pH响应型壳聚糖-明胶水凝胶的制备研究

刘伶俐，钱 洋

（安徽新华学院 药学院，安徽 合肥 230088）

pH响应型壳聚糖-明胶水凝胶的制备研究

刘伶俐，钱 洋

（安徽新华学院 药学院，安徽 合肥 230088）

pH敏感型水凝胶是指水凝胶的体积随外界环境如pH值、离子强度变化而变化的一类高分子凝胶，可方便地调节和控制凝胶内药物的释放和扩散速率，目前常用于缓控释药物载体.本文利用明胶与壳聚糖为原料，采用化学交联法制备了一种pH响应性水凝胶，探讨原料用量、反应温度及交联剂用量对凝胶溶胀性能的影响，获得了一种对pH敏感的智能水凝胶.

pH敏感型水凝胶；壳聚糖；明胶

水凝胶是一种以水为分散介质，通过共价键、氢键或范德华力等作用相互交联构成三维高分子网络结构的水凝胶.具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，而疏水残基遇到水膨胀形成聚合物.水凝胶具有良好的生物相容性，与疏水聚合物相比，固定在水凝胶中的生物分子活性能够保持较长时间，同被固定化的酶或细胞相互作用弱很多，因此水凝胶在生物化学、医学等领域有许多用途[1-2].智能水凝胶是对外界环境微细的物理或化学变化并能产生相应响应的一类水凝胶，也被称为刺激响应性或响应性凝胶.其中pH敏感性水凝胶是指水凝胶的体积随外界环境pH值、离子强度变化而变化的一类高分子凝胶.这类凝胶中含有大量易水解或质子化的酸、碱基团，这些基团的解离受外界pH的影响，当外界pH变化时，这些基团的解离程度相应改变，造成内外离子浓度改变，这些基团的解离还会破坏凝胶内相应的氢键，使凝胶网络的交联点减少，造成凝胶网络结构发生变化，引起水凝胶溶胀度的变化[3-4].在药学领域中，根据pH敏感性水凝胶的这种性质可以方便地调节和控制凝胶内药物的释放和扩散速率，从而常用于药物缓控释制剂的研究[5-6].

凝胶敏感性的研究始于20世纪70年代后期，大量的研究结果表明:环境的某些微小扰动，都可能导致水凝胶体积的显著变化.而pH敏感性凝胶在环境响应性高分子材料中独树一帜，占据着非常重要的地位，因此关于pH敏感性凝胶的研究非常迅速，特别是在药物控释中的应用[7-8].有研究者[9]制备了pH敏感牛血清白蛋白亲水微球，这种微球对于β-普萘洛尔在pH=1.0释放较快，在pH=6.8、1h后释放完；二氟尼柳在pH=1.0时释放量很少,在pH=6.8时释放量增加.另外还有人制备具有不同pH值响应性的P (HEMA-co-AA)和P(HEMA-co-DMAEMA)凝胶.选择非甾体消炎药双氯酚酸钠为模型药物，考察凝胶对模型药物的控释行为.对于P(HEMA-co-AA)凝胶，在模拟胃液中，凝胶收缩，药物释放速度较慢，前3h双氯酚酸钠的累积释放量小于5%.在模拟肠液中，凝胶溶胀，药物释放速度增快，26h后药物的累积释放量达97.5%[10].

pH敏感水凝胶在药物载体材料方面有着许多巨大潜在的应用，因此关于其研究也成为了一个重要的方向.壳聚糖[11-12]无毒，具有很好的生物相容性、生物可降解性，明胶[13-14]作载体材料，无不良反应，无免疫原性，具生物可降解性.本文通过交联剂使壳聚糖和明胶发生交联反应，用以制备壳聚糖/明胶pH响应性水凝胶，并研究了该水凝胶的溶胀性能，为控制缓释载体材料的研究奠定一定的研究基础.

