水凝胶类材料的表征方法概述.docx

华侨大学材料学院硕士课程论文智能水凝胶类材料的表征方法探讨摘 要：水凝胶是以水为分散介质的凝胶。具有交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团而形成能遇水膨胀的交联聚合物。水凝胶类材料在各个领域被广泛的应用并且应用范围不断扩大，为了适应生产和生活的发展需要，水凝胶类材料的性质需要通过各种近代分析技术被详细的表征。主要表征有溶胀测试（SR），热差分析（DSC），红外分析表征（FTIR），紫外表征（UV），透射电子显微镜(TEM)，原子力显微镜（AFM）等，本文就这几种常见的表征分析方法在智能水凝胶性能表征中的应用情况加以概括分析。1.水凝胶（Hydrogel）简介水凝胶是以水为分散介质的凝胶。具有交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团而形成能遇水膨胀的交联聚合物。是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。这些高分子按其来源可分为天然和合成两大类。天然的亲水性高分子包括多糖类（淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等）和多肽类（胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等）。合成的亲水高分子包括聚乙烯醇、丙烯酸及其衍生物类（聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等）。最常用的领域是在智能药物领域的应用。智能药物是利用高分子智能载体制备而成的，通过系统协调材料内部的各种功能，对环境可感知且可响应，它能对周围环境的刺激因素，如温度、pH值、离子、电场、磁场、溶剂、反应物、光或应力等做出有效响应并且自身性质也随之发生变化，能够达到定量、定时、定位靶向、高效、低毒，其释药行为与人体生理环境和相关病理要求一致的智能化效果，解决了常规片剂、胶囊、注射剂等药物不能按疾病本身要求释放药物且不良反应多的缺陷，降低药物毒副作用，使临床用药更科学、合理，达到了治疗疾病时用药的智能化和按需释放药物，减少给药次数，避免重复给药和盲目用药给患者带来的损伤，减轻患者的经济负担。智能水凝胶主要分为温度敏感性水凝胶和pH敏感性水凝胶。 温度敏感性水凝胶能随环境温度的变化而发生可逆性的相转变, 将其用于给药系统可实现响应环境温度变化的智能化给药,若把所需浓度的药物与温敏凝胶混合后注射到患病部位, 能迅速形成凝胶, 这种原位形成的水凝胶(in-situ gel)可以和周围组织牢固结合, 在病灶处精确释放药物,有效地控制了药物的释放范围, 减轻疼痛以及其他副作用。pH敏感性改性壳聚糖原理是：正常生理条件下人体不同部位pH不同, 而在病理状况下变化尤为明显。利用这种变化可设计有针对性的释药系统。pH 敏感聚合物通常含有酸性(羧酸、磺酸)和碱性(铵盐)基团, 即含有大量可离子化基团(-COO-,-NHR2+, -NH2R+, -NR3+等), 在环境发生变化时接受或给予质子,导致亲水/疏水性发生变化。针对水凝胶药物释放体系的材料性能方面的测试表征内容有：溶胀性能测试(SR)，热差分析（DSC），紫外分光光度法（UV），傅里叶红外变换光谱法（FTIR），X射线分析（XRD）等方法。2.水凝胶材料主要表征测试：2.1物理性能表征2.1.1溶胀测试（SR）：2.1.1.1溶胀测试原理溶胀测试是针对水凝胶类材料性质的基本测试方法之一。其用意是检测水凝胶类材料作为药物缓释体系的基质，其吸收或者释放药物的能力检测。其测试方法是在实验要求的溶液或去离子水中，通过控制不同温度或者pH值以及不同时间长度等条件，对水凝胶材料溶胀率进行检测。溶胀率的检测根据公式：SR % = ( Ww - Wd ) / Wd * 100其中Ww和Wd分别代表干的和湿的样品的重量。Wd是要待样品重量不再发生变化的时候进行至少五次测定的平均结果。达到此恒定不变的质量称为溶胀平衡状态，此时的含水量称为平衡含水量（EWC），EWC的测定由方程：EWC % = （Weq Wd）/ Weq * 100决定，其中Weq 指样品在平衡状态下的质量。2.1.1.2溶胀测试在水凝胶材料表征中的应用举例例如在测试壳聚糖(Cs)-聚乙二醇（PEG）半互穿网络水凝胶1的溶胀率时，Jagjit R. Khurma等按以下表格制得壳聚糖-聚乙二醇水凝胶网络。样品编号Cs含量PEG含量药物含量PEG质量百分数C6P10.600.100.0214.3C4P10.600.150.0220.0C3P10.600.200.0225.0在37条件下，分别于pH值为2,4,7,9,10 的缓冲溶液中测试3种水凝胶SR和EWC的值。得出以下三图分别表示25，37，45条件下三种样品的溶胀率。