温度/pH 双敏型羧甲基壳聚糖/海藻酸钠凝胶微球的制备

王娟，张保华，崔晓翠，孔祥平

(青岛农业大学 化学与药学院，山东青岛 266109)

聚合物微球是被广泛研究和应用的一类药物载体［1］。由于能对外界环境(如温度、pH、电、光、磁场、特定生物分子等)微小的变化或刺激产生显著应答，环境敏感型凝胶微球作为控制释放载体材料受到人们的广泛关注［2-3］。温度和pH 是两个重要的环境因素，具备温度/pH 双敏型凝胶微球控释材料对实现药物的有效控释至关重要。羧甲基壳聚糖同时含有—NH2和—COOH［4］，在溶液中表现出两性聚电解质性质，存在一特定等电点，表现出明显的pH 敏感性，适于用作pH 敏感型控释载体材料。海藻酸钠易与一些2 价阳离子形成凝胶，其温和的溶胶凝胶过程、良好的生物相容性使其适于作为释放或包埋药物、蛋白及细胞的微胶囊［5］。羧甲基壳聚糖/海藻酸钠作为载体的控释剂已有报道［6-7］，但关于羧甲基壳聚糖/海藻酸钠凝胶微球的性能研究较少，限制了其应用。本文以羧甲基壳聚糖和海藻酸钠为原料，氯化钙和戊二醛混合溶液为交联剂，制备温度/pH 双敏型凝胶微球，为其用于药物控释载体提供依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

羧甲基壳聚糖(自制，其取代度为0.99，脱乙酰度为88%［4］;黏均分子量［8］为3.8 ×105);海藻酸钠(黏度1.05 ～1.15 Pa·s)、戊二醛(≥50%)、氯化钙、氢氧化钠、盐酸均为分析纯;标准缓冲溶液(pH =4.00，6.86，9.18)。

98-1 型磁力搅拌器;AR2140 型电子分析天平;FD-1C-55 型真空干燥箱;HH-S 数显恒温水浴锅;Sartorius PB-10 型pH 计;注射器(带7#针头)。

1.2 实验方法

1.2.1 凝胶微球的制备 将羧甲基壳聚糖和海藻酸钠按一定比例混合，配成2%的羧甲基壳聚糖/海藻酸钠混合溶液。分别取一定量的氯化钙和戊二醛，配成5%的氯化钙/戊二醛混合交联剂。在磁力搅拌器不断搅拌下，用10 mL 注射器(7#针头)将羧甲基壳聚糖/海藻酸钠混合溶液逐滴滴加到氯化钙/戊二醛混合交联液中，保鲜膜封口，30 ℃恒温水浴交联1 h(温度影响实验除外)，去除交联液，用去离子水洗涤数次，60 ℃下干燥12 h，得凝胶微球。

采用称量法测定凝胶微球的溶胀度［9］。准确称取50 个干燥凝胶微球的质量，记为m0，将凝胶微球置于去离子水中浸泡至溶胀平衡，取出，用滤纸吸干表面多余水分，称量，记为m，溶胀度SR=(m－ m0)/m0，平行测定3 次，取平均值。

将10 个凝胶微球并成一排，用直尺量出溶胀前后的长度，计算出溶胀前后单个凝胶微球的粒径，平行测定3 次，取平均值。

1.2.2 凝胶微球的pH、温度敏感性 将干燥的凝胶微球分别置于不同pH 溶液中，通过测定微球的溶胀度考察微球的pH 敏感性。采用类似的方法研究凝胶微球的温度敏感性。

2 结果与讨论

2.1 凝胶微球的制备条件优化

2.1.1 氯化钙和戊二醛的配比 固定羧甲基壳聚糖和海藻酸钠的配比为1∶1(质量比，下同)，交联温度30 ℃，氯化钙与戊二醛混合交联液的pH 为6.8，改变氯化钙和戊二醛的配比制备凝胶微球，结果见表1。可以看出，随着氯化钙量的减少，凝胶微球的溶胀度先升高后降低，在氯化钙和戊二醛的配比为1∶1 时，溶胀度最高，此时微球的粒径最小，因此优选氯化钙与戊二醛的配比为1∶1。

