毕业论文胶原多肽聚丙烯酸物理水凝胶的合成及表征.doc

胶原多肽/聚丙烯酸物理水凝胶的合成与表征 目 录摘 要.1第一章 绪论311水凝胶的基本性质31.1.1胶原多肽水凝胶概述41.1.2聚丙烯酸水凝胶概述41.2水凝胶的分类41.2.1智能水凝胶41.2.2磁性水凝胶61.2.3聚合物水凝胶71.3水凝胶的应用71.3.1水凝胶在农林业的应用81.3.2水凝胶在工业上的应用81.3.3水凝胶在组织工程中的应用81.4水凝胶的研究和发展趋势91.5展望9第二章 胶原多肽/聚丙烯酸水凝胶的合成和表征102.1水凝胶的合成与表征102.1.1单体聚合并交联102.1.2聚合物交联102.1.3载体的接枝共聚112.2水凝胶的性质研究112.2.1溶胀-收缩行为(凝胶状态方程)112.2.2力学性能112.3水凝胶性质的影响因素122.3.1共聚单体的组成122.3.2交联密度的影响122.3.3合成条件的影响132.4胶原多肽水凝胶的合成132.4.1实验材料132.4.2合成方法132.5聚丙烯酸水凝胶的合成142.5.1试剂142.5.2聚丙烯酸水凝胶的合成原理142.5.3聚丙烯酸水凝胶的合成142.6聚丙烯酸水凝胶的表征142.6.1含水率的测定142.6.2吸水速率152.6.3在不同电解质中的吸液倍率152.6.4吸水速率152.6.5保水能力152.6.6对盐溶液的应答性162.6.7接枝率162.6.8性能测试162.7胶原多肽水凝胶的表征162.7.1表征测试方法162.7.2实验结果与讨论172.7.3小结21参考文献.21致 谢.23摘 要本文对胶原多肽聚丙烯酸水凝胶的合成与表征进行了综述，水凝胶的吸盐倍率、吸水速率、保水能力等各项性能均较好。凝胶吸液性能是衡量其性能的最主要指标，为了提高吸液倍率，进行了各种不同条件的研究，通过吸水原理与各种合成方法的简介，对其中一种方法进行侧重说明。并且还对水凝胶进行了表征，如在不同温度下的保水性、吸水速率、不同pH下的吸液比较、吸水凝胶对盐水的应答性等，结果表明具有较好的保水性，接枝率较高，吸水速率较快。为了检验所得产物，本文通过傅立叶红外光谱仪分析了其结构。IR分析表明，为一种均一性聚合物，并非简单的加和。水凝胶具有一定的生物降解性，属于环境友好材料。关键词： 胶原多肽 聚丙烯酸 合成与表征 保水性ABSTRACTIn this paper, the collagen peptide/polyacrylic acid water of the synthesis and characterization of gel was summarized, the absorption rate of salt water gel, bibulous rate, ability to hold moisture and so on each performance were well. Gel to absorb fluid performance is measured the properties of the most main index, in order to improve the rate of absorb fluid, the various different conditions of the research, through the water absorption principle and the method of synthesis of introduction, to one of the methods that are focusing on. And also to gel to characterize, such as different temperature, bibulous rate, the water under different salt absorb fluid comparison, bibulous gel of brine response sex, the result indicates that it has better the ability in swimming, grafting rate is higher, bibulous rate faster. In order to test the products, this article through the Fourier infrared spectrometer, analyzes its structure. IR analysis shows that, for a uniformity polymer, not simple addition and. Water gel has certain biodegradation, belongs to the environment friendly materials.Keywords: collagen peptide/polyacrylic acid water gel; Synthesis and characterized; The water第一章 绪论11水凝胶的基本性质水凝胶（Hydrogel）是以水为分散介质的凝胶。