（应用化学专业论文）pH敏感性壳聚糖聚丙烯酸共聚物水凝胶的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 壳聚糖( c h i t o s a n ) 是甲壳素的脱乙酰产物，是自然界最丰富的天然高分子 之一。由于它是一种生物相容性好、易生物降解且无毒的高分子材料，壳聚糖已 广泛应用于生物医学领域，其中包括伤口敷膜和药物传递系统等。近年来，壳聚 糖和聚丙烯酸复合物的制备及体外模拟药物释放特性也得到了广泛研究。 本文以6 0 c o 吖射线和电子束为辐照源，通过辐照壳聚糖和丙烯酸混合溶液的 方法制得了块状壳聚糖聚丙烯酸共聚物水凝胶。同时，根据交联壳聚糖在酸性 条件下溶胀性较好的特点，将预先制备好的交联壳聚糖薄膜浸在不同浓度的丙烯 酸溶液中使其充分溶胀，再将该湿膜辐照聚合，同样得到了具有p h 敏感性的水 凝胶薄膜。研究了p h 、组分配比、离子强度、辐照剂量和干燥方式等因素对产 物溶胀性能的影响，并采用傅立叶红外光谱仪( f t i r ) 进一步验证共聚物水凝胶 在不同p h 条件下的响应情况。结果表明，凝胶在p h 较高和较低时溶胀较好， 而在中阃p h 范围溶胀较差，呈现明显的抛物线状；在本文研究范围内，凝胶溶 胀率随着辐照剂量的增大而增大，但到辐照剂量增大到一定程度时，增大趋势趋 于平缓。在此基础上，还研究了凝胶的溶胀动力学性能，其消溶胀过程符合修正 的菲克第二扩散定律。以考马斯亮蓝为药物模型，采用溶胀吸附法对其进行包埋， 并用分光光度法研究了包埋于共聚物水凝胶中的考马斯亮蓝的释放过程。 本文还以环己烷为油相，壳聚糖丙烯酸混合溶液为水相，采用反相乳液聚 合法制得了具有p h 敏感性的壳聚糖聚丙烯酸共聚物微球，研究了微球在p h 1 1 0 缓冲溶液中的溶胀率变化。研究表明，微球在p h - z l 和p h 7 的条件下，溶 胀率均在1 0 倍以上；而在p h2 6 范围内溶胀较差，当p h = 4 时出现最低值，溶 胀率低于1 倍。光学显微镜所观察到的微球粒径均在4 0 p m 以内，且大小相对均 匀。采用f t i r 分析了不同配比的共聚物微球红外吸收峰的变化情况：此外，通 过对微球包埋考马斯亮蓝溶胀释放过程的研究可知，粒径和配比适度的c s p a a c 微球能有效地控制考马斯亮蓝持久缓慢释放，其中以1 t l c s ：y 1 1 a a 。= 1 ：2 的样品效果 较好。 关键词：壳聚糖：聚丙烯酸；水凝胶；薄膜；微球；p h 敏感性；辐照；反相乳 液聚合 第1 页 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h i t o s a n ，w h i c hi so b t a i n e db ya l k a l i n ed e a c e t y l a t i o no f c h i t i n ，i so n eo f t h em o s t a b u n d a n tn a t u r a lp o l y m e r si nt h ew o r l d s i n c ei t i sah y d r o p h i l i c ，b i o c o m p a t i b l ea n d b i o d e g r a d a b l ep o l y m e ro fl o wt o x i c r y ，c h i t o s a nh a sb e e nu t i l i z e di nav a r i e t yo f b i o m e d i c a la p p l i c a t i o n si n c l u d i n gw o u n dd r e s s i n g sa n dd r u gd e l i v e r ys y s t e m s ，e t c i n r e c e n ty e a r s ，t h ep r e p a r a t i o na n da p p l i c a t i o no fc h i t o s a na n dp o l y ( a c r y l i c a c i d ) c o m p l e xh a v ea l s ob e e nw i d e l yi n v e s t i g a t e d ap h - s e n s i t i v ec o p o l y m e rh y d r o g e lo fc h i t o s a n p o l y ( a c r y l i ca c i d ) ( c s p a a c ) w a sp r e p a r e db yi r r a d i a t i n gt h ea q u e o u ss o l u t i o nm i x t u r eo fc h i t o s a na n da c r y l i ca c i d w i t h ”c ot - r a yo re l e c t r o nb e a m l i k e w i s e ，a c c o r d i n gt ot h