PAAm／PEG／PVP半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備、表征及茶堿釋放研究

魏清渤，白志洋，王 俏，高 瑞

（延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 延安716000）

水凝膠是具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的水溶性高分子中引入一部分疏水基團(tuán)而形成的能遇水膨脹的交聯(lián)聚合物。由于天然或合成的水凝膠在結(jié)構(gòu)及性能上與生物體組織相似，因此，近年來，水凝膠一直是生物醫(yī)用工程領(lǐng)域，特別是組織工程方面的診斷、治療、修復(fù)，人體組織器官的替換及其功能增強(qiáng)，以及生長因子、藥物和基因載體等的研究熱點(diǎn)［1－6］。采用不同材料制備復(fù)合水凝膠是獲得高性能、多功能水凝膠的有效方法。由于不同材料聚合制備的復(fù)合水凝膠具有不同于相應(yīng)單一材料水凝膠的獨(dú)特性能，因而受到了人們的極大關(guān)注。

聚乙二醇（PEG）形成的水凝膠化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于成型，無毒副作用，是一種常用的功能材料，但其吸水能力較差，不具備pH值敏感性［7］。為了制備出具有刺激響應(yīng)性能的高性能水凝膠材料，作者在此采用聚乙二醇、丙烯酰胺（AAm）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）交聯(lián)的方法制備出復(fù)合水凝膠，并研究了該水凝膠的溶脹性能以及對茶堿的釋放行為。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

聚乙二醇（相對分子質(zhì)量分別為600、2000和4000）、N，N－亞甲基雙丙烯酰胺（N，N－MBA）、聚乙烯吡咯烷酮，天津科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心；丙烯酰胺，天津化學(xué)試劑廠；過硫酸鉀（KPS），天津化學(xué)試劑六廠。所有試劑均為分析純，使用前無需處理。

Nexus 470型傅立葉紅外光譜儀，美國Nicolet公司；Q1000DSC型熱分析系統(tǒng)，美國TA公司；UV－2550型紫外可見分光光度計(jì)，日本島冿公司。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

用微量進(jìn)樣器分別準(zhǔn)確移取一定量的5g·L－1茶堿溶液至50mL容量瓶中，稀釋至刻度，得0.012 mg·L－1、0.01mg·L－1、0.008mg·L－1、0.006mg·L－1、0.004mg·L－1、0.002mg·L－1、0.001mg·L－1的茶堿標(biāo)準(zhǔn)溶液。采用紫外可見分光光度計(jì)測定271nm處吸光度，以茶堿溶液的濃度（c）對吸光度（A）作圖，擬合得到茶堿的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線回歸方程為A＝3.1346c－0.0054（R2＝0.9669）。

1.3 PAAm／PEG／PVP水凝膠的制備

稱取一定量的丙烯酰胺溶解于去離子水中，攪拌使其充分溶解，依次加入不同相對分子量的聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮、0.2g過硫酸鉀、0.02g N，NMBA，攪拌使其充分溶解，70℃水浴中加熱3h后，將產(chǎn)物放入蒸餾水中浸泡3d，除去未反應(yīng)的物質(zhì)，于40℃烘箱中干燥至恒重，備用。

1.4 分析與檢測

紅外光譜分析（FTIR）：干燥樣品粉末經(jīng)KBr壓片后進(jìn)行紅外光譜測試，測試范圍500～4000cm－1。

在束流40mL·min－1氮?dú)鈿夥障掠脽岱治鱿到y(tǒng)測試樣品的熱學(xué)性質(zhì)。

用稱重法測定水凝膠的溶脹率（R）。在一定條件下將水凝膠浸入緩沖溶液中，使其溶脹一定時(shí)間后，取出并用濾紙擦去水凝膠表面帶出的水，稱重。按下式計(jì)算溶脹率［8］：

式中：Wd為溶脹前干膠的質(zhì)量，g；Ws為溶脹后水凝膠的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析（圖1）