具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。 图1-1水凝胶网络示意图水凝胶有各种分类方法,根据水凝胶网络键合的不同,可分为物理凝胶和化学凝胶。物理凝胶是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的,这种凝胶是非永久性的,通过加热凝胶可转变为溶液,所以也被称为假凝胶或热可逆凝胶。许多天然高分子在常温下呈稳定的凝胶态,如k2型角叉菜胶、琼脂1等在合成聚合物中,聚乙烯醇(PVA)是一典型的例子,经过冰冻-融化处理,可得到在60以下稳定的水凝胶2。化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合物,是永久性的,又称为真凝胶。据水凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝胶两大类。传统的水凝胶对环境的变化如温度或pH等的变化不敏感，而环境敏感的水凝胶是指自身能感知外界环境(如激光、pH、光、电、压力等)微小的变化或刺激，并能产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变的一类高分子凝胶。此类凝胶的突出特点是在对环境的响应过程中其溶胀行为有显著的变化，利用这种刺激响应特性可将其用做传感器、控释开关等，这是1985年以来研究者最感兴趣的课题之一。根据水凝胶大小形状的不同,有宏观凝胶与微观凝胶(微球)之分,根据形状的不同宏观凝胶又可分为柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等,目前合成的微球有微米级及纳米级之分。根据合成材料的不同,水凝胶又分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。天然的亲水性高分子包括多糖类（淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等）和多肽类（胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等）。合成的亲水高分子包括聚乙烯、醇、丙烯酸及其衍生物类（聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等）。天然高分子由于具有更好的生物相容性、对环境的敏感性以及丰富的来源、低廉的价格,因而正在引起越来越多学者的重视。但是天然高分子材料稳定性较差,易降解,近几年不少学者开始了天然高分子与合成高分子共混合成水凝胶的研究工作,这将是今后的一大重要课题。1.1.1胶原多肽水凝胶概述胶原多肽亦称水解明胶，是胶原或明胶经蛋白酶等降解处理后的多肽混合物，其分子量在500-20000Da之间，蛋白含量达90%以上,水溶性强,粘度低，氨基酸组成与明胶基本相同，人体消化吸收率为100% 。研究表明，胶原多肽具有提高骨骼强度、抗高血压、保护胃粘膜、抗衰老和美容护肤等生理功能，可广泛应用于功能食品、医药、化妆品等领域。目前，胶原多肽的合成方法主要有酸法、碱法、高温热解法和酶法。碱水解使蛋白中含羟基和巯基的氨基酸全被破坏，使氨基酸大多消旋，没有生物价值；酸水解法对设备腐蚀严重，同时高温下使色氨酸彻底破坏；高温热解法的产品含盐量低，但耗时长，产品分子量分布不均且不易控制，不适合生产高品质的胶原多肽。与前三种方法相比，酶法水解反应温和，氨基酸破坏小，安全可靠，易控制，无污染。本文以明胶为原料，采用正交实验方法确定胶原多肽合成的最佳工艺条件，并对胶原多肽结构进行表征，为明胶进一步开发利用提供理论依据。1.1.2聚丙烯酸水凝胶概述聚丙烯酸水凝胶为含有大量不能自由移动羧基的立体网状大分子。 当溶液的PH值不同时, 这些羧基的离解浓度不同, 使网络间静电排斥作用不同; 胶内外的离子浓度差不同, 从而因浓差引起的渗透压不同。 由于上述两种原因, 使聚丙烯酸水凝胶在不同pH值溶液中, 呈现不同程度的收缩或溶胀状态。1.2水凝胶的分类1.2.1智能水凝胶 智能型水凝胶是一种可以进行传感、处理并且具有执行功能的高分子材料，作为一种新型的智能材料，在诸多领域有着重要的用途。根据对外界环境条件的刺激表现出不同的响应情况可以分为：温度敏感性的水凝胶高分子材料、对于pH 敏感性的水凝胶高分子材料、对光敏感的水凝胶高分子材料、 对压力敏感的水凝胶高分子材料、对于生物分子敏感的水凝胶高分子材料、对于电场敏感的水凝胶高分子材料等。 1.2.1.1温度敏感性水凝胶 这一类水凝胶高分子材料的溶胀与收缩性，对于温度的 变化具有非常高的敏感度，具体表现为在较低温度下溶胀度较高，在相对较高温度下溶胀度比较低。该凝胶具有最低临界共溶温度(LCST)，即溶胀度的变化和温度的变化并不是线性的，在某一温度下水凝胶的体积表现为突然的收缩和膨胀。聚(N，N-二甲基丙烯酰胺-共-丙烯酰胺-共-甲基丙烯酸丁酯)与聚丙烯酸的互穿网络凝胶，具有高温下溶胀，低温下收缩的特点。