以將超兩親性材料和刺激響應(yīng)凝膠結(jié)合成為研究熱點，過去十多年間，文獻(xiàn)報道了多種超分子凝膠，大多數(shù)是基于親水多糖、吡啶、尿素、氨基酸、β-環(huán)糊精、蒽基衍生物、寡肽、類固醇、樹枝狀大分子等[9-14]。Cordier 等[15]設(shè)計并合成了超分子類橡膠體系，小分子通過氫鍵結(jié)合在一起形成分子鏈和交聯(lián)鍵，通過將破裂的表面放在一起進(jìn)行簡單的修復(fù)，保證凝膠在破裂或切割后自行愈合。超分子凝膠具備動態(tài)可逆、自修復(fù)能力、形狀記憶特性、易降解等獨特的性質(zhì)[16-18]，使其在智能納米載體領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。但刺激響應(yīng)凝膠的快速響應(yīng)問題及凝膠中溶質(zhì)的濃度較高，是研究新型刺激響應(yīng)水凝膠亟待解決的問題。

傳統(tǒng)農(nóng)藥在使用過程中利用率較低，且會帶來生物危害及環(huán)境污染等問題，通過農(nóng)藥緩控釋技術(shù)是有效途徑之一[19-20]。而農(nóng)藥多為疏水性，如何以水為分散介質(zhì)進(jìn)行噴霧，降低有機(jī)溶劑的使用，是目前存在的挑戰(zhàn)之一[21-22]。為了減少農(nóng)藥流失，提高疏水性農(nóng)藥的水分散性，本文使用綠色環(huán)保材料硬脂酸、檸檬酸、馬來酸作為原料構(gòu)筑超分子水凝膠，并且使用少量[5.8%(質(zhì)量)]兩親性氨基-酰胺制備了快速刺激響應(yīng)的超分子水凝膠，形成的超兩親水凝膠具有環(huán)境相容性且成本低廉[23-25]，將此類超分子水凝膠用于農(nóng)藥裝載和緩控釋，可實現(xiàn)農(nóng)藥水基化分散，而其基于氨基-酰胺與多元羧酸的超分子自組裝和解組裝可以快速響應(yīng)溫度和pH，從而使農(nóng)藥在外界環(huán)境的刺激下實現(xiàn)智能裝載和釋放。

1 實驗材料和方法

1.1 試劑與儀器

N,N'-二甲基-1,3-丙二胺(DMPDA，＞98%)，氟化 鈉(NaF，98%)，氧 化 鋁(Al2O3，分 析 純)，硬 脂 酸(98%)，檸檬酸(分析純)，順丁烯二酸(馬來酸，99%)購于上海麥克林生化科技有限公司。鹽酸(HCl，37%)，購于上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。氫氧化鈉(NaOH，97.0%)，丙酮(分析純)，無水乙醇(分析純)購于天津大茂化學(xué)試劑有限公司。農(nóng)藥阿維菌素(AVM，工業(yè)級，純度為95%)購于河北威遠(yuǎn)生物化工有限公司。所有化學(xué)藥品未經(jīng)處理直接使用，實驗過程中使用Milli-Q 凈化裝置處理。

紫外分光光度計，UV-2550 型，日本島津公司；激光粒度儀/Zeta 電位分析儀，90PlusPALS 型，美國布魯克海文儀器公司；傅里葉紅外光譜分析儀，Spectrum-100型，美國鉑金埃爾默有限公司；差式掃描量熱儀，DSC-Q20 型，美國TA 儀器有限公司；掃描電子顯微鏡(SEM)，EVO18，德國卡爾蔡司公司；500 MHz 液體核磁共振譜儀 ，Bruker AvanceIIIHD500 型，瑞士布魯克儀器公司；旋轉(zhuǎn)流變儀，Thermo HAAKE(LI)，賽默飛世爾科技(中國)公司。

1.2 氨基-酰胺中間體的合成與表征

首先在三頸燒瓶中加入DMPDA，再加入硬脂酸，硬脂酸和DMPDA 加入的量按摩爾比2∶3。加入少量的NaF 作為催化劑，少量Al2O3作為脫水劑，在160℃的油浴鍋進(jìn)行縮合反應(yīng)10 h，此反應(yīng)在氮氣保護(hù)下進(jìn)行，避免不必要氧化副產(chǎn)物的生成。反應(yīng)完成后，過量的DMPDA 使用冰丙酮洗滌除去，產(chǎn)物純化三次，40℃下真空干燥24 h 得到N-[3-(二甲基氨基)丙基]硬脂酰胺(標(biāo)記為A 或氨基-酰胺)[26-27]。氨基-酰胺的合成路線如圖1(a)所示。

