殼聚糖基三元智能水凝膠的制備及其敏感性

舒 靜，馮曉薈，鄭麗娜，桑希勤，王丹丹

（1東北石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 石油與天然氣化工省重點實驗室，黑龍江 大慶163318；2大連海洋大學(xué) 海洋環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 大連116023；3大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠，黑龍江 大慶163853）

殼聚糖（CS）基智能水凝膠除具有普通智能水凝膠的一般特性外，更由于CS本身的優(yōu)勢，如來源廣、可再生、無毒、易降解、環(huán)境友好和生物相容等，成為功能高分子材料和生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域一個熱點課題，顯示出良好的應(yīng)用前景[1－3］。開展這方面的研究對擴展天然生物質(zhì)的應(yīng)用、提高產(chǎn)品附加值具有重要的經(jīng)濟價值，對實現(xiàn)高分子材料的多效功能化和環(huán)境友好化具有重要的實際意義和應(yīng)用價值。

近來，以CS為基質(zhì)，通過添加其他一些具有生物相容性和環(huán)境友好性的組分，如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙烯醇（PVA）等形成的多元凝膠體系正引起國內(nèi)外廣大學(xué)者的興趣。Subhash[4］、Vaghani[5］及易國斌[6］制備了具有pH敏感性的CS／PVP水凝膠，Dergunov[7］通過 γ輻射合 成了 pH 敏感 的 CS／PVP凝膠，易國斌[8］和 Khurma[9］制備了 CS／PVP溫敏性水凝膠；Li[10］通過凍融法制備了pH敏感的CS／PVA水凝膠，陳歡歡[11］通過物理和化學(xué)兩種交聯(lián)方式制備了溫敏性的CS／PVA凝膠。但現(xiàn)有文獻所報道的CS／PVP或CS／PVA體系大多只具有單一敏感性，在很大程度上限制了其應(yīng)用。多重敏感性水凝膠在溶脹、退溶脹行為等方面受多種外界刺激的控制和影響，在更多的領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用和獨特的優(yōu)勢，成為智能水凝膠發(fā)展的必然方向和趨勢。

前期研究[12］制備了既有高溶脹率又有溫度／pH雙重敏感性的CS／PVP二元凝膠；但在該二元體系中，CS所占的比例仍相對偏少，敏感性也有進一步改善和提高的空間。因此，本研究在前期工作的基礎(chǔ)上，通過引入一定量的聚乙烯醇（PVA），制備了CS／PVP／PVA三元智能凝膠，顯著增加了CS在體系中所占的比例，明顯改善了凝膠的溫敏性，取得了理想的效果。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

PVP－K30（廣州光華化學(xué)試劑有限公司）；CS（脫乙酰度91.7%，浙江金殼生物化學(xué)有限公司）；PVA－124（廣州光華化學(xué)試劑有限公司）；乙酸（AR，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；異丙醇（AR，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；戊二醛25%（BR，國藥集團化學(xué)試劑有限公司）；硝酸鈰銨（AR，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所）。電子天平；恒溫水浴鍋；真空干燥箱；Tensor－27型紅外光譜儀。

1.2 水凝膠的制備

將PVA溶解在一定量的水中，在80℃水浴條件下加熱一段時間，待其完全溶解后，然后依次加入PVP，CS攪拌均勻，加入一定量的乙酸攪拌至透明，再加入適量的引發(fā)劑（硝酸鈰銨）和交聯(lián)劑（戊二醛），反應(yīng)混合物在80℃下反應(yīng)6h得到凝膠粗制品。分別用稀乙酸、異丙醇、蒸餾水洗滌，除去其中未反應(yīng)的單體和小分子后，40℃下真空干燥至恒重得到干凝膠。

1.3 凝膠溶脹率的測定

溶脹率的測定見文獻[12］。

1.4 紅外光譜測定

紅外光譜分析采用Tensor－27型傅里葉變換紅外光譜儀進行分析，KBr壓片，掃描范圍500～4000cm－1。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜

