P（NIPAAm-co-AM）智能水凝膠的制備及其藥物緩釋作用

摘要：采用水相引發氧化還原體系聚合方法制備比表面積大、孔容大與孔道存在交聯互穿結構的溫敏性水凝膠（P（NIPAAm-co-AM），PNA）.利用傅里葉紅外光譜、電子掃描顯微鏡和氮氣吸附—脫附實驗對制備的3種水凝膠進行了分析與結構表征，同時還系統地研究了水凝膠的力學性能和溶脹動力學性能，以及溫度變化對水凝膠溶脹性能的影響，探索出了制備性能優異的智能水凝膠的配比，揭示了單體配比對智能水凝膠結構與性能的影響.此外，選擇多肽谷胱甘肽為包載藥物做了體外藥物包載—釋放實驗，進一步明確了水凝膠結構與藥物的包載和釋放之間的關系，對于實現藥物分子體內的包載與釋放具有重要意義.

關鍵詞：溫度敏感性；交聯；溶脹；智能水凝膠；載藥；緩釋

中圖分類號：TQ460.1;O648.17文獻標志碼：A

0引言

智能水凝膠是一種對外部環境的微小變化與條件性的刺激能做出相應應答的三維交聯網狀聚合物材料［1-4］.這種外界刺激環境主要包括溫度、pH值、光、磁場和電場等，當刺激環境發生變化時，智能水凝膠會做出相應的應答，其交聯結構、機械強度和溶脹性等物理特性發生變化，同時相變也會發生改變［5-7］.因為智能水凝膠具有良好的組織相容性、環境友好性和低免疫原性等性能，經常被用作藥物載體材料、生物融合材料與凝血材料等，因此在生物臨床領域具有重要意義.

目前，含有N-異丙基丙烯酰胺（NIPAAm）結構單元的智能水凝膠是研究最為廣泛的低溫臨界轉變溫度（LCST）水凝膠，這種水凝膠在受到外界溫度刺激時，可做出熱響應性的應答反應［8-10］.在環境溫度低于LCST時，NIPAAm結構單元異丙基側基團處于伸展狀態，使水凝膠材料表面的疏水性增強，親水性降低，結合水分子的能力降低，導致水凝膠處于體積收縮狀態；當環境溫度高于LCST時，NIPAAm結構單元異丙基側基團處于折疊狀態，此時水凝膠結構中親水性增強，疏水性降低，尤其是與水分子結合的氫鍵，靜電作用力增大，使水凝膠體積處于膨脹狀態［11-12］.基于以上這些特性，NIPAAm型水凝膠經常被用作藥物載體.但是，NIPAAm水凝膠的機械強度相對較差，同時親水性能也不夠強，不能滿足給藥的要求，這極大地限制了其在生物醫學領域的應用與推廣［13-14］.在以往的研究中，研究者提出了多種改善力學性能的方法，包括加入其他結構性能相似的單體共聚形成交聯網狀聚合物.

本研究以NIPAAm為溫度敏感性單體，丙烯酰胺（AM）為親水性、強度性聚合單體，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）為交聯劑，制備出一系列溫敏型智能水凝膠，探究溫度變化對水凝膠應變性能的影響，并選擇多肽物質谷胱甘肽（GSH）為包載藥物，詳細考察水凝膠的藥物緩釋行為，可為藥物分子體內的包載與釋放等相關領域的研究提供一定參考.

1材料與方法

1.1儀器

Nicolet IS 10型傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）（美國賽默飛世爾科技公司），Zeiss Merlin Compact型電子掃描顯微鏡（SEM）（德國蔡司公司），ASAP2460全自動比表面積及孔徑分析儀（美國麥克儀器公司），UV-2450型紫外分光光度計（日本島津公司），SHZ-C5型數顯水浴恒溫振蕩器（金壇江南儀器廠），KQ-300DA型超聲波清洗器（昆山舒美超聲儀器有限公司），FD-2A型真空冷凍機（上海高致精密儀器有限公司） .

1.2材料

過硫酸鉀 （KPS，AR）、亞硫酸氫鈉（SBS，AR）、甲基丙烯酸 （MAA，AR）、丙烯酰胺（AM，AR）、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA，AR），均購自國藥集團化學試劑有限公司；N-異丙基丙烯酰胺（NIPAAm，AR），購自合肥精純科技有限公司；5，5-二硫代-2，2-二硝基苯甲酸（DTNB，AR），購自西格瑪化學試劑有限公司；其余試劑均為分析純.