利用紅外光譜儀分析氨基-酰胺的化學(xué)結(jié)構(gòu)，采用溴化鉀(KBr)壓片法在4000～450 cm-1波長范圍內(nèi)掃描；采用差示掃描量熱法(DSC)對氨基-酰胺的相行為進(jìn)行測試和表征，以10℃/min 的速率在氮氣氛圍下由10℃加熱到150℃，再由150℃冷卻到10℃，進(jìn)行加熱-冷卻-加熱循環(huán)。

1.3 刺激響應(yīng)超兩親分子體系的組裝與表征

將氨基-酰胺(A)加入去離子水中，在水浴鍋下加熱溶解，趁熱加入檸檬酸(標(biāo)記為B)，氨基-酰胺和檸檬酸的摩爾比為2∶1，而加入水后使得最終的氨基-酰胺濃度控制在5.8%～6.3%(質(zhì)量)之間。在90℃恒溫磁力攪拌器下，攪拌直至混合均勻呈透明黏稠狀。之后放入馬弗爐中，90℃保溫2 h，組裝得到具有溫度響應(yīng)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換的超分子體系，標(biāo)記為氨基-酰胺/檸檬酸或C。調(diào)控溫度發(fā)現(xiàn)溫度響應(yīng)超分子處于70～80℃時轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鞯乃z態(tài)，不具有流動性；當(dāng)溫度低于25℃或高于90℃時，透明的水凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿榘咨揖哂幸欢ざ鹊娜苣z態(tài)。氨基-酰胺/檸檬酸超分子組裝體的合成路線如圖1(b)所示。

圖1 合成路線：硬脂酸與DMPDA縮合反應(yīng)生成氨基-酰胺(a)；氨基-酰胺與檸檬酸組裝形成溫度響應(yīng)超分子(b)；氨基-酰胺與馬來酸組成形成pH響應(yīng)超分子(c)Fig.1 Synthesis routes:stearic acid and DMPDA condensation to form amino-amide(a);amino-amide and citric acid assemble to form temperature-responsive supramolecule(b);amino-amide and maleic acid to form pH-responsive supramolecule(c)

采用相似方法制備pH 響應(yīng)凝膠，將氨基-酰胺(A)加入去離子水，使得氨基-酰胺質(zhì)量濃度控制在5.8%(質(zhì)量)。在70℃的恒溫水浴鍋里溶解，趁熱加入一定比例的馬來酸(D)，用1 mol/L NaOH 調(diào)節(jié)pH為7.5，室溫下超聲、攪拌均勻，組裝得到具有pH 響應(yīng)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換體系，標(biāo)記為氨基-酰胺/馬來酸或E，產(chǎn)品呈透明微黃色凝膠態(tài)。用1 mol/L HCl 及1 mol/L NaOH 調(diào)節(jié)pH，發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH＜6 時，透明溶液析出未溶解的晶體；當(dāng)pH 為6～7 時，超分子組裝體為透明微黃溶膠態(tài)；當(dāng)pH 為7～8 時，透明溶液轉(zhuǎn)換為透明微黃色凝膠態(tài)；當(dāng)pH＞8 時，凝膠轉(zhuǎn)換為乳白色的乳液。氨基-酰胺/馬來酸超分子組裝體的合成路線如圖1(c)所示。

溫度和pH 響應(yīng)超分子凝膠樣品冷凍干燥之后通過SEM 觀察微觀形貌和結(jié)構(gòu)，樣品置于導(dǎo)電膠上，并進(jìn)行噴金處理；利用紅外光譜儀分析冷凍干燥凝膠樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)，采用KBr 壓片法在4000～450 cm-1波長范圍內(nèi)掃描；采用氫核磁共振光譜(1H NMR)對氨基-酰胺/檸檬酸和氨基-酰胺/馬來酸超兩親分子進(jìn)行化學(xué)特性分析，進(jìn)一步確認(rèn)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，采用500 MHz 液體核磁共振譜儀在室溫下進(jìn)行表征，使用氘代氯仿(CDCl3)作為溶劑；采用DSC對氨基-酰胺/檸檬酸和氨基-酰胺/馬來酸超分子體系相行為進(jìn)行測試和表征，以10℃/min 的速率在氮氣氛圍下由10℃加熱到150℃，再由150℃冷卻到10℃，進(jìn)行加熱-冷卻-加熱循環(huán)；采用錐板型旋轉(zhuǎn)流變儀對刺激響應(yīng)超分子體系在不同溫度下進(jìn)行黏度測試，剪切速率固定在10 s-1，間距設(shè)置為0.05 mm，溫度范圍控制在30～80℃；動態(tài)激光衍射法(DLS)用來表征樣品的粒徑及粒度分布，散射角為90°，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，每次測量至少重復(fù)三次。

