（药学专业论文）羧甲基壳聚糖接枝丙烯酸凝胶溶胀动力学及药物释放研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 环境敏感水凝胶由于独特的刺激响应性能力，在许多领域，特别是在医药 领域有着诱人的应用前景。凝胶的溶胀性质直接影响药物的传递与释放。合适 的释放速度是维持药物在一定血药浓度，达到治疗效果的关键，而这些主要和 凝胶的溶胀动力学性质相关。因此，本文制备了一种p h 敏感凝胶，主要研究了 凝胶结构上的弱相互作用对凝胶的溶胀动力学的影响。 以羧甲基壳聚糖( c m c ) 、丙烯酸( a a ) 为原料，n ，n 亚甲基双丙烯酰胺 为交联剂制备了一系列羧甲基壳聚糖接枝丙烯酸凝胶；考察了凝胶的相关物理 力学性能及p h 敏感性。 经酸性缓冲溶液预处理的c m c g - p a a 凝胶置入p h 6 0 7 4 缓冲溶液中的溶 胀动力学曲线呈现s 形。这种反常的溶胀过程称为凝胶的加速溶胀动力学，即 凝胶在一定p h 值的缓冲溶液中，经过一段时间的缓慢溶胀之后，在一个较小的 时间变化范围内溶胀程度显著增加，直至达到溶胀平衡的动力学过程。这可能 归因于凝胶网络中协同物理交联( 质子化的羧基之间的氢键交联、羧酸根离子 和胺离子之间的离子键交联) 的瓦解。并且被凝胶溶胀过程中红外光谱图的变 化所证实。凝胶的溶胀动力学遵循d i e z p e 矗a 等提出的加速动力学模型。 经中性介质处理的凝胶在p h g 0 的酸性介质中溶胀呈现过溶胀现象，即在 初始溶胀阶段凝胶快速溶胀到达最大值，然后消溶胀达到平衡的动力学过程。 p h _ 5 0 时，凝胶 直接溶胀到达平衡，过溶胀效应消失。这可归因于网络中的羧基完全离子化， 氢键不能形成。其溶胀过程遵循s c h o t t 二级溶胀动力学方程。 在药物释放实验中，研究了p h 敏感c m c g o p a a 凝胶对模型药物牛血清蛋 白的负载与释放；考察了介质p h 值、单体组成对药物释放的影响。 关键词：协同物理交联，加速动力学，过溶胀效应，溶胀动力学，药物释放 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t i m u l i - r e s p o n s i v eh y d r o g e l sa r ev e r ya t t r a c t i v em a t e r i a l sf o rg r e a tp o t e n t i a l a p p l i c a t i o ni nm a n ya r e a s ，e s p e c i a l l yi nm e d i c i n ef i e l d ，d u et o i t s p a r t i c u l a r s t i m u l i - r e s p o n s i v ep r o p e r t y d r u gd e l i v e r ya n dr e l e a s e a r ei n f l u e n c e db ys w e l l i n g c h a r a c t e r i s t i c so fh y d r o g e l s as u i t a b l er e l e a s er a t eo fd r u g si st h ek e yf o rt h ed r u g st o m a i n t a i nac e r t a i np l a s m ae o n c e n t r a i na n dr e a c he f f i c a c y h o w e v e r , t h i si sm a i n l y r e l a t e dt os w e l l i n gk i n e t i c sp r o p e r t yo fh y d r o g e l s t h u s ，i nt h i sp a p e ras e r i e so f p h s e n s i t i v eh y d r o g e l sw e r ep r e p a r e d ，t h ei n f l u e n c eo ft h ew e a ki n t e r a c t i o n so f h y d r o g e l so ns w e l l i n gk i n e t i c sw a ss t u d i e d as e r i e so fh y d r o g e l sw e r ep r e p a r e db yg r a f tc r o s s - l i n kc o p o l y m e r i z a t i o no f c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n ( c m c ) a n da c r y l i ca c i d ( a a ) u s i n gn ，n 一m e t h y l e n e - b i s - ( a c r y l a m i d e ) a sac r o s s - l i n k e r t h e i rp h y s i c a la n dp h - s e