④纤维素接枝环糊精水凝胶的制备及其性能研究

作者简介:杨韶平,男,博士研究生,主要从事医用水凝胶的合成。*基金项目:国家高技术发展研究计划(2007AA100704)

纤维素接枝环糊精水凝胶的制备及其性能研究

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杨韶平 付时雨 李雪云 周益名 詹怀宇

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州510640)

摘 要:以环氧氯丙烷作为化学交联剂,在碱性均相纤维素溶液中,将 -环糊精接枝到微晶纤维素上,合成了接枝 -环糊精的功能性纤维素基水凝胶。研究了水凝胶的溶胀动力学和温敏性能,发现该水凝胶对温度敏感。考察了该水凝胶对甲基橙、亚甲基蓝的吸附性能,实验结果表明,接枝 -环糊精的纤维素基水凝胶对甲基橙和亚甲基蓝具有很好的吸附效果,其吸附容量分别达到3.48m g /g 、1.42m g /g ,其脱附性能也较好。并运用差热扫描(DSC)、热重(TGA )和扫描电镜(SE M )对该水凝胶进行分析。关键词:纤维素;环糊精;水凝胶;温敏;吸附

中图分类号:TS727 文献标识码:A 文章编号:1671-4571(2010)02 0049 05

水凝胶是由高分子的三维网络与水组成的多元体系,在水中只溶胀,而不溶于水,是自然界中普遍存在的一种物质形态[1]

。基于纤维素(cellulose)大分子的水凝胶,由于其具有较好的生物兼容性和易降解等优点,是一种理想的药物缓释剂[2]

。因而,对其的制备及其性能的研究在临床医学上又很重大的意义。

由于纤维素难溶于一般溶剂,纤维素水凝胶主

要以纤维素衍生物为原料来制备,I vanov 等[3]

以甲基纤维素和聚乙烯醇为原料,环氧氯丙烷为交联剂,合成了纤维素基水凝胶。据报道[4-5]

氢氧化钠水溶液对微晶纤维素和短棉绒具有较好的溶解性,而且该溶液是一种绿色溶剂,相对有机溶剂而言,不会残留有毒物质,是制备医用水凝胶的理想溶剂,张俐娜等

[6]

以纤维素为原料,氢氧化钠和尿素为溶剂,环

氧氯丙烷为交联剂,一步合成了纤维素基水凝胶,但是这些水凝胶装载药物的量却很小。

-环糊精( -CD )是一种环状低聚葡萄糖,其独特的内部疏水、外部亲水的结构,使之易与相应尺寸的客体分子通过分子间相互作用形成超分子包合物[7]

。由环糊精等为原料制备的水凝胶具有对药物吸附容量大、释放速率可控和副作用小等优点,如K aneto 等

[8]

以羟丙基纤维素、乙基纤维素和环糊

精等为原料,制备的糖衣,对药物具有释放速率可控等优点。

本文以微晶纤维素为原料,N a OH 为绿色溶剂,

均相合成了纤维素接枝环糊精水凝胶,该水凝胶对模型药物甲基橙和亚甲基蓝具有很好的吸附性,其释放速率也较稳定,对温度敏感,其玻璃转化温度位于体温,可望作为药物缓释剂。1 实验部分1.1 试剂与仪器

微晶纤维素和 -环糊精分别购买于上海晶纯化学有限公司和中国医药(集团)上海化学试剂公司,无水乙醇、酚酞、环氧氯丙烷、氢氧化钠和碳酸钠等试剂均为分析纯。

紫外可见分光光度计(S-4100):美国SC I N C O 公司;差热分析仪(DSC -Q200)和热重分析仪(TGA 500):美国TA Instrum ents 公司;扫描电子显微镜:S-3700N (日本日立公司)。

1.2 纤维素接枝环糊精水凝胶的制备

配制10%浓度的氢氧化钠的水溶液100m ,l 冷却到-10 ,然后加入5g 的微晶纤维素,边加边搅拌,然后在-20 下,保持5h ,拿出后,在室温下静止,可得透明的纤维素碱溶液。

