綜合化學實驗- 溫度/pH 響應凝膠PNIPAM/CMCS 的制備及性能分析

徐彥芹,劉 敏,吳 芳,唐雨榕

（重慶大學化學化工學院,重慶 401331）

引言

環境敏感型凝膠是當外界環境改變自身相體積發生轉變的一種具有周期性三維網狀結構多孔材料[1],表面分布大量的親水基團,可吸收大量的水而不溶于水,具有比表面積大及可修剪、易修飾等結構特性,幾乎可靈活制備成各種形狀,在生物醫藥[2]、材料化學[3]、藥物控制釋放[4]等諸多領域具有廣泛應用前景。由于本科材料類或制藥類專業的本科生實驗項目較少接觸環境敏感型溫度/pH 響應凝膠領域相關基礎知識：高分子材料的構筑和合成；交聯劑自由基原位聚合合成；結構化學知識來分析形成過程；大型儀器表征及相關軟件分析；性能與結構之間的關系。因此,環境敏感型凝膠的設計合成及性能表征是大綜合實驗,可使本科生將所學的多個基礎化學單元知識模塊高度融合、掌握和靈活使用。

將環境敏感型凝膠的合成與性能分析實驗項目引入到材料類或制藥類高年級的本科綜合化學實驗課程中,使學生課堂學習與科研前言及實際應用實現無縫對接,激發學生的學習積極性和創新精神及追求科學高峰的研究熱情,為本科畢業設計、科研訓練項目和未來的科學研究打下夯實基礎。

1 研究意義

凝膠的交聯合成方法主要有物理交聯和化學交聯。物理交聯是通過氫鍵等物理作用形成的可逆凝膠?；瘜W交聯是通過化學鍵交聯的永久性或不可逆凝膠。凝膠根據對外界環境的刺激是否有響應（物理性質）可分為傳統型水凝膠（無響應凝膠）和環境敏感型凝膠（又稱智能凝膠）。環境敏感型凝膠隨著環境刺激如溫度、光、壓力、磁場、電場、機械應力、離子強度、化學試劑和pH 等因素的變化,其在臨界起始點改變分子間的相互作用或改變聚合物鏈和溶劑之間以及聚合物鏈之間的相互作用。

本實驗中,選用應用最為廣泛和易實現的溫度和pH 環境[5],將N,N- 亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）和蒙脫土納基（Na-MMT）兩種交聯劑通過自由基原位聚合合成具有溫度響應的凝膠PNIPAM,再引入具有pH 響應的羧甲基殼聚糖（CMCS）,制備出新型溫度/pH 雙響應型凝膠PNIPAM/CMCS,采用FT-IRDSC 分析手段對樣品表征,通過現代測試研究方法對性能研究。通過本實驗的開展,掌握環境敏感型凝膠的制備方法,鞏固綜合復習化學實驗基本操作、儀器分析、結構化學等多門化學課程內容；掌握環境敏感型凝膠的表征手段及相關軟件的使用,熟悉儀器設備的使用操作,為本科畢業設計、科研訓練項目和未來的科學研究打下夯實基礎。

2 PNIPAM/CMCS 的合成

2.1 儀器與試劑

儀器：通風櫥、真空干燥箱,鼓風干燥箱,磁力攪拌器、攪拌子、氮氣瓶、紫外- 可見分光光度計、紅外光譜儀、熱重分析儀、掃描電子顯微鏡等。

試劑：過硫酸鉀（KPS）,羧甲基殼聚糖（CMCS）,N,N- 亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）,N,N,N,N- 四甲基乙二胺（TEMED）,蒙脫土鈉基（Na-MMT）,水楊酸（SA）,異丙基丙烯酰胺（NIPAM）,去離子水。

