柳曉艷，周藝峰，聶王焰，陳鵬鵬

（安徽大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，綠色高分子材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601）

水凝膠是一種通過(guò)物理或者化學(xué)交聯(lián)而形成的三維網(wǎng)狀高分子材料，在水中只溶脹不溶解［1］，廣泛應(yīng)用于食品、農(nóng)業(yè)、生物材料、水處理、組織工程、隱形眼鏡等多個(gè)領(lǐng)域［2］.水凝膠分為天然高分子水凝膠和合成高分子水凝膠，天然高分子因其來(lái)源廣、價(jià)格低、良好的生物相容性和生物降解性等優(yōu)點(diǎn)，逐漸引起人們的關(guān)注［3－5］.

纖維素是自然界中來(lái)源最廣泛的一類(lèi)多糖高分子物質(zhì)，可通過(guò)化學(xué)交聯(lián)或者物理交聯(lián)形成水凝膠.肖惠寧［6］等以微晶纖維素為原料制備出纖維素基導(dǎo)電水凝膠；陳莉［7－8］等以羥丙基纖維素為原料成功制得纖維素基水凝膠，并對(duì)其藥物控釋行為進(jìn)行研究.

刺激響應(yīng)性水凝膠是指對(duì)溫度、pH、光、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等外界刺激產(chǎn)生體積、折光指數(shù)、含水量、軟硬度等物理化學(xué)性能變化的一類(lèi)智能水凝膠［9－10］.作者通過(guò)羥丙基纖維素（HPC）與丙烯酰氯（AC）的酯化反應(yīng)制得可聚合的大單體羥丙基纖維素丙烯酸酯（HPCA），借助于沉淀聚合和原位共沉淀法制備磁性pH響應(yīng)型四氧化三鐵負(fù)載的聚（羥丙基纖維素丙烯酸酯－co－丙烯酸）（P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4）水凝膠，并進(jìn)一步研究水凝膠在不同pH條件下對(duì)藥物的可控釋放行為.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

羥丙基纖維素（HPC），Mw＝100 000，分析純，阿法埃莎化學(xué)有限公司；丙烯酰氯（AC），96%，阿拉丁試劑有限公司；4－甲氧基酚，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；二氯甲烷（CH2Cl2），分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；三乙胺（TEA），分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；丙烯酸（AA），化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；過(guò)硫酸鉀（KPS），分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；四甲基乙二胺（TEMED），生化純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；六水合三氯化鐵（FeCl3·6H2O），分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；四水合二氯化鐵（FeCl2·4H2O），分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氨水（NH3·H2O），分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；水楊酸鈉，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；透析袋，Biosharp，截留分子量：14 000.

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 HPCA的制備

通過(guò)HPC與AC的酯化反應(yīng)制得HPCA，實(shí)驗(yàn)配方如表1所示.0.2g HPC加入20mL H2Cl2中，攪拌使其溶解，溶解完全后加入42mg對(duì)羥基苯甲醚和212μL TEA，反應(yīng)燒瓶置于冰水浴中，向反應(yīng)瓶中逐滴滴加10mL含有丙烯酰氯的CH2Cl2溶液，待其滴加完畢后繼續(xù)冰水浴攪拌1h，隨后逐漸升溫至25℃反應(yīng)24h.反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)液倒入裝有300mL乙醚的燒杯中，劇烈攪拌，有白色黏稠物不斷析出，抽濾得到固體產(chǎn)物，真空干燥除去殘留的溶劑和乙醚.產(chǎn)物溶解在水中并透析純化48h，真空干燥得到純化產(chǎn)物.

表1 制備HPCA的配方表Tab.1 The recipe for the preparation of HPCA

1.2.2 P（HPCA－co－AA）水凝膠的制備

采用沉淀聚合制備水凝膠.0.24g HPCA溶于50mL水中，攪拌使其完全溶解，水浴升溫至50℃，通入氮?dú)?0min，分別加入157μL AA、20mg KPS和20μL TEMED，持續(xù)攪拌反應(yīng)24h，反應(yīng)結(jié)束后冷至室溫，12 000r·min－1離心產(chǎn)物，棄去上清液，下層固體產(chǎn)物用水反復(fù)洗滌幾次，真空干燥得到水凝膠固體.

