磁性pH响应型纤维素水凝胶的制备及载药研究

柳晓艳，周艺峰，聂王焰，陈鹏鹏

（安徽大学 化学化工学院，绿色高分子材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601）

水凝胶是一种通过物理或者化学交联而形成的三维网状高分子材料，在水中只溶胀不溶解［1］，广泛应用于食品、农业、生物材料、水处理、组织工程、隐形眼镜等多个领域［2］.水凝胶分为天然高分子水凝胶和合成高分子水凝胶，天然高分子因其来源广、价格低、良好的生物相容性和生物降解性等优点，逐渐引起人们的关注［3－5］.

纤维素是自然界中来源最广泛的一类多糖高分子物质，可通过化学交联或者物理交联形成水凝胶.肖惠宁［6］等以微晶纤维素为原料制备出纤维素基导电水凝胶；陈莉［7－8］等以羟丙基纤维素为原料成功制得纤维素基水凝胶，并对其药物控释行为进行研究.

刺激响应性水凝胶是指对温度、pH、光、电场、磁场等外界刺激产生体积、折光指数、含水量、软硬度等物理化学性能变化的一类智能水凝胶［9－10］.作者通过羟丙基纤维素（HPC）与丙烯酰氯（AC）的酯化反应制得可聚合的大单体羟丙基纤维素丙烯酸酯（HPCA），借助于沉淀聚合和原位共沉淀法制备磁性pH响应型四氧化三铁负载的聚（羟丙基纤维素丙烯酸酯－co－丙烯酸）（P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4）水凝胶，并进一步研究水凝胶在不同pH条件下对药物的可控释放行为.

1 实验部分

1.1 实验原料

羟丙基纤维素（HPC），Mw＝100 000，分析纯，阿法埃莎化学有限公司；丙烯酰氯（AC），96%，阿拉丁试剂有限公司；4－甲氧基酚，化学纯，国药集团化学试剂有限公司；二氯甲烷（CH2Cl2），分析纯，国药集团化学试剂有限公司；三乙胺（TEA），分析纯，国药集团化学试剂有限公司；丙烯酸（AA），化学纯，国药集团化学试剂有限公司；过硫酸钾（KPS），分析纯，国药集团化学试剂有限公司；四甲基乙二胺（TEMED），生化纯，国药集团化学试剂有限公司；六水合三氯化铁（FeCl3·6H2O），分析纯，国药集团化学试剂有限公司；四水合二氯化铁（FeCl2·4H2O），分析纯，国药集团化学试剂有限公司；氨水（NH3·H2O），分析纯，国药集团化学试剂有限公司；水杨酸钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；透析袋，Biosharp，截留分子量：14 000.

1.2 实验过程

1.2.1 HPCA的制备

通过HPC与AC的酯化反应制得HPCA，实验配方如表1所示.0.2g HPC加入20mL H2Cl2中，搅拌使其溶解，溶解完全后加入42mg对羟基苯甲醚和212μL TEA，反应烧瓶置于冰水浴中，向反应瓶中逐滴滴加10mL含有丙烯酰氯的CH2Cl2溶液，待其滴加完毕后继续冰水浴搅拌1h，随后逐渐升温至25℃反应24h.反应结束后，反应液倒入装有300mL乙醚的烧杯中，剧烈搅拌，有白色黏稠物不断析出，抽滤得到固体产物，真空干燥除去残留的溶剂和乙醚.产物溶解在水中并透析纯化48h，真空干燥得到纯化产物.

表1 制备HPCA的配方表Tab.1 The recipe for the preparation of HPCA

1.2.2 P（HPCA－co－AA）水凝胶的制备

采用沉淀聚合制备水凝胶.0.24g HPCA溶于50mL水中，搅拌使其完全溶解，水浴升温至50℃，通入氮气20min，分别加入157μL AA、20mg KPS和20μL TEMED，持续搅拌反应24h，反应结束后冷至室温，12 000r·min－1离心产物，弃去上清液，下层固体产物用水反复洗涤几次，真空干燥得到水凝胶固体.

