（高分子化学与物理专业论文）基于瓜尔胶衍生物的ph敏感型水凝胶研究.pdf

中山大学硕士学位论文 摘要 基于瓜尔胶衍生物的p h 敏感型水凝胶研究 专业： 高分子化学与物理 硕士研究生：白羽 指导老师：张黎明教授 摘要 环境响应性水凝胶，是对外界物理化学刺激如p h 、温度、溶剂组成、光、电 场等产生敏感响应性行为的一类聚合物网络。尤其是溶胀行为受环境p h 值控制 的p h 敏感型水凝胶，因其在药物控制释放方面的广阔应用前景而日益受到关注， 近年已成为众多研究的热点。 在本工作中，以羧甲基羟丙基瓜尔胶和丙烯酸为主要原料、过硫酸钾为引发 剂、n ，n 一亚甲基双丙烯酰胺为交联剂、亲水性纳米粘土粒子为性能增强剂，在 水溶液中合成了一系列具有p h 敏感特性的新型杂化水凝胶。同时，借助红外光 谱、热重分析、扫描电镜和流变仪等对所得杂化水凝胶进行了结构表征。 针对合成出的水凝胶试样，通过考察时间、温度、p h 、组成、表面活性剂 对水凝胶溶胀性能的影响，详细地研究了它们在蒸馏水、表面活性剂溶液中的 溶胀行为。结果表明，合成的水凝胶是典型的p h 敏感型凝胶，溶胀比随p h 的变 化而变化，溶胀比的突跃点大致在p h6 8 之问。同时还发现，加入粘土可显著 增强凝胶的溶胀性h 蚜b p h 敏感性能。 为了探讨所得水凝胶用作药物载体的可能性，以维生素b 1 2 为模型药物，考 察了药物在凝胶上的吸附行为。结果表明，维生素b 1 2 在凝胶试样上的吸附规律 大体可借l a n g m i u r 和f r e u n d l i c h 吸附方程加以描述，且符合准二级吸附动力学 特征。通过对水凝胶的药物释放及其影响因素研究，发现p h 值、粘土用量、药 物种类及温度对药物控制释放均有较大影响。 中山大学硕士学位论文摘要 关键词：瓜尔胶衍生物；p h 敏感型水凝胶；溶胀行为；药物吸附；药物控制释放 粘土；药物载体 i i ! ! ! ! ! 兰堡主兰些笙苎 塑墨 s t u d y o np h s e n s i t i v eh y d r o g e l sb a s e do n g u a rg u md e r i v a t i v e m a j o r ：p o l y m e rc h e m i s t r y & p h y s i c s m a s t e rc a n d i d a t e ：b a iy u s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gl i m i n g a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a l l ys e n s i t i v eh y d r o g e l sw e r et h ep o l y m e r i cn e t w o r k s w h i c hc o u l dr e s p o n dt oe x t e r n a lp h y s i c a lo rc h e m i c a ls t i m u l a t i o n ss u c h a sp h ，t e m p e r a t u r e ，1 i g h t ，c o m p o s i t i o no fs o l v e n ta n de l e c t r i cf i e l d i n p a r t i c u l a r ，p h s e n s i t i v ep o l y m e r i ch y d r o g e l s ，w h o s es w e l l i n g b e h a v i o rw a sc o n t r o l l e db yt h ep ho fe n v i r o n m e n t ，h a v er e c e i v e d i n c r e a s e d a t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r sd u et ot h e i rw i d ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o n sf o rt h ec o n t r o l l e dr e l e a s eo fd r u g s i nt h ew o r k ，as e r i e so fn e wh y b r i dh y d r o g e l sw i t hp h s e n s i t i v e p r o p e r t yw e r es y n t h e s i z e di na q u e o u ss o l u t i o n sb yu s i n gc a r b o x y m e t h y l h y d r o x y p r o p y lg u a rg u ma n da c r y l i ca c i da st h em a i nr a wm a t e r i a l s ，k 2 s 2 0 8 a st h ei n i t i a t o r 。