F127-Fc/CS-β-CD水凝膠的制備及其響應(yīng)性能*

駱 玲，肖堯予，張 晟

(四川大學(xué) 高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

·研究簡(jiǎn)報(bào)·

F127-Fc/CS-β-CD水凝膠的制備及其響應(yīng)性能*

駱 玲，肖堯予，張 晟

(四川大學(xué) 高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

以殼聚糖接枝β-環(huán)糊精(CS-β-CD)為主體分子，二茂鐵(FcH)改性的聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷(F127-Fc)為客體分子，2%乙酸為溶劑，制備了F127-Fc/CS-β-CD水凝膠，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR表征。研究了F127-Fc/CS-β-CD對(duì)溫度和pH的雙重響應(yīng)性能。結(jié)果表明，β-CD-Fc包合物的存在為體系里構(gòu)建了一種新的交聯(lián)點(diǎn)，凝膠有氧化劑響應(yīng)性，同時(shí)凝膠區(qū)域變寬。

水凝膠；自組裝；β-環(huán)糊精;制備；響應(yīng)性能

水凝膠是一種在水溶液中具有溶脹性的三維網(wǎng)狀聚合物材料。智能型水凝膠可以響應(yīng)外界環(huán)境的變化(比如溫度、pH、離子強(qiáng)度、氧化還原劑、電、光和生物分子等)產(chǎn)生敏感響應(yīng)[1-3]，在藥物控制釋放、組織工程、化學(xué)傳感器、記憶元件開(kāi)關(guān)和人造肌肉等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，相關(guān)研究成為功能高分子研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)研究方向。

基于滿足外界復(fù)雜環(huán)境和凝膠多功能化的要求，近年來(lái)水凝膠的研究重點(diǎn)已由單一響應(yīng)轉(zhuǎn)為多重響應(yīng)[4-5]。但是，目前多重響應(yīng)水凝膠的制備方式往往是通過(guò)化學(xué)合成手段將各種具有單一響應(yīng)性的聚合物鏈節(jié)共聚在一起達(dá)到體系的多重響應(yīng)性。響應(yīng)方式也主要以溫度和pH雙重響應(yīng)為主。

本文利用β-環(huán)糊精(β-CD)與客體基團(tuán)二茂鐵(FcH)之間的主客體包合作用，把pH敏感的殼聚糖(CS)和溫度敏感的聚環(huán)氧乙烷(PEO)-聚環(huán)氧丙烷(PPO)-聚環(huán)氧乙烷(PEO)(簡(jiǎn)稱F127)連接在一起制備了一種多重響應(yīng)的凝膠——F127-Fc/CS-β-CD(Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR表征。性能研究表明，F(xiàn)127-Fc/CS-β-CD可隨溫度、氧化劑以及pH的變化產(chǎn)生凝膠-溶膠(gel-sol)轉(zhuǎn)變。由于CS和F127的無(wú)毒性和良好的生物相容性，決定了其應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的潛力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

Avance Bruker-600型核磁共振儀。

F127，上海Sigma-Aldrich公司；N,N′-二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)，4-二甲基氨基吡啶(DMAP)和二茂鐵甲酸(FcCO2H)，上海阿拉丁試劑有限公司；β-CD，博迪化工股份有限公司；CS，山東奧康化學(xué)品有限公司；氰基硼氫化鈉(NaBH3CN)，上海晶純實(shí)業(yè)有限公司；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)F127-Fc的合成[6]

在反應(yīng)瓶中加入F1273.78g(0.3mmol)和無(wú)水二氯甲烷50mL,攪拌使其溶解;依次加入FcCO2H 0.35g(1.5mmol)，催化劑DMAP 55mg(0.45mmol)和DCC 0.19g(0.9mmol)，于室溫反應(yīng)24h。過(guò)濾,濾液旋蒸除溶，殘余液用乙醚沉淀除去沒(méi)有反應(yīng)的FcCO2H，真空干燥24h得淡黃色固體F127-Fc，轉(zhuǎn)化率53．26%。

(2)CS-β-CD的合成[7]

在圓底燒瓶中加入β-CD 1.5g和干燥DMSO 12mL，攪拌使其溶解；加入2-碘酰基苯甲酸(IBX)0.48g 的DMSO(18mL)溶液,于室溫反應(yīng)145min。傾入500mL丙酮中沉降，過(guò)濾，濾餅用水(100mL)溶解后攪拌1h。過(guò)濾，濾液冷凍干燥得白色粉末β-CD-CHO。