采用不同粒径的硅胶颗粒从而合成的多孔PNIPA水凝胶高分子材料，并且测定了不同的温度下达到溶胀平衡时，水凝胶高分子材料的去溶胀的具体作用机理，以及收缩凝胶的再溶胀作用。实验结果显示出，和无孔凝胶相比，多孔凝胶高分子材料的溶胀性能有了很大的提高，这主要是因为孔结构的存在使得水凝胶高分子材料的响应速率，尤其是溶胀性能速率有了大幅度的提高等 在合成水凝胶过程中，采用BIS作为交联剂，通过两步聚合反应法得到了和传统水凝胶材料相比有更好的溶胀和去溶胀作用的对于温度敏感的冷冻凝胶P(NIPAAA)。许多科研工作的结果都表明，如果水凝胶的溶胀比随温度的升高而增加，随着温度的降低而降低，则水凝胶表现为热胀性。这种特性对于水凝胶高分子材料在各方面的应用，特别是在药物的可控性释放方面的应用具有非常重要意义。 1.2.1.2pH敏感性水凝胶 水凝胶高分子材料对于pH的敏感性是指其溶胀或消溶胀作用是随着pH值的不同而进行变化。水凝胶高分子材料对于pH的敏感性最早是由Tanaka等在测定丙烯酰胺进行陈化后的溶胀率时首先发现的。pH响应水凝胶高分子材料一般是含有-CO0-、-OPO、-NH、-SO 等阴阳离子基团。pH敏感性水凝胶中含酸、碱性基团，溶胀、收缩、渗透压随pH、离子强度变化，可实现靶向释药。对于pH具有敏感性的甲基丙烯酸共聚物的水凝胶高分子材料进行了研究合成，并且对氢溴酸右美沙芬和维生素在水凝胶中的扩散行为进行了大量研究，结果表明，该水凝胶高分子材料可以控制药物在相对较低的pH值下的介质中基本不会进行释放，而在中性或者是碱性的介质中，药物可以以较快的速率进行释放。Shi等一一采用辐照的方法合成了一类不同的壳聚糖丙烯酸共聚水凝胶高分子材料，该水凝胶在较低的pH值和较高的pH值下都具备良好的溶胀性能，而在pH值不高不低时溶胀性比较低。对pH敏感的聚-乙烯吡啶(PVP)微凝胶粒子，当pH值低于4.5时，吡啶基团质子化，微凝胶网络呈正电性，引起微凝胶网络的扩张，适合于作控制药物的控释载体。 1.2.1.3光敏感性水凝胶 水凝胶高分子材料的光敏感性是指水凝胶在受到光照的刺激下而发生的一种体积相互转变的现象。光敏材料的响应性机理主要有3种：(1)是对于热敏感的材料中的含有特殊感光的分子，能够将光能转化为热能，从而使材料内局部温度发生改变，当凝胶内部的温度达到热敏性材料的相转变温度时，凝胶产生光敏感；(2)是利用光敏感的分子遇到光照分解产生的离子化从而实现光敏感；(3)是在水凝胶高分子材料中加入了发色基团，在光照下，这些发色团的物理化学性质发生了变化，从而导致具有发色团的聚合物链的空间或者几何构型发生变化，从而导致聚合物的性能也发生了变化。Suzuki3和Tanak4等 在PNIPAAm水凝胶高分子材料中引入叶绿素的分子结构，光照时叶绿素吸收光使水凝胶的微环境温度进行升高，凝胶从而收缩。反之，凝胶发生溶胀。 1.2.1.4压力敏感性凝胶 水凝胶高分子材料的压力敏感性能最早是由Marchetti5通过理论性计算得出来的，计算结果表明，凝胶在低压下出现塌陷，在高压下出现膨胀。钟兴等研究了压力对聚N-正丙基丙烯酞胺(PNIPA)、聚N，N-二乙基丙烯酞胺(PNDEA)及PNIPAAm这3种温敏性凝胶高分子材料溶胀性的影响，实验结果显示，这3种凝胶的压敏性是其相转变温度随压力改变的结果，对于压力有不同的响应。他们认为3种凝胶能表现出明显的对于压力的敏感性，这主要是因为它们还具有温敏性；同时还由于其相转变温度随压力而有所升高，于是，当温度不发生改变时，如果常压下处于收缩状态下的凝胶是因为压力的增加而使凝胶材料所处温度低于相转变的温度的话，凝胶将会发生大幅度的溶胀。 1.2.2磁性水凝胶 磁性聚合物微球是指通过一定的合成方法使得有机的高分子化合物与无机磁性粒子结合从而形成具有一定的磁性以及特殊结构的复合微球。结构通常有3类：(1)核壳式，即内核为磁性材料，壳为聚合物材料的结构；(2)反核壳式，即内核为聚合物高分子材料，外壳是磁性材料构成的；(3)三明治式，即内层以及外层都为聚合物高分子材料构成，中间的夹层为磁性材料的结构。合成了表面含有活性基团的聚苯乙烯的磁性微球结构化合物，并用于固定葡萄糖淀粉酶，从而得到了固定化酶的最佳条件，而且葡萄糖淀粉酶的固定化率达到了7O ，并且固定化后酶活性与未固化效果接近。磁性微球作为给药载体具有很好的特点 ：(1)载有药物的微球被吸附到靶区的附近，使靶区很快达到所需的药物浓度，而使未患病区域的药物布量相应地减少，可以实现有效增加供给药物，降低总的给药剂量；(2)药物绝大部分作用在局部，相对地减少了药物对人体正常组织的损害，特别是降低了对肝、脾、肾等器官等的造血和排泄系统的损害；(3)由于使药物集中于病患区，能够加速产生药效，提高疗效。合成对热敏感的磁性Fes04P-(St-NIPAM)微球凝胶化合物，将其用于人的血清白蛋白(HAS)的吸附解吸的研究，结果表明，该微球具有简便，非常快捷进行分离的磁特性。磁性聚合物微球因为表面不同的表面功能基团，可以具备不同功能，例如在固定化酶、细胞分离与标记、免疫测定、靶向药物释放、环境食品微生物检测、新型涂料或颜料及有机和生化合成等诸多方面有着重要的作用。 