（高分子化学与物理专业论文）淀粉的凝胶化改性研究.pdf

中山人学硕 学位论文 天然淀粉的凝胶功能化改性研究 淀粉的凝胶化改性研究 专业：高分子化学与物理 硕士生：李洁梅 指导教师：张黎明教授 摘要 致力于淀粉的凝胶化改性研究，采用光聚合交联法分别制备了具有耐盐型、 温度敏感型、p h 敏感型及具有主客体效应的淀粉基水凝胶，研究了合成反应条件 对所制备的淀粉基水凝胶溶胀及粘弹性能的影响，并对其在药物控释等方面的应 用进行了探索。本论文的主要研究内容和结论如下： ( 1 ) 制备了丙烯酰化淀粉，并将其与二甲基( 3 磺丙基) 氨乙基甲基丙烯酸酯进行 光聚合，制备了耐盐型水凝胶；该水凝胶在盐溶液中的溶胀比随着盐浓度的 增加而增加，具有反聚电解质效应；随着丙烯酰化淀粉用量的增加，所得凝 胶的储存模量逐渐增大。 ( 2 ) 用丙烯酰化淀粉与- 异丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺进行光聚合交联，制备了温 度敏感型水凝胶；该凝胶的溶胀比随着介质温度的上升而下降，具有最低相 转变温度( l c s t ) 3 0 ；而凝胶力学强度则可通过改变反应物用量加以调控。 以牛血清蛋白( b s a ) 为模型药物，研究了该凝胶的药物释放性能，发现该 凝胶在3 7 下释放药物比在1 5 下缓慢。 ( 3 ) 制备了马来酸酐酯化淀粉，将其与丙烯酸进行光聚合交联，制备了p h 敏感 i l i 中山人学硕i ：学位论文天然淀粉的凝胶功能化改件研究 型水凝胶；该凝胶的溶胀比随着介质p h 值的上升而上升；当丙烯酸用量适 当增加时，所得凝胶的储存模量随之增大。以牛血清蛋白( b s a ) 为模型药 物，研究了该凝胶的药物释放性能，发现该凝胶在碱性条件的释放速率比在 酸性条件下的快，累积释放百分率也比其在酸性条件下的大；药物释放机理 属于非f i c k i 锄扩散。 ( 4 ) 制备了马来酸酐酯化支链淀粉和马来酸酐酯化b 环糊精，并用这两种大分 子单体与2 乙烯基吡咯烷酮进行光聚合交联，制备出具有主客体效应的水凝 胶；随着6 环糊精用量的增加，所得凝胶的储存模量逐渐减小；以5 氨基水 杨酸为亲水性模型药物、布洛芬为疏水性模型药物，研究了该水凝胶药物释 放性能，发现该凝胶释放亲水性药物较快，释放机理属于f i c 垴a i l 扩散机制； 释放疏水性药物较慢，释放机理属于非f i c k i a n 扩散。 关键词：水凝胶，淀粉，光聚合，溶胀性能，粘弹性能，药物释放 i v s t u d y o ng e l a t i o nm o d i f i c a t i o no fs t a r c h m a j o r ：p h y s i c sa n dc h e m i s t r yo fp o l y m e r s n a m e ：j i e m e il i s u p e r v i s o r ： p r o f e s s o rl i m i n gz h a n g a b s t r a c t f 0 rt h eg e l a t i o nm o d i f i c a t i o no fs t a r c h ，t h es t 盯c h - b a s e dh y d r o g e l sw i t hs a l t t o l e 啪t ， t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e ，p h - s 锄s i t i v eo rh o s t g i l e s ti n c l u s i o np r o p e n i e sw e r ep r 印a r e db y p h o t o p o l y i i l 甜z a t i o na n dc r o s s l i n l ( i n gi nt h i sw o r k t h ee 侬圮t so fr e a c t i o nc o n d i t i o n s o nt h es w e l l i n ga l l dv i s c o e l 弱t i cp r o p e n i e sw e r es t u d i e d h la d d i t i o n ，t l l e 印p l i c a t i o nf o r t h ed m gc o n t r o l l e dr e l e a u s ew a sa l s oe ) 【p l o r e d t h er e s e a r c hw o r ka i l dr e s u l t sa r e 弱 f o l l o w s ： a c r y l o y l a t e d s t a r c hw 嬲 p r 印a r e d a n dt h e n u s e dt 0c o m b i n ew i t h ( 2 一( m e t h a c r y l o x ”e t h y l ) d i m e t h y l ( 3 一s u l f o p r o p y l ) 锄m o n i 啪h 灿x i d e f o r