dayin壳聚糖_海藻酸钠水凝胶的制备及其在药物控释中的应用

河北科技师范学院学报　第24卷第1期,2010年3月
Journal of Hebei Nor mal University of Science &Technol ogy Vol .24No .1March 2010
壳聚糖/海藻酸钠水凝胶的制备及其
在药物控释中的应用
郑学芳,刘　纯,廉　琪,贾丹丹,田宏燕,王东军
3
(河北科技师范学院理化学院,河北秦皇岛,066600)摘要:以戊二醛(G A )为交联剂,壳聚糖作为聚阳离子组分,海藻酸钠作为聚阴离子组分,制备了壳聚糖(CS )海藻酸钠(S A )水凝胶。

探讨了改变溶液的pH 值和交联剂用量等条件对两种水凝胶溶胀性能的影响。

交联剂含量、pH 对CS 2S A 水凝胶溶胀率的影响较大,且在酸性条件下的水凝胶的溶胀率远大于碱性条件下的溶胀率,包埋在此水凝胶中的牛血清蛋白(BS A )释放随载药介质的pH 值的变化而显著不同,pH 值为1.0条件下载药的水凝胶释药率大于pH 值为7.4,9.18条件下的释药率。

关键词:壳聚糖;海藻酸钠;牛血清蛋白;控制释放
中图分类号:O636.1 文献标志码:A 文章编号:167227983(2010)0120008204
水凝胶对外界刺激如pH 值、溶剂、盐浓度、光等能产生相应的体积变化,广泛应用于药物控制释
放、固定化酶、物料萃取、生物材料培养、提纯、蛋白酶的活性控制等领域[2～4]。

壳聚糖(CS )作为一种带
正电荷的天然多糖,具有良好的生物相容性和生物降解性[5]。

由于其具有良好的吸水保湿性能[6]
,作为水凝胶,在药物控制释放上具有良好的发展前途。

海藻酸钠(S A )是一种广泛存在于各类棕色海藻中的天然高分子,可与多价阳离子形成简单的凝胶,成胶条件温和,该类凝胶对机体无毒性,适合作为药物包埋材料。

笔者以戊二醛为交联剂,壳聚糖作为聚阳离子组分,海藻酸钠作为聚阴离子组分制备壳聚糖/海藻酸钠水凝胶(CS 2S A ),并通过改变溶液的pH 值和交联剂用量等因素来探讨水凝胶的溶胀性能变化。

同时以牛血清蛋白(BS A )为模型药物,研究其在CS 2S A 水凝胶中的释放行为。

1　实验部分
1.1　试剂与仪器
壳聚糖(CS ),分子量:1.5×105,脱乙酰度90%,粘度为90mPa ・s,浙江玉环化工厂生产;海藻酸钠(S A ),(C 6H 7Na O 6)n ,天津市光复精细化工研究所生产;牛血清蛋白(BS A ),上海蓝季科技发展有限公司生产;戊二醛(G A ),25g/L;冰乙酸,250g/L 。

傅里叶变换红外光谱仪(FTI R 28900),日本岛津公司生产;紫外分光光度计(UV 22401PC ),日本岛津公司生产。

1.2　水凝胶的制备
1.2.1　CS 2S A 最佳配比的选择　取5个50mL 小烧杯,按表1的原料配比,顺序加入20mL 去离子表1　最佳配比的选择编号海藻酸钠/g 壳聚糖/g 戊二醛/mL 冰乙酸/mL 溶胀度CA 210.20.61.2855.9052CA 220.30.51.2853.2505CA 230.40.41.2852.4666CA 240.50.31.2851.7676CA 250.60.21.2851.8920水,5mL 冰乙酸,海藻酸钠和壳聚糖,搅拌均匀
后,加入戊二醛(25g/L ),室温下搅拌24h,成胶
后倒入培养皿,真空干燥后切块,用去离子水浸
泡24h,每隔12h 换一次水以除去未反应的戊
二醛等小分子,最后于室温下真空干燥至恒重,
并分别标记为C A 21,C A 22,C A 23,C A 24,C A 25。

当海藻酸钠∶壳聚糖=5∶3时,形成凝胶的
溶胀度最小,说明正好处于海藻酸钠/壳聚糖基金项目:河北省自然科学基金资助项目(B20080004)。

3通讯作者,男,教授。

主要研究方向:高分子材料。

E 2mail:wdj9999@ 。

收稿日期:2010202223;修改稿收到日期:2010203209
的等电点,—COO -和—NH +3所带电荷相当,相互之间的静电吸引力较强,导致溶胀度较小(表1)。