eg o o ds w e l la b i l i t yo f c r o s s l i n k e dc h i t o s a ni na c i d i cc o n d i t i o n ，c o p o l y m e rf i l m so fc s p a a cw e r ep r e p a r e d b yi r r a d i a t i n gt h ec r o s s l i n k e dc sf i l m sw h i c hw e r es w e l l e db ya a ca q u e o u ss o l u t i o n s i nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n ，r e s p e c t i v e l y t h ee f f e c to fp h ，f e e dr a t i oo fc h i t o s a na n d a a c ，i o n i cs t r e n g t h ，i r r a d i a t i o nd o s ea n d 出孤n gm e t h o d0 nt h es w e l l i n gr a t i oo ft h e c o p o l y m e r sw e r ed e t e r m i n e d f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d ( f t i r ) s p e c t r o m e t r yw a s a p p l i e di nt h ea t t e n u a t e dt o t a lr e f l e c t a n c e ( a t r lm o d ef o ra n a l y z i n gt h es t r u c t u r e c h a n g eo ft h eh y d r o g e l s a f t e rt h et r e a t m e n ti nd i f f e r e n t p hb u f f e rs o l u t i o n s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tc s p a a ch y d r o g e ls w e l l e di nb o t ha c i d i c ( p h i l ) a n d b a s i c ( p h 7 ) c o n d i t i o n ，b u ts h r u n ki nt h em i d d l ep hr a n g e ，j u s tl i k eap a r a b o l a ；t h e s w e l l i n gr a t i oo ft h eh y d r o g e l si n c r e a s e dw i t ht h ei r r a d i a t i o nd o s e ，b u tt r e n d e dt os t o p a tac e r t a i nl e v e l m e a n w h i l e ，t h es w e l l i n gd y n a m i c sw a sd i s c u s s e d ，a n di ti s a c c o r d i n gt ot h em o d i f i e df i c ks e c o n d a r yd i f f u s i o nl a w c o o m a s s i eb r i l l i a n tb l u e ( c b b ) w a su s e da sad r u gm o d e la n di m m o b i l i z e di nt h ec s p a a ch y d r o g e l ，a n dt h e r e l e a s ec h a r a c t e r i s t i cw a ss t u d i e db yd e t e r m i n i n gt h ec o n c e n t r a t i o nc h a n g eo fc b b u s i n g7 2 2g r a t i n gs p e c t r o m e t e r f u r t h e r m o r e ，c s p a a cc o p o l y m e rm i c r o s p h e r e sw e r ep r e p a r e db yr e v e r s e d p h a s ee m u l s i o np o l y m e r i z a t i o nm e t h o d t h e e f f e c to fp ho nt h ee q u i l i b r a t e ds w e l l i n g r a t i oo ft h em i c r o s p h e r e sw a sd e t e r m i