第25卷第6期2008年6月精细化工
FI NE C H E M I CAL S
Vo.l25,No.6
J une2008
功能材料
温度和p H双重敏感性水凝胶的制备及表征*
凌有道1,2,吕满庚1*
(中国科学院广州化学研究所,广东广州510650;2.中国科学院研究生院,北京100039)
摘要:在5种不同温度下聚合交联,制备了一系列温度和p H双重敏感性聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-衣康酸)水凝胶。实验发现,15、25e得到的凝胶是透明的,45、55e得到的凝胶是白色不透明的,而在相转变温度附近(35
e)得到的凝胶则是半透明的。FT IR测定表明,它们具有相似的化学组成和结构。SE M观察证实,它们具有不
同的表面形态。测定了不同温度和p H下达到平衡时水凝胶的溶胀比,考察了水凝胶在水和强酸性溶液中的去溶胀动力学。结果表明,与15e或25e制备的水凝胶相比,45e和55e制备的水凝胶的性能有显著提高:
(1)溶胀比大为增加。15e或25e制备的水凝胶在25e时溶胀比分别为6513和6811,而45e和55e制备
的水凝胶此时溶胀比分别高达10517和11011;(2)45e和55e制备的水凝胶在极端环境下对温度的变化仍具有较快的响应速率。例如在温度为60e,p H=1167的强酸条件下,45e和55e制备的水凝胶在60m in内皆可失去95%的水,而15e或25e制备的水凝胶在120m i n内只能失去42%左右的水。
关键词:N-异丙基丙烯酰胺;衣康酸;水凝胶;温度敏感性;p H敏感性;功能材料
中图分类号:TQ326.4文献标识码:A文章编号:1003-5214(2008)06-0545-06
Preparati on and Characterizati on of Te m perature and
p H D ual R esponsive Hydrogels
LI NG You-dao1,2,L B M an-geng1*
(1.Guangzhou Institute of Che m istry,Chinese A cade my of Science,Guangzhou501650,Guangdong,China;2.Graduate
S c hool of Chinese A cad e m y of Sciences,B eij i ng100039,China)
Abstract:A series o f te mperature and p H dua l responsive P(N-isopropylacryla m ide-co-itacon ic) hydrogels w ere prepared at five d ifferent te m peratures.Itw as found that the gels prepared at15e and 25e w ere transparen,t ge ls prepared at45e and55e were opaque,wh ile ge ls prepared near t h e phase transiti o n te mperature(35e)w ere se m-i transl u cen.t The che m ica l co m positions and structures of these hydroge ls w ere si m ilar to each other,as m easured by FTI R.The surface m orpho log ies of these hydrogels w ere qu ite d ifferen,t as observed by SE M.The equ ili b ri u m s w e lling rati o s o f the hydroge ls w ere m easured a t different te mperatures and p H val u es.Further m ore,the des w elli n g k i n etics o f t h e hydrogels w as also studied i n d istilled w ater and strong acid m edia.The result i n d icated that i n co m parison w it h ge ls prepared at15e and25e,the hydr ogels prepared at45e and55e had follo w i n g i m proved properties.(1)H igher s w e lli n g ratios.A t25e,the equ ilibr i u m sw elli n g ratios of gels prepared at15e and25e w ere6513and6813,whereas those o f ge ls prepared at45e and55
e w ere as high as10517and11011respectively.(2)G els prepared at45e and55e still exhibited
fast des w e lli n g behav i o rs even at ex tre m e cond iti o ns,for exa m ple,at60e in p H1167buffers,
*收稿日期:2008-01-04;定用日期:2008-02-11
基金项目:中国科学院/百人计划0资助项目
作者简介:凌有道(1981-),男,安徽省庐江县人,博士研究生,师从吕满庚研究员,主要从事多重敏感性水凝胶的合成与研究,电话:020 -85231293,E-m ai:l x m an@gi https://www.doczj.com/doc/3a12289241.html,。
联系人:吕满庚(1963-),男,博士,研究员,博士生导师,从事智能高分子材料的合成与研究,电话:020-********;E-m ai:l m glu@gic.
https://www.doczj.com/doc/3a12289241.html,。
hydrogels prepared at45e and55e lost95%w ater w ithin60m i n,whereas ge ls prepared at45e and55e lost only about42%w ater i n120m i n.
Key w ords:N-isopropy lacry la m ide;itacon i c;hydroge;l ther m o-sensiti v e;pH-sensitive;functi o na l m aterials
Foundation ite m:Supported by/cen t u ry progra m0o f the Ch i n ese Acade m y o f Sc i e nces
智能水凝胶是一类能对外界刺激产生敏感响应的新型功能材料。而典型的外界刺激包括温度、p H、溶剂、盐浓度、光、电场、化学物质等[1]。对上述两种或更多刺激都能够作出响应的材料往往被称为双(多)重敏感性水凝胶。其中,温度和p H双重敏感性水凝胶最为重要,因为温度和p H不但易于控制,而且是人体和生物系统中两个很重要的生理参数。在化学转换器、记忆元件开关、传感器、人工肌肉、化学存储器、分子分离体系、活性酶的固定、药物载体、组织工程等方面,温度和p H双重敏感性水凝胶都具有很好的应用前景[2],因而日益成为当前研究热点。
聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PN I P A)水溶液在32 ~34e附近有一个较低临界溶液温度(LCST)。当温度低于LCST时,PN I PA可溶解于水;而当温度高于LCST时,P N I PA由亲水转变成疏水,发生相分离[3]。因此,PN I PA经常被引入温度和p H双重敏感性水凝胶中,作为温度敏感部分。
聚丙烯酸、聚衣康酸等聚电解质,在外界p H改变时,其体积会发生较大变化[4],因而常用作p H敏感部分引入温度和p H双重敏感性水凝胶中。
