F127-Fc/CS-β-CD水凝胶的制备及其响应性能*

骆 玲，肖尧予，张 晟

(四川大学 高分子材料工程国家重点实验室，四川 成都 610065)

·研究简报·

F127-Fc/CS-β-CD水凝胶的制备及其响应性能*

骆 玲，肖尧予，张 晟

(四川大学 高分子材料工程国家重点实验室，四川 成都 610065)

以壳聚糖接枝β-环糊精(CS-β-CD)为主体分子，二茂铁(FcH)改性的聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷(F127-Fc)为客体分子，2%乙酸为溶剂，制备了F127-Fc/CS-β-CD水凝胶，其结构经1H NMR表征。研究了F127-Fc/CS-β-CD对温度和pH的双重响应性能。结果表明，β-CD-Fc包合物的存在为体系里构建了一种新的交联点，凝胶有氧化剂响应性，同时凝胶区域变宽。

水凝胶；自组装；β-环糊精;制备；响应性能

水凝胶是一种在水溶液中具有溶胀性的三维网状聚合物材料。智能型水凝胶可以响应外界环境的变化(比如温度、pH、离子强度、氧化还原剂、电、光和生物分子等)产生敏感响应[1-3]，在药物控制释放、组织工程、化学传感器、记忆元件开关和人造肌肉等领域具有很好的应用前景，相关研究成为功能高分子研究领域的重点和热点研究方向。

基于满足外界复杂环境和凝胶多功能化的要求，近年来水凝胶的研究重点已由单一响应转为多重响应[4-5]。但是，目前多重响应水凝胶的制备方式往往是通过化学合成手段将各种具有单一响应性的聚合物链节共聚在一起达到体系的多重响应性。响应方式也主要以温度和pH双重响应为主。

本文利用β-环糊精(β-CD)与客体基团二茂铁(FcH)之间的主客体包合作用，把pH敏感的壳聚糖(CS)和温度敏感的聚环氧乙烷(PEO)-聚环氧丙烷(PPO)-聚环氧乙烷(PEO)(简称F127)连接在一起制备了一种多重响应的凝胶——F127-Fc/CS-β-CD(Scheme 1)，其结构经1H NMR表征。性能研究表明，F127-Fc/CS-β-CD可随温度、氧化剂以及pH的变化产生凝胶-溶胶(gel-sol)转变。由于CS和F127的无毒性和良好的生物相容性，决定了其应用于生物医学的潜力。

1 实验部分

1．1 仪器与试剂

Avance Bruker-600型核磁共振仪。

F127，上海Sigma-Aldrich公司；N,N′-二环己基碳二亚胺(DCC)，4-二甲基氨基吡啶(DMAP)和二茂铁甲酸(FcCO2H)，上海阿拉丁试剂有限公司；β-CD，博迪化工股份有限公司；CS，山东奥康化学品有限公司；氰基硼氢化钠(NaBH3CN)，上海晶纯实业有限公司；其余所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

(1)F127-Fc的合成[6]

在反应瓶中加入F1273.78g(0.3mmol)和无水二氯甲烷50mL,搅拌使其溶解;依次加入FcCO2H 0.35g(1.5mmol)，催化剂DMAP 55mg(0.45mmol)和DCC 0.19g(0.9mmol)，于室温反应24h。过滤,滤液旋蒸除溶，残余液用乙醚沉淀除去没有反应的FcCO2H，真空干燥24h得淡黄色固体F127-Fc，转化率53．26%。

(2)CS-β-CD的合成[7]

在圆底烧瓶中加入β-CD 1.5g和干燥DMSO 12mL，搅拌使其溶解；加入2-碘酰基苯甲酸(IBX)0.48g 的DMSO(18mL)溶液,于室温反应145min。倾入500mL丙酮中沉降，过滤，滤饼用水(100mL)溶解后搅拌1h。过滤，滤液冷冻干燥得白色粉末β-CD-CHO。