1.4 基于氨基-酰胺超分子組裝載藥膠束的制備及表征

以阿維菌素(AVM)為模型農(nóng)藥，采用浸漬法制備載藥膠束。首先，在100 ml 無水乙醇中加入1.0g AVM，在超聲作用下得到濃度為10 mg/ml的AVM溶液。將AVM 乙醇溶液和超分子體系(25℃的溫度響應(yīng)體系或pH=6 的pH 響應(yīng)體系)按體積比1∶5 超聲、磁力攪拌混合均勻，疏水性農(nóng)藥阿維菌素在疏水作用下進(jìn)入膠束內(nèi)部，得到氨基-酰胺/檸檬酸超分子載藥膠束和氨基-酰胺/馬來酸超分子載藥膠束。采用紫外-可見光譜分別在AVM 的特征波長245 nm 下測定吸光度，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線y=0.0378x-0.0059(標(biāo)準(zhǔn)方差R2=0.999)計算載藥膠束中阿維菌素的濃度，其中y 為紫外吸光度，x 為濃度；根據(jù)式(1)計算出包封率(EE)；采用激光粒度儀測定載藥膠束粒徑。

式中，mtotal是體系中農(nóng)藥總質(zhì)量，mg；mfree是體系中未包封的農(nóng)藥質(zhì)量，mg；EE是包封率，%。

取20 ml 上述載藥膠束加入截留分子量為5000的透析袋中，置于200 ml 40%(質(zhì)量)乙醇溶液的錐形瓶中，于25℃恒溫振蕩，每隔一段時間，取出1 ml透析液，同時補(bǔ)充1 ml 新鮮的40%(質(zhì)量)乙醇溶液。采用紫外-可見光譜法測定透析液中阿維菌素在波長245 nm 的吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線y=0.0329x-0.0026(R2=0.999)計算阿維菌素濃度，由式(2)計算累積釋放率(Ri)，得到載藥膠束的農(nóng)藥釋放曲線?？疾飙h(huán)境因素對溫度響應(yīng)膠束和pH 響應(yīng)膠束緩釋率的影響，分別調(diào)節(jié)溫度為30℃、40℃，pH=5、pH=7、pH=9，比較緩釋效果。

式中，ci是不同時間AVM 的質(zhì)量濃度，mg/L；mAVM是錐形瓶中AVM總質(zhì)量，mg。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 刺激響應(yīng)超分子組裝溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換及其流變性

溫度響應(yīng)超分子體系的刺激響應(yīng)行為如圖2(a)所示，氨基-酰胺與檸檬酸形成的超分子，其在室溫狀態(tài)(25℃)為乳濁溶膠態(tài)(亞穩(wěn)態(tài))，在加熱到75℃以上發(fā)生相變，轉(zhuǎn)換成透明黏稠狀凝膠態(tài)，水凝膠在容器翻轉(zhuǎn)時能夠支撐自身重力，保持凝膠狀，而在25℃時，會由重力驅(qū)動溶膠自由流動，通過加熱和冷卻循環(huán)可誘導(dǎo)凝膠-溶膠之間的多次可逆轉(zhuǎn)換，這是因為溫度響應(yīng)超分子體系組裝形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由分子間的氫鍵相互作用形成的，并非共價鍵的結(jié)果，加熱促進(jìn)了氨基-酰胺與檸檬酸羧基的氫鍵作用。溫度響應(yīng)超兩親分子的pH 約為5.5。氨基-酰胺與檸檬酸組裝的超分子在30～80℃范圍內(nèi)的黏度變化如圖3 所示，在剪切速率一定(γ=10 s-1)的情況下，黏度隨著溫度呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，在76℃黏度達(dá)到最大值4268 mPa·s，呈現(xiàn)穩(wěn)定的水凝膠狀態(tài)，在30℃黏度僅為58 mPa·s，為溶膠流動狀態(tài)，當(dāng)溫度高于76℃時，氨基-酰胺與檸檬酸超分子體系因為溫度過高破壞了超分子凝膠體系的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致黏度逐漸降低。因此，可以確定臨界凝膠化溫度為76℃，高于文獻(xiàn)中大多數(shù)熱敏凝膠的臨界凝膠溫度。

