快速響應(yīng)性智能水凝膠的制備及藥物緩釋模擬

李 夢，劉 輝，倪曉玉，王 帝，周穎梅（徐州工程學院化學化工學院，江蘇 徐州 221018）

快速響應(yīng)性智能水凝膠的制備及藥物緩釋模擬

李 夢，劉 輝，倪曉玉，王 帝，周穎梅
（徐州工程學院化學化工學院，江蘇 徐州 221018）

采用紫外光照引發(fā)聚合法，以85%乙醇溶液為反應(yīng)介質(zhì)，不同分子量的聚乙二醇（PEG）作為致孔劑，成功合成了具有溫度和pH雙重敏感性的聚（N-異丙基丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸）［P（NIPAM-co-MAA）］智能型水凝膠。利用紅外光譜儀（FT-IR）、掃描電鏡（SEM）測定退/溶脹率，并對凝膠進行表征，分析原料配比對凝膠性能的影響，并以乙酰水楊酸為模型藥物研究了藥物釋放性能。結(jié)果表明，具有大孔結(jié)構(gòu)的雙重敏感性水凝膠能夠在特定溫度和pH環(huán)境下，快速平穩(wěn)地釋放藥物，并且隨著PEG分子量的增大，水凝膠的載藥率和藥物釋放速率均得到提高。

N-異丙基丙烯酰胺；智能水凝膠；藥物釋放；雙重敏感性

水凝膠是一類具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物，在水中能夠吸收大量水分而溶脹，并在溶脹之后繼續(xù)保持其原有結(jié)構(gòu)而不被溶解。智能水凝膠對外界微小的物理化學刺激，如溫度、電場、磁場、光、pH、離子強度、壓力等能夠感知并在響應(yīng)過程中有顯著的溶脹行為或響應(yīng)性［1-2］。水凝膠的這種智能性使其在藥物控釋［3］、組織工程、活性酶的固定［4］、調(diào)光材料方面具有良好的應(yīng)用前景。藥物控制釋放就是將藥物分子與載體以物理或化學的方法結(jié)合，在體內(nèi)通過擴散、滲透等控制方式，在特定部位將藥物分子以適當?shù)臐舛柔尫懦鰜?，從而達到充分發(fā)揮藥物功效的目的，控制釋藥可以降低傳統(tǒng)釋藥模式帶來的風險［5］。

自1984年有文獻報道聚N-異丙酰胺具溫敏性以來，聚N-異丙酰胺及其衍生物已廣泛用于藥物釋放研究［6］。但 PNIPA 水凝膠響應(yīng)速度較慢，在化學制備過程中有少量殘留引發(fā)劑等雜質(zhì)，使其應(yīng)用受到限制［7］。另外對于一些藥物如抗癌藥物，要求其在胃液中的釋放速度小于在腸液中的釋放速度，所以 PNIPA 水凝膠的單一響應(yīng)性難以達到局部準確釋放藥物的目的。為提高水凝膠的響應(yīng)速率，可采用引入動態(tài)接枝鏈［8］、冷凍法、互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)法［9］和成孔劑法等。其中，成孔法是最為常用的改善水凝膠性能的方法之一。通過改變水凝膠孔洞的數(shù)量和尺寸，可以提高水凝膠的溶脹性能和響應(yīng)速率。在水凝膠的制備方法中，紫外光照法合成凝膠是目前研究比較少并且比較新穎的合成凝膠方法，它具有條件簡單，反應(yīng)易于控制的優(yōu)點。

本文以NIPA為單體，不同分子量的PEG作為致孔劑，并且在體系中引入了對pH敏感的甲基丙烯酸成分，賦予凝膠溫度/pH雙重敏感性，同時使凝膠內(nèi)部形成孔洞，在提高凝膠響應(yīng)速率的同時，實現(xiàn)靶向給藥。

1　實驗試劑與儀器設(shè)備

1.1 實驗試劑

N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM，AR）：自制，用甲苯-正己烷（1∶7，V/V）混合溶劑重結(jié)晶；N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS-A，AR），安息香雙甲醚（Doublecure BDK Lot No.86110）為光引發(fā)劑，聚乙二醇（PEG，AR），無水乙醇（AR），α-甲基丙烯酸（AR）。實驗用水為自制蒸餾水。