n n m e t h y l e n eb i sa c r y l a m i d ea st h ec r o s s l i n k i n g a g e n ta n dt h eh y d r o p h i l i cc l a yn a n o p a r t i c l e sa st h ep r o p e r t ye n h a n c e r t h es t r u c t u r eo ft h er e s u l t i n gh y d r o g e l sw e r ec h a r a c t e r i z e db ys o m e a n a l y s e ss u c ha s i n f r a r e d s p e c t r o s c o p y ( i r ) ， t h e r m o g r a v i m e t r y ( t g ) ， s c a n i n ge l e c t i o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n dr h e o l o g y f o rt h er e s u l t i n gh y d r o g e l s ，t h es w e l l i n gb e h a v i o r si nd i s t ，i l l e d w a t e ra n da q u e o u ss o l u t i o n sc o n t a i n i n gt h es u r f a c t a n t sw e r es t u d i e di n d e t a i lb yi n v e s t i g a t i n gt h ee f f e c t so ft i m e ，t e m p e r a t u r e ，p h ，s o l v e n t 1 i i 中山大学硕卜学位论文 摘要 c o m p o s i t i o na n ds u r f a e t a n t so i lt h es w e l l i n gp r o p e r t i e s t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h e h y d r o g e l sh a de x c e l l e n tp hs e n s i t i v i t ya n dt h e s w e l l i n gr a t i oi n c r e a s e dw i t ha ni n c r e a s eo fp h t h es w e l l i n gr a t i o c h a n g e ds u d d e n l ya tt h ep hr a n g eo f6 - 8 m e a n w h i l e ，t h es w e l l i n gr a t i o o fh y d r o g e l sc o n t a i n i n gt h ec l a yw a sh i g h e rt h a nt h eh y d r o g e lw i t h o u t t h ec l a y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n t r o d u c t i o no ft h ec l a yc o u l d i m p r o v et h es w e l l i n ga b i l i t yo ft h eh y d r o g e l sa n dt h e i rs t i m u l i r e s p o n s e - i no r d e rt oe x p l o r et h ep o s s i b i l i t yo ft h eh y d r o g e l sa st h ed r u g c a r r i e r s ，t h ea d s o r p t i o nb e h a v i o r so fv i t a m i nb 1 2a st h em o d e ld r u go n t h eh y d r o g e l sw e r ei n v e s t i g a t e d t h el a n g m u i ra n df r e u n d l i c ha d s o r p t i o n e q u a t i o n sw e r e f o u n dt od e s c r i b et h ea d s o r p t i o ni s o t h e r m sw i t ha r e l a t i v e l yg o o da c c u r a c y t h ek i n e t i ce x p e r i m e n t a l d a t ac o u l db e c o r r e l a t e dw i t ht h es e c o n d o r d e rk