1.2.3聚合物水凝胶 有学者称，聚合物凝胶高分子化合物在外界环境条件，例如温度，PH值等，在这些条件改变时其体积会发生变化，这主要认为是聚合物分子内的离子作用、疏水作用、范德华力、氢键等分子结构作用所至。水凝胶高分子化合物的合成合成方法非常多，根据所用的引发剂不同可以分为化学法以及辐射法。而化学法又分为乳液法、反相乳液法等。辐射法可以分为紫外光和T射线辐射法等。另外，通过辐射提供能量引发单体接枝的方法，也是目前合成聚电解质性的水凝胶高分子化合物的一个主要的方法。JenniferE6也用紫外光辐照进行自由基聚合方法合成了聚乙烯基乙二醇甲基丙烯酸的水凝胶高分子化合物。Kimikou7通过界面聚合的方法合成的聚L-赖氨酸异丙基丙烯酰胺和对苯二甲酸的对温度敏感的凝胶微胶囊。Chapiro8等报道了在辐射的作用下，进行合成孔径相对比大的凝胶高分子化合物。另外在合成凝胶高分子化合物时通过在溶液中添加不同的添加剂从而调节聚合物链之间，以及聚合物链与水分子之间的不同作用力来调节凝胶的孔径大小。Filipcsei9等报道了聚二甲基硅氧烷中引入二氧化钛的凝胶高分子化合物，在电场中进行检测时发生弯曲的现象，分析其机理主要是因为电场作用在凝胶内粒子的力转移到凝胶高分子化合物的大分子链上所导致的。 1.3水凝胶的应用水凝胶在医药领域的应用水凝胶类高分子化合物类似于生命组织的结构，所以它在人体内可以做到不影响生命体的代谢过程，同时体内的代谢物质可以通过水凝胶达到排除体外的目标，因而水凝胶可以作为体内某些组织填充剂。水凝胶还可以用于制造角膜接触镜、医疗传感器、人造皮肤等。高分子水凝胶材料在吸水方面有着较好的作用，并且在吸尿、吸血方面也有较好的应用，所以在卫生材料领域内的应用是开发最早，也是最为成熟的。因此纸尿布、排尿袋、生理巾方面有着大量应用等。聚合物水凝胶。目前在某些药物的应用，制造成微胶囊作为药物的载体，可以定向的把药物送至患病处可控的缓释，从而提高药物使用效率。在生物科学领域方面，不同孔径的聚丙烯酰胺凝胶高分子化合物一直被用作某些不同分子量的蛋白质和氨基酸分离的工具。 1.3.1水凝胶在农林业的应用 水凝胶在农业上称为保水剂。水凝胶可以锁住土壤中的水分，保持土壤的肥力。国内外大量实验证明，水凝胶可以提高土壤水分4O 左右。水凝胶在一定程度上可以减少可溶性养分的淋溶损失，与化肥、农药混用可起到增效缓释的作用。目前，专家研究表明，水凝胶可以改善土壤结构，具有降低土壤容重、增加孔隙度、提高土壤团聚体的作用。我国黄土高原造林实验研究所用LSA-2保水剂处理苹果树苗代替传统的泥浆包法，不仅减轻了劳动强度和运输重量，而且树苗成活率也得到提高 。 1.3.2水凝胶在工业上的应用 将水凝胶添加到涂料中，可以赋予涂料假塑性和触变性，使其具有很高的粘度和屈服应力，可以防止涂层的流挂现象。在造纸废液、制革废液、食品加工废液中，水凝胶可以作为一种絮凝剂，对这些废液进行污水处理。水凝胶还可以用为电缆包裹材料、钻井润滑剂、食品、水果、蔬菜等的保鲜型包装材料以及电子工业中使用的湿度传感器、水分测量传感器以及漏水检测器等精细化工产品与仪器等高精密仪器合成过程中。 1.3.3水凝胶在组织工程中的应用生物体内许多组织具有水凝胶高分子化合物的结构，生物体的组织由细胞和以及细胞外基质组成，而细胞外基质成分是蛋白质，糖分以及水组成的类似水凝胶的物质。目前被人们广泛关注的生物高分子凝胶主要是多肽凝胶。天冬氨酸在射线的辐照下进行交联得到凝胶，检测吸水率可以高达3400倍。诸多科研人员对于利用微生物进行合成的多肽创制凝胶也进行了很多有益的探索工作，这些多肽在生物降解性方面具有很好的性能。 组织工程学是将供体细胞在体外培养、扩增后，种植到可降解的三维空间结构的支架材料上生长，再将此细胞和材料的复合物植入体内或缺损部位，植入的细胞继续增殖并分泌细胞外基质，随着支架材料的降解，新的与所修复组织或器官有着相同形态和功能的组织或器官形成，从而达到修复缺损和重建功能的目的。组织工程学孕育着巨大的科学价值和广阔的研究应用前景，是21世纪生命科学研究领域的焦点之一。用细胞吸附多肽RGDS对PVA水凝胶进行功能化修饰，发现有助于增强细胞的吸附和分散。而且可以通过注射的方式得到预期的材料，避免了外科手术植入。用细胞吸附多肽RGDS对PVA水凝胶进行功能化修饰，发现有助于增强细胞的吸附和分散。而且可以通过注射的方式得到预期的材料，避免了外科手术植入。Mann10等合成了多肽改性以及用作改善细胞特异性吸附的RGD改性的PEG水凝胶，用作组织工程细胞支架模拟胞外基质，实验发现平滑肌细胞在多肽改性的水凝胶酶解过程中以及在RGD改性的水凝胶中仍然保持细胞活性，并发生迁移、增殖而且分泌胞外基质。池光范等采用胶原-纤维蛋白混合凝胶用作关节软骨细胞支架，在体外生理环境下培养3周后，软骨细胞分泌型胶原，并形成有弹性和一定强度的组织工程人工软骨.1.4水凝胶的研究和发展趋势水凝胶材料所具有的优异性能已经而且仍然在不断引起人们的广泛兴趣，使其研究与开发、生产与销售不断的发展与提高。研制和开发性能更为优良的高分子水凝胶高分子材料已经成为目前一个重要的研究热点。