1 材料与方法

1.1 试剂及仪器

试剂：壳聚糖，BR级，国药集团化学试剂有限公司；明胶，BR级，国药集团化学试剂有限公司；25%戊二醛（GA），BR级，国药集团化学试剂有限公司；柠檬酸，江苏强盛化工有限公司；36.5%浓盐酸；柠檬酸；令苯二甲酸氢钾；磷酸氢二钠；磷酸二氢钠；甘氨酸；氢氧化钠.恒温水浴锅(HSG-IB)，上海仪表(集团)供销公司；DF-101S型集热式恒温磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；电子天平（JJ500），常熟双杰测试仪器厂；RC-6智能溶出仪，天津市光学仪器厂；754紫外分光光度计，天津市拓普仪器有限公司；PHS-25pH计，上海虹益仪器仪表有限公司.

1.2 实验方法

1.2.1 不同pH值缓冲液的的制备

配制一系列不同pH值、一定离子强度的缓冲溶液，pH=1.2（盐酸溶液），pH=3.0（邻苯二甲酸氢钾-HCL溶液），pH=5.0（磷酸氢二钠-柠檬色溶液），pH=7.4（磷酸盐溶液），pH=9.0（甘氨酸-氢氧化钠溶液），见表1.室温下，将凝胶置缓冲溶液中溶胀一定时间后取出，测定溶胀度[公式(1)].

SR=Wt-W0/W0(1) SR—溶胀度；W0—凝胶溶胀前质量；Wt—凝胶溶胀后质量；

1.2.2 不同质量比对水凝胶溶胀性能的影响

表1 配制的不同pH值缓冲溶液

分别称取0.5g、1g、1g的明胶和1.5g、1g、2g的壳聚糖按照1:1、1:2、1:3的比例分成三组进行试验.称取的明胶在试验之前应进行溶胀，即在20mL的蒸馏水中让其侵泡3到4小时，再把取得的壳聚糖在研钵中加入配置好的10%柠檬酸溶液50mL，使其充分溶解，再把溶胀后的明胶倒入其中，最后加入30mL的蒸馏水.最后加入一定量戊二醇，在50℃的水浴锅中进行搅拌反应，最后收集产物.然后置于pH值3.0的缓冲液中溶胀，分别记录不同时间明胶溶胀后的质量，研究不同质量比对水凝胶溶胀性能的影响.

1.2.3 不同交联剂用量对水凝胶溶胀性能的影响

固定壳聚糖-明胶混合溶液体积为100mL，按明胶：壳聚糖=l:1（质量比）的比例，按照上述实验步骤将戊二醛用量分别为5.00mL、6.25mL、7.25mL加入胶液中，保持恒温水浴锅温度为50℃制备一系列水凝胶，冷冻干燥，将制备好的一系列水凝胶置于pH值3.0的缓冲溶液中，记录不同时间明胶溶胀后的质量，研究不同交联剂用量对水凝胶溶胀性能的影响.

1.2.4 反应温度对水凝胶溶胀行为的影响

按明胶：壳聚糖=1:l(质量比)的比例，按照上述的实验步骤分别加入戊二醛用量6.25mL，反应温度为40℃、50℃、60℃制备一系列水凝胶，冷冻干燥，然后放入pH值3.0的缓冲溶液中溶胀，记录不同时间明胶溶胀后的质量，研究反应温度对交联凝胶溶胀性能的影响.

1.2.5 水凝胶的pH响应性

固定戊二醇体积为6.25mL，壳聚糖-明胶混合溶液的体积为100mL，明胶：壳聚糖=1:1，反应温度为50℃制备一系列水凝胶，冷冻干燥，然后置于pH值分别为1.2、3.0、5.0、7.4、9.0的缓冲液中，记录不同时间明胶溶胀后质量，观察其在不同pH值的缓冲液中的溶胀行为.

2 结果与讨论

2.1 不同质量比对水凝胶的溶胀性能的影响

明胶-壳聚糖质量比分别为1:1、1:2、1:3，交联剂用量在6.25mL，反应温度为50℃制得的水凝胶在pH值为3的缓冲液中的溶胀行为，由实验测得的数据可得不同质量比对水凝胶溶胀度的影响曲线，如图1所示.