i n e t i em o d e l b yi n v e s t i g a t i n gt h ed r u gr e l e a s eb e h a v i o ro fm o d e ld r u g sf r o mt h e h y d r o g e l sa n dt h e i ri n f l u e n c ef a c t o r s ，i tw a sf o u n dt h a tt h ep h ，c l a y ， d r u gk i n da n dt e m p e r a t u r eh a v eg r e a t e ri n f l u e n c eo n t h ec o n t r o l l e d r e l e a s eo ft h ed r u g k e y w o r d s ：g u a rg u md e r i v a t i v e ：p h s e n s i t i v eh y d r o g e l s ；s w e l l i n g b e h a v i o r ：d r u ga d s o r p t i o n ：d r u gc o n t r o l l e dr e l e a s e ：d r u g ： d r u gc a r r ie r i v 型坐塑堡型墨一一 笙二皇 1 1 水凝胶概述 第一章绪论 水凝胶是介于液体和固体之间的三维网络或互穿网络聚合物，其特征是能显 著溶胀于水但不溶解于水。利用一些水凝胶对p h 值、温度、电场或化学物质的 变化而发生溶胀或收缩等响应特性，不仅可将其开发用作传感器、人造肌肉、酶、 细胞固定和记忆材料【】，还可将其开发用作应用前景广阔的药物释放载体和组 织工程基质材料 5 16 1 。 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，是 非永久性的；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。根 据合成材料的不同，水凝胶又可分为天然高分子水凝胶、合成高分子水凝胶以及 天然与合成高分子杂化水凝胶三大类。根据水凝胶大小形状的不同，可分为宏观 凝胶和微观凝胶，其中宏观凝胶又可分为柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球 状等，微观水凝胶有微米级和纳米级之分。 水凝胶的一个重要性质就是其体积会随着外界的刺激而发生变化，发生体积 相转变，这是其用作智能性材料的重要体现。1 9 6 8 年d u s e k 和p a t t e r s o n 1 7 】作出 预测，认为水凝胶可发生不连续的体积相变；1 9 7 8 年t a n a k a l l 8 j 贝, r l 在研究聚丙烯 酰胺凝胶时发现这种转变。现在，大量研究己证实这种变化是不连续的和突越性 的 1 9 】。 高分子凝胶的溶胀过程，其实是两种相反趋势的平衡过程：一方面溶剂力图 渗入到网络内使体积膨胀，导致三维分子网络伸展；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问伸展，分子网络受到应力产生弹性收缩能 而使分子网络收缩。这两种相反的倾向相互抵消时，就达到溶胀平衡。研究表明， 渗透压是凝胶的推动力。 凝胶的体积相转变是凝胶的体积随外界环境因子变化产生不连续变化的现 中山大学硕士学位论文 第一帝 象。凝胶相转变可以由溶胀相转为收缩相，也可以由收缩相转为溶胀相。转变开 始是连续的，但在一定条件下能产生体积变化达到十倍到数千倍的不连续转变。 高分子凝胶所阻能随环境因素变化而发生相转变，是因为体系内存在几种相 互作用力：范德华力、氢键、疏水相互作用力及静电作用。正是由于这些力相互 组合和竞争使凝胶溶胀或收缩，因而产生体积相转变。 1 2 环境敏感水凝胶 水凝胶根据外界刺激的响应情况，又可分为p h 敏感水凝胶、温敏水凝胶、 盐敏水凝胶等。 p h 敏感水凝胶是体积随介质p h 值变化而变化的凝胶。p h 敏感水凝胶首先 由t a n a k a e 2 0 】在测定陈化后的聚丙烯酰胺凝胶溶胀时发现的。这类水凝胶由于含 有大量易水解和质子化的解离基团，当外界p h 变化时，这些基团的解离程度相 应发生改变，造成凝胶内外离子浓度的变化，引起网络中氢键的生成或断裂，导 致凝胶的不连续体积相变。形成碱性敏感水凝胶的大分子的分子链侧链上含有碱 性介质中能够解离的基团，如羧基，常用的是丙烯酸类聚合物【2 1 2 2 1 ；酸性敏感水 凝胶则是由含有碱性基团的大分子形成的，常用的是含有胺基的聚合物，如由 n ，n ，一二甲基氨乙基甲基丙烯酸酯【纠交联合成的水凝胶。c h i u 等人 2 4 】研究了丙 烯酸对p h 敏感葡聚糖水凝胶的制备和溶胀性能的影响，甲基丙烯酸葡聚糖酯和 丙烯酸共聚物的交联密度由于丙烯酸的架桥作用而随丙烯酸含量的增加而增大， 从而导致该水凝胶具有更大的溶胀度。 温敏性水凝胶是能响应温度变化而发生溶胀或收缩的凝胶。这类凝胶结构中 具有一定比例的亲水和疏水基团，温度的变化可以影响这些基团的疏水作用和大 分子链间的氢键作用，从而改变水凝胶的网络结构，产生体积相变。