基于光聚合星型PEG_b_PCL大分子单体可生物降解水凝胶的合成及表征
论文—基于PVA的凝胶材料的制备及性能研究
1.文献综述凝胶是高分子链之间以化学键形成的交联结构的溶胀体。
而高分子水凝胶是一种在水中只能溶胀，但不能溶解的亲水凝胶。
它是由水溶性高分子经适当的交联后形成的，水以不同的结合状态存在于高分子网络中，并有较好的稳定性。
这种亲水性高分子交联网络在水中溶胀形成凝胶时其溶胀质量可以是本身的几十倍甚至几百上千倍，故又称为超强吸水材料[1]。
凝胶的种类很多，按来源可分为天然和合成两大类。
天然的包括纤维素类，壳聚糖类，透明质酸等。
而合成的则有丙烯酸及其衍生物类，例如聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚乙烯醇类等。
其中聚乙烯醇类则是自然界中唯一的水溶性凝胶。
在20 世纪50 年代,日本人曾根康夫最早注意到聚乙烯醇(PVA)水溶液的凝胶化现象。
聚乙烯醇凝胶可以通过物理、化学、辐照等方式可将聚乙烯醇交联制成具有优良吸水溶胀性、生物降解性和稳定性的水凝胶材料。
1.1 原料PVA的合成及性能1.1.1 原料PVA的制备聚乙烯醇(PVA)是重要的聚合物,乙烯醇是一种假想的单体，游离态的乙烯醇极不稳定，不能单独存在。
实验室要获得具有实用价值的聚乙烯醇，通常采用溶液聚合法,以醋酸乙烯为单体,偶氮二异丁腈为引发剂,甲醇为溶剂,加入分子量调节剂,通过多次优化实验条件,合成聚醋酸乙烯(PVAc),再以NaOH为催化剂,采用以甲醇为醇解剂的体系进行醇解反应，主要按下列反应进行：17-88型号PVA,工业上是采用先进的技术和工艺，以电石乙炔法生产的醋酸乙烯为原料，甲醇为溶剂，偶氮二异丁腈为引发剂，经聚合、醇解等工序制成。
其制备方法如下：电石的主要成分是碳化钙(CaC2)，碳化钙与水作用生成乙炔：CaC2 + H2O → HC≡CH +Ca(OH)2[ CH2-CH ]n+ nCH3OH OCOCH3 NaOH[CH2-CH ]n+ nCH3COOCH3OH乙炔与醋酸为原料，以醋酸乙烯为催化剂可以制得醋酸乙烯：HC≡CH + CH3COOH →H2C = CH∣OCOCH3将反应制得到的醋酸乙烯单体以甲醇为溶剂，偶氮二异丁腈为引发剂，经聚合、醇解等工序制成聚乙烯醇。
水凝胶的制备及应用研究
水凝胶的制备及应用研究顾雪梅;安燕;殷雅婷;张玉星【摘要】水凝胶是一种具有三维网络结构的新型功能高分子材料,以其含水量高、溶胀快、具有良好的生物相容性、对外界刺激具有良好的响应性等被广泛应用于很多领域,具有广阔的应用和发展前景。
本文重点介绍了近年来水凝胶的制备方法,同时综合介绍了水凝胶在医药、工农业等领域的应用,并对其未来的发展进行了展望。
%Hydrogel was a kind of three-dimensional network structure with new functional polymer materials,with good biocompatibility and good responsibility for foreign stimulates,was widely used inindustry,agriculture,medicine,etc.The preparation and applications of the hydrogel in industrial and pharmaceutical industry were reviewed,and the future development was prospected.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2012(040)010【总页数】4页(P11-13,35)【关键词】水凝胶;高分子聚合物;制备;应用【作者】顾雪梅;安燕;殷雅婷;张玉星【作者单位】贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳550003;贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳550003;贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳550003;贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳550003【正文语种】中文【中图分类】O648.17Abstract:Hydrogel was a kind of three－dimensional network structure with new functional polymer materials，with good biocompatibility and good responsibility for foreign stimulates，was widely used in industry，agriculture，medicine，etc.The preparation and applications of the hydrogel in industrial and pharmaceutical industry were reviewed，and the future development was prospected.Key words:hydrogel;polymer;preparation;application水凝胶是一种能够在水中溶胀并保持一定水分而又不溶于水的具有三维网络结构的新型功能高分子材料，兼有固体和液体的性质［1］。
水凝胶的合成、性质及应用.
大学化学第16卷第5期2001年10月知识介绍水凝胶的合成、性质及应用翟茂林哈鸿飞(北京大学技术物理系北京100871摘要本文介绍了水凝胶的制备方法、性质、影响其性质的主要因素及其在日用、工农业和医用领域的应用。
水凝胶可定义为在水中能够溶胀并保持大量水分而又不能溶解的交联聚合物。
亲水的小图1 水凝胶网络示意图a 、b 表示内部4功能和3功能链联结点分子能够在水凝胶中扩散。
水凝胶的网络结构如图1所示。
水凝胶具有良好的生物相容性,自20世纪40年代以来,有关水凝胶的合成、理化性质以及在生物化学、医学等领域中的应用研究十分活跃[1]。
水凝胶有各种分类方法,根据水凝胶网络键合的不同,可分为物理凝胶和化学凝胶。
物理凝胶是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的,这种凝胶是非永久性的,通过加热凝胶可转变为溶液,所以也被称为假凝胶或热可逆凝胶。
许多天然高分子在常温下呈稳定的凝胶态,如k 型角叉菜胶、琼脂等[2];在合成聚合物中,聚乙烯醇(PVA是一典型的例子,经过冰冻融化处理,可得到在60 以下稳定的水凝胶[3]。
化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合物,是永久性的,又称为真凝胶。
根据水凝胶大小形状的不同,有宏观凝胶与微观凝胶(微球之分,根据形状的不同宏观凝胶又可分为柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等,目前制备的微球有微米级及纳米级之分。
根据水凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝胶两大类。
传统的水凝胶对环境的变化如温度或pH 等的变化不敏感,而环境敏感的水凝胶[4,5]是指自身能感知外界环境(如温度、pH 、光、电、压力等微小的变化或刺激,并能产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变的一类高分子凝胶。
此类凝胶的突出特点是在对环境的响应过程中其溶胀行为有显著的变化,利用这种刺激响应特性可将其用做传感器、控释开关等,这是1985年以来研究者最感兴趣的课题之一。
根据合成材料的不同,水凝胶又分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。
基于GelMA复合水凝胶的制备及性能研究
第40卷第6期2020年12月惠州学院学报JOURNAL OF HUIZHOU UNIVERSITYVol.40.No.6Dec.2020基于GelMA复合水凝胶的制备及性能研究强娜，廖芳丽，解芳，冯颖，李佳佳，冯裕发（惠州学院化学与材料工程学院，广东惠州516007）摘要：水凝胶是一种非常重要的材料，可直接用于组织工程中.但由于其机械性能较差，该研究选择了左旋聚乳酸（PLLA）和功能化明胶作为复合材料.首先将明胶与甲基丙烯酸酐（Methacrylic Anhydride，MA）通过化学反应合成具有光敏性的甲基丙烯酰胺基明胶（Gelatin Methacrylate，GelMA），并将其与左旋聚乳酸（PLLA）按不同比例共混，通过紫外光照成形的方法制备复合型水凝胶.对复合水凝胶进行相关表征，如热重分析（TG）、差示扫描热分析（DSC）、X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）等，检测了解其热力学性质、结晶态、形貌等特征，根据结果选择最适合的配比方案.关键词：左旋聚乳酸（PLLA）；甲基丙烯酰胺基明胶（GelMA）；复合水凝胶中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1671-5934（2020）06-0050-06DOI：10.16778/ki.1671-5934.2020.06.009水凝胶是在组织工程和再生医学中应用的生物支架.水凝胶的高含水量，可调节的化学和物理性质，以及封装细胞、生物大分子（如肽/蛋白质、核苷酸和抗体）和治疗制剂的能力，开辟了各种潜在的应用［1-2］.特别是，允许原位交联的生物聚合物可用于开发可注射材料.由于天然或合成聚合物制成的可注射水凝胶已被广泛报道，并显示出其各自的优缺点［3-4］.例如，透明质酸、壳聚糖、藻酸盐、硫酸软骨素等天然水凝胶，因其良好的生物相容性和生物降解性而得到广泛应用，但由于其机械性能较低，且难以调节其降解速率和生物功能，其应用受到限制［5-7］.另一方面，左旋聚乳酸（PLLA）、聚乙二醇（PEG）和聚乙烯醇（PVA）等合成聚合物水凝胶具有较高的机械强度和可调的微观结构，但经常缺乏一定的生物信号分子，因此，有必要开发集天然和合成聚合物的优点于一身的水凝胶［8-9］.因此，为了同时获得具有良好生物相容性和机械性能的水凝胶，半天然和化学功能化水凝胶（如甲基丙烯酰化明胶（GelMA）出现了［10］.近年来，有报道此水凝胶与纤维支架联合应用于软骨［11］、心脏瓣膜［12］、肌腱［13］、肌肉［14］等软组织的再生.早在2000年，Van Den Bulck等人开发了一种用甲基丙烯酸酐（MA）对明胶进行改性的方法，并获得了一种光交联明胶衍生物，称为甲基丙烯酰化明胶（GelMA）［15］.此后，GelMA作为一种具有吸引力的生物材料被广泛研究.多项研究表明，GelMA水凝胶既适用于二维细胞播种，也适用于三维细胞封装，适用于不同的制造工艺，如微成型、自组装、微流体、生物打印、生物纺织品等.通过控制交联的程度，可以对明胶凝胶的机械强度进行有效调节.同时由于具有甲基丙烯酸酐基团，使得制备出来的水凝胶材料具有了光敏性.另外，在这个过程中，至多只有5%的明胶序列进行了反应，这样的结果是能够最大程度保留了明胶自身所携带的明胶功能氨基酸序列，例如RGD多肽序列、MMP降解序列，这些序列都可以与甲基丙烯酸不发生甲基丙烯酰化反应.所以，经过化学改性制备的GelMA可以拥有良好的生物活性，可以促进细胞粘附，而且这种水凝胶材料经体内的蛋白酶就可以进行降解.纯GelMA水凝胶是一种良好的生物降解材料，然而，当它作为某些应用时，如作为引导骨再生材料使用时：凝胶时间长、机械强度低、降解时间短、溶胀率高，限制了其应用.此类水凝胶要成为合适的组织工程支架材料，必须具有较短的凝胶化时间以减少操作时间，合适的机械强度和降解时间以保持组织重建的空间，较低的溶胀率以降低创伤压力、避免炎症.在所有合成的聚合物材料中，以聚乳酸（PLA）［16］、聚羟基乙酸（PGA）［17］及聚己内酯（PCL）［18］为代表的聚收稿日期：2020-09-18基金项目：惠州学院重点重大研究培育项目（hzux1201624）；惠州学院大学生创新创业训练项目（CX2020068）作者简介：强娜（1980-），女，吉林舒兰人，副教授，博士，研究方向为高分子材料，E-mail：*****************第6期强娜等：基于GelMA复合水凝胶的制备及性能研究α－羟基酸和它们的聚合物是组织工程领域中研究最广泛的一类聚合物.此类高分子聚合物材料因生物相容性好、可降解且降解速度易于调控等优点，在生物材料领域占主导地位.