圖2 氨基-酰胺/檸檬酸溫度響應(yīng)超分子水凝膠溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變(a)；氨基-酰胺/馬來酸pH響應(yīng)超分子水凝膠溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變(b)Fig.2 Amino-amide/citric acid temperature-responsive supramolecular hydrogel sol-gel transition (a);amino-amide/maleic acid pHresponsive supramolecular hydrogel sol-gel transition(b)

pH 響應(yīng)超分子體系的刺激響應(yīng)行為如圖2(b)所示，氨基-酰胺與馬來酸形成的超分子在pH 為7～8 之間，出現(xiàn)明顯的相轉(zhuǎn)變過程，隨著pH 升高，逐漸出現(xiàn)凝膠化，且調(diào)控pH，可以實現(xiàn)溶膠-凝膠的多次可逆循環(huán)轉(zhuǎn)化，在酸性條件下超分子出現(xiàn)絮狀物，體系不能形成凝膠，可能原因是馬來酸在酸性條件下質(zhì)子化，氨基-酰胺中的—NH(CH3)2+以離子形式存在，兩者之間形成分子間氫鍵的可能性降低，體系不能形成水凝膠，說明分子間氫鍵是形成水凝膠結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用力。pH=7.5 的氨基-酰胺與馬來酸超分子凝膠態(tài)在溫度30～80℃的黏度變化如圖3 所示，剪切速率固定為10 s-1，30℃時超分子呈凝膠態(tài)，黏度較高(2101 mPa·s)，在40～60℃區(qū)間內(nèi)，黏度變化呈現(xiàn)一個山峰的形狀，在46.5℃時黏度最大(3393 mPa·s)，即促進(jìn)了馬來酸與氨基-酰胺的氫鍵作用，更有利于凝膠三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，黏度開始下降，破壞了氫鍵作用力，開始出現(xiàn)溶脹的狀態(tài)，當(dāng)溫度高于67.3℃時，基本呈現(xiàn)溶膠狀態(tài)，由于錐板流變儀的測試范圍限制，導(dǎo)致低黏度時曲線波動較大。結(jié)果表明，氨基-酰胺與馬來酸形成的pH 響應(yīng)超分子在pH=7.5時同時具有溫度響應(yīng)性，可進(jìn)行雙重刺激響應(yīng)的凝膠-溶膠轉(zhuǎn)換行為，極大地拓展了水凝膠的應(yīng)用范圍。

圖3 氨基-酰胺/檸檬酸(a)和氨基-酰胺/馬來酸(b)超分子水凝膠黏度隨溫度變化曲線Fig.3 Viscosity of amino-amide/citric acid(a)and aminoamide/maleic acid(b)supramolecular hydrogels vs.temperature

大多數(shù)流體的黏度隨著溫度升高而降低，而本文中刺激響應(yīng)超分子體系具備加熱誘導(dǎo)凝膠化的能力，這是區(qū)別于常見流體的重要特點，且在較低濃度[5.8%(質(zhì)量)]下即可表現(xiàn)刺激響應(yīng)的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換?；诎被?酰胺與多元羧酸之間形成的氫鍵數(shù)量及長度的不同，供體和受體通過氫鍵的相互作用促成凝膠的聚集，促進(jìn)了超分子的自組裝過程，長鏈烷基鏈增強(qiáng)了凝膠分子間的纏繞，溫度變化或pH變化過程中多組氫鍵的形成及羧基去質(zhì)子化、氨基重新質(zhì)子化的高度可逆性，而導(dǎo)致其自由折疊和展開，使其能夠響應(yīng)溫度和pH 進(jìn)行自組裝和解組裝。

2.2 激響應(yīng)超分子水凝膠的相行為及熱性能分析

為了確定刺激響應(yīng)超分子凝膠的相轉(zhuǎn)變過程，將氨基-酰胺、冷凍干燥后的氨基-酰胺與檸檬酸超分子凝膠以及凍干的氨基-酰胺與馬來酸超分子凝膠，進(jìn)行DSC 檢測，如圖4 所示，三者均可在10～150℃之間形成加熱-冷卻循環(huán)，氨基-酰胺加熱過程中，在55.7℃出現(xiàn)一個主鏈分解吸熱峰，而在冷卻過程中，在46.6℃出現(xiàn)一個放熱峰，在第二次冷卻過程中，同樣有一個放熱峰，相轉(zhuǎn)變溫度與第一次相近，說明氨基-酰胺本身具有熱可逆性。當(dāng)氨基-酰胺與檸檬酸形成超分子后，由10℃加熱至150℃，相變溫度變?yōu)?7.7℃，同樣，在冷卻過程中，相變溫度降為39.0℃，由于檸檬酸的加入，酰胺基團(tuán)上叔胺與檸檬酸的羧基結(jié)合，形成凝膠中的氫鍵，超分子交聯(lián)作用力較弱，使得氨基-酰胺更容易在較低的溫度下發(fā)生相變，導(dǎo)致熱穩(wěn)定性降低。而氨基-酰胺與馬來酸形成的超分子凝膠在加熱和冷卻循環(huán)中，分別出現(xiàn)兩個吸熱峰和兩個放熱峰，加熱過程中吸熱峰分別在43.6℃和51.1℃，即發(fā)生了兩次主鏈分解，分別為膠束形成時的吸熱峰和凝膠形成時的吸熱峰。冷卻過程中的相變溫度降為39.7℃和44.6℃，且兩次冷卻的相變溫度基本一致，說明超分子凝膠的循環(huán)可逆性及其穩(wěn)定的相轉(zhuǎn)變過程。