1.2.3 P（HPCA－co－AA）＠ Fe3O4的制備

采用原位共沉淀法制備Fe3O4.將0.3g P（HPCA－co－AA）在攪拌下分散在40mL 水中，0.15g FeCl3·6H2O和0.14g FeCl2·4H2O加入5mL水中并超聲5min，F(xiàn)eCl3·6H2O和FeCl2·4H2O混合液加入水凝膠分散液中，持續(xù)攪拌8h后，通入氮?dú)獠?mL NH3·H2O逐滴滴加到反應(yīng)瓶中反應(yīng)2h.反應(yīng)結(jié)束后，離心并棄去上層液，下層固體產(chǎn)物用0.3mol·L－1的NH3·H2O溶液離心洗滌3次后置于真空干燥箱烘干.

1.2.4 P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4對(duì)水楊酸鈉載藥及pH響應(yīng)性釋放行為的研究

P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4分散在5mol·L－1的水楊酸鈉水溶液中，25℃ 攪拌24h后將產(chǎn)物離心出來(lái)，并用水離心洗滌3次，真空干燥.

分別取10mg的載藥產(chǎn)品分散在20mL的pH＝1.2的人工胃液和pH＝7.4的人工腸液中，37℃下攪拌，每隔一定時(shí)間分別取出0.5mL上層液，并補(bǔ)充進(jìn)去0.5mL對(duì)應(yīng)的人工胃液和人工腸液，上層液經(jīng)12 000r·min－1離心棄去沉淀，用紫外－可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)其在295nm處的吸光度.

1.3 產(chǎn)物表征

1.3.1 傅里葉紅外光譜（FT－IR）表征

布魯克VERTEX80＋HYPER10N2000型傅里葉紅外光譜儀測(cè)定紅外譜圖，HPC和HPCA分別溶于二氯甲烷中，樣品溶液滴涂在空白的KBr片上，待二氯甲烷揮發(fā)完，進(jìn)行測(cè)試；P（HPCA－co－AA）、Fe3O4和P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4樣品直接與KBr混合研磨，待研磨均勻后進(jìn)行壓片，樣品片烘干后進(jìn)行測(cè)試.

1.3.2 核磁共振氫譜（1H－NMR）表征

布魯克AV 400型全數(shù)字化核磁共振譜儀測(cè)定樣品的核磁共振氫譜，樣品溶解在氘代氯仿（CDCl3）中進(jìn)行測(cè)試.

2 結(jié)果與討論

2.1 HPC的羥基（—OH）與AC摩爾比的影響

圖1～2分別為HPC及不同—OH與AC摩爾比制備的HPCA的紅外光譜圖和核磁共振氫譜圖.

圖1中譜線1為HPC的紅外光譜，3 424cm－1處的特征峰為HPC結(jié)構(gòu)單元中—OH的伸縮振動(dòng)吸收峰，2 965、2 924、2 876cm－1為C—H鍵伸縮振動(dòng)吸收峰，1 460cm－1處為C—H的不對(duì)稱(chēng)變形振動(dòng)吸收峰，1 375cm－1處為—CH3的對(duì)稱(chēng)變形振動(dòng).此外，1 080、1 120、1 275cm－1處為C—O—C的振動(dòng)吸收峰.圖1中的譜線2～5分別為不同的—OH與AC的摩爾比（2∶1、1∶1.2、1∶1.5和1∶2）所制得的HPCA紅外譜線，除了具有譜線1的特征吸收峰外，在1 720cm－1處產(chǎn)生1個(gè)明顯的COOR特征吸收峰，說(shuō)明HPC與AC成功通過(guò)酯化反應(yīng)制得HPCA.

圖2中的曲線1為 HPC的1H－NMR譜，a（δ＝1.1和1.2）為—CH3的化學(xué)位移，b、c（δ＝3.1～4.4）為—CH2和—CH的化學(xué)位移.圖2中的曲線2～5分別為不同的—OH與AC的摩爾比（2∶1、1∶1.2、1∶1.5和2∶1）所制得的 HPCA 的1H－NMR譜，除了具有曲線1的特征化學(xué)位移，a’（δ＝1.4）為HPCA中與酯基C—O鍵連在同一C上的—CH3的化學(xué)位移，d（δ＝6.1）處為CH2＝CH（1H）的化學(xué)位移，e（δ＝5.8，6.4）處為CH2＝CH（2H）的化學(xué)位移，a’、d和e處的化學(xué)位移表明羰基及雙鍵成功引入HPCA中.