n s i t i v ep r o p e r t i e sw e r e i n v e s t i g a t e d t h ec m c - g - p a a h y d r o g e l sp r e v i o u s l yt r e a t e du n d e r a c i d i cb u f f e rs o l u t i o n se x h i b i t s i g m o i d a ld y n a m i cs w e l l i n gc u r v e sw h e ns u b s e q u e n t l yi m m e r s e di np h 6 0 7 4b u f f e r s o l u t i o n t h i sa n o m a l o u ss w e l l i n gp r o c e s si sc a l l e da u t o c a t a l y t i cs w e l l i n gk i n e t i c s ， n a m e l y , a f t e rg o i n gt h r o u g has l o ws w e l l i n gp r o c e s si nac e r t a i nb u f f e rs o l u t i o n , h y d r o g e l ss w e l la b r u p t l yi na t i m er a n g eu n t i lt h ee q u i l i b r i u m t h i sm a yb er e l a t e dt o t h e d i s r u p t i o n o fac o o p e r a t i v e p h y s i c a lc r o s s l i n k i n g ( t h eh y d r o g e n b o n d c r o s s l i n k i n gb e t w e e np r o t o n a t e dc a r b o x y lg r o u p s a n dt h ei o n i c c r o s s l i n k i n g b e t w e e ni o n i z e dc a r b o x y lg r o u p sa n dp r o t o n a t e da m i n eg r o u p s ) o nt h en e t w o r k ， w h i c hi sp r o v e db yt h ec h a n g eo ff t - i rs p e c t r ao fh y d r o g e l sd u r i n gs w e l l i n g t h e s w e l l i n gd y n a m i c so b e y sa u t o c a t a l y t i ck i n e t i c sm o d e lp r o p o s e db yd i e z - p e f i ae ta 1 t h es w e l l i n gp r o c e s s e so ft h eh y d r o g e l sp r e v i o u s l yt r e a t e du n d e rn e u t r a lm e d i ai n p h _ 5 0b u f f e r s o l u t i o n s d u et ot h ec o m p l e t ei o n i z a t i o no fc a r b o x y lg r o u p s t h es w e l l i n gp r o c e s s e s f o l l o ws c h o t t ss e c o n do r d e rs w e l l i n gk i n e t i c s t h el o a d i n ga n dr e l e a s eo fd r u g so fc m c g p 从h y d r o g e l sw e r es t u d i e du s i n g b o v i n es e n l ma l b u m i n ( b s a ) 弱am o d e ld r u g t h ei n f l u e n c e so fp ha n dt h e c o m p o s i t i o no f h y d r o g e l so nt h ed r u g r e l e a s ew e r ei n v e s t i g a t e d k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ep h y s i c a lc r o s s l i n k i n g ，a u t o c a t a l y t i ck i n e t i c s ，o v e r s h o o t i n g e f f e c t ，s w e l l i n gk i n e t i c s ，d r u gr e l e a s e ! i i 独创性声明 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 作及取得的研究成果。