n e d t h e i rs w e l l i n gc h a r a c t e r i s t i c sw e r es i m i l a r t ot h eh y d r o g e lo b o v e ，w h e np h = 1o rp h 7 ，s w e l l i n gr a t i ow a sm o r et h a n10t i m e s ； b u ti nt h er a n g eo f2t o6 ，t h es w e l l i n gr a t i ow a sm u c hs m a l l e ra n do c c u r r e dt h e m i n i m u ma r o u n dp h4 ( 1 e s st h a n1t i m e s ) a no p t i c a lm i c r o s c o p ew a su s e dt oo b s e r v e t h e i rd i a m e t e rs i z e ( 4 0 9 m ) a n da p p e a r a n c e f t i rw a su s e df o ra n a l y z i n gt h ec h a n g e 第1 i 页 圭塑奎兰堡圭堂垡笙塞 o fa b s o r p t i o n p e a k t h er e s u l t o fs w e l l i n g - r e l e a s e e x p e r i m e n ts h o wt h a tt h e m i e r o s p h e r e sc o n t a i n i n gc o o m a s s i eb r i l l i a n tb l u ew i t ht h er a t i oo fm c s ：m a a c = 1 ：2 c o u l de f f i c i e n t l yr e a l i z es l o wa n dc o n t i n u a lr e l e a s e k e yw o r d s ：c h i t o s a n ；p o l y ( a c r y l i ca c i d ) ；h y d r o g e l ；f i l m ；m i c r o s p h e r e ；p h - s e n s i t i v e ； i r r a d i a t i o n ；r e v e r s e d - p h a s ee m u l s i o np o l y m e r i z a t i o n 第1 i i 页 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 叠道1曰期竺哇! ! ：墨 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盗亟塾导师签名：懿逐日期：主啦壁：盟 上海大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 甲壳素，壳聚糖的概况 甲壳素( c h i t i n ) y 名甲壳质，几丁质，其化学名为( 1 ，4 ) 2 乙酰氨基2 脱氧 - p - n 一葡聚糖。它是许多低等动物，特别是节肢动物( 如虾、蟹等) 外壳的重要成分， 同时也存在于低等植物如真菌的细胞壁中】，分布十分广泛，是地球上仅次于 纤维素的、数量最丰富的有机化合物之一。 甲壳素和壳聚糖的结构与纤维素结构相似，其结构式分别表示如下： 剧c f i = o h 。 每1 。每1 。 1 1 1 理化性质 甲壳素壳聚糖纤维素 图1 1 甲壳素、壳聚糖和纤维素的结构式 1 物理性质 甲壳素是呈白色或灰白色、半透明无定形固体，大约在2 7 0 分解，几乎不 溶于水、乙醇、乙醚、稀酸和稀碱，可溶于浓无机酸，但同时主链发生降解。壳 聚糖( e h i t o s a n ) 由甲壳素脱乙酰基雨得，所以又叫脱乙酰甲壳素；同时由于壳聚糖 的溶解性能较甲壳素大大改善( 可溶于稀有机酸和部分无机酸) ，因此习惯上称为 可溶性甲壳素州。 2 化学性质 壳聚糖作为一种天然多糖衍生物，具有优良的生物亲和性，其分子链上丰富 的羟基和氨基，可发生多种化学反应【7 9 】。例如：酰化反应、羧基化反应、醚化 反应、席夫碱反应、n 烷基化、酯化反应、水解反应和一些其他反应( 氧化、接 第1 页 一 一圭塑查堂堡主堂垡丝墨 枝共聚、重氮化、螯合等) 。 羧基化反应：羧基化反应是指用氯代烷酸或乙醛酸，在甲壳素或壳聚糖的 6 一羟基或胺基上引入羧烷基基团，研究最多的是羧甲基化反应，其相应的产物为 羧甲基甲壳素( c m c h i t i n ) 、o 。羧甲基壳聚糖( o c m c h i t o s a n ) 、n 一羧甲基壳聚糖 ( n c m - c h i t o s a n ) 和0 ，n 一羧甲基壳聚糖( o ，n c m c h i l o s a n ) 。 醚化反应：与羧甲基反应类似，在甲壳素和壳聚糖羟基上形成相应的醚类衍 生物。