小分子氫鍵給體對(duì)羥丙甲基纖維素LCST的影響

水勝雯， 張維博， 張然然， 徐佳佳， 姚日生

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

羥丙甲基纖維素（HPMC）、羥丙基纖維素（HPC）、甲基纖維素（MC）等纖維素衍生物在水中均具有低臨界溶解溫度（lower critical solution temperature，LCST）。當(dāng)溫度低于LCST時(shí)，憎水取代基被水分子層包裹而使聚合物溶解于水中；當(dāng)溫度高于LCST時(shí)，憎水取代基表面水分子層被破壞而使聚合物因分子間或分子內(nèi)疏水作用增加而從溶液中析出。由于纖維素衍生物具有良好的生物相容性及可再生性，在藥用輔料、食品添加劑、化妝品等方面有廣泛的應(yīng)用［1］，因此具有溫敏性的纖維素衍生物在構(gòu)建新型智能生物材料、生物傳感器及納米藥物載體的研發(fā)中備受人們關(guān)注［2－3］。

纖維素衍生物水溶液的LCST均高于人體的生理溫度（～37℃），因此降低或控制纖維素衍生物的LCST使之接近人體生理溫度，是纖維素衍生物作為智能藥物載體亟需解決的首要問題。研究表明，向纖維素衍生物水溶液中加入諸如聚丙烯酸、氨基酸等氫鍵供體能有效地降低其 LCST［4－6］，文獻(xiàn)［7－10］發(fā)現(xiàn)向 HPC水溶液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的聚丙烯酸（PAA）后，HPC的LCST顯著降低，這是因?yàn)镻AA與HPC通過羧基與羥基的氫鍵相互作用形成復(fù)合物而破壞了HPC疏水基團(tuán)表面水分子層。

文獻(xiàn)［11］則將丙烯酸加入HPC水溶液中進(jìn)行自由基聚合，室溫下制備HPC／PAA納米水凝膠。

文獻(xiàn)［12］報(bào)道了兩性物質(zhì)L－氨基酸能夠影響HPMC的LCST，并認(rèn)為這些小分子是通過移除聚合物水化層中水分子從而降低了聚合物的LCST。

研究發(fā)現(xiàn)［13－14］聚合反應(yīng)溫度低于 LCST時(shí)不能得到納米凝膠，高于LCST時(shí)極易得到大凝膠，而在LCST下反應(yīng)即可得納米凝膠。同時(shí)考慮到聚丙烯酸大分子及兩性離子性質(zhì)的氨基酸小分子結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，因此這些氫鍵供體對(duì)纖維素衍生物的LCST產(chǎn)生影響仍需進(jìn)一步探究。本文選用單氫鍵供體的小分子作為模型分子考察小分子酸對(duì)纖維素衍生物L(fēng)CST的影響，并研究氫鍵供體的憎水取代基對(duì)其所起作用，為制備纖維素衍生物納米凝膠藥物載體提供理論依據(jù)。

本文以HPMC為研究對(duì)象，選定丙烯酸、甲基丙烯酸、丙酸、乙酸、氯乙酸作為模型分子，研究小分子氫鍵給體對(duì)HPMC的LCST的影響，從而揭示丙烯酸等弱酸性單體對(duì)水溶液中溫敏性多糖類高聚物HPMC相轉(zhuǎn)變溫度的影響及作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)隨著酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，LCST幾乎呈直線下降，其變化率很大程度上取決于小分子酸的羧基電負(fù)性、分子截面積、分子體積和脂水分配系數(shù)lgP。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

羥丙甲基纖維素（HPMC，Mw＝1.0×105，CR，甲氧基質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%～30%；羥丙基質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%～12%）、丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸（MAA）、丙酸（PA）、乙酸（HOAc）、氯乙酸（CA）均由天津光復(fù)精細(xì)化工研究所提供，均為分析純，使用時(shí)不需進(jìn)一步純化。實(shí)驗(yàn)過程所用水均為去離子水。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 溶液的配置

稱取0.5g HPMC溶于100mL 70～80℃的熱蒸餾水中，冷卻后配得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的HPMC澄清溶液，將0.5%的HPMC溶液和小分子酸定量混合。

