壳聚糖基水凝胶的制备及溶胀性能研究

曾 敬, 贝翠翠, 梁 爽, 董 卓, 代 鑫, 娄 阳, 王 彤, 辛 兴

(沈阳师范大学 化学化工学院, 沈阳 110034)



材料科学

壳聚糖基水凝胶的制备及溶胀性能研究

曾 敬, 贝翠翠, 梁 爽, 董 卓, 代 鑫, 娄 阳, 王 彤, 辛 兴

(沈阳师范大学 化学化工学院, 沈阳 110034)

壳聚糖(CS)具有良好的生物相容性,易生物降解,无毒,是一种很有发展前景的医药材料。壳聚糖基水凝胶作为一种新型的可注射给药载体,药物的控制释放具有易控性、靶向性。以壳聚糖(CS)为基材,聚乙烯醇为第2组分,戊二醛为交联剂,制备了一系列壳聚糖基水凝胶,研究该水凝胶在水中的溶胀行为、溶胀动力学以及相关影响因素。结果表明,所制备的一系列壳聚糖基水凝胶的溶胀度均随着溶胀时间的增加而增大,至溶胀4.5 h时,凝胶的溶胀度基本达到最大。溶胀动力学为一级动力学。随着CS/PVA凝胶质量百分比的增加,该类水凝胶溶胀速率和饱和溶胀度呈现出3个性质明显不同的区域。

壳聚糖; 水凝胶; 溶胀行为; 溶胀动力学

水凝胶(hydrogel)是一种能保持一定的形状,质地柔软,在水中能吸收大量的水而不溶解的具有三维网状结构的高分子聚合物。可由亲水性的高分子化合物通过离子键、共价键、氢键等交联而成,具有良好的成膜性、吸水性、粘结性等特性。研究发现,水凝胶的许多特性与生物基体都十分相似,目前已经成为药物控制释放领域研究的热点之一。

壳聚糖(CS)是甲壳素脱乙酰后的产物,是自然界存在的天然多糖,来源广泛,价格低廉,且这种天然高分子的生物官能性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注,在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域的应用研究取得了重大进展。壳聚糖分子中含有大量的氨基,通过化学交联法或物理交联法,可以制备多种壳聚糖基水凝胶[1-5]。以壳聚糖为基材,通过戊二醛交联获得的网状结构,如图1所示。壳聚糖基水凝胶具有pH离子敏感性,在药物释放、酶的固载、膜分离等方面都很有应用前景。

图1 戊二醛交联壳聚糖基水凝胶的分子结构式示意图Fig.1 The structure of chitosan-based hydrogels crosslinked by glutaraldehyde

尽管壳聚糖具有上述诸多优点,但由于壳聚糖自身的分子具有较大的刚性,单独的壳聚糖水凝胶材料溶胀性较差,力学性能欠佳[6]。聚乙烯醇(PVA)是一种线性的具有较好柔性的链状聚合物,是少数具有良好生物相容性的水溶性高分子之一,具有低毒性、易成膜等特点。将PVA作为壳聚糖基水凝胶的第2组分,恰恰可以弥补壳聚糖机械性能差的缺陷[7-9],增强水凝胶的柔性。水凝胶具有pH离子敏感性,在药物释放、酶的固载、膜分离等方面的应用性主要集中体现在其自身在水中的溶胀性能上。本论文以壳聚糖为基材, PVA为第2组分,制备了一系列壳聚糖基二元水凝胶,研究了相关水凝胶的溶胀动力学特性及其影响因素,获得了一些有趣的结果。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

壳聚糖(脱乙酰度为 91.7% ,成都文科达化学试剂有限公司);聚乙烯醇(分子量约1.8×104,广州光华化学试剂有限公司);戊二醛(25%,分析纯 ,国药集团化学试剂有限公司) ; 其余试剂均为分析纯; 用水为蒸馏水。

电热恒温干燥箱(WGD4010,上海阳光实验仪器有限公司);电动搅拌器(DW-3-60W,巩义市予华仪器有限责任公司)。

1.2 壳聚糖基水凝胶的制备

准确称取0.5 g壳聚糖粉末,加入到浓度为1%的50 mL乙酸(HAc)溶液中,在600 r/min机械搅拌2 h后得到聚合物的澄清溶液。加入0.5 g聚乙烯醇,搅拌均匀后,再加入0.2 mL 浓度为5%的戊二醛溶液并继续搅拌均匀。将混合溶液置于电热套中加热下进行交联反应。反应物冷却后,得到CS/PVA为5∶5的透明胶状水凝胶。以上述方法按照不同的CS/PVA的质量比制备并合成了11种壳聚糖基水凝胶,其反应物配比列于表1中。

