pH響應型殼聚糖-明膠水凝膠的制備研究

劉伶俐，錢 洋

（安徽新華學院 藥學院，安徽 合肥 230088）

pH響應型殼聚糖-明膠水凝膠的制備研究

劉伶俐，錢 洋

（安徽新華學院 藥學院，安徽 合肥 230088）

pH敏感型水凝膠是指水凝膠的體積隨外界環境如pH值、離子強度變化而變化的一類高分子凝膠，可方便地調節和控制凝膠內藥物的釋放和擴散速率，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，采用化學交聯法制備了一種pH響應性水凝膠，探討原料用量、反應溫度及交聯劑用量對凝膠溶脹性能的影響，獲得了一種對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，通過共價鍵、氫鍵或范德華力等作用相互交聯構成三維高分子網絡結構的水凝膠.具有網狀交聯結構的水溶性高分子中引入一部分疏水基團和親水殘基，親水殘基與水分子結合，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時間，同被固定化的酶或細胞相互作用弱很多，因此水凝膠在生物化學、醫學等領域有許多用途[1-2].智能水凝膠是對外界環境微細的物理或化學變化并能產生相應響應的一類水凝膠，也被稱為刺激響應性或響應性凝膠.其中pH敏感性水凝膠是指水凝膠的體積隨外界環境pH值、離子強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子化的酸、堿基團，這些基團的解離受外界pH的影響，當外界pH變化時，這些基團的解離程度相應改變，造成內外離子濃度改變，這些基團的解離還會破壞凝膠內相應的氫鍵，使凝膠網絡的交聯點減少，造成凝膠網絡結構發生變化，引起水凝膠溶脹度的變化[3-4].在藥學領域中，根據pH敏感性水凝膠的這種性質可以方便地調節和控制凝膠內藥物的釋放和擴散速率，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70年代后期，大量的研究結果表明:環境的某些微小擾動，都可能導致水凝膠體積的顯著變化.而pH敏感性凝膠在環境響應性高分子材料中獨樹一幟，占據著非常重要的地位，因此關于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，這種微球對于β-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時釋放量很少,在pH=6.8時釋放量增加.另外還有人制備具有不同pH值響應性的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，考察凝膠對模型藥物的控釋行為.對于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用，因此關于其研究也成為了一個重要的方向.殼聚糖[11-12]無毒，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，無不良反應，無免疫原性，具生物可降解性.本文通過交聯劑使殼聚糖和明膠發生交聯反應，用以制備殼聚糖/明膠pH響應性水凝膠，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.

1 材料與方法

1.1 試劑及儀器

試劑：殼聚糖，BR級，國藥集團化學試劑有限公司；明膠，BR級，國藥集團化學試劑有限公司；25%戊二醛（GA），BR級，國藥集團化學試劑有限公司；檸檬酸，江蘇強盛化工有限公司；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)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任公司；電子天平（JJ500），常熟雙杰測試儀器廠；RC-6智能溶出儀，天津市光學儀器廠；754紫外分光光度計，天津市拓普儀器有限公司；PHS-25pH計，上海虹益儀器儀表有限公司.

1.2 實驗方法

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間后取出，測定溶脹度[公式(1)].

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

1.2.2 不同質量比對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的比例分成三組進行試驗.稱取的明膠在試驗之前應進行溶脹，即在20mL的蒸餾水中讓其侵泡3到4小時，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℃的水浴鍋中進行攪拌反應，最后收集產物.然后置于pH值3.0的緩沖液中溶脹，分別記錄不同時間明膠溶脹后的質量，研究不同質量比對水凝膠溶脹性能的影響.

1.2.3 不同交聯劑用量對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（質量比）的比例，按照上述實驗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，記錄不同時間明膠溶脹后的質量，研究不同交聯劑用量對水凝膠溶脹性能的影響.

1.2.4 反應溫度對水凝膠溶脹行為的影響

按明膠：殼聚糖=1:l(質量比)的比例，按照上述的實驗步驟分別加入戊二醛用量6.25mL，反應溫度為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，記錄不同時間明膠溶脹后的質量，研究反應溫度對交聯凝膠溶脹性能的影響.

1.2.5 水凝膠的pH響應性

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，記錄不同時間明膠溶脹后質量，觀察其在不同pH值的緩沖液中的溶脹行為.