對三元凝膠及其單體結(jié)構(gòu)采用FTIR進行分析，結(jié)果見圖1。

圖1 凝膠及單體的紅外譜圖Fig.1 IR spectra of monomers and hydrogels

圖1 的曲線a顯示，在1648cm－1處出現(xiàn)CS的氨基特征吸收峰。在凝膠譜圖1曲線b上，1660cm－1處出現(xiàn)C＝N的伸縮振動峰，說明在氨基上發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)生成希夫堿。因為戊二醛和PVA在常溫下很難發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，只有在酸性介質(zhì)中，并高溫甲醇淬火的條件下兩者才會發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)[13］，而CS游離的氨基在溫和的條件下即可與活潑的戊二醛交聯(lián)，因此推斷Schiff’s鍵是由戊二醛交聯(lián)CS形成的。對比圖1曲線c和b發(fā)現(xiàn)，PVA在1095cm－1處的－CO－的特征峰明顯向低頻方向遷移，說明PVA與CS或PVP之間存在很強的氫鍵作用，對比圖1曲線b和d發(fā)現(xiàn)，PVP在1655cm－1處的－C＝O－吸收峰在凝膠中減弱，說明PVP與PVA或CS也存在相互作用，有氫鍵生成。圖1曲線b表明CS／PVP／PVA水凝膠的紅外光譜圖是聚CS、PVP和PVA的紅外光譜圖的迭加，說明在形成凝膠的過程中，除了CS分子與PVP分子和PVA分子之間形成氫鍵之外無新的化學(xué)鍵生成，三者之間未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

2.2 凝膠制備條件優(yōu)化

凝膠制備過程中，原料配比、交聯(lián)劑及引發(fā)劑用量、反應(yīng)時間和溫度等條件對CS基三元凝膠的溶脹性能以及敏感性有很大的影響，實驗對這幾個方面進行了考察和優(yōu)化。

2.2.1 原料配比對溶脹率的影響

實驗考察了PVP，CS和PVA三種原料配比對凝膠溶脹性能的影響（溶液pH＝2.0，以下如無特殊說明均與此相同），結(jié)果見圖2?？梢钥闯觯?dāng)PVP和CS質(zhì)量比為2∶1時，凝膠具有較高的溶脹率，且當(dāng)PVA用量為6.25%（相對于PVP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時，達到最大溶脹率。很明顯，與CS／PVP二元凝膠體系[12］相比，PVA的引入顯著增加了CS在凝膠中所占的比例，由二元體系的不到10%提高到30%以上。這對提高天然生物質(zhì)CS的利用率，具有重要的意義。此外，可以看到三元凝膠的溶脹率較二元凝膠（最大值約1700%）略有下降。這是由于在三元體系中形成了更為穩(wěn)定的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使得水分子對親水位點的攻擊變得相對困難。但另一方面，這種更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高了三元體系的熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能，具有積極的意義。

圖2 單體配比對凝膠溶脹率的影響Fig.2 Effects of ratio of monomers on swelling ratio of hydrogels

2.2.2 引發(fā)劑用量對溶脹率的影響

考察了引發(fā)劑用量對凝膠溶脹率的影響，結(jié)果見圖3?？梢钥闯觯S引發(fā)劑用量的增加，凝膠的溶脹率先快速增加，當(dāng)引發(fā)劑用量達到一定量后，凝膠的溶脹率不再繼續(xù)增加，而略有下降。這是因為當(dāng)引發(fā)劑用量少時，鏈引發(fā)反應(yīng)困難，聚合速度低，單體轉(zhuǎn)化率低，導(dǎo)致溶脹率低；隨著引發(fā)劑量的增加，能夠充分引發(fā)反應(yīng)，聚合速度加快，單體轉(zhuǎn)化率提高，溶脹率增加；引發(fā)劑用量過多時，聚合反應(yīng)速度過快，體系反應(yīng)不均勻，副產(chǎn)物含量增多，可溶解部分含量增加，故溶脹率下降。實驗得出引發(fā)劑的最佳用量在5.1%左右。

2.2.3 交聯(lián)劑用量對溶脹率的影響

圖3 引發(fā)劑用量對凝膠溶脹率的影響Fig.3 Effects of initiator on swelling ratio of hydrogels

實驗考察了交聯(lián)劑用量對凝膠溶脹率的影響，結(jié)果見圖4?？梢钥闯?，隨著交聯(lián)劑用量的增加，凝膠的溶脹率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)交聯(lián)劑用量為0.4%時，能與單體發(fā)生合適的交聯(lián)，形成有效的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，溶脹性能最好。當(dāng)交聯(lián)劑用量過少，各單體之間不能形成有效的交聯(lián)，交聯(lián)點之間的距離較大，三維網(wǎng)絡(luò)稀疏，強度下降，導(dǎo)致溶解現(xiàn)象產(chǎn)生，不利于凝膠吸液能力。繼續(xù)增大交聯(lián)劑濃度，化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)作用同時增加，高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于致密，液體分子不容易進入，高分子網(wǎng)絡(luò)自身伸展受到限制，從而造成溶脹率降低。