温敏水凝胶 有高温收缩和低温收缩两种。高温收缩水凝胶的敏感性一般解释是，当温度升高 时疏水相互作用增强，使凝胶收缩【2 5 1 。经共价交联的聚丙烯酰胺凝胶在4 2 丙 酮与水的溶液中，当温度升至2 5 。c 附近，其溶胀比增至1 0 倍左右1 2 0 】。其他如丙 烯酸、甲基丙烯酸共价交联聚合物形成的水凝胶也有热胀敏感性。温度敏感 型水凝胶随环境的变化而发生可逆体积变化的性质被应用于药物控制释放系统， 2 中山大学硕士学位论文 第一章 特别是热缩性水凝胶的突然收缩性质，在药物尤其是蛋白质类药物控制释放中具 有很大的应用价值 2 7 _ 3 ”。 盐敏水凝胶就是在外加盐的作用下，溶胀比发生变化的一类水凝胶【3 2 _ 3 4 1 。这 种类型的水凝胶一般是由甜菜碱两性单体共聚而成【蚓，其特点是凝胶在盐溶液 中的溶胀比不随外加盐浓度增加而减少，而是随外加盐浓度增大而增加。h u g l i n 和r e g o t 3 6 l 研究了由n ，n 二甲基一n 一( 甲基丙烯酸酯乙基) 氨基丙磺酸单体聚 合交联而成的水凝胶，发现加入盐使其溶胀行为得到改善。 光敏水凝胶是由于光辐照而发生体积变化的凝胶。紫外光辐照时，凝胶网络 中的光敏感基团发生光异构化或光解离，因基团构象和偶极矩变化而使凝胶溶 胀。如偶氮芳环化合物在紫外照射下会发生可逆顺反异构化反应【3 7 】，发生体积 变化。 电场敏感水凝胶是指在电场刺激下产生溶胀或收缩并将电能转变为机械能 的水凝胶。如用聚乙烯嗯唑啉与聚甲基丙烯酸制成胰岛索的骨架型给药系统，在 生理盐水中通电后，近阴极处溶液p h 值增加，骨架向阴极处释放胰岛素，其释 放速度接近于恒定 3 8 】。 抗原敏感型水凝胶利用的是抗体能与抗原专一性结合的特性。这种结合有静 电结合、氢键结合、范德华力结合等，分子识别能力非常高，在免疫系统内有非 常重要的作用。如m i y a t a 等【4 0 】合成出一种对抗原敏感的水凝胶，它可识别特定 的抗原，在生物医药领域有较大的应用价值。 葡萄糖敏感型水凝胶是专门装载胰岛素的载体，用来治疗糖尿病【3 9 】。血液 中的糖浓度升高时，凝胶溶胀释放胰岛素。最有代表性的葡萄糖敏感型智能系统 要属于利用了p h 敏感型高分子和葡萄糖氧化酶的系统【加4 1 】。 1 3 p h 敏感型药物控释体系 水凝胶是制备药物释放体系的重要材料。由于它的生物相容性好，被广泛用 作生物医用材料，如药物控制释放体系。含有弱酸或弱碱基团的高分子水凝胶， 溶胀体积会随着溶液的p h 、离子强度的变化而变化，从而影响介质对其扩散和 渗透的能力，这种水凝胶作为药物的载体可组成p h 响应性药物释放体系。根据 3 中山大学硕士学位论文 第一章 需要，可制备成互穿聚合物网络、共聚杨或共混物凝胶。 p h 敏感型水凝胶特别适合口服药物的控制释放，也就是利用人体消化道各 环节p h 值的不同可以控制药物在特定部位的释放。例如，在酸性条件下不稳定 的药物可以用含弱酸性基团的高分子水凝胶作为载体，凝胶在酸性环境如胃液中 处于疏水收缩状态，可避免酸溶液与包埋的药物接触，而不释放药物；在碱性环 境如肠液中则吸水溶胀，体积明显增大，药物从凝胶中渗出。又如一些味道苦的 药物，可以用p h 响应性水凝胶包埋，药物仅在胃肠中释放，在中性p h 的口腔 内不溶出。p a t e l 等【4 2 i 设计了抗幽门螺旋杆菌感染的胃部药物释放系统，该凝胶 由冷冻干燥的壳多糖一聚氧乙烯半渗透骨架组成，是一种对p h 敏感的阳离子凝 胶，在胃部酸性条件下膨胀并释药。在人工胃液和肠液中研究了凝胶的p h 依赖 膨胀性质，并考察了两个常用抗菌药在凝胶骨架中的释放。在1 小时内，凝胶 骨架在人工胃液中膨胀比例为1 6 1 ，而在人工肠液中是8 6 0 。由于冷冻干燥形成 高度多孔骨架结构，壳多糖一聚氧乙烯凝胶在人工胃液中2 小时内释放阿莫西林 多达6 5 一5 9 ，甲硝哒唑也显示了同样的结果。 p h 敏感型水凝胶还可用于胰岛素释放系统。l o w m a n 等【4 3 】报道了一种口服 胰岛素p h 敏感凝胶释放系统。该凝胶由交联的p m a a 和p o l y e t h l e n e g l y c o l 共聚 物组成，它能保护胰岛素在胃部酸性环境不被降解，而在小肠释药。在给患有糖 尿病的大鼠口服给药实验中，因胰岛素可在肠道吸收，这些动物血糖水平显著下 降至少持续8 小时。与小肠相比较，结肠具有较低的蛋白酶水解活性，已经被考 虑作为口服蛋白质和多肽的吸收部位。一些凝胶已经被研究作为结肠定位释放系 统。这些包括偶氮交联聚丙烯酸，化学或物理交联的多糖，如右旋糖酐、硫胺化 胶质、瓜耳豆胶和菊粉等。 d h 敏感型水凝胶还可用于眼部用药体系中。由于跟部的保护机制，如泪液 冲洗、眨眼、角膜的低渗透性等许多生理学因素制约眼部的给药。通常的滴眼液 会被快速消除，药物吸收受限，导致较低的生物利用度。一些剂型如混悬剂或膏 剂能在眼中停留，但因为固体或半固体的性质，病人有时会感到不舒适。由于粘 弹性，凝胶能抵抗泪液冲洗；给药时作为液体，给药后作为凝胶能在眼部长时间 停留。