AC對(duì)HPC的修飾度可通過(guò)公式（1）計(jì)算

其中：f為AC對(duì) HPC的修飾度，Id、Ib，c、Ia和Ia’分別為在δ＝6.1，δ＝3.1～4.4，δ＝1.1和1.2，δ＝1.4處化學(xué)位移的積分面積.Ib，c對(duì)應(yīng)于葡萄糖單元（5—CH＋1—CH2）和羥丙基取代物（1—CH＋1—CH2）所有的—CH和—CH2，由于每個(gè)羥丙基取代物由一個(gè)—CH，一個(gè)—CH2和一個(gè)—CH3組成，—CH3的化學(xué)位移在δ＝1.1，1.2，1.4，因此，Ib，c－（Ia＋I(xiàn)a’）對(duì)應(yīng)葡萄糖單元（5—CH＋1—CH2）的7個(gè)質(zhì)子［11］.

由公式（1）計(jì)算所得：f2＝9%，f3＝19%，f4＝23%，f5＝25%.由此可知，隨著 HPC的—OH 與AC摩爾比的減小，f不斷增大；當(dāng)兩者的摩爾比小于1∶1.2時(shí)，f趨于穩(wěn)定.這是由于隨著AC含量的增加，溶液中的反應(yīng)物增多，提高了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；當(dāng)AC的量增加到一定值時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡，從而導(dǎo)致f趨于穩(wěn)定［12］.

2.2 反應(yīng)時(shí)間的影響

圖3分別為HPC及不同反應(yīng)時(shí)間的HPCA的核磁共振氫譜圖.

圖3中的曲線1為HPC的1H－NMR譜，曲線2～4分別為反應(yīng)24h、36h和48h（—OH與AC的摩爾比均為1∶1.2）的HPCA的1H－NMR譜圖.HPCA的1H－NMR譜，除了具有曲線1的特征吸收峰外，在a’、d和e處的化學(xué)位移說(shuō)明成功制得理想產(chǎn)物.由公式（1）可知：f2＝19.4%，f3＝30%，f4＝33%.由此可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，f逐漸增大，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間大于36h后，反應(yīng)趨于平衡.這是由于反應(yīng)過(guò)程中，有三乙胺鹽酸鹽生成，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間會(huì)提高原料的轉(zhuǎn)化率，當(dāng)達(dá)到一定反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)趨于平衡，f趨于穩(wěn)定［13］.

2.3 P（HPCA－co－AA）＠ Fe3O4 水凝膠的表征分析

圖4為P（HPCA－co－AA）、Fe3O4及P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4的紅外譜圖.

圖4中譜線1為Fe3O4的紅外光譜，在580cm－1處為Fe—O的伸縮振動(dòng)吸收峰.譜線2為P（HPCA－co－AA）的紅外光譜，3 424cm－1處的特征峰為—OH 的伸縮振動(dòng)吸收峰，2 965、2 924、2 876 cm－1為C—H鍵伸縮振動(dòng)吸收峰，1 730cm－1為—C＝O的特征吸收峰，1 460cm－1處為C—H的不對(duì)稱(chēng)變形振動(dòng)吸收峰，1 375cm－1處為—CH3的對(duì)稱(chēng)變形振動(dòng)吸收峰，由此可見(jiàn)該樣品是P（HPCA－co－AA）.譜線3為P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4的紅外光譜，譜線1和2的特征吸收峰均出現(xiàn)在譜線3的譜圖中，說(shuō)明Fe3O4成功負(fù)載在P（HPCA－co－AA）水凝膠上.

圖5為P（HPCA－co－AA）和P（HPCA－co－AA）＠ Fe3O4的TEM 照片.

由圖5可知，P（HPCA－co－AA）水凝膠（a）呈不規(guī)則狀；P（HPCA－co－AA）＠ Fe3O4（b）中Fe3O4粒子均勻負(fù)載在水凝膠表面，為P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4水凝膠良好的磁靶向性提供了保障.

圖6為P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4分散液和在外加磁場(chǎng)下的分離照片.

由圖6可知，P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4穩(wěn)定分散在水中（圖6a），當(dāng)有外界磁場(chǎng)存在時(shí)，磁性水凝膠被吸附在靠近磁鐵的瓶壁上（圖6b），這說(shuō)明P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4具有良好的磁靶向性.

