pH和葡萄糖敏感Poly(4-VPBA-co-AA)水凝膠的制備及溶脹性能

杜祥祥,陳恩召,丁松旗

(1.平頂山學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467036;2.平頂山市高新區(qū)尼龍新材料園區(qū),河南 平頂山 467013)

0 引言

智能水凝膠是基于外界刺激(或微環(huán)境變化)而做出響應(yīng)，能夠產(chǎn)生物理/化學(xué)特性顯著改變的三維網(wǎng)絡(luò)水凝膠，在分子識(shí)別、物質(zhì)分離、人造肌肉以及藥物傳遞等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值[1-3]．智能水凝膠主要包括對(duì)溫度、pH、電場(chǎng)、生物敏感及含有光敏基團(tuán)的光敏感性水凝膠．相比于單一敏感的水凝膠而言，具有多重敏感的水凝膠可以滿足一些復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景．這些具有多重敏感的水凝膠常通過一些聚合方法將響應(yīng)性基團(tuán)引入到反應(yīng)物中或者反應(yīng)物本身就具有針對(duì)某種外界刺激響應(yīng)的特點(diǎn)，從而獲得具有特定響應(yīng)的聚合物．實(shí)現(xiàn)環(huán)境刺激響應(yīng)型智能水凝膠的多種環(huán)境刺激的同時(shí)響應(yīng)或協(xié)調(diào)響應(yīng)研究備受人們的關(guān)注．陳洪事等[4]以丙烯酸、丙烯酰胺和雙丙酮丙烯酰胺為原料，采用光引發(fā)聚合方法制備系列pH和溫度敏感水凝膠，其溶脹率表現(xiàn)出顯著的pH敏感和溫敏性．Hu等[5]基于β-葡聚糖接枝衣康酸(IA)和甲基丙烯酸-2-羥基乙酯(HEMA)的氧化還原/pH雙重刺激響應(yīng)水凝膠，作為新型藥物載體材料，在低pH和還原環(huán)境中發(fā)揮良好的抗癌藥物釋放效應(yīng)．近年來，基于苯硼酸的葡萄糖響應(yīng)性水凝膠的研究受到了廣泛關(guān)注．陳琛等[6]以苯硼酸(PBA)為識(shí)別元素制備出了含茜素紅(ARS)的葡萄糖敏感水凝膠ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)，考查了水凝膠對(duì)葡萄糖的響應(yīng)性能，這種含有ARS的水凝膠的溶脹度隨葡萄糖濃度的增加而不斷增大．Sun等[7]通過自由基聚合合成包覆SiO2納米顆粒核殼凝膠聚N-異丙基丙烯酰胺-3-丙烯酰胺基苯硼酸-馬來酸葡聚糖SiO2@p(NIPAM-co-AAPBA-co-Dex-Ma)，這種核殼凝膠呈現(xiàn)葡萄糖和溫度敏感性，其負(fù)載藥物胰島素的研究表明負(fù)載胰島素依賴于溫度，負(fù)載率達(dá)到20%，胰島素釋放依賴于葡萄糖濃度，細(xì)胞毒性測(cè)試表明其具有較好的生物相容性，可用于胰島素藥物傳遞系統(tǒng)．

目前，智能水凝膠響應(yīng)的環(huán)境刺激種類單一，凝膠的性能單一，需要拓展環(huán)境刺激響應(yīng)的種類和多重響應(yīng)性，讓智能水凝膠更好地滿足實(shí)際應(yīng)用．為進(jìn)一步構(gòu)建多重敏感水凝膠，基于分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，筆者以丙烯酸(AA)作為pH敏感單體，4-乙烯基苯硼酸(4-VPBA)為葡萄糖敏感單體，過硫酸銨(APS)為引發(fā)劑，N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(BIS)為交聯(lián)劑，通過自由基聚合一步法制備了pH和葡萄糖雙重敏感Poly(4-VPBA-co-AA)水凝膠，并采用FT-IR對(duì)聚合物凝膠結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，測(cè)試了聚合物水凝膠的pH和葡萄糖雙重響應(yīng)溶脹性能．