在反应瓶中加入CS 285mg和2%醋酸25mL,搅拌30min使其溶解;滴加β-CD-CHO 0.6g的DMSO(15mL)溶液，滴毕，于室温反应12h。加入NaBH3CN 36mg的DMSO(2mL)溶液，反应60h。采用8000Mw～14000Mw的透析袋用去离子透析3d。透析液液氮淬冷后进行冷冻干燥得白色絮状固体CS-β-CD，取代度20%。

(3)F127-Fc/CS-β-CD的合成

以2%乙酸为溶剂，配制c为2%的CS-β-CD溶液(溶液A)。将A加入定量的F127-Fc中制得不同c的F127-Fc/CS-β-CD溶液，置冰箱(9℃)中静置一夜，测试F127-Fc/CS-β-CD在不同温度和pH下凝胶溶胶的转变情况。

2 结果与讨论

2.1 表征

图1为F127-Fc的1H NMR谱图。由图1可见，3.54～3.63处吸收峰为F127链上PEO嵌段上H的信号峰；3.20～3.39处吸收峰为F127链上PPO嵌段上H的信号峰；1.13处吸收峰为F127链段上PPO的甲基H的信号峰；4.20～4.81处吸收峰为Fc上H和酯基键旁-CH2-的信号峰。通过Fc上4.81的积分与PPO上甲基H 1.13的积分面积比可以计算出F127的转化率为53.26%。

δ图1 F127-Fc的1H NMR谱图(CDCl3为溶剂)Figure 1 1H NMR spectrum of F127-Fc

δ图2 CS-β-CD的1H NMR谱图(D2O为溶剂)Figure 2 1H NMR spectrum of CS-β-CD

图2为CS-β-CD的1H NMR谱图。从图2可知，3.08处吸收峰为CS上1-H的信号峰；3.48～3.84处吸收峰为CS上2～6-H和β-CD上2～6-H信号峰；4.97处吸收峰为β-CD上1-H的信号峰。通过3.08的积分与3.48～3.84的积分面积比，计算取代度为20%。

2.2 温敏性及氧化剂敏感性

F127是一种典型的温敏型聚合物，具有PEO-PPO-PEO三嵌段结构。在低温和低浓度溶液条件下，F127以单个分子链的形式存在于溶液中，随着温度的升高及聚合物浓度的增大，分子间胶束开始生成，形成以不溶于水的PPO为核和由充分溶剂化PEO为壳的胶束结构。当F127的浓度大于临界凝胶浓度时，大量胶束堆积，使得体系转变为gel；当温度继续升高时，PEO链去水化程度增强，会破坏体系的氢键，致使有规则堆积的结构破坏而发生相转变，即由gel转变为sol。

图3为聚合物的sol-gel-sol相转变曲线(其中每条曲线的左侧为sol状态，曲线右侧为gel状态)。对比F127，F127-CS和F127/CS-β-CD三条曲线，可以看到：加入的CS和CS-β-CD对体系形成gel的最低浓度和gel-sol转变温度影响不大。值得注意的是，F127-Fc的曲线与F127相比，临界凝胶浓度明显增大，这可能是由于Fc基团的引入破坏了F127结构的规整性，使其更不容易规则堆积所致。然而，在F127-Fc中加入CS-β-CD时，可以发现：原本偏移到右侧的相转变曲线大幅左移。并且F127-Fc/CS-β-CD体系在更高的温度下，依然能保持凝胶状态，而不向溶胶转化。

