（高分子化学与物理专业论文）羟丙基壳聚糖凝胶的制备及其性能研究.pdf

济南大学硕士学位论文 摘要 本课题选择天然高分子壳聚糖为原料，通过改性制得具有良好水溶性的羟丙基壳 聚糖( h p c h s ) ，不仅保留了壳聚糖固有的优良特性，如无毒性、生物相容性、可 降解等性质，并且在壳聚糖上引入羟丙基后，壳聚糖的水溶性得到很大的改善，使原 来在中性和碱性条件下不溶解的壳聚糖，在任何p h 范围内都能溶解。羟丙基壳聚糖 是非离子的化合物，受离子强度、p h 等因素的影响小，稳定性好；配伍性好；并且 羟丙基壳聚糖对人体的刺激性小，所以对羟丙基壳聚糖的研究可以拓宽壳聚糖的应用 领域，提高应用价值。本文通过化学交联、物理交联以及通过与其它高分子网络半互 穿或互穿制备了一系列环境敏感的羟丙基壳聚糖类智能凝胶，在考察水凝胶性质的基 础上，研究该水凝胶的体外药物释放性能。 1 羟丙基壳聚糖化学凝胶的制备及其释药作用：以戊二醛为交联剂对羟丙基壳 聚糖进行交联制备化学凝胶，探讨了合成条件对凝胶溶胀度的影响以及产物在不同 p h 、温度条件下的溶胀行为，利用红外、扫描电镜对产物结构进行了表征。选择模 型药物利巴韦林制备了载药凝胶，考察了化学凝胶对药物的控制释放性能。结果表明： ( 1 ) 交联剂用量对成胶性和产物的溶胀性能影响显著，交联度过高或过低凝胶的溶胀 性都很差；( 2 ) 化学凝胶都具有较好的p h 敏感性。当p h 和温度变化时，凝胶的溶胀度 变化显著；( 3 ) 通过扫描电镜观察可以看出，凝胶都具有多孔性的三维网络结构，有 利于吸收水份和药物；( 4 ) 化学凝胶对药物具有一定的缓释作用。 2 羟丙基壳聚糖与聚乙烯吡咯烷酮半互穿网络凝胶的制备及其释药作用：选择 水溶性高分子聚乙烯吡咯烷酮( p v p ) ，制备了羟丙基壳聚糖聚乙烯毗咯烷酮半互穿网 络水凝胶。探讨了合成条件对凝胶溶胀度的影响以及产物在不同p h 及温度条件下的 溶胀行为，并利用红外、扫描电镜对产物进行了结构表征。选择模型药物利巴韦林制 备了载药凝胶，考察了互穿凝胶对药物的控制释放性能。结果表明：( 1 ) 羟丙基壳聚 糖一聚乙烯吡咯烷酮半互穿网络水凝胶与羟丙基壳聚糖化学凝胶相比，所需交联剂用 量减少；( 2 ) 利用互穿网络技术制得的h p c h s p v p 半互穿凝胶具有较好的p h 敏感性 和温度敏感性；( 3 ) 包药凝胶在缓冲溶液中h 内释放迅速，随后逐渐变缓。交联剂 和p v p 用量越多，药物释放越慢。 3 羟丙基壳聚糖与聚乙烯醇互穿网络凝胶的制备及其释药作用：选择水溶性高 分子聚乙烯醇( p v a ) ，制备了羟丙基壳聚糖聚乙烯醇互穿网络水凝胶。探讨了合成条 件对凝胶溶胀度的影响以及产物在不同p h 及温度条件下的溶胀行为，并利用红外、 扫描电镜对产物进行了结构表征。选择模型药物利巴韦林制备载药凝胶，考察了互穿 羟丙基壳聚糖凝胶的制备及其性能研究 凝胶对药物的控制释放性能。结果表明：( 1 ) 利用互穿网络技术制得的h p c h s p v a 互穿凝胶具有较好的p h 敏感性和温度敏感性；( 2 ) p v a 用量对凝胶的溶胀性具有较大 的影响，p v a 用量小于0 2 ：1 ( p v a 与h p c h s 的质量比) 时成胶性差，而大于o 6 ：1 时， 凝胶结构致密，难于溶胀；( 3 ) 包药凝胶在缓冲溶液中叫h 内释放迅速，随后逐渐变 缓。交联剂和p v a 用量越多，药物释放越慢。 4 羟丙基壳聚糖温敏凝胶的制备及其释药作用：选择温敏性物质泊洛沙姆p 4 0 7 ， 将其与羟丙基壳聚糖复配制得温敏凝胶。探讨了羟丙基壳聚糖浓度及泊洛沙姆浓度对 初始凝胶化温度( i g t ) 的影响。确定了初始凝胶化温度正好与人体温度3 7 相吻合的 实验条件。选择模型药物葛根素制备包药凝胶，考察了温敏凝胶对药物的控制释放性 能。结果表明：制得的复合凝胶是一种温敏凝胶，在室温下为流动性较好的液体，当 温度达到3 7 左右时，显示凝胶形态，并对药物具有一定的缓释作用。 关键词：羟丙基壳聚糖；水凝胶；温敏凝胶；控制释放 i i 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t h y d r o x y p 哟p y lc 1 1 i t o s a n ( h p c h s ) ，d l i c hn o to m yh e l dt t l ee x c e l l e n tp r o p e r t i e so f c l l i t o s a l l ，s u c ha sn o n 叶o ) 【i ch a n i l l e s s ，b i o c o m p a t i b i l i 够，a n db i o d e 黟a d a b i l i 哆，b u ta l l s oh a d b e 舵rw a t e r - s o l u b i l 时a i l dh a de x t e n s i v e 印p l i c a t i o nd o m a i n ，w e r ed 嘶v e d 舶mc 1 1 i t o s 锄 i nm i st l l e s i s ，as e r i e so fh y d