pH敏感性葡萄糖印跡水凝膠的制備

吳淑梅，何艷芬，張衛英，徐寅超，林美露，李 曉

（福州大學 化學化工學院，福建 福州 350108）

水凝膠吸水溶脹但不溶解，兼有液體和固體的性質［1-3］。同時，水凝膠結構中存在大量的功能性基團，可作為吸附分離材料廣泛應用于農林、園藝、醫藥、石油化工、建材、日用品和化妝品等領域［4-8］。目前，世界上至少有3.66億人患有糖尿病，控制血糖濃度進而改善糖尿病患者的生活質量受到人們的高度關注［9-11］。口服葡萄糖吸附劑是控制血糖濃度的一種有效途徑。葡萄糖吸附劑經胃進入小腸后，在腸內吸收糖分再排出體外，從而減少人體對糖的吸收［12］。纖維素、甲殼胺等天然高分子凝膠已用于葡萄糖吸附［13-14］，但缺乏對胃腸pH差異的響應性，合成pH敏感性葡萄糖吸附凝膠的研究鮮見報道。

分子印跡是一種制備對目標分子具有識別性的功能高分子材料的新技術［15-16］。本工作采用簡單、無毒的單體，同時引入pH敏感基團，并結合分子印跡技術，制備對環境pH具有敏感性、對葡萄糖具有較強吸附作用的葡萄糖印跡水凝膠，為進一步研究餐后血糖控制及智能給藥體系提供一種新的材料。

1 實驗部分

1.1 主要試劑及儀器

α-甲基丙烯酸（MAA）：化學純，國藥（集團）上海化學試劑公司；甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）：化學純，三菱化工有限公司：丙烯酰胺（AM）：分析純，天津市大茂化學試劑廠；乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）：化學純，Fluka公司；過硫酸銨（APS）：分析純，廣東省化學試劑工程技術研究開發中心；二甲基亞砜（DMSO）：分析純，天津市福晨化學試劑廠；檸檬酸：優級純，廣東省化學試劑工程技術研究開發中心；十二水合磷酸氫二鈉：分析純，西隴化工股份有限公司；鄰甲基苯胺：優級純，上海晶純試劑有限公司；葡萄糖：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

CL-200型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：鞏義市英峪予華儀器制造廠；Cary50型紫外-可見分光光度計：Varian公司；SHA-B型醫用恒溫振蕩器：國華電器有限公司；510型pH計，EUTECH公司。

1.2 pH敏感性水凝膠的制備

稱取一定質量的功能單體HEMA，MAA，AM于燒杯中，加入一定體積的水，室溫下攪拌5 min；再加入一定量的交聯劑EGDMA和引發劑APS，室溫下繼續攪拌10 min。將上述溶液轉移到試管中，通氮10 min，密封，60 ℃下反應16 h，生成水凝膠。取出水凝膠切成小塊，放于蒸餾水中浸泡，每隔一段時間換一次蒸餾水，然后置于50 ℃下真空干燥至恒重，即得pH敏感性水凝膠（即非印跡水凝膠，簡稱NIP）。

1.3 葡萄糖印跡水凝膠的制備

稱取一定質量的葡萄糖與功能單體HEMA，MAA，AM于燒杯中，加入溶劑DMSO和水共10 mL，室溫下攪拌5 min；再加入一定量的交聯劑EGDMA和引發劑APS，室溫下繼續攪拌10 min。將上述溶液轉移到試管中，通氮10 min，密封，60 ℃下反應16 h，生成水凝膠。取出水凝膠切成小塊，放于甲醇-乙酸（體積比4∶1）洗脫液中洗脫葡萄糖，每隔2 h換一次洗脫液，然后用甲醇洗至中性，于50 ℃下真空干燥至恒重，即得葡萄糖印跡水凝膠（簡稱MIP）。

1.4 水凝膠溶脹度的測量

準確稱取若干份一定質量（m0）的干凝膠，分別加入不同pH的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液中，溶脹24 h后取出，用濾紙擦干表面溶液，稱量溶脹后的水凝膠質量（m1），按式（1）計算水凝膠的溶脹度（SR）：