1.2.2 低臨界溶解溫度的測(cè)定

低臨界溶解溫度運(yùn)用濁度法測(cè)定。采用紫外－可見分光光度計(jì)（上海鑫茂有限公司UV－7504）在630nm下進(jìn)行濁度測(cè)定，使用循環(huán)水浴鍋（上海實(shí)驗(yàn)儀器模型501）對(duì)小分子酸與HPMC混合溶液的溫度進(jìn)行控制，并用電接點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)量待測(cè)樣品溫度。每個(gè)溫度下測(cè)定的樣品至少需恒溫30min，且將吸光度值明顯變化的溫度點(diǎn)作為相轉(zhuǎn)變溫度。

1.2.3 小分子有機(jī)酸分子結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算方法

采用密度泛函理論（density functional theory，DFT）［15］，通過具備 B3LYP功能的 Gaussian 03軟件作出小分子酸的立體結(jié)構(gòu)圖，計(jì)算出各小分子酸的分子截面積、分子體積、羧基的電負(fù)性及脂水分配系數(shù)（lgP）。

2 結(jié)果與討論

2.1 小分子有機(jī)酸對(duì)HPMC的LCST的影響

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的AA對(duì)HPMC水溶液的LCST影響如圖1所示。

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的AA對(duì)HPMC水溶液的LCST影響

由圖1可看出，隨著選定的小分子酸的加入均使HPMC的LCST降低，且隨著小分子酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，HPMC的LCST逐漸下降。同樣通過濁度測(cè)定法，本文研究了選定的其他幾種弱酸對(duì)HPMC的LCST的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 小分子有機(jī)酸對(duì)HPMC水溶液的LCST的影響

由圖2可以看出，弱酸對(duì)HPMC的LCST影響呈顯著的線性關(guān)系，以LCST對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化率（dLCST／dw）表示各弱酸的影響力強(qiáng)弱，其中，MAA對(duì)LCST的影響最大，當(dāng)MAA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時(shí)，HPMC的LCST從66℃降到18℃左右，而當(dāng)HOAc的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)7%時(shí)，HPMC的LCST僅下降了約3℃。這些弱酸對(duì)LCST的影響可能源于弱酸與HPMC間的氫鍵作用以及分子的疏水性對(duì)HPMC鏈?zhǔn)杷缘挠绊?，也可能是由于小分子和水分子間的相互作用使水的溶劑參數(shù)發(fā)生了極大的改變［16－17］。

對(duì)AA／HPMC混合液作核磁表征（儀器型號(hào)為VNMRS600，氘代試劑為D2O），結(jié)果如圖3所示。

圖3中相對(duì)位移為5.9～6.3處的峰為AA的特征峰，相對(duì)位移為3.2～3.6處的峰為HPMC的特征峰，相對(duì)位移為4.79處的峰為D2O溶劑峰。以D2O溶劑峰為基準(zhǔn)，可以看出AA／HPMC混合液的峰形與AA的峰相比，產(chǎn)生了明顯的位移。

由于AA小分子酸的加入，使得AA／HPMC的混合溶液中形成了氫鍵締合作用，導(dǎo)致AA／HPMC混合液的峰形整體向高場(chǎng)區(qū)移動(dòng)。相應(yīng)的紅外表征如圖4所示，由圖4可看出，氫鍵締合后的羥基與游離的羥基相比，其波形向低波數(shù)移動(dòng)了，從3 500cm－1處移動(dòng)至3 440cm－1處，且峰形變寬。

圖3 AA與HPMC氫鍵締合核磁表征

圖4 AA與HPMC氫鍵締合紅外表征

2.2 弱酸分子性質(zhì)與相轉(zhuǎn)變行為之間的關(guān)系

本研究中選定的酸均為一元羧酸（RCOOH），研究結(jié)果表明，R基團(tuán)的不同決定了各種小分子酸所起作用不同。首先，R基團(tuán)自身的吸電子或供電子性質(zhì)改變羧基的電負(fù)性，從而影響羧基與HPMC間氫鍵作用力；其次，R基團(tuán)自身的憎水性決定了這些小分子酸對(duì)HPMC周圍水分子的破壞能力；最后，R基團(tuán)的尺寸決定了對(duì)水分子層破壞范圍的大小。為了研究分子本身的某些性質(zhì)對(duì)相變溫度的影響，本文通過DFT法，計(jì)算了小分子酸的羧基電負(fù)性，R基團(tuán)分子截面積、分子長(zhǎng)度、分子體積及脂水分配系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表1所列，并分析這些因素對(duì)LCST變化率的影響。

