P（MA-AA）/PEG水凝膠的制備與性能研究

楊 猛，王德鵬

（撫順哥倆好化學有限公司，遼寧 撫順113217）

前 言

水凝膠，尤其是智能水凝膠因其高吸水保水性質及廣泛的應用引起了人們極大研究興趣[1～3]。智能水凝膠最獨特的性質是在外界環(huán)境發(fā)生變化（如：pH、溫度、離子強度、壓力、電場等）時，凝膠自身的性質隨之發(fā)生相應的變化[4～9]。

pH敏感水凝膠是最重要、研究最為廣泛的一類智能水凝膠[4～6]。pH敏感性水凝膠能隨著外界pH值變化而發(fā)生性質改變（如溶脹度、形狀等），從而應用于藥物傳輸?shù)柔t(yī)藥方面[10～11]。通常在凝膠的聚合物鏈上含有可離子化的酸性或堿性基團，如羧基、磺酸基或氨基等。當外界的pH值發(fā)生變化時，這些基團發(fā)生電離造成聚合物鏈內或鏈間氫鍵相互作用、離子相互作用及聚合物內外的離子濃度、聚合物與溶劑間的相互作用發(fā)生變化，從而導致凝膠網(wǎng)絡結構發(fā)生變化引起聚合物鏈蜷縮或伸展，反映在宏觀上則是水凝膠發(fā)生體積相變即對外界pH值的變化產生了響應。

本文在聚丙烯酸鏈中引入馬來酸酐基團來增加其COOH含量進而改善凝膠的響應程度和響應時間，以馬來酸酐、丙烯酸為原料聚合制得了馬來酸酐－丙烯酸共聚物（P（MA-AA））[12]來作為水凝膠的主鏈。通過大分子外交聯(lián)的方法，用具有良好親水性、生物相容性、無毒的長鏈分子聚乙二醇（PEG）作為交聯(lián)劑制備了pH敏感的馬來酸酐－丙烯酸共聚物/聚乙二醇（P（MA-AA）/PEG）水凝膠。研究了該水凝膠溶脹度對pH的響應情況及響應速率。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與儀器

丙烯酸（AA），分析純，天津光復精細化工研究所；馬來酸酐（MA），分析純，天津福晨化學試劑廠；過氧化二苯甲酰，分析純，沈陽新西試劑廠；二氧六環(huán)，分析純，天津光復精細化工研究所；四氫呋喃（THF），分析純，天津天泰精細化學品有限公司；無水乙醚，分析純，天津天泰精細化學品有限公司；濃硫酸，分析純，北京化工廠；苯，分析純，北京化工廠；正己烷，分析純，北京化工廠；聚乙二醇4000（PEG-4000），進口分裝，天津天泰精細化學品有限公司。

表征儀器：傅里葉紅外光譜（VECTOR22,BRUKER），美國。

1.2 P（MA-AA）的合成

將64.8g丙烯酸、88.2g馬來酸酐加入到含有230mL二氧六環(huán)的500mL三口瓶中，通氮氣驅除氧10min后加入0.2183g引發(fā)劑過氧化二苯甲酰，于70℃N2環(huán)境聚合反應10h。用正己烷將聚合產物從溶液中沉淀出來，并用無水乙醚/正己烷/苯（體積比1∶1∶1）洗滌三次，50℃真空干燥得P（MA-AA），收率75%。P（MA-AA）的結構示意圖如下：

1.3 P（MA-AA）/PEG水凝膠的制備

于20mm×200mm試管中將P（MA-AA）溶于經(jīng)鈉除水提純的四氫呋喃后加入一定量PEG，加熱溶解后加入0.5mL催化劑濃硫酸。搖勻后通氮氣除氧于68℃反應，成凝膠后上層加入2mL四氫呋喃封住上端，繼續(xù)反應（原料配比及反應條件見表1）。反應結束后將凝膠轉移至燒杯中用蒸餾水浸泡1周，經(jīng)常換水以除去未反應的單體及溶膠部分。

表1 原料配比及反應條件Table 1 Raw material proportions and reaction conditions

1.4 測試與表征

1.4.1 結構表征

用紅外光譜（FTIR）來測定馬來酸酐-丙烯酸共聚物及P（MA-AA）/PEG水凝膠的結構組成。馬來酸酐-丙烯酸共聚物溶于THF后在溴化鉀壓片上滴膜烘干測定，P（MA-AA）/PEG水凝膠采用干燥樣品與KBr共混研磨壓片測試。