2 結果與討論

2.1 不同質量比對水凝膠的溶脹性能的影響

明膠-殼聚糖質量比分別為1:1、1:2、1:3，交聯劑用量在6.25mL，反應溫度為50℃制得的水凝膠在pH值為3的緩沖液中的溶脹行為，由實驗測得的數據可得不同質量比對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，隨著殼聚糖質量濃度的增加，水凝膠的溶脹行為減小.這是因為殼聚糖的質量濃度高時使凝膠結構變得更加密實，溶脹度因而下降，濃度較低時會導致凝膠內部結構松散，溶度能力大.同時溶脹大約在2～6小時內達到平衡.因此選用明膠和殼聚糖的質量比為1:1來制備水凝膠，其溶脹性能最佳.

圖1 不同質量比對明膠溶脹度的影響

2.2 不同交聯劑用量對水凝膠溶脹性能的影響

保證殼聚糖-明膠質量比為1:1，反應溫度為50℃，交聯劑用量為6.25mL，制備的水凝膠在pH值為3的緩沖液中的溶脹行為，由實驗測得的數據可得不同交聯劑用量對水凝膠溶脹性能的影響.如圖2.

圖2 不同交聯劑用量對水凝膠溶脹性能的影響

由圖2所示，交聯劑用量為6.25mL凝膠溶脹性能最佳.且在相對增大交聯劑用量時，凝膠溶脹性能降低.這是由于交聯度較小時，交聯內部的交聯密度比較低，凝膠內自由空間大，水凝膠的網絡結構疏松，另外-COOH和-NH2都具較強的親水作用，因此水凝膠網絡內部可以容納大量的水.交聯劑質量濃度較高時，水凝膠交聯密度增大，水凝膠網絡結構變得緊密，網格變小，限制了親水基團與水的相互作用. 2.3反應溫度對水凝膠溶脹性能的影響

圖3 反應溫度對水凝膠溶脹性能的影響

按明膠:殼聚糖=1:l(質量比)的比例，分別加入戊二醛用量6.25mL，反應溫度為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，記錄不同時間明膠溶脹后的質量可得表3.

由實驗測得數據可得不同反應溫度對水凝膠溶脹性能的影響，由圖3可知反應溫度對溶脹度的影響較小，大約在4小時左右基本達到溶脹平衡.且在反應溫度為50℃時凝膠溶脹性能最佳，因此我們選用反應溫度為50℃來制備水凝膠.在低溫下，水滲透進入凝膠內部，以結合態水形式存在.隨著溫度的升高，水分子獲得能量，凝膠內的親水基團轉變為分子內氫鍵，這樣勢必降低凝膠與水分子之間的親合力，凝膠內部的水分子由結合態轉變為自由態，從網絡中釋放出來.

2.4 水凝膠的pH響應性

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，記錄不同時間明膠溶脹后質量.由實驗數據可得不同pH水凝膠隨時間變化的溶脹度，如圖4所示.

圖4 水凝膠的pH響應性

如圖4所示，制備所得凝膠均表現出顯著的pH響應性溶脹行為，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，隨pH值的增大，殼聚糖/明膠凝膠的溶脹度呈現先增加后減小的趨勢；在pH值為5.0-9.0時，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子化，其網絡上產生電荷，會破獲網絡結構的氫鍵和靜電吸引力，產生電子斥力，分子鏈充分伸展，致使凝膠溶脹.當體系為中性或堿性環境時，殼聚糖中的氨基質子化趨勢減弱，結構收縮，溶脹度減小.

3 結論

利用明膠與殼聚糖為原料交聯制備了一種pH響應性水凝膠，通過實驗得到如下結論：

3.1 明膠和殼聚糖的最佳質量比

當明膠和殼聚糖的質量比為1:1時，制備的水凝膠呈現果凍狀，疏松多孔，含有大量微氣泡，水凝膠的溶脹性能最佳.

3.2 最佳質量下的不同交聯劑用量對水凝膠溶脹行為的影響

交聯劑質量濃度增大，交聯凝膠的溶脹速率變慢，溶脹度降低.

3.3 不同反應溫度對水凝膠溶脹行為的影響

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

3.4 最佳質量比下的pH響應性

凝膠對溶脹介質pH值變化具有良好的響應性，其溶脹過程可逆，在酸性環境中的pH敏感性優于堿性環境中的pH敏感性.且在pH值為3.0溶脹性能最佳.

該pH響應型的水凝膠對不同pH具有不同的響應性，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毒性，這種載體材料將有望應用于藥物的緩釋載體中，具備良好的應用前景.

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O648.17

A

1673-260X（2014）04-0125-03

校級科研課題（2012zr002）