c o b e n 等【4 4 】研制了藻酸盐p h 敏感凝胶系统，以毛果芸香碱为模型药物， 研究其眼部释药。该系统显著地延长了毛果芸香碱降压作用时间，可达1 0 个小 4 中山大学硕士学位论文 第一蕈 时，而普通滴眼液只能维持3 个小时。c a r l f o r s 等【4 5 】对g e l r i t e ( 脱乙酰基g e l l a n g u m ) 进行了流变学评价。该研究证明，g e l r i t e 形成的p h 敏感水凝胶有很高的 溶胶一凝胶转换速度，给药后能迅速变成凝胶，与角膜接触时间较长，提高了用 药疗效。 1 4 本课题的提出 鉴于p h 敏感水凝胶在药物控制释放方面的广阔应用前景，同时针对现有该 类材料普遍存在的生物降解性差、力学强度较弱的技术难题，本课题拟以可生 物降解的改性多糖羧甲基羟丙基瓜尔胶、敏感功能性单体丙烯酸为主要原料、 在性能增强剂粘土存在下，合成和表征一类具有p h 敏感性质的新型杂化水凝 胶，同时探索所得杂化水凝胶对模型药物的吸附与释放规律，进而为高性能p h 敏感水凝胶的研制及其在药物控释方面的应用提供依据。 5 三坐型兰墅壁兰垡堡苎 塑三兰 第二章水凝胶的合成、表征与溶胀行为 2 1 实验部分 2 1 1 原料与试剂 羧甲基羟丙基瓜尔胶( e c o p o l - 5 1 8 t ) ：美国伊可美公司生产，为黄色无不 愉快气味的粉末状物质，使用前先在水中搅拌4 个小时，使其溶解；丙烯酸( a a ) ： c p ，中国医药( 集团) 上海化学试剂公司，使用前经减压重蒸纯化；n ，n 一亚甲 基双丙烯酰胺( b i s ) ：德国m e r c k s c h u c h a r d t 公司生产：过硫酸钾( k p s ) ：a r ，广 州化学试剂厂，经重结晶后使用；l a p o n i t e 粘土：r d 级和r d s 级，化学组成为 n a + 0 7 ( s i 8 m 9 5 5 “o 9 0 z o ( o h 4 o 7 美国r o c k w o o d 化学公司生产，使用前先在磁 力搅拌下将其均匀分散于蒸馏水中以得到无色透明溶液备用；浓盐酸：a r ，广 州化学试剂厂：氢氧化钠：a r ，广州化学试剂厂；p h 精密试纸：上海试剂三厂： 阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠( s d s ) ：a r ，北京西中化工厂；阳离子表面 活性剂十六烷基三甲基溴化铵( h t a b ) ：a r ，北京西中化工厂。 2 1 2 水凝胶的合成 采用溶液自由基聚合交联、粘土原位复合技术制备一系列杂化水凝胶：在试 管中加入已经溶解好的羧甲基羟丙基瓜尔胶溶液，加入一定量丙烯酸搅拌均匀， 然后再加入已经完全溶解于水中的粘土溶液，待三者混合均匀后加入交联剂 b i s ，通入氮气5 分钟驱氧，最后加入引发剂k p s ，再通5 分钟氮气，在5 0 下 封管反应1 2 个小时，得到杂化水凝胶( p g a - - l 系列) 。将所得凝胶切片，+ 用蒸 馏水浸泡，每天换水，一周后取出，再在5 0 。c 下干燥至恒重，得到无色透明样 品，置于干燥器中备用。为了进行对比研究，在不加入粘土和保持其它反应条件 不变盼睛况下制得单一水凝胶( p g a ) 。 6 中山人学硕士学位论文 第二章 2 1 3 水凝胶的表征 红外光谱( 1 r ) ：采用美国b r u k e re q u i n o x 5 5 傅立叶变换红外光谱仪得到 样品的红外光谱图。 热重分析( t g ) ：用德国n e t z s c ht g2 0 9 型热重分析仪在氮气气氛、i o 。c m i n 的升温速率下测定3 0 到6 0 0 条件下干凝胶的热重曲线。 扫描电镜( s e m ) ：日本电子株式会社j s m 一6 3 3 0 f 场发射电子扫描显微镜。将达 到溶胀平衡的水凝胶在5 0 烘箱中脱水干燥，用双面胶粘置 在扫描电镜的载物台上，然后喷金处理，观察其形态结构。 高级旋转流变仪：采用美国t ai n s t r u m e n t 公司生产的a r e s r f s 型高级流变扩 展系统测定凝胶试样的流变性能。选用平板式测头，将溶胀后 的凝胶制成大约2 m m 厚，直径大约2 5 r a m 。所有的测试都在 3 7 下进行。 2 1 4 溶胀比测定 在一定温度下，将质量为的干凝胶浸泡在溶液中，每隔一定时问o ) 取出 样品，用滤纸轻轻吸去水凝胶表面附着的液体后称重( 鳓，再继续于介质中溶胀， w 。，w d 即为t 时刻溶胀比q ， 直至溶胀平衡，即重量不再增加，达到饱和时的 溶胀比为平衡溶胀比q 。平衡含水量晰e ) 的计算如式2 - 1 e w c = ( w t - - w a ) w t = 1 - - 1 q 。 ( 2 - 1 ) t 时刻的吸水量尬由式2 2 定义： 尬= 晰一耽 ( 2 2 ) 达到溶胀平衡时的吸水量为m 。 