甲壳素与聚氧乙烯反应生成的醚化物具有良好的保水性能，几乎与透明质 酸相当。可使化妆品不发粘，保湿性好。 接枝共聚反应：这是甲壳素和壳聚糖最有吸引力的化学改性之一。乙烯基单 体在甲壳素和壳聚糖上进行接枝聚合，可得到新型的特种合成多糖聚合物。 1 1 2 制备方法 将虾、蟹壳洗净干燥后，以5 稀盐酸于室温浸泡2 h ，除去原料中的碳酸钙； 然后过滤、水洗至中性；再置于1 0 的n a o h 溶液中煮沸2 h 脱蛋白，然后过滤、 水洗至中性，干燥即得甲壳素。 将甲壳素置于4 5 5 0 氢氧化钠溶液中，在1 0 0 。c 1 1 0 水解4 h 或用4 0 的氮氧化钠溶液，于8 4 c ：k l 的烘箱中保温1 7 h ，然后过滤、水洗至中性、干燥 即得壳聚糖。为加快脱乙酰反应，可进行间断性水洗。 此外，还可用酶法、微波法制各壳聚糖 1 1 - 13 1 。另外也可以利用微生物的菌体 结合生物技术提取壳聚糖。6 】，如m u c o rr o u x i i 、柠檬酸废菌体等；该方法不受 原料的季节性影响，发展前景看好。 1 1 3 壳聚糖脱乙酰度的测定 壳聚糖脱乙酰度的测定方法很岁 j ，如酸碱滴定法、苦味酸法、胶体滴定法、 银量滴定法、电位滴定法等，其中最简单的是酸碱滴定法，该法无需特殊的仪器 且重复性好。具体步骤如下：准确称取约o 5 9 壳聚糖样品放入2 0 m l 锥形瓶中( 带 塞) ，j j l l a 3 0 m l01 m o l lh c i 标准液，不停的缓缓摇动，待壳聚糖完全溶解后加 钨2 币 上海大学硕士学位论文 枝共聚、重氮化、螯台等) 。 羧基化反应：羧基化反应是指用氯代烷酸或乙醛酸，在甲壳素或壳聚糖的 6 一羟基或胺基上引入羧烷基基团，研究最多的是羧甲基化反应，其相应的产物为 羧甲基甲壳素( c m - c h i t i n ) 、o - 羧甲基壳聚糖( o c m c h i t o s a n ) 、n 一羧甲基壳聚糖 ( n c m c h i t o s a n ) 和o ，n 一羧甲基壳聚糖( o ，n ，c m c h i t o s a n ) 。 醚化反应：与羧甲基反应类似，在甲壳素和壳聚糖羟基上形成相应的醚类衍 生物。甲壳素与聚氧乙烯反应生成的醚化物具有良好的保水性能，几乎与透明质 酸相当。可使化妆品不发粘，保湿性好。 接枝共聚反应：这是甲壳素和壳聚糖最有吸引力的化学改性之一。乙烯基单 体在甲壳素和壳聚糖上进行接枝聚台，可得到新型的特种合成多糖聚合物。 1 1 2 制备方法 将虾、蟹壳洗净干燥后，以5 稀盐酸于室温浸泡2 h ，除去原料中的碳酸钙； 然后过滤、水洗至中性；再置于1 0 的n a o h 溶液中煮沸2 h 脱蛋白，然后过滤、 水洗至中性，干燥即得甲壳素u 。 将甲壳素置于4 5 5 0 氢氧化钠溶液中，在1 0 0 c 1 1 0 c 水解4 h 或用4 0 的氮氧化钠溶液，于8 4 士l 的烘箱中保温1 7 h ，然后过滤、水洗至中性、干燥 即得壳聚糖。为加快脱乙酰反应，可进行间断性水洗。 此外，还可用酶法、微波法制备壳槊糖 1 1 - 13 l 。另外也可以利用微生物的茵体 结合生物技术提取壳聚糖o ”。1 q ，如m u c o rr o u x i i 、柠檬酸废菌体等：该方法不受 原料的季节陛影响，发展前景看好， 1 1 3 壳聚糖脱乙酰度的测定 壳聚糖脱乙酰度的测定方法很多，如酸碱滴定法、苦昧酸法、胶体滴定法、 银量滴定法、电位滴定法等，其中最简单的是酸碱滴定法，该法无需特殊的仪器 且重复性好。具体步骤如下：准确称取约o5 9 壳聚糖样品放入2 0 m l 锥形瓶中( 带 塞) ，j j n x 3 0 m 0i m o l lh c i # 5 准液，不停的缓缓摇动，待壳聚糖完全溶解后加 塞) ，j j l l x 3 0 m 0i m o l lh c l 标准液。不停的缓缓摇动，待壳聚糖完全溶解后加 镐2 硬 一 圭塑查堂堡主兰堡垒苎 2 滴甲基橙，用0 ，l m o l l n a o h 标准滚滴定，记下n a o h 的用量，根据反应前后h c l 标准溶液浓度的改变即可算出样品的脱乙酰度。 1 1 4 应用 壳聚糖作为一种天然多糖衍生物，具有优良的生物亲和性，易生物降解，其 分子链上丰富的羟基和氨基，使其易于进行化学修饰而赋予多种功能，它在医药、 食品、农业、纺织、污水处理等领域得到了广泛的应用。可用作： 1 ) 纺织、印染工业用作涂料染花粘合剂，织物防缩整理剂。 2 ) 环保、饮用水、饮料、食品工业水处理剂、絮凝剂、重金属脱除剂i 捕l 。 3 ) 保健食品，提高人体免疫力、抗衰老、增强机体活力【l 9 】。 4 ) 烟草、造纸、人造板等工业用作胶粘剂。 5 ) 农业方面用于肥料、农药缓释材料、粮蔬种衣剂、生物农药、农作物生长促 进剂、水果保鲜剂等口啦”。 6 ) 医药工业制造抗癌药、人造皮肤、人工肾、外科手术缝合线、降胆固醇药、 止血海绵、医用纤维和敷膜、药物载体等瞄。2 4 】。 1 1 4 1 智能药物释放体系 在刺激响应性聚合物中，亲水性聚合物网络构成的水凝胶研究得最多。研究 焦点部分集中在如何获得能在信号微小变化下迅速响应的水凝胶。