对于环境敏感的高分子水凝胶材料在诸多方面有着重要的作用，例如细胞分离、固定化酶、缓控药物及靶向药物等领域的应用研究日益活跃，并且显示出非常好的应用和市场前景。环境敏感性高分子水凝胶材料的重要之处是在于其用于酶等具有生物活性分子进行固定化后，可通过控制条件而实现均相进行反应和异相分离的有效统一，而在药物控制释放领域的研究时则又可以跟不同的场合环境条件进行变化，这将使其在生物活性分子及生物医用高分子方面的研究中具有非常重要的意义。水凝胶力学性能的提高，增加聚合物分子之间的交联是一种提高水凝胶力学性能的重要的方法，主要有化学交联法和物理交联法，但一般的交联会使水凝胶高分子化合物的溶胀性能变的很差，这对水凝胶在实际应用中是非常不利。有研究表明，添加层状硅酸盐到N，N-二乙基丙烯酰胺水凝胶高分子材料中，可以提高水凝胶的溶胀性能。1.5展望从近年水凝胶的发展趋势来看，理论性的研究相对比较多，研究人员对其应用前景非常感兴趣，尤其是在生物医药方面的应用。近来研究较热的智能水凝胶的几种敏感性行为更是具有一系列传统材料所没有的突出性能(例如传统材料机械性能比较差，响应速度慢等)，预期将会在分子器件、生物医学等方面将会有更新的突破应用。目前，围绕水凝胶的力学性能的改善、新的种类的研发还需大量艰苦的工作去做。第二章 胶原多肽/聚丙烯酸水凝胶的合成和表征2.1水凝胶的合成与表征2.1.1单体聚合并交联合成水凝胶的单体很多,大致分为中性、酸性、碱性3种,表1列出了部分单体及交联剂表2-1水凝胶合成中常用的单体和交联剂中性单体酸性或阴离子型碱性或阳离子型交联剂甲基丙酸羟烷基酯丙烯酸衍生物甲基丙烯酸胺乙酯衍生物二甲基丙烯酸乙二醇酯及衍生物丙烯酰胺衍生物巴豆酸乙烯基吡啶N，N-亚甲基双丙烯酰胺2，4-戊二烯醇-1苯乙烯磺酸钠-N-乙烯基吡咯烷酮-丙烯酸酯衍生物-水凝胶可以由一种或多种单体采用电离辐射、紫外照射或化学引发聚合并交联而得。一般来说,在形成水凝胶过程中需要加入少量的交联剂。Nogao ka11等在不使用交联剂的情况下通过辐射引发使单体在水溶液中交联合成聚N-异丙基丙烯酰胺(polyNI-PAAm)水凝胶,这种方法操作简单,交联度可通过改变单体浓度及辐射条件来控制,无任何添加成分,不会污染产品,可以一步完成产品的合成及消毒。与传统方法相比,合成的凝胶更均匀,更有利于其性质的研究及生产更方便。此外,为了特定的应用,可以使用不同种类的单体以使水凝胶具有特殊的物理和化学性质。2.1.2聚合物交联从聚合物出发合成水凝胶有物理交联和化学交联两种。物理交联通过物理作用力如静电作用、离子相互作用、氢键、链的缠绕等形成。化学交联是在聚合物水溶液中添加交联剂,如在PVA水溶液中加入戊二醛可发生醇醛缩合反应从而使PVA交联成网络聚合物水凝胶。从聚合物出发合成水凝胶的最好方法是辐射交联法,所谓辐射交联是指辐照聚合物使主链线性分子之间通过化学键相连接。许多水溶性聚合物可通过辐射法合成水凝胶12,如PVA、polyNI-PAAm、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸(PAAc)、聚丙烯酰胺(PAAm)、聚氧乙烯(PEO)、聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)等。采用辐射法合成水凝胶无须添加引发剂,产物更纯净。2.1.3载体的接枝共聚水凝胶的机械强度一般较差, 为了改善水凝胶的机械强度, 可以把水凝胶接枝到具有一定强度的载体上。在载体表面产生自由基是最为有效的合成接枝水凝胶的技术,单体可以共价地连接到载体上。通常在载体表面产生自由基的方法有电离辐射、紫外线照射、等离子体激化原子或化学催化游离基13等,其中电离辐射技术是最常采用的产生载体表面自由基的一种技术。2.2水凝胶的性质研究2.2.1溶胀-收缩行为(凝胶状态方程)吸水溶胀是水凝胶的一个重要特征。在溶胀过程中,一方面水溶剂力图渗入高聚物内使其体积膨胀,另一方面由于交联聚合物体积膨胀,导致网络分子链向三维空间伸展,分子网络受到应力产生弹性收缩能而使分子网络收缩。当这两种相反的倾向相互抗衡时,达到了溶胀平衡,可见凝胶的体积之所以溶胀或收缩是由于凝胶内部的溶液与其周围的溶液之间存在着渗透压。根据Flory凝胶溶胀理论,渗透压为:在上式中V0是溶剂的摩尔体积; R和T分别是气体常数和热力学温度;是Flory相互作用函数;0、分别是溶胀前及溶胀平衡时凝胶中高分子的体积分数; Ngel和Nsol分别是凝胶和溶液中离子的总浓度;是干凝胶中有效高分子链密度。上式称为水凝胶的状态方程,它表达了-T的关系。可见,水凝胶的溶胀特征与溶质、溶剂的性质、温度、压力及凝胶的交联度有关,渗透压由大分子链-水相互作用1(第1项) ,大分子网络的橡胶弹性2(第2项)及聚合物水凝胶内、外离子浓度差3(第3项)构成。水凝胶的溶胀-收缩行为通常用凝胶溶胀前后的质量百分比表示,对于膜的溶胀也常用膜面积的变化表示。2.2.2力学性能水凝胶不仅要求具有良好的溶胀性能,而且应具有理想的力学强度,以满足实际的需要。研究水凝胶力学性能14必须很好地掌握橡胶弹性及粘弹性理论,橡胶弹性及粘弹性理论基于链的取向和结构的回复与时间的关系,前者不依赖于时间,而后者与时间有关。