r o x y p r o p y lc h “o s a ns m a nh y d r o g e l st h a tc o u l dr e s p o n s et ot h e c h a j l g eo fe n v i r o 啪e m 袱i r ep r e p a r e db yc h e m i c a lc r o s s l i l l l ( e d ，p h y s i c a l l yc r o s s l i n k e da n d s e m i o r 向l l i n t e 叩e n e t r a t i n gp o l y m e r n e t w o r k ( i p n ) m e t l l e d s b a s e do nt 1 1 e c h 撇c t e i i i z a t i o n so f t l l eh y d r o g e l s ，c o n t r o l l e dd e l i v e 巧p r o p e n i e so nd m gh a db e e ns t u d i e d 1 p r e p e a r a t i o na 1 1 dd 1 1 l gd e l i v e r ) ，p r o p e n i e so fc h e m i c a lc r o s s l i r l l ( e d h p c h s h y d r o g e l s ：g l u t a r a l d e h y d ew a sa p p l i e dt oc r o s s l i n kh p c h s t og e tt l l eh y d r o g e l sw h i c hh a d c r o s s l i n k e dh p c h sm 0 1 e c u l a ra st l l e i rn e t 矗锄e 、o r k t h ep r e p a r a t i o nm e m o dw a s d i s c u s s e da 1 1 dt l l es w e l l i n gb e h a v i o ro ft 1 1 eh y d r o g e l sa td i r e n tp ha 1 1 dt 锄p e r a t u r e 、托r e e x 锄i n e d ，t h es t m c t u r eo ft h eh y d r o g e l sw a sc h a r a c t e i i z e db yi ra n ds c a i l n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) t h es u s t a i l l e dr e l e a s eb e h a v i e ro ft 1 1 eh y d r o g e lo nm o d e ld m go f 鼬b a v i r i nw e r es t u d i e d t h er e s u l t sw e r es h o w na sf o l l o 诹n g ：( 1 ) t h ea l l l o u l l to f c r o s s l i m d n gr e a g e n tw a s 也em o s ti m p o r 瞰f a c t o r t oa f f e c tt l l ep r o p e r t i e so ft h eh y d r o g e l s ， m o r eo rl e s sc r o s s l i l l l i 血gr e a g e n t 、) r a l sn o tf a v o r a b l ef o rt l l ea p p e a r a i l c ea 1 1 d 跚，e l l i n g p r o p e n yo fh y d r o g e l ；( 2 ) t h eh y d r o g e l sc r o s s l i n l ( e d 丽t 1 1 酉u t 删d e h y d eh a db e n e rp h s e n s i t i v 吼n es w e l l i n gd e g r e eo fm eh y d r o g e lc o u l db ec h 觚g e dr e m a r k a b l ya c c o r d i n g t o t l l e c h a n g eo fp h ；( 3 ) s e mp h o t o g r a p hr e v e a l e dt 1 1 a tt l l eh y d r o g e l sh a v ee x 仃e m e l yp o r o u s s 协舳h e t h ep o r o u sc r o s s l i n k e dn e t 、v o r ks 恤l c t u r ew a sb e n e f i c i a lt oa b s o r b i n gw a t e ro r d r u g ；( 4 ) t h