1.2.3 P（HPCA－co－AA）＠ Fe3O4的制备

采用原位共沉淀法制备Fe3O4.将0.3g P（HPCA－co－AA）在搅拌下分散在40mL 水中，0.15g FeCl3·6H2O和0.14g FeCl2·4H2O加入5mL水中并超声5min，FeCl3·6H2O和FeCl2·4H2O混合液加入水凝胶分散液中，持续搅拌8h后，通入氮气并将5mL NH3·H2O逐滴滴加到反应瓶中反应2h.反应结束后，离心并弃去上层液，下层固体产物用0.3mol·L－1的NH3·H2O溶液离心洗涤3次后置于真空干燥箱烘干.

1.2.4 P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4对水杨酸钠载药及pH响应性释放行为的研究

P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4分散在5mol·L－1的水杨酸钠水溶液中，25℃ 搅拌24h后将产物离心出来，并用水离心洗涤3次，真空干燥.

分别取10mg的载药产品分散在20mL的pH＝1.2的人工胃液和pH＝7.4的人工肠液中，37℃下搅拌，每隔一定时间分别取出0.5mL上层液，并补充进去0.5mL对应的人工胃液和人工肠液，上层液经12 000r·min－1离心弃去沉淀，用紫外－可见分光光度计测其在295nm处的吸光度.

1.3 产物表征

1.3.1 傅里叶红外光谱（FT－IR）表征

布鲁克VERTEX80＋HYPER10N2000型傅里叶红外光谱仪测定红外谱图，HPC和HPCA分别溶于二氯甲烷中，样品溶液滴涂在空白的KBr片上，待二氯甲烷挥发完，进行测试；P（HPCA－co－AA）、Fe3O4和P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4样品直接与KBr混合研磨，待研磨均匀后进行压片，样品片烘干后进行测试.

1.3.2 核磁共振氢谱（1H－NMR）表征

布鲁克AV 400型全数字化核磁共振谱仪测定样品的核磁共振氢谱，样品溶解在氘代氯仿（CDCl3）中进行测试.

2 结果与讨论

2.1 HPC的羟基（—OH）与AC摩尔比的影响

图1～2分别为HPC及不同—OH与AC摩尔比制备的HPCA的红外光谱图和核磁共振氢谱图.

图1中谱线1为HPC的红外光谱，3 424cm－1处的特征峰为HPC结构单元中—OH的伸缩振动吸收峰，2 965、2 924、2 876cm－1为C—H键伸缩振动吸收峰，1 460cm－1处为C—H的不对称变形振动吸收峰，1 375cm－1处为—CH3的对称变形振动.此外，1 080、1 120、1 275cm－1处为C—O—C的振动吸收峰.图1中的谱线2～5分别为不同的—OH与AC的摩尔比（2∶1、1∶1.2、1∶1.5和1∶2）所制得的HPCA红外谱线，除了具有谱线1的特征吸收峰外，在1 720cm－1处产生1个明显的COOR特征吸收峰，说明HPC与AC成功通过酯化反应制得HPCA.

图2中的曲线1为 HPC的1H－NMR谱，a（δ＝1.1和1.2）为—CH3的化学位移，b、c（δ＝3.1～4.4）为—CH2和—CH的化学位移.图2中的曲线2～5分别为不同的—OH与AC的摩尔比（2∶1、1∶1.2、1∶1.5和2∶1）所制得的 HPCA 的1H－NMR谱，除了具有曲线1的特征化学位移，a’（δ＝1.4）为HPCA中与酯基C—O键连在同一C上的—CH3的化学位移，d（δ＝6.1）处为CH2＝CH（1H）的化学位移，e（δ＝5.8，6.4）处为CH2＝CH（2H）的化学位移，a’、d和e处的化学位移表明羰基及双键成功引入HPCA中.

AC对HPC的修饰度可通过公式（1）计算

其中：f为AC对 HPC的修饰度，Id、Ib，c、Ia和Ia’分别为在δ＝6.1，δ＝3.1～4.4，δ＝1.1和1.2，δ＝1.4处化学位移的积分面积.Ib，c对应于葡萄糖单元（5—CH＋1—CH2）和羟丙基取代物（1—CH＋1—CH2）所有的—CH和—CH2，由于每个羟丙基取代物由一个—CH，一个—CH2和一个—CH3组成，—CH3的化学位移在δ＝1.1，1.2，1.4，因此，Ib，c－（Ia＋Ia’）对应葡萄糖单元（5—CH＋1—CH2）的7个质子［11］.

