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青岛科技人学研究生学位论文 壳聚糖交联温敏性水凝胶的合成和性质研究 摘要 水凝胶是在水中溶胀而不溶解的交联网络状高分子聚合物。具有高溶胀性、 渗透性及其与人体组织的相似性，在生物、医药及组织工程等领域具有广阔的应 用前景。尤其是聚异丙基丙烯酰胺( p n f p a a m ) 类温敏性水凝胶褶转变温度 ( 3 2o c 附近) 与人体的生理温度相近，一直是中外学者研究的热点。本文以壳 聚塘为初始原料，用过氧化氢醋酸体系氧化降解法制备低分子量水溶性壳聚 糖，对其侧链氨基进行部分丙烯酰化后，得到可降解性壳聚糖衍生物交联剂 ( n a c c r o s s 1 i i l l ( e r ) 。研究了过氧化氢用量、反应温度和氦气保护等条件对壳聚 糖降解反应的影响。利用丙烯酰氯对壳聚糖的侧琏氨基酰化，制备具有丙烯酰基 侧链的- 丙烯酰基壳聚糖衍生物，得出最佳合成条件，得到了水溶性和交联性兼 优的壳聚糖衍生物交联莉。以n a c 为交联剂、肛异丙基丙烯酰胺( m 队a m 和 丙烯酸( a a c ) 为单体原料，合成了系列聚- 异丙基丙烯酰胺丙烯酸 ( p f n i p a a m a a c ) ) 水凝胶。研究了n a c 交联p ( n j n 认m a a c ) 水凝胶的温敏性、 溶胀性、热力学性质、退溶胀性及降解性，并初步研究了水凝胶对5 氟尿嘧啶 ( 5 f u ) 缓释性能。 1 、n a c 交联p ( n i p a a m a a c ) 水凝胶的低临界溶解温度( l o w e rc r i t i c a l s o 】u t i o n t e m p e r a t u r e ，l c s t ) 与丙烯酸的用量基本呈线性关系。随着丙烯酸用量的 增加，水凝胶的l c s t 值逐渐增大。n a c 交联剂的用量对p ( n i p a a 耐a a c ) 水凝 胶的相变温度l c s t 值无显著影响。 2 、在2 5o c 时，n a c 交联p i p a a m a a c ) 水凝胶在模拟肠液p b s ( p h = 7 4 ) 溶液、蒸馏水和模拟胃液( p h = 1 2 ) 中的饱和溶胀率基本上均大于7 8 。在3 7o c 下，n a c 交联p f p a a m a a c ) 水凝胶在土述三种介质孛的溶胀率均比2 5d c 低i 水凝胶在模拟肠液p b s ( p h = 7 4 ) 溶液中的溶胀度大于在模拟胃液( p h = 1 2 ) 条件下的溶胀度，说明这种水凝胶不仅具有温敏特性，而且具有p h 值敏感性。 水凝胶的饱和溶胀度与丙烯酸用量成正比。交联刺用量对水凝胶的溶胀性能影响 较小。 壳聚糖交联温敏性水凝胶的合成和性质研究 3 、对水凝胶的热失重分析表明，水凝胶具备良好的热稳定性。 4 、水凝胶在4 5o cp b s ( p h = 7 4 ) 溶液中可快速收缩失水发生退溶胀现象。 交联剂用量和丙烯酸用量对水凝胶的退溶胀速率有显著影响。水凝胶样品的退溶 胀速率随结构中丙烯酸和交联剂用量的增加而下降。 5 、n a c 交联p ( n i p a a m a a c ) 水凝胶在p b s 中可发生较大程度的降解。交 联剂用量越大，水凝胶的降解速率越低；丙烯酸用量越大，水凝胶的降解速度越 低。 6 、不同丙烯酸用量n a c 交联p ( n i p a a “a a c ) 水凝胶样品对5 f u 的体外释 放研究结果表明：在2 5o c 和3 7o c 的p b s 溶液中，丌始阶段的释放速率较大， 随着时间的延长，释放量逐渐趋于恒定。水凝胶中丙烯酸用量越大，5 f u 的释放 速率和释放量越低；不同交联剂用量n a c 交联p ( n i p a a “从c ) 水凝胶样品对 5 f u 的体外释放研究结果表明：在2 5o c 和3 7o c 的p b s 溶液中，交联剂用量越 大，5 f u 的释放速率和释放量越低；温度越高，5 f u 的释放速率越快。 关键词：壳聚糖，温敏性，水凝胶，合成，可降解性，药物控释 i i 青岛科技人学研究生学位论文 s y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no f t h e r m o r e s p o n s l v eh y d r o g e l sc r o s s l i n k e d w i t hc hi t o s a n a b s t r a c t h y d r o g e l sa r eh y d r o p h i l i cp o l y m e r st h a ta r ec r o s s l i n k e dt of o mi n s o l u b l e ，b u t w a t e r s w e l l a b l en e t w o r k s t h e yh a v e b e e nw i d e l ya p p l i e da sc o n