因此，本研究设计将PLLA与GelMA进行共混，通过热量分析（TG）、差示扫描量热法（DSC）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）来测试复合水凝胶的热分解温度、玻璃化转变温度、结晶度等.根据分析结果探究不同比例的PLLA与GelMA共混的性能，并找出较适合的比例加强特定性能，为进一步将其应用于组织工程提供科学依据.1实验部分1.1试剂与仪器左旋丙交酯（L-LA）购于广东惠州华阳医疗器械公司；明胶，甲基丙烯酸酐，Lrgacure2959购于Aladdin 公司；本实验所用试剂均购于广东惠州南源化玻有限公司，所有试剂均为市售分析纯.热重分析（TG）：热重分析采用TGA209F1热重分析仪，升温区间为35-600℃，升温速率为10K/min，吹扫气为氮气，流量为20mL/min，保护气为氮气，流量为20mL/min.差示扫描量热分析（DSC）：TA instruments MDSC 2910，氮气气氛（40mL/min），测定二次升温曲线.每个样品质量为3-5mg，升降温速率为10℃/min，样品扫描温度范围为0-250℃.X－射线衍射分析（XRD）：日本RIGAKU公司Ul-timaⅣ型X射线衍射仪，广角测量，2θ角为3°-60°，速度5°/min.扫描电镜分析：室温下喷金.在5kV加速电压下FE-SEM（SU8010field emission scanning electron micro-scope，Hitachi LTD，Tokyo，Japan）观察导管横断面形貌.1.2实验过程1.2.1聚左旋丙交酯（PLLA）的制备采用封管本体聚合方式制备共聚物.安瓿瓶经洗液浸泡（加热至60-70℃）、洗净、烘干，干燥24h后备用.将一定量的经纯化后的L-LA单体加入到干燥的30mL聚合管中，用氩气置换3次，加入异丙醇为引发剂并控制聚合物的分子量（［M］/［I］=600/1），再加入辛酸亚锡的甲苯溶液（［M］/［Cat］=1000/1），混合均匀，在室温下抽真空2h以除去残留的溶剂，封管，置于130℃的油浴中反应20h.反应结束后聚合管冷却至室温，沿瓶颈切断后，加入5mL氯仿将反应物完全溶解后，用8-10倍氯仿量的冷甲醇沉淀，重复溶解-沉淀两次，真空干燥24h得产物.1.2.2甲基丙烯酰化明胶（GelMA）的制备称取定量的明胶，加入到锥形瓶中并加入配置好的适量PBS溶液.水浴加热到60℃，不停搅拌至明胶全部溶解.待明胶完全溶解后，继续加热并逐滴滴加甲基丙烯酸酐进入锥形瓶，持续滴加一个小时.滴加结束两小时后，将预热到50℃的定量PBS溶液加入到锥形瓶，再持续搅拌15分钟.搅拌完毕后将锥形瓶中的溶液倒入透析袋中，透析一周.透析结束后，将收集的液体加热到60℃，用孔径为0.22微米的微孔滤膜趁热过滤，然后将所得液体搁置到冰箱预冻过夜，然后放置到冷冻干燥机上进行冷冻干燥得到GelMA白色絮状材料.1.2.3PLLA与Gel-MA复合物的制备分别称量左旋聚乳酸（PLLA）与GelMA比例为1∶4、1∶1、4∶1的原料，编号为1、2、3.配置0.25%g/ml的Lrgacure2959光引发剂溶液.用玻璃培养皿装取适量光引发剂溶液溶解GelMA，完全溶解后再加入PLLA，并用分散机将粉末打匀，直至PLLA悬浮在溶液中，整个过程需要避光进行.将制备好的溶液放10mW/cm2紫外灯下进行反应10分钟，制成PLLA/GelMA交联的水凝胶.2结果与讨论2.1PLLA性能的测定10020030040050060020406080100Massloss(%)T(C)图1PLLA的TG曲线由图1可知，图像中只有一个阶梯，表示着只有一个分解过程，PLLA完全分解.图2可知，升温过程中，图像先有一个冷结晶峰，再有一个向上的尖锐峰（熔融峰），说明PLLA为半结晶状态.由图1和图2可分析得··512020年第40卷惠州学院学报出PLLA 的热分解温度为299℃，熔点为166.6℃，玻璃化转变温度为52℃.与所查的文献资料非常接近，说明合成的聚合物的热稳定性较好，有且只有一个分解过程，符合均聚物的特点，说明反应物没有太多副反应发生.50100150200250E n d oT(C)图2PLLA 的DSC 曲线图3是PLLA 的XRD 衍射图像，PLLA 的衍射峰位置在22.19°，结晶度在50%，峰面积占了整个图像面积的一半左右，图像有尖锐峰，且峰被隆拱起，说明PLLA 为试样中晶态与非晶态“两相”共存，PLLA 为半结晶物质.1020304050040008000120001600020000I n d e n s i t y2q/图3PLLA 的XRD 谱图2.2GelMA 性能的测定根据图4显示可知，TG 图像中曲线有两个分解过程，第一个分解过程先损失12%，第二个分解过程失重69.3%，还有18.7%未损失.GelMA 是甲基丙烯酸酐修饰过的明胶，其中明胶的熔点在350℃左右，甲基丙烯酸酐的沸点在87℃，可以看出前一段为甲基丙烯酸酐，后一段为明胶或GelMA，剩余的物质是明胶在高温下形成的透明坚硬非晶物质.根据图4分析测得较大的热分解温度为281.9℃，TG 图中有两个分解过程，符合明胶被甲基丙烯酸酐修饰的特点.10020030040050060070020406080100M a s s l o s s (%)T/C图4GelMA 的TG 曲线2.3PLLA 与GelMA 复合水凝胶性能的测定由前面的分析可知，纯的PLLA 是均聚物，PLLA 与GelMA 的混合物中有一个分解过程，呈现出类似无规共聚物的特点.从图5中可以看出，PLLA 与GelMA 的比例1∶4、1∶1、4∶1的共聚物分解温度分别为235.9℃、259.8℃、244.8℃，根据所得分解温度可知当PLLA 与GelMA 的比例为1∶1时分解温度最高.由此可知添加GelMA 对PLLA 的热稳定性有影响，PLLA 与GelMA 的比例为1∶1热稳定性最佳.M a s s l o s s (%)T/C图5PLLA 、GelMA 及复合水凝胶的TG 曲线图6可知PLLA 与GelMA 的比例1∶4、1∶1、4∶1的共聚物熔点分别为127.5℃、127.5℃、117.5℃，PLLA 与GelMA 的比例1∶4、1∶1比例的熔融温度相近，看不出较大的差别，但4∶1时温度会较低一点.PLLA 与GelMA 的比例1∶4、1∶1、4∶1的各种比例共聚物升温过程中，不同比例的PLLA 与GelMA 共聚物，在升温过程中，其DSC 曲线先呈现一个下降峰，再有一个向上的尖锐峰（熔融峰）.说明各比例混合物为半结晶物质.PLLA 与GelMA 的比例1∶4、1∶1、4∶1的共聚物的玻璃化转变温度分别为25℃、25℃、20℃.常温下各混合物都可以达到玻璃化转变温度，其中聚PLLA 与GelMA 4∶1比例的玻璃化转变温度会更低一点.··52第6期强娜等：基于GelMA 复合水凝胶的制备及性能研究E n d oT/OC图6复合水凝胶的DSC 曲线根据XRD 测试的可知，由图7和图8测试结果显示，两个图均有隆峰，且都有尖锐峰，这表现出部分晶态，也就是说有部分为非晶态.根据各衍射峰的面积之和Sc、弥散隆峰面积Sa 和结晶度<Xc>，得出大致的结晶度<Xc>=Sc/（Sc+Sa ）.图7在17.43°和23.82°有两个衍射峰，通过计算可得结晶度在18.7%；图8的衍射峰位于19.07°，通过计算可得结晶度在15%；它们的衍射峰又细又长，所占的面积很小.根据衍射峰的面积与整个峰面积之比可知，共混之后的结晶度不高，同样为部分结晶物质.1020304050040008000120001600020000I n d e n s i t y2q/图7PLLA 与GelMA1：1复合水凝胶的XRD 谱图10203040500100002000030000400005000060000I n d e n s i t y2q/图8PLLA 与GelMA4：1复合水凝胶的XRD 谱图由SEM 图像观察到三个比例共混后的材料，其中图9为PLLA 与GelMA 1∶4共混物SEM 图，图11为PLLA 与GelMA 4∶1共混物要SEM图，二者均呈现团聚集块状，物质凝聚成一团，呈现出无规排列的状态，图10为PLLA 与GelMA1∶1共混物SEM 图，呈现条块团聚状，条块明显，呈现出层叠状，结构变得更规整.由此可见，当PLLA 与GelMA 共混比例为1∶1时，物质结构更规整.图9PLLA 与GelMA 1∶4复合凝胶的SEM 图像图10PLLA 与Gel-MA 1∶1复合凝胶的SEM 图像··532020年第40卷惠州学院学报图11PLLA与GelMA4∶1复合凝胶的SEM图像3结论PLLA具有众多优良的性质，它在亲水性、生物相容性等还不能完全满足细胞组织工程和一些生物医用工程的实际运用.GelMA是当今常用的3D打印材料，但是其力学性能的不足也限制着它的发展.为了实现PLLA与GelMA更好的应用，通过共混方法对二者进行改性.结果表明PLLA与GelMA的共混物热力学性能较为稳定，在常温下基本没什么变化，PLLA结晶度下降，使得材料的耐冲击性增强，韧性变好，延展性变好.观察其中PLLA与GelMA含量为1∶1时为最佳比例.通过PLLA与GelMA共混物的基本性质可知此材料可用于生物医用材料中.随着研究的继续，将探究PLLA与GelMA共混物在医用方面和3D打印材料的价值.这将是一样非常有前景的研究方向，而且能带给人们更多的便利.参考文献：［1］ANNABI N，MITHIEUX S M，ZORLUTUNA P，et al.Engineered cell-laden human protein-based elastomer［J］.Biomaterials，2013，34（22）：5496-5505.［2］XIAO W Q，HE J K，NICHOL J W，et al.Synthesis and characterization of photocrosslinkable gelatin and silk fibroin interpenetrat-ing polymer network hydrogels［J］.Acta.Biomater，2011，7（6）：2384-2393.［3］ASIM M H，SILBERHUMER S，SHAHZADI I，et al.S-protected thiolated hyaluronic acid：In-situ crosslinking hydrogels for3D cell culture scaffolds［J］.Carbohyd.Polym，2020（237）：116092.［4］WEI S M，PEI M Y，PAN W L，et al.Gelatin hydrogels reinforced by absorbable nanoparticles and fibrils cured in situ by visible light for tissue adhesive applications［J］.Polymers，2020（12）：1113.［5］CURTIS M W，RUSSELL B.Cardiac tissue engineering［J］.J Cardiovasc.Nurs，2009（24）：87-92.［6］TAN H，MARRA K G.Injectable，biodegradable hydrogels for tissue engineering applications［J］.Materials，2010（3）：1746-1767.［7］LI Y L，RODRIGUES J，TOMAS H.Injectable and biodegradable hydrogels：gelatin，biodegradation and biomedical applications ［J］.Chem.Soc.Rev，2012（41）：2193-2221.［8］GAO Y，YAN J，CUT X J，et al.Aligned fibrous scaffold induced aligned growth of corneal stroma cells in vitro culture［J］.Chem.Res.Chin.Univ，2012，28（6）：1022-1025.［9］GARAGORRI N，FERMANIAN S，THIBAULT R，et al.Keratocyte behavior in three-dimensional photopolymerizable poly（eth-ylene glycol）hydrogels［J］.Acta.Biomater，2008，4（5）：1139-1147.［10］DONG Z Q，YUAN Q J，HUANG K Q，et al.Gelatin methacryloyl（GelMA）-based biomaterials for bone regeneration［J］.RSC.Adv，2019（9）：17737-17744.