綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)- 溫度/pH 響應(yīng)凝膠PNIPAM/CMCS 的制備及性能分析

徐彥芹,劉 敏,吳 芳,唐雨榕

（重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,重慶 401331）

引言

環(huán)境敏感型凝膠是當(dāng)外界環(huán)境改變自身相體積發(fā)生轉(zhuǎn)變的一種具有周期性三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)多孔材料[1],表面分布大量的親水基團(tuán),可吸收大量的水而不溶于水,具有比表面積大及可修剪、易修飾等結(jié)構(gòu)特性,幾乎可靈活制備成各種形狀,在生物醫(yī)藥[2]、材料化學(xué)[3]、藥物控制釋放[4]等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。由于本科材料類或制藥類專業(yè)的本科生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少接觸環(huán)境敏感型溫度/pH 響應(yīng)凝膠領(lǐng)域相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)：高分子材料的構(gòu)筑和合成；交聯(lián)劑自由基原位聚合合成；結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)來(lái)分析形成過(guò)程；大型儀器表征及相關(guān)軟件分析；性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。因此,環(huán)境敏感型凝膠的設(shè)計(jì)合成及性能表征是大綜合實(shí)驗(yàn),可使本科生將所學(xué)的多個(gè)基礎(chǔ)化學(xué)單元知識(shí)模塊高度融合、掌握和靈活使用。

將環(huán)境敏感型凝膠的合成與性能分析實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目引入到材料類或制藥類高年級(jí)的本科綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中,使學(xué)生課堂學(xué)習(xí)與科研前言及實(shí)際應(yīng)用實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新精神及追求科學(xué)高峰的研究熱情,為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)、科研訓(xùn)練項(xiàng)目和未來(lái)的科學(xué)研究打下夯實(shí)基礎(chǔ)。

1 研究意義

凝膠的交聯(lián)合成方法主要有物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)。物理交聯(lián)是通過(guò)氫鍵等物理作用形成的可逆凝膠?；瘜W(xué)交聯(lián)是通過(guò)化學(xué)鍵交聯(lián)的永久性或不可逆凝膠。凝膠根據(jù)對(duì)外界環(huán)境的刺激是否有響應(yīng)（物理性質(zhì)）可分為傳統(tǒng)型水凝膠（無(wú)響應(yīng)凝膠）和環(huán)境敏感型凝膠（又稱智能凝膠）。環(huán)境敏感型凝膠隨著環(huán)境刺激如溫度、光、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力、離子強(qiáng)度、化學(xué)試劑和pH 等因素的變化,其在臨界起始點(diǎn)改變分子間的相互作用或改變聚合物鏈和溶劑之間以及聚合物鏈之間的相互作用。

本實(shí)驗(yàn)中,選用應(yīng)用最為廣泛和易實(shí)現(xiàn)的溫度和pH 環(huán)境[5],將N,N- 亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）和蒙脫土納基（Na-MMT）兩種交聯(lián)劑通過(guò)自由基原位聚合合成具有溫度響應(yīng)的凝膠PNIPAM,再引入具有pH 響應(yīng)的羧甲基殼聚糖（CMCS）,制備出新型溫度/pH 雙響應(yīng)型凝膠PNIPAM/CMCS,采用FT-IRDSC 分析手段對(duì)樣品表征,通過(guò)現(xiàn)代測(cè)試研究方法對(duì)性能研究。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展,掌握環(huán)境敏感型凝膠的制備方法,鞏固綜合復(fù)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作、儀器分析、結(jié)構(gòu)化學(xué)等多門(mén)化學(xué)課程內(nèi)容；掌握環(huán)境敏感型凝膠的表征手段及相關(guān)軟件的使用,熟悉儀器設(shè)備的使用操作,為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)、科研訓(xùn)練項(xiàng)目和未來(lái)的科學(xué)研究打下夯實(shí)基礎(chǔ)。

2 PNIPAM/CMCS 的合成

2.1 儀器與試劑

儀器：通風(fēng)櫥、真空干燥箱,鼓風(fēng)干燥箱,磁力攪拌器、攪拌子、氮?dú)馄俊⒆贤? 可見(jiàn)分光光度計(jì)、紅外光譜儀、熱重分析儀、掃描電子顯微鏡等。

試劑：過(guò)硫酸鉀（KPS）,羧甲基殼聚糖（CMCS）,N,N- 亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）,N,N,N,N- 四甲基乙二胺（TEMED）,蒙脫土鈉基（Na-MMT）,水楊酸（SA）,異丙基丙烯酰胺（NIPAM）,去離子水。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1） PNIPAM和PNIPAM/CMCS 的制備。0 ℃冰水環(huán)境下,將1.0 g NIPAM、0.8 g Na-MMT 和12.5 mg BIS 加入10 mL 蒸餾水中,磁力攪拌1 h。充入N220 min 后,將促進(jìn)劑TEMED 和引發(fā)劑KPS 加入上述溶液并攪拌,靜置24 h 形成凝膠,蒸餾水洗滌3次,冷凍干燥,制得PNIPAM。0 ℃冰水環(huán)境下,將1.0 g NIPAM、0.2 g CMCS、0.8 g Na-MMT 和12.5 mg BIS 溶于10 mL 蒸餾水中,磁力攪拌1 h,后續(xù)步驟與PNIPAM的制備相同。