2.2.4 反應(yīng)溫度和時間對溶脹率的影響

反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間的影響見圖5。可以看出，在實驗考察的不同溫度下，隨反應(yīng)時間的延長，凝膠溶脹率均呈現(xiàn)先增長，后減小的趨勢。溫度較低（不高于60℃）時，凝膠溶脹率相對較低；適當(dāng)升高溫度（70～80℃），凝膠的最大溶脹度有明顯的提高。綜合實驗結(jié)果，確定合適的反應(yīng)溫度為80℃，反應(yīng)時間6h。

圖4 交聯(lián)劑用量對凝膠溶脹率的影響Fig.4 Effect of crosslinking agent on swelling ratio of hydrogels

3 凝膠性能

3.1 溫敏性

圖5 反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度對凝膠溶脹率的影響Fig.5 Effects of reaction time and temperature on swelling ratio of hydrogels

在pH＝2.0的溶液中，考察了三元凝膠的溫敏性能，結(jié)果見圖6。三元凝膠的溶脹率隨溶脹介質(zhì)溫度的變化表現(xiàn)出明顯的溫度敏感性，分別在35，45，50℃和55℃出現(xiàn)四級敏感。與二元凝膠僅在55℃左右出現(xiàn)一個一級敏感相比，三元體系中敏感級數(shù)增加、敏感度也增強。特別地，三元凝膠在接近人體溫度的35℃附近出現(xiàn)一個顯著的敏感點，這對擴展凝膠的應(yīng)用具有重要的意義。

圖6 溫度對凝膠溶脹率的影響Fig.6 Swelling ratio of hydrogels at different temperatures

3.2 pH敏感性

在室溫（25℃左右）下，考察了三元凝膠溶脹率隨溶液pH值的變化情況，結(jié)果見圖7?？梢钥闯?，在實驗考察范圍內(nèi)，其溶脹率先增大后減小，當(dāng)pH＝2時，達到最大值。這是由于具有pH敏感性的水凝膠一般都含有可質(zhì)子化的酸性或堿性基團，這些基團隨著介質(zhì)pH值、離子強度的改變，會發(fā)生電離，導(dǎo)致聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大分子鏈段間氫鍵的解離，產(chǎn)生不連續(xù)的溶脹體積變化[14］。在不同pH值溶液中，水凝膠的離子化程度不同，所形成基團的親水性也有所不同。pH＜2時，凝膠易于發(fā)生氨基質(zhì)子化，凝膠網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生電荷，破壞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的部分氫鍵和靜電吸引力，產(chǎn)生電子斥力，分子鏈充分伸展，致使凝膠溶脹，因而溶脹率增加。在pH＝2時，氨基質(zhì)子化達到最佳狀態(tài)，溶脹率達到最大值。此后，隨著pH繼續(xù)增加，－NH2質(zhì)子化趨勢減弱，凝膠網(wǎng)絡(luò)高分子鏈間疏水作用增加，阻礙了水分子進入孔道的速度和數(shù)目，結(jié)構(gòu)收縮，溶脹率變小。與之對應(yīng)的二元凝膠則在pH＝4附近呈現(xiàn)敏感，且在敏感點附近，隨pH值的變化，溶脹率的變化相對平緩，即敏感度相對較弱。此外，從敏感點出現(xiàn)的位置看，三元凝膠的敏感點向酸性條件偏移。這種差異可使兩種凝膠應(yīng)用于不同的場合。

圖7 pH值對凝膠溶脹率的影響Fig.7 Swelling ratio of hydrogels at different pH solutions

4 結(jié)論

（1）在 PVP∶CS＝2∶1（質(zhì)量比），PVA 用量6.25%，0.4%交聯(lián)劑，5.1%引發(fā)劑，80℃，6h的條件下，可獲得最大溶脹率約1500%左右的三元凝膠。

（2）溫度敏感性實驗表明，CS基三元凝膠分別在35，45，50℃和55℃出現(xiàn)四級敏感性，且在35℃附近顯著敏感，45℃附近達到最大溶脹率（1500%左右）。

（3）pH敏感性實驗表明，當(dāng)pH＝2時，凝膠溶脹率最大。pH敏感性較二元凝膠向酸性方向偏移。

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