尽我所知，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经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的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：堕臣塑日期：丝尘至三旦婴 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留、送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。 僦虢嘲聊躲胚。午舭，d 删， 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 水凝胶概述 第1 章绪论 水凝胶是一种能够在水中溶胀并保持大量的水分而又不溶解的交联三维亲 水聚合物网络。 根据水凝胶的网络键合作用，可将其分为化学水凝胶和物理水凝胶。化学 水凝胶：亲水性单体通过化学交联剂或直接化学反应形成共价键结合，或者经 金属离子形成配位结合形成水凝胶；物理水凝胶：水溶性聚合物通过物理缠结、 范德华力、氢键、离子相互作用力、疏水相互作用力等形成水凝胶【l 】。 根据对外界刺激的响应情况，水凝胶可以分为传统水凝胶和环境敏感水凝 胶( 智能水凝胶) 。环境敏感水凝胶响应外界微小的物理化学刺激( 如p h 、温度、 电场、磁场、光、离子强度、压力) 产生结构和物理性质的改变。环境敏感水 凝胶又可分为p h 敏感水凝胶、温度敏感水凝胶、电场敏感水凝胶、磁场敏感水 凝胶等。正由于这种独特的响应性，环境敏感水凝胶在药物传递系统、组织工 程、生物传感、催化系统、分子烙印技术等重要科学技术领域有着诱人的应用 前景【2 7 1 ，关于环境敏感水凝胶的理论与应用研究也引起越来越多科学家的关注 【8 - 1 3 1 。 1 2 水凝胶的制备方法 制备水凝胶的原料可以是单体、天然高分子、合成高聚物。要形成水凝胶 需要主链或支链含有大量的亲水基团( - c o o h 、h 、- - - c o n h 2 、n h 2 、_ ( 卜、 - s 0 3 h 等) 并能形成网状体型结构【1 4 】。化学水凝胶的制各方法主要有单体的交 联聚合、接枝共聚、互穿聚合物网络等；而物理水凝胶的制备主要通过物理交 联的方法【1 5 , 1 6 】。 1 2 1 单体的交联聚合 单体的交联聚合是指在交联剂存在的情况下，由化学引发剂或辐射方法引 武汉理工大学硕士学位论文 发单体进行自由基均聚或共聚制备高分子水凝胶材料的方法。在聚合反应过程 中可以通过加入或改变引发剂、鳌合剂、链转移剂等来控制聚合动力学和高分 子水凝胶材料的性质。通常制备高分子水凝胶材料的单体有丙烯酸及丙烯酸酯 系列、丙烯酰胺系列、乙烯衍生物系列等。 s i b c ld u r a n 掣1 1 7 】使用印c o - 7 辐射方法，通过改变投料比制备了不同组成的 丙烯酰胺丙烯酸共聚凝胶。一定组成的丙烯酰胺丙烯酸共聚凝胶在p h 8 0 溶液 中的溶胀程度可达3 0 倍。 1 2 2 接枝共聚 接枝共聚是指把单体接枝到具有一定强度的高分子载体上( 淀粉、壳聚糖、 纤维素及它们的衍生物) 形成水凝胶。常用的方法是利用引发剂在载体表面产 生自由基，单体通过共价键连接到载体上制备接枝水凝胶。 殷以华等【1 8 1 采用高活性的硝酸铈胺作为引发剂，引发羧甲基纤维素钠产生 自由基与丙烯酸发生自由基接枝共聚制备了羧甲基纤维素钠接枝丙烯酸交联凝 胶。 1 2 3 互穿聚合物网络 互穿聚合物网络是由两种或两种以上聚合物通过网络互穿缠结而形成的一 类独特的聚合物共混物或聚合物合金。这种凝胶的优势在于其特有的强迫互容 作用能使两种性能差异很大或具有不同功能的聚合物形成稳定的结合，从而实 现组分之间性能的互补。 c h e n 等【1 9 】合成了聚n 异丙基丙烯酰胺羧甲基壳聚糖互穿网络凝胶。实验 发现该凝胶保留了n 异丙基丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖的性质，具有温度和p h 值双重敏感性。 1 2 4 物理交联的方法 物理水凝胶主要通过分子间的氢键、配位键、静电作用、疏水结合、链互 穿或范德华力的结合形成交联结构。其优点在于凝胶的合成过程中可以避免有 毒性化学交联剂的使用，因而物理水凝胶特别适合于医药领域。 杨荣杰等例采用反复冷冻解冻法制备聚乙烯醇( p v a ) 凝胶，并利用动态力学 2 武汉理工大学硕士学位论文 分析方法研究了p v a 物理交联凝胶的力学性能及氢键作用。 1 3 弱相互作用与体积相变 水凝胶响应外界刺激的能力主要基于凝胶网络中功能性组分间( - - c o o h 、 - o h 、_ c o n h 2 、州h 2 、- c h ( c h 3 ) 2 等) 的弱相互作用【2 心引。外界环境的改变引 起凝胶内部的弱相互作用相互竞争转化，共同作用，引起高分子链段在溶液中 的构象发生变化，导致凝胶体积发生变化。在一定条件下，凝胶体积会因环境 条件的微小变化而产生极大的不连续变化，即体积相变【2 4 】。 这些弱相互作用主要包括范德华力、氢键、离子相互作用力、疏水相互作 用力。