2 1 5 溶胀动力学研究 7 中山大学硕士学位论文 第二童 对于干态水凝胶在水中的溶胀，当m , 0 6 时，k a b r a 等 删发现其溶 胀动力学可借下式加以描述： m t m e q - 矿t 2 - 3 、 式中，k 为水凝胶的特性常数；，l 是描述材料溶胀机理的重要参数，它反应 了溶剂的扩散速度与聚合物链松弛速度的关系且水在凝胶中的扩散系数( d ) 可由下式给出： 尬厂峨口= 例o5 ) ( d x t l 2 ) o 5 ( 2 4 ) 其中上为干态水凝胶的初始厚度我们以上述式2 - 3 式对有关实验数据进行 线性回归分析，由回归方程的截距和斜率可得到两种水凝胶的七和彪值；再以上 述式2 4 对相关实验数据进行线性拟合，得到溶剂在两种水凝胶中的d 值 2 2 结果与讨论 2 2 1 水凝胶的制备与表征 2 2 1 1 合成条件及优化 表2 1 列出了凝胶试样的合成条件及形态。从表中可以看出当交联剂的量 少于2 时凝胶不成形，很难从试管中取出；但如果交联剂的量大于2 时，凝 胶的交联点多，网络密度增大，凝胶透明度降低，出现非均相，最后确定交联 剂的量为e 5 1 8 t 和a a 总用量的2 。 本实验中在反应的同时还通入了氮气，其目的是为了除去体系中的氧气， 因为氧气对反应有阻聚作用，能降低聚合反应速率。但通入氮气的时间不能过 长，否则生成的水凝胶含有气泡。 单体a a 浓度过高，聚合散热不良，易发生暴聚，交联度过大，吸水性也 低，反应体系中的气体难以排出从而最终导致得到的产品气泡多，凝胶力学强 度降低。e - - 5 1 8 t 粘度很大，如果浓度过高，气体较难排出所得凝胶有较多气 泡。 本实验中引发剂的浓度确定为e 5 1 8 t 和a a 加量的5 。 8 中山人学硕士学位论文 第二章 表2 - 1 水凝胶的合成条件及形态 e - 5 1 8 ta n k p sb i s 粘土温度 试样 凝胶形态 q l - 1 ) ( t o o l l l )( 9 0 1 ) 馆l 1 ) ( gl - 1 ) ( ) 本文采用溶液自由基聚合交联、粘土原位复合法制备杂化水凝胶，其过程如 图2 - 1 所示。在聚合反应开始之前，首先是水分子对粘土的插层过程，l a p o n i t e 粘在水中溶解，由于其表面带有大量负离子，在水溶液中易于分散，层间距增 大。第二步是加入聚合物单体小分子对l a p o n i t e 粘土进行插层，加入引发剂以后， 发生聚合反应，聚合物分子链稳定地增长，并依靠反应释放出的能量扩大 l a p o n i t e 的层问距，甚至进一步破坏其有序结构。最终聚合物链的一端或者两端 附着在粘土表面，形成了受粘土束缚的高分子凝胶网络【4 ”。 = = = = = o单忙 笆三璺 ) l 卫 耳o “ j 出 各寸 + 誊善：刍豪 ) 五 n ：丛， ，z 崂 3i 盆 n c = 州 图2 1 杂化水凝胶形成示意图 9 发删 盛旨丘应 霆 雾 中山大学硕士学位论文 第二章 2 2 1 2i r 分析 4 0 0 03 5 0 0 3 0 0 02 5 0 02 0 0 01 5 0 01 0 0 05 0 0 w a v e n u m b e rc m 1 图2 2 p g a 的红外光谱图 4 0 0 03 5 0 0 3 0 0 02 5 0 02 0 0 01 5 0 0 1 0 0 05 0 0 w a v e n u m b e rc m 1 图2 3p g a - l 1 的红外光谱图 1 0 加 盯 = 詈 ：宝 呲 心oc日#一ec巴一 加 蛐 雌 ooc翌_重c一 三型堑竺型里生竺燮 兰三主 图2 - - 2 是p g a 单一型水凝胶和p g a l 1 杂化型水凝胶的i r 光谱图。图 中，在3 2 0 0 c m 1 处均出现了o h 的伸缩振动吸收，7 9 0 c m 一的吸收峰是由于 s 卜o 键的伸缩振动引起的，是粘土的特征峰，在1 7 2 5 c m 1 处出现了一c ：0 的伸 缩振动吸收，1 4 0 0 1 4 5 0 c m 1 出现了c h 2 的弯曲振动，表明粘土、a a 和e 5 1 8 t 都进入了凝胶骨架中。 2 2 1 3 热重分析 图2 4 至图2 6 给出了p g a ，p g a l 1 和p g a l 2 的热失重曲线。从图中 可以看出在低于2 0 0 。c 有很小的失重峰，一般认为这个温度下的失重是由于凝胶 中的束缚水的蒸发所引起的。凝胶在2 8 0 。c 、4 2 7 。c 左右有两个明显的失重峰， 而2 5 0 一3 5 0 范围内的失重峰是由于聚合的脱水缩合和去羰基化 1 5 0 l ( d e c a r b o x y l a t i o n ) ，所以此处是糖类分解峰；而4 0 0 。c 以上温度范围内的失重对 应于残余的聚合物的降解 4 8 1 。从图中还可以看出，在2 8 0 。c 下的热分解峰在加入 粘土后分别提高到2 8 2 。c 和2 8 3 。c ，说明粘土的加入改善了凝胶的热性能。 术 o i - - - 图2 4p g a 热失重曲线 o _ j o 提 了 5 中山大学硕士学位论文第二章 述 o i - - 零 o i - - t e m p e r t u r e ( ) 图2 5p g a l 1 热失重曲线 t e m p e r t u r e ( ) 图2 6p g a - l 3 热失重曲线 罩 容 曼 暑 泵 耋： o 中山人学硕士学位论文 第二章 2 2 1 4 扫描电镜 图2 - - 7 至图2 - - 1 0 是单一水凝胶p g a 和杂化水凝胶p g a l 1 的电镜照片。 