（2） 載藥量的測(cè)定。采用紫外- 可見(jiàn)分光光度計(jì)對(duì)凝膠的載藥量測(cè)定。配置水楊酸（SA）0.2～1.0 mg·ml-1系列標(biāo)準(zhǔn)溶液,掃描范圍為200 nm～400 nm,300 nm 處的最大吸收峰定量,標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為A=0.0317C+0.063,A 為吸光度,C 為SA 的濃度。采用吸附法制備載藥凝膠。冷凍干燥后的PNIPAM/CMCS置于10 mL 濃度為2 mg/mL 的SA 溶液,48 h 后取出于室溫下干燥24 h,制得載藥凝膠。取上清液測(cè)定藥物殘留量,通過(guò)紫外差減法計(jì)算載藥量。

（3） 載藥凝膠的溫度/pH 響應(yīng)測(cè)定。將載藥凝膠分散于25 ℃和37 ℃的pH=7.4 的模擬腸液中,每隔一定時(shí)間取樣,同時(shí)補(bǔ)充原模擬腸液,300 nm 處測(cè)定A,確定釋藥量,測(cè)定不同溫度時(shí)的釋藥行為。將載藥凝膠置于不同pH 的緩沖溶液中,放置在恒溫振蕩儀（37 ℃,50 rpm）釋藥,定時(shí)取一定量的釋放液樣測(cè)定并添加等量模擬液,測(cè)定不同pH 下的釋藥行為。

2.3 結(jié)果表征及性能分析

（1）紅外光譜分析。FT-IR（美國(guó)Nicolet 公司,MagnaIR550II 傅立葉變換紅外光譜儀）采用KBr 壓片法,波長(zhǎng)范圍400～4 000 cm-1,分辨率為4 cm-1,掃數(shù)為32 次,見(jiàn)圖1。

圖1PNIPAM 和PNIPAM/CMCS 的紅外光譜圖對(duì)比可知,PNIPAM/CMCS 除了具有PNIPAM 的峰信號(hào)外,在1670 cm-1處出現(xiàn)異丙基丙烯酰胺中的酰胺伸縮振動(dòng)峰,1071 cm-1處出現(xiàn)Si-O-Si 伸縮振動(dòng)峰；由于無(wú)機(jī)粘土對(duì)凝膠的影響,2971 cm-1出現(xiàn)較弱新吸收峰,3191 cm-1處的-NH 伸縮振動(dòng)峰向高波數(shù)發(fā)生移動(dòng)。-COO-的伸縮振動(dòng)峰均向低波數(shù)移動(dòng)。而PNIPAM 在1368cm-1有明顯峰信號(hào),3095cm-1峰信號(hào)是由于-NH 和-OH 的伸縮振動(dòng)重疊導(dǎo)致。

圖1 PNIPAM 和PNIPAM/CMCS 的FT-IR 譜圖

（2） 差示掃描量熱分析。DSC（日本島津,DTG60H 型差示掃描量熱儀）測(cè)試升溫范圍為25～50℃,升溫速度為1 ℃·min-1。見(jiàn)圖2。由圖2 對(duì)比PNIPAM和PNIPAM/CMCS 的差熱掃描曲線,約33 ℃凝膠相體積轉(zhuǎn)變。低于臨界溫度時(shí),由于聚合物鏈中氨基與水分子之間存在較強(qiáng)的氫鍵作用,凝膠呈現(xiàn)親水性,表現(xiàn)溶脹狀態(tài)；高于臨界溫度時(shí),氫鍵作用減弱,疏水基占主導(dǎo)位置,聚合物收縮交聯(lián)。宏觀表現(xiàn)出高于臨界溫度時(shí),凝膠體積收縮,發(fā)生不連續(xù)相變,同時(shí)伴有吸熱現(xiàn)象,與傳統(tǒng)PNIPAM 凝膠的臨界溫度33 ℃相似。