弱相互作用不改变凝胶的网络结构，主要影响凝胶的体积相变。 范德华力一般包括取向力、诱导力、色散力。在大的溶质分子间近距离的 相互作用主要为色散力，它在非极性有机溶剂体系的凝胶体积相交中起重要作 用【2 5 1 。 由于氢键在环境敏感水凝胶溶胀中的重要作用，最近的文献中有很多关于 氢键对凝胶溶胀行为影响的研究。含- c o o h 、h 、- c o n h 2 等功能性基团的 凝胶网络容易形成氢键。氢键的形成依赖于功能性基团的质子化程度，介质的 p h 值对含有氢键作用的凝胶溶胀往往具有显著影响。在酸性介质中，聚( 甲基 丙烯酸c o 丙烯酰胺) 水凝胶由于羧基之间及羧基和酰胺基之间形成氢键而产生 网络收缩【2 引。 在凝胶网络中，带电荷的基团可以相互吸引或者排斥形成离子相互作用。 例如羧甲基壳聚糖聚合物在不同p h 值的介质中溶胀均受到离子相互作用的影 响：介质的p h 6 0 时，羧基离子化，羧酸根离子问负电荷相互排斥，聚合物 溶胀；而在介质p h 为3 5 6 0 之间，聚合物网络中胺基和羧基部分解离，质子 化的胺正离子和离子化的羧酸根负离子相互吸引，聚合物结构收缩【27 1 。 具有疏水性基团的凝胶存在疏水相互作用，疏水基团在一定条件下可以聚 合在一起，形成若干分子链内胶束( 疏水微区) ，而这为凝胶的溶胀增加了新的 力量，促使凝胶产生体积上的连续变化或者突变。文献报道的含有疏水结构的 单体主要有：n 取代丙烯酰胺衍生物、n 取代甲基丙烯酰胺衍生物、丙烯酸酯 衍生物、乙烯基衍生物等【2 8 。1 1 。t a n a k a 等3 2 1 9 8 4 年报道了聚n 异丙基丙烯酰胺 武汉理工大学硕七学位论文 凝胶在人的生理温度附近可发生显著的收缩，可归因于异丙基的疏水性随着温 度的升高快速增强，使凝胶产生体积相变。 1 4 凝胶的溶胀动力学 凝胶的溶胀动力学研究的是凝胶溶胀过程中溶胀程度随时间的变化关系， 主要由凝胶内部弱相互作用控制。研究表明载药凝胶的药物释放性质和凝胶的 溶胀性质相判3 3 , 3 4 1 。而溶胀动力学是研究凝胶在介质中的整个溶胀过程，这对于 控制药物的释放速度具有重要意义。作为凝胶智能化的重要特征，近几年来凝 胶的溶胀动力学研究开始受到学者们的关注，凝胶溶胀动力学的研究取得了一 定进展 3 5 - 4 0 1 。 1 4 1f i c k 溶胀动力学模型 水凝胶材料的形状对溶胀动力学行为影响较大。f i c k 模型适合用于薄片状 水凝胶膜( 直径与厚度比值大于1 0 ：1 ) 的溶胀动力学研究。根据f i c k 溶胀动力 学模型，水凝胶膜的溶胀过程可分为三个步骤：向高分子网络扩散，水化作用 导致大分子链松弛，大分子链向空间扩散。当水凝胶膜的含水量不大，交联网 络之间的大分子链松弛很快的时候，水凝胶膜的溶胀过程主要由水分子的扩散 过程控制，可以用f i c k 扩散方程描述【2 5 , 3 8 】。方程通常表达如下： 堕= 缸 m o o m t 为t 时刻水凝胶膜所吸收水分的质量，m 。为溶胀饱和时水凝胶膜所吸收 水分的质量，k 为水凝胶膜的特征常数，1 1 为水凝胶膜渗透类型特征指数。1 1 值 为o 4 5 0 5 时，属于f i c k 溶胀过程；o 5 k 1 ，这是关于水渗透的一个简单自催化动力 学过程。在任一时刻凝胶的溶胀速率与凝胶内可以吸水的空间( 1 q t q 。) 吸收 到凝胶内的水( q t q 。) 是成比例的。因此可以写成如下形式： d ( q t q m ) d t = k - 1 - q t q m 】+ k 2q t q 。 1 一q t q * 】( 1 - 1 1 ) 通过积分、重排导出了下述加速溶胀动力学方程： 1 1 l c 型生；觜，= 1 1 1 c 惫，+ c 毛+ 如弦 。2 ， 方程1 。1 2 可以重排成如下形式： 旦：堡；鱼! ! ! 二生型尘 q 。 ( k l k 2 ) + p 一b 咄2 ” ( 1 - 1 3 ) k l 是一级速率常数，对应初始水分子的渗透。k 2 是加速速率常数，曲线的 形状和k l ，k 2 之间的平衡相关。q t 为凝胶在t 时刻的溶胀程度，q 为凝胶的平 衡溶胀程度。 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 环境敏感水凝胶在药物控制释放领域的应用 根据所受刺激信号的不同，环境敏感水凝胶可以分为温度敏感水凝胶、p h 敏感水凝胶、生物分子响应水凝胶、光敏感水凝胶、磁场敏感水凝胶和电场敏 感水凝胶等很多种类。环境敏感水凝胶用于生物医药领域具有很多优点：具有 传递药物分子的孔道；对生理环境敏感；凝胶吸收液体后自身体积可明显增大， 在低交联度凝胶中小分子可自由通过；和人体组织血液等相容性好，毒副作用 及排斥反应少。 1 5 1p h 敏感水凝胶 p h 敏感水凝胶是通过线形聚合物之间交联或互穿网络而形成体型大分子网 络结构，网络中包含可离子化的酸性或碱性基团。随着介质p h 值改变，这些基 团的离子化程度发生改变，导致网络内大分子链段间氢键、离子相互作用强度 发生改变。离子相互作用和氢键的综合作用使凝胶产生体积相变。由于人体胃 肠道的p h 差异，可以实现凝胶的溶胀释药、收缩停止释药的方式实现定位给药； 也可利用p h 敏感水凝胶的溶胀程度实现缓释给药。 