p（N-MAM-co-DMAA）智能水凝膠的制備及其藥物緩釋作用

楊性坤，李 超，馬雪梅

（信陽師范學院化學化工學院，河南省信陽市 464000）

p（N-MAM-co-DMAA）智能水凝膠的制備及其藥物緩釋作用

楊性坤，李 超，馬雪梅

（信陽師范學院化學化工學院，河南省信陽市 464000）

以N-羥甲基丙烯酰胺（N-MAM），N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）為聚合單體，過硫酸鉀為引發劑，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）為交聯劑，通過自由基水溶液聚合法制備了p（N-MAM-co-DMAA）智能水凝膠。研究了凝膠對溫度、pH值、離子濃度敏感性能和對核黃素藥物的緩釋性能。實驗表明，凝膠的溶脹度隨溫度升高和鹽濃度增加而逐漸降低，隨溶液pH值的增大先增大后逐漸減小，在中性、酸性和堿性環境中的核黃素累積釋放量分別是68%，51%和42%。

智能水凝膠 N-羥甲基丙烯酰胺 N，N-二甲基丙烯酰胺 溫度敏感性 pH敏感性 核黃素 藥物緩釋

藥物運載系統（DDS）是一門新型藥物釋放系統，隨著經典化學和現代生物科技而迅速發展起來，目前是國內外藥劑學領域的一個重要研究課題［1-3］。傳統的給藥系統（注射劑、膠囊劑、顆粒劑）具有藥物釋放快、療效快等優點，但需多次頻繁給藥以提高血液藥物有效濃度，具有一定的毒副作用。而DDS系統則是將藥物運載體通過包埋、吸附等手段與藥物完美結合，運送到機體的病患部位，在特定的時間以恒定的濃度進行釋藥，來達到治療疾病的目的。與傳統的給藥系統相比，DDS具有能夠提高局部藥物濃度和藥物利用率，延長局部藥物停留時間，降低藥物的全身毒副作用，提高治療效果和病人的生活質量。水凝膠表面對細胞的黏附性小，合成材料大部分無毒，具有一定的生物可降解性和生物相容性，因而水凝膠在藥物緩釋載體中備受青睞［9-10］。

本工作是以水溶性的N-羥甲基丙烯酰胺（N-MAM）和N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）為聚合單體，過硫酸鉀（KPS）為引發劑，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）為交聯劑，通過自由基水溶液聚合法成功制備了p（N-MAM-co-DMAA）智能水凝膠，并用紅外光譜和掃描電子顯微鏡（SEM）對其進行了表征。研究了凝膠對溫度、pH值、離子濃度敏感性能和對核黃素藥物的緩釋性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料

N-MAM，分析純，阿拉丁試劑（上海）有限公司生產；DMAA（進口），分析純，西格瑪奧德里奇有限公司生產；KPS，分析純，上海試劑二廠生產；MBA，化學純，天津市光復精細化工研究所；NaCl，分析純，信陽市化學試劑廠生產； NaOH，分析純，天津市永大化學試劑有限公司生產；濃H2SO4，分析純，河南省開封市芳晶化學試劑有限公司生產。

1.2 p（N-MAM-co-DMAA）水凝膠的制備

在三頸燒瓶中加入定量的N-MAM和去離子水，攪拌溶解后加入計量的DMAA，通入N230 min以排除溶液中的氧氣，加入計量的KPS和MBA，攪拌5 min后將反應液轉移至燒杯中，通N2以排出燒杯中的氧氣，密閉。逐步升溫至60 ℃反應7 h后取出，即得到凝膠粗樣，切塊，用去離子水浸泡7天，每隔24 h換一次水，以除去未反應的單體和雜質［11-12］。將純化后的凝膠切塊，置于培養皿中室溫下晾置24 h，在真空干燥箱烘干，放入干燥器備用。

1.3 凝膠溶脹性能的測定

將純化的干凝膠準確稱重后放入NaCl溶液濃度為0.05～0.50 mol/L、pH值為2～12的緩沖溶液、去離子水溫度為20～70 ℃的溶液中，充分溶脹后取出，用濾紙擦干表面的水分后稱重，根據公式（1）計算凝膠的平衡溶脹度（ESR）。