通过使用描述力学行为的理论,能够分析聚合物的结构,测定交联链间的有效分子量以及阐明弹性活动链交联成环的数目,有时候也必须使用理论外推力学性能以确定所选用的材料。大多数水凝胶在溶胀状态下呈橡胶态,当水凝胶处于橡胶态时,它的力学行为主要依赖于聚合物网络结构,在足够低的温度下,这些凝胶失去橡胶弹性而表现为粘弹性。通常测定水凝胶的力学性能包括拉力试验(橡胶弹性行为)和动态力学分析(粘弹行为)。在大多数同轴拉伸试验中,样品在适当的模具中切成哑铃状,然后放在两个夹具之间,在不同的载荷和速率下反向拉伸, Peppas15等详细讨论了典型样品的尺寸及实验方法。柱状水凝胶的强度用压缩强度表征,相当直径的水凝胶被切成等长度的样品,在不同压力及速率下压缩,则可得到凝胶的压缩强度。为了测定聚合物的时间依赖性,动态粘弹行为,需要进行动态力学试验,样品要求作成薄的长条状,边成直角,断面均匀,运用剪切应力完成试验,所以,哑铃状不再是最佳的样品形状,最佳的样品形状与材料的模量有关,Lustig16等在聚甲基丙烯酸羟乙酯和聚(甲基丙烯酸羟乙酯-共-甲基丙烯酸甲酯)水凝胶的动态力学试验中,采用6cm1cm0.3cm的样品尺寸。另外需要指出的是,有关水凝胶的力学性能测试,目前还没有一个统一的标准。2.3水凝胶性质的影响因素前面我们分析了水凝胶的溶胀行为及力学性能,以下从3个方面简述水凝胶性能的调整方法。2.3.1共聚单体的组成改变共聚单体的组成是最重要,也是最简单的改变水凝胶性质的方法。在共聚凝胶中,提高刚性链组分的相对含量可提高其力学性能,但却使其溶胀性能减弱,这是因为刚性链是更为疏水的聚合物,有关这一方面研究的例子很多17,比如N2-乙烯基吡咯烷酮(NVP)加入甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)中以后,水凝胶的杨氏模量下降,而溶胀比却增加。2.3.2交联密度的影响水凝胶的力学强度几乎完全起因于凝胶的交联。增加交联剂的含量可提高交联密度,从而提高凝胶的强度,但应注意在某些体系中加入大量的交联剂常常导致非均相现象发生。比如,在PAAm凝胶中加N ,N2-亚甲基双丙烯酰胺(Bis)18,当Bis的量超过5 %后,出现非均相,尽管凝胶的强度仍被提高,但在非均相体系内,交联剂之间反应形成大量的环,对凝胶强度的提高没有贡献。另一个提高交联度的方法是采用电离辐射法,许多水溶性聚合物水溶液,比如PVP、PVA、PHEMMA、P EO、PAAm、PAAc等辐照后可形成水凝胶,且随着剂量的增加,凝胶的交联度增加,凝胶强度提高。但是,随着凝胶交联度的增加,凝胶网络孔径变小,溶胀度下降,网络分子链的活动性下降,凝胶的弹性也下降。2.3.3合成条件的影响合成条件主要包括反应时间、温度及溶剂的类型及用量等因素,上述因素中最重要的是溶剂的影响,如果存在大量的溶剂,则交联剂更易成环,而不是与其他单体交联,这将减少交联密度,降低凝胶的强度。当溶剂的种类及性质发生变化时(比如改善p H或水溶液的离子强度) ,共聚结构可能被改变,因为离子强度、p H影响单体的反应性,这些条件的改变可能导致共聚物由无规转变为嵌段或形成特殊结构的共聚物。从HEMA和DMAMA(甲基丙烯酸二甲基氨乙基酯)的共聚实验可清楚地看到合成水凝胶性能与合成条件的关系19,随着合成凝胶时pH及溶剂加入量的变化,凝胶溶胀比由2.1增大到12.6。在pH 38范围内随pH的轻微增大,溶胀比降低,当溶剂的体积分数由0.1增大到0.7时,溶胀比几乎增大400 %。综上所述,水凝胶的溶胀行为与其力学性能密切相关,大多数提高凝胶强度的方法均导致溶胀度降低,所以,合成水凝胶时应综合考虑影响水凝胶的各种因素,从而获得符合要求的水凝胶。2.4胶原多肽水凝胶的合成2.4.1实验材料木瓜蛋白酶 广西庞博生物工程有限公司；明胶 温州医药采购供应站；酪氨酸 上海蓝季科技有限公司；其余试剂 均为分析纯。NDJ-79 型旋转黏度计 珠海伟源测试仪器有限公司；RF-5301PC型荧光光度计 日本岛津公司；台式离心机 上海安亭科学仪器厂；UV-2000紫外分光光度计 上海尤尼柯仪器有限公司；ORION818pH计 美国奥立龙公司; Magna-IR550红外光谱仪 Nicolet公司。2.4.2合成方法配制一定浓度的明胶溶液，高速剪切后加热至80 ，保温10min。启动超级恒温水浴，调节至适当温度和pH，加入木瓜蛋白酶进行水解。水解结束后，沸水浴灭酶10min，冷却后调pH至等电点，4000r/min 离心15min，上清液真空浓缩后冷冻干燥成粉末，备用。首先根据单因素实验结果确定水解pH为7.0，加酶量2000u/g ；并选取明胶浓度、水解温度和时间三个因素，以水解度和多肽得率为指标进行正交实验，实验设计如表表2-2正交试验结果水平因素A温度（）B明胶浓度(w/v，%)C时间（h）15046255583606102.5聚丙烯酸水凝胶的合成2.5.1试剂丙烯酸, C#P, 北京市旭东化工厂; N, N- 亚甲基双丙烯酰胺,C#P,军事医学科学院药材供应站;N, N, N, N- 四甲基乙二胺, C#P,北京化学试剂公司;过硫酸钾,C#P,天津市东方化工厂;亚硫酸氢钾,AR,天津市塘沽鹏达化工厂;无水乙醇,A#R,中国医药公司。