超多孔水凝胶体系的溶胀和溶蚀动力学研究

马妍妮， 王 虹， 刘艳华，3，4， 隋 宏，3，4， 王文苹，3，4*

(1. 宁夏医科大学总医院，宁夏 银川750004;2. 宁夏医科大学药学院，宁夏 银川750004;3. 宁夏回药现代化工程技术研究中心，宁夏 银川750004;4. 回医药现代化省部共建教育部重点实验室，宁夏 银川750004)

1999 年，Chen 等利用聚丙烯酰胺制备了超多孔水凝胶(Superporous Hydrogels，SPH)，用作超级吸水材料［1］。超多孔水凝胶本身不溶于水，但由于内部具有大量相互连通的孔隙(孔径＞100 μm)，能通过毛细管效应迅速吸收自身重量数十倍甚至百倍的水分而体积急剧膨胀，并在数秒至几分钟内达到溶胀平衡。此后为了改善第一代超多孔水凝胶的机械强度，又逐渐发展了超多孔水凝胶复合物(superporous hydrogel composites，SPHC)和互穿网络(interpenetrating network)或杂合体(hybrid)超多孔水凝胶体系［2-3］。超多孔水凝胶不仅可以作为多孔骨支架用于组织工程领域［4］，更多研究者还将超多孔水凝胶作为新型药物递释材料用于多种新型给药系统，如胃滞留制剂、口服蛋白多肽类药物的肠部递药等［5］。

但在实际应用过程中，体系的吸水程度和速度及其吸水后的机械强度和降解行为是表征超多孔水凝胶性能的重要指标，直接影响着体内递药效果和用药的安全性。因此，本研究采用泡沫聚合法分别制备了超多孔水凝胶和含魔芋葡甘聚糖(Konjac glucomannan，KGM)的超多孔水凝胶复合物(KGM-SPHC)，着重考察了不同因素 (pH、酶、盐、糖等)对二者溶胀和溶蚀性能的影响，为超多孔水凝胶相关研究和实际应用提供参考。

1 材料

WFO-700W 送风定温干燥箱(上海爱郎仪器有限公司);AL104A 电子天平(上海精密科学仪器有限公司);WH-861 漩涡混合器(太仓市科教器材厂);RC2-8A 智能药物溶出仪(天津市鑫州科技有限公司)。

魔芋精粉 (宁夏宏潘生物技术有限公司);95%乙醇(天津市盛奥化学试剂有限公司);丙烯酰胺 (Acrylamide，AM);丙烯酸 (Acrylic acid，AA)、过硫酸胺 (Ammonium Persulfate，APS)、N，N＇-亚甲基双丙烯酰胺 (N，N＇-methylene-bisacrylamide，Bis)、N，N，N，N，-四甲基乙二胺(N，N，N＇N＇-tetramethylene diamine，TEMED)均来自美国Amresco 公司;PluronicF127 (PF127，上海昌为医药辅料技术有限公司);碳酸氢钠(NaHCO3，成都市科龙化工试剂厂);透析袋(截留分子量为8 000 Da，北京索莱宝生物科技有限公司);其余试剂为分析纯，胃蛋白酶(美国Amresco 公司，0490C074);胰蛋白酶(美国Amresco 公司，STBB3616);β-葡萄糖苷酶 (美国Sigma 公司，0510C023);盐酸(北京化工厂，2070620);磷酸二氢钾(天津大茂化学试剂厂，20110613);磷酸二氢钠(天津大茂化学试剂厂，20110419);磷酸氢二钠(天津大茂化学试剂厂，20110416)，水为蒸馏水。

2 方法与结果

2.2 介质的配制 0.1 mol/L HCl (含酶):取稀盐酸16.4 mL，加水约80 mL 与胃蛋白酶10 g(1 ∶3 000，即3 000 U/g)，摇匀后，加水稀释至100 mL，即得。

pH 6.8 PBS (含胰酶):取磷酸二氢钾6.8 g，加水500 mL 使之溶解，用0.1 mol/L 氢氧化钠溶液调节pH 值至6.8，取胰酶10 g (1 ∶300)，加水少量溶解，将两液混合后，加水稀释至1 000 mL即得。

pH 7.8 PBS (含酶):取磷酸氢二钠635.9 g，加水溶解并稀释至500 mL 得A 液;取磷酸二氢钠2.76 g，加水溶解并稀释至100 mL 得B 液;取上述A 液91.5 mL 与B 液8.5 mL 混合，加入β-葡萄糖苷酶1 g 溶解，摇匀即得。