p r 印a r a t i o n o ft h es t a r c h - b a s e d h 蜘h g e l s w i m s a l t t o l e r a n t p r o p e r t yb y p h o t o p 0 1 舯嘶z a t i o n 柚dc r o s s l i l l l 【i n g 1 1 1 es w e l l i n ga b i l i t yo fs u c hh y d r o g e l sw 弱 f o u i l dt ob es 仃o n g e r t h a i lm a ti nd i s t i l l e dw a t s h o w i n ga i l 锄t i p o l y e l e c t r o l y t ee f f t w h e nt h e 锄o u n to f a c r y l o y l a t e ds t a r c hi n c r e a s e d ，t l l es t o r a g em o d u l u so fm eh y d r o g e l w a sf o u n dt oh a v ea ni n c r e a s e t h et e m p e r a t u r e s e n s i t i v es t a r c h - b a s e dh y d r o g e l sw e r ep r 印a r e df j r o ma c r y l o y l a t e d s t a r c h ，a c u l 锄i d e 锄d i s 叩r o p y l a c r y l 锄i d eb yp h o t o p 0 1 舯鲥z a t i o n 锄d c r o s s l i n “n g t h e i rs w e l l i n gr a t i o sw e r e 南u i l dt 0 d e c r e a s ew i t ht h ei n c r e 嬲eo f t 伽p e r a t u r ea 1 1 dh a v em el o w e s tp h a s et r a i l s i t i o nt 锄p e r a t l l r eo f3 0 m o r e o v t h e v 中山人学帧i 学位论文 天然淀粉的凝胶功能化改性研究 m e c h a n i c a ls t r e n 舀ho ft h eh y d r o g e lc o u l db em o d u l a t e db yc h a n g i n gt h er e a c t a n t 锄o u n t t h ed m gr e l e a s eb e h a v i o ro ft h eh y d r o g e lw a si n v e s t i g a t e db yu s i n gb o v i n e s e m ma l b u m i na st h em o d e l d m g t h er e l e a s er a t ea t3 7 w a sf o u n dt ob es l o w e rt h a n t h a ta t1 5 m a l e i ca n h y d r i d e m o d i f i e ds t a r c hw a sp r e p a r e d ，a i l dm e nu s e dt oc o m b i n ea c r y l i c a c i d f o rt h e p r 印删i o n o fm e p h s e n s i t i v es t a r c h b a s e d h y d r o g e l sb y p h o t o p o l y i n e z a t i o na n dc r o s s l i n k i n g t h e i rs w e l l i n gr a t i oo ft h eh y d r o g e lw e r ef o u n d t oi n c r e a s ew i mt h ei n c r e a s eo fp h a na p p r o p r i a t ei n c r e a s eo fa c w l i ca c i d 锄o u n t c o u l dr e s u l ti na ni n c r e a s eo ft h es t o m g em o d u l u s t h ed m gr e l e a s eb e h a v i o ro ft h e h y d r o g e lw a si n v e s t i g a t e db yu s i n gb o v i n es e m ma l b u m i na sm em o d e ld m g t h e r e l e a s er a t ei na l k a l i n em e d i aw a sf o u n dt ob ef a s t e rt h a nt h a