pH響應(yīng)型蔗渣木質(zhì)素水凝膠的制備及其對蛋白質(zhì)的控釋性能

摘要： 該研究以蔗渣木質(zhì)素和甲基丙烯酸為原料合成了pH敏感型蔗渣木質(zhì)素/聚甲基丙烯酸水凝膠，對其合成條件、pH敏感性、溶脹-退溶脹性能以及對牛血清蛋白的控釋等性質(zhì)進行研究，并采用紅外光譜、掃描電鏡等對凝膠進行表征。結(jié)果表明：（1）對凝膠溶脹比影響的因素由大到小依次為甲基丙烯酸用量、交聯(lián)劑用量、催化劑用量、反應(yīng)的溫度、木質(zhì)素用量。當(dāng)甲基丙烯酸單體濃度為1.75 mol·L1、木質(zhì)素濃度為25 g·L1、交聯(lián)劑濃度為3.25×102 mol·L1、引發(fā)劑濃度為1.25×102 mol·L1、反應(yīng)溫度為65 ℃時，所得水凝膠在模擬腸液中的溶脹比最大（28.16 g·g1）。與不加木質(zhì)素的聚甲基丙烯酸水凝膠相比，蔗渣木質(zhì)素/聚甲基丙烯酸水凝膠的溶脹比有所下降，但其敏感pH由4～5堿移至6～8。（2）蔗渣木質(zhì)素/聚甲基丙烯酸水凝膠的溶脹—退溶脹可逆性受組成的影響較大，但相對于聚甲基丙烯酸水凝膠，蔗渣木質(zhì)素/聚甲基丙烯酸水凝膠對pH值的敏感響應(yīng)性更強、響應(yīng)速率更快，同時能在更短時間內(nèi)達到溶脹平衡。（3）加入木質(zhì)素可以提高水凝膠對牛血清蛋白的負載量，所試驗的蔗渣木質(zhì)素/聚甲基丙烯酸水凝膠樣品對牛血清蛋白的最大負載量可達577 mg·g1。（4）牛血清蛋白在12 h后基本可達釋放平衡；在模擬胃液中，牛血清蛋白的釋放率僅10%，而在模擬腸液中釋放率達92%。pH響應(yīng)型蔗渣木質(zhì)素/聚甲基丙烯酸水凝膠可以作為口服型蛋白類藥物的潛在載體。

關(guān)鍵詞： pH響應(yīng)型水凝膠， 蔗渣木質(zhì)素， 聚甲基丙烯酸， 牛血清蛋白， 控釋

中圖分類號： Q946， O636.9， R945文獻標(biāo)識碼： A文章編號： 10003142（2017）02024807

Abstract： pHresponsive hydrogels were synthesized using the bagasse lignin and methacrylic acid as raw materials. The synthesis conditions， pHresponsive activities， swellingdeswelling properties and the controled release behaviour of bovine serum albumin for the synthesized hydrogels were studied. The gels were also characterized by IR and SEM. The results were as follows： （1） Orthogonal test results for the synthesis conditions of the hydrogels showed that the factors affecting the swelling ratio of the hydrogels in decreasing order were the amount of methyl acrylic acid， the amount of crosslinking agent， the amount of catalyst， the temperature of reaction， and the amount of lignin. Under the conditions of 1.75 mol·L1 of methacrylic acid， 25 g·L1 of lignin， 3.25 × 102 mol·L1 of crosslinker， 1.25 × 102 mol·L1 of catalyst and 65 ℃ of reaction temperature， the synthesized hydrogel possessed a maximum swelling ratio of 28.16 g·g1 in simulated intestinal fluid. Compared with polymethacrylic acid hydrogels without of bagasse lignin， the swelling ratio of bagasse lignin/polymethacrylic acid hydrogels all were decreased moderately at different pH conditions. However， the addition of bagasse lignin made the sensitive pH of the hydrogels increased from pH 4-5 to pH 6-8. （2） Results of swellingdeswelling experiments showed that the addition of lignin made the swellingdeswelling reversibility of hydrogel vary by the components. However， compared to polymethacrylic acid hydrogels， bagasse lignin/polymethacrylic acid hydrogel showed more sensitive response to pH and reached equilibrium in a shorter period of time. （3） Results of adsorption tests showed that the addition of lignin to the hydrogel may increase the adsorption amount of bovine serum albumin. Among of the tested bagasse lignin/polymethacrylic acid hydrogel samples， the maximum loading capacity for bovine serum albumin was found to be 577 mg·g1. （4） Results of controlled release tests showed that the release equilibrium for BSA could be reached after 12 h with a release rate of 10% in simulated gastric fluid and 92% in simulated intestinal fluid， respectively. As a natural and renewable resource， the utilization of bagasse lignin have been interested by researchers. Results of this study showed bagasse lignin/polymethacrylic acid hydrogels may be used as an potential polymer carrier for oral delivery of protein drugs and provided a possible way for the utilization of bagasse lignin.