一些凝胶当温 度变化l 时体积可溶胀数百倍或排除所含9 0 溶胀剂而收缩。田中丰一是此类 体积相转变智能凝胶研究领域的奠基人。 姚康德等从生物相容性良好，且有杀菌、抗溃疡病作用的壳聚糖与有生物粘 连性的明胶构成d h 敏感水凝胶，烽其作为治疗胃及十二指肠溃疡药物西酥替丁 的定位释放载体，可望开发出病灶p h 反馈控制的释药系统，以抑制药物对肾及 心血管系统的毒副作用。 第3 页 一 圭塑查兰堡主兰堡兰苎 1 1 4 2 人工肌肉 凝胶可作为与外界进行能量、物质和信息交换的开放系统。环境变化的信息 输入可使其产生非线性的形状和性能变化，进而能将化学能或物理能等转变为机 械能，成为运动功能材料( 人工肌肉) 。其推动力为凝胶内部和外界环境的化学 位差，其所引起的水和溶质的进出使形状发生变化。 1 1 4 3 刺激响应分离膜 一般分离方法要使用大量有机溶剂，且分离条件剧烈，在分离蛋白质等物质 时会使其失活。采用智能凝胶制备刺激响应分离膜，可在水性体系中通过微弱刺 激进行吸附，脱吸过程。 1 1 4 4 智能凝胶与生物技术 刺激响应聚合物和生物大分子( 如抗体蛋白酶、a 蛋白质、细胞色素) 以及 链霉素偶联将使此类分子系统适用于亲和分离、免疫测定和酶的回收与再循环。 1 1 。5 国内外甲壳素壳聚糖的市场现状及前景展望 甲壳素最早在1 8 1 1 年由法国科学家b r a c o n o t 从霉菌中发现，1 8 5 9 年法国人 c r o u g e t 用浓k o h 处理甲壳质，出现了壳聚糖。直n 2 0 世纪5 0 年代，才对甲壳素 的化学结构、性质和制备方法有了较透彻的了解。自上个世纪6 0 年代起，对甲壳 素及其衍生物的研究开发已变得十分活跃，尤其是近i o j l 年来研究工作更深入广 泛。 甲壳索在自然界的有机物中数量仅次于纤维素，估计每年生物合成的甲壳素 达1 0 0 亿吨，可提取壳聚糖2 0 亿吨以上，全世界每年水产加工后的甲壳索废弃物 约为1 4 0 万吨。自8 0 年代以来，在全球范围内形成了甲壳素、壳聚糖的开发研究 第4 页 一一占塑查堂堡主兰焦堡塞 热潮，各国都加大了对甲壳素、壳聚糖产品开发研究的力度，其中又以日本走在 各国的前列。在日本，壳聚糖类保健品是该国政府特许的唯一准许宣传疗效的功 能型保健食品 2 5 】。欧洲及美国的营养学界称壳聚糖为六大要素之，并投入大量 人力、物力、财力研制开发生产以壳聚糖为主要原料的第四代保健食品。 进入9 0 年代，中国对于甲壳质、壳聚糖资源的开发研究也越来越重视，有众 多的科研机构投入到该课题的研究当中，并已取得了不少成果2 6 1 。至今我国研制 的高科技产品有“人造皮肤”、“创伤愈合海绵”、“免拆手术缝合线”、“庚肤灵”、“庚 特肤生物敷料膜”等几十个品种，作为保健食品也有十多种如“喜多安”、“几丁单 糖”等。 1 2 壳聚糖智能水凝胶 1 2 1 水凝胶的定义和分类 水凝胶是一种亲水性高分子网络，不溶于水，但在水中能溶胀，并保持相当 的水分( 2 0 以上) 。它除了有良好的生物相容性外，还具有较高的水渗透性，有 定的强度，表面类似于生物体的软组织，这些特征使水凝胶可作为生物材料【2 ”。 水凝胶根据来源可分为天然水凝胶和合成水凝胶；根据合成方法 2 8 - 3 3 j 可分为 均聚物水凝胶、共聚物水凝胶、多聚物水凝胶和水凝胶互穿网络；根据离子电荷 还可以分为中性水凝胶、阴离子水凝胶、阳离子水凝胶和两性水凝胶等；根据形 状的不同又可以分为柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等；根据水凝胶对 外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感型的水凝胶等。 1 2 2 环境敏感性水凝胶 二十世纪八十年代初，t a n a k a 等人首次观察到了水凝胶的热敏性，提出了智 能水凝胶( 环境敏感性水凝胶) 这新概念。近几年来，智能水凝胶材料方面的研 究进展很快，已从最初单一的环境敏感效应发展到多重环境敏感性( 如温度3 “、 p h 值、光、电 3 7 , 3 8 1 等) 直至仿生功能。从发展趋势来看，智能水凝胶可能在 第5 页 上海大学硕士学位论文 各种仿生功能及具有“开关”效应的药物缓释体系等方面的研究有较大的突破。图 1 - 2 为敏感性水凝胶的溶胀，收缩过程示意图。 ：繇 图1 - 2 敏感性水凝胶的溶胀收缩过程示意图 1 2 2 1 温度敏感性水凝胶 温敏性水凝胶是其体积能随温度变化的高分子凝胶，分为高温收缩性凝胶和 低温收缩性凝胶。温敏性材料可望用作：( 1 ) 驱动元件；( 2 ) 温度调控的生物偶联 物，控制酶活性；( 3 ) 使水由高分子溶液中萃取的分离组件：( 4 ) 智能药物释放载 体。 刺激响应凝胶的缺点是其力学强度差，特别当其吸收大量水溶液时，施以较 小的应力即损坏。 1 2 2 2p h 敏感性水凝胶 p i - i 响应性凝胶是其体积能随环境p h 值变化的高分子凝胶。这类凝胶大分 子网络中具有可解离的基团，其网络结构和电荷密度随介质p h 值变化，并对凝 胶网络的渗透压产生影响；同时因网络中增加了离子，离子强度的变化也引起体 积的变化。 