在反應(yīng)瓶中加入CS 285mg和2%醋酸25mL,攪拌30min使其溶解;滴加β-CD-CHO 0.6g的DMSO(15mL)溶液，滴畢，于室溫反應(yīng)12h。加入NaBH3CN 36mg的DMSO(2mL)溶液，反應(yīng)60h。采用8000Mw～14000Mw的透析袋用去離子透析3d。透析液液氮淬冷后進(jìn)行冷凍干燥得白色絮狀固體CS-β-CD，取代度20%。

(3)F127-Fc/CS-β-CD的合成

以2%乙酸為溶劑，配制c為2%的CS-β-CD溶液(溶液A)。將A加入定量的F127-Fc中制得不同c的F127-Fc/CS-β-CD溶液，置冰箱(9℃)中靜置一夜，測(cè)試F127-Fc/CS-β-CD在不同溫度和pH下凝膠溶膠的轉(zhuǎn)變情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

圖1為F127-Fc的1H NMR譜圖。由圖1可見(jiàn)，3.54～3.63處吸收峰為F127鏈上PEO嵌段上H的信號(hào)峰；3.20～3.39處吸收峰為F127鏈上PPO嵌段上H的信號(hào)峰；1.13處吸收峰為F127鏈段上PPO的甲基H的信號(hào)峰；4.20～4.81處吸收峰為Fc上H和酯基鍵旁-CH2-的信號(hào)峰。通過(guò)Fc上4.81的積分與PPO上甲基H 1.13的積分面積比可以計(jì)算出F127的轉(zhuǎn)化率為53.26%。

δ圖1 F127-Fc的1H NMR譜圖(CDCl3為溶劑)Figure 1 1H NMR spectrum of F127-Fc

δ圖2 CS-β-CD的1H NMR譜圖(D2O為溶劑)Figure 2 1H NMR spectrum of CS-β-CD

圖2為CS-β-CD的1H NMR譜圖。從圖2可知，3.08處吸收峰為CS上1-H的信號(hào)峰；3.48～3.84處吸收峰為CS上2～6-H和β-CD上2～6-H信號(hào)峰；4.97處吸收峰為β-CD上1-H的信號(hào)峰。通過(guò)3.08的積分與3.48～3.84的積分面積比，計(jì)算取代度為20%。

2.2 溫敏性及氧化劑敏感性

F127是一種典型的溫敏型聚合物，具有PEO-PPO-PEO三嵌段結(jié)構(gòu)。在低溫和低濃度溶液條件下，F(xiàn)127以單個(gè)分子鏈的形式存在于溶液中，隨著溫度的升高及聚合物濃度的增大，分子間膠束開(kāi)始生成，形成以不溶于水的PPO為核和由充分溶劑化PEO為殼的膠束結(jié)構(gòu)。當(dāng)F127的濃度大于臨界凝膠濃度時(shí)，大量膠束堆積，使得體系轉(zhuǎn)變?yōu)間el；當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，PEO鏈去水化程度增強(qiáng)，會(huì)破壞體系的氫鍵，致使有規(guī)則堆積的結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生相轉(zhuǎn)變，即由gel轉(zhuǎn)變?yōu)閟ol。

圖3為聚合物的sol-gel-sol相轉(zhuǎn)變曲線(其中每條曲線的左側(cè)為sol狀態(tài)，曲線右側(cè)為gel狀態(tài))。對(duì)比F127，F(xiàn)127-CS和F127/CS-β-CD三條曲線，可以看到：加入的CS和CS-β-CD對(duì)體系形成gel的最低濃度和gel-sol轉(zhuǎn)變溫度影響不大。值得注意的是，F(xiàn)127-Fc的曲線與F127相比，臨界凝膠濃度明顯增大，這可能是由于Fc基團(tuán)的引入破壞了F127結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，使其更不容易規(guī)則堆積所致。然而，在F127-Fc中加入CS-β-CD時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)：原本偏移到右側(cè)的相轉(zhuǎn)變曲線大幅左移。并且F127-Fc/CS-β-CD體系在更高的溫度下，依然能保持凝膠狀態(tài)，而不向溶膠轉(zhuǎn)化。

c/%圖3 聚合物的sol-gel相轉(zhuǎn)變曲線Figure 3 Sol-gel phase transition curve of polymers

圖4 加入氧化劑H2O2后的相轉(zhuǎn)變Figure 4 Sol-gel transition after adding oxidizing agent H2O2