表1 氯化钙和戊二醛的配比对制备凝胶微球的影响Table 1 Effect of the ratio of calcium chloride and glutaraldehyde on the preparation of hydrogel microsphere

2.1.2 羧甲基壳聚糖和海藻酸钠的配比 固定氯化钙与戊二醛的配比为1∶1，交联液的pH 为6.8，交联温度30 ℃，改变羧甲基壳聚糖和海藻酸钠的配比制备凝胶微球，结果见表2。可以看出，随着氯化钙量的减少，凝胶微球的粒径基本保持不变，溶胀度先升高后降低，在羧甲基壳聚糖和海藻酸钠的配比为1∶1时达到最大值14.4，优选羧甲基壳聚糖和海藻酸钠的配比为1∶1。

表2 羧甲基壳聚糖和海藻酸钠的配比对制备凝胶微球的影响Table 2 Effect of the ratio of carboxymethyl chitosan and sodium alginate on the preparation of hydrogel microsphere

2.1.3 pH 的影响 固定交联温度30 ℃，调节2∶1配比的氯化钙与戊二醛混合交联液的pH 分别为1.2，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，6.8，7.4，8.0，9.0，10.0，分别将1∶1 配比的羧甲基壳聚糖/海藻酸钠混合液逐滴滴加到上述混合交联液中，考察pH 对制备凝胶微球的影响，结果见表3。当pH 为1.2 时，难以形成微球，原因可能是海藻酸钠经质子催化快速水解所致。由表3 可知，溶胀度开始随pH 的升高而升高，当pH＞6 时，溶胀度基本保持不变。另外，凝胶微球的粒径随pH 的升高而增大，当pH≥8 时，微球粒径较大，综合考虑微球的溶胀度和粒径，优选pH 为6.8 ～7.4。

表3 pH 对制备凝胶微球的影响Table 3 Effect of pH on the preparation of hydrogel microsphere

2.1.4 温度的影响 固定羧甲基壳聚糖和海藻酸钠的配比为1∶1，氯化钙与戊二醛的配比为1∶1，交联液的pH 为5.0，改变恒温水浴交联的温度，考察温度对制备凝胶微球的影响，结果见图1。可以看出，溶胀度开始随温度的升高而升高，在温度为35 ～45 ℃时，溶胀度较高，在温度为40 ℃时，溶胀度最大，达12.9，随后溶胀度随温度的升高而降低。另外，随着温度的升高微球硬度也是先增加后降低，在温度为40 ℃时硬度最好，因此优选温度为40 ℃。

综上，当2%的羧甲基壳聚糖/海藻酸钠混合液和5%的戊二醛/氯化钙混合交联剂的质量配比均为1∶1，交联剂的pH 为6.8 ～7.4，交联温度为40 ℃时，成球性好，凝胶微球硬度高，溶胀度最大。

2.2 凝胶微球的pH、温度敏感性

2.2.1 凝胶微球的pH 敏感性 凝胶微球在不同pH溶液中的溶胀度见图2。

图2 不同pH 溶液对凝胶微球溶胀度的影响Fig.2 Effect of pH on the swelling ratio of hydrogel microsphere

由图2 可知，随着pH 的升高，微球的溶胀度先升高后降低，在pH 为6.8 ～8.0 时溶胀度较大，表现出明显的pH 敏感性。微球在pH 为1.2(胃液环境pH)的酸性环境中溶胀度较小，为7.5，而在pH 为7.4(结肠环境pH)的弱碱性环境中溶胀度最大，达到13.2，表明凝胶微球在胃液环境中具有较好的稳定性，而在结肠位置则具有很好的靶向溶胀选择性，因此有望作为结肠靶向给药的药物载体［10］。