第6 页 上海大学硕士学位论文 1 2 ，2 3 电场敏感性水凝胶 电活性凝胶是其溶胀易受电场( 或电流) 影响的凝胶，它一般由交联聚电解 质( 分子链上带有可离子化基团的高分予) 网络组成。在此类凝胶中，荷电基团 的抗衡离子在电场中迁移，使凝胶网络内外离子浓度发生变化，导致凝胶体积或 形状改变。 1 2 2 4 化学物质敏感性水凝胶 有些水凝胶的溶胀行为会因特定物质( 如糖类) 的刺激而发生变化，例如药 物释放体系可依据病灶引起的化学物质( 或物理信号) 的变化进行自反馈，通过 水凝胶的溶胀与收缩调控药物释放的通、断。另外，可在相转变附近将生理活性 酶、受体或细胞包埋入水凝胶中，使其在目标分子等近旁诱发体积相交而起作用， 1 2 3 水凝胶的制备方法1 2 8 ，3 9 i 1 ) 单体的聚合和交联 由单体直接合成水凝胶的方法一般是由亲水性单体出发，经交联聚合可得水 凝胶。根据亲水官能团的特征，单体大致可以分为中性、酸性和碱性三种。 2 ) 聚合物的交联 从聚合物出发制各水凝胶有物理交联和化学交联两种。物理交联通过物理作 用力如静电作蠲、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。 a ) 热化学交联聚合 热化学交联共聚是一种常见的制备水凝胶的方法，对于一些水溶性的单体， 例如丙烯酰胺、丙烯酸及其一些衍生物可采用自由基引发水溶液聚合法制备相 应的水凝胶。反应过程需要加入引发剂、交联剂，并在一定的温度下才可以进行。 引发剂可选用无机过氧化物( 如过硫酸钾) 或水溶性氧化还原引发体系( 如氧化 剂用过硫酸钾，还原剂用亚硫酸氢钠) 。交联剂常选用双丙烯酰胺或双丙烯酸酯 第7 页 一 生塑查堂婴圭兰垡塑苎 ( 如n ，n 亚甲基双页烯酰胺等) 。由于水凝胶的制备受到引发剂、反应温度等 条件的影响，所以热化学交联聚合法制备水凝胶受到了一定程度的限制。 b ) 辐射交联聚合【4 0 1 辐射交联聚合不同于热化学交联聚合，其反应过程中不需要加入引发剂，不 受反应温度影响，具有反应速度快、产物纯净等很多优点。特别适合于生物材料 的制各，某些药物及生物活性细胞的包埋等。 1 2 4 壳聚糖水凝胶 1 。p h 敏感性 未经修饰的壳聚糖不溶于水和碱，但在酸性条件下可溶解成具有一定的粘度 的胶状物质。交联后的壳聚糖水凝胶在酸性溶液中表现出良好的溶胀性能，且具 有p h 敏感性，其溶胀率随着p h 值的下降呈上升趋势，溶胀大小与交联剂的用量 有关，随着交联度的增加，凝胶的溶胀率迅速降低0 4 - 4 3 3 。常用的交联剂有戊二醛 4 4 1 、环氧氯丙烷 4 5 , 4 6 1 等。由于人体整个胃肠道的p h 值是不同的，因此由壳聚糖 制得的p h 敏感性水凝胶便可能用于胃肠道特定区域的药物传递。 p h 敏感性水凝胶通常含有可离子化基团，可分之为阴离子型( 如一c o o 。， s 0 3 等) 、阳离子型( 如n h 2 ，= n h ，n h 4 + 等) 和两性型。其中阴离子型 p h 敏感水凝胶的研究以丙烯酸类单体的聚合物居多，其制得的水凝胶一般在p h 值较低的介质中处于收缩状态，在p h 值处于弱酸至弱碱之间时，溶胀率急剧增 大，当介质的碱性再大时，凝胶又处于收缩态；阳离子型水凝胶的p h 敏感主要 来自链上碱性基团的质子化，其溶胀机理同阴离子型p h 敏感水凝胶相似；而两 性型p h 敏感水凝胶骨架含有定比例的酸、碱性基团，其在整个p h 范围内都有 一定的溶胀率，特别是在p h 较高和较低处，溶胀率均很大，而在中1 j p h 范围则 较小。这主要是因为酸碱性基团之间的相互作用，在弱酸弱碱条件下，这种作用 能加快溶胀速率；但在酸性或碱性较强时，两性水凝胶就与相应的阴、阳离子型 水凝胶比较接近【4 7 】。壳聚糖聚丙烯酸共聚物水凝胶就属于该类型。 第8 页 一圭塑查兰堡主兰垡堡苎 2 壳聚糖缓释体系 药物缓释技术的研究始于2 0 世纪8 0 年代，药物的可控释放的形式可以产生 适度的反应，较小的副作用和较长的疗效。这种给药方式可以调节药物释放速度， 减少给药次数，从而增加了药物治疗的安全性、高效性和可靠性。因此，使种 药物高效的、可预计的释放，并持续较长时间的疗效在临床上是很有意义的。 通常药物可被缓释材料吸附或包包埋，通过控制多聚物的性能可调节药物的 扩散，也可由共价交联的方法将药物交联到多聚物上，通过多聚物的降解使药物 逐渐释放。目前所常用的药物缓释材料是一些合成的( 如p e g ，p v a ) 或天然 的( 如褐藻酸钠、胶原、壳聚糖等) 生物可降解材料【4 ”。其中的壳聚糖，不但毒 性低，在低的p h 下的凝胶状态容易被生物吸收，而且具有抗酸、抗溃疡的能力， 可阻止或减弱药物在胃中的刺痛作用。另外，在酸性环境中壳聚糖基质能形成漂 浮并逐渐膨胀。这些特点使壳聚糖成为一种理想的药物缓释材料【4 9 4 孔。 1 3 壳聚糖( c s ) 聚丙烯酸( i a a c ) 凝胶的研究现状 大量有关制各智能水凝胶的报道以化学合成本体聚合物为主，这类水凝胶灵 敏度较高但机械强度相对较弱。接枝共聚也许是把天然的和合成的高分子聚物结 合起来，而仍然保存天然高聚物好的特性( 如生物降解性、生物活性) 的最好方法 之一。 