并通过测试得出pH=7条件下不同温度时三种样品的平衡溶胀曲线图，以及在37条件下不同pH值下的三种样品的平衡溶胀率曲线图。分别得出如下左右两图。pH=7 T=37另外在某种羧甲基壳聚糖/异丙基丙烯酰胺半互穿网络给药体系2中，郭宝林等分别在pH值为2.1和7.4条件下，通过测定不同温度下样品的溶胀率，得出样品水凝胶的溶胀变化曲线如下图。pH=2.1 pH=7.42.1.2热差分析法（DSC）2.1.2.1热差分析法原理差热分析法是以某种在一定实验温度下不发生任何化学反应和物理变化的稳定物质（参比物）与等量的未知物在相同环境中等速变温的情况下相比较，未知物的任何化学和物理上的变化，与和它处于同一环境中的标准物的温度相比较，都要出现暂时的增高或降 低。降低表现为吸热反应，增高表现为放热反应。当给予被测物和参比物同等热量时，因二者对热的性质不同，其升温情况必然不同，通过测定二者的温度差达到分析目的。以参比物与样品间温度差为纵坐标，以温度为横座 标所得的曲线，称为DTA曲线。在差热分析中，为反映这种微小的温差变化，用的是温差热电偶。它是由两种不同的金属丝制成。通常用镍铬合金或铂铑合金的适当一段，其两端各自与等粗的两段铂丝用电弧分别焊上，即成为温差热电偶。在作差热鉴定时，是将与参比物等量、等粒级的粉末状样品，分放在两个坩埚内，坩埚的底部各与温差热电偶的两个焊接点接触，与两坩埚的等距离等高处，装有测量加热炉温度的测温热电偶，它们的各自两端都分别接人记录仪的回路中在等速升温过程中，温度和时间是线性关系，即升温的速度变化比较稳定，便于准确地 确定样品反应变化时的温度。样品在某一升温区没有任何变化，即也不吸热、也不放热，在温差热电偶的两个焊接点上不产生温差，在差热记录图谱上是一条直线，已叫基线。如果在某一温度区间样品产生热效应，在温差热电偶的两个焊接点上就产生了温差，从而在温差热电偶两端就产生热电势差，经过信号放大进入记录仪中推动记录装置偏离基线而移动，反应完了又回到基线。吸热和放热效应所产生的热电势的方向是相反的，所以反映在差热曲线图谱上分别在基线的两侧,这个热电势的大小，除了正比于样品的数量外，还与物质本身的性质有关。不同的物质所产生的热电势的大小和温度都不同，所以利用差热法不但可以研究物质的性质，还可以根据这些性质来鉴别未知物质。2.1.2.2热差分析在水凝胶材料表征中的应用举例 Guoming Sun3等制备基于壳聚糖的兼具pH敏感性和温度敏感性的半互穿水凝胶网络体系，并利用热差分析表征样品热性能，测定玻璃化转变温度结晶温度。将样品裁剪为10 mg 的样品小块，在10 /min 的速度下，从30 升温至300 ，并且测试中以25 mL/min 的速度通氮气保护。得出左图即DSC曲线图：其中曲线F是壳聚糖玻璃化转变温度曲线，C是壳聚糖结晶温度曲线。A,B,D,E四条曲线分别为四种样品的DSC曲线。2.2.结构形态表征：2.2.1红外分析表征（FTIR）2.2.1.1红外光谱原理：当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。所以，红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来，就得到红外光谱图。红外光谱图通常用波长()或波数()为横坐标，表示吸收峰的位置，用透光率(T%)或者吸光度(A)为纵坐标，表示吸收强度。电磁波能量与分子两能级差相等为物质产生红外吸收光谱必须满足条件之一，这决定了吸收峰出现的位置。红外吸收光谱产生的第二个条件是红外光与分子之间有偶合作用，为了满足这个条件，分子振动时其偶极矩必须发生变化。分子的振动形式可以分为两大类：伸缩振动和弯曲振动。前者是指原子沿键轴方向的往复运动，振动过程中键长发生变化。后者是指原子垂直于化学键方向的振动。组成分子的各种基团都有自己特定的红外特征吸收峰。不同化合物中，同一种官能团的吸收振动总是出现在一个窄的波数范围内，但它不是出现在一个固定波数上，具体出现在哪一波数，与基团在分子中所处的环境有关。另外氢键效应和配位效应也会导致基团频率位移，如果发生在分子间，则属于外部因素，若发生在分子内，则属于分子内部因素。红外谱带的强度是一个振动跃迁概率的量度，而跃迁概率与分子振动时偶极矩的变化大小有关，偶极矩变化愈大，谱带强度愈大。偶极矩的变化与基团本身固有的偶极矩有关，故基团极性越强，振动时偶极矩变化越大，吸收谱带越强；分子的对称性越高，振动时偶极矩变化越小，吸收谱带越弱。2.2.1.2红外光谱在水凝胶材料表征中的应用举例Wang4等在研究聚乙烯醇/壳聚糖复合膜对环丙米特氢氯化物控释时，应用到了红外测试项，得到两种样品的综合性测试结果是以环丙米特氢氯化物为典型药物，聚乙烯醇/壳聚糖复合水凝胶膜具有很强的氢键作用，和相互的离子作用。其红外表征结果如下图：样品一 样品二Du5等在研究聚电解质羧甲基葡甘露聚糖/壳聚糖作为药物载体水凝胶时，同样也应用了红外表征其结构。