eh y d r o g e l sh a dc o n 仃o u e d r e l e a s ec a p a b i l i 哆f o rd m g 2 p r e p e 删t i o na i l dd m gd e l i v e 巧p r o p e r t i e so fs e i i l i - i m e r p e r l e 时a t i n gp o l y m e rn e t 、o r k ( s e m i i n dh y d r o g e l sc o i n p o s e d o f l l y d r o x y p r o p y l c 1 1 i t o s a n ( h p c h s ) a n d p o l y v i n y l p y n o l i d o n e ( p v p ) ：n ep r e p a r a t i o nm e t h o d 、v a sd i s c u s s e da 1 1 d t 1 1 e s w e l l i n g b e h a v i o ro ft h es e m i i p nh y d r o g e l sa td i 虢r e mp ha i l dt 锄p e r a l = u r ew e r ee x 锄i n e d t 1 1 e s 缸1 j c t u r eo ft h eh y d r o g e l sw a sc h a r a c t 舐z e db yi ra 1 1 ds e m t h es u s t a i n e d r e l e a s e b e h a v i e ro ft l l es e m i i p nh y d r o g e l so n 融b a v i r i nw e r es t l l d i e d t h er e s u l t sw e r es h o ma s f o l l o w i n g ：( 1 ) t 1 1 es e m i i p nh y d r o g e l sh a db e t t e rp ha 1 1 dt 锄p e 舳玳s e n s i t i 、，i 略；( 2 ) t h e a m o u n to fc r o s s l i i 止i n gr e a g e n ta i l dp v pw a st l l ev e r ) ，i m p o i r t a i l tf a c t o r st oa f f e c tt 1 1 e p r o p e r t i e so fm eh y d r o g e l s ；( 3 ) t h er e l e a s er a t i o so fs e m i - i p nh y d r o g e lw e r ev e r yh i g hi n i i l 羟丙基壳聚糖凝胶的制备及其性能研究 o 4 h ，a 矗e 邢a r d s ，l er e l e a s er a t eb e c 锄es l o w ，w m c hs u g g e s t e dt l l es w e l l i n gh a da c h i e v e d b a l a n c e 3 p r e 】p e 删i o na n dd m gd e l i v e 巧p r o p e r t i e so fi n t e 印e n e 臼瞰i n g 耐y m e rn e 俩o r k ( i p h y ( h g e l sc o m p o s e do fh y d r o x y p r o p y lc h i t o s a l l ( h p c h s ) a 1 1 dp o l y ( v i n y la l c o h 0 1 ) ( p v a ) ： t h ep r e p a r a t i o nm e 也o d sw e r ed i s c u s s e da n dt h es w e l l i n gb e h a v i o ro ft h ei p nh y d r o g e l sa t d i f f 色r e n tp ha n dt e m p e r a t l l r ew e r ee x 锄i n e d t h e 蛐m c t u r eo ft 1 1 e h y d r o g e l sw a s c h a r a c t e r i z e db yi ra i l ds e m t h es u s t a i n e d - r e l e a s eb e h a v i e ro fn l ei p nh y d r o g e lo n r i b a v i r i nw a ss t u d i e d t h er e s u l t sw e r es h o w na sf o l l o w i n g ：( 1 ) t h ei p nh y d r o g e l sh a d b e n e rp ha 1 1 dt 锄p e r a _ c u r es e n