式中：md為凝膠達到溶脹平衡時的質量，g；ms為干凝膠的質量，g。

1.4 凝膠結構的表征

將純化后的凝膠研磨與KBr混勻壓片，干燥后采用德國Bruker公司生產的Tensor 27型傅里葉變換紅外光譜儀在0～4 500 cm-1掃描。

取純化后的干凝膠研磨，采用日本Hitachi公司生產的S-4800型掃描電子顯微鏡，在1.0 kV掃描電壓下觀察凝膠表面形貌。

1.5 藥物緩釋作用研究

1.5.1標準曲線的繪制

取核黃素標樣分別配制成2，4，6，8，10 mg/L的標準溶液，采用紫外-可見分光光度計于444 nm處測標準溶液的吸光度，以核黃素的吸光度與標準溶液的濃度進行線性回歸得到線性回歸方程為：y = 0.03 355x + 0.013 1（R2= 0.996 19）。

1.5.2凝膠藥物釋放性能研究

將純化的凝膠放入1 g/L的核黃素溶液中浸泡3天后取出，避光放入真空干燥箱50 ℃烘干6 h，即得到負載核黃素的凝膠，計算出凝膠負載藥物的量。然后將負載藥物的干凝膠分別放入50 mL pH值為4.0，7.2，10.0的緩沖溶液中，避光攪拌，每隔30 min分別取出5 mL溶液測其吸光度，然后再加入5 mL新的緩沖溶液，以標準曲線線性回歸方程計算藥物的釋放量［13］。

2 結果與討論

2.1 凝膠的溫度敏感性研究

從圖1可以看出：凝膠在去離子水中的ESR隨著溫度的升高而逐漸降低。這是因為凝膠在溶液中依靠高分子鏈和水分子間的氫鍵而吸水溶脹，凝膠內部的水分子通過氫鍵作用固定在高分子鏈的周圍，隨著溶液溫度的升高，聚合物分子鏈與水分子間的氫鍵被破壞，氫鍵數目減少，而凝膠的網絡結構由于分子內氫鍵作用而收縮，凝膠內部網孔變小，水分子被釋放出來，凝膠吸水和保水性能下降，因而ESR減小。

2.2 溶液酸堿性對凝膠溶脹性能的影響

圖1 溫度對凝膠ESR的影響Fig .1 Effect of temperature on ESR

從圖2可以看出：凝膠的ESR隨著溶液的pH值增大呈現先增大后減小趨勢。這是因為聚合物分子中的—C O屬于吸電子基團，氧原子周圍電荷密度較大，—OH、—N（CH3）2等基團都屬于給電子基團，O原子和N原子周圍的電荷密度大，并且O原子和N原子都具有孤對電子，在酸性條件下，溶液中的H+和O原子與N原子的相互作用導致高分子鏈和水分子間的氫鍵解離，因而酸性條件的高分子鏈與水分子間所形成的氫鍵不穩定，酸性越強，氫鍵就越不穩定，因而，凝膠的ESR不是太大。在堿性條件下，隨著pH值的增大，溶液中的Na+和OH-濃度也增大，受OH-的影響，高分子鏈和水分子間的氫鍵解離，凝膠的ESR減小，并且溶液中Na+進入凝膠的內部聚集在O原子和N原子的周圍，降低了高分子鏈間的靜電排斥作用，導致凝膠網絡結構收縮，凝膠內部網絡孔徑變小，因而凝膠的ESR減小。

圖2 溶液的pH值對ESR的影響Fig.2 Effect of pH value of solution on ESR

2.3 鹽濃度對凝膠溶脹性能的影響

從圖3可以看出：隨著溶液中NaCl濃度的增大，凝膠的ESR逐漸減小。這是因為溶液中NaCl濃度越大，Na+的濃度就越大。凝膠內部和溶液之間的滲透壓差變大，Na+在擴散作用下進入凝膠的網絡結構中，降低了凝膠高分子鏈基團之間的靜電排斥作用，凝膠網絡結構收縮。此外，凝膠網絡中水分子在滲透壓的作用下進入溶液中，凝膠的保水性能降低，導致溶膠的ESR降低。