尽管目前已有一些文献报道通过采用不同的单体来合成温度和p H双重敏感性凝胶[5~7],但是关于温度和p H双重敏感性水凝胶性能改进的报道却非常少。因为在传统方法中,往往通过改变原料配比来增加p H敏感性,但是这样经常会引起温度敏感性的减退甚至消失[8]。
本文在不改变原料配比的条件下,于不同温度聚合,得到了一系列性能更为优异的温度和p H双重敏感性聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-衣康酸)1P (N I P A-co-I A)2水凝胶。用红外光谱测定了这些凝胶的化学组成与结构,用扫描电镜观察了其不同的表面形态,测定了不同温度和pH下达到平衡时水凝胶的溶胀比,研究了水凝胶在纯水和强酸性溶液中的去溶胀动力学。报告如下,供参考。
1实验部分
1.1试剂与仪器
N-异丙基丙烯酰胺(N I PA):英国A cros公司产品,质量分数为99%;衣康酸(I A):大连市吉利化工贸易有限公司产品,质量分数为9916%;N,N c-亚甲基双丙烯酰胺(B I S):FL UKA C H E M I KA公司产品,生化试剂;过硫酸钾(KPS)、N,N,N c,N c-四甲基乙二胺(TE MED)等皆为AR试剂。
扫描电镜(SE M):日本JS M公司-5910型;傅里叶变换红外光谱仪(FT I R):美国Ana l e ct公司RFX-65A。
112P(N IPA-co-I A)水凝胶的合成
将共聚单体N I PA、I A和交联剂BIS溶于去离子水中,在通N2条件下机械搅拌20m in后,加入引发剂KPS,继续通N2,再加入加速剂TE MED,混合均匀后分别于15、25、35、45e和55e下反应24h,得到水凝胶。这些水凝胶在制备时除温度不同外其他合成条件均相同。将得到的水凝胶在5e于去离子水中浸泡7d,每天更换去离子水以除去未反应的单体及引发剂。将得到的凝胶切成直径约10mm、厚约5 mm的圆片,再放进约60e水中,待其自然收缩。将收缩的凝胶放入真空烘箱中干燥至恒重后,于保干器中存放备用。凝胶代号及投料量见表1。
表1P(N IPA-co-I A)水凝胶的投料组成T able1Feed com position f o r P(N IPA-co-I A)hydroge ls RUN
Sa mp l e
H
/e
N IP A
/g
I A
/g
BI S
/g
K PS
/g
TE MED
/L L
H2O
/m L
v m
/g
1.G151501500001015001025001012510810015447
2.G252501500001015001025001012510810015376
3.G353501500001015001025001012510810015357
4.G454501500001015001025001012510810015245
5.G555501500001015001025001012510810015226
v m:the m ass o f t he resu l ta nt dry g e.l
113pH缓冲溶液的制备
根据国际纯粹与应用化学联合会(I U PAC)标准,制备了p H分别为1167,3155,4101,6186和9118的5种pH缓冲溶液,并用N a C l将其离子强度统一调至0105m o l/kg。
114性能测试
11411P(N I PA-co-I A)水凝胶的红外光谱
将水凝胶浸泡7d后,经数次去溶胀及溶胀后烘干研碎,用KBr压片测定其红外光谱。
11412水凝胶表面形态观察
将冷冻干燥的水凝胶样品表面喷金处理后,通过扫描电镜观察其表面形态。
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#精细化工FI N E CHE M I C ALS第25卷
11413 水凝胶的温度敏感性测定
用称重法测定水凝胶在25~60e 的平衡溶胀
比(ESR)。将处理好的水凝胶样品在每个温度下至少保持24h 后,用润湿的滤纸拭干水凝胶表面带出的水分,测定质量,记录此温度下水凝胶的质量。水凝胶的平衡溶胀比ESR 定义为某温度下水凝胶达到溶胀平衡状态时水凝胶的质量W e 与真空干燥至恒重时凝胶的初始质量W d 之差与W d 之比,即
ESR =(W e -W d )/W d
11414 水凝胶的pH 敏感性测定
用称重法测定水凝胶在5种p H 缓冲溶液中的平衡溶胀比(ESR)。室温下将处理好的水凝胶样品浸入5种p H 缓冲溶液中至少保持24h 后,测定此p H 下水凝胶的质量。此时水凝胶的平衡溶胀比ESR 定义为此pH 下水凝胶达到溶胀平衡状态时水凝胶的质量W e 与真空干燥至恒重时凝胶的初始质量W d 之差与W d 之比,即
ESR=(W e -W d )/W d
11415 水凝胶的去溶胀动力学测定
将在25e 去离子水中达到溶胀平衡的水凝胶快速转移至60e 的去离子水(或p H 为1167的强酸性水溶液)中,此时水凝胶会收缩失水发生去溶胀。每隔一定时间,测定水凝胶的质量,直至其质量不再变化。测定时同样要先用湿润的滤纸除去表面带出的水分。由下式计算水凝胶的动态溶胀比SR:
SR =(W t -W d )/W d
式中W t 为某一时刻水凝胶的质量;W d 干燥至恒重时凝胶的初始质量。
作动态溶胀比与时间关系曲线,即得水凝胶在60e 的去溶胀动力学曲线。
2 结果与讨论
211 P(N IPA -co -I A )水凝胶的形成
图1
为不同温度下制备的水凝胶。
图1 P (N IPA-co -I A )水凝胶的外观(从左到右:G15、G 25、G 35、G 45和G55)F ig .1 Physical appearances of the hydrogels(from left to righ t :G 15,G 25,G 35,G45and G 55)
可以看出,在较低温度下(15、25e ),制得的凝
胶为无色透明状,在较高温度下(45、55e )制得的凝胶为白色不透明状,而在较低临界溶液温度附近(35e )时,制得的凝胶为半透明状。这是因为在较低温度下,P(N I P A-co -I A )高分子链在水中得以充分伸展,形成的凝胶可以充分吸水溶胀而使自身呈透明状,而在较高温度下,P(N I PA-co -I A )高分子链与水相分离,形成白色不透明物质。在较低临界溶液温度附近(35e )时,P(N I PA-co -I A )高分子链构象处于无规线团(co il)和蜷缩球(g l o bule)相变的中间态。通常,对于单纯PN I P A 链,这种相变区间是很
窄的(32~34e ),相变是突变的[9]
。而本实验中由于引入了亲水性单体衣康酸I A ,致使相变温度升高,相变区间拓宽,从而使这一中间态可以通过交联保留下来。而且正是由于相变区间拓宽,即使在后处理中凝胶吸水以后,仍能维持这一中间过渡态,表现出半透明状这一特殊的外观。212 P(N IPA -co -IA)水凝胶的红外分析
图2为真空干燥后的5
种凝胶的红外光谱图。
图2 P(N IPA-co -I A )水凝胶的红外光谱F i g .2 IR spectra of the P(N IPA-co -I A )hydroge l s
图2中3700~3100c m -1
有一个很宽的吸收带(a),为)NH )和)OH )的振动吸收峰。1654c m -1
处(c)和1548c m -1
处(d)分别为酰胺?带和
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547#第6期凌有道,等:温度和p H 双重敏感性水凝胶的制备及表征
酰胺ò带吸收峰。衣康酸中羰基吸收峰,在图中表现为一肩峰(b)。从图2中可以看出,这些凝胶在干燥后的I R谱图是相似的,说明合成温度的升高对水凝胶化学结构和组成影响较小。这与实验中的产率测定及I A含量的酸碱滴定分析结果一致。213P(N IPA-co-I A)水凝胶的表面形态图3为冷冻干燥后的水凝胶的表面形态。
图3P(N IPA-co-I A)水凝胶在冷冻干燥后的SE M图
F i g.3SE M photographs of the P(N IPA-co-I A)hydroge l s after freeze-dry i ng