2.2 實驗過程

（1） PNIPAM和PNIPAM/CMCS 的制備。0 ℃冰水環境下,將1.0 g NIPAM、0.8 g Na-MMT 和12.5 mg BIS 加入10 mL 蒸餾水中,磁力攪拌1 h。充入N220 min 后,將促進劑TEMED 和引發劑KPS 加入上述溶液并攪拌,靜置24 h 形成凝膠,蒸餾水洗滌3次,冷凍干燥,制得PNIPAM。0 ℃冰水環境下,將1.0 g NIPAM、0.2 g CMCS、0.8 g Na-MMT 和12.5 mg BIS 溶于10 mL 蒸餾水中,磁力攪拌1 h,后續步驟與PNIPAM的制備相同。

（2） 載藥量的測定。采用紫外- 可見分光光度計對凝膠的載藥量測定。配置水楊酸（SA）0.2～1.0 mg·ml-1系列標準溶液,掃描范圍為200 nm～400 nm,300 nm 處的最大吸收峰定量,標準曲線方程為A=0.0317C+0.063,A 為吸光度,C 為SA 的濃度。采用吸附法制備載藥凝膠。冷凍干燥后的PNIPAM/CMCS置于10 mL 濃度為2 mg/mL 的SA 溶液,48 h 后取出于室溫下干燥24 h,制得載藥凝膠。取上清液測定藥物殘留量,通過紫外差減法計算載藥量。

（3） 載藥凝膠的溫度/pH 響應測定。將載藥凝膠分散于25 ℃和37 ℃的pH=7.4 的模擬腸液中,每隔一定時間取樣,同時補充原模擬腸液,300 nm 處測定A,確定釋藥量,測定不同溫度時的釋藥行為。將載藥凝膠置于不同pH 的緩沖溶液中,放置在恒溫振蕩儀（37 ℃,50 rpm）釋藥,定時取一定量的釋放液樣測定并添加等量模擬液,測定不同pH 下的釋藥行為。

2.3 結果表征及性能分析

（1）紅外光譜分析。FT-IR（美國Nicolet 公司,MagnaIR550II 傅立葉變換紅外光譜儀）采用KBr 壓片法,波長范圍400～4 000 cm-1,分辨率為4 cm-1,掃數為32 次,見圖1。

圖1PNIPAM 和PNIPAM/CMCS 的紅外光譜圖對比可知,PNIPAM/CMCS 除了具有PNIPAM 的峰信號外,在1670 cm-1處出現異丙基丙烯酰胺中的酰胺伸縮振動峰,1071 cm-1處出現Si-O-Si 伸縮振動峰；由于無機粘土對凝膠的影響,2971 cm-1出現較弱新吸收峰,3191 cm-1處的-NH 伸縮振動峰向高波數發生移動。-COO-的伸縮振動峰均向低波數移動。而PNIPAM 在1368cm-1有明顯峰信號,3095cm-1峰信號是由于-NH 和-OH 的伸縮振動重疊導致。

圖1 PNIPAM 和PNIPAM/CMCS 的FT-IR 譜圖

（2） 差示掃描量熱分析。DSC（日本島津,DTG60H 型差示掃描量熱儀）測試升溫范圍為25～50℃,升溫速度為1 ℃·min-1。見圖2。由圖2 對比PNIPAM和PNIPAM/CMCS 的差熱掃描曲線,約33 ℃凝膠相體積轉變。低于臨界溫度時,由于聚合物鏈中氨基與水分子之間存在較強的氫鍵作用,凝膠呈現親水性,表現溶脹狀態；高于臨界溫度時,氫鍵作用減弱,疏水基占主導位置,聚合物收縮交聯。宏觀表現出高于臨界溫度時,凝膠體積收縮,發生不連續相變,同時伴有吸熱現象,與傳統PNIPAM 凝膠的臨界溫度33 ℃相似。