从图中可以看出其中白色为凝胶三维网络交联网络骨架，主要由聚合物链段聚集 形成的团粒构成；图中的黑色部分是团粒之间形成的孔【4 9 1 ，可以看出两剥，凝胶 均呈现出明显的多孔网络结构。从图中对比发现，加入粘土的凝胶表面要较为平 整，凝胶结构较为规整。 图2 7p g a 放大1 0 0 倍的照片 图2 8p g a - l 1 放大1 0 0 倍的照片 图2 9p g a 放大6 0 0 倍的照片图2 1 0p g a l 1 放大6 0 0 倍的照片 ! 兰! _ 丈堂塑主兰垡堡苎 塑三主 2 2 1 5 流变性表征 5 0 0 一 罡4 0 0 百 三 3 暑3 0 0 苎 基 32 0 0 1 0 0 0 02 0 4 06 0 8 01 0 0 f r e q u e n c y ( h z ) 图2 1 1 频率对储存模量的影响 0 2 04 06 08 01 0 0 f r e q u e n c y h z ) 图2 一1 2 频率对损耗模量的影响 1 4 侣竹帖；5；鲫：8鲫巧：g弱非 寸乱)s兰3do王oaeo一 ! 型坐! ! 塑主竺堡篓苎 兰三主 4 0 6 08 01 0 0 f r e q u e n c y ( h z ) 图2 一1 3 频率对损耗角正切值的影响 图2 1 1 至图2 1 3 分别给出了凝胶试样的储存模量( g ) 、损耗模量( g ”1 和损耗角正切值随频率变化情况。从图中可以看出，凝胶的储存模量g 随频率 的变化不明显，且储存模量g 大于损耗模量g ”，是标准的弹性体行为，表示 凝胶中粒子问相互缠结作用较强，已处于聚集状态；且g 随频率变化的斜率接 近零，表明聚合物具有典型的交联网络结构 5 0 1 。在低频区，g ”先是随频率增大 而下降，然后则是随着频率的增大而略上升，反映分子运动导致动态响应可分为 两部分，一是分子链内的松弛运动，另一是形成缠结交联网运动，分子链间活性 点多数发生交换而缠结作用。损耗角正切值随频率的增大先是下降，然后随频率 的增大而略上升。 从圈2 一1 1 中还可以看出，含有粘土的凝胶和不含粘土的凝胶相比，其g 要大。这是因为粘土含有大量的负电荷，使得凝胶上的静电排斥力增大，而静电 排斥力能防止凝胶网络过度聚集，从而得到均匀的凝胶网络，凝胶强度增大。从 图中还可以看出，粘土含量多的凝胶其g 要比粘土含量少的凝胶大，含有r d s 级粘土的凝胶其g 要比含有r d 级粘土的凝胶大。结果表明，粘土的加入提高 了凝胶的力学强度。 | 圣 嘶 啪 | 莹 啪 幡 啪 ；呈 | 詈 咖 0 o 0 o 0 o 0 o n 0 0 0 _亡m口c口一o一 中山大学硕土学位论文第二章 从图2 1 2 中还可以看出，含有粘土的凝胶和不含粘土的凝胶相比，其g ” 亦要大，粘土含量多的凝胶其g ”要比粘土含量少的凝胶大，含有r d s 级粘土的 凝胶其g ”要比含有r d 级粘土的凝胶大。 从图2 1 3 中可以看出，在五种试样中含有r d s 级粘土的凝胶其损耗角正 切值要比含有r d 级粘土的凝胶和不含粘土的凝胶要大，并且粘土含量多的凝胶 图2 - 1 4 粘土含量对水凝胶溶胀比的影响( 3 7 。c t p h = 7 4 ) 图2 一1 4 是三种水凝胶的溶胀时问( 幻与在水中溶胀比( q ，) 的关系图。从图 中可以看到，在溶胀初期三种水凝胶的溶胀比增加较快，之后逐渐趋于稳定；当 溶胀i t t l j i 增至1 5 0 0m i n 时，其溶胀基本达到平衡相比之下，含有粘的水凝 胶在相同的溶胀时间情况下有较大的平衡溶胀比，由此表明含秸土的杂化水凝胶 有更好的溶胀能力。这是因为加入带有大量负电荷秸土的水凝胶其排斥力比不加 粘土的水凝胶排斥力要大，所以导致其溶胀比增加。图中还可以看到在考察范围 内，相同溶胀时间内粘土的含量较高的溶胀比小于粘土含量较低的。这是因为粘 1 6 中l ij 大学硕士学位论文 第二章 土含量低时，凝胶网络中的交联点的密度低，凝胶中的高分子链更舒张，所以溶胀 比高。 图2 1 5 是三种凝胶的溶胀时间与含水量的关系图，将实验数据按式2 3 进 行处理，所得有关溶胀动力学参数见表2 2 。从表中可以看出，三种试样的n 值都介于0 5 和1 o 之间。一般说来，凝胶中溶剂的扩散分为三种【5 1 i ：f i c k i a n 扩散，即溶剂的扩散满足f i c k i a n 扩散定律，是扩散控制过程，门0 5 ：松 弛平衡( r e l a x a t i o n b a l a n c e d ) 扩散，是大分子链松弛控制过程，7 i 0 ： 非f i c k i a n 扩散，溶剂扩散速度与大分子链松弛速度相当，力= 0 5 1 0 所以 凝胶是非f i e k i a n 扩散，溶剂扩散速度与大分子链松弛速度相当。从表中还可以 看出所求得三个的d 值中，从大n d , 依次是p g a ，p g a - l 1 ，p g a - l 2 。 