1.4.2 溶脹度的測定

取一定量的凝膠,放入燒杯內,浸入由氨水或鹽酸調制成的pH=2的溶液中,（溶脹實驗溶液使用蒸餾水調制）。觀察溶液的pH變化,過濾，稱重，用原pH值溶液繼續(xù)浸泡數(shù)次，直到pH恒定，質量恒定為止。此時的凝膠質量即為此pH值下的凝膠溶脹質量，記作W2，隨后將凝膠浸入pH=3的溶液中，以同樣方式測得pH=3時的W2，由此依次得到pH=4、5…11時的W2。然后將試樣在35℃的烘箱內真空干燥至恒重，冷卻至室溫稱重,記下干重W1。每個樣品平衡三次，計算平衡溶脹度SR。

由鹽酸/氨水與蒸餾水調制成不同pH值的溶液進行溶脹度-pH研究。首先取一定量的凝膠浸入pH=2的溶液中，反復過濾、稱重至凝膠質量恒定（期間更換兩次此pH值溶液）得到pH=2時凝膠平衡溶脹質量，記作Ws。隨后將凝膠浸入pH=3的溶液中，以同樣方式測得pH=3時的Ws，由此依次得到pH=4至pH=11時的Ws。最后將凝膠在35℃的烘箱內干燥至恒重得到干凝膠質量Wd。不同pH條件下凝膠的平衡溶脹度SR由下式得到：

1.4.3 凝膠響應速率測定

以交聯(lián)劑含量7mol%的樣品為例進行pH變化時P（MA-AA）/PEG水凝膠響應速率的研究。將樣品置于某一pH的溶液中至質量恒定后過濾、稱重，其間更換2次此pH的溶液。而后將凝膠置于另一pH的溶液中，間隔一定時間過濾、稱重，并定期更換相同pH的溶液至質量恒定。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜表征

馬來酸酐-丙烯酸共聚物P(MA-AA)的紅外光譜見圖1。在P(MA-AA)的紅外譜圖中，1845cm-1、1778cm-1處出現(xiàn)了五元環(huán)酸酐C=O雙鍵特征吸收峰，3060cm-1、1720cm-1處出現(xiàn)了羧基中O-H、C=O伸縮振動吸收峰，而1590～1630cm-1處馬來酸酐的C=C雙鍵吸收峰消失。由此可以認定成功地合成了丙烯酸-馬來酸酐共聚物P(MA-AA)。

P(MA-AA)/PEG水凝膠的紅外光譜見圖2。在P(MA-AA)/PEG水凝膠紅外譜圖中，P(MA-AA)在1845cm-1、1778cm-1處的酸酐特征吸收峰消失，說明酸酐完全酯化或水解。由1735cm-1處羧基中C=O雙鍵吸收峰與1100cm-1C-O-C醚鍵吸收峰的比較可知由樣品A到樣品E，交聯(lián)到P(MA-AA)/PEG水凝膠中PEG的量逐漸增多。

圖1 P（MA-AA）的紅外光譜Fig.1 FT-IR spectrum of P（MA-AA）

2.2 凝膠分數(shù)

凝膠于35℃真空干燥至恒重后稱得凝膠質量，由凝膠質量除以投料總質量得到凝膠分數(shù)，其結果列于表2中。隨著交聯(lián)劑聚乙二醇投入量的增加，凝膠的質量隨之增加，這表明隨著聚乙二醇投入量的增加，酸酐與羥基反應的幾率增大，反應到P（MA-AA）/PEG水凝膠上的聚乙二醇鏈隨之增多。

表2 凝膠產量及凝膠分數(shù)Table 2 The gel yields and gel proportions

我們看到凝膠分數(shù)呈現(xiàn)出隨著交聯(lián)劑聚乙二醇投入量的增加而下降趨勢。這是由于聚乙二醇4000為長鏈分子，一個分子鏈中只有兩個可以反應的基團-羥基，反應幾率較小；并且伴隨著聚乙二醇端基-羥基可能包埋于分子線團內部而無法與P（MA-AA）上酸酐接觸、反應，因而反應到P（MA-AA）/PEG水凝膠上的聚乙二醇鏈的增多量與投料的聚乙二醇增加量相比要小得多，所以隨著交聯(lián)劑聚乙二醇投入量的增加，凝膠分數(shù)呈下降趨勢。