計(jì)算結(jié)果顯示，弱酸的分子截面積和分子體積與其對(duì)LCST的影響有一定的相關(guān)性，弱酸中羥基的O原子電負(fù)性（決定弱酸與 HPMC氫鍵大?。?、脂水分配系數(shù)（lgP）與其對(duì)LCST的影響有更高的相關(guān)性。這些參數(shù)均與分子的疏水性密切相關(guān)，同樣與HPMC鏈有關(guān)。

表1 應(yīng)用Gaussian 03軟件計(jì)算的弱酸分子參數(shù)值

一般地，lgP值在研究分子的定量構(gòu)效關(guān)系中，被廣泛地用于表征分子的親脂性，有效地表征該分子的疏水性，弱酸lgP值與dLCST／dw的關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出，弱酸的lgP值越大，該弱酸使LCST降低的程度越大，基于氫鍵作用形成的復(fù)合物疏水性越強(qiáng)。但CA的lgP比AA小，對(duì)LCST的影響卻比AA強(qiáng)。這是由于CA的pKa值為2.86，遠(yuǎn)小于AA，這表明與AA相比，CA的酸性更強(qiáng)，故CA和HPMC間的氫鍵作用更強(qiáng)，從HPMC鏈能排出更多的水。

圖5 弱酸lg P值與dLCST／dw的關(guān)系

弱酸分子截面積、體積與dLCST／dw的關(guān)系如圖6、圖7所示，由圖6、圖7可看出，隨著弱酸分子截面積、分子體積的增加，對(duì)相變溫度的影響也增大。當(dāng)HPMC和弱酸混合后，HPMC和弱酸間更強(qiáng)的氫鍵作用阻止了HPMC鏈和水接觸，從而增強(qiáng)了HPMC分子鏈的疏水性，故隨著復(fù)合物分子截面積和分子體積的增加，其排除水的能力會(huì)提高。從圖6、圖7還可知，與PA相比，AA具有較小的分子截面積和體積，但對(duì)LCST的影響卻強(qiáng)于PA，同時(shí)AA和PA具有相同的lgP。不同的是AA的—OH中O原子的電負(fù)性稍大于PA，與HPMC間的氫鍵作用也比PA與HPMC間的稍大，這可能是根本原因。

圖6 弱酸分子截面積與dLCST／dw的關(guān)系

圖7 弱酸分子體積與dLCST／dw的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加分子截面積、分子體積及分子酸性或疏水性，會(huì)增強(qiáng)該分子對(duì)聚合物相變溫度的影響，與此同時(shí)，弱酸分子的這些性質(zhì)都會(huì)影響其與HPMC的作用后，HPMC鏈的疏水相互作用力。綜上所述，小分子弱酸對(duì)HPMC的影響取決于其與HPMC基于氫鍵作用形成的復(fù)合物對(duì)HPMC鏈?zhǔn)杷杂绊懙膹?qiáng)弱。

3 結(jié)束語

本研究通過濁度測(cè)定法，發(fā)現(xiàn)向HPMC水溶液中加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的丙烯酸、甲基丙烯酸、丙酸、乙酸、氯乙酸等小分子酸可使 HPMC的LCST在一定范圍內(nèi)變化，且隨著小分子弱酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，HPMC的LCST幾乎呈線性遞減，降低的程度有所不同。相變溫度的降低主要?dú)w功于HPMC和小分子酸之間的氫鍵作用。向HPMC溶液中加入弱酸后，弱酸作為質(zhì)子供體，與作為質(zhì)子受體的HPMC形成一種復(fù)合物，從而使HPMC鏈的疏水作用力增加，在較低的溫度下即發(fā)生相轉(zhuǎn)變。弱酸分子的—OH中O原子的電負(fù)性（決定弱酸與HPMC氫鍵大?。?、脂水分配系數(shù)（lgP）、分子截面積和分子體積等決定了弱酸對(duì)LCST影響程度的大小。小分子弱酸對(duì)HPMC的影響取決于其與HPMC基于氫鍵作用形成的復(fù)合物對(duì)HPMC鏈?zhǔn)杷杂绊懙膹?qiáng)弱。本文對(duì)HPMC／有機(jī)酸體系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為在較低溫度下且不使用表面活性劑即可制備HPMC納米凝膠提供了新的思路。

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