圖2 PNIPAM 和PNIPAM/CMCS 的DSC 曲線

（3） 載藥PNIPAM/CMCS 溫度/pH 響應性能分析。通過紫外差量法計算出PNIPAM/CMCS 的載藥率為47.2%,釋藥結果見圖3。圖a 為PNIAAM/CMCS 載藥凝膠于37 ℃和25 ℃時在模擬腸液中的釋藥曲線,37 ℃,30 h 時釋藥率高達81%,25 ℃,30 h 時釋藥率僅為33%,由于水凝膠的臨界溫度約33 ℃,高于臨界溫度,水凝膠呈現收縮的狀態,利于藥物擴散,釋藥速率加快,釋藥率較高,此過程與人體溫度時達到某值藥物突釋效果類似。說明了載藥PNIPAM/CMCS 凝膠具有良好的溫度響應,隨溫度改變可控制開/關。圖b 為PNIAAM/CMCS 載藥凝膠模擬人體溫度37 ℃,不同pH 條件下的釋藥曲線。SA 在模擬胃液pH=1.08和模擬腸液pH=7.40 釋放10 h,釋藥量約為60%。pH=5.84,釋藥量達44%。pH=1～3,溶脹度隨著pH 值的增大而減小,釋藥率隨pH 增大減??；3＜pH＜8,溶脹度隨pH 增大而增大,凝膠溶脹后網絡結構較為疏松,降低了藥物擴散的阻力,釋藥速率加快,釋藥率也增加；pH＞8,溶脹度又呈減小趨勢,pH=8.5 時小于在模擬腸液中的釋藥率,藥物在模擬胃液和模擬腸液環境中均具有較高的釋藥率,PNIAAM/CMCS 載藥凝膠具有較好的 pH 響應釋藥性能。 綜上分析,PNIAAM/CMCS 載藥凝膠具有良好的溫度/pH 響應性能。

圖3 PNIPAM/CMCS 釋藥曲線（a: pH=7.4,溫度不同；b: t=37℃,pH 不同）

3 實驗實施過程質量控制

此綜合化學實驗包括了環境敏感型凝膠生物材料的合成、表征和性能測試等內容,合成實驗包括基礎化學實驗操作；表征分析包括FT-IR、DSC、SEM及紫外可見分光光度法等儀器分析內容,同時學習了性能測試方法和譜圖解析及MDI Jade、Origin 等軟件的使用。實驗內容系統完整覆蓋知識面廣,而又高度融合,難易程度相對基礎實驗具有一定的挑戰性,適合材料類或制藥類專業大三大四高年級本科生學習,實施細節如下。

（1） 課前：老師上課前需認真準備,完成實驗項目教案編寫,并預做實驗,有效把握實驗過程能可能遇到的問題。學生需查閱項目相關資料,預習實驗原理、目的和方案,鼓勵自行設計實驗方案。了解使用的大型儀器設備及圖譜分析方法。

實驗前學生必須認真預習實驗講義,寫出預習報告,內容包括實驗目的要求,實驗原理,查出實驗涉及的常數,畫出實驗流程圖等,設計實驗則應寫出實驗設計方案。實驗預習報告經教師檢查后,方能參加實驗。同時教師還可以采取課堂提問的方式,檢查學生實驗預習情況。

（2） 實驗過程：老師需要求學生具有嚴格的科學態度、良好的實驗操作技能,在實驗過程中學生遇到的問題能夠及時反饋,出現問題及時解決。學生需認真實驗,規范操作,及時準確記錄原始數據及觀察到的實驗現象。

（3） 課后：老師可通過網課在線問答、微信、QQ 等多種師生互動方式及時了解學生數據處理和結果分析中出現的困難和問題,并給予解答。學生需按照規范要求進行數據處理分析,鼓勵自行查閱資料分析實驗數據和現象,并能夠進行正確規范處理數據和書寫實驗報告,有困難可與老師交流討論。

4 結論

此實驗項目綜合了高分子化學、結構化學、材料化學、藥物化學和儀器分析等相關知識內容,相對基礎化學實驗具有一定的難度和高度的綜合性,適用于高年級材料類或者制藥類本科生。通過本實驗項目的實施,學生能夠鞏固復習基礎化學實驗知識同時,又可將基礎化學實驗知識串聯融合,培養學生的獨立思考創新能力、科研素養和熱愛科學的情感,拓展學生的課堂視野。本實驗項目為大學期間的科研訓練項目的實施、大四本科畢業設計及未來研究生科研之路打下夯實基礎。