1.3P（NIPAAm-co-AM，PNA）智能水凝膠的制備

利用水溶液自由基聚合方法制備3種不同比例的智能水凝膠，其合成條件和組成配比詳見表1.PNA溫敏型智能水凝膠制備過程如下：將一定配比的單體（AM和NIPAAm）和交聯劑MBA溶解于1 mL去離子水中，攪拌溶解均勻后置于25 mL試管中.準確稱量0.05 g KPS和0.05g SBS溶解于2 mL去離子水中，完全溶解后緩慢加入至上述混合溶液中，混合均勻后，通氬氣10 min去除燒瓶中的氣泡和氧氣.將其密封后置于45 °C恒溫水浴中反應12 h.反應結束后，將玻璃試管打碎取出所制備的水凝膠.將合成的水凝膠使用刀片分割成大小均勻的小片，隨后放置在去離子水中浸泡48 h.在此期間，每隔6 h 更換一次去離子水以便將未反應的聚合單體等小分子物質去除.浸泡洗滌干凈后，置于真空冷凍干燥箱中干燥至恒重，最后所制備的水凝膠樣品分別記為PNA-1、PNA-2和PNA-3.

1.4水凝膠的結構表征

水凝膠樣品經冷凍干燥處理后研磨成粉狀，分別與溴化鉀進行混合后壓片測量，掃描范圍為500～4000 cm-1 ［15-17］.利用SEM觀察水凝膠的表面形貌和微觀結構，首先將冷凍干燥后的樣品研磨成粉狀的小顆粒，過篩網去除粒徑較大的顆粒［18］，然后均勻涂抹在導電膠上，最后對水凝膠涂層進行噴金處理，在5～10 kV范圍內觀測其表面形貌［19-20］.通過比表面積和孔徑分析儀對水凝膠樣品進行氮氣吸附—脫附實驗，在測試樣品之前，首先將水凝膠樣品進行冷凍干燥，然后于真空條件下脫氣6 h，使用Brunauer-Emmett-Teller（BET）方程分析水凝膠樣品的比表面積，并采用Barrett-Joyner-Halenda（BJH）方法計算其孔徑的大小及其分布情況［21-22］.

1.5水凝膠的溶脹性能測試

1.5.1溶脹率的測定

在室溫條件下，將一定質量的干水凝膠m0浸泡在去離子水中，充分吸水溶脹后取出水凝膠，將水凝膠放置在濾紙上，使用濾紙將其表面的多余水分去除，稱其質量為m1，采用公式 （1） 計算水凝膠的溶脹率ER ［22］.實驗過程中每個樣品重復測試3次，取其平均值.

ER=m1－m0m0×100%（1）

1.5.2溶脹動力學的測定

室溫條件下，將一定質量的干水凝膠m0浸泡在去離子水中，間隔一定的時間將水凝膠從水溶液中取出，采用上述方法測定溶脹率，并且每個樣品重復測試3次，取其平均值，最后以ER對時間作圖即可得到水凝膠的溶脹動力學曲線.

1.6水凝膠對GSH的包載性能測試

本研究選擇GSH為包載藥物，由于GSH分子中含有大量羧基和氨基2種基團，與水凝膠中的氨基與羰基之間可形成較強的靜電作用和氫鍵作用，因此在不同GSH濃度條件下，水凝膠對GSH的載藥性能存在較大差異.

具體方法如下：準確稱取多份一定量的干燥水凝膠 （每份約10 mg），置于10 mL離心管中，然后依次加入5 mL濃度為0.1～1.0 mg/mL的 GSH水溶液，于 25°C下振蕩浸泡10 h，離心分離后，采用紫外—可見光吸收光譜（UV-Vis）測定上清液中GSH分子中巰基的含量，從而確定GSH的濃度.GSH中的巰基可與DTNB發生反應生成黃色物質，在波長412 nm處有最大吸收波長，采用UV-Vis測定其濃度［23］.根據公式（2）可計算水凝膠對GSH的載藥量Q.平行測試3次，取其平均值.

Q=（C0-Ce）Vm（2）

式中，Q為載藥量，mg/g；C0、Ce分別為載藥前后GSH的濃度，mg/mL；m為干水凝膠質量，g；V為載藥溶液的體積，mL.

將包封藥物后的水凝膠浸泡在一定體積的去離子水溶液中，水凝膠釋放完全后測試水溶液中藥物的濃度，根據公式（3）計算釋放率SF［24］.平行測試3次，取其平均值.

SF=C1V1（C0-Ce）V2×100%（3）

式中，C1為水凝膠釋放GSH后水溶液中GSH的濃度，mg/mL；V1為釋放溶液的體積，mL；C0、Ce分別為載藥前后GSH的濃度，mg/mL；V2為載藥溶液的體積，mL.