圖4 氨基-酰胺及其與檸檬酸和馬來酸的超分子凍干凝膠的DSC譜圖Fig.4 DSC curves of amino-amide and two supramolecular lyophilized gels with citric acid and maleic acid

2.3 刺激響應(yīng)超分子體系化學(xué)作用譜學(xué)分析

氨基-酰胺及其與檸檬酸和馬來酸形成的超分子凍干凝膠的紅外圖譜見圖5，考察氨基-酰胺和超分子體系之間的差異與分子間作用力?？梢钥闯?，氨基-酰胺中的叔胺—CH2—N(CH3)2在1041 cm-1出現(xiàn)較強(qiáng)伸縮振動峰，仲酰胺—CH2—CONH—CH2—由于N—H 面內(nèi)彎曲振動與C—N 伸縮振動耦合，分裂為兩個譜帶，1267 和1232 cm-1主要是C—N 伸縮振動形成的酰胺Ⅱ吸收帶，1544 cm-1主要是N—H面內(nèi)變角振動，2921 和2851cm-1為—CH3和—CH2—的伸縮振動，—CH3與叔胺的N 原子相連，伸縮振動頻率降低至2814 和2762 cm-1，1472 cm-1為—CH2—的變角振動頻率，酰胺羰基C O 伸縮振動位于1637 cm-1，3314 cm-1為仲酰胺—NH 的伸縮振動峰，吸收強(qiáng)度較高，形成一個尖峰，說明氨基-酰胺成功合成。

圖5 氨基-酰胺及其與檸檬酸和馬來酸的超分子凍干凝膠的紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectra of amino-amide and its supramolecular lyophilized gels with citric acid and maleic acid a—amino-amide;b—amino-amide/citric acid;c—amino-amide/maleicacid

加入檸檬酸和馬來酸后，由于羧酸中O—H 的存在，氨基-酰胺原本位于3314 cm-1的N—H尖峰分別被3428 和3463 cm-1處的寬峰合并。加入檸檬酸形成超分子后，檸檬酸生成羧酸根—COO-基團(tuán)，伸縮振動頻率由氨基-酰胺的1637 cm-1增加至1645 cm-1，與加入馬來酸形成的超分子的振動峰位置一致。同時，加入檸檬酸后，氨基-酰胺位于2814 和2762 cm-1處的振動峰變化為2724 cm-1歸屬于NH+伸縮振動譜帶，加入馬來酸后，也在2724 cm-1形成微弱的振動峰，說明檸檬酸或馬來酸的羧酸根給出質(zhì)子，叔胺的N原子得到質(zhì)子，通過質(zhì)子化，形成氫鍵，而并非簡單的物理混合，且氫鍵的長度和強(qiáng)度取決于與溫度的線性關(guān)系和二次方關(guān)系[28-29]。與檸檬酸形成的超分子凝膠在76℃形成，升高溫度也會將更多和更強(qiáng)的氫鍵引入超分子。紅外分析表明氫鍵和質(zhì)子化在超分子的溫度和pH 響應(yīng)凝膠化過程中具有重要作用。