t r o l l e dd r u gr e l e a l s i n g a n dt i s s u e e n g i n e e n gm a t e a l sd u e t ot h e i r h i g h w a t e rc o n t e n t ， f l e x i b i l i t yi n t a i l o r - m a d ep h y s i o c h e m i c a lp r o p e n i e s ，a n dc l o s e l yr e s e m b l a n c et on a r u r a l l i v i n gt i s s u e p 0 1 y ( - i s o p r o p y i a c r y a m i d e ) ( p n i p a a m ) i sat h e m l o s e n s i t i v eh y d r o g e l t h a th a s r e c e i v e dm u c ha t t e n t i o nf o rb i o m e d i c a lu s eb e c a u s eo fi t sl o w e r 鲥t i c a ls o l u t i o n t 锄p e r a t u r e ( l c s t ) b e h a v i o r a ta r o u n d3 2 。ci na na q u e o u ss o l u t i o n ，w h i c hi sc l o s et o t h ep h y s i o l o 百c a l t e m p e r a t u r e i nt h i sp a p s o l u b l ec h i t o s a i lw a so b t a i n e db y h y d r o g e np e r o x i d ei n d u c e dr a n d o md e 铲a d a t i o no ft h ec h i t o s a n i nt h ea c e t i ca c i d s o l u t i o n c h i t o s a nd e r i v a t i v e ( - a c r y lc h i t o s a n ，n a c )w a ss y n m e s i z e db yt h e a c r y l a t i o no ft h e 锄i n e 黟o u p so f 舀u c o s 啪i n eu n i t s t h ee f 诧c to fc o n c e n t r a t i o no f h y d r o g e np e r o x i d e ，r e a c t i o nt e m p e r a t l l r ea n d 谢t r o g e np r o t e c t i o n so nt h ed e 伊a d a t i o n o ft h ec h i t o s a nw a s i n v e s t i g a t e d t h eo p t i m u m c o n d i t i o n st o p r 印a r em e n a c c r o s s l i l l l ( e rs ”t h e s i sw i t ht h ee x c e l l e l l tc r o s s l i n l ( e da b i l i t ya n dw a t e r - s o l u b i l i t y w e r eo b t a i n e d as 硎e s o f t h e 唧o r e s p o n s i v e a n d d e 莎a d a b l ep o l y ( - i s o p r o p y l a c r y a m i d e c 拶l i ca c i d ) ( p ( n i p a 山彬a a c ) ) h y d r o g e l sw e r eo b t a i n e db y r c d o xp 0 1 ) ，r i l 嘶z a t i o nw i t hm ec h i t o s a i ld e r i v a t i v e sa sm ec r o s sl i n l ( e r t h el o w e r c r i t i c a ls o l u t i o nt 哪p e r a t l l r e ( l c s t ) ，w a t e rc o n t e n t ，t h em 锄o d y n a m i ca n dt h e b i o d e 笋a d a b l e b e h a v i o r so fp ( n i 鼢a 瑚a a c ) h y d r o g e l sw e r ei n v e s t i g a t e d a l l i p r e “m i n a r ys m d yo