1.5 水凝膠吸附量的測量

將NIP或MIP置于50 mL葡萄糖水溶液（質量濃度2 g/L）中，室溫下振蕩吸附24 h，采用鄰甲基苯胺分光光度法測量剩余吸附液中葡萄糖的質量濃度［17］，根據吸附前后葡萄糖質量濃度的變化計算水凝膠對葡萄糖的平衡吸附量Q（mg/g），并按式（2）計算印跡因子（α）。α體現了MIP與NIP在分子識別上的差異，α越大表明印跡效果越好。

式中，QI，QN分別為MIP和NIP對葡萄糖的平衡吸附量，mg/g。

2 結果與討論

2.1 功能單體及交聯劑用量對NIP溶脹度的影響

2.1.1 功能單體AM用量的影響

考察了不同AM用量時NIP溶脹的pH響應性，實驗結果見圖1。

圖1 AM用量對NIP溶脹度的影響Fig.1 Effects of acrylamide(AM) dosage on the swelling ratio(SR) of pH-sensitive hydrogels(non-imprinted hydrogels，NIP).

由圖1可見，NIP的溶脹度隨緩沖溶液pH的增加先減小后增大；當pH達到7左右時，溶脹度變化不明顯。這是由于在酸性介質中，隨溶液酸性的增強，水凝膠分子鏈上酰胺基的質子化程度加大，水化作用增強，更多的水分子滲透到水凝膠內部，使得水凝膠的溶脹度變大。當pH＞5時，雖然酰胺基的質子化能力減弱，但酰胺基逐漸水解生成羧基，羧基離解使水凝膠的親水性更強，隨pH的增加酰胺基的水解程度提高，故溶脹度顯著增大。當pH=6～7時，羧基的離解度接近最大值，故溶脹度的變化趨于平緩。從圖1還可看出，AM用量對NIP溶脹度有一定的影響，當pH較低時，NIP溶脹度隨AM用量的增加呈先增后減的趨勢，當AM用量為總單體質量的2%時，NIP的溶脹度最大。

2.1.2 功能單體MAA用量的影響

考察了不同MAA用量時NIP溶脹的pH響應性，實驗結果見圖2。由圖2可見，NIP的溶脹度隨緩沖溶液pH的增加基本呈先增后減的趨勢，pH=6～7時溶脹度接近最大值。這是由于MAA含有可離子化的羧基基團，當pH逐漸增大時，水凝膠分子鏈上羧基基團的離子化程度增強，水凝膠的分子內氫鍵作用減弱，使得水凝膠的溶脹度變大；當pH增大到一定值后，可離子化羧基基團的離解度達到最高值，水凝膠的溶脹度達到最大值；繼續增大pH，由于溶液中的離子濃度大于水凝膠內部的離子濃度，導致水凝膠失水收縮，溶脹度減小。由圖2還可看出，NIP的溶脹度與MAA用量有關，當pH=6～7時，MAA用量越多，溶脹度越大。這是因為MAA用量越多，羧基基團的離子化效應越顯著。

圖2 MAA用量對NIP溶脹度的影響Fig.2 Effects of MAA dosage on the swelling ratio of NIP.

2.1.3 交聯劑EGDMA用量的影響

交聯劑是制備水凝膠的重要成分，交聯劑用量會影響水凝膠的剛性和溶脹性。考察了不同交聯劑用量時NIP溶脹的pH響應性，實驗結果見圖3。

由圖3可見，NIP的溶脹度隨交聯劑EGDMA用量的增加呈減小的趨勢。這是因為：當交聯劑用量較少時，水凝膠的空間網絡疏松，容易接納更多的水；當交聯劑用量少時，有更多的化學點與水分子作用。但交聯劑用量過少時，水凝膠的空間網絡難以形成，導致水凝膠的剛性不足。當交聯劑用量增加時，水凝膠中的交聯點增多，交聯點間距變小，水凝膠的網絡空間變小，溶脹度減小，但水凝膠的剛性較強。

圖3 EGDMA用量對NIP溶脹度的影響Fig.3 Effects of EGDMA dosage on the swelling ratio of NIP.