1.2 儀器設(shè)備

SYP-Ⅲ型玻璃恒溫水浴，F(xiàn)A1004型電子天平，DZF6020型真空干燥箱，101-1 AB 電熱鼓風干燥箱，C型玻璃儀器氣流烘干器， AVATAR-360型傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR），T6紫外分光光度計，JSM-840型掃描電鏡，PHSJ-3F型pH計，紫外燈（175W）。

2　凝膠制備、表征及性能

2.1 水凝膠的制備

稱取180.0mg單體NIPA以及一定量的光引發(fā)劑BDK、交聯(lián)劑BIS-A于5mL的玻璃具塞試管中，用微量進樣器量取一定量的 MAA 注入試管并移取1.5mL 的85%無水乙醇，依次加入不同分子量的PEG，用力震蕩或加熱使固體全部溶解，然后編號。通入氮氣5～10min以排出全部氧氣（因為氧氣是阻聚劑），用塞子蓋緊，將試管放在距紫外燈5cm的地方進行光照聚合，反應(yīng)在室溫下進行。反應(yīng)完全后，終止光照，得到透明狀的凝膠。之后取出試管，脫模，切片，得厚度約為3mm的圓形凝膠，先用去離子水反復洗數(shù)遍，然后再將凝膠置于去離子水中浸泡，每隔12h換水1次，以除去未反應(yīng)的雜質(zhì)。4d后將凝膠真空烘干，依次編號為PEG 0、PEG 2000、PEG 4000和PEG 6000，置于干燥器中待用。

2.2 水凝膠的表征及性能

2.2.1 紅外光譜（FT-IR）

取少量凝膠與KBr在60℃的真空干燥箱中充分干燥，取出后研磨并壓片，采用傅里葉變換紅外光譜儀采集樣品紅外光譜，振動頻率范圍：4000～400cm-1。

2.2.2 掃描電子顯微鏡（SEM）

液氮淬冷法能夠較好地保持凝膠表面孔洞結(jié)構(gòu)。將達到吸水平衡的水凝膠樣品取出，用濾紙擦去水凝膠表面的水后放入液氮中淬冷，再轉(zhuǎn)入冷凍干燥機中干燥除水。切取干燥后的小塊樣品表面經(jīng)噴金后，用JSM-840型掃描電鏡在一定加速電壓下對凝膠表面進行觀察。

2.2.3 差示掃描量熱（DSC）

在水凝膠溶脹平衡狀態(tài)下，以鋒利刀片切下約30mg樣品，用 DSC分析儀進行差熱分析，升溫速率3℃·min-1，測試其體積相轉(zhuǎn)變行為和水分揮發(fā)過程。

2.2.4 水凝膠退脹動力學

將完全溶脹的凝膠稱重，然后置于60℃恒溫水浴鍋中，每隔一定時間將水凝膠取出稱重，按式（1）計算保水率（Water Retention，WR）：

式中，Wd表示水凝膠干質(zhì)量，Wt表示水凝膠于60℃水中在t時間的質(zhì)量，W∞表示室溫中水凝膠的質(zhì)量。

2.2.5 水凝膠再溶脹動力學

將干凝膠稱重后置于25℃的蒸餾水中，每隔一定時間取出水凝膠，迅速用濾紙擦拭吸取表面水分，稱其質(zhì)量，并按式（2）計算吸水率（Water Absorption，WA）：

式中，W0表示水凝膠干質(zhì)量，Wt表示水凝膠在25℃蒸餾水中t 時間的質(zhì)量，W∞表示凝膠中水的質(zhì)量。2.2.6 水凝膠pH敏感性測試

首先配置pH分別為2.0、4.0、9.0、12.0的緩沖溶液，其pH用pHS-25C數(shù)顯酸度計測定并校準，用NaCl溶液將其離子強度統(tǒng)一調(diào)至0.10mol·kg-1，然后，取在20℃蒸餾水中溶脹平衡后的小塊凝膠，分別放入上述pH緩沖溶液中，充分溶脹后，用濕的濾紙快速擦去其表面的水分并稱重，直到恒重為止；最后，將其放入80℃真空烘箱中，干燥12h至恒重，并按照式（3）計算其平衡溶脹比（SR）。