［11］BAS O，LUCAROTTI S，ANGELLA D D，et al.Rational design and fabrication of multiphasic soft network composites for tissue engineering articular cartilage：a numerical model-based approach［J］.Chem.Eng.J，2018（340）：15-23.［12］WU S，DUAN B，QIN X H，et al.Living nano-micro fibrous woven fabric/hydrogel composite scaffolds for heart valve engineer-ing［J］.Acta.Biomater，2017（51）：89-100.［13］PATEL D，SHARMA S，R.C.SCREEN H，et al.Effects of cell adhesion motif，fiber stiffness，and cyclic strain on tenocyte gene expression in a tendon mimetic fiber composite hydrogel［J］mun，2018，499（3）：642-647.［14］DING Y，XU X，SHARMA S，et al.Biomimetic soft fibrous hydrogels for contractile and pharmacologically responsive smooth muscle［J］.Acta.Biomater，2018（74）：121-130.［15］DEN BULCKE A I，BOGDANOV B，DE ROOZE N，et al.Structural and rheological properties of methacrylamide modified gela-tin hydrogels［J］.Biomacromolecules，2000（1）：31-38.··54第6期强娜等：基于GelMA 复合水凝胶的制备及性能研究［16］LI D W ，HE F L ，HE J ，et al.From 2D to 3D ：The morphology ，proliferation and differentiation of MC3T3-E1on silk fibroin/chi-tosan matrices ［J ］.Carbohyd.Polym ，2017（178）：69-77.［17］WANG F Y ，HU Y H ，HE D M ，et al.Scaffold -free cartilage cell sheet combined with bone -phase BMSCs -scaffold regener-ate osteochondral construct in mini -pig model ［J ］.Am.J.Transl Res ，2018（10）：2997-3010.［18］GIRAO A F ，SEMITELA A ，RAMALHO G ，et al.Mimicking nature ：fabrication of 3D anisotropic electrospun polycaprolactonescaffolds for cartilage tissue engineering applications ［J ］.Compos.Part B -Eng ，2018（154）：99-107.【责任编辑：裴蓉蓉】Preparation and Properties of GelMA Composite HydrogelQIANG Na ，LIAO Fangli，XIE Fang ，FENG Ying ，LI Jiajia，FENG Yufa（School of Chemistry and Materials Engineering，Huizhou University，Huizhou 516007，Guangdong，China ）Abstract：Hydrogel is a very important material and can be used directly in tissue engineering.However，due to its poor mechanical properties，poly （L-lactide ）（PLLA ）and functional gelatin were chosen as composite materials in this study.First，photosensitive gela-tine methacrylamide （GelMA ）was synthesized by chemical reaction using gelatin and methacrylic anhydride （MA ）.Then the composite hydrogel was prepared under UV light exposure at different ratio.The properties of thermodynamics，degree of crystallinity and morphol-ogy，were tested by Thermogravimetric Analysis （TG ），Differential Scanning Calorimetry（DSC ），X-ray Diffraction （XRD ）and Scanning Electronic Microscopy.And（SEM ）a scheme of material concentration ratio which is most suitable for composite hydrogel was selected.Key words：poly （L-lactide ）（PLLA ）；gelatine methacrylamide （GelMA ）；composite hydrogel｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛｛（上接第49页）Electrospray Ionization Mass Spectrometry Study of Flavonoid Mixturesby Alkali Metal AdductionsZHANG Na 1，CUI Peng 2，LIU Wei 1（1.Faculty of Chemistry and Chemical Engineering；2.Modern Educational Technology Center，Huangshan University，Huangshan 245041，Anhui，China ）Abstract：The mass spectrometry of 7flavonoid mixtures（matrix B ）and alkali metal ions mixture M +（M=Li，Na and K ）was studied by UPLC-QTOF-MS technology and electrospray ion source.The formation of alkali metal adduct ions of matrix B and M +under different collision energy，different concentration and different adding mode was discussed.The results show that under different experimental conditions，various kinds of adducts with different abundances can be formed between each compound and alkali metal ions，the adducts appear in groups，and the mass difference between the two peaks of each group is an integral multiple of 16.The presence of adducts is helpful to determine the exact mass number of unknown compounds in polyhydroxy mixtures.Key words：adduct ions；electrospray ionization mass spectrometry；flavonoids··55。
聚乙二醇水凝胶微球制备_概述说明以及解释
聚乙二醇水凝胶微球制备概述说明以及解释1. 引言1.1 概述在现代材料科学领域，聚乙二醇水凝胶微球制备技术因其独特的物理化学性质和广泛的应用前景而备受关注。
聚乙二醇是一种重要的温和生物材料，具有良好的生物相容性、可降解性以及高度可调控的形态和结构特征，使其成为制备水凝胶微球的理想基材之一。
本文旨在全面介绍聚乙二醇水凝胶微球制备技术，并探讨其在不同领域中的应用。
首先，将对聚乙二醇的介绍和特性进行详细阐述，包括其化学结构、分子量范围、溶解性等方面。
进而，系统地介绍水凝胶微球制备的原理和方法，涵盖常见的交联反应、溶液共混法、电沉积法等各种技术途径，并分析比较它们在微球制备过程中的优缺点。
最后，将重点关注聚乙二醇水凝胶微球在生物医药领域、环境治理以及能源储存等方面的应用，探讨其在这些领域中的作用和潜在的研究价值。
1.2 文章结构本文共分为五个部分，每个部分都涵盖了相关内容以便读者全面了解聚乙二醇水凝胶微球制备技术。
具体而言，文章结构如下：第一部分是引言，在这一部分中将对本文的目的、概述以及整体文章结构进行介绍。
第二部分将详细介绍聚乙二醇的特性和水凝胶微球制备技术。
主要包括对聚乙二醇化学结构及特点简要概括，并深入阐述了各种制备方法中原理及应用领域。
第三部分将详细介绍实验所使用的材料清单、微球制备实验步骤详解以及实验条件和参数设置，为读者提供清晰可行的实验指南。
第四部分将对实验结果进行充分展示，并进行深入讨论，包括微球形态表征结果的分析、微球材料性能优化与改进策略的探讨，以及应用效果评价及展望。
最后一部分是结论与展望，在这一部分中将总结研究成果及贡献点，提出存在问题及进一步研究方向建议，并展望聚乙二醇水凝胶微球制备领域的发展前景。
1.3 目的本文的目的是全面介绍聚乙二醇水凝胶微球制备技术及其应用，在此基础上，提供实验所需材料清单、详细的实验步骤以及实验条件和参数设置。
同时，通过对聚乙二醇水凝胶微球形态和性能的表征结果进行分析和讨论，探索优化和改进策略，并对其在不同领域中的应用效果进行评价。
NIPAM单体及PEGDA_NIPAM共聚物的合成及表征
N IPAM单体及P E GDA/N IPAM共聚物的合成及表征3谭帼馨1,阮雄杰1,宁成云2,关燕霞1,田 冶2(1.广东工业大学轻工化工学院应用化学系,广东广州510006;2.华南理工大学材料学院生物材料研究所,广东广州510641)摘 要: 采用烯腈烷基化再部分水解的方法合成的N2异丙基丙烯酰胺(N IPAM)单体,并利用红外光谱(F T2IR)、氢核磁共振谱(1H NMR)、质谱(MS)进行了表征。
以IR GACU RE2959为光引光剂,通过紫外光引发光聚合的方法合成了PEGDA/N IPAM共聚物水凝胶,并对共聚物进行F T2IR表征,探讨了凝胶的亲水性能。
结果表明,N IA PM单体的F T2IR中含1657.7cm-1的羰基峰、1549.5cm-1氨基上的氢峰、1367.5cm-1的异丙基上的振动氢峰和1621.2cm-1的烯烃双键峰,1H NMR中含δH7.9亚胺基的活泼氢峰及双键中同碳位、顺式位和反式位的氢峰及异丙基特征峰,MS表明m/z=112为分子离子峰,结果符合N IPAM结构式;聚合物F T2IR表明,双键的特征峰减弱,双键打开合成了PEGDA/N IPAM共聚物;随着N IPAM单体含量的增大,共聚物的接触角减小,平衡溶胀率增大,亲水性增强。
关键词: N2异丙基丙稀酰胺;聚乙二醇双丙烯酸酯;水凝胶;表征;亲水性中图分类号: O631文献标识码:A 文章编号:100129731(2010)01200962041 引 言N2异丙基丙烯酰胺(N IPAM),是一种温敏智能原料,其聚N2异丙基丙烯酰胺(PN IPAM)水凝胶能具有低临界溶解温度(low critical solution temperat ure, L CST),当温度低于其L CST时,PN IPAM水凝胶高度溶胀,而当温度在L CST以上时,水凝胶会剧烈收缩,溶胀程度突然减少[1～3],该L CST在人的生理温度附近且略高于常温,易于控制,并且聚合物具有水量高、柔软、橡胶般的粘稠性、生物相容性及易于改性等优良特性,使之成为目前文献报道和研究最多的一类温敏凝胶[4～8]。
可生物降解智能水凝胶的研究进展.