可以看出,水凝胶G25表面致密,G35具有部分孔洞结构,而水凝胶G45和G55则具有较多的大孔。孔洞结构的存在是由于G45和G55在形成过程中出现了相分离[10]。而处于相变中间态的G35则因此表现出部分孔洞结构。
214P(N IPA-co-IA)水凝胶的温度敏感性
图4为几种不同温度下制备的水凝胶的溶胀比随温度变化曲线。可以看出,在室温25e时,与传统水凝胶(G15、G25)相比较,水凝胶G45、G55的平衡溶胀比要大得多,而水凝胶G35的平衡溶胀比位于这两个系列之间。这是由于G45和G55在聚合交联过程中发生相分离,导致了大孔结构的形成。这些孔洞为水存储提供了较多的空间。还可以看到相变温度右移,而且相变区间拓宽到35~55e,这是由于亲水性单体衣康酸的引入所致。在纯水中,衣康酸中的羧基()COOH)电离为)COO-,使亲水性显著增强,破坏了P N I PA链中固有的亲水/疏水平衡。只有温度提高到比原有LCST更高的温度后,高分子链的疏水作用才能起主导作用,而且这一疏水作用也是随温度的增加而逐步增强,从而表现出相变温度的右移和相变区间的拓宽[11]。
图4P(N IPA-co-I A)水凝胶溶胀比随温度的变化
F i g.4T e m pera t ure dependence o f equili b ri u m s we lli ng ratio of
t he P(N I PA-co-IA)hydrog els
215P(N IPA-co-I A)水凝胶的pH敏感性
图5为水凝胶的平衡溶胀比随p H变化曲线。可以看出,这些水凝胶表现出较强的p H敏感性,溶胀比随pH变化有着明显的改变。在较低p H时,衣
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548
#精细化工FI N E CHE M I C ALS第25卷
康酸中的)COOH质子化,从而形成分子间的氢键,
使网络收缩;而在较高p H时,衣康酸中的)COOH 电离成)COO-,离子间的相互排斥,从而引起网络的扩张。在同一p H时,高温制备的凝胶仍比传统水凝胶有大的溶胀比,这可归因于高分子的制备过程及其表现出来的形状记忆效应[12]。
图5P(N IPA-co-I A)水凝胶溶胀比随p H的变化
F ig.5p H dependence of equ ili br i u m s w elling ra tio o f the
P(N IPA-co-I A)hydroge ls
216P(N IPA-co-IA)水凝胶的去溶胀动力学图6(a)为水凝胶在去离子水中的去溶胀动力学。
图6P(N IPA-co-I A)水凝胶在60e时,在去离子水和p H= 1167缓冲溶液中的去溶胀动力学
F ig.6D es w e lli ng k i netics o f the P(N IPA-co-I A)hydrogels i n
d istilled water(a)and p H=1167buffer so l utions(b)at
60e
可以看出,与传统凝胶(G15、G25)相比,高温制备的凝胶(G45、G55)在去溶胀速率方面的提高并不明显。这可能是由于在纯水中,衣康酸中的羧基电离成)COO-,使凝胶的致密层没有形成[13]所致,从而观察到相近的去溶胀速率。尽管高温制备的凝胶在纯水中的去溶胀速率没有显著提高,但在相同时间内,它们释放出了较多的水,从而在药物释放过程中,可以使用较少量的高温制备的凝胶,达到与传统凝胶相同的药物释放量。
为了验证推测,作者进一步研究了水凝胶在p H =1167的强酸性条件下的去溶胀动力学,如图6 (b)所示。G45和G55可以在60m in内迅速脱除95%的水,而G15和G25在120m in内仅失去42%左右的水。因为在这种情况下,衣康酸中的羧基被质子化成()COOH)形式,失去了快速脱水的能力,从而会在传统凝胶的表面形成致密层[13]。在实验中也的确观察到了G15、G25表面气泡的存在。由于G45和G55中存在大孔结构,所以仍能迅速脱水,在实验中也未曾观察到其表面气泡的存在。
3结论
在5种不同聚合温度下,制备了一系列温度和p H双重敏感性聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-衣康酸)水凝胶。与15e或25e制备的水凝胶相比,45e 和55e制备的水凝胶的性能有显著提高,不仅在温度低于其LCST时有更大的溶胀比,而且在强酸性的极端条件下仍具有快速的响应速率。这些性能的改善是由于不同温度引起的相分离导致生成不同的表面形态和内部结构所致。
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第6期凌有道,等:温度和p H双重敏感性水凝胶的制备及表征
甲基,KOH水溶液中水解除去乙酯键、w(H C l)= 5%的盐酸酸化得到重要中间体,最后经双环己基碳化二亚胺(DCC)、4-二甲氨基吡啶(4-DMAP)、4-二甲氨基吡啶盐酸盐(4-DMAP#H C l)脱水成环,得题示物。
(2)对合成路线进行了优化,羟基的乙基保护反应中,加入过量氢化钠(23倍摩尔),反应结束后所得强碱性溶液断裂乙酯键,乙酸溶液加热脱去三苯甲基得到D-四乙基葡萄糖酸,实现了羟基保护和羧基脱保护一步完成,减少了分离提纯步骤。产物结构经核磁共振表征。
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第6期焦岩,等:生物聚合物单体2,3,4,5-O-四乙基-D-葡萄糖酸-1,6-内酯的简便合成
温度敏感性水凝胶的研制与应用 杨晶琎 （四川理工学院材料科学与化学工程学院） 摘要：聚N2异丙基丙烯酰胺(PN IPA)凝胶的研究概况，包括其在化工、医药、纺织等行业中的应用。 Gather N2 isopropyl acrylamide gel (IPA) PN the research situation, including its in chemical industry, medicine, textile, etc. 关键词：水凝胶敏感性热敏性温度 Key words: gel intelligent materials prospects biological 水凝胶热敏性的相关转变与研究：首先观察到水凝胶热敏性的是Tanaka等人[1],用N ,N - 次甲基双丙烯酰胺交联的聚丙烯酰胺的水凝胶的溶胀性能在某 一临界温度附近,随温度的微小变化,其体积变化可达几十至几百倍。后来人们发现温度对其的影响很大，并称其为热敏性。1984年Hirokawa等在非离子水凝胶中也发现了这种相转变, Hoffman和Freltas等也证实了非离子性的聚(N ,N - 二乙基丙烯酰胺)水凝胶和聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶的热敏性相转变[1-3]。所以:敏感性相转变成为一种普遍性。热敏性水凝胶的这种相转变过程无法用传统的高分子理论,如Flo ry-Huggins 模型来解释,而只能用相转变过程中水凝 胶骨架上亲水基团、憎水基团以及水之间的相互作用来解释。目前较容易被人接受的观点是水凝胶的敏感性相转变是由交联网络的亲水———缩水性平衡受外界条件变化而变化引起的。定性上来看，水凝胶的溶胀过程是水分子向凝胶内部扩散与凝胶侧链上亲水基团形成氢键的过程，当温度升高时,氢键振动能增加,破坏氢键的束缚，使之断裂，水凝胶溶胀比则明显减少。这是一个吸热过程，因为大量的结合水从高分子骨架上脱离出来,使水凝胶———水体系熵增加。许多研究者通过各种热力学理论对水凝胶的各种敏感性进行了解释[ 7 ,8 ]其中 与实验现象符合较好的是Ilavsky 等人修改的由Flo ry 提出的平均场理论,但这一理论不能预测发生敏感性相转变时的温度、p H 值、盐浓度、介质组成浓度等。Tanaka 等通过测定聚合物链的持续长度b和有效半径a之比(即代表聚合物链刚性的度量)与敏感性之间的关系,提出了下面的半经验参数S作为有无敏