因
此在下面的水凝胶制备过程中使用海藻酸钠/壳聚糖之比为5∶3的配比。

1.2.2　CS 2S A 水凝胶的制备　取5个50mL 洁净的小烧杯,分别向其中加入0.5g 海藻酸钠,20mL 去离子水,5mL 冰乙酸(250g/L ),搅匀后再加入0.3g 壳聚糖,继续搅拌,然后分别加入0.32,0.96,1.28,1.60,
2.12mL 戊二醛(25g/L ),混匀后室温下反应24h,成胶后取出,分别标记为A,B,C,D,E,室温干燥。

用去离子水浸泡(每12h 换水1次,以除去未反应的单体),24h 后取出,均匀切成4块,晾干备用。

1.3　水凝胶溶胀率的测定
用重量法测定水凝胶的溶胀率(SR ),把水凝胶置于一系列不同pH 值的溶液中,隔一定时间后取出,用滤纸吸干其表面的水分,称重,计算其溶胀率SR =(W -W 0)/W 0。

其中,W 0为溶胀前干胶的质量(g ),W 为吸水后水凝胶的总质量(g )。

1.4　pH 缓冲溶液的制备
pH 1.0的缓冲溶液由氯化钾和盐酸溶液配制;pH 4.0的缓冲溶液由邻苯二甲酸氢钾溶液配制;pH 7.4,
9.18的缓冲溶液由硼酸—氯化钾溶液和碳酸钠溶液配制,再用NaCl 调节缓冲溶液离子强度为0.2。

1.5　牛血清蛋白的吸附与释放
1.5.1　标准曲线的制备　分别配制BS A 质量浓度为5,4,3,2,1,0.5,0.1g/L 的系列溶液,用1c m 比色皿在波长279n m 处测其吸光度。

以吸光度为纵坐标,质量浓度为横坐标,得回归方程A =-0.0011+0.62068C,r =0.9994(λmax =279n
m )。

1.5.2　牛血清蛋白的吸附　准确量取一定量的5g/L 的BS A 溶液3份,准确称取按照1.2方法制备的A 水凝胶3块,对应的放入已量好的BS A 溶液中,于冰箱中浸泡24h,使CS 2S A 水凝胶达到溶胀和吸附平衡,然后取出水凝胶,准确测量剩余液体的体积,并用紫外分光光度计于279nm 处测定剩余液体的吸光度值,标准曲线法算出其中BS A 的浓度,计算水凝胶的载药量。

1.5.3　牛血清蛋白的释放　按照上述方法,同样称取A ,B ,C 三种水凝胶各1块,浸入5g/L BS A 溶液于冰箱中放置24h,达到溶胀和吸附平衡后,取出,用蒸馏水小心冲洗,用滤纸吸干表面的水分,分别放置到50mL pH =1.0,7.4,9.18的缓冲溶液中,每隔1h 移取5mL 缓冲溶液,分别以各自的空白作为参
比,测279n m 处的吸光度[7],再补充相同体积的缓冲溶液到缓冲体系中,使体积恒定。

计算不同时间牛
血清蛋白从水凝胶中的释放百分率,测定结果以释药率(释药量/载药量)来表示。

图1　CS (a ),S A (b )和CS 2S A 水凝胶(c )的红外光谱2　结果与分析
2.1　聚合物的红外光谱分析
壳聚糖红外光谱中,1600c m -1
处有C O 基的
特征吸收峰(图1)。

水凝胶在1550c m -1处出现了仲
酰胺的相关吸收峰,同时O —C —O 对称伸缩振动(1
411c m -1)吸收峰变大[8],这证明在酸性环境下,壳聚
糖的氨基发生质子化,而海藻酸钠的羧基发生离子
化,二者之间形成离子键,产生微弱的静电引力,可见
壳聚糖和海藻酸钠发生了交联。

2.2　交联剂含量对CS 2S A 水凝胶溶胀度的影响
将A ,B ,C,D ,E 放入水中,达到溶胀平衡时,测其
质量,考察交联剂含量对水凝胶溶胀度的影响。

结果表明,戊二醛浓度增加,溶胀度相应减小,原因可能是交联剂浓度增加,使得分子链之间的交联密度增大,网络空间减小(图2)。

2.3　CS 2S A 水凝胶的pH 值敏感性
将样品A,B ,C,D 置于pH 值1.0,4.0,7.4,9.18的缓冲溶液中,观察其溶胀率的变化。

结果表明,酸性条件下溶胀率远大于碱性条件下的溶胀率,由于CS 2S A 水凝胶是两性聚电解质(图3)。

水凝胶中存在着如—COOH,—NH 2,—OH 等多种极性基团,在不同的溶液中,离子化程度不同,溶胀性能也不同。

9
　1期 郑学芳等　壳聚糖/海藻酸钠水凝胶的制备及其在药物控释中的应用
pH 值为1.0时,—NH 2被质子化为—NH +3,静电斥力和亲水性增加,导致溶胀率增加;pH 值为4.0时,
溶胀率较低,氨基和羧基之间离子键和,形成紧密结构,因而不易溶胀;pH 值为7.4时,此时的—COOH
部分电离,此时羧基与羟基的氢键起主要作用,—COO -提供亲水性;pH 值为9.18时,可能是因为强碱
性环境下,存在较多的—NH 2,氨基之间或者氨基与羟基之间形成的氢键增加,致使聚电解质分子链致密,溶胀度下降。