配制一系列环糊精含量不同的碱溶液,边搅拌,边加入过量的环氧氯丙烷,在40 下反应8h ,静置分层,去掉未反应的环氧氯丙烷,然后缓慢滴加至纤维素碱溶液中,反应12h 后,产物用大量蒸馏水和乙醇洗涤,直至洗出液为中性,并且至洗出液中无环氧氯丙烷

[5]

。反应示意如图1所示。

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图1 纤维素接枝 -CD水凝胶的合成示意图

1.3 水凝胶中 -CD含量的测定[9-11]

先向1号容量瓶中加入2mL酚酞溶液(3.7∀10-4m o l#L-1)和2mL碳酸钠溶液(2.8∀10-2m ol #L-1),再加入蒸馏水到25mL定容。分别向编有2 ~7号的25m L的容量平瓶中加入1mL、2mL、3mL、4mL、5mL、6mL的 -CD溶液(5∀10-4m o l#L-1)以及10mL的蒸馏水,再分别加入2.00mL上述碳酸钠溶液和2.00mL上述酚酞溶液并震荡30s,然后用蒸馏水定容到刻度线,震荡摇均匀,放置30h。最后用紫外可见分光光度计测定各容量瓶中溶液在波长553nm的吸光度。可得到 -CD溶液的加入体积(mL)与其溶液吸光度的标准曲线y=-0.0148 x+11.133,R2=0.9934。水凝胶中 -CD的含量(x:水凝胶吸附后,酚酞溶液的吸光度;水凝胶干重量为W;测定接枝环糊精水凝胶中,环糊精含量时,用不含环糊精的水凝胶做空白样,以扣除水凝胶对测定的影响)计算式为:

-CD的含量=0.284∀(-0.0148x+11.133)

500∀W

∀

100%(1) 1.4 差热扫描(DSC)和热重分析(TGA)

洗涤干净的水凝胶,在室温下,浸泡在蒸馏水中24h,以达到溶胀平衡,取出后,擦去该水凝胶的表面水分,称取8m g样品,放在铝制盘中,合上盖,设置氮气流量为50mL/m in,升温速率为2 /m i n。称取8m g冷冻干燥的水凝胶,放入TG中,设置氮气流量为40mL/m i n,升温速率为20K/m i n。

1.5 扫描电镜分析

将达到溶胀平衡的水凝胶样品,放入超低温冰箱中淬冷后,进行冷冻干燥除水,然后在水凝胶表面喷金,用JSM5600LV扫描电镜在10kV加速电压下观察其表面形态。1.6 水凝胶溶胀度的测定

将已知量干燥后的水凝胶(直径1mm左右)置于设定温度水中,每隔一定时间取出水凝胶并用滤纸拂去表面多余水分,称重,如此反复直至溶胀平衡。不同时间所对应的溶胀率(S W)和平衡溶胀率(S W eq)分别按下式计算:

S W=(W t-W d)/W d(2)

S W eq=(W eq-W d)/W d(3)式中W t及W eq分别为时间t及溶胀平衡时的水凝胶质量,W d为水凝胶干燥后的质量。

1.7 染料的吸附和脱附

制备好的水凝胶被切成直径1mm左右的小块,然后浸泡在各种浓度的甲基橙、亚甲基兰溶液中,水凝胶对染料的吸附量可以通过染料吸附前后的浓度变化算出,其浓度的变化可用紫外分光光度计测定,甲基橙和亚甲基兰的特征吸收峰分别为465nm和664nm。

染料的脱附,室温下,吸附一定量染料的水凝胶,放入蒸馏水中,每隔一定时间测定溶液中染料的浓度,计算出染料的累积脱附量。

2 结果和讨论

2.1 环糊精与碱纤维素比例对水凝胶接枝率的影响

为了提高纤维素上 -CD的接枝率,得到更高 -CD含量的水凝胶,在固定其它条件不变的情况下,通过增加环糊精对纤维素的比例,来提高 -CD在水凝胶中的含量,结果如图2所示,随着环糊精对纤维素的比例提高,环糊精在水凝胶中的含量增加,但是水凝胶的物理强度下降,不容易成胶,所以环糊精对纤维素的比例不能太高。

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