由图1可以看出不同质量比的明胶-壳聚糖水凝胶在pH=3的缓冲液中的溶胀性能的差异显著，随着壳聚糖质量浓度的增加，水凝胶的溶胀行为减小.这是因为壳聚糖的质量浓度高时使凝胶结构变得更加密实，溶胀度因而下降，浓度较低时会导致凝胶内部结构松散，溶度能力大.同时溶胀大约在2～6小时内达到平衡.因此选用明胶和壳聚糖的质量比为1:1来制备水凝胶，其溶胀性能最佳.

图1 不同质量比对明胶溶胀度的影响

2.2 不同交联剂用量对水凝胶溶胀性能的影响

保证壳聚糖-明胶质量比为1:1，反应温度为50℃，交联剂用量为6.25mL，制备的水凝胶在pH值为3的缓冲液中的溶胀行为，由实验测得的数据可得不同交联剂用量对水凝胶溶胀性能的影响.如图2.

图2 不同交联剂用量对水凝胶溶胀性能的影响

由图2所示，交联剂用量为6.25mL凝胶溶胀性能最佳.且在相对增大交联剂用量时，凝胶溶胀性能降低.这是由于交联度较小时，交联内部的交联密度比较低，凝胶内自由空间大，水凝胶的网络结构疏松，另外-COOH和-NH2都具较强的亲水作用，因此水凝胶网络内部可以容纳大量的水.交联剂质量浓度较高时，水凝胶交联密度增大，水凝胶网络结构变得紧密，网格变小，限制了亲水基团与水的相互作用. 2.3反应温度对水凝胶溶胀性能的影响

图3 反应温度对水凝胶溶胀性能的影响

按明胶:壳聚糖=1:l(质量比)的比例，分别加入戊二醛用量6.25mL，反应温度为40℃、50℃、60℃制备一系列水凝胶，冷冻干燥，然后放入pH值3.0的缓冲溶液中溶胀，记录不同时间明胶溶胀后的质量可得表3.

由实验测得数据可得不同反应温度对水凝胶溶胀性能的影响，由图3可知反应温度对溶胀度的影响较小，大约在4小时左右基本达到溶胀平衡.且在反应温度为50℃时凝胶溶胀性能最佳，因此我们选用反应温度为50℃来制备水凝胶.在低温下，水渗透进入凝胶内部，以结合态水形式存在.随着温度的升高，水分子获得能量，凝胶内的亲水基团转变为分子内氢键，这样势必降低凝胶与水分子之间的亲合力，凝胶内部的水分子由结合态转变为自由态，从网络中释放出来.

2.4 水凝胶的pH响应性

固定戊二醇体积为6.25mL，壳聚糖-明胶混合溶液的体积为100mL，明胶：壳聚糖=1:1，反应温度为50℃制备一系列水凝胶，冷冻干燥，然后置于pH值分别为1.2、3.0、5.0、7.4、9.0的缓冲液中，记录不同时间明胶溶胀后质量.由实验数据可得不同pH水凝胶随时间变化的溶胀度，如图4所示.

图4 水凝胶的pH响应性

如图4所示，制备所得凝胶均表现出显著的pH响应性溶胀行为，即凝胶在低pH值有较大的溶胀度，在高pH值有较小的溶胀度.在pH值为1.2-5.0时，随pH值的增大，壳聚糖/明胶凝胶的溶胀度呈现先增加后减小的趋势；在pH值为5.0-9.0时，随pH值的增大，凝胶的溶胀度逐渐减小，但溶胀度的变化已经不很明显.在不同pH值缓冲液中，水凝胶的离子程度不同，所形成基团亲水性也有所不同.在酸性溶液中，壳聚糖-明胶水凝胶分子中的氨基质子化，其网络上产生电荷，会破获网络结构的氢键和静电吸引力，产生电子斥力，分子链充分伸展，致使凝胶溶胀.当体系为中性或碱性环境时，壳聚糖中的氨基质子化趋势减弱，结构收缩，溶胀度减小.