s i t i v 畸；( 2 ) t h e 锄o u n to fc r o s s l i n 妯n gr e a g e n ta i l dp v a w a s v e 巧i m p o n a n tf a c t o r st oa f f e c tt h ep r o p e n i e so ft l l eh y d r o g e l s ；( 3 ) t h er e l e a s er a t i o s o fi p n h y d r o g e lw e r ev e 巧1 1 i 曲i n0 4 h ，世e 刑砌s ，恤r e l e a s er a t eb e c 锄es l o w ，w h i c h s u g g e s t e dt 1 1 es 、e l l i n gh a da c h i e v e db a l a n c e 4 p r e p e a r a t i o na i l dd 1 1 l gd e l i v e r yp r o p e n i e so ft e m p e r a t l 鹏一s e n s i t i v eh y d r o g e l s c o m p o s e do fh p c h sa i l dp o l o x 锄e r4 0 7 ：t h ee f 瓷c t so fr e a c t i o nc o n d i t i o n so nt h e i l l i t i a l i z t i o nh y d r o g e lt e m p e r a m r e ( i g dw e r es t u d i e d ，a n dt 1 1 ec o n d i t i o nt l l a ti g tw a s s ) ，1 1 0 d i c a lt o3 7 w a sc o 蚯n n e d 1 1 1 es u s t a j n e d r e l e a s eb e h a v i e ro ft l l et e m p e r a n 鹋- s e n s i t i v eh y d r o g e lo np u e r a i nw a ss t l l d i e d r e s u l t ss h o w e dt 1 1 a tt 1 1 eh y d r o g e lw a s t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v e ，w 1 1 i c hb e h a v e da sf l u i dl i q u i da tr o o mt e m p e r a t u r ew 1 1 i l ed i s p l a y e d h y d r o g e ls p e c i a l 时a t3 7 t 1 1 i st e m p e r a n 玎e s e n s i t i v eh y d r o g e lh a dc o n t r o l l e dr e l e a s e c 印a b i l i 够f o rd m g k e y w o r d s ：h y d r o x y p r o p y l c h i t o s a n ； h y d r o g e l ； t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v eh y d r o g e l ； c o n t r o l l e dr e l e a s e l v 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科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：銎丝3日期：地仝：苎：至 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：翟丝导师签名：啦 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 水凝胶及壳聚糖简介 水凝胶可以定义为在水中溶胀并保持大量水分而不溶解的大分子三维网络结构。 即由网状结构( 交联结构) 的高聚物和溶剂所组成【l 】。水凝胶具有良好的生物相容性， 并且对于外界条件的刺激能产生相应的体积变化，被广泛应用于生物医学和药学领 域。水凝胶网络中具有与自然活组织类似的软连接，与被固定化的酶或细胞只有很弱 的相互作用，使固定在水凝胶中的生物分子活性能够保持较长时间。因此，水凝胶在 生物化学和医学等领域有许多用途【2 】。 由于水凝胶在医学上的应用其药物体系最终都是用于生物体内，所以用作载体的 高分子材料必须是无毒的，且具有良好的生物相容性，对材料的具体要求可归纳如下： ( 1 ) 材料必须无毒性，在生物体内能稳定存在，无排异性；或可生物降解，但其 降解产物必须是无毒，能被生物体吸收或排出的。 ( 2 ) 具有理想的药物溶解，扩散能力及良好的药物相容性。 ( 3 ) 易于加工制造，且价格低廉。 ( 4 ) 对于一些特殊给药途径( 如肠道给药) ，必须具有良好的黏膜黏附性。 