1.3 壳聚糖基水凝胶溶胀度的测定

取上述制备的凝胶0.2 g左右,放入去离子水中浸泡,每隔1.5 h,取出用滤纸吸干其表面水分,称重。并用下列公式计算样品饱和溶胀度[10]。

式中:SR为壳聚糖基水凝胶的溶胀度(%);ws为壳聚糖基水凝胶在去离子中充分溶胀后的质量(g);wd为壳聚糖基水凝胶未浸泡、干燥时的质量(g)。

表1 CS/PVA水凝胶各组分配比Tab.1 The component ratio of CS/PVA hydrogels

2 实验结果与讨论

2.1 水凝胶的表面形貌

按上述方法制备了一系列壳聚糖基水凝胶,在水中溶胀后,观察其表面形貌,如图2所示。 获得的水凝胶呈无色透明的胶状物体,具有一定的弹性。其中CS/PVA为1∶9的水凝胶弹性最大(图a),而随着PVA含量的减少,水凝胶的弹性也逐渐变小。当PVA含量减少至30%时,所制备的壳聚糖基水凝胶弹性很小,已表现出较明显的脆性(如图2d所示)。

CS/PVA质量比为(a)—1∶9; (b)—3∶7; (c)—5∶5; (d)—7∶3图2 CS/PVA水凝胶照片Fig.2 The photograph of CS/PVA hydrogels

这表明,壳聚糖基水凝胶的溶胀性以及表面物理性能很大程度地依赖于第2组分聚乙烯醇的加入量,这也是本研究所关注的重点。

2.2 含PVA百分比不同的壳聚糖基水凝胶的溶胀度及其动力学[11]

以获得的1～5、8～11号样品为实验对象,进行24 h的溶胀性实验,每隔30 min测定一次溶胀度,研究不同PVA含量的水凝胶的溶胀性。初始7.5 h的溶胀度随时间的变化曲线如图3所示。

图3 含PVA百分比不同的壳聚糖基水凝胶的溶胀率Fig.3 The swelling ratio of chitosan-based hydrogelswith different PVA percentage

由图3可知,随着浸泡时间增加,水凝胶的溶胀度逐渐增加,到4.5 h时溶胀度趋于稳定,达到最大。壳聚糖基水凝胶的溶胀度随着CS/PVA质量比的增大而减小,当CS/PVA质量比为1∶9时壳聚糖基水凝胶的溶胀度最大。

为了更好地了解本研究中所制备的壳聚糖基水凝胶的溶胀动力学,对图3中的各曲线进行了非线性拟合,发现不同比例的CS/PVA壳聚糖基水凝胶的溶胀过程都符合指数关联函数,其表观一级反应数方程为

式中:SR为壳聚糖基水凝胶的溶胀度(%);k为壳聚糖基水凝胶的溶胀的表观一级速率常数;t为溶胀时间;A为饱和溶胀度。拟合结果列于表2。

由表2可知,表观一级速率常数k随着CS所占比率变化有很大的波动,将表观一级速率常数k随着CS所占比率作图,如图4所示。

表2 壳聚糖基水凝胶的溶胀动力学参数Tab.2 The swelling kinetic parameters of chitosan-based hydrogels

图4 各壳聚糖基水凝胶的表观一级速率常数Fig.4 The apparent first-order rate constantsof chitosan-based hydrogels

由图4可知,随着CS/PVA水凝胶中CS成分比例的增加,CS/PVA水凝胶的溶胀动力学表现出3段上升的曲线。溶胀速率是水分子扩散进入凝胶内的速率,它与凝胶是否有足够的通道,允许水分子进入;水分子在凝胶内是否容易深度扩散,以及凝胶内的分子结构是否有利于水分子的稳定有关。当CS在CS/PVA水凝胶中的比例在10%～20%时,溶胀速率随着CS比率的增加而增大。这是由于此时凝胶中聚乙烯醇占有较大比例,形成了有较大柔性的富聚乙烯醇的水凝胶,柔性的聚乙烯醇不能提供足够的通道,不利于水分子的向凝胶内部扩散,因此随着CS含量增加,通道增加,溶胀速率增大。当CS在CS/PVA水凝胶中的比率在30%～60%时,形成了二者比率相当的水凝胶。这种水凝胶表面上有足够的通道,允许水分子扩散进入。但是内部柔性的聚乙烯醇分子不利于水分子在内部的深度扩散导致速率下降。随着CS比例的增加,CS分子间链接增加,水凝胶的刚性增加,形成较大的空隙,有利于水分子向内部的扩散,速率逐渐增加。当CS在CS/PVA水凝胶中的比例在70%～90%时,形成刚性较大的以CS为主的水溶胶,且随着聚乙烯醇的减少,空隙率增加,水分子向内部扩散速率增加,溶胀速率再次随着CS比例的增加而增大。