1.7水凝膠力學性能的測定

根據文獻［25］采用水壓裝置對水凝膠的力學性能進行測試.首先利用打孔器將水凝膠切制成圓柱狀的樣品，其截面積為S，高度為L0，并以恒速的流水施加一定的壓力，當樣品被壓縮至一定的高度Li時，稱量所施加流水的重量，即為水凝膠所受的壓力F.壓縮應變ε和應力σ的大小可以反映出水凝膠機械性能的強弱，ε和σ的計算公式分別為，ε=（L0-Li）/L0和σ=F/S，其中，樣品的橫截面積S為1.92 cm2，高度L0為0.73 cm.

2結果與討論

2.1水凝膠的FT-IR分析

不同配比NIPAAm和AM所制備的智能水凝膠的FT-IR圖如圖1所示.

從圖1中可以看出，PNA-1、PNA-2和 PNA-3的FT-IR圖具有相似性，表明不同比例單體制備的水凝膠不會影響其化學結構與組成.在PNA-1的FT-IR光譜圖中，在低于1 000 cm-1吸收峰還觀察到了N-H 的伸縮振動峰，這主要是由于氨基不完全縮合所造成的，同時在3 420～3 000 cm-1 處出現了水分子中O-H的紅外振動峰和未完全縮合的氨基振動峰［26］.3 082 cm-1是NIPAAm和Am聚合單元中酰胺B帶的N-H伸縮振動峰；2 960～2 872 cm-1的范圍內是-CH3的紅外伸縮振動峰，因此出現在2 972 cm-1與2 935 cm-12處的吸收峰表明為-CH3的伸縮振動峰［27］；在1 456 cm-1 處觀察到了C-H的彎曲振動峰；同時在1 388 cm-1和1 369 cm-1位置還看到了-CH3中C-H的彎曲振動峰，這充分證明了NIPAAm單體已經成功聚合至聚合物結構中［28］.2 926～2 853 cm-1的范圍內是-CH2-的紅外伸縮振動峰；另外，從圖中還可以看到在1 651 cm-1和1 544 cm-1 出現了C=O伸縮振動峰，這是酰胺鍵中羰基伸縮振動峰，同時在1 171 cm-1和1 113 cm-12處出現了C-C鍵的伸縮振動峰［29］，這些結果充分說明了NIPAAm、AM和MBA已經成功聚合成了智能水凝膠.

2.2水凝膠的SEM分析

本研究選擇AM和NIPAAm為混合單體，加入少量的MBA為交聯劑，KPS與SBS為水相引發劑在低溫條件下制備得到智能水凝膠，并對水凝膠進行了真空冷凍干燥，除掉水凝膠材料表面及小孔內處于游離狀態的水分，由于這種狀態的水分對于水凝膠的實驗結果會產生較大影響，因此在干燥完全后經研磨、粉碎變成細小的粉狀顆粒以便于進行SEM的測試.用場發射SEM對PNA-1、PNA-2和 PNA-3的微觀結構進行表征分析，其結果如圖2所示.

從PNA-1、PNA-2和 PNA-3的SEM圖可以看出，3個樣品的表面都出現了多孔結構，并且孔道中呈現出了許多交叉互聯的網狀結構，出現這種結構可能與水凝膠采用真空冷凍干燥方法有關，水凝膠表面出現的多孔結構可能是冷凍干燥過程中水凝膠孔道中的水分子直接被冷凍成了固體，在真空狀態中直接升華變成了水蒸氣，導致孔道的孔徑變大，同時在孔道內部形成了交聯互穿結構，因此采用該方法可以制備多孔的結構材料.同時還可以看到水凝膠表面的小孔大小較為均勻，PNA-1和 PNA-3表面孔結構較為相似，并且孔道大小相差也不大，但是PNA-1孔道中交叉互聯網狀結構較少，這可能是由于在制備過程中NIPAAm含量較高造成的；而在PNA-2孔道中交叉互聯網狀結構較多，表明，采用PNA-2比例制備出的水凝膠具有較多的交聯互穿結構，有利于在孔道生成較多的功能基團，這種功能基團可以與藥物分子之間形成較強的氫鍵或靜電相互作用，可以負載更多的藥物分子.從SEM 圖中可以測量出PNA-1和PNA-3的平均孔徑分別為3.52 μm和3.89 μm，而PNA-2的平均孔徑達到了4.16 μm，較大的平均孔徑分布也有利于分子量較大的藥物在通道內進行擴散，同時可以容納更多的水分子和水溶性物質進出水凝膠材料表面.