ft h en a c c r o s s i i n k e dp ( n i p a a m a a c ) h y d r o g e l s 南rd r u g d e l i v e r ys y s t e mw a sp e 墒n n e dw i t hm o d e ld 1 1 j g so f5 一n u o r o u r a c i l ( 5 一f u ) 1 、t h el c s to fh y d r o g e i sw a ss i g n i f i c a n t i yi n f l u e n c e db ym o n o m e r r a t i oo ft h e n i p a a m a a c t h el c s ti n c r e a s e dw i t hi n c r e a s eo ft h ea a cm o l a rr a t i o ，a n dt h e a m o u n to ft h en a c e i 、o s s j i n k e fd j dn o ti n f l u e n c et h el c s ta n dt h ep h a s et r a n s i t j o n b e h a v i o ro f h y d r o g e l se v i d e n t l y 2 、t h ew a t e r n t e n to fn a c c r o s s i i n k e dp ( n i p a a m a a c ) h y d r o g e l sw a s c o n t r 0 1 1 e db yt h em o n o m e rm 0 1 a rr a t i oo fn i p a a m a a c ，s w e l l i n gm e d i a ， c r o s 啪n l ( i n gd e n s i t ya n dt h et e m p e r a t u r eo ft h em e d i a t h es w e l l i n gr “oo ft h e h ! y d r g e l sw a si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fa a cc o n t e n t t h ew 砒e rc o n t e n tw a s h i 曲e ri nw a t e rt h a ni no t h e rm e d i u m t h es w e l l i n gr a t i oo f f h eh y d r g e l sw a sh i 曲e ra t 2 5 o ct h a na t3 7o c 3 、t h et h e n n o d y n a m i cs t a b i l i t yo ft h eh y d r o g e l sw a sc h a r a c t e r i z e db y t h e n n o 酉a v i m e t r y t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h eh y d r o g e lh a dag o o dt h e m l a ls t a b i l i t y j 4 、1 1 1 ed e s w e l l i n gk i n e t i c so fn a c c r o s s l i n k e dp ( n i p a a m a a c ) h y d r o g e l s w e r es t u d i e d t h ed e s w e l l i n gr a t eo ft h eh y d r o g e lw a sd e p e n d e n to nt h ec o n t e n to f a a ca n dn a c c r o s s 1 i n k e r 5 、t h ed e 乒a d a t i o no ft h en a c c r o s s 一“n k e dp ( n i p a a m a a c ) h y d r o g e l sa sa 如n c t i o no ft i m e si nt h ep b sa t3 7o cw e r ea l s os t u d i e d t h eb r e a kd o w no ft h e h y d r o g e 王sw a sd e p e n d e n o nt h ec r o s s i i n k i f 塔d 锄s i t y m o n o m e rr a c i oo fn i p a a 耐 a a c 6 、i nt h es u b s e q u 锄ts t u d i e s ，t h ed r u 铲o f5 一f l u o r o u r a c i l ( 5 一f u ) w a sp e r 向m l e d w i mt h em o d do fd r u gd e l i v e r ys y s t e m i tw a sf o u n dt h a tt h er e l e a l s i n gr a t ea n d q u a n “f yd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fa a cc d n e n a n d h ec 尬s s l i n k 加gd e n s i 桫j n p b s ，a n dt h er e l e a s i n gr a t ea i l dq u a n t i t ya t3 7 。