2.2.7 藥物緩釋實驗

將干凝膠放在定量乙酰水楊酸的溶液中浸泡一晝夜，得到載藥凝膠。然后將載藥凝膠塊分別放于不同pH值緩沖溶液中（用HCl、NaOH和NaCl等調(diào)制，以保持離子強度相等），在37℃下進行釋放試驗，每隔固定時間取3mL釋放溶液，同時迅速補充3mL 原溶液，用紫外-可見分光光譜儀測定釋放介質(zhì)濃度，根據(jù)標準工作曲線計算濃度，并繪制釋藥率-時間曲線。

3　結(jié)果與討論

3.1 原料組分對凝膠形成的影響

通過實驗發(fā)現(xiàn)，光引發(fā)劑的用量應(yīng)控制在0.33%以內(nèi)，用量過多，容易產(chǎn)生氣泡；反之則聚合反應(yīng)緩慢甚至不聚合。交聯(lián)劑應(yīng)在0.67%以內(nèi)，用量過多，凝膠硬度大但是很脆，易碎；用量過少，凝膠會很軟，不成型。

3.2 水凝膠的紅外光譜分析

加入不同分子量的PEG制得的一系列產(chǎn)物紅外光譜見圖3。

圖3　水凝膠 P（（NIPAM-co-MAA）及載藥前后紅外光譜圖Fig.3　FT-IR spectra of the P（NIPAM-co-MAA） hydrogels

從圖 3 可看出，凝膠中PEG分子量不同時，構(gòu)成的產(chǎn)物紅外光譜圖基本相同，這說明PEG對產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)沒有明顯影響。1637.61 cm-1處為酰胺Ⅰ帶，是C=O的吸收峰；1560.28 cm-1是酰胺Ⅱ帶-NH-的面內(nèi)彎曲振動峰；2973 cm-1左右的峰是甲基和次甲基的C-H振動峰；1417cm-1附近為C-H的不對稱彎曲振動峰。1346cm-1附近為-CH（CH3）2中雙甲基的對稱振動耦合分裂峰，再加上1130.75cm-1處的C-C骨架振動吸收峰，可以證明-CH（CH3）2的存在。1271.46cm-1處為C-O的伸縮振動峰。由此說明該聚合物為N-異丙基丙烯酰胺與甲基丙烯酸的共聚物。加入吸附藥物后，由圖可知，3400～2500cm-1是締合羧酸，3000cm-1左右的是苯環(huán)的C-H伸縮振動峰，2900cm-1左右是甲基中的C-H伸縮振動峰，1700cm-1左右是羧酸C=O伸縮振動峰，1740左右是苯環(huán)酯羰基振動峰，1500cm-1左右是苯環(huán)骨架振動峰，1271.46cm-1的大峰是C-O伸縮振動峰。由此說明該聚合物含有乙酰水楊酸。

3.3 多孔水凝膠的微觀形貌

利用SEM觀察水凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。隨著凝膠中PEG分子量的增大，凝膠內(nèi)部的孔洞逐漸增大，最后形成連續(xù)貫通的孔道?？锥唇Y(jié)構(gòu)為水分子自由進出水凝膠提供了通道，很大程度上減小了水分子及其它水溶性物質(zhì)如藥物分子在水凝膠中的擴散阻力，使水凝膠具有較快響應(yīng)特性。同時多孔結(jié)構(gòu)也提供了巨大的容納空間，使凝膠的負載量增加。PEG 0不含PEG，凝膠表面較為致密，只有冷凍干燥后形成的褶皺。PEG 2000從斷面來看，已經(jīng)有許多孔洞形成，但是孔洞較小。PEG 4000孔洞明顯增大、增多，PEG 6000內(nèi)部形成連續(xù)貫通的大孔。

圖4　P（NIPAM-co-MAA）水凝膠在干燥狀態(tài)下的SEM照片F(xiàn)ig.4　SEM micrographs of the P（NIPAM-co-MAA） hydrogels in dry state