甲壳素是天然多糖中唯一的碱性多糖，是除蛋白质外数量最大的天然有机化合 物，是地球上仅次于植物纤维的第二大生物资源。它是许多低等动物，特别是节肢动 物( 如虾、蟹等) 外壳的重要组成部分，同时也存在于低等植物如真菌的细胞壁中【3 。7 j ， 分布十分广泛，年生物合成量达l o o o 亿吨，是人类取之不尽，用之不竭的巨大再生资 源宝库。许多学者称甲壳素为除蛋白质、脂肪、糖、维生素、矿物质之外的人体所必 须的第六生命要素【黏】。甲壳素脱去乙酰基即转变为壳聚糖。 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1 1 2 ，1 3 】： nr 0 n 甲壳素壳聚糖纤维素 甲壳素制造工艺简单、价格低廉、同时具有无毒、无害、抑菌、止血、可降解以 及良好的可纺性、成膜性，生物相溶性。但由于甲壳素存在乙酰氨基和羟基，分子间 经丙暴壳聚褥凝股的制备及j c 性能研冗 的氢键作用比纤维素更强，结晶度高，结构致密，难溶于一般的溶剂，因此难于直接 开发应用。甲壳素用浓碱加热脱去乙酰基后生成壳聚糖。壳聚糖又名甲壳胺，其化学 名为( 1 ，4 ) 2 氨基2 脱氧6 d 葡聚糖。壳聚糖由于分子结构中存在大量的游离氨基， 溶解性大大改观。甲壳素制备壳聚糖的生产工艺简单成熟。壳聚糖上存在较活泼的一 级氨基和羟基，能生成许多衍生物，大大提高了在实际中应用价值和范围，己被广泛 应用于生物工程、医药、环保、食品、日用化工、国防、农业等诸多高科技领域【悼1 7 1 。 1 2 水凝胶的分类 ( 1 ) 根据水凝胶网络键合作用的不同，可分为物理水凝胶和化学水凝胶【1 8 】 物理水凝胶：通过物理作用如静电作用、氢键、链的缠绕等方式形成，这种水凝 胶是非永久性的，通过加热水凝胶可转变成溶液，所以也称为假水凝胶或热可逆水凝 胶。 化学水凝胶：通过化学键交联形成的三维网络聚合物，是永久性的，又称为真水 凝胶。 ( 2 ) 根据水凝胶大小形状的不同，可分为宏观水凝胶和微观水凝胶( 微粒) 【2 】。 根据形状的不同宏观水凝胶又可分为柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等：微 观水凝胶又有微米级水凝胶和纳米级水凝胶之分。 ( 3 ) 根据水凝胶对外界刺激的响应情况，可分为传统水凝胶和环境敏感水凝胶1 9 】 传统水凝胶：这类水凝胶对外界环境( 如温度、p h 、离子强度等) 的变化不敏 感，即水凝胶的溶胀率不随外界条件的变化而变化。 智能水凝胶，这类水凝胶自身能感知外界环境可( 如温度、p h 、离子强度等) 微小的变化或刺激，并能产生相应的物理结构和化学性质的不同程度的变化，也称为 刺激响应性水凝胶。 智能水凝胶又分为p h 敏感性水凝胶、温度敏感性水凝胶、盐敏性凝、电场敏感 性水凝胶、光敏感性水凝胶、化学物质敏感性水凝胶、磁场敏感性水凝胶等。 ( 4 ) 根据合成材料的不同，可分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶【2 0 1 。由 于天然高分子具有更好的生物性容性、来源极其丰富以及低廉的价格，已经引起越来 越多科学工作者的重视。 1 3 水凝胶的制备方法 高分子交联结构大致可以分为两类，一类是由共价键形成的交联结构，另一种是 由分子间相互结合作用形成交联作用。由前者形成的凝胶成为化学凝胶，由后者形成 的成为物理凝胶。 济甬大掌坝士掌位论文 1 3 1 化学凝胶的制备方法 1 3 1 1 化学反应法 壳聚糖主链上含有大量的亲水基团，尤其是2 位上的氨基常作为交联点，能与甲 醛、戊二醛等双官能团交联剂反应，使线性壳聚糖链间由碳氧双键交联成水凝胶。常 用的交联剂有：戊二醛、甲醛、亚甲基二丙烯酰胺、京尼平等。化学交联法制备凝胶 具有以下特点：1 交联均匀；2 通过不同的交联剂可以制备不同性质的凝胶；3 制 备薄膜、纤维等形状；4 适合多糖类、蛋白质等生物、天然高分子等。并且化学交 联法制得的凝胶能在溶液中保持形成高层次结构和取向不变的交联结构，因而制得结 构规整的凝胶。 ( 1 ) 戊二醛作交联剂 林友文，陈庆等【2 1 】在壳聚糖侧链引入酸性磺酸基及疏水性芳环，合成了水溶性的 n 一( 2 一磺酸基苯甲基) 壳聚糖，既保留壳聚糖的优点，又改善了壳聚糖的水溶性。并 且利用戊二醛交联制备了n 一( 2 磺酸基苯甲基) 壳聚糖水凝胶，此水凝胶在不同p h 值缓 冲液中的溶胀性不同，水凝胶的交联度、侧链酸性基团取代度等对水凝胶p h 敏感溶 胀性能都有影响。 许甲坤等【2 2 1 用戊二醛作交联剂，制备了具有p h 敏感的羧甲基壳聚糖的水凝胶， 并且研究了此凝胶对阿司匹林的吸附性能及其在药物控释系统中的应用。观察测定了 载药凝胶在人工肠胃液中的体外释放行为，发现此载药凝胶具有优良的释放性能，可 以使药物缓慢释出，在很大程度上可缓解阿司匹林对胃肠道粘膜的刺激性。 ( 2 ) 甲醛作交联剂 宋鹏飞，王荣民等2 3 1 在室温下，用甲醛做交联剂合成了壳聚糖聚乙烯基吡咯烷 酮水凝胶，发现室温下该水凝胶在不同p h 介质中有不同的溶胀比结果表明，在酸 性溶液中水凝胶的溶胀比远大于碱性溶液中的溶胀比，且在不同p h 溶液中重复可逆 溶胀收缩。 ( 3 ) 亚甲基二丙烯酰胺 c a n l l e na l v a r e z l o r e l l z o 等【2 4 】将n 异丙基丙烯酰胺( p n i p a ) 放在壳聚糖溶液中 通过二丙烯酰胺来将其交联，然后再将其浸没在戊二醛中来交联壳聚糖，从而形成了 p n l p c s 互穿网络水凝胶。发现温度对该水凝胶的溶胀性有所影响。用双氯芬酸 ( d i c l o f e n a c ) 作为模型药物，考察了此种凝胶对这种药物的释放行为。发现此互穿 结构在0 9 n a c l 溶液中和p h = 8 的磷酸缓冲溶液中，维持对药物的释放可达8h 。 张晓丽，张艳等在机械搅拌及氮气保护下，以过硫酸钾为自由基引发剂，亚甲 羟丙笨壳聚糖凝胶的制备及其件能研究 基双丙烯酰胺为交联剂，制备了半互穿网络的壳聚糖接枝聚丙烯酰胺水凝胶，并且此 水凝胶具有离子强度、p h 值和温度敏感性，对辅酶a 有很好的控制释放作用。壳聚糖 可与聚丙烯酸、聚丙烯酰胺等高分子材料形成复合水凝胶，这种水凝胶都具有一定的 p h 值敏感型，有望作为一种口服释放体系【2 6 1 。与n 一异丙基丙烯酰胺所形成的凝胶具 有一定的温度敏感性，用温敏性凝胶包载药物用于静脉注射时将会比传统静脉注射有 更好的治疗效果和更低的毒副作用【2 7 1 。 ( 4 ) 京尼平作交联剂 京尼平是传统中药杜仲的活性成分之一，是从京尼平甙中分离、提纯而获得的。 京尼平属于环烯醚萜类的化合物，具有羟基、羧基等多个活性官能团，而且可以以单 分子和多分子形式进行交联【2 8 1 。与传统交联剂相比，天然生物交联剂京尼平具有良好 的生物相容性。 姚芳莲，李学强等【2 9 】采用天然化合物京尼平为交联剂对壳聚糖及明胶进行交联制 备凝胶，并考察了凝胶的溶胀性能、力学性能及凝胶的降解性能。实验研究表明，京 尼平的用量对体系交联密度、凝胶体系的抗张强度、断裂伸长率等均有影响，通过京 尼平用量的调节在一定范围内可控制壳聚糖或明胶体系的理化性能。 以交联剂用化学交联的方法制备壳聚糖水凝胶，方法比较简单，对实验设备要求 不高，但目前多采用的戊二醛、甲醛等交联剂大多具有较高的毒性。壳聚糖类物质因 其良好的生物相容性、可生物降解性，其水凝胶常被设计用作生物医用材料，因此要 选择合适的交联反应和交联剂，不能影响细胞和药物的活性，不能损害人体健康【3 0 1 。 交联剂要求分子至少有两个反应的功能基团，通常用的交联剂是二醛，如乙二醛、戊 二醛。醛基和壳聚糖的氨基发生s c l l i f f f 反应，另外也能和羟基发生反应，二醛类物质 可以在壳聚糖水溶液中直接反应，条件温和，不用加引发剂，还原剂等，这有利于保 持壳聚糖的生物相容性，但是二醛类做交联剂的缺点是它的毒性，虽然凝胶在应用之 前被纯化，但是未反应的交联剂不能完全洗掉，使得它存在潜在的毒性。所以另外寻 找一种无毒的交联剂成为人们研究的热点。目前发现方酸二乙酯、草酸、京尼平等均 有交联作用，但是方酸二乙酯没有生物相容性，而草酸没有毒性现在也存在着质疑。 京尼平是二醛之外的一个很好的选择，京尼平是一种天然的物质，通常应用于中草药 及食品添加剂中。但是京尼平的生物相容性还有待进一步评估，并且它的价格昂贵【3 1 1 。 半互穿、互穿网络凝胶的制备，减少了交联剂用量，从而也使得毒性得到了一定程度 的降低。 1 3 1 2 光交联或辐射交联 4 历甬大掌坝士学位论文 采用光照或射线辐射法制备凝胶是不加引发剂或交联剂利用光照或射线辐射直 接交联的方法。 王胜，杨黎明等【3 2 1 采用电子加速器辐照法制备了聚乙烯醇( p v a ) 羧甲基壳聚糖 ( c m c h ) 共混水凝胶；并且研究了p v a 与c m c h 的配比、辐照剂量、温度以及p h 值对 p v a c m c h 共混水凝胶性能的影响。 聚乙烯醇是一种无毒、具有良好生物相容性的水溶性聚合物，被广泛应用于生物 医学领域，其水凝胶可作为人造软骨、人造肌肉、创面敷膜和人造晶体等。但是聚乙 烯醇的水溶性较差，高温下才能溶解，并且溶解时极易产生气泡，单独用聚乙烯醇制 得的凝胶弱而易碎，羧甲基壳聚糖既含有阳离子( - n h 3 + ) 基团，又含有阴离子( 一c o o - ) 基团，是一种两性聚电解质，具有良好的吸水保水性能。在药物控制释放领域具有良 好的发展前景。通过电子加速器辐照p v a 和c m c h 的混合水溶液可制备聚乙烯醇羧 甲基壳聚糖水凝胶，具有一定的温度和p h 敏感性：在5 2 0 时具有较高的溶胀率， 温度在2 0 以上溶胀率较低；水凝胶在p h 6 o 时溶胀率均较大，而当p h 为 4 0 6 0 时溶胀率较小。 蔡红，张政朴等【3 3 】采用y 一辐射技术引发壳聚糖与n 异丙基丙烯酰胺进行接枝共 聚，制备了温度及p h 敏感水凝胶。研究了单体浓度、辐射剂量等因素对接枝率和接 枝效率的影响，并用1 3 cc p m a sn m r 和t g 表征了接枝物的结构。研究结果表明， 用y 一射线引发壳聚糖接枝异丙基丙烯酰胺具有较高的接枝率和接枝效率，接枝的聚 合物具有明显的温度及p h 敏感的特点。 采用光照或射线辐射法制备水凝胶，无须添加引发剂、交联剂，减小了因为加入 引发剂、交联剂而带来的毒性，产物纯度提高，所以比化学交联法更适用于生物医用 材料的制备。