林友文等1 4 6 j 以戊二醛为交联剂制备了n ( 2 磺酸基苯甲基) 壳聚糖水凝胶。 通过对凝胶在不同p h 值缓冲溶液中溶胀行为的研究，发现该凝胶在碱性条件 下溶胀程度较大，在酸性条件下溶胀程度减小，具有良好的p h 敏感性。在 p h = 7 4 的人工肠液和p h = 1 0 的人工胃液中交替浸泡的实验表明凝胶具有良 好的溶胀与收缩可逆性。有望用于口服结肠靶向给药系统的载体。 袁金芳等【47 j 以壳聚糖，l 天冬氨酸和戊二醛为原料，合成了两性壳聚糖 水凝胶。实验结果表明，凝胶的溶胀程度随p h 值的增大而减小，具有p h 敏 感性。在不同p h 或不同离子强度的溶液中交替放置时，表现出良好的溶胀与 收缩可逆性。在室温条件下，p h = 3 7 ，p h = 6 8 ，p h = 9 的缓冲溶液中，辅酶a 的累积释放率分别为7 8 、9 2 和8 7 ，1 0 小时才达到释放平衡。药物释放 的结果表明该凝胶可用于胃肠道缓释给药系统。 由于消化道的p h 值及转运时间受食物、性别、疾病等个体因素影响较大， 而且回肠末端p h 值高于结肠，作为结肠靶向给药系统载体的p h 敏感水凝胶往 往不能准确定位于结肠，药物常常提前释放或者不能快速释放。人们设计了可 被结肠酶或细菌降解的p h 敏感水凝胶。通过调节凝胶的组成可以控制凝胶在小 9 武汉理工大学硕+ 学位论文 肠内的溶胀程度，避免凝胶内部的药物被提前释放；再利用存在于结肠内的微 生物酶或细菌将凝胶的某种基团化学键断裂，从而实现药物在结肠处释放。 李秀瑜和侯都兴【4 s 】制备了p h 敏感瓜胶聚丙烯酸半互穿网络水凝胶，并 以牛血清蛋白为药物模型研究了载药凝胶在结肠酶存在下的释放行为。结果 表明到达结肠时瓜胶降解为释药提供通道，凝胶释药速率明显加快。瓜胶聚 丙烯酸半互穿网络水凝胶具有应用于结肠靶向给药载体的潜力。 邵运生等【4 9 j 合成了丙烯酸丁酯，丙烯酸与二( 甲基丙烯酰胺基) 偶氮苯交联 共聚凝胶。该凝胶具有良好的p h 敏感性。实验表明通过调节凝胶的组成控制 凝胶在小肠内的溶胀程度可避免药物在小肠内的释放。凝胶到达结肠，偶氮 苯被结肠的酶降解，药物在结肠处大量释放。 1 5 2 温度敏感水凝胶 温度敏感水凝胶能对环境温度变化能产生响应，发生体积相变。这种凝胶 具有一定比例的疏水和亲水基团。温度的变化可影响这些基团的疏水作用以 及大分子链间的氢键作用，从而使凝胶结构改变，发生体积变化。其发生体积 相变的时温度称为临界相变温度( l c s t ) 。温敏凝胶对温度变化的响应有两种类 型：一种是凝胶的水溶性随温度的升高而降低，即温度高于l c s t 时呈收缩状态， 温度低于l c s t 时呈溶胀状态，这种凝胶被称为高温收缩型温敏凝胶；另一种与 之相反，凝胶的水溶性随温度的降低而降低，在温度低于l c s t 时呈收缩状态， 被称为低温收缩型温敏凝胶。 温敏水凝胶具有临界相转变温度，能感应病原体或热原( 如发热、肿瘤) 存在 下人体温度的变化，改变自身溶胀收缩状态。目前研究较为广泛的是高温收缩 型丙烯酰胺类温敏凝胶。其主要释药模式为：一、低于l c s t 时，水凝胶在药物 溶液中溶胀以吸附药物，在高于l c s t 时收缩而释放药物；二、“开关”释放模 式。在聚合物链中引入疏水基团后的温敏水凝胶，当环境温度升到l c s t 以上 时，水凝胶表面会收缩形成一个薄的致密皮层，阻止内部水分外排、药物释 放，此时凝胶处于“关”状态；当温度低于l c s t 时，凝胶溶胀，皮层消失，水 凝胶处于“开”位【5 0 】。 吴红等【5 1 】以羟基喜树碱为药物模型，研究了聚n 异丙基丙烯酰胺丙烯酰 胺凝胶的药物释放。发现在l c s t 附近药物的释放有一个突变。3 7 时凝胶6 小时释药率为1 6 2 ；而在4 3 时，温度高于l c s t ，凝胶收缩，凝胶释药率明显 i o 武汉理工大学硕士学位论文 增大达到3 5 2 。 张建州等【5 2 】利用微波引发合成了聚n 异丙基丙烯酰胺凝胶。不同温度下， 对药物阿昔洛韦释放行为的研究发现：载药凝胶在3 7 。0 时缓释时间可达8 h ，释 放率为4 2 。合适作为阿昔洛韦药物的载体。 温敏凝胶丙烯酰胺及其衍生物的临床应用还有一些局限性。如合成水凝胶 的单体和交联物生物相容性差，可能具有毒性、致癌性、致畸性，而且丙烯酰 胺及其衍生物不能被生物降解。因此，将其应用于临床，还需要进行大量的毒 理学实验，需进一步开发新型的生物相容性好、生物可降解水凝胶。 1 5 3 其他类型水凝胶 生物分子响应型水凝胶能对特定的生物分子产生响应。利用水凝胶对葡萄 糖、抗原等特殊分子的响应设计自调式释药系统。该系统类似生物体反馈机制， 由疾病信号调节释药，维持机体代谢平衡。这方面研究最多的是葡萄糖敏感型 胰岛素给药系统。 例如刀豆球蛋白a ( c o n a ) 是一种葡萄糖结合蛋白，朴秀玉等1 5 3 】在聚膦腈 侧链上引入葡萄糖基团，利用c o n a 与葡萄糖基聚膦腈共价键结合形成水凝胶。 向上述体系中加入葡萄糖或甘露糖，可使聚集体解聚。聚膦腈是具有良好生物 相容性和生物降解性的高分子材料，这种聚膦腈c o n a 凝胶体系有望用于对葡萄 糖响应的胰岛素控制释放体系。 c o n a 蛋白在体内会引起免疫反应，应用全合成方法制备的含有苯硼酸基团 的水凝胶可以克服以上不足。