2.3BET比表面積分析

多孔材料由于具有較高的孔隙率和高比表面積等優點，因此被廣泛應用于多個領域［30］.同樣，多孔智能水凝膠也越來越受到研究者的青睞，水凝膠材料擁有較多的多孔結構被用于藥物緩釋領域，可以極大地降低藥物分子的傳質阻力，提高藥物分子的擴散速率，從而使水凝膠具有較快的傳質速率和高的藥物負載量.為了進一步研究智能水凝膠的表面結構與性質，對PNA-1、PNA-2和PNA-3水凝膠進行了氮氣吸附實驗，測其比表面積和平均孔徑，其結果見表2.

由表2可知，PNA-2的比表面積（89.58 m2/g）明顯高于PNA-1（65.67 m2/g）和PNA-3（72.04 m2/g），同時PNA-2的孔體積（0.954 0 cm3/g）也高于PNA-1（0.752 4 cm3/g）和PNA-3（0.796 8 cm3/g），表明PNA-2具有較高的比表面積和孔體積，能為藥物進行負載提供更大的容積.

另外，PNA-1、PNA-2和PNA-3水凝膠的N2吸附—脫附等溫線如圖3所示.

從圖3可以看出，3種水凝膠均為Ⅳ型等溫線，同時還可以看到在相對壓力較高的區域（P/P0gt;0.9），氮氣的吸附速率迅速上升，并出現了一個滯后環，表明水凝膠材料中的小孔為非致密結構，存在大孔結構，這個結果與SEM圖中所描述的多孔結構性質是一致的.另外，還可以從圖中看出，PNA-1和PNA-3氮氣吸附—脫附等溫線中滯后環比PNA-2的寬一些，說明PNA-2孔結構較為致密一些，從SEM圖中也可以看到PNA-2孔內部存在較多的交聯互穿結構.

水凝膠的力學性能

PAN-1、PAN-2和PAN-3水凝膠的應力—應變曲線如圖4所示.

從圖4可以看出，對于同一種水凝膠，當對水凝膠施加較小的應力時，應力的增大能夠明顯增大應變；隨著應變趨勢不斷增大，要想獲得同樣大小的應變就要施加更多的應變力.從圖中PAN-1、PAN-2和PAN-3 3種水凝膠的應力—應變曲線可以看到，隨著AM含量的不斷增加，水凝膠所能承受的機械強度也越來越高.當應變達到0.6時，PAN-2水凝膠所承受的應力是PNA-1的1.57倍.因此，可以看出合適的NIPAAm與AM配比可賦予PAN-2較強的機械強度性能，加入NIPAAm單體形成的聚合鏈段可增強其拉伸性能，增大AM的含量可形成較多的極性鏈段促使較多的氫鍵生成，增強其物理交聯性能，因此PAN-2表現出較高的機械性能.

2.5水凝膠的溶脹性能分析

溶脹性能是水凝膠的重要物理性能之一，3種水凝膠的溶脹時間對溶脹性能的影響如圖5所示.

從圖5可以看到，水凝膠在溶脹初期，0～10 h內溶脹率出現了快速增長，增長較快主要是因為水凝膠材料表面快速吸水，是一種通過物理結合的方式，因此吸附速率較快；當水凝膠表面吸附飽和以后，水分子開始向水凝膠內部小孔滲透，這種吸附時間較長，需要較長時間才能達到飽和，尤其是水凝膠表面的網狀多孔結構給水分子的滲透形成了一定的阻力，同時在小孔表面大量的親水基團（氨基和羰基）與水分子形成較強的氫鍵，結合了大量的水分子，顯示了一定的保水性能，因此在10～20 h之間出現了緩慢的趨勢；當水凝膠表面與內部小孔達到飽和以后，在時間達到40 h以后水凝膠的溶脹率基本不再發生變化，說明水凝膠對去離子水的吸附達到了吸附飽和.

2.6溫度對水凝膠溶脹率的影響

在制備水凝膠過程中使用了親水性能較強的AM單體，還加入了同時具有親水和疏水性能的NIPAAm聚合單體.NIPAAm分子是一種具有LCST的單體，當外界溫度發生改變時，NIPAAm分子中溫敏基團可能處于舒展或收縮狀態，會直接影響到空腔表面的基團與水分子之間的結合能力，從而影響到水凝膠吸水體積的變化，因此外界溫度的變化將會引起水凝膠體積和溶脹率的變化.溫度對3種水凝膠溶脹率的影響如圖6所示.