2.3 PVA含量对壳聚糖基水凝胶的溶胀度的影响

将表2中的饱和溶胀度A对CS比率作图,如图5a所示,是一条整体上下降的曲线,说明随着CS比率的增加饱和溶胀度逐渐下降,表明水凝胶中聚乙烯醇的柔性对溶胀度方面起到主导作用,柔性越强,凝胶膨胀的体积越大,容纳水的量也越大。

对图5a曲线进行微分获得一条微分曲线如图5b。随着CS比率的增加,饱和溶胀度的变化率表现为3个明显的变化区域,与溶胀速率常数的曲线相似(图4)。在第1阶段,水凝胶中CS占比很少,与戊二醛的交联点也少,交联网络非常疏松,水凝胶的柔性最好,容纳和吸收水分子量最多,达到溶胀平衡的溶胀度也最大。随着CS比率增加,交联度增加,柔性迅速减小,溶胀度下降的速度最大。在第2阶段,CS在CS/PVA水凝胶中的比例在30%～60%时,CS与PVA的成分比例适当,交联密度适中,这样既利于水分子向水凝胶中扩散,也利于大分子链的松弛,溶胀度变化的速率适中,下降相对缓慢。在第3阶段,即CS在CS/PVA水凝胶中的比例在70%～90%时,水凝胶中CS占比很多,与戊二醛的交联点也显著增多,交联网络变得非常致密,形成了类似于壳聚糖单一相水溶胶体系。此时少量的聚乙烯醇分子占据部分孔洞,影响了水分子进入凝胶内部,所以随聚乙烯醇含量减少下降速度增加。此外,CS占比越多,与水的水化作用越大,溶胀速率就会越大。

图5 含PVA百分比不同的壳聚糖基水凝胶的饱和溶胀度(a)及其微分图(b)

3 结 论

本文以壳聚糖(CS)为基材,聚乙烯醇为第2组分,戊二醛为交联剂,制备了一系列壳聚糖基水凝胶,并对水凝胶的溶胀动力学及溶胀性的影响因素进行了分析。实验结果表明,所制备的一系列壳聚糖基水凝胶的溶胀度均随着溶胀时间的增加而增大,至溶胀4.5 h时,水凝胶的溶胀度基本达到最大。当CS/PVA质量比不同时,其饱和溶胀度也不同,随着CS/PVA质量比的增加,水凝胶的饱和溶胀度逐渐减小;当CS/PVA的质量比为1∶9时,水凝胶的饱和溶胀度最大。不同质量比的CS/PVA水凝胶的溶胀行为都符合一级动力学。随着CS/PVA凝胶质量百分比的增加,该类水凝胶溶胀速率和饱和溶胀度呈现出3个性质明显不同的区域,说明水凝胶的溶胀速率既受水的扩散作用影响,也与CS与水的水化作用有关。

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Preparation and swelling performance of chitosan-based hydrogels

ZENG Jing, BEI Cuicui, LIANG Shuang, DONG Zhuo, DAI Xin, LOU Yang, WANG Tong, XIN Xing

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

Chitosan (CS) is a prospect biomedical material owing to its many good characteristics, such as non-toxic, biocompatible, biodegradable etc. With the controllable and targetable properties at the process of drug release, Chitosan-based hydrogel can be used as a new injectable drug carrier. In this paper, a series of chitosan-based hydrogels have been prepared with polyvinyl alcohol (PVA) as the second component and glutaraldehyde as the crosslinking agent. The swelling performances of these hydrogels, like swelling ratio, swelling kinetics and the related influencing factors, have been studied. The results showed that the swelling ratio of these hydrogels increased with the swelling time prolonged, and it reached the highest level when the swelling process has carried for 4.5 h. The swelling behavior fitted the first order kinetics. The swelling rate and the saturated swelling ratio show three different regions with the increase of CS percentage in the hydrogel.

chitosan; hydrogel; swelling ratio; swelling kinetics

2015-10-29。

辽宁省科技厅自然科学基金资助项目(2015020241)。

曾 敬(1974-),女,辽宁沈阳人,沈阳师范大学副教授,博士。

1673-5862(2016)03-0271-05

O63

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.03.004