无酶介质不加酶，配制方法同上。其他NaCl、葡萄糖等溶液称取适量试剂加入蒸馏水配制成所需浓度即得。

2.3 材料溶胀与溶蚀行为的考察 溶胀比的测定［9］:将质量为m0的干凝胶样品置于盛有200 mL指定介质的烧杯中，室温下浸泡，在预定时间点取出凝胶，用滤纸轻轻吸去表面带出的溶液，称定质量mt。

溶蚀率的测定［10］:采用体外释放度测定方法中的桨法，将已知质量m0的样品，浸泡于介质中，37 ℃条件下持续搅拌(100 r/min)，在预定时间点t 时利用滤网勺取出残余凝胶块，干燥至恒定质量后称定质量mt。

按下式分别计算溶胀比(swelling ratio，SR)或溶蚀率(erosion ratio):

SRt或ERt=∣mt-m0∣/m0

装备有NSK第二代电控机械方向机的大众车系，在车辆发生前部碰撞或者车轮碰撞等交通事故后，组合仪表上的转向系统警告灯点亮，转向沉重；连接诊断仪，进入诊断地址“44 动力转向”中存储有故障码“P160900- 碰撞切断已触发”，且该故障码无法清除。

以时间t 为横坐标，各时间点的溶胀比SRt(或溶蚀率ERt)为纵坐标，绘制溶胀比(或溶蚀率)-时间曲线。

分别考察介质pH、酶的加入、NaCl 和葡萄糖浓度等因素对材料溶胀和溶蚀行为的影响。

2.3.1 介质pH 值的影响 图1 (a)结果显示魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物在置入介质中3 min 时即达到溶胀平衡，在0.1 mol/L HCl、pH 6.8 PBS 和pH 7.8 PBS 中的溶胀比分别为25.5、59.3 和51.3;而超多孔水凝胶达到溶胀平衡较慢，3 min 时在介质中的溶胀比分别为14.3、42.4 和26.3。超多孔水凝胶和魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物在介质中的溶胀比从大到小依次为:pH 6.8 PBS ＞pH 7.8 PBS ＞0.1 mol/L HCl。

图1 (b)结果显示魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物在置入0.1 mol/L HCl 和pH 7.8 PBS 中搅拌12 h 时基本达到溶蚀平衡，溶蚀率分别达到22.0%和7.1%，在pH 6.8 PBS 中则需约24 h、溶蚀率为25.3%。超多孔水凝胶在各介质中的溶蚀平衡时间则显著延长，24 h 时在0.1 mol/L HCl、pH 6.8 PBS 和pH 7.8 PBS 中的溶蚀率依次为24.0%、33.6%、11.8%。超多孔水凝胶和魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物在介质中的溶蚀率从大到小依次为:pH 6.8 PBS ＞0.1 mol/L HCl ＞pH 7.8 PBS。

由图1 可知，与超多孔水凝胶相比，魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物在不同pH 介质中的溶胀比较高、而溶蚀率则较低，且魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物溶胀或溶蚀平衡所需的时间均低于超多孔水凝胶。表明加入魔芋葡甘聚糖的加入不仅改善了超多孔水凝胶体系的机械强度，同时仍保有优良的吸水溶胀性能。

2.3.2 酶的影响 图2 (a)结果显示魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物在置入介质中3 min 时即达到溶胀平衡，在含酶的0.1 mol/L HCl、pH 6.8 PBS 和pH 7.8 PBS 中的溶胀比分别为94.0、67.4和49.8。与不含酶的介质相比，魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物在含酶的0.1 mol/L HCl 中溶胀比显著升高，而在含酶的pH 6.8 PBS 和pH 7.8 PBS 中溶胀比略有降低、但变化极小。

图1 魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物和超多孔水凝胶在不同pH 介质中的体外溶胀(a)和溶蚀(b)动力学Fig.1 In vitro swelling (a)and erosion (b)kinetics of Konjac glucomannan-superporous hydrogel composite and superporous hydrogel in dissolution media with different pH values