ca r eh i 曲e rt h a n2 5 。ci np b s ， l 2 9 0 时水凝胶会发生敏感性相转变；s 二级醇羟基，因此反应多数在氨基上进行，一级醇羟基也可能有少量取代，反 应式见s c h e m e2 1 ( 忽略了很小部分的醇羟基取代和乙酰基) 。 为获得性能优良的交联剂，通过改变水溶性壳聚糖丙烯酰氯的摩尔配比得到 一系列不同取代度的壳聚糖衍生物，详细合成条件见表2 2 。 表2 2 交联剂的合成 t i b l e2 2t h es 、r n t h e s i so ft h ec r o s s l i n k e r _ 丙烯酰化壳聚糖由于在分子中引入了疏水基团丙烯酰基，其亲水性随 分子链中丙烯酰基的增加有很大的下降趋势，导致在水中的溶解性大为降低，所 以当反应中加入丙烯酰氯量过多时所得到的产物水溶性很差( 如表2 2 中样品6 、 7 ) 。这在宏观上证明了丙烯酰基的引入，也证明了丙烯酰氯确实和壳聚糖发生 了肛丙烯酰化反应。当反应中加入的丙烯酰氯的量较少时( 如表2 2 中样品1 、2 、 3 、4 ) 可以获得水溶性很好壳聚糖衍生物。但同时，壳聚糖链中丙烯酰基的含量 会严重影响其作为交联剂的交联质量，如果反应中丙烯酰氯加入过少，导致壳聚 糖衍生物主链中的丙烯酰基过少，所得产物在后续自由基聚合时的交联性很差 ( 如表2 2 中样品1 、2 ) ，将不能作为交联剂使用。随着丙烯酰氯用量的增加， 2 0 青岛科技大学研究生学位论文 合成的壳聚糖衍生物的交联性有很大的提高。这是由于增加丙烯酰氯的用量提高 了壳聚糖分子中侧链丙烯酰基的含量，致使壳聚糖衍生物链上参与自由基聚合的 双键数量明显增加，从而交联效果更为明显。如果继续增加丙烯酰氯的用量，交 联效果将有下降趋势( 如表2 2 中样品7 ) 。这是由于反应中引入的丙烯酰基过 多，致使所得的壳聚糖衍生物中疏水性侧链过多，产物的水溶性不佳，作为交联 剂使用时不能很好的分散在溶液中参与聚合反应。 由表2 2 数据可以看出，样品3 、4 兼有良好的水溶性和交联性，比较适合作 为交联剂用于水凝胶的合成。在水凝胶的制备过程中发现，采用样品3 交联的水 凝胶透明性更好，所以我们选取样品3 为交联剂的配比方案样品。即壳聚糖衍生 物交联剂最佳合成条件为：将lg 低分子量水溶性壳聚糖放于装有温度计的1 2 5 m l 三口瓶中，加入4 0m l d m a c 作为溶剂。在冰浴中搅拌并加入o 4 5m l 三乙 胺作为俘酸剂，待反应液温度降至4o c 以下后，缓慢滴加丙烯酰氯0 3m l ，控制 滴加速度使反应温度保持在0 5o c 。滴加完毕继续保持肚5o c 搅拌反应4h 后， 在室温下保持搅拌继续反应2 0h 。反应结束后直接将反应产物转入透析袋中 ( 6 0 0 0 8 0 0 0 ) 在蒸馏水中渗析4 8h ，透析过程每8h 更换一次蒸馏水。将透析产 物冷冻后转入冷冻干燥机干燥2 4h ，得到壳聚糖衍生物交联剂。 2 3 3 交联剂的结构表征 p p m l f l 6 i o 5 o4 - o3 i o2 o1 j o 图2 1 壳聚糖( i ) 和n a c ( i i ) 核磁共振氢谱 f i g t l r e 2 11 hn m r s p e c 订ao f c h i t o s a n ( i ) a n dn a c - c r o s s - l i n k e r ( ) 为了确定壳聚糖衍生物交联剂的结构，用1 h 核磁共振谱分别对其进行结构 表征。图2 1 为低分子量壳聚糖( i ) 和壳聚糖衍生物交联剂n a c ( i i ) 在重水 2 l 壳聚糖交联温敏性水凝胶的合成和性质研究 中的1 h 核磁共振谱图。由图2 1 可以看出，图谱( i i ) 与图谱( i ) 相比在d = 5 0 5 ， 5 9 3 “0 5 处出现c h = c h 2 的特征峰，说明分子内成功引入丙烯酰基团。 2 4 本章小结 l 、用过氧化氢氧化法水解壳聚糖的最佳条件为，壳聚糖过氧化氢摩尔比为0 5 ：l ， 反应温度6 0 6 5o c ，反应时问5 5h ，可得到水溶性优越的低分子量壳聚糖。 2 、n a c 交联剂合成最佳条件为，将lg 低分子量水溶性壳聚糖分散于4 0m l d m a c 中。在冰浴中搅拌并加入o 4 5m l 三乙胺作为俘酸剂，冰浴下滴加丙烯酰 氯o 3m l ，控制滴加速度使反应温度保持在0 5o c 。