圖6(a)為氨基-酰胺/檸檬酸超分子組裝體的1H NMR 譜圖，不同基團(tuán)質(zhì)子標(biāo)注在圖1(b)分子結(jié)構(gòu)式中，其中化學(xué)位移δ=7.24 的峰值與酰胺基團(tuán)(e)的質(zhì)子有關(guān)，化學(xué)位移δ=7.17 的峰值對應(yīng)超分子組裝后檸檬酸中羥基(k)的質(zhì)子，化學(xué)位移δ=2.58 對應(yīng)與叔胺N 相連的甲基基團(tuán)(a)的質(zhì)子，δ=0.86 對應(yīng)長碳鏈末端的甲基基團(tuán)(i)，為三重峰，δ=3.32 為與酰胺的N原子相連的亞甲基(d)的質(zhì)子，δ=2.80 為質(zhì)子化的叔胺N 原子相連的亞甲基(b)的質(zhì)子，δ=2.74 為與檸檬酸形成超分子后檸檬酸中亞甲基(j)的質(zhì)子，位于季胺與羰基之間，同時檸檬酸的三個羧基均與氨基-酰胺通過氫鍵作用形成超分子，因此1H NMR 譜圖中未出現(xiàn)羧基的質(zhì)子。圖6(b)為氨基-酰胺/馬來酸超分子的1H NMR 譜圖，不同基團(tuán)質(zhì)子標(biāo)注在圖1(c)分子結(jié)構(gòu)式中，δ=6.27 出現(xiàn)烯氫(j)，且未出現(xiàn)羧基的質(zhì)子，說明馬來酸成功的與氨基-酰胺通過氫鍵作用形成超分子，與圖6(a)相比，δ=7.17、δ=2.74 的峰值未出現(xiàn)，且與叔胺N 相連的甲基基團(tuán)(a)的質(zhì)子化學(xué)位移向高場偏移至δ=2.47，說明氨基-酰胺與檸檬酸形成的氫鍵作用更強(qiáng)，減少了對活潑氫的屏蔽作用，使活潑氫的共振吸收移向低場，氨基-酰胺與檸檬酸在此處的化學(xué)位移較大，如前所述，氫鍵的形成受溫度影響，氨基-酰胺/檸檬酸超分子合成反應(yīng)溫度更高，因此形成的氫鍵作用更強(qiáng)。

圖6 氨基-酰胺/檸檬酸超分子（a）及氨基-酰胺/馬來酸超分子(b)的1H NMR譜圖Fig.6 1H NMR spectra of amino-amide/citric acid supramolecular(a)and amino-amide/maleic acid supramolecular(b)

2.4 刺激響應(yīng)超分子水凝膠的形貌

經(jīng)由冷凍干燥所得氨基-酰胺/檸檬酸和氨基-酰胺/馬來酸超分子水凝膠樣品的橫斷面形態(tài)SEM圖見圖7(a)和(b)，可以看出在凍干凝膠中氨基-酰胺與檸檬酸或馬來酸的相互作用形成三維網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)。由右上角的放大內(nèi)插圖發(fā)現(xiàn)，氨基-酰胺/檸檬酸凍干凝膠呈現(xiàn)類似毛線球纏繞結(jié)構(gòu)，大小在8～10 μm之間，眾多毛線球相互交聯(lián)形成圖7(a)的多孔結(jié)構(gòu)；而氨基-酰胺/馬來酸凍干凝膠呈現(xiàn)柱狀的囊泡結(jié)構(gòu)，長度在9～10 μm左右，囊泡相互堆疊形成圖7(b)的孔道結(jié)構(gòu)。無論是球形纏繞還是柱狀囊泡的超分子結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步多層次自組裝形成類似珊瑚的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將大量的水溶劑禁錮住，形成了超分子水凝膠，獨特的結(jié)構(gòu)可為農(nóng)藥分子的裝載提供更大的空間。由于氨基-酰胺具有兩親性，與檸檬酸和馬來酸形成的兩親性超分子具有刺激響應(yīng)性，在水溶液中呈溶膠狀態(tài)時，通過DLS 測定氨基-酰胺/檸檬酸和氨基-酰胺/馬來酸膠束的粒徑分布見圖7(c)，可見氨基-酰胺/馬來酸溶膠膠束粒徑均一，約為250 nm，而氨基-酰胺/檸檬酸溶膠膠束分布較廣，分別出現(xiàn)11、98 和1753 nm 的粒子，這與圖2所述氨基-酰胺/馬來酸溶膠相對澄清，而氨基-酰胺/檸檬酸溶膠態(tài)呈現(xiàn)大量絮狀物一致。