2.4 凝膠藥物緩釋性能

從圖4可以看出：凝膠在溶脹初期藥物釋放速率較快，后期較慢，凝膠在pH=7.2的緩沖溶液中的核黃素累積釋放量明顯大于在pH為4.0和10.0的緩沖溶液中的累積釋放量。這是由于在pH=7.2的緩沖溶液中，凝膠具有較大的ESR。在pH=7.2的緩沖溶液中，36 h內核黃素的累積釋放量為68%；在pH=4.0和pH=10.0的緩沖溶液中，核黃素的累積釋放量只有51%和42%。由此可見，中性環境有利于凝膠的釋藥釋放。

2.5 凝膠的傅里葉變換紅外光譜分析

圖3 離子濃度對凝膠溶脹性能的影響Fig.3 Effect of ionic strength on ESR

圖4 凝膠在不同的pH緩沖溶液中的藥物緩釋性能Fig.4 Drug release curves of p（N-MAM-co-DMAA） at different pH solutions

從圖5看出：p（N-MAM-co-DMAA）譜線中，在3 446 cm-1處的寬峰屬于—OH的收縮振動峰，2 944 cm-1處是甲基的C—H伸縮振動峰，1 635 cm-1處是羰基C=O伸縮振動吸收峰。N-MAM譜線中，3 395 cm-1處是O—H的收縮振動峰，3 290 cm-1處是N—H彎曲振動吸收峰，1 670 cm-1處是C=O的吸收峰，1 626 cm-1處是C=C的吸收峰，3 059 cm處是不飽和的C—H伸縮振動吸收峰。對比發現，N-MAM譜線中3 059 cm-1處的不飽和C—H伸縮振動吸收峰和1 626 cm-1處的C=C吸收峰在p（N-MAM-co-DMAA）傅里葉變換紅外譜圖中消失，說明兩種單體成功發生了聚合。此外，由于C=C共軛效應的消失和N原子中介效應的影響，使得凝膠中的C=O吸收峰位置出現在1 635 cm-1處［14-15］。

圖5 N-MAM和凝膠的紅外光譜圖譜Fig .5 FTIR spectra of N-MAM and p（N-MAM-co-DMAA）

2.6 凝膠的SEM觀察

從圖6可以看出：凝膠表面致密并且呈褶皺狀，凝膠內部具有較小的孔道。凝膠的高分子鏈在沒有吸水時主要是以分子內氫鍵的形式緊密的堆積在一起，當凝膠與水分子接觸的時候，凝膠高分子鏈之間的分子內氫鍵在水分子的作用下而解離并和水分子以氫鍵結合而吸水，此時高分子鏈條得以舒展而擴張［16］。凝膠內部的孔道可作為模型藥物的運載通道，并伴隨著凝膠的溶脹和收縮實現對藥物的可控釋放。

圖6 凝膠的SEM照片Fig .6 SEM images of p（N-MAM-co-DMAA）

3 結論

a）以水溶性的N-MAM、DMAA為聚合單體、KPS為引發劑、MBA為交聯劑，成功制備了p（N-MAM-co-DMAA）智能水凝膠。凝膠的ESR隨溫度的升高和鹽濃度增加而逐漸降低，隨著溶液pH值的增大先增大后逐漸減小。

b）凝膠在中性溶液中的核黃素藥物累積釋放量明顯大于酸性和堿性環境中，在中性環境中累積釋放量達到了68%，在酸性和堿性環境中的核黃素累積釋放量分別是51%和42%。

［1］ Wei Xiawei， Gong Changyang， Gou Maling， et al. Biodegradable poly（ε-caprolactone） -poly（ethylene glycol）copolymers as drug delivery system［J］. International Journal of Phamaceutics， 2009，381（1）：1-18.

［2］ Charman W N， Chan H K， Finnin B C， et al. Drug delivery： a key factor in realising the realizing the full therapeutic potential of drugs［J］. Drug Dev Res， 1999，46（3-4）：316-327.

［3］ Langer R， Tirrell D A. Designing materials for biology and medicine［J］. Nature， 2004， 428：487-492.

［4］ Qiu Yong， Park K. Environment-sensitive hydrogels for drug delivery［J］. Adv Drug Deliver Rev，2001，53（3）：321-339.

［5］ Hatefi A， Amsden B. Biodegradable injectable in situ forming drug delivery systems［J］.Jour Control Rel， 2002，80（1-3）：9-28.