由公式（1）计算所得：f2＝9%，f3＝19%，f4＝23%，f5＝25%.由此可知，随着 HPC的—OH 与AC摩尔比的减小，f不断增大；当两者的摩尔比小于1∶1.2时，f趋于稳定.这是由于随着AC含量的增加，溶液中的反应物增多，提高了反应转化率；当AC的量增加到一定值时，反应达到平衡，从而导致f趋于稳定［12］.

2.2 反应时间的影响

图3分别为HPC及不同反应时间的HPCA的核磁共振氢谱图.

图3中的曲线1为HPC的1H－NMR谱，曲线2～4分别为反应24h、36h和48h（—OH与AC的摩尔比均为1∶1.2）的HPCA的1H－NMR谱图.HPCA的1H－NMR谱，除了具有曲线1的特征吸收峰外，在a’、d和e处的化学位移说明成功制得理想产物.由公式（1）可知：f2＝19.4%，f3＝30%，f4＝33%.由此可知，随着反应时间的增加，f逐渐增大，当反应时间大于36h后，反应趋于平衡.这是由于反应过程中，有三乙胺盐酸盐生成，延长反应时间会提高原料的转化率，当达到一定反应时间，反应趋于平衡，f趋于稳定［13］.

2.3 P（HPCA－co－AA）＠ Fe3O4 水凝胶的表征分析

图4为P（HPCA－co－AA）、Fe3O4及P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4的红外谱图.

图4中谱线1为Fe3O4的红外光谱，在580cm－1处为Fe—O的伸缩振动吸收峰.谱线2为P（HPCA－co－AA）的红外光谱，3 424cm－1处的特征峰为—OH 的伸缩振动吸收峰，2 965、2 924、2 876 cm－1为C—H键伸缩振动吸收峰，1 730cm－1为—C＝O的特征吸收峰，1 460cm－1处为C—H的不对称变形振动吸收峰，1 375cm－1处为—CH3的对称变形振动吸收峰，由此可见该样品是P（HPCA－co－AA）.谱线3为P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4的红外光谱，谱线1和2的特征吸收峰均出现在谱线3的谱图中，说明Fe3O4成功负载在P（HPCA－co－AA）水凝胶上.

图5为P（HPCA－co－AA）和P（HPCA－co－AA）＠ Fe3O4的TEM 照片.

由图5可知，P（HPCA－co－AA）水凝胶（a）呈不规则状；P（HPCA－co－AA）＠ Fe3O4（b）中Fe3O4粒子均匀负载在水凝胶表面，为P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4水凝胶良好的磁靶向性提供了保障.

图6为P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4分散液和在外加磁场下的分离照片.

由图6可知，P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4稳定分散在水中（图6a），当有外界磁场存在时，磁性水凝胶被吸附在靠近磁铁的瓶壁上（图6b），这说明P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4具有良好的磁靶向性.

2.4 P（HPCA－co－AA）＠ Fe3O4 对水杨酸钠的pH响应性释放

图7为不同pH下水凝胶对水杨酸钠的累积释放图.

由图7可知，P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4水凝胶对水杨酸钠的释放具有pH依赖性，药物在人工胃液的释放量比在人工肠液的释放量小.这是由于pH＝1.2时，水凝胶中的羧基被质子化，水凝胶疏水收缩；当pH＝7.4时，水凝胶中以阴离子存在的羧基增多，静电斥力作用使得水凝胶溶胀，所以水凝胶在pH＝1.2时的释药量比在pH＝7.4时小［14］.

3 结束语

作者通过酯化反应制得可聚合的大单体HPCA，通过沉淀聚合和原位共沉淀法制得磁性pH响应型P（HPCA－co－AA）＠Fe3O4水凝胶.以水杨酸钠为模型药物，分别测定了载药水凝胶在pH＝1.2的人工胃液和pH＝7.4的人工肠液的药物释放量.实验数据表明载药水凝胶在人工胃液的释药量明显比在人工肠液中少.因此，该磁性pH响应型水凝胶在智能载药材料方面存在潜在应用价值.

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