可生物降解智能水凝胶的研究进展*孙姣霞1,罗彦凤2,屈晟2(1.重庆大学化学化工学院,重庆400044;2.重庆大学生物工程学院,重庆400044*基金项目:重庆市自然科学基金资助项目(CSTC2006BB5010;国家自然科学基金资助项目(30470474收到稿件日期:2007-06-08通讯作者:罗彦凤作者简介:孙姣霞(1984-,女,湖南新化人,在读研究生,主要从事高分子材料研究。
摘要:可生物降解智能水凝胶因其在生物医学领域有着广泛的应用前景,因而已成为科研工作者研究的热点。
详细介绍了可生物降解智能水凝胶的研究现状及其在药物释放体系中的应用,并预测了智能水凝胶可能的发展方向。
关键词:智能水凝胶;可生物降解;药物释放系统;综述中图分类号:O648;R313.08文献标识码:A文章编号:1001-9731(2007增刊-1895-041引言水凝胶是指可被水溶胀的半固态交联聚合物网络。
智能型水凝胶(intelligent hydrogels or smart hydrogels是一类对外界刺激能产生敏感响应的水凝胶。
典型的外界刺激有温度、pH 值、溶剂、盐浓度、光、电场、化学物质等。
目前研究最多的是pH 敏感型和温度敏感型水凝胶[1~3]。
智能水凝胶按其降解性能可分为可降解性智能水凝胶和不可降解性智能水凝胶。
聚丙烯酰胺类、聚丙烯酸类、聚乙烯醇类等水凝胶主要是依赖双键的自由基反应形成以C —C 连接为主的交联网络,这种以C —C 连接的交联网络通常都是不可降解的。
而可降解水凝胶能在机体生理环境下,通过水解、酶解,从高分子、大分子物质降解成对机体无损害的小分子物质,并且这些小分子降解产物通常是体内自身就存在的,如氨基酸、乳酸等,最后,通过机体的新陈代谢完全吸收和排泄,对机体无毒副作用。
这类材料可用于控制药物在体内的释放,实现药物靶向输送,使药物在体内能够保持有效的浓度,减小或消除副作用,此外还可以避免免疫排斥以及二次手术等缺陷[4~6],因而在生物医学领域有广泛的应用。
水凝胶的合成、性质及应用.
大学化学第16卷第5期2001年10月知识介绍水凝胶的合成、性质及应用翟茂林哈鸿飞(北京大学技术物理系北京100871摘要本文介绍了水凝胶的制备方法、性质、影响其性质的主要因素及其在日用、工农业和医用领域的应用。
水凝胶可定义为在水中能够溶胀并保持大量水分而又不能溶解的交联聚合物。
亲水的小图1 水凝胶网络示意图a 、b 表示内部4功能和3功能链联结点分子能够在水凝胶中扩散。
水凝胶的网络结构如图1所示。
水凝胶具有良好的生物相容性,自20世纪40年代以来,有关水凝胶的合成、理化性质以及在生物化学、医学等领域中的应用研究十分活跃[1]。
水凝胶有各种分类方法,根据水凝胶网络键合的不同,可分为物理凝胶和化学凝胶。
物理凝胶是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的,这种凝胶是非永久性的,通过加热凝胶可转变为溶液,所以也被称为假凝胶或热可逆凝胶。
许多天然高分子在常温下呈稳定的凝胶态,如k 型角叉菜胶、琼脂等[2];在合成聚合物中,聚乙烯醇(PVA是一典型的例子,经过冰冻融化处理,可得到在60 以下稳定的水凝胶[3]。
化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合物,是永久性的,又称为真凝胶。
根据水凝胶大小形状的不同,有宏观凝胶与微观凝胶(微球之分,根据形状的不同宏观凝胶又可分为柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等,目前制备的微球有微米级及纳米级之分。
根据水凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝胶两大类。
传统的水凝胶对环境的变化如温度或pH 等的变化不敏感,而环境敏感的水凝胶[4,5]是指自身能感知外界环境(如温度、pH 、光、电、压力等微小的变化或刺激,并能产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变的一类高分子凝胶。
此类凝胶的突出特点是在对环境的响应过程中其溶胀行为有显著的变化,利用这种刺激响应特性可将其用做传感器、控释开关等,这是1985年以来研究者最感兴趣的课题之一。
根据合成材料的不同,水凝胶又分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。
水凝胶的制备及其研究进展
水凝胶的制备及其应用进展摘要水凝胶是一类具有广泛应用的聚合物材料，它在水中能够吸收大量水分而溶胀，并在溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。
由于其特殊的结构和性能，水凝胶自人们发现以来，一直被人们广为研究。
本文综述了近些年国内外在水凝胶制备和在生物医药、环境保护等方面的一些研究进展，并对水凝胶的应用前景做了一些展望。
关键词水凝胶药物释放壳聚糖染料吸附凝胶按照分散相介质的不同而分为水凝胶(hydro-gel)、醇凝胶(alcogel)和气凝胶(aerogel)等。
水凝胶的分散相介质是水,它是由水溶性分子经过交联后形成的,能够在水中溶胀并且保持大量水分而不溶解的胶态物质。
它在水中能够吸收大量的水分显著溶胀，并在显著溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。
[1]正因为水凝胶的这种特性，水凝胶能够对外界环境，如温度、pH、电场、磁场等条件变化做出响应。
近年来，对水凝胶的研究逐渐深入。
水凝胶的应用也越来越广泛，不仅在载药缓释、环境保护方面有很大用途，而且在喷墨打印等方面也有越来越大的作用。
一、水凝胶的制备（一）PVA水凝胶的制备上世纪50年代,日本科学家曾根康夫最早注意到聚乙烯醇(PVA)水溶液的凝胶化现象。
由于PVA水凝胶除了具备一般水凝胶的性能外,具有毒性低、机械性能优良(高弹性模量和高机械强度)、高吸水量和生物相容性好等优点,因而倍受青睐。
PVA水凝胶在生物医学和工业方面的用途非常广泛[2]。
龚桂胜，钟玉鹏[3]等人利用冷冻-解冻法制备了不同类型高浓度聚乙烯醇（PVA）水凝胶，研究了PVA水凝胶的溶胀率、拉伸强度和流变特性。
他们发现不同类型的高浓度 PVA 水凝胶的力学性能相差较大，高分子量的 PVA 水凝胶的拉伸强度较低；这与低浓度的水凝胶相反。
徐冰函[4]首先制备PVA水凝胶，再以PVA 水凝胶作为载体利用反复冷冻的方法成功制备含有二甲基砜的PVA水凝胶。
实验制备的MSM/PVA水凝胶具有优良的理化性能，并且可以用于人工敷料的制备。
P(NIPAm-co-AMPS)温敏水凝胶的合成及表征
P(NIPAm-co-AMPS)温敏水凝胶的合成及表征姚新鼎;方瑞娜;刘伟【摘要】利用水性引发剂制备了聚(NIPAm-AMPS),经过红外图对其结构谱进行确认.研究交联剂用量、AMPS含量、水溶液浓度和反应温度等因素对水凝胶的相变温度(LCST)的影响.结果表明,交联剂用量对水凝胶的相变温度(LCST)影响不大;随着AMPS含量的增加,水凝胶的相变温度(LCST)逐渐升高,可以控制AMPS和NIPAAm的摩尔比来改变凝胶的相变温度(LCST).实验证明:对于同样一种材料,随着材料水溶液浓度的提高,相变温度会逐渐降低,而沉降温度会逐渐提高;随着树脂合成温度的升高,对应的树脂相变点温度呈下降趋势.【期刊名称】《黄河水利职业技术学院学报》【年(卷),期】2019(031)001【总页数】4页(P46-49)【关键词】聚(异丙基丙烯酰胺);2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸;温敏性;共聚;表征【作者】姚新鼎;方瑞娜;刘伟【作者单位】黄河水利职业技术学院,河南开封 475004;黄河水利职业技术学院,河南开封 475004;黄河水利职业技术学院,河南开封 475004【正文语种】中文【中图分类】TA413.110 引言温敏水凝胶是一种通过响应环境温度的变化进而在固态和液态之间相互转化的智能水凝胶，被广泛应用于组织工程、药物载体、血管栓塞以及骨科等多个领域［1～4］。
聚（N-异丙基丙烯酰胺）（POLY（N-ISOPROPYL ACRYLAMIDE，简称PNIPAm）水溶液是一种温敏水凝胶，其结构中既包含亲水性的酰胺基团（-CONH2），又包含疏水性的异丙基基团（-CH（CH3）2）［5］。
当外界环境温度低于相变点温度（Lowest Critical Solution Temperature，简称 LCST）时，PNIPAm与分子内部或分子间的水形成氢键，在这种氢键作用力的影响下，PNIPA转变为透明的、可以流动的液体［6］。
基于席夫碱键的可注射糖肽水凝胶的制备及性能