圖2 PNIPAM 和PNIPAM/CMCS 的DSC 曲線

（3） 載藥PNIPAM/CMCS 溫度/pH 響應(yīng)性能分析。通過(guò)紫外差量法計(jì)算出PNIPAM/CMCS 的載藥率為47.2%,釋藥結(jié)果見(jiàn)圖3。圖a 為PNIAAM/CMCS 載藥凝膠于37 ℃和25 ℃時(shí)在模擬腸液中的釋藥曲線,37 ℃,30 h 時(shí)釋藥率高達(dá)81%,25 ℃,30 h 時(shí)釋藥率僅為33%,由于水凝膠的臨界溫度約33 ℃,高于臨界溫度,水凝膠呈現(xiàn)收縮的狀態(tài),利于藥物擴(kuò)散,釋藥速率加快,釋藥率較高,此過(guò)程與人體溫度時(shí)達(dá)到某值藥物突釋效果類似。說(shuō)明了載藥PNIPAM/CMCS 凝膠具有良好的溫度響應(yīng),隨溫度改變可控制開(kāi)/關(guān)。圖b 為PNIAAM/CMCS 載藥凝膠模擬人體溫度37 ℃,不同pH 條件下的釋藥曲線。SA 在模擬胃液pH=1.08和模擬腸液pH=7.40 釋放10 h,釋藥量約為60%。pH=5.84,釋藥量達(dá)44%。pH=1～3,溶脹度隨著pH 值的增大而減小,釋藥率隨pH 增大減??；3＜pH＜8,溶脹度隨pH 增大而增大,凝膠溶脹后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為疏松,降低了藥物擴(kuò)散的阻力,釋藥速率加快,釋藥率也增加；pH＞8,溶脹度又呈減小趨勢(shì),pH=8.5 時(shí)小于在模擬腸液中的釋藥率,藥物在模擬胃液和模擬腸液環(huán)境中均具有較高的釋藥率,PNIAAM/CMCS 載藥凝膠具有較好的 pH 響應(yīng)釋藥性能。 綜上分析,PNIAAM/CMCS 載藥凝膠具有良好的溫度/pH 響應(yīng)性能。

圖3 PNIPAM/CMCS 釋藥曲線（a: pH=7.4,溫度不同；b: t=37℃,pH 不同）

3 實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程質(zhì)量控制

此綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)包括了環(huán)境敏感型凝膠生物材料的合成、表征和性能測(cè)試等內(nèi)容,合成實(shí)驗(yàn)包括基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作；表征分析包括FT-IR、DSC、SEM及紫外可見(jiàn)分光光度法等儀器分析內(nèi)容,同時(shí)學(xué)習(xí)了性能測(cè)試方法和譜圖解析及MDI Jade、Origin 等軟件的使用。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容系統(tǒng)完整覆蓋知識(shí)面廣,而又高度融合,難易程度相對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)具有一定的挑戰(zhàn)性,適合材料類或制藥類專業(yè)大三大四高年級(jí)本科生學(xué)習(xí),實(shí)施細(xì)節(jié)如下。

（1） 課前：老師上課前需認(rèn)真準(zhǔn)備,完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教案編寫(xiě),并預(yù)做實(shí)驗(yàn),有效把握實(shí)驗(yàn)過(guò)程能可能遇到的問(wèn)題。學(xué)生需查閱項(xiàng)目相關(guān)資料,預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、目的和方案,鼓勵(lì)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。了解使用的大型儀器設(shè)備及圖譜分析方法。

實(shí)驗(yàn)前學(xué)生必須認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)講義,寫(xiě)出預(yù)習(xí)報(bào)告,內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?實(shí)驗(yàn)原理,查出實(shí)驗(yàn)涉及的常數(shù),畫(huà)出實(shí)驗(yàn)流程圖等,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)則應(yīng)寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告經(jīng)教師檢查后,方能參加實(shí)驗(yàn)。同時(shí)教師還可以采取課堂提問(wèn)的方式,檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)情況。

（2） 實(shí)驗(yàn)過(guò)程：老師需要求學(xué)生具有嚴(yán)格的科學(xué)態(tài)度、良好的實(shí)驗(yàn)操作技能,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生遇到的問(wèn)題能夠及時(shí)反饋,出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決。學(xué)生需認(rèn)真實(shí)驗(yàn),規(guī)范操作,及時(shí)準(zhǔn)確記錄原始數(shù)據(jù)及觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（3） 課后：老師可通過(guò)網(wǎng)課在線問(wèn)答、微信、QQ 等多種師生互動(dòng)方式及時(shí)了解學(xué)生數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析中出現(xiàn)的困難和問(wèn)題,并給予解答。學(xué)生需按照規(guī)范要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析,鼓勵(lì)自行查閱資料分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象,并能夠進(jìn)行正確規(guī)范處理數(shù)據(jù)和書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告,有困難可與老師交流討論。

4 結(jié)論

此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目綜合了高分子化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、材料化學(xué)、藥物化學(xué)和儀器分析等相關(guān)知識(shí)內(nèi)容,相對(duì)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有一定的難度和高度的綜合性,適用于高年級(jí)材料類或者制藥類本科生。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施,學(xué)生能夠鞏固復(fù)習(xí)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)同時(shí),又可將基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)串聯(lián)融合,培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考創(chuàng)新能力、科研素養(yǎng)和熱愛(ài)科學(xué)的情感,拓展學(xué)生的課堂視野。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為大學(xué)期間的科研訓(xùn)練項(xiàng)目的實(shí)施、大四本科畢業(yè)設(shè)計(jì)及未來(lái)研究生科研之路打下夯實(shí)基礎(chǔ)。