第25卷第6期2008年6月精细化工 FI NE C H E M I CAL S Vo.l25,No.6 J une2008 功能材料 温度和p H双重敏感性水凝胶的制备及表征* 凌有道1,2,吕满庚1* (中国科学院广州化学研究所,广东广州510650;2.中国科学院研究生院,北京100039) 摘要:在5种不同温度下聚合交联,制备了一系列温度和p H双重敏感性聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-衣康酸)水凝胶。实验发现,15、25e得到的凝胶是透明的,45、55e得到的凝胶是白色不透明的,而在相转变温度附近(35 e)得到的凝胶则是半透明的。FT IR测定表明,它们具有相似的化学组成和结构。SE M观察证实,它们具有不 同的表面形态。测定了不同温度和p H下达到平衡时水凝胶的溶胀比,考察了水凝胶在水和强酸性溶液中的去溶胀动力学。结果表明,与15e或25e制备的水凝胶相比,45e和55e制备的水凝胶的性能有显著提高: (1)溶胀比大为增加。15e或25e制备的水凝胶在25e时溶胀比分别为6513和6811,而45e和55e制备 的水凝胶此时溶胀比分别高达10517和11011;(2)45e和55e制备的水凝胶在极端环境下对温度的变化仍具有较快的响应速率。例如在温度为60e,p H=1167的强酸条件下,45e和55e制备的水凝胶在60m in内皆可失去95%的水,而15e或25e制备的水凝胶在120m i n内只能失去42%左右的水。 关键词:N-异丙基丙烯酰胺;衣康酸;水凝胶;温度敏感性;p H敏感性;功能材料 中图分类号:TQ326.4文献标识码:A文章编号:1003-5214(2008)06-0545-06 Preparati on and Characterizati on of Te m perature and p H D ual R esponsive Hydrogels LI NG You-dao1,2,L B M an-geng1* (1.Guangzhou Institute of Che m istry,Chinese A cade my of Science,Guangzhou501650,Guangdong,China;2.Graduate S c hool of Chinese A cad e m y of Sciences,B eij i ng100039,China) Abstract:A series o f te mperature and p H dua l responsive P(N-isopropylacryla m ide-co-itacon ic) hydrogels w ere prepared at five d ifferent te m peratures.Itw as found that the gels prepared at15e and 25e w ere transparen,t ge ls prepared at45e and55e were opaque,wh ile ge ls prepared near t h e phase transiti o n te mperature(35e)w ere se m-i transl u cen.t The che m ica l co m positions and structures of these hydroge ls w ere si m ilar to each other,as m easured by FTI R.The surface m orpho log ies of these hydrogels w ere qu ite d ifferen,t as observed by SE M.The equ ili b ri u m s w e lling rati o s o f the hydroge ls w ere m easured a t different te mperatures and p H val u es.Further m ore,the des w elli n g k i n etics o f t h e hydrogels w as also studied i n d istilled w ater and strong acid m edia.The result i n d icated that i n co m parison w it h ge ls prepared at15e and25e,the hydr ogels prepared at45e and55e had follo w i n g i m proved properties.(1)H igher s w e lli n g ratios.A t25e,the equ ilibr i u m sw elli n g ratios of gels prepared at15e and25e w ere6513and6813,whereas those o f ge ls prepared at45e and55 e w ere as high as10517and11011respectively.(2)G els prepared at45e and55e still exhibited fast des w e lli n g behav i o rs even at ex tre m e cond iti o ns,for exa m ple,at60e in p H1167buffers, *收稿日期:2008-01-04;定用日期:2008-02-11 基金项目:中国科学院/百人计划0资助项目 作者简介:凌有道(1981-),男,安徽省庐江县人,博士研究生,师从吕满庚研究员,主要从事多重敏感性水凝胶的合成与研究,电话:020 -85231293,E-m ai:l x m an@gi https://www.doczj.com/doc/3a12289241.html,。 联系人:吕满庚(1963-),男,博士,研究员,博士生导师,从事智能高分子材料的合成与研究,电话:020-********;E-m ai:l m glu@gic. https://www.doczj.com/doc/3a12289241.html,。
pH敏感型脂质体的研究进展 10072855 王剑磊高材075 摘要：本文对脂质体，着重对pH敏感型脂质体以及pH敏感型类脂组的系统组成作了一个较简单的介绍，并阐述了临界pH的影响因素及其应用。 关键词：pH敏感型脂质体、pH敏感型类脂组成的系统、临界pH的影响因素 脂质体（Liposome）是利用磷脂双分子层膜所形成的囊泡包裹药物分子而形成的制剂。由于生物体质膜的基本结构也是磷脂双分子层膜，脂质体具有与生物体细胞相类似的结构，因此有很好的生物相容性。脂质体进入人体内部之后会作为一个“入侵者”而启动人体的免疫机制，被网状内皮系统吞噬，从而在肝、脾、肺和骨髓等组织中靶向性地富集。这就是脂质体的被动靶向性。脂质体主要成分是磷脂和胆固醇，其类似细胞膜的微球体。20世纪年代末Rahman等人首先将脂质体作为药物载体应用。70年代初用脂质体作为药物载体包埋淀粉葡萄糖甘酶治疗糖原沉积病首次获得成功。脂质体作为药物载体具有使药物靶向网状内皮系统、延长药效、降低药物毒性、提高疗效、避免耐受性、改变给药途径等优点，但脂质体作为药物载体仍存在对有些疾病的靶向特征不理想、体内稳定性和贮存稳定性欠佳等缺点，因而限制了脂质体的临床应用和工业化生产。近年来人们逐渐研制出长循环脂质体、前体脂质体、聚合膜脂质体等新犁脂质体以提高脂质体的稳定性;设计开发了温度敏感脂质体、pH敏感脂质体、免疫脂质体、磁性脂质体等新型脂质体以提高脂质体的靶向性。本文将着重对pH敏感型脂质体的研究进展做一综述。 1．pH敏感型脂质体(pH—sensitive Liposomes ) pH敏感型脂质体是指在低pH时脂肪酯羧基质子化而引起六角相形成，导致膜融合而达到细胞内靶向和控制药物释放的功能性脂质体，是用含有pH敏感基团的脂质制备的，可在一定程度上避免溶酶体降解并增加包封物摄取量和稳定性，有效地将包封物转运到胞浆。基于肿瘤间质液pH比正常组织低，应用pH敏感型脂质体载药能获得较非pH敏感型脂质体更好的转移效果。此外，PH敏脂质体在基因治疗中也得到了应用。Dzau VJ等利用病毒细胞融合脂质体的特点，将日本血细胞凝集病毒( HVJ )与脱氧寡核苷酸或质粒DNA脂质体复合，能诱导DNA直接进入细胞浆。pH敏感型脂质体的开发为大分子药物人工基因片段的胞内投递提供了手段。随着脂质体生产工艺研究的深入和不断完善，pH敏脂质体将成为临床治疗中的一种重要手段。pH敏感型脂质体在酸性环境中不稳定，而在细胞内吞过程中，在核内体始降低，所以设计合适的pH敏感型可以使其到达溶酶体前将内容物释放中，从而保证药物的活性。此外，炎染区域，某些肿瘤组织或局部缺血时异常酸化现象，所以在pH7 .4 ～6 .5范围内的pH敏感型脂质体对于药物的传递释很大的临床应用价值。 2．pH敏感型类脂组成的系统