2.3 水凝膠pH敏感性

用在不同pH值時凝膠的溶脹度來衡量P（MA-AA）/PEG水凝膠的pH敏感性。我們從pH=2到pH=11測試了一系列不同pH時P（MA-AA）/PEG水凝膠的溶脹情況，結果見圖3。

圖3 不同pH 時P（MA-AA）/PEG 水凝膠的溶脹度Fig.3 The SR of P（MA-AA）/PEG hydrogels at different pH values

在圖3中我們看到P（MA-AA）/PEG水凝膠的溶脹度隨著pH值的增加明顯增大，在pH>7時尤為明顯。這是因為P（MA-AA）經(jīng)PEG交聯(lián)形成凝膠在水中浸泡除雜質的過程中酸酐單元完全水解成羧酸。隨著pH值的增加，凝膠中主鏈COOH間的氫鍵作用力消失，且COOH逐漸解離成COO-負離子，COO-之間的靜電排斥使得聚合物主鏈趨于伸展，因而P（MA-AA）/PEG水凝膠的網(wǎng)絡孔徑增大，溶脹度增加。凝膠溶脹度在酸性條件下與堿性條件下相比差近百倍，這歸結于主鏈中高密度的COOH與長鏈交聯(lián)劑雙重因素的結果。pH由10增加到11，P（MA-AA）/PEG水凝膠的溶脹度突然降低則歸結于鹽效應。由于溶液中存在大量的銨根離子，NH4+與COO-結合形成羧酸銨，進而屏蔽了COO-負電荷，聚合物主鏈又呈現(xiàn)無規(guī)線團模式使得凝膠的網(wǎng)絡孔洞減小，溶脹度降低。

我們可以注意圖3中隨著交聯(lián)劑PEG含量增加凝膠溶脹度呈現(xiàn)出先增大后減小的情況。這可能是由于樣品中交聯(lián)劑含量過少時凝膠交聯(lián)不完全，表現(xiàn)出溶脹度隨著交聯(lián)劑PEG含量增加而增大。而交聯(lián)劑含量進一步增加，交聯(lián)點間的分子鏈長變短，凝膠網(wǎng)絡孔徑隨之減小，表現(xiàn)出溶脹度隨著交聯(lián)劑PEG含量增加而減小。

2.4 水凝膠溶脹動力學

P（MA-AA）/PEG水凝膠由pH=2到pH=10、pH=5.78，由pH=10到pH=2時溶脹度隨時間的變化如圖4所示?？梢钥吹絇（MA-AA）/PEG水凝膠對酸、堿具有快速響應的特點。P（MA-AA）/PEG水凝膠由pH=2至pH=10時17min即可完全溶脹，由pH=10至pH=2時10min即可完全收縮。這主要是由于水凝膠中共聚物主鏈含有大量的羧基，并且以長鏈分子作為交聯(lián)劑共同作用的結果。在堿性條件下迅速解離為羧酸根負離子，氫鍵的消失、-COO-之間的靜電排斥力使得聚合物主鏈迅速伸展凝膠迅速膨脹。而當P（MA-AA）/PEG水凝膠再浸入酸性溶液中時-COO-則與H+離子迅速結合形成-COOH，-COOH之間形成強氫鍵使得凝膠迅速收縮。長鏈分子作為交聯(lián)劑與小分子相比凝膠具有更大的平均孔徑，因此水分子進入/滲出凝膠也更為容易。

圖4 P（MA－AA）/PEG 水凝膠溶脹度隨時間的變化關系Fig.4 The relation between the SR of P（MA－AA）/PEG hydrogels and time

3 結 論

（1）以自由基共聚合法制備了P（MA-AA），再以PEG做為交聯(lián)劑制備了P（MA-AA）/PEG水凝膠。采用紅外光譜對共聚物、凝膠結構進行了表征。

（2）P（MA-AA）/PEG水凝膠具有很強的pH敏感性，在pH=2與pH=10溶液中的溶脹度相差近百倍。

（3）P（MA-AA）/PEG水凝膠對pH的響應速率很快，由pH=2溶液中轉移至pH=10溶液中20min即可溶脹完全，而由pH=10溶液中轉移至pH=2溶液中10min即可完全收縮。

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