ti na c i dm e d i a a n dt h e r e l e a s em e c h a n i s mw a sf o u n dt ob e l o n gt on o n f i c k i a i ld i f m s i o n m a l e i c a n h y d r i d e m o d i f i e da m y l o p e c t i n a n dm a l e i c a n h y d r i d e m o d i f i e d 伊c y c l o d e x t r i n w e r e r e s p e c t i v e i ys y i l m e s i z e d ， 锄dt h e nu s e d t oc o m b i n e 2 - v i n y l 一p y r r o l i d o n ef o rm ep r 印a r a t i o no ft h es t a r c h - b a s e dh y d r o g e lw i mt h eh o s t - g u e s t i n c l u s i o n b yp h o t 叩o l 珊甜z a t i o n a n d c r o s s l i l l l 【i n g a ni n c r e a s eo fm a l e i c a n h y d d d e m o d i f i e d - c y c l o d e x t r i nc o u l dr e s u l ti nai n c r e a s eo fm es t o r a g em o d u l u s t h ed m gr e l e a s eb e h a v i o ro fm eh y d r o g e lw a si n v e s t i g a t e db yu s i n gm a s a l a z i n et h e h y d r 叩h i l i cm o d e ld m ga i l di b u p r o f e na st h eh y d r o p h o b i cm o d e ld r u g t h er e l e a s er a t e o fm eh y d r o p h i l i cd 1 1 l gw a sf o u i l dt ob e 风t e rt h a nt h er e l e a s er a t eo fm eh y d r o p h o b i c d 1 1 1 9 t h er e l e a s em e c h 锄i s mw a sf o u n d t ob e l o n gt of i c k i a l ld i f m s i o nf o rt h e h y d r o p h i l i cm o d e l 孤dn o n - f i c k i a nd i f j f u s i o nf o rt h eh y d r o p h o b i cd m g k e y w o r d s ：h y d r o g e l s ， s t a r c h ， p h o t o p o i y m e r i z a t i o n ，s w e n gp r o p e n y v i s c o e i a s t i cp r o p e r t y ；d r u gr e l e a s e v i 中山大学硕士学位论文 天然淀粉的凝胶功能化改性研究 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：久，p 年厂月日 孝膳梧 中山大学颀匕学位论文天然淀粉的凝胶功能化改件研究 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子 版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文 进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：詹舷播 日期：碱年占月乡日 n 导师签名写痧辔t 硐 日期：2 q 。踔易月名日 中山大学硕f ：学位论文天然淀粉的凝胶功能化改性研究 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下 完成的成果，该成果属于中山大学化学与化学工程学院，受国家知识 产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利， 均需由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得以任何 方式，以任何其它单位作全部和局部署名公布学位论文成果。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名 日期：础年厂月6 日 铉梧 中山大学硕j ：学位论文天然淀粉的凝胶功能化改性研究 1 1 淀粉概述 第一章绪论 淀粉是自然界中最为丰富的碳水化合物，它广泛地存在于植物种子、叶子、 块茎、根、果实和花粉等之中。