壳聚糖_聚乙烯醇温敏水凝胶的制备及性质研究

陈欢欢, 昝 佳, 林 莹, 蒋国强, 丁富新
(清华大学பைடு நூலகம்化学工程系, 北京 100084)
摘 要: 通过对壳聚糖的化学交联和聚乙烯醇 (PVA ) 的物 理交联作用来提高壳聚糖 甘油磷酸体系的凝胶密度和凝胶 强度, 形成互穿网络结构体系, 并在甘油磷酸盐作用下形成 具有温度敏感 pH 依赖型的水凝胶, 在体温下能迅速成胶。 通过交联剂进一步强化后的互穿网络体系结构更致密, 机械 强度好。 Fou rier 红外光谱证明凝胶中存在交联剂和壳聚糖 形成的 Sch iff’s 键。 经 PVA 和化学交联后的温敏凝胶具有 更紧密的结构, 在原位温敏性可生物降解植入剂应用领域具 有发展潜力。
图 2 中壳聚糖和 PVA 质量浓度比固定为 2 1, 在 (37±0. 1) ℃下 3～ 15m in 内粘度迅速升高, 原来 具有良好流动性的溶液转变成半固体状的凝胶。 随 着体系中交联剂 (戊二醛) 浓度的升高, 溶胶 凝胶相 转变速度加快, 但在一定浓度 (40 Λm o l L ) 以上其凝 固过程的加速变化将减慢。 交联剂能促进凝胶速度 加快的原因是其上活泼的醛基与壳聚糖分子链上裸 露的氨基反应形成 Sch iff’s 键[6], 减少壳聚糖上的 电荷数目 (表 1) , 促进凝胶网络结构的形成, 使得升 温后壳聚糖分子间的疏水作用力增强, 最终导致凝 胶形成速度加快。 但壳聚糖一定程度交联后形成网 络结构, 对进一步交联造成了空间位阻, 因而一定交 联剂浓度 (40 Λm o l L ) 以上再提高交联剂浓度, 对凝 胶动力学的影响较小。
1. 5 Four ier 红外光谱检测 将水溶胶样品均匀倒在塑料介质表面铺膜, 放
置在 80℃下的烘箱中。 干燥后剥离储存在干燥器 中。 千分尺测量所得膜厚度为 0. 5～ 1. 0mm 之间。 该膜直接放置在 Fou rier 红外光路中进行扫描测 量。检测波长为 400～ 4 000 cm - 1, 分辨度为 4 cm - 1, 每个样品扫描 32 次。
CHEN Hua nhua n, ZAN J ia , L IN Ying, J IANG G uoq ia ng, D ING Fux in
(D epartm en t of Chem ica l Eng ineer ing, Tsinghua Un iversity, Be ij ing 100084, Ch ina)
用, 如眼部给药[1 ], 埋植剂[2 ]或注射剂[3 ]。 它是阳离 子性聚电解质, 分子链上氨基的质子化作用使之能 溶于多种酸溶液中。pH 大于 6. 2 时, 会迅速沉积形 成水凝胶[4], 因而限制了它的应用范围。据报道, 多 羟基磷酸盐与壳聚糖作用后, 能将其由 pH 敏感变 成温度敏感 pH 依赖型凝胶[5]。 但是, 壳聚糖 甘油 磷酸体系作为温度敏感 pH 依赖型凝胶结构较疏 松, 用于药物控释方面效果不好, 不能满足植入型药 剂长时间稳定释药的要求。
陈欢欢, 等: 壳聚糖 聚乙烯醇温敏水凝胶的制备及性质研究
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样品
A 2B
CTS CCS CT S2PVA CC S2PV A CT S2PVA CC S2PV A
Θ[A ] Θ[B ] — —
1 0. 50 1 0. 50 1 0. 75 1 0. 75
pH
4. 67 5. 00 5. 03 5. 34 5. 33 5. 41
844
清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)
2006, 46 (6)
A ld rich Chem ica l) , 丙酮、磷酸氢二钠、乙酸等化学 试剂为分析纯。
1. 2 温敏水溶胶的制备 称取一定量的壳聚糖先溶解于 0. 1m o l L 醋酸
水溶液中, 溶解完全后过滤除杂, 再加入 PVA 粉 末, 在 80℃搅拌至 PVA 完全水解后, 缓慢降温至常 温; 脱气, 搅拌过夜后形成清亮均一的溶液。25℃下 逐滴加入稀释后的戊二醛溶液, 持续搅拌下交联反 应 10m in, 最终浓度为 0～ 100 Λm o l L。冰浴条件下 逐滴 加 入 甘 油 磷 酸 溶 液 至 2%～ 5% ( 质 量 体 积 比) , 并搅拌 30～ 60m in 至呈清亮溶液。用磷酸氢二 钠饱和溶液调节体系 pH 到 7. 15 左右。
壳聚糖上的氨基在酸性水溶液中可质子化为
N
H
+ 3
,
因此溶液具有较高的 Zeta 电位值。向体系中
添加一定浓度的交联剂或贯穿网络助剂均可以屏蔽
壳聚糖上部分正电荷, 降低 Zeta 电位提高 pH。 添加甘油磷酸后, 体系的 pH 值升高到 6. 5 以
上, 接近生理 pH 值。这可能是由于甘油磷酸中带负 电荷的多羟基基团中和了壳聚糖分子上带正电的
从凝胶的内部作用力分析, 该类体系主要受静 电和疏水作用力影响, 不存在较强的共价作用力和 稳定的结构。根据 F lo ry 的水凝胶作用理论, 化学交 联和物理交联作用可以改善凝胶的结构性质。 本文 拟从以上两个方面, 采用戊二醛化学交联和聚乙烯 醇 (PVA ) 的物理贯穿作用来提高壳聚糖 甘油磷酸 体系的凝胶密度和凝胶强度。
1 材料和方法
1. 1 药品和器材 仪 器: 数 显 转 子 粘 度 计 (B rookfield Inc,
U SA ) , H ZS21 水浴振荡器, Fou rier 红 外 光 谱 仪 FT IR (N EXU S, T herm o N ico let Inc) , Zeta 电位分 析 仪 (B rookhaven Inc, U SA ) , 气 相 色 谱 仪 (Sh im azhu ) , 示 差 扫 描 量 热 仪 (DCS 6200 Seiko In st rum en t)。
Abstract: T he den sity and streng th of ch ito san hyd rogel is im p roved by covalen t cro sslink ing and p hysical cro sslink ing of po ly (vinyl alcoho l) (PVA ) , w h ich fo rm s an in terpenetrating po lym er netw o rk. T he pH sen sitive ch ito san so lu tion w as neu tralized to p hysio log ical pH by glycero l pho sp hate and rem ained stab le at room tem p eratu re w h ile allow ing gel fo rm ation upon heating to 37 ℃. T he structu re and st ress of the hyd rogel w as st reng thened by PVA and covalen tly cro sslinked to fo rm the hydrogel m atrix. Fou rier tran sfo rm infrared sp ectro scopy test show s that the ch ito san is covalen tly cro sslinked by the fo rm ation of Sch iff’s base. W ith the cro sslinked PVA and the covalen t bond s, the therm o sen sitive hydrogel has in ten sified structu re and m ay be u sefu l fo r in situ gelling im p lan ts.