将带有苯硼酸基团的聚合物和聚乙烯醇( p v a ) 交 联，可以制成葡萄糖敏感可逆性相变水凝胶。当血糖水平偏高时，葡萄糖与p v a 竞争苯硼酸基团的结合位点，形成更牢固的络合物。由于葡萄糖只具有一个位 点不能形成交联，凝胶的交联度降低导致溶胀程度增大，释放胰岛素【5 4 】。 磁性响应水凝胶能对外加磁场做出响应。由于磁性响应水凝胶在外加磁 场作用下有简单、快速易行的磁分离特性，此类凝胶在细胞分离，固定化酶， 靶向药物等领域的应用研究中日益活跃，有较好的应用前景。 磁场敏感释药系统是由分散于水凝胶中的药物和磁粒组成。在外磁场的作 用下，磁粒在凝胶载体内移动并带动附近的药物一起移动，实现药物定位释放。 刘洪玲等【5 5 j $ u 备了聚乙烯亚胺包覆的磁性纳米凝胶，并在表面共价偶联具有 肿瘤靶向作用的叶酸分子。实验表明此纳米凝胶具有较高的磁响应性，凝胶 武汉理工人学硕七学位论文 内叶酸的含量较高，具有作为肿瘤靶向给药载体的潜力。 1 6 本文的基本思想及主要研究内容 环境敏感水凝胶能响应外界微小的物理化学刺激产生体积相变。以环境敏 感水凝胶作为药物释放的载体可集传感、处理及执行功能于一体，通过感知人 体生理环境的变化，作出相应的溶胀或者收缩性响应，控制药物释放，即按照 治疗需要控制药物的脉冲释放或根据人体不同部位的生理环境差异实现定位给 药。此外环境敏感水凝胶用于生物医药领域还具有以下诸多优点：具有传递药 物分子的孔道；凝胶吸收液体后自身体积可明显增大，在低浓度凝胶中小分子 可自由通过；具有组织血液相容性，毒副作用及相互排斥反应少等。 环境敏感水凝的溶胀性质是其应用于许多科学技术领域，特别是药物控制 领域的基础。目前，环境敏感凝胶溶胀性质的研究大多集中在热力学性质方面， 这对实现药物靶向释放固然重要。然而，随着药物新剂型理论与应用研究的不 断深入，人们意识到一个理想的凝胶剂不仅要控制药物到达靶区，更要控制药 物到达靶区后的释放速度，以维持合理的血药浓度。这显然是一个与凝胶溶胀 动力学密切相关的问题。本文通过制备一系列p h 敏感凝胶，重点研究凝胶结构 上的弱相互作用对凝胶溶胀动力学的影响，为凝胶在剂型领域的应用提供理论 基础。主要研究内容如下： ( 1 ) 以羧甲基壳聚糖、丙烯酸为原料，制备一系列羧甲基壳聚糖接枝丙烯酸 凝胶，表征该凝胶的组成、接枝率和相关物理力学性能，研究凝胶的p h 敏感性。 ( 2 ) 研究酸性缓冲溶液中预处理的羧甲基壳聚糖接枝丙烯酸凝胶在 p h 6 0 7 4 缓冲溶液中的溶胀动力学。讨论预处理介质的p h 值、缓冲液的p h 值 以及凝胶的组成对s 形溶胀行为的影响，并对凝胶的溶胀动力学机制进行定量 分析。 ( 3 ) 研究中性介质处理的凝胶在不同p h 介质中溶胀中的溶胀动力学。讨论 缓冲液的p h 值以及凝胶的组成对过溶胀现象的影响，并对凝胶的溶胀动力学机 制进行定量分析。 ( 4 ) 以牛血清蛋白为模型药物，研究p h 敏感c m c g - p a a 凝胶的药物负载 与释放行为。考察不同组成凝胶的药物负载以及药物释放的影响因素。为凝胶 在药物释放方面的应用提供理论基础。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章羧甲基壳聚糖接枝丙烯酸凝胶的制备及性能 研究 2 1 引言 壳聚糖( c h i t o s a n ) 是一种由甲壳素脱乙酰化而得到的天然多糖，存在于虾壳、 蟹壳之中，在自然界中含量丰富。其结构为( 1 ，4 ) 2 胺基2 脱氧b d 葡聚糖( 见 图2 1 ) 。壳聚糖及其衍生物易生物降解、生物相容性好、具有生物活性。田丰 等【5 6 】通过不同脱乙酰度的壳聚糖醋酸溶液凝血效果实验发现低脱乙酰度 ( 6 0 7 0 ) 的壳聚糖的对红细胞的聚集作用明显。谢勇等【y 7 】进行了壳聚糖的 体内抗幽门螺旋杆菌的实验，研究表明壳聚糖及其衍生物在体内有抗菌效果。 o o hn h 2 o o 壳聚糖 o hn h 2 oo 羧甲基壳聚糖 图2 1 壳聚糖、羧甲基壳聚糖结构示意图 羧甲基壳聚糖( c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n 简称c m c ) 作为壳聚糖经羧甲基化 改性的衍生物( 见图2 1 ) ，克服了壳聚糖只能在酸性溶液中溶解的缺点。羧基 的引入使其具有良好的水溶性，因而在药物传递系统等医药领域具有更加广泛 的应用。t a v a k o l 等【5 8 】以羧甲基壳聚糖、海藻酸钠、壳聚糖为原料制备了凝胶小 武汉理工大学硕士学位论文 球，以柳氮磺胺吡啶为模型药物进行药物释放试验。研究发现凝胶小球未产生 药物突释，在胃部和小肠仅有少量释放，放具有作为结肠靶向给药载体的潜力。 w u 掣”】研究了羧甲基壳聚糖和牛血清蛋白的相互作用。研究发现合适比例的单 体可通过氢键和疏水相互作用形成纳米复合物，说明羧甲基壳聚糖具有作为蛋 白质、多肽类药物载体的潜力。 本章以壳聚糖为原料制备羧甲基壳聚糖，并以羧甲基壳聚糖、丙烯酸( a c r y l i c a c i d 简称a a ) 为原料，n ，n 亚甲基双丙烯酰胺为交联剂制备一系列羧甲基壳 聚糖接枝丙烯酸凝胶，表征该凝胶的组成、接枝率和相关物理力学性能，研究 了凝胶的p h 敏感性。 