淀粉【l 】是一种混合物，由直链淀粉与支链淀粉组 成。直链淀粉是d 葡萄糖以0 【1 ，4 一糖苷键连接成长链的直链状高分子化合物，分 子量达到数十万。由于分子内氢键的相互作用，直链淀粉的长链分子卷曲成螺旋 型构象。支链淀粉是d 一葡萄糖以a 1 ，4 糖苷键连接成主链，以a 1 ，6 糖苷键连接成 侧链的树枝状高分子化合物，分子量在数亿以上。因为直链淀粉与支链淀粉在分 子量及支化程度上有显著的差异，所以，从不同物质中分离出来的淀粉，由于含 有不同比例的直链淀粉和支链淀粉而具有不同的性质。 h h o h o 飞p 图1 1 淀粉的结构式 近年来，淀粉由于其产量丰富、价格便宜、可降解的特性而被广泛应用于各 种复合材料4 1 ，例如淀粉基可降解塑料【3 棚、淀粉填充型橡胶【5 1 及淀粉类高吸水 性树脂f 昏1 2 】等等。例如，“【1 1 1 等用淀粉、丙烯酸和绿坡缕石粉末在过硫酸铵引发下 制备出混有绿坡缕石的淀粉一丙烯酸接枝聚合物，该聚合物具有高的吸水性和保水 中山人学硕 ：学位论文天然淀粉的凝胶功能化改性研究 性。f f l 桂芝等用玉米淀粉和丙烯腈在硝酸铈铵引发下制备了淀粉一丙烯腈高吸水 树脂。除此之外，也有文献报道用淀粉接枝物制备水凝胶。例如，x i a o 【1 3 】等用乙 酸乙烯酯和淀粉在过硫酸钾引发下制备出淀粉接枝乙酸乙烯酯聚合物，然后将其 经过冷冻解冻过程形成物理凝胶。b a i p a i l l 4 1 等用丙烯酸为单体，m - 亚甲基双丙 烯酰胺为交联剂，过硫酸钾为引发剂，与可溶性淀粉制备出具有半互穿网络的水 凝胶。 1 2 水凝胶概述 水凝胶是高分子链间存在化学或物理相互作用而形成的交联结构的溶胀体， 它能保持大量水分而不溶解，是一种介于溶液和固体之间的软物质。这种特有的 持水能力赋予了水凝胶材料广阔的应用前景【15 1 。自w i c h t e r l e 和l i m 【6 j 首次合成了 交联型的聚甲基丙烯酸羟乙酯聚合物水凝胶( p h e m a ，隐形眼镜的成分之一) 以 来，各类新型水凝胶在生物医用领域得到了广泛应用【1 7 棚】。 水凝胶有多种分类方法，根据其原料来源可以分为天然高分子凝胶和合成高 分子凝胶。天然高分子凝胶由天然高分子交联而成，例如琼脂、魔芋、肌肉等等。 而合成高分子凝胶则是通过人工合成的高分子交联而成，例如聚丙烯酸、p h e m a 、 聚丙烯酰胺等等。 根据其交联方式，水凝胶又可分为物理交联和化学交联两大类。物理交联水 凝胶是通过分子链间的静电作用、氢键、疏水作用、结晶等相互作用力形成的。 它具有一定可逆性，可通过改变物理条件如温度、p h 值、离子强度掣2 1 1 使其结 构遭到破坏，这种凝胶在形成过程中不涉及有机溶剂、化学交联剂及相关的化学 反应。大多数天然高分子凝胶属于这一类。化学交联水凝胶则是以化学键交联形 成的三维网络聚合物，是不可逆的，可将其分为不可降解和可降解( 通过酶解或 水解作用等发生降解) 的水凝胶。大多数合成高分子凝胶属于这一类。 根据功能性的不同，水凝胶又可分为“传统型”水凝胶和“智能型”水凝胶。 “传统型”水凝胶不具备任何功能性。而“智能型”水凝胶，又分为两种，一种 会对环境变化产生不同程度的应答效应，称为“环境敏感型水凝胶”，根据所受 2 中山大学硕十学位论文 天然淀粉的凝胶功能化改性研究 刺激信号的不同，此类水凝胶又可以分为温度敏感型、p h 敏感型、光敏感型、磁 场敏感型和电场敏感型水凝胶等等。另一种则是对特殊的物质具有识别作用，例 如b l a n c a 等【2 2 】用二乙酸亚胺、甲基丙烯酸羟乙酯和乙烯基二甲基甘油酯共聚制备 了聚合物水凝胶，该凝胶能对二价金属离子进行实时探测。 1 3 水凝胶的制备 水凝胶的制备主要有物理交联方法、化学交联方法、高能辐射聚合法、光聚 合交联方法等等【1 5 1 。 1 3 1 物理交联方法 大多数天然高分子凝胶的制备属于物理方法，主要是通过氢键、静电耦合、 配位键、疏水结合、范德华力等分子间相互作用形成交联。例如琼脂、卡拉胶就 是通过氢键交联的1 2 3 1 。琼脂的主要成分是琼脂糖和琼脂胶，将其水溶液加热到9 0 以上后再冷却，黏度会逐渐上升，约在3 0 时成为凝胶。这是因为琼脂的羟基通 过氢键形成稳定的双螺旋，双螺旋又相互缔合而形成交联结构的结果。卡拉胶与 琼脂不同，除了以双螺旋缔合形成凝胶外，它还能以单螺旋状态凝胶化。同时， 因为卡拉胶含有大量的硫酸根，所以加入少量的钾离子或铯离子，能降低卡拉胶 分子内部硫酸根之间的静电斥力，使交联结构更稳定( 见图1 2 ) 。 整喜篓 中山大学硕t 学位论文 天然淀粉的凝胶功能化改件研究 而褐藻酸盐、果酸、魔芋、甘露糖等水性胶体，则是通过加入二价金属离子 形成配位键而实现凝胶化。例如当把钙盐溶液滴到褐藻酸钠水溶液中时，褐藻酸钠 立即凝胶化。这是由于褐藻酸的羧基包覆钙离子而形成蛋壳型交联。可用乙烯二 胺四醋酸( e d t a ) 等螯合剂除去钙离子，使其回复为溶胶，因此这种交联作用是 可逆的。 1 3 2 化学交联方法 乙烯基单体与二乙烯基化合物( 交联剂) 的溶液自由基共聚法是制备化学交 联凝胶最常用的方法。