3.4 DSC分析

凝膠體系中存在著親水基團和疏水基團。當溫度較低時，親水基與水分子之間存在較強的氫鍵作用，表現(xiàn)出良好的親水性，凝膠呈現(xiàn)溶脹狀態(tài)。當溫度升高至一定值，疏水基作用開始增強，高分子鏈劇烈收縮并相互纏結(jié)，凝膠體積收縮，發(fā)生不連續(xù)相變同時伴隨吸熱現(xiàn)象。圖5為4種水凝膠的DSC曲線，從圖中可以看出，所有水凝膠的LCST都在31℃左右，并沒有明顯的差異。這是由于水凝膠的體積相轉(zhuǎn)變是由凝膠網(wǎng)絡(luò)中親水基團與疏水基團的相互作用引起的，雖然添加的PEG分子量不同，但是不影響凝膠結(jié)構(gòu)中2種基團的比例，即它們的化學結(jié)構(gòu)相同，所以它們的LCST大致相同。由于PEG 6000、PEG 4000、PEG 2000這3種水凝膠含水量較多，所以出現(xiàn)的熱吸收峰較寬。

圖5　P（NIPAM-co-MAA）水凝膠的DSC曲線Fig.5　DSC curves of the P（NIPAM-co-MAA） hydrogels

3.5 水凝膠去溶脹動力學

水凝膠P（NIPAM-co-MAA）的去溶脹動力學曲線如圖6所示。各水凝膠在短時間內(nèi)失水后達平衡狀態(tài)。隨著PEG分子量的增加，凝膠的退脹速率加快。根據(jù)Hoffman的水凝膠收縮模型，水凝膠的收縮從水凝膠表面開始逐漸向內(nèi)部進行，水凝膠收縮后在水凝膠的表面形成疏水的致密層，阻止了水凝膠內(nèi)部水的排出，因此水凝膠的收縮速率很慢。而引入孔洞結(jié)構(gòu)后，水凝膠中的水可以通過孔洞透過表面致密層排出，因此水凝膠的退溶脹速率明顯增加。

圖6　P（NIPAM-co-MAA）水凝膠在60℃下的退脹率曲線Fig.6　Deswelling curves of the P（NIPAM-co-MAA） hydrogels at 60℃

3.6 水凝膠的再溶脹動力學曲線

將水凝膠P（NIPAM-co-MAA）真空干燥后放入25℃恒溫水浴中，測得再溶脹動力學曲線如圖7所示。由圖中可以看出，具有孔洞結(jié)構(gòu)的水凝膠的溶脹速率明顯大于沒有孔洞結(jié)構(gòu)的水凝膠。隨著PEG分子量的增加，水凝膠的溶脹速率逐漸增大，說明具有孔洞結(jié)構(gòu)的水凝膠在相同時間內(nèi)能夠吸附更多的液體物質(zhì)。這是因為孔道結(jié)構(gòu)為水分子的快速進入提供了通道，同時內(nèi)部的多孔也增大了容納液體物質(zhì)的空間，這為提高凝膠的載藥量提供了依據(jù)。

圖7　P（NIPAM-co-MAA）水凝膠再溶脹率曲線Fig.7　Reswelling kinetics of the P（NIPAM-co-MAA） hydrogels

3.7 水凝膠的pH敏感性研究

圖8是水凝膠在不同pH值緩沖溶液中24 h后的溶脹情況。從圖中可以看出，該水凝膠為陰離子型pH敏感凝膠，并具有較高的pH敏感性。水凝膠在pH=2.0的緩沖溶液中溶脹率很小，甚至不溶脹，隨著pH值的增大，水凝膠的溶脹率開始增大。當pH值增大至9.0時，溶脹率達到最高值。隨著pH值繼續(xù)增大，溶脹率開始降低。這是因為在酸性緩沖溶液中，由于H+濃度較高，抑制了親水基團-COOH和酰胺基-CONH的解離，所以水凝膠的親水性變?nèi)酢６趶妷A性緩沖溶液中，可能是由于未被交聯(lián)的酰胺基-CONH上的氫原子會和凝膠網(wǎng)絡(luò)上的氧原子形成氫鍵，致使網(wǎng)絡(luò)堅實而水分子不易進入，所以凝膠的溶脹率有所下降。