從圖6可以看出，水凝膠的溶脹率隨著溫度的升高出現了逐漸升高的趨勢，這主要是因為聚合單體中的AM和 NIPAAm含有的親水基團與水分子之間形成了氫鍵，水凝膠內部的空腔結構表面的疏水基團與親水基團同樣也會形成氫鍵，這2種氫鍵作用力在不同溫度條件下對水凝膠的溶脹率會產生一定的影響，從而影響了整個水凝膠的溶脹率值.當外界環境溫度低于LCST時，NIPAAm結構單元異丙基疏水基團處于伸展狀態，使水凝膠表面疏水性增強，結合水的能力降低，導致整個水凝膠體積處于收縮狀態；當外界溫度高于LCST時，空腔內的異丙基疏水基團處于收縮狀態，此時水凝膠表面的親水能力增強，水凝膠處于膨脹狀態，體積進一步出現了溶脹現象.

2.7水凝膠體外藥物釋放性能

3種水凝膠對GSH的包載量如圖7所示.

由圖7可以看出，隨著 GSH濃度的不斷增大，3種水凝膠對GSH的包載量呈現出增大的趨勢，PNA-1、PNA-2和PNA-3達到飽和的包載量分別為33.58、48.74和38.67 mg/g.在相同濃度下單位質量的PNA-2對GSH的包載量明顯高于PNA-1和PNA-3，表明PNA-2對GSH的作用力比PNA-1和PNA-3強，表明使用PNA-2中的單體比例（NIPAAm和AM）能構筑多孔互聯結構.其中，水凝膠中的AM分子結構單元能提供靜電作用和氫鍵作用，這2種作用力可與GSH分子結構中的氨基和羧基基團之間形成相互作用力；而水凝膠中的NIPAAm結構單元中疏水基團與GSH分子中的疏水鏈形成疏水相互作用力，因此PNA-2對GSH表現出了較高的包載量.另外，從3種水凝膠對GSH藥物的包載量和包載率（見表3）還可以看到，PNA-2同樣表現出較好的釋放性能，這也說明了水凝膠聚合物的交聯結構提供了合適的溶脹性能，在合適的條件下，可成為較為優異的藥物載體，控制藥物釋放速率，使藥物能夠保持高效.

3結論

本研究以NIPAAm和AM為聚合單體，采用水相引發氧化還原體系聚合方法制備了不同單體配比的PNA.利用傅里葉紅外光譜、電子掃描顯微鏡和氮氣吸附對制備的3種水凝膠進行了分析與結構表征，同時還系統地研究了水凝膠的溶脹動力學性能和力學性能，以及溫度變化對水凝膠溶脹性能的影響，揭示了單體NIPAAm和AM使用量在制備水凝膠過程中形成的交聯網狀結構的調控作用.另外，選擇GSH為包載藥物做了體外藥物包載—釋放實驗，進一步明確了水凝膠結構與藥物包載和釋放之間的關系，對于實現藥物分子體內的包載和釋放具有重要意義.

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（責任編輯：伍利華）

Synthesis and Application for Drug Release of

P（NIPAAm-co-AM） Intelligent Hydrogel

SONG Renyuan1，2，YU Xiaofeng1，2，XIE Jiawei1，2，ZHANG" Tong1，2，

YAN Bixing1，2，LIU Muxin1，2，ZHANG Ai3（1.School of Materials and Chemical Engineering，Bengbu University，Bengbu 233030，China;

2.Anhui Provincial Engineering Laboratory of SiliconBased Materials，Bengbu 233030，China;

3.Shandong Institute of Product Quality Inspection，Jinan 250102，China）Abstract：The temperature-sensitive hydrogels （P（NIPAAm-co-AM），PNA） with large specific surface area，large pore volume and cross-linking interpenetrating structure were prepared by using aqueous redox system as initiator.The property and structure of a series of prepared PNA hydrogels were analyzed and characterized by Fourier-Transform Infrared Spectroscopy，Scanning Electron Microscopy and nitrogen adsorption.Meanwhile，the swelling kinetic properties and mechanical properties of PNA hydrogels and the effects of the temperature changes on the swelling properties were investigated in details.The ratio for the preparation of the high-quality hydrogel were explored.The results showed that the influence of monomer ratios on the structure and properties of intelligent hydrogel were revealed.In addition，in vitro drug release were performed by using the polypeptide glutathione as slow-release drug，which further clarified the relationship between hydrogel structure and encapsulation and release of the drug.This research has important scientific significance and wide application prospect for drug encapsulation and release in vivo.

Key words：temperature sensitivity;crosslinking;swelling;intelligent hydrogel;drug-load;sustained release