2.2.2 凝胶微球的温度敏感性 凝胶微球在不同恒温水浴温度下的溶胀度见图3。

图3 温度对凝胶微球溶胀度的影响Fig.3 Effect of temperature on the swelling ratio of hydrogel microsphere

由图3 可知，随着温度的升高，微球的溶胀度先升高后降低，在温度为45 ℃时溶胀度最大，达到14.3，表现出明显的温度敏感性。当温度低于45 ℃时，溶胀度随温度的升高而升高，原因可能是随着温度的升高，水凝胶网络水合作用增强(水合作用通常为吸热反应)。当温度高于45 ℃时，网络结构中的疏水基团逐渐占据了主导因素，较高的温度促使分子之间的氢键作用遭到破坏，疏水基团聚集，排出一定量的水分子，使溶胀度下降［11］。另外，当温度在35 ～40 ℃时，微球的溶胀度较高(12.0 ～13.2)，说明凝胶微球适用于作为温度控释药物的载体。

3 结论

(1)羧甲基壳聚糖/海藻酸钠凝胶微球的适宜制备条件:2%的羧甲基壳聚糖/海藻酸钠混合溶液和5%的戊二醛/氯化钙混合交联剂的质量配比均为1∶1，交联剂的pH 为6.8 ～7.4，交联温度为40 ℃。

(2)凝胶微球的溶胀度随pH 和温度的升高均表现出先升高后降低的趋势，具有明显的pH 和温度敏感性，适用于作为药物控释载体材料。

［1］ 赵丽，丁建勋，肖春生，等.聚(L-谷氨酸)微球的制备及其口服药物控释研究［J］.化学学报，2015，73:60-65.

［2］ Rudzinski W E，Dave A M，Vaishnav U H，et al.Hydrogels as controlled release devices in agriculture［J］. Designed Monomers and Polymers，2002，5(1):39-65.

［3］ 赵玉强，张志斌，刘宁，等.智能水凝胶的应用［J］.现代化工，2007，27(3):66-69.

［4］ Kong X P.Simultaneous determination of degree of deacetylation，degree of substitution and distribution fraction of —COONa in carboxymethyl chitosan by potentiometric titration［J］.Carbohydrate Polymers，2012，88(1):336-341.

［5］ 李芝，武伟红，刘敏，等.啶虫脒/羧甲基壳聚糖-海藻酸钠凝胶球的制备与控制释放性能研究［J］. 河北农业大学学报，2010，33(3):107-110.

［6］ Li X Y，Weng Y H，Kong X Y，et al.A covalently crosslinked polysaccharide hydrogel for potential applications in drug delivery and tissue engineering［J］. Journal of Materials Science-Materials in Medicine，2012，23:2857-2865.

［7］ Li X Y，Kong X Y，Zhang Z L，et al.Cytotoxicity and biocompatibility evaluation of N，O-carboxymethyl chitosan/oxidized alginate hydrogel for drug delivery application［J］. International Journal of Biological Macromolecules，2012，50:1299-1305.

［8］ Kong X P，Wang J，Wang C J，et al.Basicity，water solubility and intrinsic viscosity of carboxymethyl chitosan as a biofunctional material［J］.Advanced Materials Research，2012，531:507-510.

［9］ 孙立苹，杜予民，陈凌云，等. 羧甲基壳聚糖水凝胶制备及其在药物控释中的应用［J］. 高分子学报，2004，2:191-195.

［10］张驰宇，贺高红，焉晓明，等.pH 敏感型海藻酸钙多孔凝胶微球的制备及溶胀性能的研究［J］. 功能材料，2010，41(12):2153-2156.

［11］于跃芹，许洋，李延顺.壳聚糖交联温敏性水凝胶的制备与性能［J］. 高分子材料科学与工程，2009，25(7):133-135，139.