Key words： pHresponsive hydrogel， bagasse lignin， polymethacrylic acid， bovine serum albumin， controlled release

水凝膠是通過共價鍵、氫鍵、范德華力、物理纏繞等方式（Vermonden et al，2012）連接的一種高分子材料，具有吸水、保水、藥物控釋的功能（史艷茹等，2013），且因其良好的生物相容性而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)方面的研究（尹大偉等，2012）。目前研究最多的是一種能對環(huán)境響應(yīng)特性的水凝膠，也可稱為智能水凝膠 。具體有溫度敏感性水凝膠、pH敏感性水凝膠、光敏感性水凝膠、壓力敏感性水凝膠、磁性敏感性水凝膠等（劉興明等，2005；Ankareddi Brazel，2007；Sakata et al，2007；Satarkar Hilt，2008）。利用這些特點可以實現(xiàn)藥物的定點、定時、定量的釋放，減少藥物使用頻率，增加安全性（劉永等，2008）。為獲得不同環(huán)境敏感性或不同機械性能的水凝膠，將其他生物相容性較好的天然高分子材料通過物理交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)的方法引入水凝膠中是一種環(huán)保，節(jié)能的方式，已成為國內(nèi)外的研究熱點。例如通過淀粉、纖維素、海藻酸鈉、殼聚糖、木質(zhì)素（Giovanna et al，2016；Leroy et al，2012； Mahdavinia et al，2004）等合成的天然高分子水凝膠，由于其良好的生物降解性及生物相容性，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品、組織工程等領(lǐng)域（李云開和劉洪祿，2002；Manitha et al，2015；Aider et al，2010）。

口服制劑是人們普遍接受的一種給藥方式，但對于治療腸部疾病的一些藥物，諸如蛋白質(zhì)類藥物等，口服經(jīng)過胃部時易被蛋白酶消化、降解從而失去藥效甚至引起副作用。因此，近年來腸部口服制劑載體的研發(fā)得到了人們的關(guān)注（吳慶喜和姚善涇，2013）。木質(zhì)素作為自然界中含量僅次于纖維素存在的天然高分子材料 ，具有來源廣，低毒害，生物降解性，生物相容性好的特點，由于木質(zhì)素的這些內(nèi)在的優(yōu)勢，將木質(zhì)素引入水凝膠中在國內(nèi)外有大量的研究（Park et al，2015；Ciolacu et al，2012）。本研究通過以蔗渣木質(zhì)素和聚甲基丙烯酸為原料合成具有pH敏感性的水凝膠，考察了水凝膠的合成條件及性能，并考察了水凝膠對牛血清蛋白的控釋性能， 進一步擴展了蔗渣木質(zhì)素的應(yīng)用。

1材料與方法

1.1 材料、儀器與試劑

HWS24型電熱恒溫水浴鍋（上海一恒科技有限公司）；Cary50紫外分光光度計（美國VARIAN）；Nicolet iS10傅立葉變換紅外光譜儀（美國Nicolet儀器公司）；S4800掃描電鏡（日本日立公司）。蔗渣木質(zhì)素來源于廣西壯族自治區(qū)中國科學(xué)院廣西植物研究所。牛血清蛋白、亞硫酸氫鈉、過硫酸銨、氫氧化鈉鹽酸、二甲基亞砜、N，N亞甲基雙丙烯酰胺、無水乙醇、乙酸鈣均為分析純；實驗用水為二次蒸餾水。