Key words: ch ito san; po ly (vinyl alcoho l) ; g lycero l p ho sphate; therm o sen sitive hyd rogel
壳聚糖 (Ch ito san ) 学名 Β21, 42聚2D 2氨基葡萄 糖, 具有良好的生物相容性, 在医药领域有广泛应
2 结果和讨论
2. 1 电荷效应
对于胶体溶液, Zeta 电位可以表征胶体粒子表 面电荷的大小。 表 1 给出在单纯的壳聚糖体系和壳 聚糖 甘油磷酸体系中化学交联和物理交联对于溶
液 pH 和 Zeta 电位的影响。其中 CT S 表示未化学交 联的壳聚糖, CCS 表示化学交联壳聚糖 (交联剂浓 度 60 Λm o l L ) , GP 表示甘油磷酸盐, GTD 表示交 联剂戊二醛。
间 t 变化曲线。升温过程分子运动加剧, 壳聚糖分子
间的疏水作用加强, 导致凝胶形成。但甘油磷酸浓度
4% 和 5% 对体系影响差别不大, 这可能是由于壳聚
糖表面裸露的静电荷数目是一定的, 甘油磷酸浓度
4%
时与壳聚糖的—N
H
+ 3
中和已基本完全。
图 1 (37±0. 1) ℃下, CTS PVA 质量浓度比 2 1 (交联 剂浓度 40 Λm ol L ) 下不同 GP 浓度的凝固动力学 比较
关键词: 壳聚糖; 聚乙烯醇; 甘油磷酸; 温敏水凝胶
中图分类号: R 944. 1 文章编号: 100020054 (2006) 0620843204
文献标识码: A
Prepara tion and phys ica l properties of ch itosan -poly (v inyl a lcohol) therm osen s it ive hydrogel
药品: 壳聚糖 (脱乙酰度 87. 1% , 平均相对分 子 量 约 为 300 000, F luka ) , 五 水 甘 油 磷 酸 钠 (C3H 7N a2O 6P 5H 2O , F luka) , PVA (平均相对分子 量 66 000, Sigm a) , 戊二醛溶液 (体积分数 50% ,
表 1 壳聚糖体系的 pH 和 Zeta 电位
Zeta 电位 mV
样品
A 2B 2C
Θ[A ] Θ[B ]
44. 61±1. 57 35. 96±1. 45 28. 19±1. 83 17. 54±0. 88 23. 90±1. 72 17. 07±1. 78
CT S2GP CC S2GP CT S2PVA 2GP CCS2PVA 2GP CT S2PVA 2GP CCS2PVA 2GP
1. 3 凝固动力学研究 数显转子粘度计检测水溶胶在 37℃下较低剪
切力下粘度的变化, 记录粘度随时间变化数据并作 图。 剪切速率为 1 r m in, 时间间隔 15～ 60 s 读数 1 次。
1. 4 Zeta 电位检测 根据不同配方水溶胶的 pH 值、粘度和介电常
数设定测量参数, Zeta 电位分析仪检测胶体的 Zeta 电位值, 表征胶体表面的电荷性质。
—N
H
+ 3
,
减小壳聚糖分子间疏水作用力, 避免了壳
聚糖的沉降过程的发生[ 4 ]。
2. 2 凝固动力学研究
甘油磷酸在体系中的作用主要是降低壳聚糖的
表面静电荷 (表 1) , 提高体系的 pH 值。随着体系中
甘油磷酸浓度的增加 (2%～ 5% ) , 溶胶 凝胶相转
变速度加快。 图 1 表示接近零剪切力下粘度 Γ 随时
收稿日期: 2005205231 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (20376038) ;
北京市自然科学基金资助项目 (2052012) 作者简介: 陈欢欢 (19832) , 女 (汉) , 浙江, 硕士研究生。 通讯联系人: 丁富新, 教授, E2m ail: dingfx@ tsinghua. edu. cn
ICSNSN11120202022300N54
清华大学学报 (自然科学版) J T singhua U n iv (Sci & T ech) ,
2006 年 第 46 卷 第 6 期 2006, V o l. 46, N o. 6
24 37 8432846
壳聚糖 聚乙烯醇温敏水凝胶的制备及性质研究