由此,可以通过调节交联剂的用量来调控水凝胶的pH 值敏感范围。

当溶液pH 发生变化时,由于海藻酸钠和壳聚糖的解离度不同[9]
,海藻酸钠分子链上的羧基和壳聚糖分子链上的游离氨基、羧基的电荷密度都会发生显著变化,从而对水凝胶的溶胀度产生影响。

凝胶的交联度越小,氨基含量越高,凝胶的溶胀度就越大,敏感性越强。

壳聚糖中有一定量的游离氨基存在,由
于阳离子间的排斥作用,凝胶的溶胀度增大[
10]。

图2　交联剂含量对溶胀度的影响 图3　pH 值对壳聚糖/海藻酸钠水凝胶溶胀率的影响
2.4　不同交联剂含量的CS 2S A 水凝胶释药性能比较
2.4.1　不同pH 值下牛血清蛋白的控制释放　按照1.4.2称取3份A 水凝胶,载药量分别为7.037×10-5,6.385×10-5,6.196×10-5g/g 。

将已经载药的水凝胶分别放入pH 1.0,7.4,9.18的缓冲溶液中,测量牛血清蛋白随时间的释药情况。

结果表明,在pH 值为1.0的条件下,释药初期速度比较快,释药
率达80%,后期趋于平稳(图4)。

因为酸性环境中,水凝胶的—NH 2以—NH +3形式存在,由于静电斥力
作用使得水凝胶中的各个网格空隙增大,孔道畅通,渗透性增强,牛血清蛋白分子容易从中溶出。

这与
酸性环境中具有较大溶胀度的实验结果相符[11]。

同理,中性和碱性条件下,氨基之间以及氨基与羟基
之间的氢键使得网格紧密,释药率小,8h 的累积释药率低于50%。

2.4.2　不同交联剂含量的CS 2S A 水凝胶释药性能比较　将不同交联剂含量的载药水凝胶A ,B ,C 置于pH7.4的缓冲溶液中,测其释药率。

结果表明,交联剂用量少的A 水凝胶的累积释药率最大,且达到释
药平衡的时间最长
[12](图5);B ,C 交联剂浓度高,释放速度变缓,主要是因为交联剂用量多,使得水凝胶分子间的孔径较小,BS A 不容易从中释放出来。

累积释药率分别为40%和16%。

图4　BS A 在不同pH 值溶液中的释放曲线 图5　不同交联剂含量CS 2S A 水凝胶对BS A 释药的影响01河北科技师范学院学报 23卷　
3　结论与讨论
本次研究选择无毒可生物降解的壳聚糖、海藻酸钠为凝胶骨架材料,戊二醛为交联剂,采用化学交联的方法,制备壳聚糖/海藻酸钠水凝胶(CS 2S A )。

实验表明:CS 2S A 水凝胶具有pH 敏感性;随着交联剂用量的增加,凝胶交联度提高,分子链之间的交联密度随之增加,聚合物的分子链流动性降低,网格减小,不利于水分子向内渗透,使凝胶的溶胀度下降。

以牛血清蛋白为模型药物,对CS 2S A 水凝胶进行载药释药性能测试,发现其对牛血清蛋白有一定的缓释作用,释放周期超过8h,有望作为药物缓释载体。

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作者简介:郑学芳(19802),女,讲师。

主要研究方向:高分子材料。

(责任编辑:朱宝昌)
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(College of Physics &Chem istry,Hebei Nor mal University of Science &Technol ogy,
Q inhuangdao Heibei,066600,China )
Abstract:pH 2sensitive hydr ogels based on chit osan 2s odium alginate (CS 2S A )was synthesized by using gluta 2radehyde as cr oss 2link agent .The effects of the degree of the dosage of cr osslinking and pH on the s welling be 2havi ors of the hydr ogel were studied .The results showed that the s welling rati o (SR )of this hydr ogel in acide s oluti on was much larger than that in alkaline s oluti on .The release behavi or of bovine serum alu m in entrapped in the hydr ogels was of distinct difference with the changes of pH value of l oading medium.The release of bo 2vine seru m alu m in in the t w o kinds of hydr ogels in the mediu m of pH 1.0was much quicker than that in pH
7.4and 9.18.
Key words:chit osan;s odium alginate;bovine seru m albu m in;contr olled release
11　1期 郑学芳等　壳聚糖/海藻酸钠水凝胶的制备及其在药物控释中的应用。