近几年来，在药物控制释放方面，转化粘膜药物传递( t r a n s m u c o s a ld r u g d e l i v e r y ) 系统的研究取得了很多有趣的研究成果。大量合成的和天然的高分子材 料已经被作为粘附剂而广泛应用于该系统，其中包括聚丙烯酸、羟烷基纤维素、 聚甲基丙烯酸酯、壳聚糖和胶原蛋白等5 4 1 。但在实际应用中，除去聚丙烯酸优良 的粘附性能外，它还存在着许多弊端，例如具有很强的溶胀能力。尤其是当它作 为转化粘膜药物传递系统应用于口腔粘膜时，聚丙烯酸在药物还未渗透过薄膜之 前就可能已经溶解了【5 5 】。在早期的研究中，c h o i 等人在有聚乙烯醇存在的条 件下聚合丙烯酸制成高分子粘附剂，以此显著降低丙烯酸的溶胀率。 第9 页 圭塑查兰堡主兰垒丝苎 1 3 1c s p a a c 聚电解质复合膜 壳聚糖是种聚阳离子，能与许多聚阴离子形成聚电解质复合物。目前，国 内外越来越多的学者热衷于对c s p a a c - 可穿网络的研究。a h n 等人f 5 7 】用壳聚糖作 为母体、以紫夕 辐照的方法制备c s f f a a c 聚电解质复合薄膜，大大降低了聚丙烯 酸的溶胀能力；李文俊等人【58 】用红外灯烘干制膜的方法得至：i j c s p a a c 配位物半互 穿网络膜；p a l o m a 等人【5 9 , 6 0 用冷冻干燥法、n a r n 等人 6 1 - 6 3 1 , u 用热干燥法也都得到 了相应的膜复合物。研究表明，膜在p h 8 时，溶胀度又重新开始上升，在 p h = 1 1 附近，溶胀度达到最大值，继续增h n p h 值，由于渗透压的关系，溶胀度又 开始下降。 1 3 2c s p a a c 微球 细胞毒性药物已广泛应用于癌症的化疗，而这些药物对癌细胞和人体的健康 细胞的非特异性，使它在杀伤癌细胞的同时，也产生了全身严重的毒副作用。随 着壳聚糖在生物医药领域的广泛应用，徽胶囊及纳米微球的研究也日益深入 6 4 - 6 7 】，大颗粒的壳聚糖微球( 达到几千微米) 主要用于药物的长效释放；小颗粒壳 聚糖微球( 小于5 微米) 以及磁微球可包覆抗癌药剂，用于特定区域的药物释放 6 8 , 6 9 。壳聚糖以其优良的生物相容性和生物降解性，己尝试用于鼻腔药物传递系 统：制成包埋酶、蛋白质和细胞的微胶囊等【7 。 由于壳聚糖本身没有毒性、生物相容性好，而且对癌细胞有一定的抑制作用， 将其制成高分子载药微球，不仅能大大降低毒性药物对肌体的伤害、提高疗效， 而且在特定条件下能实现药物的传递和控制释放。迄今为止，已经出现许多制备 壳聚糖微球的方法，例如：油包水法【7 l 】、乳化液滴聚结技术和喷雾干燥过程 7 3 】 等，近年来，壳聚糖和聚丙烯酸复合微球的制备和体内药物释放特性也得到了广 泛的研究弘76 1 。y o n gh u 等人制备c s p a a c 纳米微粒包埋丝多肽( s p ) 并进行了 体外释放研究，结果表明：包埋在纳米微粒中的s p 可持续释放达l o 天，而且释放 圭塑查堂堡主兰垡堕圣 行为受介质p h 值的影晌。c s ，p a a c 微球在不同p h 溶液中的溶胀性能与c s ，p a a c 薄膜类似，壳聚糖上的羟基或氨基与聚丙烯酸上的羧基以离子键形式存在，具体 反应机理如图1 - 3 所示： 巨一睦一 c 3 p i n k 1 5 图i - 3c s p a a c 微球的制备机理 1 3 3 辐射技术用于c s p a a c 凝胶的制各 辐射法还可用于聚合和交联，其主要特点在于f 7 7 】： ( 1 ) 不用化学引发荆，所得的产物纯净； ( 2 ) 聚合反应易于控制，用穿透性大的y 射线，聚合反应可均匀连续进行， 防止了局部过热和不均一的反应。 ( 3 ) 可在常温或低温下进行。在辐射聚合反应中链引发活化能( e i ) 很低，与反 应温度无关。这就能使某些生物活性物质在低温下固定而仍保持活性； ( 4 ) 生成的聚合物分子量和分子量分布可以用剂量率等聚合条件加以控制。 辐射聚合的方法很多，有气相聚合、液相聚合、固相聚合。聚合反应可在均 相或非均相中进行。可以是单组分体系，也可以是二组分，甚至多组分体系。 化学法制备c s p a a c 共聚物须加入引发剂和交联剂，反应还必须在特定的 温度和除氧条件下进行，其过程繁琐，且会引入其他不必要的物质。辐射技术作 为一种新兴的技术已受到越来越多人的关注。 第1 1 萸 圭海大学硕士学位论文 1 4 本文的研究内容 本文分别以”c o f f 射线和电子加速器为辐射源，采用辐照聚合交联法，制 备了具有p h 敏感性的壳聚糖聚丙烯酸共聚物水凝胶，并且尝试用反相乳液聚合 法制得了共聚物微球，研究了p h 、反应物配比、辐照剂量和离子强度等因素对 产物溶胀率的影响。借助红外光谱仪、综合热分析仪等仪器和其他一些常规方法 对所得产物进行一系列性能测试，力求找出最佳的原料配比和反应条件，以得到 一种机械强度和溶胀特性都较好的智能水凝胶。 此外，以考马斯亮蓝为药物模型，采用溶胀吸附法对其进行包埋，并用分光 光度法研究了包埋于共聚物水凝胶中的考马斯亮蓝的释放过程。 