2.5.2聚丙烯酸水凝胶的合成原理 以氧化还原引发体系引发的自由基溶液聚合为基本原理。同时,在聚合体系中,加入官能度为4的N, N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,促使在聚合过程中形成网状、交联的大分子,即为聚丙烯酸水凝胶.2.5.3聚丙烯酸水凝胶的合成 向反应器中依次加入12ml蒸馏水、4ml无水乙醇、6ml丙烯酸、0.127g交联剂,混合均匀.通入氮气赶氧.注入0.05%的亚硫酸氢钠和0.105%的过硫酸钾各4ml.继续通氮赶氧.密封反应容器.在一定温度下聚合,成胶后取出。2.6聚丙烯酸水凝胶的表征2.6.1含水率的测定20用滤纸吸去水凝胶试样表面的水分称重，得凝胶试样的湿重W1，然后将该试样真空干燥后再称重，得凝胶的干重W2。水凝胶的含水率计算式如下：CW=100%2.6.2吸水速率 吸水倍率是指单位质量所吸收液体的最大量。其单位为gg、倍或mlg。按膨胀能力定义的吸水能力测定方法有：自然过滤法、流动法、离心分离法、纸袋法、薄片法、量筒法等。 采用自然过滤法测定凝胶的吸水倍率。称取O1克的干燥产品放入烧杯中，加入足量的蒸馏水，在室温下静置吸水，达到饱和后滤除多余的蒸馏水，并称其重量。然后按下式计算树脂的吸水倍率(gg)： 吸水倍率=(吸水后树脂的质量-吸水前树脂的质量)吸水前树脂的质量2.6.3在不同电解质中的吸液倍率用蒸馏水配制不同浓度的NaCl、KCl、Na2S04、MgCl2、CaCl2电解质溶液，测定其的吸液倍率。2.6.4吸水速率吸水速率是指单位质量的凝胶在单位时间内吸收水的质量。在一小滤袋中加入0.5克的干样，将滤袋泡在500ml的蒸馏水中，每隔一定时间把滤袋取出并以滤纸吸去多余的水分，称重，计算这时间点的吸水倍率，用吸水倍率与吸水时间作图，可从所得出的曲线反映凝胶的吸水倍率。2.6.5保水能力保水能力是指吸水后的膨胀体能保持其水溶液不离析状态的能力。保水能力包括自然条件下的保水性、热保水性、加压保水性等。2.6.5.1自然条件下的保水性称取一定量的干燥的产品放入烧杯中，加入足量的蒸馏水，在室温下静置吸水，待其充分吸水后，用滤袋滤去多余的水分，称取一定质量的吸水后的凝胶及纯水分别置于烧杯中，敞口于自然条件下，每隔几天称其质量，按下式计算它的保水率：保水率=一定时间后的凝胶重起始凝胶重100用凝胶保水率及纯水的保留量与时闻作图，可从所得出曲线反映保水能力。2.6.5.2不同压力下的保水性 称取20克左右充分吸水后的凝胶，放在一个用100目筛网代替滤纸的布氏漏斗中，树脂凝胶上压一直径与布氏漏斗内径相同的圆板(不吸水)，圆板上依次加不同重量的砝码，待水停止滴下后，测其流出的水的重量，由下式计算其保水率(树脂所承受的压力由圆板加砝码重量与圆板面积求得)：保水率=(起始凝胶重-滤出的水量)起始凝胶重1002.6.5.3不同温度下的保水性称取2克左右充分吸水后的凝胶置于培养皿中，放入一定温度下的烘箱中，每隔一定时问取出称其重量。按下式计算凝胶的保水率：保水率=在一定温度下干燥一定时间后的凝胶重起始凝胶重1002.6.6对盐溶液的应答性充分吸水后的凝胶在接触的液体环境中，受接触液体的刺激会有着明显的应答性，但只研究其在盐水中的应答性。将一定质量充分吸水后的凝胶置于滤袋中，将滤袋置于0.9NaCl水溶液中，每隔一定时间称其重量。按下式计算其失水率：失水率=(起始凝胶重-失水后凝胶重)起始凝胶重1002.6.7接枝率 将一定质量的干燥树脂产品装入纸袋中，置于索氏提取器中，以丙酮为萃取液，加热回流萃取48h，以去除未反应的小分子，萃取后的物质洗涤干燥即为纯接枝共聚物。按下式计算其接枝率：接枝率=提纯后的树脂重量起始树脂重量1002.6.8性能测试取少量的经提纯后的产品与干燥的KBr一起压片，在傅里叶变换红外光谱上进行扫描。红外谱图是探讨分子结构及分子间相互作用的有力手段，其振动谱带的强度、宽度以及峰的位置对聚合物分子水平级别上相互作用类型和强度的改变敏感度。通过测定红外光谱中相关谱带的位移以及宽度和强度的相对变化，就可准确的表征聚合物间的相互作用。2.7胶原多肽水凝胶的表征2.7.1表征测试方法明胶组成的分析 蛋白含量测定参照GB/T5009.5-2003第一法，换算系数为5.79 ；水分测定参照 GB/T5009.3-2003恒重法；灰分测定参照GB/T5009.4-2003的灼烧法。A 等光点的测定荧光/黏度法21用荧光光度计比较相同pH时明胶和纯酪氨酸的荧光光谱。仪器参数设置为：激发波长Eb=277nm，发射波长Em=306nm；温度：25；所用液池：1cm石英比色皿。同等条件测定不同pH下明胶荧光强度，测定不同pH下浓度为1%（w/v ）的明胶溶液的黏度值，计算公式如下：=k*式中：为绝对黏度（mPas）；k为系数；为指针读数。