基于席夫碱键的可注射糖肽水凝胶的制备及性能赵麒;何婉莹;段莉洁;张瑜;于双江;高光辉【摘要】以氧化葡聚糖( ODEX)和聚赖氨酸-聚乙二醇-聚赖氨酸( PLL24-PEG-PLL25)三嵌段聚合物为前驱体，通过ODEX中的醛基与PLL中的氨基之间的席夫碱键反应，制备了ODEX/PLL24-PEG-PLL25水凝胶.研究了其凝胶强度、降解时间及对阿霉素( DOX)释放量的影响.结果表明，随着ODEX中醛基密度的增加，凝胶强度逐渐增大，最大强度为3100 Pa.流变学研究结果表明，由于ODEX中的醛基与DOX中的氨基存在席夫碱键作用，导致凝胶强度从2160 Pa降至1730 Pa.降解实验结果表明， ODEX/PLL24-PEG-PLL25水凝胶具有较长的降解时间，最长时间达到29 d.药物释放结果表明， ODEX/PLL24-PEG-PLL25水凝胶具有酶促降解释放药物的性能.在Elastase溶液中， ODEX/PLL24-PEG-PLL25水凝胶所载DOX累积释放量达到最大值74.35%.结果表明， ODEX/PLL24-PEG-PLL25水凝胶具有进一步应用于体内局部药物传输的潜力.%The purpose of gel is applied to body with no toxic. Based on dextran, oxidized dextran( ODEX) with the different oxidation extent was prepared. At the same time, the tri-block polymers poly ( lysine )-polyethylene glycol-poly( lysine) ( PLL24-PEG-PLL25 ) was synthesized, which becomes hydrogels through the reaction between the dextran aldehyde groups and the poly-L-lysine amino groups via Schiff’ s base formation. The storage modulus, degradation time of gel, and release of doxorubicin ( DOX ) were characterized. The results showed that gel strength increased gradually with the increasing density of aldehyde in ODEX, and the maximum storage modulus was 3100 Pa. The rheological test indicates that the storage modulus was reduced from 2160P a to 1730 Pa, due to the Schiff’ s effect between ODEX aldehyde group and DOX amine group. The gel had a long degradation time up to 29 d. Drug release studies showed that DOX released from carrier gel was triggered by the enzyme. In Elastase solution, DOX release rate had reached up to 74. 35%. The findings reveal that the hydrogel have promising applications in drug delivery in vivo.【期刊名称】《高等学校化学学报》【年(卷),期】2016(037)009【总页数】7页(P1750-1756)【关键词】氧化葡聚糖;聚赖氨酸;酶响应;可注射糖肽水凝胶;控制释放;席夫碱【作者】赵麒;何婉莹;段莉洁;张瑜;于双江;高光辉【作者单位】长春工业大学化学工程学院高分子化学与物理系，长春130012; 中国科学院长春应用化学研究所，生态环境高分子材料重点实验室，长春130022;长春工业大学化学工程学院高分子化学与物理系，长春130012;长春工业大学化学工程学院高分子化学与物理系，长春130012;中国科学院长春应用化学研究所，生态环境高分子材料重点实验室，长春130022;中国科学院长春应用化学研究所，生态环境高分子材料重点实验室，长春130022;长春工业大学化学工程学院高分子化学与物理系，长春130012【正文语种】中文【中图分类】O631化学交联凝胶是高分子链间通过共价键交联而形成的三维网络结构. 常见的化学交联方式包括光交联[1]、自由基聚合[2～5]、酶交联反应[6～9]及点击化学反应[10～13]. 但这类凝胶存在成胶速率较慢及凝胶引发剂有毒性等缺点, 限制了其在生物体内的应用. 近年来, 基于羰基与氨基缩合成亚氨键(席夫碱键)交联反应型凝胶的研究屡见报道[14～17]. 利用这种化学键的特性, Deng等[18]合成了三重醛基改性的2-(羟甲基)-2-甲基丙烷-1,3-二醇作为交联剂, 与聚乙二醇的酰肼衍生物(NH2NH-PEG-NHNH2)反应制得了具有良好可恢复特性的水凝胶. Patenaude等[19]分别合成了酰肼功能化和醛基功能化的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)寡聚物, 并将这2种功能化的PNIPAM以等质量比共混后, 形成的水凝胶在25～37 ℃之间具有良好的可恢复性. Wu等[20]分别合成了醛基功能化的四臂聚乙二醇(4-arm PEG-FA)和四臂-聚乙二醇-聚-L-赖氨酸星型嵌段共聚物(PPLL), 并将这2种聚合物以不同的体积比混合后形成水凝胶, 在pH值为7.4, 6.8和6.0的PBS溶液中具有不同的降解速率. 这类基于席夫碱的反应具有反应简单高效、副产物为水及不需要额外引入引发剂等特点, 但关于凝胶的pH响应及温度响应报道较多, 而关于酶响应的报道较少.葡聚糖是一类有良好生物相容性和可降解性的天然多糖[21,22], 糖环中含有大量—OH, 通过将部分—OH氧化为—CHO作为化学结合位点, 与聚合物中—NH2键合形成席夫碱键, 具有反应活性高及交联度精细可控的特点. Miano等[23]研究了氧化葡聚糖(ODEX)与聚乙烯亚胺(PEI)水凝胶在抗菌方面的应用效果, PEI是具有高电荷密度的有机大分子, 对化脓性链球菌具有很好的杀伤效果, 但高电荷密度使PEI 具有很强的细胞毒性. 氧化葡聚糖具有良好生物相容性, 将ODEX与PEI通过席夫碱键合, 形成ODEX/PEI凝胶, 在降低PEI的毒性的同时具有很好的杀菌效果.聚赖氨酸(PLL)是一种微生物代谢产物, 易溶于水, 可降解为赖氨酸. Wu等[24]设计了一种氨基酸基纳米凝胶注射型水凝胶作为药物传输体系, 带负电荷的聚乙二醇-b-聚谷氨酸(PPLG)与带正电荷的羟丙基壳聚糖/聚乙二醇-b-聚赖氨酸(HPCS/PPLL)通过离子交联; 同时带醛基的胆固醇修饰的氧化葡聚糖(OCDEX)纳米凝胶与带氨基的HPCS/PPLL间发生基于席夫碱键反应形成物理化学交联水凝胶; 通过担载白介素-2、干扰素-γ和阿霉素进行肺癌的治疗, 实验结果表明, 这种载药体系可以更高效率地抑制肿瘤, 降低体内的药物副作用.本文用聚赖氨酸(PLL)对聚乙二醇(PEG)侧基进行修饰, 得到PLL24-PEG-PLL25三嵌段型聚合物, 再与氧化葡聚糖(ODEX)共聚, 制备了具有化学交联的ODEX/PLL24-PEG-PLL25水凝胶; 考察了水凝胶的强度和降解时间及阿霉素在凝胶体系中的释放情况.1.1 试剂与仪器葡聚糖(Mw=100000, 分析纯)、聚乙二醇(PEG, Mn=2000, 分析纯)、盐酸阿霉素(DOX·HCl, 生物试剂)和噻唑蓝(MTT, 生物试剂), Sigma-Aldrich公司; N6-苄氧羰基-L-赖氨酸环内酸酐[L-Lys(CBZ)-NCA, 分析纯], 成都蒽莱生物科技有限公司; 高碘酸钠和盐酸羟胺(分析纯), 百灵威化学试剂; 对甲苯磺酰氯(PTSC, 分析纯), 国药基团化学试剂有限公司; 其它试剂均为分析纯, 北京化工厂.德国Bruker公司Bruker AM-400M型核磁共振(1H NMR)仪, 分别将PLL24-PEG-PLL25和ODEX溶于氘代氯仿(CDCl3)或氘代重水(D2O)中, 以0.01%(体积分数)四甲基硅烷(TMS)为内标, 扫描84次; 美国Bio-Rad公司Bio-Rad Win-IR型傅里叶变换红外光谱(FTIR)仪, 溴化钾压片, 扫描范围4000～500 cm-1; 美国Micrion公司Micrion FEI PHILIPS型场发射扫描电子显微镜(SEM); 奥地利Anton Paar公司Anton Paar@Physica MCR 301流变仪, 将300 μL混合溶液置于流变仪底板上, 采用直径为25 mm平板转子, 在37 ℃下进行测试, 测试距离为0.5 mm, 应变幅度1%, 频率1 Hz.1.2 PLL24-PEG-PLL25, ODEX和ODEX/PLL24-PEG-PLL25水凝胶的制备将40 g PEG用200 mL二氯甲烷充分溶解, 依次加入19.2 g对甲苯磺酰氯(PTSC)和5.6 g氢氧化钾, 搅拌72 h后倒入分液漏斗, 用50 mL蒸馏水洗涤, 分液后产物在二氯甲烷溶液中, 用MgSO4于室温干燥12 h, 用乙醚沉降, 室温下真空干燥12 h后得到聚合物CH3-Ph-SO2-PEG-SO2-Ph-CH3. 将20 g CH3-Ph-SO2-PEG-SO2-Ph-CH3用500 mL氨水充分溶解, 加入20 g氯化铵, 于25 ℃反应96 h后, 向反应液中加入200 g氯化钠, 用CH2Cl2萃取, 用MgSO4于室温干燥12 h后, 用乙醚沉降, 室温下真空干燥12 h得到聚合物NH2-PEG-NH2. 将1 g NH2-PEG-NH2加入100 mL干燥的甲苯中, 于130 ℃共沸除水2 h, 用真空泵抽干甲苯; 依次加入40 mL干燥的DMF和31 g L-Lys(CBZ)-NCA, 于30 ℃反应72 h后用乙醚沉降, 真空干燥得到浅黄色聚合物PLL24-b-PEG-b-PLL25; 将PLL24-b-PEG-b-PLL25用30 mL三氟乙酸(TFA)溶解后加入6 mL氢溴酸(HBr)反应1 h后, 装入透析袋中, 在去离子水中透析72 h后冻干, 得到PLL24-PEG-PLL25.将10 g葡聚糖用200 mL二次蒸馏水充分溶解, 分别加入6.65, 4.44和3.33 g高碘酸钠(NaIO4), 蔽光室温反应1.5 h, 装入透析袋中, 在去离子水中透析72 h, 得到氧化度分别为51.8%, 36.6%和24%的ODEX, 分别命名为ODEX 1, ODEX 2和ODEX 3. ODEX的氧化度与醛基含量通过盐酸羟胺法测定[25], ODEX中醛基与盐酸羟胺反应, 生成化合物肟的同时释放一分子盐酸, 通过测定酸碱滴定测定pH值可以间接测出ODEX的氧化度和醛基含量.将PLL24-PEG-PLL25和ODEX分别溶于PBS(pH=7.4)缓冲溶液中, 浓度均为200 mg/mL. 用1 mol/L HCl调节PLL24-PEG-PLL25的pH值为7.4. 