［6］ 鐘大根，劉宗華，左琴華，等.智能水凝膠在藥物控釋系統的應用及研究進展［J］. 材料導報，2012，26（6）：83-88.

［7］ Pan Tingting， He Weidong， Li Liying， et al. Dual thermoand pH-sensitive network-grafted hydrogels formed by macrocrosslinker as drug delivery system［J］. J Polym Sci Part A： Polym Chem， 2011， 49（10）：2155-2164.

［8］ 劉俊玲，潘春躍，喻桂朋，等. 多孔材料在藥物緩釋方面的應用研究進展［J］.廣州化工，2013，41（13）：42-44.

［9］ Cao Shuqin， Fu Xinjian， Wang Ningxia， et al. Release behavior of salicylic acid in supramolecular hydrogels formed by 1-phenylalanine derivatives as hydrogelator［J］. International Journal of Pharmaceutics， 2008， 357（1-2）：95-99.

［10］ Gong Changyang， Shi Shuai， Wu Lan， et al. Biodergradable in situ gel-forming controlled drug delivery system based on thermosensitive PCL-PEG-PCL hydrogel. Part2： Sol-gel-sol transition and drug delivery behavior［J］. Acta Biomaterialia，2009， 5（9）： 3358-3370.

［11］ Chou F Y， Shih C M， Tsai M C， et al. Functional acrylic acid as stabilizer for synthesis of smart hydrogel particles containing a magnetic Fe3O4core［J］. Polymer， 2012， 53（14）：2839-2846.

［12］ Ding Xiaoling， Fries D， Jun B. A study of hydrogel thermal-dynamics using Fourier transform infrared spectrometer［J］. Polymer， 2006， 47（13）：4718-4725.

［13］ Wu Wei， Liu Jing， Cao Shuqin， et al. Drug release hehaviors of a pH sensitive semi-interpenetrating polymer networkhydrogel composed of poly（vinyl alcohol） and star poly［2-（dimethylamino）ethylmethacrylate］［J］. International Journal of Pharmaceutics， 2011， 416（1）：104-109.

［14］ Mi Peng， Ju Xiaojie， Xie Rui， et al. A novel stimuli-responsive hydrogel for K+-induced controlled-release［J］. Polymer，2010， 51（7）：1648-1653.

［15］ Xu Qi， Huang Weijuan， Jiang Linbin， et al. KGM and PMAA based pH-sensitive interpenetrating polymer network hydrogel for controlled drug release［J］. Carbohydrate Polymers，2013， 97（2）：565-570.

［16］ Xiao Xincai， Chu Liangyin， Chen Wenmei， et al. Monodispersed thermoresponsive hydrogel microspheres with a volume phase transition driven by hydrogen bonding［J］. Polymer，2005， 46（9）： 3199-3209.

Synthesis and application for drug release of p(N-MAM-co-DMAA) intelligent hydrogel

Yang Xingkun， Li Chao， Ma Xuemei
（College of Chemistry and Chemical Engineering， Xinyang Normal University， Xinyang 464000， China）

An intelligent hydrogel poly （N-MAM-co-DMAA） was prepared in this paper by radical aqueous solution polymerization with N-hydroxymethyl acrylamide （N-MAM） and N, N-dime-thylacrylamide（DMAA） as the monomers, potassium persulfate as the initiator and methylene-bis-acrylamide as the crosslinking agent. The influences of ionic strength, pH and temperature on the hydrogel were studied. The drug release behavior of the hydrogel was investigated as well. The results show that the swelling degree of the hydrogel rises with the temperature and salt concentration increasing, while it first goes up and then down with the pH increasing. Accumulated release amount of riboflavin is 68%, 51% and 42% in neutral, acidic and basic environment respectively.

intelligent hydrogel； N-hydroxymethyl acrylamide； N，N-dime-thylacrylamide； temperature sensitivity； pH sensitivity； riboflavin； drug release

TQ 316.6

B

1002-1396（2016）01-0053-04

2015-07-28；

2015-10-27。

楊性坤，男，1960年生，教授，1982年畢業于河南師范大學化學專業，主要從事高分子材料研究工作。聯系電話：（0376）6392780；E-mail：yxkxiny@163.com。

河南省高校科技創新團隊資助（2012IRTSHN 017），信陽師范學院大學生重點資助項目（2013-DXSZD-16）。