浊度/分光光度法测定等电点22配制3ml 0.1mol/L pH分别为 4.5、4.7、4.8、4.9、5.0、5.4、5.7、5.8、5.9、6.0、6.3的系列缓冲液，置于不同试管，分别加入1mL 1%（w/v）明胶溶液，摇匀；滴加相同体积的无水乙醇，直至出现浑浊；用分光光度计测定400nm和600nm处的吸光度值。B 评价指标水解度测定Ph-stat19法；多肽得率计算公式为：多肽得率（%）= （上清液中多肽含量/样品中的总氮含量）100%样品中总氮含量采用微量凯氏定氮法测定，多肽含量测定采用三氯乙酸沉淀C 胶原多肽的傅里叶红外分析 采用溴化钾压片法，取适量干燥样品混合KBr在玛瑙钵中轻轻研磨均匀，在5004000cm-1之间扫描，分辨率为4cm-1，扫描次数为32次。2.7.2实验结果与讨论A 明胶成分分析明胶成分分析说明本实验所用的明胶达到国家标准A级水平，且蛋白含量高，是胶原多肽的良好来源。表2-3 明胶成分分析蛋白质水分灰分含量84.6712.651.55国家标准-141B 明胶等电点的测定黏度荧光分析法 如图2-1所示，明胶和纯酪蛋白的荧光光谱非常一致，在306nm处均有一个荧光峰，最大激发峰为277nm，这是酪氨酸的特征光谱。二者的微小区别在于，对应与激发光谱中的第一激发峰即羰基的K吸收带，明胶的峰强度较低，这是由于羰基参与形成肽键的缘故，说明测定明胶的荧光强度时可以酪氨酸为基准。图2-1 纯酪氨酸和明胶荧光光谱图在25，Ex=277nm和Em=306nm的条件下，测得不同 pH明胶的荧光强度和黏度值如图2-2 所示。由图可知，pH4.5-4.8范围明胶黏度最低，偏离此范围均有黏度最大值出现；明胶的荧光强度在pH4.5-4.8范围出现极大值，这是因为在等电点处，明胶分子收缩和侧链基团相互作用所引起。分析表明明胶等电点在pH4.5-4.8范围，同时也说明该明胶是以动物皮、骨、腱为原料碱水解方法合成而得。图2-2不同pH下明胶溶液的粘度和荧光值C 浊度分光光度法 由图2-3可知，加入乙醇后明胶在400nm的吸光度较600nm处大，并且在pH4.60处明胶溶液最浑浊，吸光度最大，OD400和OD600分别为0.218和0.103。图2-3加入乙醇后吸光度与pH的关系综合分析上述两种方法，确定明胶等电点为pH4.5-4.6。D 胶原多肽水解条件的确定由表2-4结果可知，影响多肽得率因素的次序为RARCRB，最佳条件为A3B3C1；影响水解度因素的次序为RC RA RB，最佳条件为A3B3C3。进行方差分析后可知（方差分析表略），影响多肽得率的显著因素是A(温度），因素B和C对两个指标影响均不显著。综合考虑两指标同时提高的原则，确定最佳工艺条件为A3B3C1。为检验正交实验结果，进行了验证实验，测得多肽得率为85.38%，水解度为45.87%。表2-4 正交试验结果E 胶原多肽的傅里叶变换红外光谱分析 图2-8 红外光谱分析可知，32003500cm-1之间3246.87cm-1的强吸收归属于酰胺A带的N-H的伸缩振动（氢键）峰；3066cm-1处的弱吸收为酰胺 带的C-N伸缩振动引起的特征吸收峰。一般认为在3080cm-1附近是多肽（-CONH-）的特征吸收，而2962.31cm-1出现的吸收峰恰好说明胶原多肽具有多肽特征.1641.14cm-1的强吸收峰属于酰胺带，是由蛋白多肽骨架的C=O伸缩振动所引起的。1455.24cm-1属于胶原多肽氨基酸残基的侧链基团，应是苯环骨架振动造成的，说明有苯环存在。由于胶原多肽的甘氨酸和特征氨基酸羟脯氨酸和脯氨酸含量高，且形成独特的（Gly-Pro-Hyp）n20序列，这使得胶原多肽在12001400光谱范围内具有其他蛋白质所没有的红外光谱特征，1244.03cm-1和1338.15cm-1归属于酰胺带，是由C-N伸缩振动和N-H弯曲振动引起的；胶原多肽的特征氨基酸Hyp的特征吸收在1107.38cm-1和847.92cm-1被表征出来，说明胶原多肽具有胶原和蛋白多肽的双重特征。图2-4 胶原多肽红外图谱2.7.3小结采用荧光粘度法和浊度分光光度法分别测定明胶等电点，最终确定等电点为pH4.5-4.6。利用木瓜蛋白酶水解明胶合成胶原多肽，最适工艺条件为温度60，明胶浓度6%,pH7.0的条件下水解明胶6h，多肽得率为85.38%，水解度为45.87%。傅里叶变换红外光谱分析表明，胶原多肽具有胶原和蛋白多肽的双重特征。与明胶相比，胶原多肽具有良好的溶解性，粘度低，耐酸碱和高温性能好，而且可以在肠道直接被吸收，比氨基酸具有更大的吸收量，是生产功能性食品和化妆品添加剂的良好原料来源。参考文献1 Nijenhuis K T. Thermoreversible Networks. Berlin Heidelberg : Springer2verlag ,19972 Mori Y , Tokura H , Yoshikana M.J M aterSci,1997 ,32 :4913 Zhai Maolin , Ha Hongfei , Yoshii F ,et al. R adi atPhys Chem,2000 ,57 :4594 Vyavahare N R. Poly mer,1992 ,33(3) :5935 Kopecek J . J Cont rolledRelease,1992