滴加完毕继续保持肛5o c 搅 拌反应4h 后，在室温下保持搅拌继续反应2 0h 。反应产物透析，冷冻干燥，得 到壳聚糖衍生物交联剂。 3 、核磁共振1 h 谱表征结果表明，在壳聚糖分子链中成功引入了丙烯酰基团。 青岛科技人学研究生学位论文 3 1 引言 第三章温敏性水凝胶的制备及性质研究 水凝胶( h y d r o g e l s ) 是一种亲水性但不溶于水的低交联度高分子聚合物，具有 高分子电解质特性和三维网络结构。它们在水中可迅速溶胀至平衡体积而仍能保 持其形状和三维空问网络结构，并在一定的条件下脱水退溶胀，是一类集吸水、 保水、缓释于一体并且发展迅速的功能高分子材料。 温敏性水凝胶是指体积能随温度变化的高分子水凝胶。聚- 异丙基丙烯酰胺 ( p n i p a a m ，l c s t 值大约在3 2o c 左右，接近人体温度) 水凝胶能响应温度变 化而发生形变，呈现低临界溶解温度( l c s t ) 和温度依赖特性，低于3 2o c 时在 水溶液中溶胀，聚合物链因水合而伸展，分子链呈扩展构象；而在3 2o c 以上时 凝胶发生急剧的脱水合作用，由于疏水基团的相互吸引作用，链构象收缩而呈现 退溶胀现象。p n i p a a m 及其共聚物凝胶的体积相转变可使它们的物理性能发生 很大变化，而f 是这种亲水一疏水的微相分离结构很好的模拟了由脂质和蛋白质 所构成生物膜的亲水区、疏水区镶嵌的微观非均相结构，因而使此类水凝胶具有 了良好的抗凝血性。利用这一特性，p n i p a a m 凝胶已被用在药物控制释放和组 织修复等领域。在室温或低温下可将p n i p a a m 水溶液同细胞混合均匀，然后通 过注射的方法，将p n i p a a m 水溶液同细胞的混合液植入到待修复部位。在体温 下p n i p a a m 水溶液凝胶化将细胞固定，通过与周围组织的养分和废物的交换， 细胞迁移、增殖、分化、分泌胞外基质并逐渐形成新组织。 尽管p n i p a a m 水凝胶广泛应用于药物控制释放体系和组织工程修复材料。 然而p n i p a a m 水凝胶在生物体内无法生物降解而长期积累，容易产生毒副作用。 本文通过对壳聚糖( 是一种含有肽键的可生物降解聚合物材料，不仅具有良好的 可生物降解性，而且具有优良的生物相容性，可在人体内降解，其代谢终产物对 环境无害) 的侧链n h 2 进行修饰，引入丙烯酰基作为合成温敏性水凝胶的交联剂。 在水凝胶的结构中引入可降解交联剂，合成可降解水凝胶，即这些水凝胶中包含 的交联剂具有可降解交联点。当发生降解时，交联剂分子臂中的可降解交联点产 生系统降解断裂带，水凝胶的三维网状结构被破坏，成为线性结构，引起分子量 的永久损失。期望合成的p ( n i p a a m a a c ) 水凝胶，获得具有生物相容性和生物 降解性。 壳聚糖交联温敏性水凝胶的合成和性质研究 本章使用带有丙烯酰基侧链的壳聚糖衍生物( n a c ) 作为合成温敏性水凝胶 的交联剂，合成了n a c 交联聚( 异丙基丙烯酰胺丙烯酸) p ( n i p a a m a a c ) 水 凝胶，以期获得具有生物相容性和生物降解性的温度敏感性水凝胶。并讨论各种 因素对n a c 交联温敏性水凝胶温敏性能和溶胀性能的影响，研究了该类水凝胶 的热稳定性、生物降解性能，为进一步研究其在组织工程材料方面的应用提供理 论指导。 3 2 实验部分 3 2 1 主要试验仪器 电子天平( 精确度o 0 0 0 1g ，北京赛多利斯仪器系统有限公司) l g j 1 0 冷冻干燥机( 北京松源华兴科技发展有限公司) 2 x z 2 型旋片真空泵( 浙江黄岩求精真空泵厂) 高温恒温槽( 上海精密科学仪器有限公司) 7 2 3 p 型可见分光光度计( 上海光谱仪器有限公司) 3 2 2 主要试验药品 - 异丙基丙烯酰胺( n i p a a m ，a r ，同本兴人株式会社) ，丙烯酸( a a c ，a r ， 尼森精细化工有限公司) ，过硫酸铵( a p ，a r ，尼森精细化工有限公司) ， 四甲基乙二胺( t e m e d ，生化试剂，前进化学试剂厂) ，氯化钠( n a c l ，a r ，天津 市博迪化工有限公司) ，磷酸氢二钠( n a 2 h p 0 4 1 2 h 2 0 ，a r ，天津市博迪化工有限 公司) ，磷酸二氢钾( k h 2 p 0 4 ，a r ，淄博市临淄云天化工厂) ，磷酸赫缓冲溶液 ( p h o s p h a t eb u 疏rs o l u t i o n ，p b s ) ，纯氮( n 2 ，青岛合利气体有限公司) 3 2 3 智能水凝胶的合成 在干净的三口烧瓶中加入- 异丙基丙烯酰胺( n i p a a m ) ，丙烯酸( a a c ) ( 保 持体系中单体总量为2 5g ) 和壳聚糖衍生物交联剂，加入5 0 m lp b s 缓冲溶液， 搅拌并使上述单体完全溶解。用n 2 气鼓泡1 5m i n ，以除去溶液中的溶解氧。向 反应溶液中滴加一定量的过硫酸铵( a p ) ，和四甲基乙二胺( t e m e t ) 作为复合 引发剂。