2.2.2 紫外表征（UV）2.2.2.1紫外表征原理当分子中的电子吸收能量后会从基态跃迁到激发态，然后放出能量（辐射出特征谱线）。回到基态，而辐射出特征普线的波长在紫外区中就叫做紫外光谱目前使用的紫外光谱仪波长范围是200800nm.其基本原理是用不同波长的近紫外光(200400nm)依次照一定浓度的被测样品溶液时,就会发现部分波长的光被吸收。如果以波长为横坐标(单位nm),吸收度(absorbance)A为纵坐标作图,即得到紫外光谱(ultra violet spectra，简称UV).定性分析：在有机化合物的定性分析中，紫外可见光谱适用于不饱和有机化合物，尤其是共轭体系的鉴定，以此推断未知物的骨架结构。此外，可配合红外光谱、核磁共振波谱法和质谱法进行定性鉴定和结构分析，因此它仍不失为是一种有用的辅助方法。一般有两种定性分析方法，比较吸收光谱曲线和用经验规则计算最大吸收波长max，然后与实测值进行比较。结构分析：结构分析可用来确定化合物的构型和构象。如辨别顺反异构体和互变异构体。定量分析：紫外可见分光光度定量分析的依据是Lambert-Beer定律，即在一定波长处被测定物质的吸光度与它的溶度呈线性关系。应此，通过测定溶液对一定波长入射光的吸光度可求出该物质在溶液中的浓度和含量。种常用的测定方法有：单组分定量法、多组分定量法、双波长法、示差分光光度法和导数光谱法等。配合物组成及其稳定常数的测定：测量配合物组成的常用方法有两种：摩尔比法（又称饱和法）和等摩尔连续变化法（又称Job法）。酸碱离解常数的测定光度法是测定分析化学中应用的指示剂或显色剂离解常数的常用方法，该法特别适用于溶解度较小的弱酸或弱碱。2.2.2.2 紫外光谱在水凝胶表征中的应用举例Rodolfo Cruz-Silva等6在研究以壳聚糖为空间稳定支架的pH敏感性聚苯胺胶体在酶催化中的作用首先应用到了紫外光谱，得到样品胶体分散性能的数据。李红霞7等在N -辛基-N-亚胺基-O-羧甲基壳聚糖衍生物的表征中也用到了紫外分光光度计法，测试样品产物的pH敏感性：配制质量浓度为10 mg/mL 的N-辛基-N-亚胺基-O-羧甲基壳聚糖衍生物溶液,取1 mL分别滴加入8 mL pH 7.4、7.0、6.5、6.0、5.5、5.0、4.5、4.0的磷酸盐缓冲溶液中,用紫外-可见分光光度计测定500 nm处的吸收度得到如下紫外分光光谱结果：表示N -辛基-N-亚胺基-O-羧甲基壳聚糖衍生物在不同pH缓冲溶液中(pH 4.07.4)的透光率。可以看到随着溶液的pH 下降透光率下降。在pH 5.5出现了突变,说明衍生物的亚胺键发生了断裂。其中22CCMC的透光率变化最为明显,这是由于邻位的羧基促使亚胺键的水解加快。2.2.3透射电子显微镜(TEM)2.2.3.1透射电镜原理透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射电子显微镜的分辨率为0.10.2nm，放大倍数为几万百万倍，用于观察超微结构，光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。 透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况：吸收像：当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射钵的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。 相位像：当样品薄至100nm;以下时，电子可以传过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来自于相位的变化。2.2.3.2透射电镜在水凝胶类材料表征中的应用举例：Rodolfo Cruz-Silva8等在研究以壳聚糖为空间稳定支架的pH敏感性聚苯胺胶体在酶催化中的作用时，就应用了TEM法对水凝胶材料进行了表征。得到如下电镜图：通过TEM表征，可以作为判断材料微观形态的一种依据。2.2.4 原子力显微镜（AFM）2.2.4.1原子力显微镜原理原子力显微镜是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。2.2.4.2原子力显微镜在水凝胶材料中应用举例Yi-Qing Ye9等在研究硬脂酸接枝壳聚糖时就使用了原子力显微镜来表征材料特性。得到如下图示：3.水凝胶材料的表征发展随着智能材料应用领域的不断扩大，水凝胶材料以其独特的物理化学性质被广泛应用于各行各业生产实践中。针对水凝胶各方面性能的表征的重要性也与日俱增，随着科学技术的不断发展，表征的手段和方法也会不断提高，以拓宽各种材料的应用范围，提高材料的技术含量。参考文献【1】 Jagjit R. 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