凝胶总体积设定为500 μL, ODEX 1, ODEX 2, ODEX 3和PLL24-PEG-PLL25溶液体积比分别为362∶138, 400∶100和410∶90, 将2种溶液放入小玻璃瓶中混合, 通过涡旋仪振荡10 s后于37 ℃静置; 通过倒置法观察凝胶成胶时间, 3种凝胶成胶的时间分别为15, 130和256 s. 根据ODEX氧化度, ODEX/PLL24-PEG-PLL25凝胶分别命名为Gel1, Gel2和Gel 3. 将0.5 mg DOX加入88 μL(200 mg/mL) PLL24-PEG-PLL25溶液中, 充分溶解, 加入402 μL(200 mg/mL) ODEX溶液置于小玻璃瓶中, 用涡旋仪振荡10 s, 于37 ℃静止5 min, 得到载药凝胶Gel 3+DOX.1.3 体外降解实验用Tris(pH=7.4)缓冲溶液溶解Elastase, 酶的活力为5 U/mL. 以Elastase溶液作为实验组, PBS(pH=7.4)缓冲溶液作为对照组, 各吸取5 mL分别加入到ODEX/PLL24-PEG-PLL25凝胶中, 在37 ℃及75 r/min的恒温摇箱中进行降解实验; 按照预定时间, 用滤纸吸干小玻璃瓶中降解后的溶液, 称重后加入相同体积降解溶液; 每组3个平行样. 凝胶质量剩余率(%)=(mt / m0)×100(其中, mt表示凝胶降解后净质量, m0表示凝胶初始质量).1.4 体外药物释放用Tris(pH=7.4)缓冲溶液溶解Elastase和Proteinase K, 酶活力为5 U/mL. 分别以PBS(pH=7.4)、 Elastase溶液、 Proteinase K溶液(以下酶溶液均按上述方法配制)作为释放介质, 每个玻璃瓶加入量为5 mL. 将Gel 3+ DOX凝胶置于37 ℃及75 r/min的恒温摇箱中, 开始释放实验, 按照预定时间, 取出释放降介质3 mL, 加入相同体积新鲜释放介质. 阿霉素的释放浓度通过荧光光谱仪测定, 所有实验平行进行3次.2.1 PLL24-PEG-PLL25, ODEX和ODEX/PLL24-PEG-PLL25的合成及表征用NH2-PEG-NH2引发L-Lys(CBZ)-NCA的开环聚合, 得到了PLL24-b-PEG-b-PLL25嵌段聚合物, PLL24-b-PEG-b-PLL25在CF3COOH/HBr体系中脱去苄基, 得到PLL24-PEG-PLL25单体; 用高碘酸钠氧化葡聚糖, 得到ODEX, 合成路线如Scheme 1 所示.图1给出PLL24-PEG-PLL25的 1H NMR谱. 由图1可见, δ 3.64～3.72处为PEG亚甲基的吸收峰, δ 3.18～3.42处为嵌段链中赖氨酸邻近氨基的亚甲基对应氢的特征吸收峰; δ 1.48～1.91处为亚甲基对应氢的特征吸收峰. 对a和f特征峰进行积分, 可得到PLL聚合度为49, 由于PEG两端同时引发聚合, 因此PLL链节数分别为24和25, 表明合成了PLL24-PEG-PLL25.图2给出ODEX的 1H NMR谱图. 烷基氢谱呈单峰分布(δ 4.72～4.89), 而糖环上其它氢谱以多重峰的形式出现(δ 3.31～3.82); 醛基特征峰为δ 9.54～9.69, 说明葡聚糖中羟基被氧化成醛基.图3给出ODEX和ODEX/PLL24-PEG-PLL25的红外光谱. 图3谱线a中, 特征吸收峰分别为羟基(3400 cm-1)及非醛基上的羰基(1670 cm-1). 图3谱线b中, 2900, 1330和1460 cm-1 处分别对应PEG上C—H 的伸缩振动吸收峰和弯曲振动吸收峰;在1090 cm-1 处出现PEG醚键伸缩振动峰; 在3345, 1595 cm-1处出现PLL中N—H的伸缩振动峰和弯曲振动峰, 证明合成了PLL24-PEG-PLL25. 对比 ODEX/PLL24-PEG-PLL25和ODEX的红外光谱可知, ODEX/PLL24-PEG-PLL25 中 1735 cm-1 处的羰基特征吸收峰消失, 在1690 cm-1处出现亚胺基特征吸收峰, 说明凝胶单体通过席夫碱反应形成水凝胶. 由于凝胶所形成的交联网络限制了PLL24-PEG-PLL25分子链的运动, 导致反应不完全, 在3345和1595 cm-1 处出现了氨基特征吸收峰.2.2 席夫碱键水凝胶的制备和表征以ODEX和PLL24-PEG-PLL25为前驱体制备水凝胶, 通过计算使ODEX中醛基与PLL中氨基等摩尔混合, 形成水凝胶. 制备过程如Scheme 2所示.在ODEX制备过程中, 通过控制Dextran/NaIO4投料比, 制备了3种不同氧化度的ODEX. 在相同浓度下, 凝胶成胶时间逐渐减小, 即tGel 1< tGel 2< tGel 3, 随着ODEX中醛基密度的降低, 与PLL24-PEG-PLL25中氨基接触概率减少, 成胶时间减慢; 其中Gel 1与Gel 2成胶时间较快, 分别为15和130 s; 但研究发现, 较为合理的体内成胶时间为3～5 min[26], 因此重点考察了Gel 3凝胶的物理化学性质. 图4(A)和(B)分别为Gel 3和Gel 3+DOX 的SEM照片, 可见2种凝胶均为多孔结构, 其中Gel 3凝胶结构较Gel 3+DOX凝胶结构致密. 由图4(C)可见, 冻干的水凝胶内部为多孔结构, 孔的尺寸在3 μm左右, 由图4(C)插图可见, Gel 3凝胶的物理状态为淡黄色透明胶体.从图4(D)可见, 凝胶孔径变大, 尺寸在4 μm左右, 这是由于DOX中含有氨基, 与ODEX的醛基形成席夫碱键, 减小了PLL中氨基与ODEX中醛基接触概率, 导致凝胶孔径变大, 从图4(D)插图可以看出, Gel 3+DOX在常温状态下呈红色.2.3 席夫碱键水凝胶的流变学性能考察了ODEX/PLL24- PEG-PLL25凝胶储能模量(G′)和损耗模量(G″)随时间的变化情况. 其中储能模量(G′)和损耗模量(G″)的交点为凝胶点(P). 由图5可见, 随着ODEX氧化度增加, 醛基密度增大, ODEX与PLL中氨基交联概率增大, 凝胶储能模量(G′)增大; 3种凝胶储存模量(G′)大小顺序为图6为凝胶Gel 3和载药凝胶Gel 3+DOX的强度变化曲线. 可以看出, 2种凝胶样品均出现了凝胶点, 当加入DOX组分时, 成胶时间从240 s(凝胶点)延长到270 s(凝胶点). 在5400 s时, 凝胶储存模量(G′)从2160 Pa降至1730 Pa, 这是因为DOX中含有—NH2, 与PLL中—NH2形成了竞争关系, 使PLL24-PEG-PLL25中与ODEX交联的氨基数目减少, 凝胶强度降低.2.4 Gel 3+DOX的降解性能以Elastase溶液作为降解质溶液, PBS(pH=7.4)缓冲溶液作为对照组, 研究了Gel 3+DOX凝胶体外降解行为. Gel 3+DOX凝胶在降解过程中质量变化是其溶胀行为和降解行为共同作用的结果. 由图7可见, 凝胶呈现出高溶胀的特点, Gel3+DOX凝胶在Elastase溶液中质量增长达到最大值, 质量变化率达到155%; 而Gel 3+DOX凝胶在PBS缓冲溶液中溶胀情况低于在Elastase溶液中溶胀情况, 质量变化率为152%; 在溶胀15 d时, Gel 3+DOX凝胶开始降解, 从质量剩余率可以推算出Gel 3+DOX凝胶Elastase溶液中降解速度快; 在溶胀29 d时, Gel3+DOX凝胶质量剩余达到17%, 说明Gel 3+DOX凝胶具有酶促降解的特点.2.5 药物的体外释放分别采用Elastase和Proteinase K溶液作为体外模拟药物释放环境, 以PBS缓冲溶液为对照组, 进行模拟体外释放, 结果如图8所示. 实验结果证明, DOX在Elastase和Proteinase K溶液中累积释放量明显优于对照组PBS溶液中阿霉素的释放量. 25 d后, DOX的累积释放量分别达到74.35%, 69.30%及49.91%, 显示出Gel 3凝胶具有酶促降解的特点. 药物释放检测呈现出早期释放快, 后期释放慢的特点. 由于药物释放曲线受到分子扩散和网络降解两个因素控制, 释放初期, 部分药物未键合到ODEX中, DOX通过分子运动从凝胶孔隙扩散到降解质溶液中, 释放较快; 随着凝胶降解, DOX通过席夫碱键水解缓慢释放出来, 达到了缓慢控制释放的目的. 采用化学改性方法制备了ODEX与PLL24-PEG-PLL25聚合物, 通过席夫碱键键合作用, 在不外加交联剂的条件下制备ODEX/PLL24-PEG-PLL25水凝胶. 由于ODEX氧化度不同, 导致凝胶交联点数目不同, 因此凝胶成胶时间也不同. 当ODEX 氧化度为24.0%时, 成胶时间为256 s, 满足体内注射条件. SEM结果显示凝胶孔完整性好, 孔壁厚, 孔径为20 μm. ODEX/PLL24-PEG-PLL25水凝胶对小分子药物DOX具有键合作用, 且这种载药水凝胶具有酶促降解释放药物的特性, 其中在Elastase溶液中DOX释放量最大, 累积释放量达到74.35%. 表明Gel 3水凝胶具有作为抗癌药物输送及缓释的优点, 有望作为抗癌药物载体获得应用.† Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 21204081).。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