将反应液强力搅拌3 0s 后，在室温下封闭放置聚合2 4h 。反应完成后， 将所得的水凝胶取出用过量蒸馏水洗涤三次( 每次浸泡1 5 2 0m i n ) ，以除去水凝 胶中未反应的化合物。将所得的水凝胶放入冷柜冷冻，使其完全固化并将其转入 冷冻干燥机冷冻干燥2 4h ，制得干燥水凝胶。 青岛科技大学研究生学伉论文 3 2 4 水凝胶温敏性质的测定( l c s t 值) 水凝胶的温敏性( l c s t 值) 是通过测定水凝胶样品的透光率随温度的变化 确定【7 2 】。将水凝胶样品在蒸馏水中溶胀平衡后，采用连接有超级恒温槽的7 2 3 p 型可见分光光度计( ? = 6 0 0n i i l ，p a t hl e n 百h = 3c m ) 测定不同温度下水凝胶的透 光率，升温速率为o 0 5 o 1o c m i n ，用蒸馏水作为参比溶液。绘制水凝胶的透光 率一温度变化关系曲线，曲线中透光率开始下降明显时所对应的温度( 即曲线的 拐点处) ，即为该水凝胶样品的相转变温度( 低临界溶解温度，l c s t 值) 。 3 2 5 水凝胶溶胀性能的测定 水凝胶溶胀性的测定采用直接称量法【7 3 】，将水凝胶样品放入冷柜中冷冻，使 其完全固化后冷冻干燥2 4h ，制得干燥水凝胶。将一定量的干燥水凝胶浸入指定 介质中，在一定温度下浸泡2 4h 使其达到溶胀平衡。水凝胶的饱和溶胀度( 躲) 通过公式( 3 1 ) 计算，职为溶胀平衡后水凝胶的重量，为干燥水凝胶的重量。 歙：堕墨，( 3 1 ) 彬 3 2 6 水凝胶的热力学性质测试 采用热失重仪( n e t z s c ht g2 0 9 ) 分析水凝胶的热力学稳定性。称取一定 量冷冻干燥的水凝胶样品，放入a 1 2 0 3 坩埚中。在n 2 保护下( n 2 流速为2 0 m l m i n ) ，从2 0o c 丌始以1 0o c m i n 速度升温至6 0 0o c ，测定水凝胶样品的热失 重性能。 3 2 7 水凝胶退溶胀动力学性能的测定 取一定量的干燥水凝胶称重( ) ，将其投入2 5o c 的p b s 溶液中溶胀2 4 h ， 记为形，然后将其快速转入4 5 。c 的p b s 溶液中，每隔一定时问取出水凝胶，用 滤纸吸干表面的水分并称重，记录t 时刻水凝胶的重量形。水凝胶中水的保留率 ( s ) 通过公式( 3 2 ) 计算。 肜一形 & = l 二l o o ( 3 2 ) 。一。 3 3 结果与讨论 壳聚糖交联温敏性水凝胶的合成和性质研究 3 3 1 水凝胶的合成 表3 1p ( n i p a a m a a c ) 水凝胶的合成 t a b l e3 - ls ”t h e s i so fp 州i p a a “a a c ) h y d r o g e l s s c h e m e3 1p r e p a r a t i o no ft h e a c r y lc h i t o s a n c m s s - l i n k e dp 州i p a a m c o a a c ) h y d r o g e l 青岛科技人学研究生! 学位论文 h 牛= c h 2 + h 午= c h 2 + e o n h c h ( c h 3 ) 2h o 。：0 r c h 2 一千h c h 2 一午h c h 2 一c h c h 2 一宁h c h 2 o c o c h 2c h 2 o i i r = c n h c c 0 一千h 一刚z 一宁h 一叫2 一千h 一叫2 一洲q h 2 一千h c o o hrr r 秣 n a c c r o s s - l m k o dp ( n l p a a m 。c o 。a a c ) h y d r o g e i 在水凝胶网络结构中，引入可降解的交联剂是合成可降解水凝胶的一般途径。 在p b s 缓冲溶液中，以- 异丙基丙烯酰胺为主要单体原料，加入少量丙烯酸单 体调节聚合物的亲水性，以第二章所合成的带有丙烯酰基侧链的壳聚糖衍生物 ( n a c ) 为交联剂，以a p 和t e m e d 为引发剂和促进剂，通过水溶液自由基聚 合反应，合成聚( _ 异丙基丙烯酰胺丙烯酸) p ( n i p a a m a a c ) 水凝胶。通过改变 n i p a a i n a a c 的摩尔配比及壳聚糖衍生物交联剂( n a c ) 的用量，得到一系列水 凝胶，详细合成条件见表3 1 。反应方程式如s c h e m e3 1 所示。 在所合成的水溶性壳聚糖衍生物交联剂( n a c ) 分子链中，含有交联反应所 需的双键，可以作为交联剂与 l 异丙基丙烯酰胺、丙烯酸交联共聚，形成具有三 维网架结构的水凝胶。壳聚糖衍生物分子链中存在多个酰胺健和糖苷键，赋予了 水凝胶良好的生物降解性能，且壳聚糖是一种纯天然高分子化合物，具有众所周 知的优良生物相容性能，所以由其交联形成的水凝胶有望用作生物功能高分子材 料。 所合成水凝胶在室温下的是淡黄色完全透明的体状弹性体，可对其进行剪切 操作。交联度低的水凝胶因其良好的柔韧及流动性，可用注射器进行注射操作。 