3 结论

利用明胶与壳聚糖为原料交联制备了一种pH响应性水凝胶，通过实验得到如下结论：

3.1 明胶和壳聚糖的最佳质量比

当明胶和壳聚糖的质量比为1:1时，制备的水凝胶呈现果冻状，疏松多孔，含有大量微气泡，水凝胶的溶胀性能最佳.

3.2 最佳质量下的不同交联剂用量对水凝胶溶胀行为的影响

交联剂质量浓度增大，交联凝胶的溶胀速率变慢，溶胀度降低.

3.3 不同反应温度对水凝胶溶胀行为的影响

最佳配比下的水凝胶在反应温度在50℃最佳，且反应温度水凝胶的溶胀性能影响较小.

3.4 最佳质量比下的pH响应性

凝胶对溶胀介质pH值变化具有良好的响应性，其溶胀过程可逆，在酸性环境中的pH敏感性优于碱性环境中的pH敏感性.且在pH值为3.0溶胀性能最佳.

该pH响应型的水凝胶对不同pH具有不同的响应性，具备良好的溶胀性能，由于壳聚糖和明胶的生物相容性及无毒性，这种载体材料将有望应用于药物的缓释载体中，具备良好的应用前景.

〔1〕Koen Raemdonck,Joseph Demeestera,Stefaan De Smedt. Advanced nanogel engineering for drug delivery.Soft Matter,2009,5,707-715.

〔2〕Chao-Hua Hu,Xian-Zheng Zhang,Lei Zhang,et al. Temperature-and pH-sensitive hydrogels to immobilize heparin-modified PEI/DNA complexes for sustained gene delivery.J.Mater.Chem.,2009,19,8982-8989.

〔3〕杨银，邵丽，邓阳全，等.智能水凝胶的制备及其在生物医学中的应用[J].化工新型材料，2010，38(10)：11-63.

〔4〕Xiaoye Gao,Yue Cao,Xiangfu Song,et al.pH-and thermo-responsive poly(N-isopropylacrylam ide-coacrylic acid derivative)copolymers and hydrogels w ith LCST dependent on pH and alkyl side groups.J. Mater.Chem.B,2013,1,5578-5587.

〔5〕金淑萍，柳明珠，陈世兰，等.智能高分子及水凝胶的响应性及其应用[J].物理化学学报，2007，23(3)：438-446.

〔6〕肖君，崔英德，范会强.pH敏感性水凝胶的制备与作用原理[J].河南化工，2003，（08）：05.

〔7〕晁国涛.pH敏感水凝胶的合成及性能研究[D].成都:四川大学，2007.

〔8〕王晓园，杨晓泉.新型pH敏感性壳聚糖/明胶水凝胶的制备及其性能[J].化工进展，2009,28(10):1781.

〔9〕沈奇英.pH敏感高分子材料及其作为水凝胶在药物控释体系的应用简介 [J].杭州师范学院学报，2007，27(5）：330-332.

〔10〕马静.两亲性聚乙二醇大单体改性pH敏感水凝胶及其对难溶性药物的装载与控释[D].广州：华南理工大学，2009.

〔11〕杨黎明.壳聚糖的改性及其智能水凝胶的研究[D].上海：上海大学，2005.

〔12〕张正生，薛绍玲.甲壳素／壳聚糖的应用研究进展[J].科技信息，2007(21):34.

〔13〕缪进康.明胶及其在科技领域中的利用[J].明胶科学与技术，2009，29(1):28-51.

〔14〕谢艳丽,蒋敏,陈鸿雁.复凝聚法制备明胶/阿拉伯胶含油微胶囊工艺过程的研究[J].化学世界,2010(01):33-37.

O648.17

A

1673-260X（2014）04-0125-03

校级科研课题（2012zr002）