*2002 04 16收稿,2002 07 12修稿;**通讯联系人基于光聚合星型PEG b PCL 大分子单体可生物降解水凝胶的合成及表征*赵三平 冯增国**(北京理工大学化工与材料学院 北京 100081)摘 要 以辛酸亚锡为催化剂,通过星型聚乙二醇(PEG)引发 己内酯(C L )开环聚合,制备了PEG b PCL 嵌段共聚物,进一步以丙烯酸酯封端,合成了3种水溶性大分子单体.以2,2 二甲氧基 2 苯基苯乙酮为引发剂,在紫外光作用下,大分子单体在水中由于胶束的形成能够迅速聚合形成水凝胶.利用1H NMR 、FTIR 、DSC 、TGA 、ESEM 、凝胶含量、溶胀比等分析测试手段对大分子单体及其形成的水凝胶进行了表征.结果表明,干胶迅速吸水而达到溶胀平衡,水凝胶具有较大的溶胀比和高的水含量;随着PEG 臂数的增加,干胶的熔融峰顶温度下降,凝胶的溶胀比减小;ESE M 图片上清晰地表明水凝胶的网络结构.关键词 星型,开环聚合,胶束,溶胀比,网络结构近年来,以嵌段共聚物形式的热塑性可生物降解水凝胶作为药物控释体系越来越引起人们的注意,通过分子设计与合成,将可生物降解的疏水嵌段与水溶性嵌段相连接,从而形成两亲聚合物.目前对于由PE G 和聚羟基乙酸(PGA)或聚乳酸(PLA)组成的三嵌段共聚物体系研究较多,主要利用疏水嵌段PGA 或PLA 的结晶性或疏水作用形成物理交联点而形成水凝胶[1~3].尽管聚乙二醇 聚( 羟基酸)嵌段共聚物具有良好的溶胀性能,适宜作为蛋白质和多肽的控释体系,但是PEG 是非生物降解性的,并且PEG 具有很大的流体动力学体积.高分子量的PEG 不能在肾中排除掉,因而限制了其应用.与相同分子量和组分的线型聚合物相比,星型聚合物具有较小的流体动力学体积.当聚酯嵌段降解后,具有较小流体力学半径的PEG 能够经由肾完全排泄.Young 等[4]合成了系列多臂PE G 进而合成了星型PE G b PCL 嵌段共聚物,并研究了其作为溶胀型水凝胶的物理性质.Hubbell 等[5,6]合成了丙烯酸酯封端的聚乙二醇 聚( 羟基酸)(PGA 和PLA)三嵌段共聚物的水溶性大分子单体,并对其光聚合形成的可生物降解水凝胶进行了研究.在此基础上,本文合成了丙烯酸酯封端的水溶性星型PEG b PCL 嵌段共聚物,并对其光聚合形成的水凝胶进行了研究,试图为蛋白质和多肽药物的控释寻找一种理想的载体.1 实验部分1 1 原料和溶剂己内酯(C L),Aldrich 公司,纯度 99%.使用前用Ca H 2干燥48h,再经减压蒸馏处理.各种分子量的聚乙二醇(PEG):三臂PEG 15000(15K)、四臂PEG 30000(30K)和四臂PE G 21000(21K),黎明化工研究院提供,使用前,用甲苯共沸脱水.辛酸亚锡,Sigma 公司,纯度为95%.1 乙烯基 2 吡咯烷酮(NVP)和丙烯酰氯,Schuchardt 公司,紫外光引发剂2,2 二甲氧基 2 苯基苯乙酮(DMPA),Fluka 公司,纯度 98%,二氯甲烷和三乙胺(北京化学试剂公司),使用前用CaH 2干燥,再蒸馏.pH =7 4的磷酸盐缓冲盐水(PBS),自制.三氯甲烷(北京化学试剂公司)、石油醚(30~60 ,阿托兹精细化工有限公司)均为分析纯.1 2 星型PEG b PC L 嵌段共聚物的合成将1 368g 己内酯、15gPEG 15K 和7mg 辛酸亚锡混合(本实验控制PEG 每臂上聚己内酯的DP 为4)放入洁净的反应容器中,装好搅拌,封口,然后抽空通氩气,反复操作5次,最后通入氩气.将反应容器放入125 的硅油油浴中,恒温反应24h 后,用冷水终止反应,产物用三氯甲烷溶解,石油醚沉淀,过滤,得到白色产物,放入真空烘第2期2003年4月高 分 子 学 报AC TA POLYMERIC A SINIC ANo.2Apr.,2003201箱中,在40 干燥至恒重,收率为98 5%.1 3 丙烯酸酯封端的PEG b PCL 大分子单体的合成在250mL 圆底烧瓶中,将上面合成的共聚物10g 溶于10mL 无水二氯甲烷,后置于冰浴中,冷却到0 ,然后依次逐滴滴加0 42mL 三乙胺和0 25mL 丙烯酰氯,混合物在0 时搅拌反应12h,然后在室温下静止12h,过滤,除去三乙胺盐酸盐,滤液用过量石油醚沉淀,得到大分子单体,进一步分别用三氯甲烷和石油醚溶解和沉淀来纯化大分子单体,最后在50 真空条件下干燥一天,收率为88 5%.1 4 紫外光聚合将大分子单体用磷酸盐缓冲盐水配制成23%(W V )溶液,向1g 大分子单体溶液中滴加2 L 引发剂溶液(将600mg 2,2 二甲氧基 2 苯基苯乙酮溶于1mL 1 乙烯基 2 吡咯烷酮中),将大分子溶液倒在载玻片上,用波长为365nm 的紫外光照射,凝胶迅速生成.1 5 表征红外测试采用Nicolet Magma560FTIR 红外光谱仪.1H NMR 采用Bruker DMX 300NMR 核磁共振仪,以CDCl 3为溶剂.热分析采用DSC2910型热分析仪,升温速率10K min,N 2氛围;TGA 测试用TGA2950仪器,N 2气氛,升温速度为10K min 。
水凝胶中水相转变的测定,取一定量的水凝胶密封于样品池中,在N 2保护下,以10K min 的升温速度从-70~50 对其进行DSC 扫描,并用纯水所形成的融化热焓(6030J !mol -1)作标准,计算水凝胶中冻结水的含量,然后根据总含水量来计算非冻结结合水含量.凝胶含量测定是取一定量的凝胶(厚度为1mm 左右)真空60 干燥两天至恒重,称重为W 1,然后用氯仿反复抽提一天,再干燥,称重为W 2,利用W 2/W 1来计算凝胶含量.溶胀比测定是将上述抽提干燥后的凝胶,放入磷酸盐缓冲盐水中(20 ),一定时间取出,用滤纸仔细吸出表面水后称重为W 3,溶胀比利用公式SR =(W 3-W 2)/W 2来计算.水凝胶含水状态下的形貌采用KYKY 1500B 型环境扫描电镜(ESE M)来观察断面结构.2 结果与讨论2 1 星型PEG b PC L 嵌段共聚物及其大分子单体的合成在辛酸亚锡存在下,用多臂PE G 引发 己内酯开环聚合.由于反应是可控开环聚合反应[7],因而可通过控制[CL]/[PE G]的摩尔投料比来获得不同组成的嵌段共聚物(见表1).图1是三臂PEG (a)、PEG b PCL 嵌段共聚物(b)和丙烯酸酯封端的大分子单体(c)的1H NMR 谱图,图1(a)中!=3 32处有水的化学位移[4],表明多臂PEG 中含有少量水.图1(b)清晰地表明了嵌段共聚物的形成,共聚物(如式∀)的实际组成和分子量由共聚物中CL 单元和乙二醇单元的相关氢的积分面积之比来计算.图1(c)表明大分子单体(如式#)中双键的存在,!=3 10是大分子单体中存在的少量未除尽的三乙胺盐酸盐中亚甲基的化学位移,其甲基在!=1 41与CL 的g(H)有重叠.反应式∀是星型PEG b PCL 嵌段共聚物、大分子单体及其所形成的水凝胶的合成路线.表1是所合成的水溶性大分子单体的性质.由于多臂PEG 是水溶性聚合物,而聚己内酯为疏[∃∃∃C H 2d C H 2d O ]x ∃∃∃C H 2c C H 2a O [∃∃∃C O C H 2e C H 2f C H 2g C H 2f C H 2b O ]y ∃∃∃C OC H 2e C H 2f C H 2g C H 2f C H 2d O H (∀)[∃∃∃C H 2d C H 2d O ]x ∃∃∃C H 2c C H 2a O [∃∃∃C O C H 2e C H 2f C H 2g C H 2f C H 2b O ]y ∃∃∃C O C H 2e C H 2f C H 2g C H 2f C H 2m OCO C H hC iH H j(#)T able 1 Synthesi s and characteris tic of macromersMacromer code No of armsPEG (mol wt)Monomer DP or pol yes terAppearance Solubility in waterPECL 15K 315000CL 12Solid Soluble PECL 30K 430000CL 16Solid Soluble PECL 21K421000CL16SolidSoluble202高 分 子 学 报2003年水性聚合物,因而可通过控制聚己内酯的聚合度,合成水溶性PE G b PCL嵌段共聚物,进而合成丙烯酸酯封端的大分子单体.图2是PECL 15K大分子单体(a)和其封端前的共聚物(b)的FTIR谱图,PE G b PCL共聚物在3510cm-1处有羟基的强吸收峰,丙烯酸酯封端后消失,两种聚合物在2880cm-1和1110cm-1处都分别有C∃H和醚键的吸收峰,以及在1756c m-1处有己内酯组分酯基的吸收峰.Sche me1 The synthesis of s tar shaped PEG b PCL(four arms)block copolymer,macromer and i tshydrogelFi g.1 1H NMR spectra(CDCl3)of three arm PEG(a),i ts PEG bPCL copolymer(b)and PECL 15K mac romer(c)Fi g.2 FTIR s pectra of PECL 15K macro mer(a)and theoriginal bl ock c opol ymer(b)2 2 水凝胶的合成多臂PEG为亲水聚合物,当其端基含有憎水可聚合丙烯酸酯基团时,具有两亲性质,在水中可形成胶束结构[8,9],从而有利于自由基聚合反应的发生.因而即使在有氧和水存在的条件下,在光引发剂(由于引发剂D MP A在水中的溶解度很小,常选用两亲性和生物相容性[10]较好的NVP作为助溶剂)存在下,经紫外光照射,也能迅速聚合而形成水凝胶,而且凝胶含量高.表2是水凝胶的合成和相关性质.从表中可以看出,多臂大分子单体在水中数秒钟的时间内能迅速交联形成凝胶.较双官能度PEG大分子所形成的水凝胶而言,有更快的聚合速度和更高的凝胶含量[5],可能因为多官能度PEG大分子单体在水中双键更容易取向,导致胶束中双键更高的浓度,有利于自由基反应的进行.2032期赵三平等:基于光聚合星型PEG b PCL大分子单体可生物降解水凝胶的合成及表征2 3 胶体的表征2 3 1 水凝胶的溶胀特性 图3是在20 的PBS 溶液中干胶的溶胀比随时间的关系曲线.从中可见,干胶在很短时间里迅速达到溶胀平衡(12min 左右),而且具有较大的溶胀比.这可能由于PEG 具有很好的亲水性,加之胶体中存在尺寸较大的网络结构,从而有利于水向网络内部扩散,因而具有较快的溶胀特性.当臂数相等时(2和3),随着每臂PE G 分子量的增加,溶胀比增大,这是因为分子量的增加,导致交联密度的降低[11],因而具有较大的溶胀比;当每臂的PEG 分子量接近时,随着PEG 臂数的增加,溶胀比减小,这是由于臂数的增加,交联密度增大之故.Table 2 Synthesis and c haracteris tic of hydrogelsNo of hydrogels Macromers Iradiationtime (s)Gelcontent(%)Tensile strength (MPa)Elongation at break(%)1PECL 15K 1875.40.04732.92PECL 30K 1266.30.03635.63PECL 21K973.40.06823.5Fig.3 Swelling kinetic of di fferent hydrogels in phosphate buffer saline at 202 3 2 胶体的DSC 分析 由于交联聚合物中PC L 链段的含量很低,DSC 曲线上的熔融峰主要是由PEG 链段的熔融来决定的.