点击化学反应原位制备海藻酸钠水凝胶

点击化学反应原位制备海藻酸钠水凝胶
海藻酸盐( alginate) 是从天然褐藻提取的一种多糖，结构为直链型(1→4) 键合的β-D-甘露糖醛酸(M) 和α-L-古洛糖醛酸(G) 的无规嵌段共聚物，其中G 单元是M 单元在C-5 位的立体异构体，G 和M 的结构式及其连接方式如图1所示［1］. 海藻酸由一定长度的G 嵌段、M 嵌段和GM交替嵌段组成，相同单元数的GG 均聚段的均方末端距是MM 段的2. 2 倍［2］，海藻酸中各组分单元的比例和序列长度，与海藻的生长地点、季节和采集部位有很大关系.
海藻酸水溶液在遇到钙、铜、锌等二价金属阳离子( 镁除外) 时，能够在温和的条件下迅速形成凝胶，无需添加有毒溶剂，无有害物质放出，因此被广泛应用于药物载体、组织工程支架、细胞微囊化免疫隔离技术等领域，尤其以钙-海藻酸凝胶研究得最多. Ca2 + 与G 嵌段上的多个氧原子发生螯合作用［3］，与G 嵌段形成“蛋盒”结构［4］. G 嵌段含量高的海藻酸容易与钙离子形成凝胶，而且凝胶强度较高［5］. 当持续的G 单元数为3 ～ 8 时，该嵌段形成的交联点强度最大［6］. 在相同M /G 值条件下，钙-海藻酸凝胶的强度随分子量的增大而增大［7］.
但是离子交联的海藻酸钠水凝胶放置一段时间后机械强度会逐渐下降, 这可能是因为交联的离子会扩散到周围的溶液中, 从而使水凝胶的交联密度下降. 用双功能团的交联剂共价交联海藻酸钠可以得到更为稳定海藻酸钠水凝胶[8] .
Li等[ 9]通过研究催化剂量对水凝胶溶胀度的影响(如图1) , 发现随着催化剂与海藻酸钠的摩尔比值(EDC∶SA ) 的升高, 共价交联凝胶的溶胀度先降低后升高。

随着催化剂量的增加, 海藻酸钠中活化点增加, 和氨基发生反应的结合位点增多, 从而使所产生凝胶的交联程度增大。

交联度增大意味着凝胶网络的结构趋向紧密, 容纳自由水的空间相对减小, 所以溶胀度降低; 当EDC 与SA 的摩尔比超过1 时, 随催化剂量的进一步增加, 使海藻酸钠分子链段的运动性受到限制, 羧基与氨基反应受阻, 溶胀度出现上升趋势。

而实验中所考查的EDC∶SA 摩尔比低于0. 25 时, 海藻酸钠凝胶由于活化度低, 结合位点少, 不能有效交联, 无法测得有效的溶胀度, 海藻酸钠呈溶解状态。

与之相反, 共价交联凝胶的压缩模量随催化剂的增加呈先升高后降低的趋势
图1 催化剂对共价交联凝胶性能的影响图2 交联剂对共价交联凝胶性能的影响(SA 浓度3. 0% w/V , SA 与EA 的摩尔比为1. 33∶1) (SA 浓度3. 0% w /V , SA 与EDC、NHS 摩尔比为2∶2∶1) 图2 所示,随着乙二胺在反应物中所占比重的增加, 水凝胶的溶胀度呈先下降后上升的状态,超过一定限度后凝胶无法形成。

由于相同条件下海藻酸钠溶液在催化剂作用下的结合位点是一定的, 随着氨基的逐渐增加, 凝胶的交联程度
增大, 凝胶的结构趋向紧密, 溶胀度降低。

但达到一定限度后, 海藻酸钠上的所有结合位点全部反应, 此时随着氨基的继续增加, 会有部分乙二胺中只有一端
的氨基参与反应, 而另一端悬浮于溶液中, 使得凝胶的结构疏松, 溶胀度升高。