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

4-乙烯基苯硼酸，96%，上海阿拉丁試劑有限公司；丙烯酸(AA)，AR，上海阿拉丁試劑有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，AR，天津市永大化學(xué)試劑有限公司；過硫酸銨(APS)，AR，上海阿拉丁試劑有限公司；N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(BIS)，97%，上海麥克林生化科技有限公司；葡萄糖，AR，70%，上海阿拉丁試劑有限公司;氫氧化鈉(NaOH)，AR，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司．

傅里葉紅外光譜儀Nicolet 5700，美國(guó)Nicolet公司；超聲波清洗器KQ-500B，江蘇昆山市儀器有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱766-3，上海蘇達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司．

1.2 Poly(4-VPBA-co-AA)水凝膠的制備

稱取1 g 4-乙烯基苯硼酸(4-VPBA)和4 g 丙烯酸(AA),分別加入10 mL N,N′-二甲基甲酰胺(DMF)中,超聲10 min配成溶液，將其轉(zhuǎn)移到250 mL三口燒瓶中．分別稱取0.05 g引發(fā)劑(過硫酸銨(APS))和0.1 g交聯(lián)劑(N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(BIS)),加入10 mL去離子水中,超聲5 min充分溶解后將其轉(zhuǎn)移至上述三口燒瓶中．通氮?dú)?5 min除去溶液中的氧，再將通氮?dú)獾膶?dǎo)管移至溶液上方，把三口燒瓶?jī)?nèi)的空氣中的氧氣排除，然后密封燒瓶，將溫度加熱設(shè)置70 ℃進(jìn)行磁力攪拌反應(yīng)．反應(yīng)3 h后凝膠生成，停止加熱，將其取出，切成均勻小塊，并浸泡在去離子水中，以便將殘留的小分子去除．最后將其放入烘箱中，在80 ℃的條件下進(jìn)行干燥．

1.3 Poly(4-VPBA-co-AA)水凝膠的結(jié)構(gòu)紅外表征(FT-IR)

對(duì)聚合物進(jìn)行紅外表征，采用溴化鉀(KBr)壓片的方法．取10 mg制備的干凝膠，在紅外燈下將溴化鉀和聚合物按比例混合壓片后在4 000～500波數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行光譜掃描．

1.4 Poly(4-VPBA-co-AA)水凝膠溶脹度的測(cè)試

將烘箱中的干凝膠取出后進(jìn)行稱量，分別置于不同的葡萄糖濃度(20、40、60 mmol/L)和不同的pH (2、7、12)下，間隔一定時(shí)間(0～30 h)后進(jìn)行稱量，稱量前用濾紙吸干凝膠表面的水分．宏觀聚合物水凝膠的溶脹動(dòng)力學(xué)可以通過測(cè)量凝膠質(zhì)量的改變來進(jìn)行研究．根據(jù)溶脹度的計(jì)算公式來計(jì)算不同葡萄糖濃度和pH下的凝膠的溶脹度．

水凝膠的溶脹率:

(1)