图4是3种干胶的DSC 曲线,都呈较宽的熔融单峰,这是由于受到聚合物交联结构的影响.从图中可以发现,当每臂PEG 的分子量接近时,随着臂数的增加(1:三臂,3:四臂),其T m 降低,分别为59 3 和56 1 .可能是因为臂数的增加,更加破坏了分子链段规整排列;而臂数相同时,随着PEG 链段的分子量的增加,T m 也增大(2:四臂;T m 为58 9 ).一般认为[12~15],水凝胶中含有状态不同的3种水:以氢键结合的非冻结结合水、可冻结结合水Fig.4 DSC curves of the dried gels N 2protection,ris ing rate:10K min及自由水.在低温DSC 曲线上(见图5)存在非常明显的吸收峰,与冰有相似的熔融DSC 曲线,但他们的初始熔融温度比纯水所形成的冰的偏低.这是由于水凝胶中存在自由水和可冻结的结合水,前者与纯水的行为一致,后者的熔融温度比纯水所形成的冰的偏低,但这两种不同形式冰熔融峰连在一起,很难定量区分.通常用DSC 曲线上吸热峰的热焓与纯水所形成冰的吸热峰的热焓相比较,来计算水凝胶中可冻结水和非冻结水的含量.表3列出了几种水凝胶达到熔胀平衡时的水含量.由表中可以看出,水凝胶中大量存在的是可冻结水.Fig.5 DSC melting thermogra ms of frozen water in hydrogels N 2protection,ri sing rate:10K minT able 3 The content of di fferent types of water in hydrogels s wollen in distilled waterNo of hydrogelsTotal water content (wt%)Total freezing water content (wt%)Nonfreezing bound water (wt)192.981.411.5291.679.312.3388.477.710.72 3 3 水凝胶的力学性能 水凝胶的机械强度主要与亲水链段PEG 的分子量和PEG 的臂数204高 分 子 学 报2003年有关.亲水链段的分子量越大,水凝胶的交联密度越小,导致其强度下降,伸长率提高;另一方面,当PE G 的臂数增加时,交联密度增大,胶体的强度就越高,但断裂伸长率却随之下降.表1的结果充分显示了这种规律.但从整体上看,由于水凝胶高度含水,其力学性能较差.2 3 4 水凝胶的热性能 图6为1号样水凝胶(20 下达到溶胀平衡)的TGA DTG 图,由前面可知,水凝胶中即含有结合水,又含有自由水,而且大量存在的是自由水.水凝胶的失重包括水的挥发(自由水和结合水)和聚合物的分解.从图6可见,溶胀水和聚合物的DTG 峰分别为78 36 和394 05 .水凝胶在100 将失去绝大部分水,聚合物在350 开始分解.由于在取样、称量过程中,有部分失水,故TGA 所测的水含量略偏低,但仍可看到水凝胶含水量很高.Fi g.6 TGA D TG curves for hydrogel sample 12 3 5 水凝胶断面的形貌 水凝胶具有一定的弹性,能够吸水溶胀,因此应该具有一定的网络结构.较一般的扫描电镜而言,环境电镜对真空度的要求相对要低,可使水凝胶中的水保留一定的时间,而且无需特殊制样就能对水凝胶进行测试,因此可用环境扫描电镜来观察水凝胶含水状态下的网络结构.图7是2号样水凝胶的断面在30kV 的电压下扫描测试的图片,从图上可以清晰地看到水凝胶断面的网络结构.在环境电镜测试中,凝胶仍有一定的失水,另外高能的电子束轰击也可能导致凝结结构的变化,但是从图片上仍能够推测其断面的网络结构.Fi g.7 Photogragh of ESEM for s ample 2(a %1000;b %4000)利用多臂PEG 引发 己内酯开环聚合,以丙烯酸酯封端,合成了3种水溶性大分子单体,大分子单体的水溶液在引发剂和UV 作用下,能快速光聚合形成水凝胶.胶体具有较大的溶胀比,通过改变PEG 的臂数和分子量可以控制其溶胀比,进而控制其网络结构.REFERENCES1 Jeong B,Bae Y H,Ki m S W.J Bi omed Mater Res,2000,50:171~1772 Lee D S,Shi m M S,Ki m S W,Lee H,Park I,Chang T.Macromol Rapid Commun,2001,22:587~5923 Lim D W,Park T G.J Ap pl Polym Sci,2000,75:1615~16234 Youn g K C,You H B,Su ng W K.Macromol,1998,31:8766~87745 Amarp rer S S,Jeffrey A.Hubb ell Macromol,1993,26:581~5876 Lu S,An seth K S.Macromol,2000,33:2509~25157Zhao S P(赵三平),Yin Y(尹),Feng Z G(冯增国).Journal Functional Pol ymers(功能高分子学报),2002,14:67~718 Ito K,Tanaka K,Tanak a H,Imai G,Ka wagu chi S,Itsu no S .Macromol,1991,24:2348~23549 Valdes Aguilera O,Pathak C P,S hi J,Watson D,Neckerd D C.Macromol,1992,25:541~54710 West J L,Hubb el l J A.React Polym,1995,25:139~14711 Keys K B,And reopoulas F M,Pep pas N A.Macromolecules,1998,31:8149~815612 Nak amu ra K,Hatakeyama T,Hatakeyma H.Pol ymer,1983,24:871~87613 Ahmad M B,Hu glin M.Polymer,1994,35:1997~200014 S un g Y K,Gregon is D E,J oh n M S,An drade J D.J Ap pl Polym Sci,1981,26:3719~372815 G uo X L(郭兴林),L F M(李福绵),Zhang S L(张树霖).Acta Polym Sin (高分子学报),2001,(3):408~4112052期赵三平等:基于光聚合星型PEG b PCL 大分子单体可生物降解水凝胶的合成及表征206高 分 子 学 报2003年S YNTHES IS AND CHARACTERIZATION OF BIODEGRA DABLE HYDROGELS BASED ON PHOTOPOLYMER IZED STAR SHAPED POLY(ETHYLENE GLYCOL)co POLY( C APROLACTONE)MAC ROMERSZ HAO Sanping,FENG Zengguo(Sc hool o f Che mica l En ginee rin g&Mate ria ls Sc ie nce,Be ijin g Institute o f Tec hnolog y,Bei jing 100081)Abstract The star shaped block copolymers were prepared by ring opening polymerization of caprolactone in the presence of multiarm PE G using stannous octoate as a catalyst.Based on these star shaped PEG b PCL,soluble macromers terminated with acrylate groups were synthesized.The a mphiphilic nature of the macromers causes them to assume a micellar conformation in water,which enables the m to undergo rapid polymerization using photoinitiator under UV radiation.Macromers and their hydrogels were characterized by1H NMR、F TI R、DSC、TGA、ESE M、gel content and swelling ratio etc.It is sho wn that dried gels absorb water rapidly,and hydrogels have high swelling ratio and water content.With the increase of arm numbers of PEG,the temperature of the melting peak of dried gels and the swelling ratio of hydrogels decrease;The photograph of ESE M indicated clearly the network structure of the hydrogel.Key words Star shaped,Ring opening polymerization,Micellar,Swelling ratio,Network structure。