研究发现多糖衍生物辐射交联成水凝胶都具有良好的溶胀性和生物降解 性【3 4 1 。 1 3 2 物理凝胶的制备方法 1 3 2 1 由氢键形成交联 e v er u e l g a r i e7 p y ，m a t t h e ws l l i v e 等【3 5 1 用p 甘油磷酸钠溶液与壳聚糖溶液混合放 于3 7 水浴中，混合溶液可形成凝胶，研究发现温度越高，其胶凝越好。壳聚糖与p 一 甘油磷酸钠形成的水凝胶具有温度和p h 的双重敏感性，并且可生物降解，因此可作 药物载体。文献中以v 1 2 为模型药物，测试了其在不同的p h 下的释放速度。 含o 3 卡波姆( w w ) 和1 4 泊洛沙姆4 0 7 ( w w ) 的混合溶液【3 6 】在p h4 o 和2 5 条件下可自由流动，而在生理条件下，负电荷羧基间的静电排斥使卡波姆分子链伸 砼内覆壳聚稻鞭胶的制备及其件能研冗 展，增加了与暴露的泊洛沙姆p p o 嵌段生成氢键的可能，水分子作为交联剂可促进卡 波姆的羧基与泊洛沙姆的酯基形成氢键，二者产生协同胶凝作用，混合溶液转变为凝 胶。 由氢键作用形成的凝胶易于溶解，机械性能差，限制了此类凝胶在医药领域的应 用。 1 3 2 2 由静电作用形成交联 聚电解质复合物( p e c ) 是由两种带相反电荷的聚电解质在溶液中作用的产物。通 常指由聚阳离子和聚阴离子相互作用形成的一类物质3 7 1 。 胡波、金仙华等网在温和条件下制备的壳聚糖海藻酸钠复合水凝胶颗粒，因为 壳聚糖藻酸盐聚电解质配合物( p e c ) 的构象会随p h 值变化，使p e c 膜的堆积密度产生 p h 依赖性，所以其载药凝胶的药物释放行为也有p h 依赖性。研究发现在p h = 1 4 ( 胃的 p h 环境) 的盐酸缓冲溶液中溶胀度较小，而在p h = 7 4 ( 肠道p h 环境) 的磷酸盐缓冲溶 液中溶胀度很大，利用此特性以酮洛芬药物模型制备了凝胶具有明显的缓释控释效 果。 羧甲基壳聚糖有很强的吸湿保湿性能，并能促进伤口愈合，含有羧甲基壳聚糖的 膜和水凝胶可用作伤口敷料、人造皮肤，并可防止组织粘连。海藻酸纤维制成的医用 敷料在吸入大量水分后可以形成一层潮湿的水凝胶，比传统纱布更能促进伤口复愈。 基于此原理制备的海藻酸盐羧甲基壳聚糖共混纤维，两组分有较强的相互作用，且 相容性良好，纤维吸水率随羧甲基壳聚糖含量的增加而显著提高。经壳聚糖季铵盐处 理后，纤维对金黄色葡萄球菌具有较强的抑菌作用【3 9 】。 牛胶原和高分子量完全脱乙酰化的壳聚糖通过纯粹的静电相互作用或依赖环境 的氢键键合可以形成配合物。当壳聚糖在配合物中的含量相对较低时，静电相互作用 分别发生在壳聚糖和胶原的- n h 3 + 和c o o 。基团之间。在过量壳聚糖存在下，也能形 成氢键型配合物，而且配合物中壳聚糖含量的增加可提高它对胶原酶的稳定性【删。1 阴离子果胶和阳离子壳聚糖可以形成聚电解质配合物，在酸性介质中( p h 8 ) 的溶胀度，这和它的组成有关，也受果胶的脱乙酰化 度和甲氧基度的影响【4 l 】。 1 3 2 3 由配位键形成交联 聚羧酸、聚醇、聚胺和在侧链上有能与他物配位的配位基的合成高分子通过加入 多价金属离子而形成交联。 李凤生、罗付生等【4 2 】，以氢氧化氨溶液水解六水合三氯化铁与四水合二氯化铁的 6 济南大学硕士学位论文 混合溶液制备出钠米四氧化三铁微粒；然后在分散有纳米四氧化三铁的壳聚糖溶液 中，加入适量的三聚磷酸钠溶液制得包覆有纳米四氧化三铁的壳聚糖复合微球栽体。 该复合微球具有磁响应功能并具有生物可降解特性。 1 3 2 4 由疏水作用形成交联 疏水改性聚电解质( h m p e ) 由于在水溶液中存在着离子基团的静电相互作用与疏 水基团的疏水相互作用，其溶液往往表现出特殊的流变行为。由于疏水缔合作用是生 物体内普遍存在的一种次价力，缔合行为一直受到关注【1 1 。近年来，通过疏水缔合作 用制备水凝胶成为制备p h 刺激响应型水凝胶的一种重要方法。 壳聚糖分子本身具有疏水基团和亲水基团，在亲水基团( - n h 2 、o h ) 临近区域， 形成亲水层。而疏水基团( 一c h 2 ) 不能形成亲水层，隔离在亲水层之外。但是在某些 条件下( 特别是随着壳聚糖浓度的增加) ，壳聚糖化合物在自由区域中不能被亲水膜 保护，则引起区域间的相互反应达到平衡点，与本身分子结构的共同作用，在特定条 件下，分子化合物的网络结构形成，经过液态固态转变过程，凝胶形成1 4 引。 h i r a i l o 【删等人通过在醇、醋酸的水溶液中将壳聚糖与各种不同酐反应，乙酰化过 程中得到第一个真正的，不与其他交联剂结合，而是通过分子网络结构得到的凝胶。 同时，m o o r e 和r o b e r t s 【4 5 】研究了壳聚糖溶液与酐反应得到凝胶的机理。认为该凝胶 过程是由于随着聚合物分子量和n 乙酰化的增长，使得壳聚糖溶液溶解性的降低， 在这个过程中，当达到平衡点时，凝胶形成。该结果表明，在这一特殊的体系当中， 当几乎7 0 的氨基基团被酰化时凝胶开始形成，并且随着聚合物浓度的增加，用于开 始形成凝胶所需的n 乙酰度降低。 