式中，W0為浸泡前干凝膠的質(zhì)量，Wt為浸泡一定時(shí)間后凝膠的質(zhì)量．

2 結(jié)果與討論

2.1 Poly(4-VPBA-co-AA)水凝膠的結(jié)構(gòu)表征

2.2 不同葡萄糖濃度及pH對(duì)水凝膠溶脹率的影響

圖2是不同葡萄糖濃度下Poly(4-VPBA-co-AA)凝膠的溶脹率隨時(shí)間的變化圖，圖3是30 h后達(dá)到平衡時(shí)的溶脹率變化圖．在不同葡萄糖濃度下，伴隨時(shí)間的推移,水凝膠的溶脹率隨之改變．起初前15 h，水凝膠溶脹速率較快，24 h之后溶脹緩慢進(jìn)行，最后逐漸趨向于平衡，水凝膠質(zhì)量不再發(fā)生變化．在不同的葡萄糖濃度的條件下，水凝膠的溶脹率隨葡萄糖濃度的增加而增大．在葡萄糖濃度分別為20、40、60 mmol/L的條件下其平衡溶脹率分別為950%、1 050%、1 170%．伴隨著葡萄糖的加入，水凝膠結(jié)構(gòu)中苯硼酸基團(tuán)與葡萄糖分子發(fā)生了結(jié)合，形成五元或六元環(huán)狀內(nèi)酯，聚合物水凝膠鏈段親疏水特性發(fā)生了轉(zhuǎn)變，增加了凝膠的親水性，導(dǎo)致鏈段變得疏松，有利于水分子進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，隨著葡萄糖濃度的增加，苯硼酸基團(tuán)與葡萄糖分子相互結(jié)合位點(diǎn)增多，進(jìn)一步提高了水凝膠的溶脹率[8]．Poly(4-VPBA-co-AA)水凝膠在不同葡萄糖濃度的誘導(dǎo)下，呈現(xiàn)出不同的溶脹效果，具有葡萄糖敏感性．

圖1 Poly(4-VPBA-co-AA)水凝膠的紅外譜圖

圖2 不同葡萄糖濃度下Poly(4-VPBA-co-AA)凝膠的溶脹率隨時(shí)間的變化

從圖4看出:在相同的葡萄糖濃度(60 mmol/L)下，不同的pH(2、7、12)下Poly(4-VPBA-co-AA)水凝膠的溶脹率呈現(xiàn)的趨勢(shì)是先快速溶脹,然后溶脹減緩，最終趨于平衡．從圖5看出:其平衡溶脹率大小關(guān)系是酸性最高，堿性次之，中性最?。谒嵝詶l件下，分子鏈中丙烯酸的羧基極性基團(tuán)易發(fā)生質(zhì)子化是主要影響因素，從而使鏈段伸展而處于膨脹的狀態(tài)，使得水凝膠的吸水能力增強(qiáng)，平衡溶脹率高達(dá)1 735%．而在堿性條件下，在高pH介質(zhì)中苯硼酸基團(tuán)可以與葡萄糖結(jié)合成為帶負(fù)電荷的苯硼酸酯，產(chǎn)生庫侖斥力[6]．此外，羧基基團(tuán)自身也會(huì)產(chǎn)生庫侖斥力，促進(jìn)了鏈段的伸展，提高了吸水能力，從而使聚合物水凝膠的溶脹度增加．其平衡溶脹率最終達(dá)1 400%．

圖3 30 h后達(dá)到平衡時(shí)溶脹率與葡萄糖濃度的關(guān)系

圖4 不同pH，在60 mmol/L葡萄糖濃度下Poly(4-VPBA-co-AA)凝膠的溶脹率隨時(shí)間的變化

2.3 不同pH線性擬合下的log rS與log t之間的關(guān)系

通過Firestone和Siegel提出的理論研究溶脹動(dòng)力學(xué)機(jī)理，引入?yún)?shù)n作為動(dòng)力學(xué)指數(shù)來表征溶脹的擴(kuò)散過程[9]．

rS=ktn.

(2)

式中，rS為溶脹率，k為指前因子，t為時(shí)間(單位為s)，n為動(dòng)力學(xué)指數(shù)．當(dāng)n=0.5時(shí)，為Fickian擴(kuò)散過程，當(dāng)0.5

圖5 30 h后達(dá)到平衡時(shí)溶脹率與pH的關(guān)系

3 結(jié)論

1)以4-乙烯基苯硼酸(4-VPBA)作為葡萄糖敏感單元、丙烯酸(AA)作為pH敏感單元，通過自由基聚合一步法制備了Poly(4-VPBA-co-AA)水凝膠．

2)在不同葡萄糖濃度、同一pH的條件下,Poly(4-VPBA-co-AA) 水凝膠的溶脹性能伴隨著葡萄糖濃度的增加而增大，呈現(xiàn)出葡萄糖敏感性．

3)在酸性和堿性的環(huán)境下,聚合物水凝膠的溶脹率均大于中性條件，具有pH敏感性．此外，對(duì)不同pH下logrS與logt之間的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，該聚合物水凝膠的溶脹過程屬于非 Fickian 擴(kuò)散過程．

圖6 不同pH下的log rS 與log t之間的線性擬合

表1 不同pH的n值