由文獻(xiàn)[8]可知，CD具有外側(cè)親水、內(nèi)腔疏水的空腔結(jié)構(gòu)，做為主體分子可以選擇性的結(jié)合多種客體分子形成主客體包合物。例如，β-CD就很容易與客體子Fc按1∶1的比例通過(guò)自組裝形成包合物[9]。為了證明β-CD與Fc形成了包合物，本文通過(guò)加入氧化劑H2O2觀察其相的轉(zhuǎn)變(圖4)。從圖4可以看出，加入氧化劑H2O2后，F(xiàn)127-Fc/CS-β-CD凝膠體系由原來(lái)的gel狀態(tài)(左圖)轉(zhuǎn)變?yōu)閟ol狀態(tài)(右圖)。其中，凝膠體系的濃度為20%，氧化劑H2O2的濃度為1%。H2O2能將Fc氧化成Fc+，導(dǎo)致Fc-β-CD包合被打開(kāi)。H2O2加入導(dǎo)致的凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變不僅說(shuō)明F127-Fc/CS-β-CD體系中確實(shí)存在Fc-β-CD包合結(jié)構(gòu)，而且20%的F127-Fc/CS-β-CD凝膠體系中Fc-β-CD交聯(lián)點(diǎn)對(duì)凝膠的生成起到了關(guān)鍵作用。

由于F127-Fc/CS-β-CD存在著β-CD和Fc包合形成的物理交聯(lián)點(diǎn)，所以與F127-Fc相比，物理交聯(lián)點(diǎn)的存在使得體系形成gel的最低濃度大大減小。同時(shí)，由于溫度升高時(shí)，盡管體系中F127-Fc膠束所形成的堆積已瓦解，包合物的存在依然使凝膠狀態(tài)得以保持。就提高了轉(zhuǎn)變?yōu)閟ol的溫度，使得體系的gel范圍大大增加。而當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，β-CD-Fc包合物受到破壞，使得體系發(fā)生gel-sol的轉(zhuǎn)變。

2.3 F127-Fc/CS-β-CD凝膠體系對(duì)pH的敏感性能

CS是一種帶有氨基多糖，在酸性環(huán)境下，溶液中的H+使得氨基質(zhì)子化，基團(tuán)之間由于靜電斥力，增加了CS的溶解性；而在堿性環(huán)境下，由于去質(zhì)子化作用，大大降低了CS的溶解性，增加了凝膠體系中的可逆交聯(lián)點(diǎn)。

pH圖5 F127-Fc/CS-β-CD在不同pH時(shí)的gel-sol轉(zhuǎn)變曲線*Figure 5 Sol-gel phase transition curve of F127-Fc/CS-β-CD at different pH*F127-Fc的c為23.6%

圖5為F127-Fc濃度為23.6%時(shí)F127-Fc/CS-β-CD體系在不同pH時(shí)的gel-sol轉(zhuǎn)變情況。從圖5可見(jiàn)，隨著堿性的增加，CS的去質(zhì)子化增加了體系的交聯(lián)點(diǎn)，使得形成gel的溫度降低，而形成sol的溫度增加。從相圖可以看出，gel區(qū)域隨著pH的增加而增加。

3 結(jié)論

合成了主體分子CS-β-CD和客體分子F127-Fc，并利用主客體之間的自組裝作用制備了具有包合物β-CD-Fc的水凝膠體系F127-Fc/CS-β-CD。

實(shí)驗(yàn)證明，該體系可響應(yīng)溫度、氧化劑和pH的變化產(chǎn)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。并且，包合物β-CD-Fc的存在使得體系的臨界凝膠溫度降低，在相圖中增加了凝膠區(qū)域。

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PreparationandResponsePerformanceofF127-Fc/CS-β-CDHydrogel

LUO Ling, XIAO Yao-yu，ZHANG Sheng

(State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

A multi-responsive hydrogel(F127-Fc/CS-β-CD)was constructed via host-guest interaction using chitosan graftedβ-cyclodextrins(CS-β-CD)as the host molecule and poly(ethylene oxide)poly(propylene oxide)poly(ethylene oxide)modified with ferrocene as the guest molecule in 2% acetic acid.The structures were characterizd by1H NMR．Response performance of F127-Fc/CS-β-CD were investigated.The results showed that F127-Fc/CS-β-CD system shows gel-sol phase transition in response to temperature and pH double-responsive.Furthermore,the Fc-β-CD inclusions act as new cross-linking,leading to the redox-sensitive property and broadening of gelation range.

hydrogel;self-assembly;β-cyclodextrin;preparation；response performance

2014-04-28;

2014-06-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51073107，1074138)

駱玲(1987-)，女，漢族，四川成都人，碩士研究生，主要從事超分子化學(xué)與智能仿生材料的研究。

張晟，教授，E-mail:zslbj@163.com

O648．17

A

1005-1511(2014)04-0550-04