聚肽类环境敏感性水凝胶的制备及性能研究本论文在前人研究的基础上,以聚肽为原料、开发了性能更为优异的环境敏感性水凝胶体系,主要研究了以聚天门冬氨酸为代表的氨基酸均聚物水凝胶体系、以及多肽RATEA16为代表的氨基酸共聚物自组装水凝胶体系。对聚天门冬氨酸水凝胶体系,我们研究了制备条件对产品敏感程度的影响,得出较高的水解最终pH 值可以提高水凝胶的溶胀一去溶胀响应速度的结论,这主要是由于水解最终pH 值严重影响着其微观聚合物结构、以及宏观的凝胶表面形态。 我们还比较详细的阐述了聚天门冬氨酸水凝胶的pH敏感性,由于其中同时 含有酸性、碱性基团,它属于两性pH敏感水凝胶,因此它在高、低pH处均有较大的溶胀比,而在中间pH处溶胀比较小；同时,它对离子强度的变化更加敏感。众所周知,一种新材料的研发必然是要以大规模生产为最终目标,因此,聚天门冬氨酸水凝胶也必然要面临将实验室小试结果放大的阶段。 我们采用响应面法优化聚天门冬氨酸水凝胶的制备工艺,从而达到提高放大实验所得的产品最高吸水能力的研究目的。实验得到了一个能够很好的拟合实验数据的多项式模型,经过小试以及放大实验的验证,模型的预测值与实验测量值 十分吻合。 通过制备工艺的优化,产品的溶胀比提高了大约60%。此外,我没呢还对聚天门冬氨酸水凝胶进行了改性。 首先,采用物理的冻融循环技术结合少量化学交联剂来制备聚天门冬氨酸水凝胶,以达到在保证产品的生物降解性和生物相容性不变的前提下,减少制备过 程中化学交联剂毒毒性的目的。实验发现控制制备工艺中冻融循环的条,就可以在一定程度上控制产品最终的结构和性质。
为了弥补聚天门冬氨酸水凝胶机械强度差的缺陷,我们采用半互穿网络技术,以聚天门冬氨酸钠盐为线性组份、以交联型聚丙烯酸为网络结构,在水相反应体系中制备PAsp/PAAc半互穿网络结构水凝胶。实验证实了溶胀后的PAsp/PAAc 半互穿网络水凝胶以一个聚电解质复合物的结构存在。 还发现此产品保持了聚天门冬氨酸水凝胶的温度、pH敏感性,并且在这些可重复的溶胀一去溶胀周期中,凝胶体系显示了很好的机械强度性能。通过研究PAsp/PAAc半互穿网络水凝胶在尿素溶液中的溶胀动力学性质,揭示了水分子扩散进入水凝胶的网络结构是受到non-Fickian扩散机制的控制。 并且,产品中PAsp线性组分的比例越小,其溶胀过程受到水分子的扩散控制程度越大；产品中PAsp线性组分的比例越大,其溶胀过程就越接近聚合物链的扩展控制体系。为聚天门冬氨酸水凝胶体系在生物体内的应用做初步研究,我们还考察了各产品在各种自制的模拟生理溶液中的溶胀性能。 实验证明其依然具备离子型水凝胶的普遍性质,溶胀行为受到溶胀环境的严重影响,尤其是溶液中的离子强度。综上所述,具有高溶胀能力、快速溶胀速度的智能型聚天门冬氨酸吸水材料必将在许多领域中都有比较广泛的应用前景。 另一方面,本论文还研究了多肽RATEA16自组装水凝胶体系。多肽RATEA16可以在水相中自组装形成一种高规则性的纳米纤维水凝胶；其含水量通常大于99.5wt.-%,并且在生理相似的环境中保持稳定状态。 通过比较详尽的研究其各种性能,揭示了多肽RATEA16自组装水凝胶富含二级结构为p-折叠的纳米纤维；其动态黏弹性受环境pH值和体系中多肽浓度的影响。还发现界而间的疏水作用力、分子间的氢键作用、以及吸引和排斥静电力的共同作用,是不同pH环境中出现粘稠溶液、弹性水凝胶、和沉淀三种状态的主要
pH敏感双亲性聚合物的研究进展 摘要：pH敏感双亲性聚合物由于具有多种潜在的用途而引起广泛关注。本文综述了pH敏感双亲性聚合物的概念，组成，分类，合成方法以及在药物输送中的应用，并对其发展趋势进行了展望。 关键词：pH敏感；双亲性；聚合物；共聚物；胶束；脂质体；纳米粒 两亲性聚合物是指同一高分子中同时具有对两种性质不同的相(如水相与油相，两种油相，两种不相容的固相等)皆有亲和性的聚合物。pH敏感性聚合物是其溶液相态能随环境pH、离子强度变化的聚合物。已有理论研究结果表明，聚合物分子内及分子间交联作用力可以分为以下几种:氢键、范德华力、静电作用和疏水作用力[1]。在pH响应体系中四种作用力共同起作用引发pH敏感性，其中离子间作用力起主要作用，其它三种作用力起到相互影响、相互制约的作用。一般来说，具有pH响应性的高分子中含有弱酸性(弱碱性)基团，随着介质pH值、离子强度改变，这些基团发生电离，造成聚合物内外离子浓度改变，并导致大分子链段间氢键的解离，引起体相分子构型或溶解度的改变。 1．pH敏感双亲性聚合物的分类 pH敏感双亲性聚合物有两大类：一是聚合物中包含弱酸、弱碱基团和聚电解质的化合物；二是聚合物中有能在酸性条件下水解的连接段[2]。 1.1包含有可离子化的弱酸、弱碱基团的聚合物和聚电解质化合物 羧基是典型的弱有机酸聚合物取代基。这一类可在较低pH下接受质子并在中性和较高pH下放出质子，如聚丙烯酸(PAA)或聚甲基丙烯酸（PMAA）。弱有机碱聚合物如聚(4-乙烯基吡啶)在较高pH下接受质子，在较低pH下放质子，如聚[甲基丙烯酸-2-(N,N-二甲氨基)乙酯](PDMAEMA)，侧基带有取代氨基，因而在中性或酸性条件下可获得质子[3,4]。 药物载体在酸性或碱性条件下，聚合物中pH敏感基团会水解断裂或极性发生变化，使得聚合物纳米粒子破裂，同时负载其中的药物会被释放出来[5-7]，释放过程中没有药物和载体之间没有化学键的变化。 Armes等[8]制备了聚[2-(二甲基胺基)甲基丙烯酸乙酯]-聚[2-(二乙基胺基)甲基丙烯酸乙酯](DMAEMA-DEAEMA)，DMAEMA-聚[2-(N-吗啉)甲基丙烯酸乙
敏感性高分子及水凝胶 摘要：本文介绍了几类敏感性高分子及其水凝胶。主要包括pH 敏感水凝胶、温度敏感水凝胶、温度及pH 双重响应水凝胶、光响应水凝胶、磁场响应水凝胶等的性质及其研究进展。简要介绍了敏感性高分子及其水凝胶的性质、制备方法、应用及其发展前景。 1 引言 近年来，随着信息，生命，环境，航空航天等领域科学技术的飞速发展，人们对材料性能的要求越来越高。因此，一批性能特异的新功能材料相继问世，敏感性材料就是其中的一类。对环境具有可感知，可响应，并具有功能发现能力的高分子和水凝胶被称之为环境敏感性高分子（environment sensitive polymers）和环境敏感性水凝胶（environment sensitive hydro gels）[ 1]。与传统的高分子和水凝胶不同，这类高分子和水凝胶的某些物理或化学性质可因环境条件的变化而发生突变。因此，这类高分子也被称为“刺激响应性高分子（stimuli-responsive polymers）”、“灵巧性高分子(smart polymers)”或“智能性高分子（intelligent polymers）”,相应的水凝胶被称为“刺激响应性水凝胶（stimuli-responsive hydro gels）”、“灵巧性水凝胶（smart hydro gels）” 和“智能性水凝胶（intelligent hydro gels）”[2]。 与高分子不同，凝胶是一类可保持一定几何外形，同时具有固体和液体某些性质的胶体分散体系。它是软物质（soft materials）存在的一种重要形式，是介于固体和液体之间的一种物质形态。凝胶体系由胶凝剂（gelators）所形成的三维网络结构和固定于其中的大量溶剂组成。敏感性水凝胶[3] 是一种亲水性高分子交联网络,它能够感知外界环境的微小变化(例如温度、pH、离子强度、光、电场和磁场等) ,并通过自身体积的膨胀和收缩来响应外界的刺激. 敏感性水凝胶的上述特点使其在药物控制释放、物质分离提纯、活性酶包埋和生物材料培养等方面有广泛应用前景。 2 敏感性高分子及其水凝胶的种类和性质 1989 年，高木俊宜[4]最先提出了智能材料（intelligent materials）概念。随后，美国的Newnham 教授提出了与之类似的灵巧材料（smart materials）概 1 念。敏感性高分子和敏感性水凝胶是智能材料家族中的重要成员。 凝胶有不同的分类方法。根据溶剂的不同，凝胶分为有机凝胶（organgels）和水凝胶（hydrogels）。