PAAm／PEG／PVP半互穿网络水凝胶的制备、表征及茶碱释放研究

魏清渤，白志洋，王 俏，高 瑞

（延安大学化学与化工学院 陕西省化学反应工程重点实验室，陕西 延安716000）

水凝胶是具有交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团而形成的能遇水膨胀的交联聚合物。由于天然或合成的水凝胶在结构及性能上与生物体组织相似，因此，近年来，水凝胶一直是生物医用工程领域，特别是组织工程方面的诊断、治疗、修复，人体组织器官的替换及其功能增强，以及生长因子、药物和基因载体等的研究热点［1－6］。采用不同材料制备复合水凝胶是获得高性能、多功能水凝胶的有效方法。由于不同材料聚合制备的复合水凝胶具有不同于相应单一材料水凝胶的独特性能，因而受到了人们的极大关注。

聚乙二醇（PEG）形成的水凝胶化学性质稳定，易于成型，无毒副作用，是一种常用的功能材料，但其吸水能力较差，不具备pH值敏感性［7］。为了制备出具有刺激响应性能的高性能水凝胶材料，作者在此采用聚乙二醇、丙烯酰胺（AAm）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）交联的方法制备出复合水凝胶，并研究了该水凝胶的溶胀性能以及对茶碱的释放行为。

1 实验

1.1 试剂与仪器

聚乙二醇（相对分子质量分别为600、2000和4000）、N，N－亚甲基双丙烯酰胺（N，N－MBA）、聚乙烯吡咯烷酮，天津科密欧化学试剂开发中心；丙烯酰胺，天津化学试剂厂；过硫酸钾（KPS），天津化学试剂六厂。所有试剂均为分析纯，使用前无需处理。

Nexus 470型傅立叶红外光谱仪，美国Nicolet公司；Q1000DSC型热分析系统，美国TA公司；UV－2550型紫外可见分光光度计，日本岛冿公司。

1.2 标准曲线的绘制

用微量进样器分别准确移取一定量的5g·L－1茶碱溶液至50mL容量瓶中，稀释至刻度，得0.012 mg·L－1、0.01mg·L－1、0.008mg·L－1、0.006mg·L－1、0.004mg·L－1、0.002mg·L－1、0.001mg·L－1的茶碱标准溶液。采用紫外可见分光光度计测定271nm处吸光度，以茶碱溶液的浓度（c）对吸光度（A）作图，拟合得到茶碱的标准工作曲线回归方程为A＝3.1346c－0.0054（R2＝0.9669）。

1.3 PAAm／PEG／PVP水凝胶的制备

称取一定量的丙烯酰胺溶解于去离子水中，搅拌使其充分溶解，依次加入不同相对分子量的聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮、0.2g过硫酸钾、0.02g N，NMBA，搅拌使其充分溶解，70℃水浴中加热3h后，将产物放入蒸馏水中浸泡3d，除去未反应的物质，于40℃烘箱中干燥至恒重，备用。

1.4 分析与检测

红外光谱分析（FTIR）：干燥样品粉末经KBr压片后进行红外光谱测试，测试范围500～4000cm－1。

在束流40mL·min－1氮气气氛下用热分析系统测试样品的热学性质。

用称重法测定水凝胶的溶胀率（R）。在一定条件下将水凝胶浸入缓冲溶液中，使其溶胀一定时间后，取出并用滤纸擦去水凝胶表面带出的水，称重。按下式计算溶胀率［8］：

式中：Wd为溶胀前干胶的质量，g；Ws为溶胀后水凝胶的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析（图1）

图1 PVP（a），PAAm／PEG（b）和PAAm／PEG／PVP（c）的红外光谱Fig.1 The FTIR spectra of PVP（a），PAAm／PEG（b），PAAm／PEG／PVP（c）hydrogels

由图1可看出，PVP中的－OH和C－H基团的强伸缩振动峰分别位于3456cm－1和2956cm－1处，C－O键的伸缩振动吸收峰位于1090cm－1处；PAAm的C＝O键的伸缩振动吸收峰［9］位于1659cm－1处，C＝C断裂无吸收峰。由图1还可以看出：PAAm／PEG／PVP分别在3462cm－1处出现O－H键的伸缩振动吸收峰，3182cm－1处出现亚甲基的C－H伸缩振动吸收峰，2956cm－1处出现甲基的C－H伸缩振动吸收峰，1670cm－1处出现C＝O的伸缩振动吸收峰。这表明PEG、AAm和PVP发生了交联共聚。