常用的乙烯基单体有丙烯酸、甲基丙烯酸及其衍生物、丙 烯酰胺、苯乙烯、醋酸乙烯等等。常用的交联剂有亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇二 甲基丙烯酸酯、二乙烯基苯等等。随单体和交联剂组合不同，所得凝胶的性质有 很大差异。常用的引发剂有偶氮二异丁腈，过氧化苯甲酰、过硫酸盐等引发剂。 由于氧会捕捉自由基，因而反应通常在惰性气氛中进行。 除了单体聚合交联外，还可以通过高分子功能基的化学反应来制备化学交联 水凝胶。当高分子的侧链或术端带有羟基、氨基、羧基等活性基团时，就能通过 二次反应，在高分子链间形成共价键来制备水凝胶，如：胺一羧酸、异氰酸酯一 羟基氨基、席夫碱的形成等等1 2 4 1 。例如，p e p p 硒【2 5 1 、林友文【2 6 】等用高分子上的氨 基与戊二醛形成席夫碱来制备水凝胶。 化学交联剂交联制备水凝胶，所用的引发剂、化学交联剂往往有一定的毒性 或存在潜在的危害，如戊二醛具有细胞毒性，即使低浓度也对细胞生长具有抑制 作用【2 4 ，2 7 1 。 1 3 3 高能辐射交联法 带乙烯基的水溶性高分子可通过y 射线或电子射线等高能辐射直接交联制得 水凝胶，也可通过加入交联剂经辐射交联得到水凝尉2 8 1 。除此之外，高能辐射还 能使不带乙烯基的水溶性聚合物交联【2 4 1 。这些聚合物的水溶液在受到辐照时，可 通过c h 键均裂在高分子链上形成自由基，从而发生交联。另外，水经辐照作用 4 中山大学硕王= 学位论文天然淀粉的凝胶功能化改性研究 能产生羟基自由基，所产生的羟基自由基攻击大分子链，产生大分子自由基，大 分子自由基在不同链问的结合导致链间共价键的形成，最终形成交联网络。由于 产生的大分子自由基能与氧反应，故辐照过程需要在惰性气体保护下进行。如在 高能射线照射下，在水溶液中p e g 能够交联而形成水凝胶【2 9 。1 1 ，交联发生在c c 链上。u n y 等【3 l 】通过丫射线辐射聚五肽水溶液制备了聚氨基酸水凝胶，其溶胀性 可随温度而变化，其最低相转变温度为3 0 。 1 3 4 光聚合交联法 光聚合水凝胶3 2 1 是指借助光引发剂，通过可见或紫外光引发聚合而形成的水 凝胶。通过光聚合方法制备水凝胶具有如下优点：可使聚合物前驱体水溶液原位 交联；产物几何形状易于控制；在室温或生理温度下固化时间短( 从不到一秒钟到 几分钟) ；较低的反应热等等。其中本体光聚合和界面光聚合是最常用的方法。 本体光聚合是将光引发剂溶于水凝胶前驱体溶液( 单体或大分子单体) 中，在适 当的光照条件下，前驱体溶液转化为水凝胶状态。本体光聚合会形成较厚的水凝 胶膜，可以作为药物释放体系。h u b b e l l l 3 3 。3 4 】使用2 ，2 二甲基2 苯基苯乙酮溶于 - 乙烯基吡咯烷酮o p ) 作为光引发体系，通过氙气弧光灯( 3 6 肚3 6 5m ) 制备了聚 乳酸一聚乙二醇聚乳酸多丙烯酸酯嵌段共聚物水凝胶。界面光聚合将光引发剂附着 于细胞或组织表面，然后与水凝胶前驱体溶液接触，在适当波长的光照射下，在 光引发剂和溶液的界面就会形成水凝胶薄膜( 1 0 0 岬) 。 将含有反应活性基团的多糖类天然高分子通过酰化反应，制得相应的丙烯酸 酯或丙烯酰胺类衍生物，进而通过光交联反应即可制得天然高分子光聚合水凝胶。 常用的天然高分子光聚合水凝胶有透明质酸衍生物、葡聚糖衍生物和壳聚糖衍生 物等等。 1 4 盐敏感型水凝胶 盐敏水凝胶是在外加盐作用下，溶胀比会发生突跃性变化的凝胶。这类水凝 中山人学硕 ：学位论文天然淀粉的凝胶功能化改件研究 胶一般分为两种。一种是随着外加盐浓度的增加，溶胀比减小f 3 5 。3 7 1 。这种水凝胶 一般是带有阳离子或阴离子的聚电解质水凝胶。当这种凝胶在去离子水中时，由 于同种电荷问的静电斥力，使得凝胶体积膨胀；当把凝胶放入盐溶液中时，由于 存在大量小分子强电解质，这些抗衡离子扩散到凝胶网络内部，对大分子链上部 分电荷产生屏蔽作用，从而抑制了凝胶体积的膨胀，溶胀比减小。例如：o s t r o h a 等【3 5 1 制备了聚( 甲基丙烯酸g 乙烯基乙二醇) 水凝胶，该水凝胶在低p h 值下，溶胀 比变化不大；在高p h 值下，羧基离子化，随着外加盐浓度的增加，溶胀比先增大 后减小。z h a o 掣3 6 】制备了聚天门冬氨酸水凝胶，该凝胶的溶胀比随着外加盐浓度 的增加而减小。 一 i l t c 一加一6 s 另一种凝胶恰恰相反，它的溶胀比不随着外加盐浓度的增加而减小，反而随 着外加盐浓度的增加而增加，呈现出反聚电解质行为。这种凝胶一般由甜菜碱型 两性单体共聚交联而成。常用的甜菜碱两性单体包括羧酸型和磺酸型( 结构见图 1 3 ) 两种。这类水凝胶的正、负带电基团位于分子链的同一侧基上，并以共价键 结合在一起，二者可发生分子内和分子间的缔合作用。小分子盐的加入可屏蔽、 破坏大分子链中正负基团的缔合作用，导致分子链舒展，因而凝胶的溶胀比增大 1 3 5 1 。l e e 等【3 8 渤1 采用反相悬浮聚合法制备了丙烯酸钠( s a ) “- 二甲基( 丙烯酰氧乙 基) 铵基丙磺酸( d m a p s ) 和丙烯酸钠( s a ) m - 二甲基( 丙烯酰胺丙基) 铵基丙磺酸 ( d m a a p s ) 共聚物水凝胶，发现只要引入少量磺酸甜菜碱单体，水凝胶在水或盐 溶液中的吸水性就能大幅提高。