1.2 方法

1.2.1 BAL/PMAA水凝膠的制備稱取一定量的單體甲基丙烯酸，交聯(lián)劑N，N’亞甲基雙丙烯酰胺，溶于蒸餾水中，水浴40 ℃下，獲得透明均勻的溶液A。蔗渣木質(zhì)素用二甲亞砜溶解，制成溶液B。按一定比例分取溶液A、B攪拌使其混合均勻，加入引發(fā)劑過硫酸銨和亞硫酸氫鈉水溶液適量，總體積為10 mL。混勻后移至試管中密封，恒溫下反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束后取出試樣，并切成2～3 mm厚的圓薄片，在蒸餾水中浸泡1周，每天換水1次。干燥后備用。

為了較全面地考察各因素對BAL/PMAA水凝膠的合成及其對pH的溶脹響應(yīng)性能的影響，在前期預(yù)試驗的基礎(chǔ)上設(shè)計五因素三水平正交試驗，因素水平如表1，反應(yīng)總體積為10 mL。

1.2.2 BAL/PMAA水凝膠的溶脹性能測試

1.2.2.1 溶脹比的測定將一定質(zhì)量的水凝膠浸泡在緩沖液中，稱量其溶脹平衡前后的質(zhì)量，根據(jù)以下公式計算溶脹比。溶脹比（g·g1）=m1-m0m0

1.2.2.2 pH響應(yīng)性能以醋酸-磷酸-硼酸為儲備液，用0.2 mol·mL1 NaOH 調(diào)節(jié)的儲備液的pH值，測定水凝膠在不同pH緩沖液中的溶脹比。

1.2.2.3 溶脹和退溶脹的可逆性取適量BAL/PMAA水凝膠首先浸泡于pH7.24的緩沖溶液中，每隔一段時間測定其溶脹比的大小，達溶脹平衡后取出，再將其浸泡于pH1.98的緩沖溶液中，每隔一段時間測定其溶脹比至平衡。重復(fù)上述步驟，進行多個循環(huán)測試凝膠的溶脹-退溶脹的可重復(fù)性。

1.2.3 BAL/PMAA水凝膠的表征樣品經(jīng)干燥后，采用KBr壓片法，在 Nicolet iS10 FTIR 儀上測定各樣品的紅外吸收光譜，掃描波數(shù)為400～4000 cm1。采用S4800掃描電鏡對其表面形態(tài)進行分析。

1.2.4 BAL/PMAA水凝膠對牛血清蛋白的吸附和控釋稱取適量的BAL/PMAA水凝膠作為藥物載體浸泡于20 mL濃度為5 mg·mL1的牛血清蛋白模擬腸液（pH7.24的緩沖溶液），當(dāng)BAL/PMAA水凝膠達到溶脹平衡后取出，冷凍干燥備用。采用紫外光度法測定剩余模擬腸液中BSA的濃度，根據(jù)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計算其載藥量（mg·g1），同時進行PMAA水凝膠的對照試驗。

載藥量（mg·g1）=吸附BSA的質(zhì)量（mg）凝膠干重（g）

2結(jié)果與分析

2.1 BAL/PMAA水凝膠制備的正交試驗結(jié)果分析

按1.2.1方法進行BAL/PMAA水凝膠合成的正交試驗（表2）。從表2可以看出，在所選擇的因素、水平下，均可形成 BAL/PMAA水凝膠，在pH7.24緩沖溶液中的溶脹比遠高于pH1.98緩沖溶液。pH為7.24時的極差分析結(jié)果表明，對凝膠溶脹比影響的因素從大到小依次為甲基丙烯酸用量、交聯(lián)劑用量、催化劑用量、反應(yīng)的溫度、木質(zhì)素用量。pH7.24條件下溶脹性能最好的組合為A2B3C1D2E1，即表中的16#試驗，溶脹比為28.16 g·g1。為較全面地考察所制備的水凝膠性能，選擇表2中pH7.24條件下溶脹比最大的五個樣品（4#、10#、16#、19#和22#）進行后續(xù)試驗。同時在相同條件下分別制備不加木質(zhì)素的聚甲基丙烯酸（PMAA，4′#、10′#、16′#、19′#和22′#）水凝膠作為對照。