2.2 热重分析（图2）

由图2可看出，PVP在低于384℃失重为6.3%；在384～480℃之间的分解失重总量为81.2%。PAAm／PEG／PVP在45～131℃之间的失重率为6%，是由于水凝胶吸收空气中的水分气化或挥发分而产生的；267～370℃的失重率为27%，可能涉及聚合物链或侧基的断裂或分解；456℃的失重总量为67%，应该归结为PAAm／PEG／PVP骨架或其中各组分的C－C链段的断裂分解反应。

图2 PVP和PAAm／PEG／PVP的热重曲线Fig.2 The TG curves of PVP and PAAm／PEG／PVP hydrogels

2.3 水凝胶的溶胀性能研究

室温下，PAAm／PEG和PAAm／PEG／PVP在去离子水中的溶胀率曲线见图3。

图3 室温下，PAAm／PEG和PAAm／PEG／PVP在去离子水中的溶胀率Fig.3 Swelling rate of PAAm／PEG and PAAm／PEG／PVP hydrogels in distilled water at room temperature

由图3可看出：（1）水凝胶的溶胀率起初随着时间的延长迅速增大，一定时间后增幅趋缓，最终达到溶胀平衡。（2）采用同一相对分子质量的PEG时，PAAm／PEG／PVP的溶胀率明显比PAAm／PEG大。这是由于PAAm／PEG／PVP中加入了PVP，大幅促进了凝胶段的伸展和运动，从而能够吸收更多的水分进入凝胶网络之中，因此，可以通过加入PVP来调节水凝胶的溶胀率。（3）不同相对分子质量的PEG所制备的水凝胶的溶胀动力学行为不同，初期随着相对分子质量的增大，水凝胶的溶胀率迅速增大，但相互之间没有明显差异；随着时间的延长，采用PEG600、PEG4000制备的水凝胶的溶胀率变化比较明显，但是采用PEG2000制备的两种水凝胶溶胀率基本一致。通常，PEG相对分子质量高的水凝胶的平衡溶胀率较小，这可能与高分子量PEG的结晶度较高有关。

2.4 水凝胶的药物释放行为研究

称取一定量含有茶碱的干凝胶，放入100mL pH值分别为1.4和7.4的缓冲溶液中作为释放环境，每隔一段时间移取释放溶液，测定其在271nm处的吸光度，根据标准工作曲线线性回归方程定量计算茶碱的浓度。室温、不同pH值下，不同水凝胶的释药量随时间的变化曲线见图4。

图4 室温下，在pH＝1.4（a）、pH＝7.4（b）的缓冲溶液中水凝胶的茶碱释放行为Fig.4 Theophylline release profiles for hydrogels in pH＝1.4（a）or pH＝7.4（b）buffer solutions at room temperature

由图4可看出，采用PEG600和PEG4000制备的半互穿网络水凝胶在酸性条件下的释药量大于中性条件。这是因为，在酸性条件下，水凝胶上存在的－NH2与H＋结合形成正电离子基团，由于静电排斥作用，使得水凝胶各网格之间的空隙增大，孔道畅通，使渗透性增强，因而释药量较大；而在中性条件下，－NH2基团依附于水凝胶表面，使得孔道堵塞，渗透性减弱，因而释药量较小［10，11］。说明在模拟人体胃液里，采用PEG600和PEG4000制备的半互穿网络水凝胶在酸性条件下对茶碱的释放大于在中性条件下对茶碱的释放，且在酸性条件下，随着PEG相对分子质量的增大释药量增大，随着PVP的加入释药量减小。

3 结论

采用共聚反应制备了PAAm／PEG／PVP半互穿网络水凝胶，研究了中性条件下水凝胶的溶胀性能及对茶碱的释放行为。在模拟人体胃液里，采用PEG600和PEG4000制备的半互穿网络水凝胶在酸性条件下对茶碱的释放大于在中性条件下对茶碱的释放，且在酸性条件下，随着PEG相对分子质量的增大释药量增大，随着PVP的加入，释药量减小。表明，制备的水凝胶可用作药物载体，在医药方面具有广阔应用前景。

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