圖8　P（NIPAM-co-MAA）水凝膠在20℃下的pH敏感性Fig. 8　pH sensitivity of the P（NIPAM-co-MAA）hydrogels in buffer solutions at 20℃

3.8 水凝膠藥物緩釋實驗

考慮到藥物應(yīng)盡可能在人體的小腸部位釋放，人體溫度為36℃，因此在36℃下，分別考察凝膠在pH值為7.4和1.7時藥物釋放情況。

圖9為乙酰水楊酸的標準工作曲線。圖10為載藥凝膠PEG 6000在pH值為7.4和1.7時的藥物釋放情況。由圖可知，在兩種pH值條件下，釋藥率均呈現(xiàn)先快速后緩慢，然后趨于平穩(wěn)的趨勢。在pH=7.4時，藥物12 h的釋放率約為75%，而在pH=1.4的條件下，相同時間僅釋放30%。這是因為水凝膠中引入了含有羧基的甲基丙烯酸，使凝膠具有pH敏感性，當pH增大，以陰離子形式存在的羧基含量增多，電荷間的靜電排斥作用使凝膠溶脹，易釋放出藥物小分子。說明該水凝膠有利于實現(xiàn)小腸部位的靶向給藥。

圖9　乙酰水楊酸的的標準工作曲線Fig.9　Standard working curve of acetyl salicylic acid

圖10　不同酸度下水凝膠的藥物釋放曲線Fig.10　Drug release curves of the P（NIPAM-co-MAA） hydrogels at different pH environments

圖11為載藥水凝膠在pH=7.4的條件下釋藥情況?？梢钥闯?，前8h內(nèi)，釋藥速率很快。8h之后，釋藥速率會逐漸變慢趨于平穩(wěn)。隨著PEG分子量的不斷增大，凝膠釋藥率升高。

4　結(jié)論

采用紫外光照引發(fā)聚合法，85%乙醇溶液為反應(yīng)介質(zhì)，成功合成了［P（NIPAM-co-MAA）］智能型水凝膠。通過測試證明了該水凝膠具有溫敏性和pH敏感性。致孔劑聚乙二醇（PEG）的引入使水凝膠內(nèi)部形成多孔結(jié)構(gòu)，并且隨著PEG分子量的增大，孔洞逐漸增大，最后形成互為貫通的孔道，使水凝膠的載藥率和釋藥率都得到了提高。藥物釋放實驗發(fā)現(xiàn)，水凝膠的雙重敏感性使其在特定溫度下，能準確地在小腸部位釋放藥物，擴大了水凝膠在藥物載體上的應(yīng)用。

圖11　水凝膠藥物緩釋曲線 （T=36℃， pH=7.4）Fig.11　Drug release curves of the P（NIPAM-co-MAA） hydrogels （T=36℃， pH=7.4）

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Preparation of Rapid Responsive Intelligent Hydrogel and its Drug Release Simulation

LI Meng， LIU Hui， NI Xiao-yu， WANG Di， ZHOU Ying-mei
（School of Chemistry and Chemical Engineering， Xuzhou Institute of Technology， Xuzhou 221018， China）

In this paper， thermo and pH sensitive poly（N-isopropylacrylamide-co-methyl acrylic acid） ［P（NIPAM-co-MAA）］hydrogels were successfully prepared in the 85% ethanol solution. Porous were formed in the hydrogels by adding different molecular weight of PEG. The influence of component on the characteristics of the resulting hydrogels was investigated with Fourier trans-form infrared spectroscopy （FT-IR）， scanning electron microscopy（SEM） and measuring swelling ratio. Drug release properties were studied with acetyl salicylic acid as a model drug. The results showed that the intelligent hydrogels with double sensitivity and porous structure could release drug smoothly and rapidly at certain temperature or pH environment. The capacity of loading drug and drug release rate of the gels was improved with the increase of the molecular weight of PEG .

N-isopropylacrylamide； intelligent hydrogels； drug release； double sensitivity

TQ 317.3

A

1671-9905（2016）07-0013-05

徐州工程學院省級實驗示范中心專項經(jīng)費項目

通訊聯(lián)系人：周穎梅（1975-），女，江蘇徐州人，實驗師，主要研究方向為功能高分子材料合成。E-mail：hgzym2012@163.com

2016-04-27