c/%图3 聚合物的sol-gel相转变曲线Figure 3 Sol-gel phase transition curve of polymers

图4 加入氧化剂H2O2后的相转变Figure 4 Sol-gel transition after adding oxidizing agent H2O2

由文献[8]可知，CD具有外侧亲水、内腔疏水的空腔结构，做为主体分子可以选择性的结合多种客体分子形成主客体包合物。例如，β-CD就很容易与客体子Fc按1∶1的比例通过自组装形成包合物[9]。为了证明β-CD与Fc形成了包合物，本文通过加入氧化剂H2O2观察其相的转变(图4)。从图4可以看出，加入氧化剂H2O2后，F127-Fc/CS-β-CD凝胶体系由原来的gel状态(左图)转变为sol状态(右图)。其中，凝胶体系的浓度为20%，氧化剂H2O2的浓度为1%。H2O2能将Fc氧化成Fc+，导致Fc-β-CD包合被打开。H2O2加入导致的凝胶-溶胶转变不仅说明F127-Fc/CS-β-CD体系中确实存在Fc-β-CD包合结构，而且20%的F127-Fc/CS-β-CD凝胶体系中Fc-β-CD交联点对凝胶的生成起到了关键作用。

由于F127-Fc/CS-β-CD存在着β-CD和Fc包合形成的物理交联点，所以与F127-Fc相比，物理交联点的存在使得体系形成gel的最低浓度大大减小。同时，由于温度升高时，尽管体系中F127-Fc胶束所形成的堆积已瓦解，包合物的存在依然使凝胶状态得以保持。就提高了转变为sol的温度，使得体系的gel范围大大增加。而当温度继续升高时，β-CD-Fc包合物受到破坏，使得体系发生gel-sol的转变。

2.3 F127-Fc/CS-β-CD凝胶体系对pH的敏感性能

CS是一种带有氨基多糖，在酸性环境下，溶液中的H+使得氨基质子化，基团之间由于静电斥力，增加了CS的溶解性；而在碱性环境下，由于去质子化作用，大大降低了CS的溶解性，增加了凝胶体系中的可逆交联点。

pH图5 F127-Fc/CS-β-CD在不同pH时的gel-sol转变曲线*Figure 5 Sol-gel phase transition curve of F127-Fc/CS-β-CD at different pH*F127-Fc的c为23.6%

图5为F127-Fc浓度为23.6%时F127-Fc/CS-β-CD体系在不同pH时的gel-sol转变情况。从图5可见，随着碱性的增加，CS的去质子化增加了体系的交联点，使得形成gel的温度降低，而形成sol的温度增加。从相图可以看出，gel区域随着pH的增加而增加。

3 结论

合成了主体分子CS-β-CD和客体分子F127-Fc，并利用主客体之间的自组装作用制备了具有包合物β-CD-Fc的水凝胶体系F127-Fc/CS-β-CD。

实验证明，该体系可响应温度、氧化剂和pH的变化产生溶胶-凝胶转变。并且，包合物β-CD-Fc的存在使得体系的临界凝胶温度降低，在相图中增加了凝胶区域。

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PreparationandResponsePerformanceofF127-Fc/CS-β-CDHydrogel

LUO Ling, XIAO Yao-yu，ZHANG Sheng

(State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

A multi-responsive hydrogel(F127-Fc/CS-β-CD)was constructed via host-guest interaction using chitosan graftedβ-cyclodextrins(CS-β-CD)as the host molecule and poly(ethylene oxide)poly(propylene oxide)poly(ethylene oxide)modified with ferrocene as the guest molecule in 2% acetic acid.The structures were characterizd by1H NMR．Response performance of F127-Fc/CS-β-CD were investigated.The results showed that F127-Fc/CS-β-CD system shows gel-sol phase transition in response to temperature and pH double-responsive.Furthermore,the Fc-β-CD inclusions act as new cross-linking,leading to the redox-sensitive property and broadening of gelation range.

hydrogel;self-assembly;β-cyclodextrin;preparation；response performance

2014-04-28;

2014-06-08

国家自然科学基金资助项目(51073107，1074138)

骆玲(1987-)，女，汉族，四川成都人，硕士研究生，主要从事超分子化学与智能仿生材料的研究。

张晟，教授，E-mail:zslbj@163.com

O648．17

A

1005-1511(2014)04-0550-04