圖1 PVP（a），PAAm／PEG（b）和PAAm／PEG／PVP（c）的紅外光譜Fig.1 The FTIR spectra of PVP（a），PAAm／PEG（b），PAAm／PEG／PVP（c）hydrogels

由圖1可看出，PVP中的－OH和C－H基團(tuán)的強(qiáng)伸縮振動峰分別位于3456cm－1和2956cm－1處，C－O鍵的伸縮振動吸收峰位于1090cm－1處；PAAm的C＝O鍵的伸縮振動吸收峰［9］位于1659cm－1處，C＝C斷裂無吸收峰。由圖1還可以看出：PAAm／PEG／PVP分別在3462cm－1處出現(xiàn)O－H鍵的伸縮振動吸收峰，3182cm－1處出現(xiàn)亞甲基的C－H伸縮振動吸收峰，2956cm－1處出現(xiàn)甲基的C－H伸縮振動吸收峰，1670cm－1處出現(xiàn)C＝O的伸縮振動吸收峰。這表明PEG、AAm和PVP發(fā)生了交聯(lián)共聚。

2.2 熱重分析（圖2）

由圖2可看出，PVP在低于384℃失重為6.3%；在384～480℃之間的分解失重總量為81.2%。PAAm／PEG／PVP在45～131℃之間的失重率為6%，是由于水凝膠吸收空氣中的水分氣化或揮發(fā)分而產(chǎn)生的；267～370℃的失重率為27%，可能涉及聚合物鏈或側(cè)基的斷裂或分解；456℃的失重總量為67%，應(yīng)該歸結(jié)為PAAm／PEG／PVP骨架或其中各組分的C－C鏈段的斷裂分解反應(yīng)。

圖2 PVP和PAAm／PEG／PVP的熱重曲線Fig.2 The TG curves of PVP and PAAm／PEG／PVP hydrogels

2.3 水凝膠的溶脹性能研究

室溫下，PAAm／PEG和PAAm／PEG／PVP在去離子水中的溶脹率曲線見圖3。

圖3 室溫下，PAAm／PEG和PAAm／PEG／PVP在去離子水中的溶脹率Fig.3 Swelling rate of PAAm／PEG and PAAm／PEG／PVP hydrogels in distilled water at room temperature

由圖3可看出：（1）水凝膠的溶脹率起初隨著時(shí)間的延長迅速增大，一定時(shí)間后增幅趨緩，最終達(dá)到溶脹平衡。（2）采用同一相對分子質(zhì)量的PEG時(shí)，PAAm／PEG／PVP的溶脹率明顯比PAAm／PEG大。這是由于PAAm／PEG／PVP中加入了PVP，大幅促進(jìn)了凝膠段的伸展和運(yùn)動，從而能夠吸收更多的水分進(jìn)入凝膠網(wǎng)絡(luò)之中，因此，可以通過加入PVP來調(diào)節(jié)水凝膠的溶脹率。（3）不同相對分子質(zhì)量的PEG所制備的水凝膠的溶脹動力學(xué)行為不同，初期隨著相對分子質(zhì)量的增大，水凝膠的溶脹率迅速增大，但相互之間沒有明顯差異；隨著時(shí)間的延長，采用PEG600、PEG4000制備的水凝膠的溶脹率變化比較明顯，但是采用PEG2000制備的兩種水凝膠溶脹率基本一致。通常，PEG相對分子質(zhì)量高的水凝膠的平衡溶脹率較小，這可能與高分子量PEG的結(jié)晶度較高有關(guān)。

2.4 水凝膠的藥物釋放行為研究

稱取一定量含有茶堿的干凝膠，放入100mL pH值分別為1.4和7.4的緩沖溶液中作為釋放環(huán)境，每隔一段時(shí)間移取釋放溶液，測定其在271nm處的吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線線性回歸方程定量計(jì)算茶堿的濃度。室溫、不同pH值下，不同水凝膠的釋藥量隨時(shí)間的變化曲線見圖4。

圖4 室溫下，在pH＝1.4（a）、pH＝7.4（b）的緩沖溶液中水凝膠的茶堿釋放行為Fig.4 Theophylline release profiles for hydrogels in pH＝1.4（a）or pH＝7.4（b）buffer solutions at room temperature