h u g l i n 掣4 0 4 1 1 研究了m - 二甲基- ( 甲基丙烯酸 酯乙基) 铵基丙磺酸( p s p e ) 水凝胶，发现加入盐后其溶胀比得到提高；h u g l i n 研究 了1 ( 磺酸丙基) 2 乙烯基吡啶( p s p v ) 水凝胶，发现在一定盐浓度范围内，随着盐 浓度的增大，该凝胶的溶胀比增大。 6 中山人学硕斗= 学位论文 天然淀粉的凝胶功能化改性研究 1 5 温度敏感型水凝胶 温度敏感型水凝胶是能响应温度变化而发生溶胀或收缩的水凝胶。当凝胶在 水或水溶液中溶胀时，随着温度的改变，其体积发生不连续的变化，在某一临界 温度附近，随着温度的微小改变，其体积会发生突跃性变化，变化的幅度可达数 倍至数十倍。这一现象称为凝胶的体积相转变，相应的温度称为相转变温度。人 们对温敏凝胶的研究始于聚- 异丙基丙烯酰胺( p n 口a a n l ) 。s c r a p a 掣4 2 】于1 9 6 7 年首次观察到了线型的p n 口a a m 水溶液具有最低相转变温度的温敏现象，1 9 7 8 年t a l l a l ( a 等【4 3 】则发现了p n 口aa m 水凝胶有温敏性。此后对p n 口a a m 的研究从 理论上、特别是应用方面引起了人们的极大兴趣。 1 5 1 分类 温度敏感型水凝胶可分为热胀型温敏水凝胶和热缩型温敏水凝胶两大类。热 胀型温敏水凝胶的溶胀比在某一温度附近随温度升高发生突变式的增大。当温度 降低时，其溶胀比又降低。如经共价交联的聚丙烯酰胺存放段时间后，在4 2 丙酮水混合溶剂中，随着温度的升高，在2 5 附近溶胀比发生突变，增至约1 0 倍。出现这种敏感性的原因一般认为是随着存放时间的增长，交联网上的酰胺基 部分水解为羧基，而羧基被认为是与凝胶的敏感性有关的。t a l l a l 【a 【4 3 】通过对 f l o 妒h u g 酉n s 的m c a n f i d d 理论进行修改，建立了t l l 锄a l - m i x n g 模型，从理论 上解释了热胀温敏水凝胶的温敏性。除了聚丙烯酰胺外，甲基丙烯酸、丙烯酸经 共价交联聚合后形成的水凝胶也具有热胀敏感性m j 。 1 9 8 4 年t a n a l 【a 等【4 5 】发现- 异丙基丙烯酰胺( n 口aa m ) 经轻微交联后形成的 水凝胶在低温下溶胀，在较高温度下收缩，其溶胀比急剧下降，这种水凝胶称为 热缩型温敏水凝胶。热缩型温敏水凝胶大致可分为三类：( 1 ) 非离子型热缩温敏 水凝胶，例如，经- 亚甲基双丙烯酰胺( m b a ) 交联后的p n 口儿岫的溶胀比在 3 3 附近发生突变，高于3 3 ，凝胶收缩，低于3 3 ，凝胶溶胀，其聚合物中不 存在离子；( 2 ) 离子型热缩温敏水凝胶，轻微交联的n 口a a m 与丙烯酸钠共聚 7 中山人学硕i ：学位论文 天然淀粉的凝胶功能化改性研究 体是比较典型的例子，其中丙烯酸钠是阴离子单体，其加量对凝胶溶胀比和热收 缩敏感温度有明显影响，一般的规律是阴离子单体含量增加，溶胀比增加，热收 缩温度提高，所以可以从阴离子单体的加量来调节溶胀比和热收缩敏感温度；( 3 ) 非交联型热缩温敏水凝胶，例如，在一些水溶性高聚物如聚甲基丙烯酸、聚乙烯 醇醋酸乙烯酯共聚体、聚环氧乙烷、聚- 异丙基丙烯酰胺等的水溶液中，当温度 升高时，溶于水的聚合物会从水中析出烈4 6 1 。 1 5 2 应用 由于热缩型温敏水凝胶在低温下溶胀，在较高温度下收缩，水中溶解的物质 会随着水分子被水凝胶吸附和释放，因此使用这类水凝胶能够实现通过温度调节 对物质的吸附和释放进行控制。利用这类凝胶进行药物控制释放有2 种模式。早 期是将水凝胶在低温下放入药物溶液中以吸附药物，吸附了药物的水凝胶在高温 发生收缩后向外排水，同时将药物排出。这种模式的缺点是当溶液处于溶胀状态 时包括在内部的药物也会向外扩散，不能控制它不释放。而升温后水凝胶迅速收 缩，药物又释放太快，不能达到所希望的释放。因此这种释放模式已基本被以下 这种新模式取代。 当聚合物链中引人疏水组分后，p n 口a a m 水凝胶具有另一种药物释放模式： 当环境温度升到其l c s t 值以上时，水凝胶的表面会收缩形成一种薄的致密的皮 层，阻止水凝胶内部的水分和药物向外释放，即水凝胶处于“关”的状态。而温度 低于l c s t 时，皮层溶胀消失，水凝胶处于“开”的状态，内部的药物以自由扩散 的形式向外恒速释放。这就是所谓的药物释放的“开一关”控制模式【4 4 1 。这种模式 最初由h o 胁a n 等【l5 1 人提出，由于它较好地满足了药物控制释放的要求，即需要 用药时释放，无必要时，停止释放。它可感知疾病所引起的化学物质及物理量变 化的信号，药剂则可依据对此类信号的响应自反馈而释放药物或终止其释放。近 几年来在这方面有了进一步的发展，对其释放机理也有了更深人的研究，通常都 选用n 口a a m 与甲基丙烯酸烷基酯共聚得到的水凝胶。 由于温敏水凝胶的性质独特，除了药物释放以外，它们还广泛应用于其它领域。 例如p n i p a a m 水凝胶被用来富集纤维素、蛋白质以及作细胞培养体材料。