2.5 刺激響應(yīng)超分子水凝膠對農(nóng)藥的裝載和緩控釋

氨基-酰胺/檸檬酸和氨基-酰胺/馬來酸超分子裝載農(nóng)藥阿維菌素后通過DLS 測得的膠束粒徑分布如圖7(d)所示，載藥后氨基-酰胺/馬來酸膠束粒徑增大至453 nm，說明在靜電作用及疏水性作用力的驅(qū)動下，帶負(fù)電荷的疏水性農(nóng)藥阿維菌素負(fù)載至氨基-酰胺的長碳鏈?zhǔn)杷思爸鶢钅遗輧?nèi)部，通過溶脹作用導(dǎo)致膠束粒徑增大。載藥后氨基-酰胺/檸檬酸膠束粒徑分布集中在564 nm，說明阿維菌素通過電荷作用及疏水作用進(jìn)入球狀囊泡內(nèi)部，有利于促進(jìn)溶膠中絮狀物的聚集。氨基-酰胺/檸檬酸和氨基-酰胺/馬來酸超分子裝載農(nóng)藥后的凝膠態(tài)通過凍干，在掃描電鏡下觀察的形貌分別如圖8(a)和(b)所示，與載藥前的凝膠態(tài)形貌[圖7(a)、(b)]進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)載藥后凝膠出現(xiàn)溶脹，體積變大，但仍分別維持球狀及柱狀結(jié)構(gòu)，氨基-酰胺/檸檬酸載藥凝膠表面存在縫隙，提供農(nóng)藥分子進(jìn)出的通道，而氨基-酰胺/馬來酸載藥凝膠纏繞呈鏈條結(jié)構(gòu)，鏈條形成的縫隙為農(nóng)藥分子提供進(jìn)出的場所，相比而言，球狀結(jié)構(gòu)更致密，更有利于保護(hù)農(nóng)藥分子，而鏈條狀結(jié)構(gòu)促使農(nóng)藥分子更快釋放。

氨基-酰胺/檸檬酸和氨基-酰胺/馬來酸超分子對阿維菌素的包封率見表1，可以看出氨基-酰胺/檸檬酸超分子的包封率略高于氨基-酰胺/馬來酸，可能與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，順丁烯二酸本身是一個順式結(jié)構(gòu)且結(jié)構(gòu)非常對稱的質(zhì)子酸，且順丁烯二酸所含有的羧基以及雙鍵使得形成的pH 響應(yīng)超分子組裝體是一個對稱性較好的物質(zhì)，檸檬酸本身是一個結(jié)構(gòu)不對稱的質(zhì)子酸，它同時含有羧基、羥基，結(jié)構(gòu)較氨基-酰胺/馬來酸超分子更復(fù)雜，因此氨基-酰胺/檸檬酸膠束可組裝形成更多更致密的孔道結(jié)構(gòu)，有利于吸附并封裝更多的農(nóng)藥分子，且檸檬酸為三元酸，相當(dāng)于三只手與氨基-酰胺形成更多的空間，較二元酸馬來酸相比，可以容納更多的農(nóng)藥分子。氨基-酰胺/檸檬酸和氨基-酰胺/馬來酸載藥凝膠靜置三天后，再次測量包封率發(fā)現(xiàn)氨基-酰胺/馬來酸載藥凝膠對阿維菌素的包封率顯著下降，一方面由于氨基-酰胺/馬來酸凝膠的孔道空間過大，促使農(nóng)藥分子更快逸出，另一方面由于阿維菌素的不穩(wěn)定性，易于光解[30]。同時，基于氨基-酰胺類超分子的載藥膠束以水為分散介質(zhì)，減少了使用有機(jī)溶劑作為農(nóng)藥分散劑的危害。裝載阿維菌素的氨基-酰胺/檸檬酸超分子和氨基-酰胺/馬來酸超分子分別在40%(質(zhì)量)乙醇溶液透析的緩釋曲線如圖9 所示。在圖9(a)中，氨基-酰胺/檸檬酸載藥超分子在不同溫度和pH 透析液環(huán)境下，表現(xiàn)出緩慢釋放的效果，其中在30℃、pH=9的堿性條件下，農(nóng)藥阿維菌素釋放得最慢，因為堿性條件下檸檬酸羧基的去質(zhì)子化程度升高，膠束表面負(fù)電荷增多，載藥膠束體系更穩(wěn)定，且膠束內(nèi)部帶負(fù)電的阿維菌素受表層負(fù)電荷排斥，逸出難度增大，導(dǎo)致累積釋放率變慢。由圖9(b)可以看出氨基-酰胺/馬來酸載藥超分子在pH 為5 和9 的酸性和堿性條件下均沒有緩釋趨勢，釋放速率極快，主要是由于電荷作用破壞了凝膠結(jié)構(gòu)，同樣升高溫度，釋放速率也較快，由于溫度升高使膠束溶脹，導(dǎo)致農(nóng)藥更容易逃逸，在pH 為中性、溫度為30℃的環(huán)境，超分子為凝膠態(tài)，氨基-酰胺/馬來酸載藥超分子表現(xiàn)出一定的緩釋趨勢，但釋放速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于氨基-酰胺/檸檬酸載藥超分子。對比發(fā)現(xiàn)，三元羧酸與氨基-酰胺形成的超分子與二元羧酸相比，體系更加穩(wěn)定，從結(jié)構(gòu)和電荷的角度更有利于實現(xiàn)農(nóng)藥的刺激響應(yīng)緩釋。