以适当的方式脱除溶剂后的凝胶为干凝胶（xerogels）。根据凝胶的大小不同，有（宏观）凝胶和微凝胶（microgels）之分。根据凝胶对环境条件变化响应的不同，凝胶分为传统凝胶和敏感性凝胶。根据凝胶力学性能的不同，凝胶分为弹性凝胶和刚性凝胶。同样，根据维系凝胶三维网络结构力的本性不同，凝胶分为物理凝胶和化学凝胶。 敏感性高分子水凝胶在受到刺激时，其性质会发生突变。根据刺激信号的不同，相应的水凝胶被称为化学物质敏感性水凝胶、pH 敏感性水凝胶、温敏性水凝胶、光敏性水凝胶等。敏感性水凝胶的研究涉及学科众多，具有显著的多学科交叉特点，是当今最具有挑战的高技术研究前沿领域之一。 2.1 敏感性高分子及其水凝胶的种类 2.1.1 温度敏感性高分子及其水凝胶 温敏性高分子是研究最多，也是最重要的一类敏感性高分子。这类水凝胶结构中具有一定比例的亲水性和疏水性基团，温度的变化可以影响这些基团的疏水作用和大分子链之间的氢键作用，从而改变水凝胶的网络结构，产生体积相变。温敏水凝胶有高温收缩和低温收缩两种类型[5]。 聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPA）是典型的高温收缩型水凝胶，对其响应机理的一般解释是，当温度升高时疏水相相互作用增强，使凝胶收缩。线型聚N－异丙基丙烯酸酰[PNIPAM]是一种典型的温敏性高分子，在水溶液中具有独特的热行为，其大分子链上同
pH敏感药物传递系统的研究进展 发表时间：2016-08-03T13:56:01.367Z 来源：《医药前沿》2016年7月第21期作者：王鹏[导读] 各种不同的酸敏感基团的使用，人们可以根据需要来获取不同pH响应行为的聚合物分子，进而在不同的体系中加以应用。王鹏 （国药控股天津有限公司天津 300040） 【中图分类号】R94 【文献标识码】A 【文章编号】2095-1752（2016）21-0376-02 人们已经认识到，在许多治疗方案中，药物比如抗癌药等要想发挥高效作用。药物运载系统要想将药物运载到靶向部位，需要克服重重困难，总体概括为细胞外与细胞内。在细胞外，运载体在血液中的稳定性，血液中的循环时间，靶向组织部位的累积情况等等。在细胞内，运载体如何高效进入细胞，内含体逃逸问题，药物可控释放等等。 下面简单介绍几种具有酸敏感的聚合物分子的合成以及特点。首先是在主链上引入酸敏感基团。在主链上引入酸敏感基团，设计合成的聚合物分子在中性条件（pH=7.4）具有稳定的结构，而在酸性条件（pH=5.0-6.0）下会发生降解为小分子的行为。缩醛结构在pH敏感药物运载体中得到了广泛的研究，这是由于其在酸性条件下比较快速的水解反应，而且其水解产物为可生物降解的醇与醛。Jin-Ki Kim等合成出一种新颖的pH敏感的基于缩醛结构的两亲性嵌段聚合物的药物运载分子PEG–PEtG–PEG，同时使用水溶性极差的药物分子紫杉醇PTX作为药物控制释放实验。经实验得知，该嵌段聚合物由于具有缩醛结构，所以在酸性条件可酸催化水解[1]。在不同的pH条件下，经过24h，考察释药环境的pH对载药体释药的影响。通过实验结果可以看出，pH很大程度上影响着药物分子的释放行为。在PEtG–PEG500聚合物胶束中，在pH=5.0时，1h内的PTX释药量达到了50%，而对于pH=7.4，在1h内的PTX释药量仅仅为20%。在释药6h后，对应pH=7.4，6.5以及5.0的条件下，PTX的累积释放百分率分别为49.3%，71.7%以及94.1%。对于聚合物胶束PEtG–PEG750而言，其释药行为也有类似的趋势。在释药6h后，对应不同的pH=7.4，6.5以及5.0，其PTX释药率分别为54.4%，68.3%以及89.1%。总的实验结果证明，具有缩醛结构的聚合物胶束搭载药物后的释药行为是收到释药体系的pH条件控制的。在弱酸条件下，聚合物胶束中的酸敏感基团的水解速率较快，导致药物分子的释放速率大为增加。 另外，与缩醛结构类似，缩酮结构也常常被用于聚合物结构中，赋予聚合物分子酸敏感功能。Dongwon Lee等人合成出具有pH敏感的两亲性聚合物分子聚缩酮己二酸-co-聚乙二醇嵌段共聚物（PKA-PEG）[2]。在该聚合物的疏水骨架中，具有酸敏感的缩酮键结构。该两亲性聚合物分子可以自组织成核/壳层结构，利用其疏水内腔可以搭载疏水性药物分子。搭载药物后，在酸性条件下，药物运载体结构破坏，从而将药物分子释放，即在弱酸性条件下具有可控药物释放功能。该嵌段共聚物（PKA-PEG）的结构示意图如下，作为对比，作者又合成出没有酸敏感基团的聚合物胶束聚环己基己二酸-co-聚乙二醇（PCA-PEG），结构示意图1如下。 * 图1 PKA-PEG与PCA-PEG示意图 两聚合物胶束均可经自组织形成壳层结构，都可在疏水内腔搭载药物分子。为了研究其对pH的响应性，作者采用模型分子尼罗红Nile Red来研究其释放行为。Nile Red是一种疏水性荧光探针，在水溶液中其荧光强度很低，然而在疏水性环境中，其荧光强度变得很高[3]。据此，研究聚合物胶束在中性条件以及弱酸性条件下的结构变化。下图为聚合物胶束PKA-PEG与Nile Red复合物的荧光强度随pH变化情况。从图2中可以看出，对于pH=7.4，在观察18h后，体系的荧光强度没有明显变化，然而对于pH=5.4而言，荧光强度有着显著的下降。这说明，在弱酸性条件（pH=5.4）条件下，聚合物胶束中的缩酮结构水解从而胶束结构被破坏，导致疏水性荧光分子从胶束中转移到水溶液中，从而降低了荧光强度。这说明两亲性嵌段共聚物由于具有缩酮结构从而对酸敏感，可以根据体系的pH来控制药物分子的释放行为。 *
高分子敏感凝胶的制备与表征一．目的与要求 针对制备高分子敏感性凝胶的要求，自行选择对环境变化（如pH、温度等）可具有响应性的单体或对聚合物进行改性，并选择简单可行的聚合反应方法，独立或在参考文献的基础上设计反应配方，进行系列的合成。对得到的高分子凝胶进行必要的表征，考察其对环境变化的响应性高低，找出影响响应性的主要因素。通过综合实验的训练，掌握交联反应的方法与原理，能根据实验的要求进行正确的表征，在动手能力和解决问题能力方面有较大的提高，为毕业论文（设计）作好准备。 二．原理 建议采用自由基聚合反应原理，详细内容参考教材《高分子化学》。 高分子凝胶，即三维高分子网络与溶剂组成的体系。水凝胶是一类特殊的亲水性高分子交联网络，它在水中能极好地溶胀而不溶于水。敏感性水凝胶能感知外界环境的微小变化（如温度、pH值、离子强度、光强度、电场强度及磁场强度等），并能产生相应的物理结构及化学性质的变化甚至突变的一类水凝胶，其性质决定于单体、交联剂以及聚合的工艺条件，且与溶胀条件有关。它的突出特点是响应过程中有显著的溶胀度变化。在众多合成凝胶中，聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPA)水凝胶是一类典型的温敏性智能物质。1968年首次报道了PNIPA 在32℃左右存在临界相转变，这一相转变温度被称为低
临界溶解温度（Low Critical Solution Temperature，LCST）。PNIPA 水凝胶结构中同时具有亲水性和疏水性基团，在32℃左右的温度条件下就可以发生可逆的非连续体积相转变(Volume Phase Transition，VPT)。PNIPA水凝胶的这种特殊的溶胀性能已被用于药物的控制释放、酶反应控制等领域。 传统方法合成的PNIPA水凝胶响应速率较慢，考虑到某些特殊领域的应用，可考虑加入致孔剂，如二氧化硅颗粒、线性聚乙二醇。经自由基聚合制备PNIPA凝胶/致孔剂复合体，对所得凝胶基体进行充分处理，使致孔剂完全溶解，该方法简单易操作，无需其它复杂的处理手段即可得到多孔PNIPA凝胶。 PNIPA水凝胶单一的温度响应性可能限制它在生物传感器、微机械等方面的应用。可考虑引入-COOH、-NH2等易离子化的基团，使共聚凝胶同时具有温度及pH值双重敏感性。同时可考虑加入致孔剂，通过自由基聚合制备单体配比不同的一系列P(NIPA-co-AA)共聚凝胶复合体，并经充分的处理，得到具有多孔结构的共聚凝胶。 三．可能使用的试剂和仪器 N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)；丙烯酸(AA)；偶氮二异丁腈(AIBN；N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS-A) pH缓冲液：标准pH缓冲剂(4、7、9) ；二氧化硅颗粒；不同分子量的PEG；无水乙醇(EtOH)； 氯化钠(NaCl)；氢氟酸(HF)；氮气；去离子水等。