b r e n t 中山人学硕t ：学位论文天然淀粉的凝胶功能化改性研究 等删用n 姒a m a a c 共聚物热可逆凝胶作生物杂交人工胰脏。h u 等4 7 1 用 p a a m n 姒a m 改性凝胶制成了凝胶“手”，在2 2 “手”张开，3 5 “手”闭合，可 应用于开关或阀门上。 1 6p h 敏感型水凝胶 p h 敏感型水凝胶是体积能随介质p h 值的变化而变化的水凝胶。一般来说， 具有p h 响应性的水凝胶网络中一般含有酸性( 或碱性) 基团，随着介质p h 值、离 子强度的改变，这些基团发生电离，导致网络内大分子链段间氢键的解离，引起 不连续的溶胀体积变化。 1 6 1 分类 水凝胶发生显著体积变化的p h 区域取决于其骨架上的基团，若水凝胶含弱酸 基团，它将随p h 升高溶胀比增大；若水凝胶含弱碱基团则相反。根据p h 敏感性 基团的不同，可分为阴离子、阳离子和两性型三类。 阴离子型p h 敏感水凝胶的可离子化基团一般为c o o h ，其p h 敏感性来源于 大分子链上的c o o h ，羧酸为弱酸，因此发生溶胀突跃的p h 较高。 阳离子型p h 敏感水凝胶的可离子化基团一般为胺基，如m - 二甲基乙基氨 乙基甲基丙烯酸甲酯、乙烯基吡啶和丙烯酰胺，其p h 敏感性主要来自于胺基质子 化，胺基越多，水凝胶水化作用越强，平衡溶胀比越大。其溶胀机理与阴离子型 相似。 两性p h 敏感水凝胶同时含有酸碱基团，如苯磺酸钠和甲基丙烯酸胺丙基三甲 基氯化按共聚得到的水凝胶，其p h 敏感性来源于高分子网络上的两种基团离子 化，羧基在高p h 处离子化，胺基在低p h 处离子化，故两性水凝胶在高低p h 处 均有较大的溶胀比，而在中间p h 处其溶胀比较小。与前面两种不同，它在所有 p h 范围均存在溶胀，而不需要存在一最低p h 要求，同时它对离子强度的变化更 敏感【19 1 。 9 中山大学硕? = 学位论文天然淀粉的凝胶功能化改性研究 1 6 2 应用 对于p h 敏感型水凝胶，当介质的p h 值发生变化时，凝胶的溶胀比发生相应 的突变，利用这种性质可以方便地调节和控制凝胶内药物的扩散和释放速率。这 类聚合物水凝胶也可作为载体，保护蛋白和多肽类药物，并且使这类药物在适当 的位置释放，从而实现药物靶向释放【4 9 1 。 对于酸性条件下收缩的水凝胶，在酸性条件下收缩，在中、碱性条件下溶胀。 这种水凝胶多为阴离子型水凝胶。由于该种凝胶在酸性条件收缩，可避免多肽 和蛋白类药物在胃酸中降解；在结肠中能膨胀，并具有一定的生物黏性，有利 于药物的释放与吸收；能络合c a 2 + ，抑制胰蛋白酶的水解作用并打开结肠的连 接，有利于促进载体的透膜吸收等优点，这类水凝胶被广泛地用于多肽和蛋白类 药物的口服或结肠靶向给药研究中。p 破【5 0 1 等以阴离子水凝胶p v a 哥a a c 和 p v a g m a a 为载体，对胰岛素进行了体外控释研究，发现在p h 为1 2 的模拟胃 液中没有释放，而在p h 为6 8 的人工模拟小肠液中能逐步释放，进一步对糖尿病 模型小鼠进行口服给药实验，在4 h 内能有效地控制其血糖水平。t 0 r r e s 掣5 1 】用 p m a a 接枝p e g 合成的p ( m a a g e g ) 水凝胶制作鲑鱼降钙素的给药系统，通过 体外模拟口服给药实验，发现能恒定释药7 h ，完全释放需要3 d 左右时间。m 等 旧用合成的p h 敏感型水凝胶p ( m a a c 0 一m e g ) 与p ( m a a 争e g ) 进行了体外胰岛 素口服释药对比研究，发现二者对胰岛素的包裹率都在9 0 以上，在p h 为2 2 的 人工胃液中都有良好的保护作用。 对于酸性条件下溶胀水凝胶，则应用于不经肠胃给药的水凝胶的给药系统。 这类凝胶通常是在酸性条件下溶胀较快的阳离子型p h 敏感水凝胶或通过酸催化 水解而降解的水凝胶。阳离子p h 敏感型水凝胶在酸性条件下，正离子基团质子化， 进而引起凝胶溶胀。b r a l l i m 等【5 3 】用2 羟乙酯( h e m a ) 、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯 ( d m a e m a ) 、3 ( 三甲氧基，甲硅烷基) 正丙酯( p m a ) 、四甘醇二丙烯酸酯( t e g d a ) 四种单体以一定比例合成一种p h 敏感型水凝胶，以胰岛素和鱼精蛋白为模型药物 在体外作了载药和释药试验，发现在p h 为4 o 一7 4 范围内随着p h 值的降低，释 药速度明显加快，其过程符合经典的f i c k i a i l 扩散方程。由于鱼精蛋白的等电点 ( p h = 1 0 o ) 高于胰岛素( p h = 5 3 ) ，在酸性溶液中更易质子化，因此随着p h 降低，释 中山人学硕 ：学位论义天然淀粉的凝胶功能化改性研究 药速度变化更快。 1 7 具有主客体识别作用的水凝胶 环糊精( c y c l o d e x t r i n ，c d ) 【”。5 6 】是一种由淀粉经环糊精葡萄糖转位酶酶解环 合而得的、由6 个吡喃葡萄糖以a 1 ，4 一糖苷键连接的环状低聚糖化合物，含有6 、 7 、8 个葡萄糖单元的环糊精分别叫做0 【、p 和丫环糊精( 见图1 4 ) 。