2 2 实验部分 2 2 1 仪器与试剂 2 2 1 1 实验仪器 表2 1 主要仪器的型号及产地 2 2 1 2 实验材料 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 表2 2 主要材料的规格及产地 2 2 2 羧甲基壳聚糖的制备 取3 9 壳聚糖于1 5 0 m l - - h 瓶中，加入3 5 m l 异丙醇，搅拌6 h 后抽滤。滤饼 中加入18 9 质量分数5 0 n a o h 溶液，混合均匀后置于- 3 0 。c 的冰箱中碱化过夜。 将碱化后的壳聚糖和3 0 m l 异丙醇加入1 5 0 m l 的三口烧瓶中搅拌均匀。滴加氯乙 酸的异丙醇溶液( 4 5 9 氯乙酸+ 1 0 r n l 异丙醇) ，1 5 搅拌反应2 0 h 。过滤，用无水 乙醇洗涤滤饼，得羧甲基壳聚糖粗产物。精制、干燥，备用。 2 2 3 羧甲基壳聚糖取代度的测定 采用电位滴定法测定产物的取代度：精确称取o 1 5 9 精制的羧甲基壳聚糖， 溶于1 5 m l0 1 m o l l 的h c l 溶液中，用浓度为o 1 m o l l 的标准n a o h 溶液滴定， 同时用p h s 一3 b 数字精密p h 计测定溶液p h 值的变化情况，绘出滴定曲线，利 用二阶微商法，确定拐点处的碱用量。按照文献【删报道，取代度( d s ) 和羧甲基 壳聚糖中游离氨基含量( y ) 计算如下： d s = m c t s a ( 1 - 5 8 a ) a = ( v 2 一v i ) c s a o h m( 2 - 1 ) m 为c m c 的质量( g ) ，c n a o h 氢氧化钠溶液的浓度m o l l ，m e t s 为氨基葡萄 糖单元的摩尔质量，可由壳聚糖的脱乙酰度计算。v i 为过剩盐酸的滴定终点( l ) ， 武汉理工大学硕士学位论文 v 2 为羧基的滴定终点( l ) ，v 2 一v l 是滴定羧基所消耗的氢氧化钠溶液体积( l ) 。 y = m ( v 3 一v 2 ) c n a o h m m = 5 8 d s + m c t s ( 2 - 2 ) m 为羧甲基化的氨基葡萄糖单元的摩尔质量，v 3- n h 3 + 的滴定终点( l ) ， v 3 v 2 是滴定_ n h 3 + 所消耗的氢氧化钠溶液体积( l ) 。 2 2 4 羧甲基壳聚糖接枝丙烯酸凝胶的制备 以k 2 s 4 0 8 为引发剂，n ，n 亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，采用自由基接枝共 聚的方法制备羧甲基壳聚糖接枝丙烯酸凝胶。凝胶的投料比见表2 3 。经6 0 m o l 1 n a o h 溶液中和的从和m b a a 搅拌混合，接着加入k 2 s 4 0 8 快速溶解。向溶液 中加入c m c 并在2 0 下溶解。混合溶液在2 0 下8 0 0 0 r m i n 离心1 5 分钟除去 气泡。6 5 下聚合8 小时后，取出共聚物，切成直径9 5 m m ，厚度0 8 m m 的圆 片。将凝胶片分为两部分：一部分用于测定接枝率；另一部分在去离子水中浸 泡4 天( 每隔8 h 换一次水) 除去未反应物质，然后3 0 下真空干燥后用于溶胀 实验和元素分析。表2 3 也给出了聚合物组成的元素分析结果。 表2 3c m c g - p a a 凝胶的投料组成、实际组成和接枝率 a c m c 的摩尔含量以单糖为单元计算 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 5 凝胶接枝率的测定 称取粗接枝共聚物2 0 9 ，以丙酮为溶剂在索氏提取器中提取1 2 小时完全除 去均聚物。将滤渣在6 0 。c 条件下真空干燥至恒重，即为提取物的重量。接枝率 ( g ) 计算如下： g = ( w 2 一w 1 ) a v d x10 0 ( 2 - 3 ) 其中w l 为c m c 的质量，w e 为提取物质量。各凝胶的接枝率( g ) 见表2 3 。 2 2 6 凝胶力学性能的测定 制备具有一定厚度的水凝胶样品，将水凝胶切成约6 c m x 2 c m 的片状。使用 万能电子拉力试验机进行力学性能实验，测定水凝胶的杨氏模量、拉伸强度、 拉伸断裂应力。初始长度为2 5 r a m ，拉伸速率为1 0 0m m m i n 1 。 2 2 7 凝胶平衡溶胀程度的测定 采用重量分析法测定凝胶的平衡溶胀程度。将干凝胶放入不同p h 值的柠檬 酸磷酸盐缓冲溶液中，1 2 h 后取出并且用滤纸轻轻擦干，称重，每间隔l h 测量 凝胶的重量。连续三次测得凝胶的质量不变即为达到溶胀平衡。凝胶的平衡溶 胀程度q 。表达如下： i i l 0 是干凝胶的重量，l i k d 是凝胶达到溶胀平衡时的重量。 ( 2 - 4 ) 武汉理工人学硕士学位论文 2 3 结果与讨论 2 3 1 羧甲基壳聚糖的取代度和游离胺基含量 墨 a v n a o h ( m 1 ) 图2 - 2c m c 取代度滴定曲线 图2 2 和图2 3 分别为c m c 取代度滴定曲线和滴定微商曲线。从二阶微商 曲线上得出v l ：4 5 1 0 一l ，v 2 = 9 5 x 1 0 一l ，v 3 = 1 3 5 x 1 0 一l ，壳聚糖脱乙酰度为9 1 。 