a l e x a i l d r a 等【4 6 】在h i r a i l o 等人的基础上，完善在醇、醋酸的水溶液壳聚糖乙酰化 得到n 一乙酰壳聚糖凝胶的实验，并分别采用静态光散射仪测量各种不同的影响因素 对达到凝胶点的时间的影响；采用流变学测量方法探讨凝胶影响因素和凝胶机理。认 为壳聚糖物理性水凝胶的凝胶机理与疏水性和亲水性共同作用有关，当两者作用达到 平衡时，疏水作用和氢键共同作用形成网络结构，凝胶形成。 1 4 凝胶的应用 因为水凝胶能够感应环境的变化，同时本身会从收缩状态变为溶胀状态，发生体 积的显著变化，而且也具备感应功能和受动功能。兼有液体形态和固体形态的水凝胶 还有很多功能特性，如溶胀性、机械性、渗透性、表面性等，这些性质为水凝胶在医 学、农学、生物学等方面的应用提供了可能。由于这些诱人的特性，水凝胶必将作为 崭新的材料应用在柔性执行元件、人造肌肉、微机械、分离膜、生物材料、药物控释 7 羟丙暴壳聚话凝胶的制各及其忭能研究 体系等领域中4 7 1 。 1 4 1 物质分离 浓缩、分离是生产过程中极为重要的操作之一，很多工程学方法已被开发并实用 化。但是，过去的浓缩，分离操作，例如蒸馏操作等，大都需要大量的能量，作为分 离对象的物质很多是被暴露在严酷的条件下。而大多凝胶可借助环境条件的稍微变 化，而发生可控的凝胶状态变化，能在较温和的条件下，进行节能性浓缩、分离操作。 例如，c u s s l e re l 等人【4 8 】将凝胶用作具有分子分离能力的萃取介质，这是将高 分子凝胶置于溶液或悬浮液中溶胀，溶剂向凝胶中渗透时，通过控制凝胶网络的交联 度，变化网络尺寸( 网络的有效细孔径) ，就能控制比较大的溶质或者悬浮物向凝胶 的渗透，使凝胶具有分子分离能力。 利用与凝胶亲和性不同引起的分配差异进行溶剂混合液的浓缩和分离，理论上应 该能达到分子水平上的分离。但是，这方面的研究还不多，已经有报道的是含有有机 溶剂的水溶液，利用亲水性凝胶对水与有机溶剂的吸入量的显著差异而进行了有效的 分离。如果进行凝胶空间控制，有望提高选择浓缩性。另外，通过选择凝胶的化学结 构，也能适用于分离其他的溶剂混合体系。 1 4 2 医药领域 长期以来，医学界一直希望能找到一种方法，可以在需要的时候将所需的药物量 注入到人体器官适当的部位。利用智能水凝胶可以实现对病部周围的温度、化学环境 等异常变化自动感知并自动释放所需量的药物。当身体正常时，药物释放系统恢复原 来的状态，抑制药物释放。这种方式不但提高了药物的药效，降低了药物的毒副作用， 同时还可有效解决治疗方面的一些问题，如不必每天准时定量服药，避免外科手术等。 ( 1 ) 作为口服药物的载体 利用水凝胶的p h 敏感性，在不同p h 值下溶胀度、渗透性能的不同，可作药物 载体，达到靶向给药、控制药物释放浓度的作用。特别适用于口服药物的控制释放， 即利用人体消化道各个环节p h 值的不同可以控制药物在特定部位的释放。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载体，水凝胶在胃液酸性环 境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；在肠液碱 性介质中则吸水溶胀，体积明显增大，药物从水凝胶中渗出。 武旭业等【4 9 1 用物理交联法制备了聚乙烯醇羟基末端聚酰胺胺树型高分子水凝 胶，实验研究表明此类高分子水凝胶具有低毒性、可精确控制尺寸及易于修饰等优点， 是一类新型生物医用高分子材料。国外研究人员开发了一种壳聚糖单油酸甘油酯 8 济南大学硕士学位论文 ( g m o ) 原位凝胶【5 0 1 。这种系统为含3 ( w ，v ) 壳聚糖和3 ( w v ) g m o 的o 3 3 m 柠檬酸溶液，在生理p h 值条件下形成原位凝胶。在s o r e n s e n 磷酸盐缓冲液( p h 值 为7 4 ) 的体外释放试验表明，交联剂戊二醛的加入降低了释药速度、延长了释药时 间，用载药微球代替游离药物可进一步延缓药物释放，药物从凝胶的释放遵从基质扩 散控释机制。 用多孔壳聚糖( c s ) 、三聚磷酸钠( t p p ) 和硫酸葡聚糖( d s ) 可以制备凝胶微 球【5 。c s t p 肋s 微球在强酸条件下抗水解，在酶环境中抗生物降解。平衡含水量 ( e w c ) 和水扩散系数( d ) 随介质p h 值的增大而增大。在人工胃液( p h 值为1 4 ) 中，布洛芬在3 小时内从c s 肿p d s 微球中释放缓慢，而更换为人工肠液( p h 值为 6 8 ) 后，在6 小时内药物几乎完全释放。由此可见，c s 厂r p p d s 凝胶微球可作为口 服药物传递系统，用于传递疏水性药物至肠道，在胃中不会有损失。 ( 2 ) 可注射凝胶的骨架材料 水凝胶是不可溶的聚合物网络，可含有大量的水，允许养分和废物扩散，通过它 可给细胞提供信号，因此是理想的组织再生支架材料。如果支架形成后再种植细胞时， 细胞的种植效率很低，因为支架高度交联，细胞不易通过基质，且易造成细胞的死亡。 另外，从移植的观点看，支架必须填满受损部位，这就需知道受损部位的几何尺寸， 然后按照该几何尺寸在体外进行支架的制作。然而由于受损部位的不规则使支架制作 非常困难，且需进行外科操作。相比之下，通过注射器直接把水凝胶送人体内就方便 得多