磁性pH響應(yīng)型纖維素水凝膠的制備及載藥研究

柳曉艷，周藝峰，聶王焰，陳鵬鵬

（安徽大學 化學化工學院，綠色高分子材料安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601）

水凝膠是一種通過物理或者化學交聯(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，天然高分子因其來源廣、價格低、良好的生物相容性和生物降解性等優(yōu)點，逐漸引起人們的關(guān)注［3－5］.

纖維素是自然界中來源最廣泛的一類多糖高分子物質(zhì)，可通過化學交聯(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，并對其藥物控釋行為進行研究.

刺激響應(yīng)性水凝膠是指對溫度、pH、光、電場、磁場等外界刺激產(chǎn)生體積、折光指數(shù)、含水量、軟硬度等物理化學性能變化的一類智能水凝膠［9－10］.作者通過羥丙基纖維素（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，并進一步研究水凝膠在不同pH條件下對藥物的可控釋放行為.

1 實驗部分

1.1 實驗原料

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

1.2 實驗過程

1.2.1 HPCA的制備

通過HPC與AC的酯化反應(yīng)制得HPCA，實驗配方如表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℃，通入氮氣20min，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，通入氮氣并將5mL 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，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，每隔一定時間分別取出0.5mL上層液，并補充進去0.5mL對應(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－可見分光光度計測其在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，進行測試；P（HPCA－co－AA）、Fe3O4和P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4樣品直接與KBr混合研磨，待研磨均勻后進行壓片，樣品片烘干后進行測試.

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定樣品的核磁共振氫譜，樣品溶解在氘代氯仿（CDCl3）中進行測試.

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的伸縮振動吸收峰，2 965、2 924、2 876cm－1為C—H鍵伸縮振動吸收峰，1 460cm－1處為C—H的不對稱變形振動吸收峰，1 375cm－1處為—CH3的對稱變形振動.此外，1 080、1 120、1 275cm－1處為C—O—C的振動吸收峰.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個明顯的COOR特征吸收峰，說明HPC與AC成功通過酯化反應(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的化學位移，b、c（δ＝3.1～4.4）為—CH2和—CH的化學位移.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的化學位移，d（δ＝6.1）處為CH2＝CH（1H）的化學位移，e（δ＝5.8，6.4）處為CH2＝CH（2H）的化學位移，a’、d和e處的化學位移表明羰基及雙鍵成功引入HPCA中.

AC對HPC的修飾度可通過公式（1）計算

其中：f為AC對 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處化學位移的積分面積.Ib，c對應(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，由于每個羥丙基取代物由一個—CH，一個—CH2和一個—CH3組成，—CH3的化學位移在δ＝1.1，1.2，1.4，因此，Ib，c－（Ia＋Ia’）對應(yīng)葡萄糖單元（5—CH＋1—CH2）的7個質(zhì)子［11］.

由公式（1）計算所得：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；當兩者的摩爾比小于1∶1.2時，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AC的量增加到一定值時，反應(yīng)達到平衡，從而導(dǎo)致f趨于穩(wěn)定［12］.

2.2 反應(yīng)時間的影響

圖3分別為HPC及不同反應(yīng)時間的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處的化學位移說明成功制得理想產(chǎn)物.由公式（1）可知：f2＝19.4%，f3＝30%，f4＝33%.由此可知，隨著反應(yīng)時間的增加，f逐漸增大，當反應(yīng)時間大于36h后，反應(yīng)趨于平衡.這是由于反應(yīng)過程中，有三乙胺鹽酸鹽生成，延長反應(yīng)時間會提高原料的轉(zhuǎn)化率，當達到一定反應(yīng)時間，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 的伸縮振動吸收峰，2 965、2 924、2 876 cm－1為C—H鍵伸縮振動吸收峰，1 730cm－1為—C＝O的特征吸收峰，1 460cm－1處為C—H的不對稱變形振動吸收峰，1 375cm－1處為—CH3的對稱變形振動吸收峰，由此可見該樣品是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，說明Fe3O4成功負載在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），當有外界磁場存在時，磁性水凝膠被吸附在靠近磁鐵的瓶壁上（圖6b），這說明P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4具有良好的磁靶向性.

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

圖7為不同pH下水凝膠對水楊酸鈉的累積釋放圖.

由圖7可知，P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4水凝膠對水楊酸鈉的釋放具有pH依賴性，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，水凝膠中的羧基被質(zhì)子化，水凝膠疏水收縮；當pH＝7.4時，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時的釋藥量比在pH＝7.4時小［14］.

3 結(jié)束語

作者通過酯化反應(yīng)制得可聚合的大單體HPCA，通過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.實驗數(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)用價值.

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