pH/温度双重敏感微凝胶的制备与药物缓释模拟

李培培，张达志，王 彬，刘琼琼，徐云慧，赵海峰

(1.徐州工业职业技术学院材料工程系，江苏徐州 221140;2.江南大学化学与材料工程学院，江苏无锡 214122)

环境响应性微凝胶颗粒广泛应用在生物工程、药物输送、化学分离、化学传感器以及催化反应等方面［1-2］，主要是由于响应性微凝胶在温度、pH值等因素发生变化时，微凝胶内部发生溶剂的挤出或溶胀，从而导致微凝胶的体积发生膨胀或收缩，引起其他性能变化的一类微凝胶。研究较集中的是以N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)为基本单体的一类温度响应性微凝胶，可利用PNIPAAm微凝胶来做生物分子或药物分子的载体，通过温度来控制活性物质的吸收和释放［3-4］。本文采用沉淀聚合法合成出具有pH/温度双重敏感性且形态规则的P(NIPAAmco-AAc)微凝胶，AAc单体的加入可以改变PNIPAAm的相转变温度，以满足作为药物载体的要求。

1 实验

1.1 试剂与设备

丙烯酸(AAc):分析纯，中国医药(集团)上海化学试剂公司生产，减压蒸馏后使用;N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm):日本兴人公司生产，正己烷重结晶提纯后使用;聚乙烯吡咯烷酮(PVP，K-30):中国医药(集团)上海化学试剂公司进口分装，直接使用;N，N'-亚甲基双丙烯酰胺(Bis):日本和光纯药工业株式会社生产，直接使用;过硫酸钾(KPS):化学纯，上海试四赫维化工有限公司生产，重结晶提纯后使用;无水乙醇:分析纯，上海振兴化工一厂生产，蒸馏后使用;氮气:工业用高纯氮，中国华晶电子集团公司动力厂生产。扫描电子显微镜(SEM，JSM-5610LV-VANTAGE)，美国Noran公司;紫外-可见分光光度计(UV-1100)，北京瑞利分析仪器公司;傅里叶变换红外光谱仪(FTIR，2000-104型)，美国ABB公司。

1.2 表征

P(NIPAAm-co-AAc)微凝胶的形态由扫描电子显微镜(SEM)进行观测;将微凝胶配制成3%(质量分数)的水溶液，通过UV光谱在525 nm处测量，升温速率:1℃/min;微凝胶的分子结构由红外光谱仪进行表征;将溶胀测试后的微凝胶放在表面皿中，在50℃条件下于真空干燥箱中充分干燥，得干凝胶称重Wd;根据公式SR=(Ws-Wd)/Wd计算出溶胀率。将微凝胶放在定量阿司匹林的溶液中浸泡一昼夜，然后将含药物的凝胶分别放于不同pH值溶液中，在37℃下进行释放试验，隔固定时间取2 mL该溶液，滴加FeCl3盐酸液显色，在525 nm处测吸光度，计算释放率。

1.3 P(NIPAAm-co-AAc)微凝胶的合成

将一定量的NIPAAm、AAc、Bis、PVP 溶于15 mL去离子水，放入聚合反应管中，待全部溶解后，通氮气30 min，加入KPS，在70℃油浴中恒温搅拌反应12 h。通过高速离心机分离，并用去离子水反复洗涤。将洗涤以后的微球分散液冷冻并干燥，得到P(NIPAAm-co-AAc)微凝胶粉末。

2 结果与讨论

2.1 P(NIPAAm-co-AAc)FTIR 表征

对分离净化后的高分子微凝胶结构进行FTIR分析(图1)，由图1看出:P(NIPAAm-co-AAc)微凝胶颗粒在1 731 cm-1、1 650 cm-1属于丙烯酸链段和酰胺链段中的υ(═CO特征吸收峰，可基本判断P(NIPAAm-co-AAc)微凝胶基本合成。