18 1 6 1 4 12 10 90 b 王 0 6 0 4 0 2 0 0 5 0 005 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 0 2 5 0 03 0 0 03 5 0 0 t i m e ( m i n ) 图2 1 5 凝胶时问与含水量的关系图( 3 7 。c ，p h = 7 4 ) 表2 - - 2 3 7 水中不同粘土含量的水凝胶溶胀动力学参数0 h = 7 4 ) 中山大学碗士学位论文 第二章 2 2 2 2p t i 值的影响 1 0 0 9 0 8 0 7 0 一6 0 蓦5 0 。 3 0 2 0 1 0 0 4 1 01 2 图2 1 6p h 值对的水凝胶平衡溶胀比的影响( 3 7 5 c ) 图2 1 6 是不同p h 值对水凝胶平衡溶胀比的影响。从图中可以看出，所得 水凝胶是典型的p h 敏感型水凝胶，p h 对其溶胀行为有着很大的影响。水凝胶 在酸性条件下平衡溶胀比的变化不明显，但当p h 升高至6 时，水凝胶的平衡溶 胀比开始变化，当p h 继续升高时，凝胶的平衡溶胀比迅速增加。这是因为当p h 1 时表明其吸附作用是多种作用的总和；龆 1 时反映的是标准的l a n g m u i r 吸附模式。表3 2 列出了采用f r e u n d l i c h 方程处理实验数据所得到的参数，从 表中可以看出大部分的，l 值都是大于1 的。表3 2 列出了采用l a n g m i u r 方程处 理实验数据所得到的参数，从所求得的相关系数可以看出凝胶的吸附更加符合 l a n g m i u r 方程。 c ( m 0 l ) 图3 9 不同温度下p g a 的等温吸附曲线( p h = 7 4 ) c t o g a - ) 图3 1 0 不同温度下p g a - l i 的等温吸附曲线( p n = 7 4 ) 4 1 ( 6 ，b e 一一 似 雌 一口，6 e i 兰型坐兰墅堂竺笙茎 笙兰皇 乞( r a g l ) 图3 - - 1 1 n n n 度下p g a - l 2 的等温吸附曲线( p h = 7 o1 0 卸 3 04 07 0 e ( m g 脚 图3 - - 1 2 三种凝胶在2 5 。cf 的等温吸附曲线( p h = 7 4 ) 2 o 8 1e 1 4 12 暑10 呈 一o 8 0 6 0 4 0 2 c - ( r a g l ) 图3 1 3 三种凝胶在3 7 9 c 下的等温吸附曲线( p h = 7 4 ) 拍 伸 坦 ” 雌 2 1 6 ，曲一一 他 仙 吣 一口，6 e 争 中山大学硕：l 学位论文 第三章 15 一 暑1 o e c ( m “u 图3 1 4 三种凝胶在4 7 j 。c 下的等温吸附曲线( p h = 7 4 ) 表3 - - 2 采用f r e u n d l i c h 方程处理实验数据所得到吸附等温线参数( p h = 7 4 ) p g a p g a l 1 p g a 。l 2 2 5 3 7 4 7 4 6 8 1o _ 1 1 2 x1 0 叱 1 8 2 1 0 。j 1 3 6 1 1 8 1 7 1 0 9 7 2 0 9 7 3 0 9 8 3 2 5 3 7 4 7 4 5 7 1 53 7 x 1 0 。 1 0 2 1 0 。 1 3 7 0 8 4 1 9 1 0 9 7 2 0 ，9 8 1 0 9 7 5 中山大学硕一l 学位沦文 第三幸 表3 3 采用l a n g m i u r 方程处理实验数据所得到吸附等温线参数( p h = 7 4 ) 百f 可百b r 试样 t ( ) 。 3 2 3 药物负载 表3 4 列出了水凝胶的药物负载量，从表中看出p g a 的药物负载量最低， 含有粘土的凝胶其药物负载量要高，其中粘土含量高的凝胶药物负载的要比粘土 含量低的凝胶负载的少。这可能是因为含有粘土的凝胶其溶胀比比不含粘土的 大，所以能吸附较多的药物；含有r d s 级粘土的凝胶由于其分散性更好，其溶 胀比要比含有r d 级粘土的凝胶大，能吸附较多的药物。 图3 1 5 是v b l 2 的红外光谱图，图3 一1 6 是包埋了v b l 2 的p g a 红外光 谱图，图3 1 7 是包埋了维生素b 1 2 的p g a l 1 红外光谱图。三个图中都在 3 5 0 0 c m 。1 - - 3 3 0 0c m d 之间出现了维生素b 1 2 的n h 的特征吸收，表明维生素进 入凝胶骨架中。1 0 0 2 c m1 附近的峰为粘土的特征s i o 伸缩振动峰。 图3 1 8 至图3 2 1 为p g a 、p g a - l 1 以及包埋了v b l 2 的p g a 和包埋了 v b l 2 的p g a - l 1 电镜照片。从图中对比包埋与不包埋v b l 2 的凝胶发现包埋了 v b l 2 的凝胶孔洞有所减少，说明v b l 2 进入凝胶体系中，填充了凝胶的孔穴。 中山大学硕士学位论文第三章 从图中对比发现加入粘土的凝胶表面要较为平整，凝胶结构较为规整。 表3 4 各种水凝胶的药物负载量 试样 负载量( m g g - x ) p g a p g a l 1 p g a l 2 p g a l 3 p g a l 4 1 0 6