壳聚糖衍生物交联水凝胶经过冷冻干燥后，变成白色不透明蓬松状固体，具有多 壳聚糖交联温敏性水凝胶的合成和性质研究 孔结构。 3 3 2 水凝胶温敏性研究 温敏性水凝胶具有体积相转变特性，即当环境温度在其临界溶解温度( l c s t ) 附近发生微小变化时，凝胶体积会随之发生数倍或数十倍的变化，甚至发生不连 续的突跃性变化。本论文所涉及的聚- 异丙基丙烯酰胺( p n i p a a m ) 水凝胶为典 型的温度敏感性水凝胶，其相转变温度( 低临界溶解温度，l c s t ) 在3 2o c 左右， 这种特殊性质是亲水性的酰胺基和疏水性的异丙基共同作用结果。当外界温度低 于l c s t 时，p n i p a a m 水凝胶吸水溶胀；而当外界温度高于l c s t 时，n i p a a m 水 凝胶剧烈收缩失水，发生相分离。凝胶发生相分离，即水凝胶的温敏性相转变是 由交联网络的亲水性疏水性平衡受外界变化引起的，凝胶体系亲水作用主要是 存在的两种氢键：水分子与高分子链之间的氢键和高分子链之间的氢键。当外界温 度低于l c s t 时，两种氢键的相互协调作用使得疏水基团周围形成一个稳定的束缚 水分子的水合结构。随着温度升高，水合结构被破坏，氢键作用减弱，引起水凝 胶相转变。所谓疏水作用主要是非极性分子在水中的团聚作用，这种疏水基团被 周围大量水分子像“笼子”一样笼蔽，这种在“笼”中的水分子排列有序，可认为是 冻结水。当环境温度上升，这种冻结的水分子丌始溶解，从而保护疏水基团的作 用力减弱，所以随着温度提高，凝胶中疏水作用增强。凝胶网络塌陷引起的熵减 可从这种笼子熔化导致的熵减得到补偿，因此升高温度引起凝胶塌陷，熵是增加 的。当温度低于l c s t 时，分子问相互作用主要是p n i p a a m 与水之问的分子问氢 键作用，而当温度高于l c s t 时，分子阳j 的相互作用集中在p n i p a a m 分子间的相 互作用，体系的疏水作用占主导地位，从而p n i p a a m 分子蜷缩聚集并从水中析出。 青岛科技人学研究生学位论文 函固固国 圆圆圆圆 圆3 一l 水凝脘随环境温度变化时的可逆温敏性相转变( 从2 5 升温到4 0 0 c ，再降温副2 5 。c 所用水凝肢样品交联剂用量为3o ，n i p a a m a c 的摩乖比为9 7 b f 。g u m3 - 1t h 删s p o n s l v ep h a s e a n s f o m m t o n o f m eh y d r o g e l w h e n l h 洲一】【啪p c m m m o ”1 洲s t bl c s t ( h 帅2 5 t 0 4 0o c ，a n d m e n i o2 5o c ) 水凝胶温敏性( l c s t 值) 常通过测定水凝腔的透光率随温度的变化确定。 在水凝胶样品的遮光率温度变化关系曲线中，透光率丌始快速下降时所对应的温 度( 即曲线的拐点处) 即为该水凝胶样品的相转变温度( l c s t 值) 。图3 1 为随 环境温度变化时，n a c 变联p ( n i p a a 州a a 曲共聚物水凝胶的透光率的变化现象。 随温度的升高，n a c 交联p ( n i p 从州从c ) 共聚物水凝胶由透亮逐渐浑浊，到不 透明，一直到析出部分水份。此后随环境温度的降低，n a c 交联p ( n i p a a 蝴曲 共聚物水凝胶的透光率呈现出可逆的变化，出不透明逐渐变得再次透明。整个过 程可以多次的重复。 3321 丙烯酸用量对水凝胶温敏性的影响 在p n i p a a m 内加入亲水性单体可以增加聚合物的亲水性，改变凝胶内部的亲 水疏水网络结构从而提高共聚物水凝胶的l c s t 值，使其接近人体的生理温度。 因此通过调节共聚单体配比和交联剂用量可以得到不同相变温度的系列水凝胶 产品。 壳聚糖交联温敏性水凝胶的合成和性质研究 t e m p e r a t u r e ( 。c ) 图3 2 不同丙烯酸用量的壳聚糖衍生物交联水凝胶的透光率一温度曲线 f i g u r e 3 2 t r a n s m i t t a n c ea sa如n c t i o no f t e m p e r a t u r e f o rn a c - c r o s s l i n k e d p 沁aa m _ c o a a c ) w i t hd i 保；r e r l ta a c c o n t e i l t 改变 l 异丙基丙烯酰胺( n i p a a m ) 和丙烯酸( a a c ) 的摩尔配比，固定壳 聚糖衍生物交联剂n a c 用量为单体总质量的3 o ，合成一系列p 洲i p a a m a a c ) 水凝胶样品，在连有超级恒温水浴槽的7 2 3 p 型可见光分光光度计上测定水凝胶 的透光率随温度的变化，做出透光率温度变化曲线，结果见图3 2 。由图3 2 可以看出，不同- 异丙基丙烯酰胺( n i p a a m ) 和丙烯酸( a a c ) 配比合成的系 列p 似i p a a 州a a c ) 水凝胶的透光率温度变化均有明显的转折性，随着温度的升 高水凝胶的透光率逐渐下降，这是由于分子内疏水性基团异丙基和亲水性基团酰 胺基、羧基之间的平衡遭到破坏引起的。