图1 微凝胶的FI-IR图谱

2.2 微凝胶的形态分析

因为制备凝胶粒子的关键是控制交联剂Bis的量，故考察Bis的用量对微凝胶形态的影响，结果如表1所示。

表1 样品的物料配方

本实验通过沉淀聚合制备微凝胶，反应温度控制在70℃，而此温度远高于PNIPAAm的LCST，则会增加PNIPAAm链的相分离行为，导致胶态粒子的形成，通过这种方法合成的微凝胶单分散性良好，且表面形态规则。通过微凝胶的SEM照片(见图2)可以看出，Bis含量的不同，所制备的凝胶形态发生很大变化，当Bis的用量为单体用量NIPAAm的10%(质量分数)时，所制备的凝胶形态为较分散的球形。

图2 不同浓度交联剂得到的微凝胶图像

图3 2%的微凝胶溶液在不同温度时的透光率

2.3 微凝胶的pH值和温敏性双重测试

图3考察P(NIPAAm-co-AAc)微凝胶的pH敏感性，以HCl或NaOH调节微凝胶溶液的pH值，测定微凝胶在不同pH值条件下透光率随温度的变化曲线［5］。

AAc是一种亲水性能比NIPAAm更好的单体，AAc引入到聚合物链后，AAc与水形成更强的氢键，从而导致相分离温度提高。由于P(NIPAAm-co-AAc)为球形聚合物，羧基主要分布在聚合物表面，在水中时表面羧基会发生离解，生成羧酸根离子和氢离子，呈离解平衡状态，该平衡态受到溶液pH值的影响。

①当pH值较低时，即氢离子浓度较大，在聚阴离子链的外部与内部进行扩散，使部分阴离子静电场得到平衡，以致其排斥力作用减弱，聚合物链发生蜷曲，尺寸缩小，溶解性变差;②当pH值较高时，羧酸根离解度增加而氢浓度很小，阴离子之间的排斥力增强使得共聚物链在水溶液中呈伸展状态，溶解性增强。③当pH值继续升高(＞7时)，P(NIPAAm-co-AAc)上的羧基与碱作用形成羧酸盐，增加了微凝胶粒子的亲水性，大分子之间疏水缔合作用减小，大分子链段处于伸展状态而自由运动，以致无相分离现象出现。

2.4 微凝胶的载药、释药性

考虑药物应尽可能在人体的小肠部位释放，因此凝胶的LCST值应在37℃附近，通过调整合成配比，合成出了符合要求的凝胶，以用于体外模拟实验。图4表示吸收药物凝胶块的缓释效果。可看出，吸收药物凝胶在pH值7.0时，药物8h的释放率约为89%，而pH值2的条件下，相同时间仅释放54%。其机理可解释为，pH值增大，以阴离子形式存在的羧基含量增多，电荷间的静电排斥作用使凝胶溶胀，易释放出药物小分子。

图4 pH值对药物自微凝胶中释放的影响

3 结论

采用沉淀聚合法制备了pH/温度双重敏感P(NIPAAm-co-AAc)微凝胶。通过控制交联剂的量，可制备不同形态的凝胶。其中当 Bis量为NIPAAm的10%时，制备大小均一，单分散较好的凝胶粒子。P(NIPAAm-co-AAc)微凝胶的LCST的大小与AAc的含量有关。微凝胶的pH敏感性随聚合物中AAc含量的增加而显著提高。为使微凝胶同时具有 pH，温敏性，故本实验选择 AAc占NIPAAm10%的配比。

［1］杨礼贺，施冬健，东为富，等.温度/pH敏感性Sem-i IPN水凝胶的制备与性能［J］.高分子材料科学与工程，2011，12(27):131-134.

［2］Zhang J，Chu LY，Li Y K，et al.Dual thermo-and pH-sensitive poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid)hydrogels with rapid response behaviors［J］.Polymer，2007，48(6):1718-1728.

［3］Fang S J，Kawaguchi H.A thermosensitive amphoteric microsphere and its potential application as a biological carrier［J］.Colloid and Polymer Science，2002，280:984-989.

［4］Elaissari A，Burrel V.Thermosensitive magnetic latex particles for controlling protein adsorption and desorption［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2001，225:151-155.

［5］赵海峰.稀土离子和聚酰胺类高分子微凝胶颗粒相互作用的研究［D］.无锡:江南大学，2008.