图2 (b)结果显示，魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物在置入介质中搅拌24 h 后，在含酶的0.1 mol/L HCl、pH6.8 PBS 和pH7.8 PBS 中的溶蚀率依次为21.2%、31.2%、10.9%;搅拌48 h后的溶蚀率依次为29.6%、43.9%、12.7%，与相应的不含酶介质中溶蚀率数据(24.9%、26.3%、8.2%)相比均有不同程度的升高。

由图2 可知，酶的存在影响魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物体系的溶胀和溶蚀行为，且影响程度因酶的类别而异。

2.3.3 盐和糖的影响 图3 结果显示，魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物在蒸馏水中溶胀和溶蚀均最快，3 min 溶胀比为161.3，48 h 溶蚀率为85.6%;魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物在含NaCl 或葡萄糖介质中溶胀和溶蚀减弱，在0.9%葡萄糖、0.5% 葡萄糖、0.9% NaCl、5% NaCl 中3min 溶胀比分别降至153.3、134.5、61.3、48.9，48 h 溶蚀率分别减至 60.6%、71.6%、22.9%、19.5%。

图2 魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物在含酶介质中的体外溶胀(a)和溶蚀(b)动力学Fig.2 In vitro swelling (a)and erosion (b)kinetics of Konjac glucomannan-superporous hydrogel composite in media containing enzyme

结果表明，介质中NaCl 或葡萄糖的存在不仅阻滞了体系溶胀过程，随着盐或糖浓度的增加、溶胀比急剧降低;同时也降低了溶蚀率，并且NaCl的影响显著高于葡萄糖。

3 讨论

影响魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物的溶胀动力学的因素主要包括［11］:①聚合物链段的弹性收缩效应，②聚合物中的链段和溶剂分子混合后而产生的自由能，③聚合物网络中荷电基团的渗透压效应，④体系孔隙率、魔芋葡甘聚糖与孔隙相互作用等。介质pH 值变化对超多孔水凝胶体系溶胀行为影响较大［12］。低pH 介质中，水凝胶体系中所及的解离度低、亲水性较弱，处于收缩状态;随着pH 值升高，凝胶内部羧基离子化、自由离子渗透压增加、固定电荷之间的静电斥力也增加，溶胀比增大，本研究所得结果也证实体系在酸性介质中的溶胀比显著优于中性介质。随着介质离子强度增加，水凝胶体系内外自由离子产生的渗透压差降低、静电排斥作用减弱，溶胀比降低，因此5%NaCl 溶液显著抑制了体系的溶胀。含酶介质对水凝胶体系溶胀行为的影响，可部分归因于介质的离子和pH 效应，而酶本身的影响(尤其是胃蛋白酶能够大幅提高体系在酸性介质中的溶胀比)机制还有待进一步研究。魔芋葡甘聚糖加入后，超多孔水凝胶体系溶胀比得到提高，其原因一方面是由于含魔芋葡甘聚糖超多孔水凝胶复合物体系显著的毛细管作用［13］，另一方面可能是魔芋葡甘聚糖自身具有较高的吸水率［14］(105.4 g/g)，而多孔结构的形成显著缩短了溶胀平衡时间。

图3 魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物在NaCl 或葡萄糖溶液中的体外溶胀(a)和溶蚀(b)动力学Fig.3 In vitro swelling (a)and erosion (b)kinetics of Konjac glucomannan-superporous hydrogel composite in NaCl or glucose solutions

超多孔水凝胶体系的的溶蚀行为受到自身机械强度、溶胀程度等多种因素的影响。一般而言，体系溶蚀率随着机械强度提高而减小;当体系高度溶胀时、含水量较高、结构疏松，溶蚀则较易。本研究结果也证实了上述推测。体系中魔芋葡甘聚糖的存在使得整个水凝胶网络的机械强度得到显著改善，溶蚀率相应减小。

4 结论

本研究表明超多孔水凝胶体系的溶胀和溶蚀动力学受到介质pH 值、酶、盐离子、糖等多种因素的影响，魔芋葡甘聚糖-超多孔水凝胶复合物体系的溶胀快速显著、溶蚀则较超多孔水凝胶减缓、机械强度增加。提示我们在利用超多孔水凝胶作为胃肠道滞留给药载体时，应充分考虑人体生理环境对水凝胶体系性能的影响，以确保给药系统的可靠性和安全性。

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