2.2 pH對BAL/PMAA水凝膠溶脹性能的影響

按1.2.2.2方法考察pH對BAL/PMAA水凝膠及PMAA水凝膠溶脹比的影響（圖1，圖2）。圖1和圖2結(jié)果表明，在所研究的pH范圍內(nèi)，兩種凝膠的溶脹比均隨pH的增大而增大，在一定的pH范圍內(nèi)達穩(wěn)定，然后隨著pH的繼續(xù)增大而略有減小。比較圖1和圖2可知，在PMAA水凝膠中加入木質(zhì)素后，可使其最大響應(yīng)pH由4～5堿移至6～8，接近人體腸部的酸堿度，這使得BAL/PMAA水凝膠作為小腸或結(jié)腸部位給藥載體成為可能。

2.3 BAL/PMAA水凝膠的溶脹和退溶脹可逆性

按照1.2.2.3的方法在相同的條件下測定了BAL/PMAA水凝膠和PMAA水凝膠在pH7.24和pH1.98緩沖液中的溶脹與退溶脹可逆性（圖3，圖4）。圖3顯示，BAL/PMAA水凝膠溶脹與退溶脹重復(fù)過程中，BAL/PMAA水凝膠在pH7.24的緩沖溶液中12 h內(nèi)溶脹比上升迅速，24 h內(nèi)基本能達到溶脹平衡；轉(zhuǎn)移至pH1.98緩沖溶液后，BAL/PMAA水凝膠在1～2 h內(nèi)基本可達退溶脹平衡。其中，4#、10#、16#樣品具有較好的溶脹與退溶脹可逆性能，在本研究中經(jīng)過3次溶脹—退溶脹后，凝膠還能保持較好的性能。而19#、22#樣品在進行第2次溶脹時就出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，不能繼續(xù)進行下一步實驗。這可能是由于19#、22# BAL/PMAA水凝膠中其甲基丙烯酸單體和木質(zhì)素的總量與另3個BAL/PMAA水凝膠相比偏大，當(dāng)BAL/PMAA水凝膠在pH7.24的緩沖溶液浸泡時溶脹比超出其網(wǎng)絡(luò)孔狀結(jié)構(gòu)所能承受的臨界值，物理構(gòu)性變得不穩(wěn)定。

相同條件下，PMAA水凝膠在pH7.24緩沖溶液浸泡24 h后，溶脹比仍有增大的趨勢（圖4）。PMAA水凝膠在24 h的溶脹比與2.2中結(jié)果相比，也說明了在24 h內(nèi)，PMAA水凝膠的溶脹未能達平衡。將其轉(zhuǎn)移至pH1.98緩沖溶液后，溶脹比迅速下降，但需要經(jīng)過8～12 h才能基本達到退溶脹平衡，但其溶脹-退溶脹可逆性能較好，在3次循環(huán)中均能保持原有的性狀。

上述結(jié)果表明，BAL/PMAA水凝膠能夠在更短的時間內(nèi)達到溶脹平衡，對pH值的敏感響應(yīng)性更強，響應(yīng)速率更快。

2.4 BAL/PMAA水凝膠的表征

以正交表中16#試驗對應(yīng)的BAL/PMAA和PMAA為水凝膠樣品代表，進行紅外光譜分析和掃描電鏡分析（圖5，圖6）。圖5結(jié)果表明，BAL/PMAA的紅外光譜中，1 596 cm1和1 508 cm1處的峰是由木質(zhì)素分子中芳香環(huán)骨架振動引起，1 128 cm1處的峰是由紫丁香環(huán)的伸縮振動引起，表明木質(zhì)素已成功引入到PMAA水凝膠中。 圖6結(jié)果表明，加入蔗渣木質(zhì)素后，BAL/PMAA水凝膠與PMAA水凝膠的表面形態(tài)具有明顯的差別，PMAA水凝膠的表面光滑平整，而BAL/PMAA水凝膠則表現(xiàn)出更為清晰的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)增大了水凝膠的比表面積，更有利于在藥物控釋方面的應(yīng)用。