圖7 氨基-酰胺與檸檬酸(a)和馬來酸(b)的超分子凍干凝膠的SEM圖像；氨基-酰胺/檸檬酸和氨基-酰胺/馬來酸溶膠膠束的粒徑分布(c)；氨基-酰胺/檸檬酸和氨基-酰胺/馬來酸裝載農(nóng)藥阿維菌素后膠束的粒徑分布(d)Fig.7 SEM images of amino-amide/citric acid supramolecular lyophilized gel(a),amino-amide/maleic acid supramolecular lyophilized gel(b);particle size distribution of amino-amide/citric acid and amino-amide/maleic acid sol micelles (c);micelle size distribution of amino-amide/citric acid and amino-amide/maleic acid loaded with avermectin (d)

圖8 氨基-酰胺與檸檬酸(a)和馬來酸(b)超分子裝載阿維菌素后的凍干凝膠的SEM圖像Fig.8 SEM images of amino-amide/citric acid supramolecular lyophilized gel(a)and amino-amide/maleic acid supramolecular lyophilized gel(b)after avermectin loading

表1 氨基-酰胺/檸檬酸和氨基-酰胺/馬來酸超分子對農(nóng)藥阿維菌素的包封率及穩(wěn)定性Table 1 Encapsulation efficiency and stability of avermectin by amino-amide/citric acid and amino-amide/maleic acid supramolecules

圖9 阿維菌素@氨基-酰胺/檸檬酸載藥超分子(a)和阿維菌素@氨基-酰胺/馬來酸載藥超分子(b)在不同溫度、pH環(huán)境下的緩釋曲線Fig.9 Sustained-release curves of avermectin loaded amino-amide/citric acid supramoleculars (a)and avermectin loaded aminoamide/maleic acid supramolecular(b)under different temperatures and pH environments

3 結(jié) 論

本文通過長鏈氨基-酰胺與多元羧酸的超分子層層自組裝構(gòu)建了一類兩親性刺激響應(yīng)水凝膠，由長碳鏈?zhǔn)杷院诵暮投嘣人岬挠H水性外層組成，氨基-酰胺濃度控制在5.8%(質(zhì)量)可形成穩(wěn)定的超分子凝膠，通過DSC、FTIR、1H NMR、SEM、DLS、黏度等表征手段對比了氨基-酰胺與三元酸檸檬酸形成的溫度響應(yīng)超分子和與二元酸馬來酸形成的pH響應(yīng)超分子的性能和結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)氨基-酰胺/檸檬酸超分子具有溶膠-凝膠可調(diào)控的熱響應(yīng)相行為及可逆轉(zhuǎn)換，臨界凝膠化溫度為76℃，高于大多數(shù)文獻(xiàn)報道的臨界凝膠化溫度，高于76℃為凝膠態(tài)，氨基-酰胺/馬來酸超分子具有pH 誘導(dǎo)的溶膠-凝膠的可逆轉(zhuǎn)換，臨界pH=7，在pH 為7～8 范圍內(nèi)超分子呈現(xiàn)凝膠態(tài)。氨基-酰胺與多元酸通過質(zhì)子化及去質(zhì)子化形成氫鍵，與檸檬酸形成的超分子凝膠在較高溫度下形成，與三元酸和二元酸分別形成球形和柱狀囊泡，進(jìn)一步進(jìn)行界面層層自組裝形成穩(wěn)定的纏繞交聯(lián)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且氨基-酰胺/檸檬酸凝膠的孔道更多、更致密，為農(nóng)藥的裝載提供了空間。氨基-酰胺/檸檬酸超分子對農(nóng)藥的包封率略高于氨基-酰胺/馬來酸，馬來酸是順式且結(jié)構(gòu)對稱的質(zhì)子酸，氨基-酰胺與馬來酸形成的超分子組裝體是一個對稱性較好的物質(zhì)，檸檬酸結(jié)構(gòu)不對稱，且檸檬酸為三元酸，相當(dāng)于三只手與氨基-酰胺形成更多的空間，可以容納更多的農(nóng)藥分子，三元羧酸與氨基-酰胺形成的超分子與二元羧酸相比，從結(jié)構(gòu)和電荷的角度更有利于實現(xiàn)農(nóng)藥的刺激響應(yīng)緩釋效果。

符 號 說 明

A——紫外吸光度

C——農(nóng)藥濃度，mg/L

EE——包封率，%

mtotal,mfree,mAVM——分別為農(nóng)藥總質(zhì)量，體系中未包封的農(nóng)藥質(zhì)量和錐形瓶中農(nóng)藥質(zhì)量，mg

Ri——累積釋放率，%

T——溫度，℃