继续增加氨基的量, 凝胶则无法形成。

乙二胺对压缩模量的影响则成相反的趋势。

从以上分析得到当SA、EA、EDC 和NHS 的摩尔比为2∶1. 5∶2∶1 时, 所得凝胶交联程度最高, 压缩模量最大. 得到更为稳定海藻酸钠水凝胶用普通化学交联需要在较苛刻的条件下反应, 并可能引入有害的催化剂,
降低海藻酸钠水凝胶的生物相容性. 点击化学是一类选择性高、反应速率快、产率高的化学反应. 由于它反应条件温和, 基本没有副产物, 已经广泛用于药物
开发和生物医用高分子材料的制备. 用点击化学制备的高分子材料具有较好的
强度和生物相容性. 有研究报道, 细胞可以在用点击化学制备的透明质酸水凝胶内生长.
使用合成叠氮化和炔基化的海藻酸钠,再利用叠氮基和炔基之间的环加成点击化学反应制备海藻酸钠水凝胶, 该水凝胶具有较大的孔径和pH 敏感性.
图3 点击化学制备海藻酸钠凝胶的路线
利用乙醇胺通过溴化反应、叠氮化反应合成了2-叠氮乙胺, 再利用EDC- HCl 和NHS将2 氮乙胺和丙炔胺分别与海藻酸钠缩合, 得到叠氮基海藻酸钠和炔基海藻酸钠, 最后用一价铜催化的叠氮基和炔基的环加成反应制备海藻酸钠水凝胶. 在叠氮化海藻酸钠和炔基化海藻酸钠的混合水溶液中加入氯化亚铜水溶液, 激烈搅拌静置几分钟后可得到稳定的水凝胶, 得到的水凝胶需要用EDTA 和纯水透析, 去除亚铜离子. 与其它通过化学交联制备海藻酸钠水凝胶的方法相比, 此方法反应条件温和、简单方便.
通常如果水凝胶含有弱酸性或弱碱性基团都会有一定的pH 敏感性. 用点击化学合成的海藻酸钠水凝胶含有羧酸根. 其在一定pH 范围内可以转化为羧基, 从而影响水凝胶的溶胀率. 由图4显示出本方法合成的海藻酸钠水凝胶具有pH 敏感性. 在溶胀过程中pH 值较高时, 水凝胶中网链上的羧酸根带负电, 由于静电的相互排斥作用, 使得水凝胶网络扩张, 从而溶胀率较高. 而随着pH 值的降低, 水凝胶中的羧酸根转化为羧酸, 凝胶网络中的静电作用消失, 所以溶胀率较低.
图4 pH 值对海藻酸钠水凝胶溶胀率的影响
此研究合成了炔基和叠氮基海藻酸钠, 并首次用炔基和叠氮基之间的点击化学反应制备了海藻酸钠水凝胶. 由于在水凝胶的制备过程中炔基和叠氮基侧链的空间位阻效应使得制备的水凝胶具有较大的孔径. 此外, 水凝胶具有pH 敏感性. 本方法较其它化学交联海藻酸钠制备水凝胶的方法快速方便, 反应条件温和. 有望成为药物控制释放的载体材料.
参考文献
[1] Ji Minghou( 纪明侯) . Chemistry of Seaweed( 海藻化学) . Beijing( 北京) :Science Press( 科学出版社) ，1997. 1231 ～ 1251
[2] Matsumoto T，Kawai M，Masuda T.Biorheology，1992，29(4) :411 ～ 417
[3] Moe S T，Dragel K I，Smidsrd O. Alginates. In:Stephen A M，ed. Food Polysaccharides and Their Applications. New York:Marcel Dekker，1995 [4] Grant G T，Morris E R，Rees D A，Smith P J C，Thom D. FEBS Letters，1973，32:195 ～ 198
[5] Draget K I，SkjakBraek G，Smidsrod O. Int J Biol Macromol，1997，21:47 ～ 55
[6] Stokke B T，Smidsrod O，Zanetti F，Strand W，Skjak-Broek G. Carbohydr Polym，1993，21:39 ～ 46
[7] Draget K I，Broek G S，Smidsrod O. Carbohydr Polym，1994，25:31 ～38
[8] Rowley J A, Madlambayan G, Mooney D J. Alginatehydrog els as synthetic extracellular matrix materials[ J] . Biomaterials, 1999, 20( 1) : 45～
53.
[9]李志勇，倪才华，熊诚.共价交联海藻酸钠凝胶的制备和性能研究[ J ].光谱实验室.2008,9:978-980.。