上海大学硕士学位论文 第二章实验部分 2 1 实验材料和试剂 1 壳聚糖( 脱乙酰度8 5 ) ( 上海春露化学试剂有限公司) - 2 丙烯酸( a a c ，c p 级) ( 中国医药集团上海化学试剂公司) 3 过硫酸钾( k 2 $ 2 0 8 ，a r 级) ( 中国爱建现成试剂厂) 4 n ，n 二甲基双丙烯酰胺( b i s ) ( c t h i o n 2 0 2 ，c p 级) ( 中国医药集团上海化 学试剂公司) 5 十二烷基硫酸钠( s d s ，c p 级) ( 中国医药集团上海化学试剂公司) 6 氢氧化钠( n a o h ，a r 级) ( 上海试剂厂) 7 磷酸氢二钠( n a 2 h p 0 4 12 h 2 0 ，a ，r 级)( 上海新华化工厂) 8 磷酸二氢钠( n a h 2 p 0 4 - 2 h 2 0 ，a r 级) ( 上海虹光化工厂) 9 柠檬酸( c 6 h 8 0 7 h 2 0 ，a r 级) ( 上海试剂厂) 1 0 盐酸( h c l ，a r 级) ( 上海振兴化工二厂) 1 1 氯化钾( k c l ，a r 级) ( 中国医药集团上海化学试剂公司) 1 2 ，氯化钠( n a c l ，a r 级) ( 中国苏州振兴化工厂) 1 3 无水乙醇( c 2 h 5 0 h ，a r 级)( 上海振兴化工一厂) 1 4 丙酮( c 3 h 6 0 ，a r 级) ( 中国医药集团上海化学试剂公司) 1 5 高纯氮气( 上海比欧西气体工业有限公司) 1 6 考马斯亮兰r 2 5 0 ( c o o m a s s i eb r i l l i a n tb l u e ) ( 0 0 国医药集团上海化学试剂公司进 口分装) 1 7 s p a n 8 0 ( c 2 4 h “0 6 ，c p 级) ( 上海三浦化工有限公司) 2 2 实验仪器 1 电子静电加速器( v a nd eg r a f t 型，上海先锋电器厂) 2 6 0 c 0 7 辐射源( 1 6 0 k c ) ( 上海核新辐照厂) 第1 3 荻 上海大学硕士学位论文 3 f a l 0 0 4 型电子天平( 精度0 0 0 0 1 9 ) ( 上海精密科学仪器有限公司) 4 s b 2 2 0 0 型超声波清洗器( 上海必能信超声有限公司) 5 c s 5 0 1 型超级恒温器( 重庆实验设备厂) 6 w m z k 一1 8 型控温仪( 上海医用仪表厂) 7 ，7 9 - 2 型双相磁力搅拌器( 深圳国华仪器厂) 8 ，d h g 9 0 5 3 a 型电热恒温鼓风干燥箱( 上海医用恒温设备厂) 9 b m 一1 2 型正置式透反两用金相显微镜( 上海光学仪器五厂) 1 0 a v a t a r 3 7 0 型傅立叶红外光谱仪( 美国n i c o l e t 公司) 1 1 s t a 4 0 9 p c 型综合热分析仪( 美国a g i l e n t 公司) 1 2 ，7 2 2 型光栅分光光度计( 上海精密科学仪器有限公司) 1 3 f d 1 型冷冻干燥机( 北京德天佑科技发展有限公司) 1 4 2 x z 2 1 型旋片真空泵( 上海华连医疗器械有限公司) 1 5 t o l e d 0 3 2 0 型p h 计( m e t t l e r 公司) 1 6s h b i l i a 型循环水式多用真空泵( 上海豫康科教仪器设备有限公司) 1 7 各种常规化学实验仪器 2 3 实验原理 电离辐射包括能量高于5 0 e v 的电磁波( 如x 射线和7 射线) 高能荷电粒子 ( 如被加速的电子、质子、氦核等) 和裂变中子，由于它们都能直接或间接地导 致分子的激发和电离，因此常统称为电离辐射。电离辐射源按生产辐射的方式大 致可分为三种类型( 表2 1 ) ：( 1 ) 放射性核素，如”c o 、b7 c s 源；( 2 ) 机器源， 如x 射线机、工业电子加速器；( 3 ) 反应堆。电离辐射在工业上被广泛用于高分 子材料改性、医疗用品的灭菌、食品保鲜、废物处理等，主要利用加速器产生的 电子和x 射线以及放射性核素产生的y 射线。 辐射聚合是应用电离辐射能来引发有机单体( 主要是乙烯基单体) 的聚台反 应，从而可获取高分子化合物。它与普通聚合反应的主要差异在于链引发方式a 对链式聚合反应而言，辐射聚合是用电离辐射引发活性粒予( 自由基或离子) ， 而不是加入各类引发剂：在链增长、链终止阶段与普通聚合法的区别就不那么明 第1 4 页 上海大学硕士学位论文 显了。 表2 - 16 0 c o y 源和电子加速器主要性能比较 射线穿透力强( 密度为l 的物质中 穿透4 5 c m 后约减弱至原强度的 1 1 0 ) ，适合于大包装和不规则物件 的辐照； 设备披术简单，操作、维修方便； 连续辐射，防护条件要求高； 源强度逐渐衰减，需定期补充新源 剂量率僻1 0 4 g y h ，辐照时间长； 电子柬穿透能力低( 密度为1 的物质 中3 m e v 电子的射程为l c m ) ，适于 化工产品等的精细加工； 设备复杂，需专业人员维修 可随时关机，防护较易； 源强度可保持恒定，并在一定范围可 调： 剂量率高( 比6