pH和温度双敏感水凝胶在组织工程及药物控释方面 的研究现状。 岳琪 摘要： 内容200-300高分子水凝胶作为一类重要的生物材料被广泛应用于生物医药和组织工程领域。而pH 值及温度双重敏感高分子凝胶是近年来的前沿研究课题之一，水凝胶是由三维交联网络结构的高聚物和介质共同组成的多元体系, 因其独特的刺激响应行为, 已在药物释放体系、物料分离、化学机械、人工肌肉等领域显示了良好的应用前景[1, 2]唐黎明，戴，清华 . 在人体体液这种复杂的环境中, 水凝胶同时受到pH 和温度等多重刺激作用, 因此, 研究多重响应性水凝胶具有重要意义.此篇综述介绍了目前此类凝胶的3种结构设计即共聚结构、互穿网络结构和核壳结构及其在组织工程和药物控制释放等方面的应用。 关键词：PH及温度双敏感性；水凝胶；药物释放；组织工程；修复3-5个 一，前言 环境敏感性高分子凝胶的结构、物理性质、化学性质可以随外界环境如温度、pH 值、溶剂、外加应力、光强度( 可见光和紫外光) 、电磁场或各种化学、生命物质等的变化而发生可逆突跃性变化[1] , 已在药物控制释放体系、记忆元件开关、人造肌肉、化学存储器、物料分离等领域显示了良好的应用前景。随着对高分子材料功能要求的日益提高以及研究的深入, 发展具有良好生物相容性、多重响应性功能的尤其是能够同时对两种或两种以上外界刺激产生响应的智能凝胶已成为这一领域的重要发展方向, 其中研究最多的是pH 及温度双重响应型凝胶[ 2~ 4] 。这是由于pH 和温度变化在许多实际应用中( 如药物可控释放[ 5] ) 是最容易得到又便于操作的两种刺激信号, 而且是生理、生物和化学系统中的两个重要因素[6] 。张青松。材料导报从形态角度划分, 高分子凝胶主要分为线性聚合物、水凝胶和微凝胶。就pH/ 温度双重敏感高分子凝胶而言, 其分子设计可归纳为: 共聚结构、互穿网络结构和核壳结构。此类水凝胶在医学、农学、生物工艺学等方面的应用提供了广泛的应用前景。由于这种诱人的特性, 智能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、药物控释体系领域中[ 1-2] 。智能水凝胶的制备及其在生物医学中的应用
PVA水凝胶的制备与研究 关键词：PVA水凝胶制备研究表征应用 摘要：简要评述了聚乙烯醇水凝胶的制备方法,评述了PV A水凝胶的研究现状与前景展望，详细介绍了本课题传统PV A水凝胶及温敏性凝胶的制备测试方法，总结了凝胶的应用，并展望了未来PV A水凝胶的发展趋势。 高分子凝胶是基础研究以及技术领域的一种重要材料。凝胶是指溶胀了的高分子聚合物相互联结，形成三维空间网状结构，又在网状结构的空隙中填充了液体介质的分散体系。近几年，高分子水性凝胶（又被称为水凝胶）的研究获得了极大的重视。水凝胶是一种网络结构中含有大量水而不溶于水的高分子聚合物，具有良好的柔软性、弹性、储液能力和生物相容性，在生物医学和生物工程中具有广泛的用途。 常见的水凝胶有聚酰胺水凝胶、聚乙烯醇水凝胶、聚N-异丙基丙烯酰胺温敏性水凝胶等。本课题主要针对于PV A水凝胶。 1 PV A水凝胶的制备 PV A水凝胶的制备按照交联的方法可分为化学交联和物理交联。化学交联又分辐射交联和化学试剂交联两大类。辐射交联主要利用电子束、γ射线、紫外线等直接辐射PV A溶液，使得PV A分子问通过产生自由基而交联在一起。化学试剂交联则是采用化学交联剂使得PV A分子间发生化学交联而形成凝胶，常用的交联剂有醛类、硼酸、环氧氯丙烷以及可以与PV A通过配位络台形成凝胶的重金属盐等等。物理交联主要是反复冷冻解冻法。 1.1 物理交联法 通过物理交联法制备聚乙烯醇水凝胶，报道中最多的是使用“冷冻-熔融法”和“冻结-部分脱水法”两种方法。 反复冻融法是将一定浓度的PV A水溶液在-10~-40℃冷冻1d左右，再在25℃条
件下解冻1~3h，即形成物理交联的PV A水凝胶。将其反复冷冻、解冻几次后，就可以使其一些物理性能和机械性能等有很大的改善。冷冻使水溶液中的PV A的分子链在某一时刻的运动状态“冻结”下来，接触着的分子链可以发生相互作用及链缠结，通过范德华力和氢键等的物理作用紧密结合，在某一微区不在分开，成为“缠结点”。重新冻结时又有新的有序微区形成，这些微区称为“物理交联点”。用冷冻-解冻的办法可以促进分子运动，重新排列，通过分子链的折叠获得具有半结晶或者结晶结构的水凝胶。其示意图如下所示： 冻结-部分脱水法是将PV A水溶液冷冻后置于真空下脱去10％~20％的水，所得到的水凝胶的结构与性能类似于反复冻结法。 物理交联法形成的PVA水凝胶其共同点是分子链间通过氢键和微晶区形成 三维网络，即物理交联点，这些交联点随温度等外界条件的变化而变化。例如将
水凝胶（Hydrogel）,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。 一，水凝胶的分类： 1，来源： 1),天然水凝胶 2），合成水凝胶 2，性质： 1），电中性水凝胶 2），离子型水凝胶 3，对外界刺激的反应情况： 1），传统的水凝胶 2），环境敏感水凝胶 传统的水凝胶：这类水凝胶对环境的变化，如PH或温度的变化不敏感。 环境敏感水凝胶：这类水凝胶对温度或PH等环境因素的变化所给予的刺激有非常明确或显著地应答。 目前研究得最多的是温敏型和pH敏水凝胶。所谓温敏是指在水或水溶液中这种凝胶的溶胀与收缩强烈的依赖于温度，凝胶体积在某一温区有突变，该温度称为临界溶液温度（lower critical solution temperature, LCST）。pH敏感水凝胶是指聚合物溶胀与收缩随着环境的pH、离子强度的变化而变化。 二，水凝胶的性质： 不同结构，不同化合物的水凝胶具有不同的物理化学性质如融变性、溶胀性、环境敏感性和粘附性。 一），溶胀性（swelling）是指凝胶吸收液体后自身体积明显增大的现象，是弹性凝胶的重要特性，凝胶的溶胀分为两个阶段： 第一阶段：是溶剂分子钻入凝胶中与大分子相互作用形成溶剂化层，此过程很快，伴有放热效应和体积收缩现象（指凝胶体积的增加比吸收的液体体积小） 第二阶段：是液体分子的继续渗透，这时凝胶体积大大增加。 二），环境敏感性环境敏感水凝胶又称智能水凝胶（smart hydrogels）,根据环境变化的类型不同，环境敏感水凝胶又分为如下几种类型： 1，温（热）敏水凝胶 2，pH敏感水凝胶 3，电解质敏感水凝胶 三），粘附性（adhesiveness）粘附或称粘着或粘结等。一般指的是同种或两种不同的物质表面相粘结的现象。 生物粘附（bioadhension）指的是生物体表面之间形成任何结合，或一个生物体的表面与另外一个天然或合成材料的表面粘结的总称。在药剂学中生物粘附一般是用来描述聚合物（包括合成的以及天然的）与软组织（如胃肠道的膜、口腔、皮肤）之间的粘附作用。 三，药物经水凝胶的通透性 水凝胶具有液体和固体两方面的性质，溶胀的水凝胶可以作为扩散介质。在低浓度凝胶中水
pH敏感和非pH敏感的抗肿瘤纳米载药体系的合成与研究 癌症是对人类生命健康最大的威胁之一,是世界上第二大死亡原因。化学治疗作为目前癌症治疗最有效的全身治疗手段,主要应用于中晚期癌症,然而常规抗肿瘤药物的一系列不良特性限制了其在临床中的应用,例如生物利用度低,稳定性和水溶性差等。 紫杉醇作为一种有效的常见化疗药物之一,具有优异的抗肿瘤活性,但其治疗功效因其溶解性差和缺乏选择性对细胞毒性大而受到影响。为了克服这些缺陷,本文针对性的设计并合成新型的纳米载药体系负载紫杉醇。 纳米技术虽然在上个世纪末才刚刚崛起,但已被广泛应用于药物输送和癌症治疗等生物医学领域。与传统的载药体系相比,纳米载药体系在很多领域具有更大的潜力,例如可以延长体内循环时间和实现药物全身控制释放等等。 在纳米载药体系中引入不同的刺激响应性是实现灵活给药的有效方式,由于肿瘤细胞代谢活跃,肿瘤组织相比于正常组织其微环境是高度酸性的,因此具有pH响应性的纳米载药体系是最常见的刺激响应性纳米载药体系之一,其可以通 过EPR效应在肿瘤部位聚集,实现在肿瘤部位快速释放药物,同时防止药物在血液循环中过早释放,降低药物毒性减少副作用,增强抗肿瘤效果。本文设计并成功合成的新型纳米载药体系以葡聚糖-聚乳酸-聚乙二醇聚合物为主要骨架结构,聚合物缩醛化后得到pH敏感的纳米载药体系ADPP,为了直接比较基于相同骨架的pH敏感和非pH敏感的纳米载药体系之间的药物输送效果,通过丙酸酐对聚合物改性获得非pH敏感的纳米载药体系PDPP,两者都可以在水中自组装形成稳定的球形纳米粒子。 随后将疏水性抗肿瘤药物紫杉醇负载到这两种纳米载体体系中,得到