2.2 NIP的pH響應可逆性

水凝膠的pH響應可逆性是指水凝膠能根據環境pH的變化而發生可逆的收縮和溶脹。選取3個不同交聯度的NIP，考察其pH響應可逆性。先將NIP置于pH=7.0的緩沖溶液中溶脹24 h，然后移入pH=2.0的緩沖溶液中溶脹24 h，最后再置于pH=7.0的緩沖溶液中溶脹24 h，分別測其溶脹度，測量結果見表 1。

表1 NIP在緩沖溶液中的pH響應可逆性Table 1 Reversibility of the response to pH of NIP in buffer solution

由表1可見，NIP在緩沖溶液中具有明顯的pH響應可逆性。當緩沖溶液pH=7.0時，由于羧基基團離解，NIP的親水性增強，溶脹度變大；將NIP置于酸性溶液中之后，羧基基團的離解度下降，NIP的水化作用減弱，導致其收縮；而后又置于pH=7.0的緩沖溶液中，羧基基團又發生離解，NIP的親水性增強，溶脹度變大。由此可見，NIP的收縮和溶脹與緩沖溶液的pH有關。

2.3 功能單體對MIP吸附性的影響

分別采用MAA和AM以及兩者的混合物為功能單體制備了MIP與相應的NIP，考察兩者對葡萄糖的吸附性，實驗結果見表2。

表2 功能單體對MIP吸附效果的影響Table 2 Effects of the functional monomers on the adsorption of imprinted hydrogel(MIP)

從表2可看出，以MAA為功能單體制備的MIP對葡萄糖具有較好的識別性，其印跡因子達到1.73；以MAA和AM混合物為功能單體制備的MIP，其印跡因子降至1.15，明顯小于以MAA為功能單體制備的MIP；而以AM為功能單體制備的MIP，其印跡效果最差，印跡因子僅為0.28。這是由于MAA分子上—COOH與葡萄糖分子上—OH的作用比AM分子上—NH2與葡萄糖分子上—OH的作用更強，因此以MAA為功能單體制備的MIP對葡萄糖的吸附量較高；而以MAA和AM混合物為功能單體制備的MIP，由于—COOH與—NH2之間消耗了部分氫鍵，導致它們與葡萄糖分子上—OH的結合數量減少，進而使吸附量降低。因此，采用MAA為功能單體制備的MIP印跡效果最好。

2.4 MIP的pH響應性

MIP內部存在具有特異識別性的孔穴，可能會導致MIP的空間網絡結構不同于NIP，進而引起MIP與NIP在pH響應性方面存在差異。

圖4（a）和（b）分別是以MAA以及MAA和AM混合物為功能單體制備的MIP和NIP在不同pH下的溶脹度。

圖4 MIP和NIP在不同pH下的溶脹度Fig.4 Swelling ratios of MIP and NIP at different pH.Reaction conditions referred to Table 2.

從圖4可看出，隨緩沖溶液pH的增大，MIP和NIP的溶脹度變化趨勢一致，說明MIP與NIP具有相似的pH響應性；但在相同pH下，MIP的溶脹度小于NIP的溶脹度。這是因為MIP洗脫葡萄糖后，在其內部留下了識別葡萄糖的孔穴，該孔穴的存在限制了MIP的溶脹，導致MIP的溶脹度小于相應的NIP。

3 結論

1）以HEMA，MAA，AM為功能單體，EGDMA為交聯劑，采用溶液聚合法合成了NIP。功能單體和交聯劑的用量對合成的NIP的pH響應性均有不同程度的影響，且所合成的NIP在緩沖溶液中具有明顯的pH響應可逆性。

2）在NIP的基礎上制備了MIP，以MAA為功能單體制備的MIP具有較好的印跡效果，印跡因子可達1.73，且MIP的pH響應性與NIP一致，但其溶脹度小于NIP。

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