2.5 BAL/PMAA水凝膠對牛血清蛋白的負載和控釋

2.5.1 BAL/PMAA水凝膠對牛血清蛋白的負載按照1.2.4的方法進行BAL/PMAA水凝膠和PMAA水凝膠對牛血清蛋白（BSA）的負載試驗，各凝膠樣品對牛血清蛋白的負載量如圖7所示。圖7顯示，未加木質(zhì)素的PMAA水凝膠對牛血清蛋白的負載量在180～240 mg·g1之間，而加有木質(zhì)素的BAL/PMAA水凝膠對牛血清蛋白的負載量在290～580 mg·g1之間，其中16# BAL/PMAA水凝膠載藥量最大，達577 mg·g1。

2.5.2 BAL/PMAA水凝膠對牛血清蛋白的釋放按1.2.4方法試驗負載牛血清蛋白后的BAL/PMAA、PMAA水凝膠在模擬胃液（simulated gastric fluid，SGF）和模擬腸液（simulated intestinal fluid，SIF）的釋放情況，結(jié)果分別如圖8、圖9所示。比較圖8、圖9可知，在模擬胃液條件下，兩種凝膠中BSA的釋放率較小，均在10%左右，BAL/PMAA略低于PMAA；而在模擬腸液條件下，BAL/PMAA中BSA的釋放率遠高于PMAA中BSA的釋放率，達釋放平衡時間也由PMAA的8 h（圖9：B）提高至12 h（圖8：B），BAL/PMAA顯示了更優(yōu)的控釋性能。在所試驗的BAL/PMAA五個樣品中，16# BAL/PMAA水凝膠經(jīng)24 h，BSA的釋放率可達92%（圖8：B）。

3討論

本研究以蔗渣木質(zhì)素（BAL）和甲基丙烯酸（PMAA）為原料合成pH敏感型水凝膠BAL/PMAA。與不加蔗渣木質(zhì)素的水凝膠相比，加入木質(zhì)素后，凝膠的溶脹比都有不同程度下降，這是由于木質(zhì)素分子中含有大量羥基，可與甲基丙烯酸中的羧基形成酯鍵或氫鍵，使凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更為緊密，而且木質(zhì)素中的苯環(huán)結(jié)構(gòu)也會降低其溶脹性能。而從兩種水凝膠對pH的響應(yīng)情況來看，加入木質(zhì)素后，木質(zhì)素分子中的羥基會與甲基丙烯酸中的羧基發(fā)生反應(yīng)，減少了凝膠中羧基的含量，導(dǎo)致水凝膠的溶脹敏感pH響應(yīng)區(qū)間發(fā)生堿移，在實際應(yīng)用時可以根據(jù)需要調(diào)整木質(zhì)素的加入量來調(diào)節(jié)其敏感pH。

在牛血清蛋白的負載性能方面，BAL/PMAA水凝膠對牛血清蛋白的負載量高于對應(yīng)的PMAA水凝膠的原因可能在于木質(zhì)素分子中既有苯環(huán)、烷基等疏水性基團，又有羥基等親水性基團，從而使水凝膠與牛血清蛋白的作用強于未加木質(zhì)素的凝膠。在牛血清蛋白的釋放性能方面，BAL/PMAA水凝膠在模擬腸液中的釋放率遠遠大于模擬胃液，充分體現(xiàn)出BAL/PMAA水凝膠pH敏感響應(yīng)性，在低pH值時，BAL/PMAA水凝膠的內(nèi)部孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，pH上升至中性或弱堿性時，BAL/PMAA水凝膠的內(nèi)部孔網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)發(fā)生擴張，釋放出吸附的BSA。由BAL/PMAA水凝膠在模擬胃液中的釋放率與PMAA水凝膠相比較，說明BAL/PMAA水凝膠對BSA的裝載不是凝膠表面層次的吸附，大多BSA分子吸附在BAL/PMAA水凝膠內(nèi)部的孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上，其釋放依賴于BAL/PMAA水凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變。綜上所述，由于BAL/PMAA水凝膠對于BSA具有較好的載藥性能和控釋性能，可作為一種口服腸部靶向高分子藥物尤其是蛋白類藥物較好的潛在載體。

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