环糊精分子 呈锥柱或截顶圆锥状并具有空腔，空腔内部排列着糖苷氧桥原子，氧原子的非键 合电子对指向中心，使空腔内具有很高的电子密度，故表现出路易斯碱的性质， 可用于包覆化合物或配合物。它的空腔内具有疏水性，而简体表现出亲水性，因 此能够提供一个疏水的结合部位，作为主体包络适当的客体，如有机分子、无机 离子以及气体分子等。所以，以环糊精为原料制备的水凝胶同样保持了这种主客 体作用，被广泛应用于药物释放领域。 。“”。州_ i 图l _ 4 环糊精的结构式5 4 1 z h a n g 等【5 7 】用- 异丙基丙烯酰胺( n p a a m ) 和丙烯酰化b 一环糊精( p c d ) 制备出 共聚水凝胶p ( n p aa m c o a c d ) ，研究发现共聚水凝胶p ( n 口p a a m c o a c d ) 与均 聚水凝胶p n 姒在释放亲水性药物t e g a m r 方面具有相似的释放曲线和释放机理； 而在释放疏水性药物布洛芬方面则不同，p n 玎p a 释放很快，而p ( n i p a a m c o a c d ) 则释放了将近2 0 0 h ，这是由于d 一环糊精与布洛芬形成包络物的缘故。“u 等【5 8 】同样 用异丙基丙烯酰胺( n i p a a m ) 和p 环糊精( p c d ) 制备了温度、p h 双敏感的水凝 中山人学硕l ：学位论文 天然淀粉的凝胶功能化改件研究 胶，并用于疏水性药物c h l o r 锄b u c i l 的释放，研究表明c h l o m m b u c i l 的释放明显依 赖于p 一环糊精的含量，p 环糊精含量越高，c h l o r 锄b u c i l 的释放率越高。 1 8 本课题的提出 致力于淀粉的凝胶化改性研究，采用光聚合交联法分别制各了具有耐盐型、 温度敏感型、p h 敏感型及具有主客体效应的淀粉基水凝胶，研究了合成反应条件 对所制备的淀粉基水凝胶溶胀及粘弹性能的影响，并对其在药物控释等方面的应 用进行了探索。 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 制备了丙烯酰化淀粉，并将其与二甲基( 3 一磺丙基) 氨乙基甲基丙烯酸酯进行 光聚合，制备了耐盐型水凝胶；并研究了该水凝胶的溶胀和流变性能，及其 在n a c l 和c a c l 2 溶液中的溶胀变化。 ( 2 ) 用丙烯酰化淀粉与- 异丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺进行光聚合，制备了温度敏 感型水凝胶；并研究了该凝胶的溶胀、温度敏感与流变性能，及其在不同温 度下的药物释放性能。 ( 3 ) 制备了马来酸酐酯化淀粉，并将其与丙烯酸进行光聚合，制备了p h 敏感型 水凝胶；并研究了该凝胶的溶胀、p h 敏感与流变性能，及其在不同p h 介质 下的药物释放性能。 ( 4 ) 制备了马来酸酐酯化支链淀粉和马来酸酐酯化d 环糊精，并用这两种大分子 单体与2 乙烯基吡咯烷酮进行光聚合，制备出具有主客体效应的水凝胶； 并研究了该凝胶的溶胀和流变性能，及其对药物的负载和释放性能。 参考文献 1 孙成斌直链淀粉与支链淀粉的差异黔虏屠旃勿弦? 笋魔笋掘2 0 0 0 ，( 2 ) ：3 6 3 8 【2 】张可喜，符新淀粉复合材料的研究进展纪学乙摇须2 0 0 6 ，( 5 ) ：2 2 2 4 1 2 中山大学硕一i ：学位论文天然淀粉的凝胶功能化改性研究 【3 】王云芳，王汝敏，赵瑾，郭增昌淀粉基环境可降解高分子材料研究进展勿弹 号援2 0 0 5 ，( 1 9 ) ：1 2 1 5 4 】赫玉欣，由文颖，宋文生，张玉清淀粉基生物降解塑料的应用研究现状及发展 趋势刀虏稃芨走笋笋橱自然群尝饲，2 0 0 6 ，2 7 ：61 6 4 5 】汪志芬，符新，方林，张可喜淀粉在高分子材料中的应用研究进展纪学乙磬 歹颁2 0 0 6 ，3 ：2 9 3 2 6 】龙剑英，宋湛谦淀粉类高吸水性树脂的研究进展希留纪工2 0 0 2 ，1 9 ： 5 4 1 5 4 3 【7 】周明，蒲万芬，胡佩，赵金洲淀粉接枝共聚高吸水性树脂前研究进展叨搿纪 工2 0 0 3 ，2 3 ：1 8 2 1 8 】吴校彬，傅和青，黄洪，陈焕钦淀粉接枝共聚改性研究进展纪訾距! 须 2 0 0 6 4 ：3 7 - 4 0 9 1 张楷亮，王立新，张文林高吸水性树脂的研究及其发展趋势闻毙纪乙2 0 0 0 ， ( 2 ) ：4 7 【1 0 】王存国，董晓臣，何丽霞，刘维，董献国，高晓平淀粉与丙烯酸接枝共聚物吸 水性能的影响因素研究功畿有糕2 0 0 7 ，3 8 ，( 1 1 ) ：1 9 0 4 一1 9 0 7 【1 1 】a l i ，j z h 锄g ，a w a l l g u t i l i z a t i o no fs t a r c ha i l dc l a yf o rt h ep r 印觚l t i o no f s u p e r a b s o r b e mc o m p o s i t e b f d 坨s d “，贸死c 尹| d 4 够2 0 0 7 ，9 8 ：3