温度和pH双重敏感新型水凝胶的制备与性能 李洁梅张黎明* （中山大学化学与化学工程学院，广州，510275） 摘要：以羟丙基纤维素和N-异丙基丙烯酰胺为原料，采用光聚合技术制备了一类新型水凝胶。对其结构与性能进行研究，发现该类水凝胶同时具有温度和pH敏感性能。还以阿司匹林为模型药物，考察了该类水凝胶对模型药物的释放行为。 关键词：水凝胶温度敏感pH敏感光聚合药物释放羟丙基纤维素N-异丙基丙烯酰胺 “环境敏感型”水凝胶能对温度、pH、光、电场、离子强度和压力等环境变化引起的刺激作用产生不同程度的响应，可望应用于人造肌肉、酶和细胞的固定化、生物分离、药物控制释放等领域。由于pH和温度是人体环境中两个很重要的生理参数，所以pH及温度双重敏感水凝胶的研究尤为活跃。本文利用光聚合交联技术合成了一种既有温度敏感又有pH敏感的水凝胶，这种水凝胶在高温、酸性条件下处于收缩状态，限制了其体系内分子向外扩散；在低温、碱性条件下处于溶胀状态，使体系内的分子可以自由向外扩散。 1 实验部分 1.1 原料与试剂 羟丙基纤维素（HPC）：CALBICCHEM公司；顺丁烯二酸酐（马来酸酐）：纯度≥99.5%,上海化学试剂有限公司；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）：纯度≥99.5%,广州化学试剂厂；石油醚：分析纯,天津市大茂化学试剂厂；乙酸乙酯：纯度≥99.5%,天津市大茂化学试剂厂；N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）：纯度99%，Acros公司；2，2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮：纯度≥99%，Acros 公司；乙烯基-2-吡咯烷酮，纯度≥97%，Fluka公司；四氢呋喃（THF）：纯度≥99.0%,天津市大茂化学试剂厂；浓盐酸：分析纯,广州市东红化工厂；氯化钾:分析纯,天津市大茂化学试剂厂；氯化钠：纯度≥99.5%,广州化学试剂厂；磷酸二氢钾：分析纯，天津市大茂化学试剂厂；磷酸二氢钠：分析纯，天津市大茂化学试剂厂；阿司匹林：纯度99%，Alfa Aesar公司。 1.2水凝胶的制备 按照文献[1]方法制备接枝了马来酸酐的羟丙基纤维素活性单体（HPC-MA）：将4.8900g羟丙基纤维素、0.1916g马来酸酐和40 ml蒸馏过的DMF加入100 ml圆底烧瓶中，然后在室温下抽取真空，通入氮气保护。接着在氮气保护和80℃下剧烈搅拌10小时，得到黄色溶液。反应停止后,加入石油醚进行沉淀，得到微黄色沉淀。将产物溶解于乙酸乙酯，再加入石油醚沉淀，反复纯化三次，然后放入真空干燥箱干燥2天。 基金项目：中山大学化学与化学工程学院第六届创新化学研究基金项目（批准号：200623） 作者简介：李洁梅，女，中山大学化学专业2002级本科生； 通讯联系人：张黎明，E-mail: ceszhlm@ https://www.doczj.com/doc/3a12289241.html,
水凝胶的制备及其应用进展 摘要水凝胶是一类具有广泛应用的聚合物材料，它在水中能够吸收大量水分而溶胀，并在溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。由于其特殊的结构和性能，水凝胶自人们发现以来，一直被人们广为研究。本文综述了近些年国内外在水凝胶制备和在生物医药、环境保护等方面的一些研究进展，并对水凝胶的应用前景做了一些展望。 关键词水凝胶药物释放壳聚糖染料吸附 凝胶按照分散相介质的不同而分为水凝胶(hydro-gel)、醇凝胶(alcogel)和气凝胶(aerogel)等。水凝胶的分散相介质是水,它是由水溶性分子经过交联后形成的,能够在水中溶胀并且保持大量水分而不溶解的胶态物质。它在水中能够吸收大量的水分显著溶胀，并在显著溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。[1]正因为水凝胶的这种特性，水凝胶能够对外界环境，如温度、pH、电场、磁场等条件变化做出响应。近年来，对水凝胶的研究逐渐深入。水凝胶的应用也越来越广泛，不仅在载药缓释、环境保护方面有很大用途，而且在喷墨打印等方面也有越来越大的作用。 一、水凝胶的制备 （一）PVA水凝胶的制备 上世纪50年代,日本科学家曾根康夫最早注意到聚乙烯醇(PVA)水溶液的凝胶化现象。由于PVA水凝胶除了具备一般水凝胶的性能外,具有毒性低、机械性能优良(高弹性模量和高机械强度)、高吸水量和生物相容性好等优点,因而倍受青睐。PVA水凝胶在生物医学和工业方面的用途非常广泛[2]。 龚桂胜，钟玉鹏[3]等人利用冷冻-解冻法制备了不同类型高浓度聚乙烯醇（PVA）水凝胶，研究了PVA水凝胶的溶胀率、拉伸强度和流变特性。他们发现不同类型的高浓度 PVA 水凝胶的力学性能相差较大，高分子量的 PVA 水凝胶的拉伸强度较低；这与低浓度的水凝胶相反。徐冰函[4]首先制备PVA水凝胶，再以PVA 水凝胶作为载体利用反复冷冻的方法成功制备含有二甲基砜的PVA水凝胶。实验制备的MSM/PVA水凝胶具有优良的理化性能，并且可以用于人工敷料的制备。同时研究发现，二甲基矾在PVA水凝胶内缓慢释放,24h后释放量可达55%以上。体外细胞实验证明MSM/PVA水凝胶对细胞无毒副作用,对细胞增殖具有促进作用,其中以1%MSM用VA对细胞的增殖能力最强。
高分子水凝胶综述 摘要 在这篇综述中，笔者以高分子水凝胶为探究的领域，围绕其产生、发展、应用等诸方面，浅层次地加以论述。论文大体的探讨方式是这样：首先以高分子水凝胶的出现为基点，考察其定义的由来以及与吸水树脂之间的关系；然后以高分子水凝胶潜在应用价值的属性为导向线，对其进行分类，讨论相应的制备方法和水凝胶性能各类表征方法；接着突出强调环境敏感性水凝胶的制备及响应原理；而水凝胶实际应用及缺陷则作为最后系统概括。 关键词：高分子水凝胶应用性能制备 产生、定义与比较 高分子水凝胶的合成可以追溯到20世纪50年代后期，Wichterle和Lim合成了第一个医用甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）水凝胶[1]。对于高分子水凝胶的定义，各个文献报道的都很接近，即由带有化学或物理交联的亲水性高分子链形成的三维固体网络[2]，在水环境下高分子水凝胶能够发生吸水溶胀，甚至有的吸水能超过其自重好多倍（图1） 图1凝胶吸水溶胀前与溶胀后的比较（左侧为吸水溶胀后，右侧为吸水溶胀前）
同时，笔者发现，高分子水凝胶与吸水树脂之间的关联需要被加以认知。吸水树脂本身就是一种新型功能高分子材料，具有亲水基团，能吸收大量水分而又能保持水分不外流。当水分子通过扩散作用及毛细作用进入到树脂中时，形成的树脂即称为高分子水凝胶。也就是说，吸水树脂是高分子水凝胶的前身，且当树脂经吸水后才成为水凝胶。 此外，对于高分子水凝胶的吸水并且保水的机理也需要加以阐述。从化学结构上来分析，凝胶是分子中含有亲水性基团和疏水性基团的交联型高分子。在凝胶的交联网格里，必然存在很多疏水性基团朝外，亲水性基团朝里的结构，在这样的结构下，亲水性基团与水分子以氢键等方式进行结合，疏水性基团在外头形成的屏障可以有效地间隔不同的内亲水网格，起到容纳水分子容器的作用（图 2）。 O OH R O O H R O O H R O O H R O OH R O OH R O OH R O H H 图2 凝胶保持水分子示意图 图2中，右下侧的疏水性基团是朝内的，这表明凝胶亲水性网格结构内部也是含有非亲水性基团的；而水分子与亲水链上的氧之间形成了氢键。 此外，还能说明一个问题：理论上能够和亲水性基团之间发生水合而吸附在高分子聚合物周围的水分子，其厚度最多不过2~3层，第一层水分子是由亲水性基团与水分子形成的配位键或氢键的水合水，第二层或第三层则是水分子和水合水形成的氢键结合层，作用力随层数的增加而不断减弱。而凝胶之所以能够吸收更多的水分，原因就在于其交联网格结构。这样的结构是包裹式的，以立体三维式取代了平面式，而且链上亲水性基团的复杂交错，给容纳水分提供了优良的环境。