将数据应用于方程2 1 和方程2 - 2 计算取代度d s 和氨基含量： m c t s = 8 8 7 x 2 0 3 1 9 + 9 1 1 6 1 5 = 1 6 4 9 8 8 a = ( v 2 v 1 ) c n a o h m = 3 3 3 x1 0 。3 d s = 1 6 4 9 8 8 a ( 1 - - 5 8 a ) = 0 6 8 羧甲基化的氨基葡萄糖单元的摩尔质量： m = 5 8 d s + 16 4 9 8 8 = 2 0 4 4 3 羧甲基壳聚糖中氨基含量： y = m ( v 3 - v 2 ) c n a o h m = 5 4 5 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 爱 z 号 2 3 2 凝胶的力学性能 v n a o h ( 血) 图2 3c m c 滴定微商曲线 表2 4 凝胶的力学性能参数：杨氏模量、拉伸断裂应力和拉伸强度 表2 - 4 为不同组成的凝胶样品的力学拉伸与断裂性能数据。组成范围内的凝 胶都具有一定的力学强度。凝胶组成中a a 含量最多的凝胶b 5 的杨氏模量稍小； 而凝胶的拉伸强度随着a a 含量的增加而增加。杨氏模量是衡量材料刚性的指 标，凝胶b 5 的杨氏模量较小可能归因于c m c 大分子具有刚性结构【6 ，凝胶中 c m c 嗨休的加入可增加凝胶的刚性，因而c m c 含量较少的凝胶b 5 杨氏模量比 其池威胶样品小。而凝胶a a 含量的增加引起凝胶的接枝率相对增加，网络结构 更加紧密，这可能是导致凝胶的拉伸强度增加的主要因素。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 3 凝胶的p h 敏感性 1 6 1 4 1 2 1 0 8 6 4 2 o 234567 p h 图2 4 不同组成的凝胶在p h 2 2 7 0 缓冲溶液中的平衡溶胀程度随p h 的变化曲 线。，b l ；口，b 2 ；，b 3 ；，b 5 图2 4 是不同组成的凝胶在p h 2 2 7 0 缓冲溶液中的平衡溶胀程度随p h 的 变化曲线。从图中可以看出不同组成的c m c g - p a a 凝胶均显示出明显的p h 敏 感性。在p h 4 0 5 0 范围内凝胶的平衡溶胀程度有较大的突变。这可能归因于在 p h 4 0 5 0 范围内，凝胶网络中羧基的离子化程度随着p h 值的增加而增加， - c o o - 相互排斥，促进凝胶的溶胀；而在p h 2 2 4 0 时，介质的p h 值远远小于 聚合物羧基的解离常数p k a ( 聚合物羧基的解离常数p i c a 为4 6 【6 2 1 ) ，凝胶网络内 的羧基主要以- c o o h 形式存在。此时凝胶网络中同时存在质子化的羧基之间的 氢键交联以及羧酸根离子和胺离子之间的离子键交联，强烈的弱相互作用使得 凝胶的平衡溶胀程度很低，溶胀程度对p h 的依赖不明显。而当p h 值范围为 5 0 7 0 时，由于羧基完全的离子化，凝胶的平衡溶胀程度较低p h 值时显著增大， 并且溶胀程度对p h 的依赖也不再明显。 武汉理i t 大学硕士学位论文 2 5 2 0 1 5 8 1 0 5 o 234567 p h 图2 5 不同交联剂含量的凝胶在p h 2 2 - 7 0 缓冲溶液中的平衡溶胀程度随p h 的 变化曲线。，b 4 ；a ，b 5 ；，b 6 凝胶b 4 b 6 单体含量相差不大，交联剂含量呈倍数关系。图2 5 显示了不同 交联剂含量的凝胶b 4 b 6 在p h 2 2 7 0 缓冲溶液中的平衡溶胀程度随p h 的变化 曲线。从图中可见凝胶的p h 敏感性为b 4 b s b 6 ，即凝胶的p h 敏感性随交联剂 含量的增大而减弱。这可能是归因于凝胶的网络空间随交联剂含量的增加而减 小。在p i - i 2 2 - 4 o 缓冲溶液中溶胀平衡时，由于强烈的物理交联，凝胶处于收缩 状态，水分子难以进入凝胶内部，交联剂含量对凝胶的平衡溶胀程度影响不大； 而随着缓冲溶液p h 值的增加，物理交联瓦解，凝胶的平衡溶胀程度主要由凝胶 内网络空间的大小决定。交联剂含量较大的凝胶由于网络空间小，平衡溶胀程 度随p h 值的升高而增加较少，p h 敏感性不明显。 2 4 结论 本章以壳聚糖为原料制备了羧甲基壳聚糖，测定了羧甲基壳聚糖的取代度 和游离胺基含量。并以羧甲基壳聚糖、丙烯酸为原料，n ，n 亚甲基双丙烯酰胺 为交联剂制备了羧甲基壳聚糖接枝丙烯酸凝胶。表征了凝胶的组成和接枝率。 通过测定不同组成凝胶样品的杨氏模量、拉伸断裂应力和拉伸强度表征了 凝胶的力学性能。 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 不同组成的c m c g - p a a 凝胶均显示出明显的p h 敏感性。在p h 4 0 5 0 范 围内凝胶的平衡溶胀程度有较大的突变归因于凝胶网络中羧基的离子化程度随 着p h 值的增加而增加，- c o o - 相互排斥，促进凝胶的溶胀。交联剂含量影响凝 胶的p h 敏感性。交联剂含量较大的凝胶由于网络空间小，平衡溶胀程度随p h 值的增加而变化较小，p h 敏感性变弱。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章羧甲基壳聚糖接枝丙烯酸凝胶的加速动力学 研究 3 1 引言 环境敏感