由圖4可看出，采用PEG600和PEG4000制備的半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠在酸性條件下的釋藥量大于中性條件。這是因?yàn)?，在酸性條件下，水凝膠上存在的－NH2與H＋結(jié)合形成正電離子基團(tuán)，由于靜電排斥作用，使得水凝膠各網(wǎng)格之間的空隙增大，孔道暢通，使?jié)B透性增強(qiáng)，因而釋藥量較大；而在中性條件下，－NH2基團(tuán)依附于水凝膠表面，使得孔道堵塞，滲透性減弱，因而釋藥量較小［10，11］。說明在模擬人體胃液里，采用PEG600和PEG4000制備的半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠在酸性條件下對茶堿的釋放大于在中性條件下對茶堿的釋放，且在酸性條件下，隨著PEG相對分子質(zhì)量的增大釋藥量增大，隨著PVP的加入釋藥量減小。

3 結(jié)論

采用共聚反應(yīng)制備了PAAm／PEG／PVP半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠，研究了中性條件下水凝膠的溶脹性能及對茶堿的釋放行為。在模擬人體胃液里，采用PEG600和PEG4000制備的半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠在酸性條件下對茶堿的釋放大于在中性條件下對茶堿的釋放，且在酸性條件下，隨著PEG相對分子質(zhì)量的增大釋藥量增大，隨著PVP的加入，釋藥量減小。表明，制備的水凝膠可用作藥物載體，在醫(yī)藥方面具有廣闊應(yīng)用前景。

［1］魏清渤，王俏，付峰，等.pH敏感性P（AAm－co－AA）半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備、表征及溶脹動力學(xué)研究［J］.化學(xué)與生物工程，2011，28（3）：27－31.

［2］Tang Q W，Wu J H，Lin J M.A multifunctional hydrogel with high conductivity，pH－responsive，thermo－responsive and release properties from polyacrylate／polyaniline hybrid［J］.Carbohydr Polym，2008，73（2）：315－321.

［3］Park T G，Hoffman A S.Immobilization of arthrobacter simplex in a thermally reversible hydrogel：Effect of temperature cycling on steroid conversion［J］.Biotech Bioeng，1990，35（2）：152－159.

［4］Zhuo R X，Li W.Preparation and characterization of macroporous poly（N－isopropylacrylamide）hydrogels for the controlled release of proteins［J］.J Poly Sci Part A：Polym Chem，2003，41（1）：152－159.

［5］劉鋒，卓仁禧.溫度及pH敏感水凝膠的合成及其在生物大分子控制釋放中的應(yīng)用［J］.高分子材料科學(xué)與工程，1998，14（2）：54－62.

［6］Bako J，Szepesi M，Veres A J，et al.Synthesis of biocompatible nanocomposite hydrogels as a local drug delivery system［J］.Colloid Polym Sci，2008，286（3）：357－363.

［7］崔英德，易國斌，廖列文.聚乙烯吡咯烷酮的合成與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2002：122.

［8］Wei Q B，Luo Y L，Gao L J，et al.Synthesis，characterization and swelling kinetics of thermoresponsive PAM－g－PVA／PVP semi－IPN hydrogels［J］.Polymer Science，Ser A，2011，53（8）：707－714.

［9］Sanli O，Ay N，Isiklan N.Release characteristics of diclofenac sodium from poly（vinyl alcohol）／sodium alginate and poly（vinyl alcohol）－grafted－poly（acrylamide）／sodium alginate blend beads［J］.Eur J Pharma Biopharm，2007，65（2）：204－214.

［10］沈奇英.pH敏感性高分子材料及其作為水凝膠在藥物控釋體系的應(yīng)用簡介［J］.杭州師范學(xué)院學(xué)報(bào)（醫(yī)學(xué)版），2007，27（5）：330－332.

［11］王欣宇，朱秀芳，韓穎超，等.pH／溫度雙重敏感高分子水凝膠的合成及性能［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（8）：32－36.