当温度低于l c s t 时，由于水合作用 p n i p a a m 链在水中伸展，当温度升高到其l c s t 之上时，p n i p a a m 链卷曲从溶 剂中沉淀出来，水凝胶呈现相转变。在这一过程中凝胶结构坍塌，排出大量的孔 径水，变得僵硬而不透明。l c s t 附近微小的温度变化就可使水凝胶发生可逆的、 不连续的体积收缩。所以定义水凝胶透光率丌始出现明显下降时的温度( 曲线转 折点) 为水凝胶的低临界共溶温度( l c s t ) 。 当在体系中引入丙烯酸合成p ( n i p a a m a a c ) 共聚物水凝胶时，共聚物分子链 的疏水性亲水性平衡遭到破坏，不同水凝胶样品的l c s t 随引入丙烯酸量的增加 有明显的上升趋势，由图3 2 可以看出，水凝胶样品的l c s t 值由3 2o c ( n 口a 山n a a c 为9 9 1 ) 一直上升到了3 9 5o c ( n i p a a m a a c 为9 1 9 ) 。但随 青岛科技人学研究生学位论文 着丙烯酸用量的增加，水凝胶的透光率随温度的变化梯度有所下降，相变温度变 化范围逐渐增大。这是因为，随着共聚物凝胶中a a c 含量的增加，分子结构中的 一c o o h 也随之增加，提高了水凝胶分子链的亲水性，致使高分子链内的氢键相 互协调作用增强，使得疏水基团周围形成更加稳定的束缚水分子团。即高分子链 蒯的氢键形成了更加密实的“笼子”，这种在“笼”中排列有序的冻结水被更加 牢固的束缚。换句话说，此时交联水凝胶的亲水作用大于疏水作用，水凝胶将水 包络在内部，水分子充分扩散到凝胶体内部，同时水凝胶分子链也很好的分散到 溶剂水中。高分子链段运动总是趋向使体系的能量降低，对应使体系的混乱度增 加，即熵增原理。因此高分子链段的运动总趋向于收缩成为无规线团，呈收缩蜷 曲的趋势。当环境温度上升使链段运动增强，收缩蜷曲的运动更加剧烈，使氢键 之间的相互协调作用遭到破坏，“笼子”丌始破解，凝胶中的冻结水丌始通过水 凝胶网络中的孔洞流出，凝胶网络丌始塌陷，这种塌陷引起的熵减可从“笼子” 溶化导致的熵减中得到补偿，熵是增加的。温度升高，从而使宏观水凝胶体积也 收缩，将水排出。a a c 是一种亲水性能比n i p 从m 好的单体，所以增加从c 引入量 使水凝胶中氢键作用也逐渐增强，致使聚合物与水的混合熵逐渐降低，体系更趋 向稳定。即随高分子亲水性的增强致使冻结水通过水凝胶网络中的孔洞流出过程 也随之延长，这就是随着丙烯酸用量的增加，n a c 交联p ( n l p a a m a a c ) 水凝胶 因温度变化引起的体积相转变温度逐渐升高，但是灵敏性却逐渐降低的原因。 由图3 2 中曲线的拐点，可以得出不同丙烯酸用量的p ( n l p a p 耐a a c ) 水凝胶 的l c s t 值。图3 3 是不同a a c 用量水凝胶的相转变温度( l c s t ) 与水凝胶中 丙烯酸用量的变化关系曲线。由图3 3 可以看出，壳聚糖衍生物交联 p ( n i p aa m a a c ) 水凝胶的l c s t 值与凝胶中丙烯酸的用量基本呈线性关系。随着 丙烯酸用量的增加，n a c 交联p ( n i p a a m a a c ) 水凝胶的l c s t 值逐渐增大。根 据这一特性我们可以通过改变丙烯酸单体的用量有效地调节水凝胶的相转变温 度( l c s t ) ，得到一系列具有不同温敏性的水凝胶，满足不同领域的应用需要。 壳聚糖交联温敏性水凝胶的合成和性质研究 4 0 3 8 p3 6 卜- c ，) o3 4 3 2 3 0 1234567891 0 a c r y f i ca c i dd o s a g e ( m o i e ) 图3 3 不同丙烯酸用量的p n i p a a m a a c 水凝胶的l c s t 值 f i g u r e3 - 3l c s to f h y d r o g e l sw i t hd i f f e r e n td o s a g eo f a c r y l i ca c i d 3 3 2 2 交联剂用量对水凝胶温敏性的影响 固定单体摩尔配比( n i p a a m a a c = 9 5 5 ) ，改变壳聚糖衍生物交联剂n a c 的用量合成系列p ( n i p a a l n a a c ) 水凝胶样品，测定水凝胶透光率随温度的变化， 结果见图3 4 。由图3 4 可以看出，在实验测定的范围内，改变壳聚糖衍生物交联 剂用量，合成的系列p ( n i p a a m a a c ) 水凝胶的透光率一温度曲线转折点所处温度 基本一致，没有过于明显的差别。说明在实验测定的范围内，当交联剂用量由3 0 增加到8 o 时，n a c 交联剂用量对p 州i p a a m a a c ) 水凝胶的低临界共溶温度 ( l c s t ) 影响不大，水凝胶仍具有十分灵敏的温敏特性，所对应水凝胶的l c s t 值均在3 6o c 附近。这是因为水凝