2.4 P（HPCA－co－AA）＠ Fe3O4 對(duì)水楊酸鈉的pH響應(yīng)性釋放

圖7為不同pH下水凝膠對(duì)水楊酸鈉的累積釋放圖.

由圖7可知，P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4水凝膠對(duì)水楊酸鈉的釋放具有pH依賴(lài)性，藥物在人工胃液的釋放量比在人工腸液的釋放量小.這是由于pH＝1.2時(shí)，水凝膠中的羧基被質(zhì)子化，水凝膠疏水收縮；當(dāng)pH＝7.4時(shí)，水凝膠中以陰離子存在的羧基增多，靜電斥力作用使得水凝膠溶脹，所以水凝膠在pH＝1.2時(shí)的釋藥量比在pH＝7.4時(shí)小［14］.

3 結(jié)束語(yǔ)

作者通過(guò)酯化反應(yīng)制得可聚合的大單體HPCA，通過(guò)沉淀聚合和原位共沉淀法制得磁性pH響應(yīng)型P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4水凝膠.以水楊酸鈉為模型藥物，分別測(cè)定了載藥水凝膠在pH＝1.2的人工胃液和pH＝7.4的人工腸液的藥物釋放量.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明載藥水凝膠在人工胃液的釋藥量明顯比在人工腸液中少.因此，該磁性pH響應(yīng)型水凝膠在智能載藥材料方面存在潛在應(yīng)用價(jià)值.

［1］胡劍燦，張俊釗，肖敏，等.纖維素基水凝膠的制備及性能研究［J］.廣東化工，2014，41（19）：54－57.

［2］Chang C Y，Zhang L N.Cellulose－based hydrogels：present status and application prospects［J］.Carbohydrate Polymers，2011，84（1）：40－53.

［3］景占鑫，孫曉鋒，王海洪，等.環(huán)境敏感型纖維素水凝膠及其在藥物控釋方面的應(yīng)用［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2012，26（4）：83－88.

［4］楊偉平，張海龍，盧敏，等.絲素蛋白／聚氨酯兩性水凝膠的制備及性能研究［J］.安徽大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，36（2）：74－81.

［5］高春梅，柳明珠，呂少瑜，等.海藻酸鈉水凝膠的制備及其在藥物釋放中的應(yīng)用［J］.化學(xué)進(jìn)展，2013，25（6）：1012－1022.

［6］梁祥濤，瞿冰，肖惠寧，等.纖維素基導(dǎo)電水凝膠的合成及其結(jié)構(gòu)性能表征［J］.功能材料，2014，45（8）：8134－8138.

［7］Bai Y Y，Zhang Z，Zhang A P，et al.Novel thermo－and pH－responsive hydroxypropylcellulose－and poly（L－glutamic acid）－based microgels for oral insulin controlled release［J］.Carbohydrate Polymers，2012，89（4）：1207－1214.

［8］Zhang Z，Chen L，Zhao C W，et al.Thermo－and pH－responsive HPC－g－AA／AA hydrogels for controlled drug delivery applications［J］.Polymer，2011，52（3）：676－682.

［9］李亞婧，孫曉鋒，葉青，等.新型半纖維素基磁性水凝膠的制備及性能［J］.物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2014，30（1）：111－120.

［10］劉柏辰，孫曉鋒，景占鑫，等.磁性半纖維素接枝聚丙烯酰胺凝膠對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附研究［J］.水處理技術(shù)，2013，39（5）：13－17，22.

［11］白云艷.基于羥丙基纖維素的智能性微凝膠的合成及其口服胰島素的控制釋放［D］.長(zhǎng)春：東北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，2012.

［12］錢(qián)華，劉大斌，葉志文.丙烯酰化Span80的合成及在乳化炸藥中的應(yīng)用［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2009，32（2）：11－13，20.

［13］侯學(xué)振.幾種丙烯酸酯的合成及其對(duì)假醬油中胱氨酸的檢測(cè)研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，2012.

［14］衛(wèi)福苗，畢紅，宋夢(mèng)夢(mèng).反相微乳液制備pH響應(yīng)型納米水凝膠及其作為藥物載體的研究［J］.安徽大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，35（6）：80－86.