乙醇脱水对聚丙烯酸水凝胶pH敏感性的影响

鲁勖琳，鲍文雅，方 明

(河北科技师范学院化学工程学院，河北秦皇岛，066600)

水凝胶是能大量吸水却不能溶解于水的一类物质，亲水的小分子能够在水凝胶中扩散。水凝胶具有良好的生物相容性，与被固定化的酶或细胞的相互作用和疏水聚合物相比要弱很多［1～3］，因此，固定在水凝胶中的生物分子的活性能够保持较长时间。大量具有智能性质的新型水凝胶能对外界环境的变化(如温度、酸度、压力、光、盐浓度等)引起的刺激有不同程度的应答［4～8］，称之为敏感性水凝胶。pH敏感性水凝胶最早是由Tanaka在20世纪70年代中期测定陈化后的丙烯酰胺凝胶的溶胀度时发现的［9］。pH敏感性水凝胶的大分子骨架中通常含有悬挂的可离子化基团，如酸性的磺酸、羧酸基团;碱性的伯胺、仲胺、季胺等。水凝胶内的酰胺基在碱性条件下部分水解为羧基，而羧基在不同pH条件下的离解度不同，从而使其溶胀度产生极大的差异。由于其悬挂的酸碱性基团随溶液介质pH值变化而产生不同的离子化程度，引起不连续的溶胀体积变化，从而导致水凝胶性能的显著变化，显示出pH敏感性。

pH敏感性水凝胶具有生物材料“软而湿”的形态，是设计仿生材料、力化学体系、药物释放体系以及化学阀门的基础，利用这些特性可将其作为传感器、执行元件、开关和记忆材料。pH敏感性水凝胶在医疗、医药领域的大分子溶质分离、药物释放系统、疾病诊断和日常监测等方面成为新的研究热点［4，10］。本研究以丙烯酸和无水乙醇为原料，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，过硫酸钾和亚硫酸氢钠为引发剂制备了聚丙烯酸水凝胶，并探讨了乙醇脱水对聚丙烯酸水凝胶敏感性的影响。

1 材料与方法

1．1 实验仪器与药品

实验仪器:GZX-9204MBE型数显鼓风干燥箱(上海博迅实业有限公司医疗设备厂)，HH．S21．2型电热恒温水浴锅(江苏省金坛市医疗仪器厂)，pHS-2型酸度计，221型玻璃电极(上海第二分析仪器厂)，电子天平(上海精科天平)等。

实验药品:丙烯酸(化学纯)，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(分析纯)，过硫酸钾(分析纯)，亚硫酸氢钠(分析纯)，无水乙醇(分析纯)。

1．2 实验方法

1．2．1 样品制备 准确量取12 mL蒸馏水，4 mL无水乙醇，6 mL丙烯酸，依次加入反应容器中，再加入0．127 g亚甲基双丙烯酰胺，搅拌使其溶解后慢慢加入0．1 g过硫酸钾和0．1 g亚硫酸氢钠，快速搅拌使其混合均匀，然后放入干燥箱中密闭静置，于60℃下保温6 h。取出制好的凝胶切成约1 mm3的颗粒，再放到去离子水中浸泡24 h除去未反应的单体、引发剂及水溶性混合物。一部分凝胶在常温下晾干，另一部分依次转入体积分数为0．50，0．70，0．80，1．00的乙醇溶液中，让乙醇置换出其中的水分后在常温下晾干，备用。

1．2．2 水凝胶溶胀度的测定 用称质量法测定水凝胶的溶胀度(SR)［11～13］。将水凝胶置于不同pH值的缓冲溶液中，隔一段时间后取出，用滤纸吸干其表面的水分，称质量，按下式计算其溶胀度:

其中，W0为溶胀前干胶的质量(g);W为溶胀后胶的质量(g)。

2 结果与讨论

2．1 水凝胶的pH敏感性

分别对自然晾干和乙醇脱水干燥水凝胶的pH敏感性进行研究，可以看出2种干燥方法对水凝胶pH敏感性影响总的趋势大致相同，在pH=4．0时均有最大溶胀度(图1，图2)。这是因为在碱性条件下溶剂和水凝胶间有斥力作用，抑制了水凝胶链的伸展，同时凝胶外的离子强度高于凝胶内的离子强度，溶剂水分子很难向凝胶内部渗入，所以凝胶溶胀程度很低;当溶剂为弱酸溶液时，溶液中的H+携带水分子向凝胶内部扩散，导致其离子强度降低且水凝胶发生水解，水凝胶带正电荷，溶液中的负电荷由于静电作用也将向水凝胶内部扩散，同时水凝胶网络上的碱性基团的静电排斥作用也急剧增大，这时凝胶的溶胀度也急速增大;随着酸度的增强，虽然有一部分H+携带水分子进入凝胶内部，并导致一部分负电荷向凝胶内部扩散，凝胶仍保持一定的溶胀度，但溶液中仍存在大量的H+，并存在相应的负电荷，致使凝胶内部的离子强度小于溶液中的离子强度，水分子向凝胶内部扩散的趋势减缓，导致凝胶溶胀度有所降低。

乙醇脱水干燥的水凝胶在不同pH值的缓冲溶液中的溶胀度相对于自然晾干水凝胶的溶胀度显著提高，提高了接近10倍(图1，图2)。这是因为水分子挥发时拉动水凝胶分子链相互靠近，加大了链与链间的氢键作用，而且水的表面张力比乙醇的表面张力大，在水凝胶网络中水产生的附加压力大于乙醇产生的附加压力，阻碍了水分子向水凝胶网络间渗透，从而降低了水凝胶敏感性。

图1 自然晾干水凝胶在不同pH溶液中的溶胀度

图2 乙醇脱水干燥水凝胶在不同pH溶液中的溶胀度

2．2 乙醇脱水干燥水凝胶的重现性

取1块乙醇脱水干燥的水凝胶，将它放入pH值为4的缓冲溶液中，测其溶胀度;待平衡时捞出用乙醇脱水干燥，再放入pH值为4的缓冲溶液中，反复几次测定溶胀度(图3)。可以看出重复次数越多水凝胶的溶胀速率越好，这是因为在多次重复的浸泡过程中水凝胶中的杂质越来越少，也有可能浸泡出水凝胶分子链间存在的一些短链，使水凝胶的结构更加规整，以致溶胀速率有所提高。水凝胶的溶胀特征与溶质、溶剂的性质及凝胶的交联度有关，凝胶的体积之所以溶胀是由于凝胶内部的溶液与其周围的溶液之间存在着渗透压。渗透压由大分子链中水的相互作用、大分子网络的橡胶弹性及聚合物水凝胶内外离子浓度差构成。在溶胀过程中，一方面水溶剂力图渗入高聚物内使其体积膨胀，另一方面由于交联聚合物体积膨胀，导致网络分子链向三维空间伸展，分子网络受到应力产生弹性收缩从而使分子网络收缩。当这2种相反的倾向相互抗衡时，达到了溶胀平衡。4次重复过程水凝胶达到溶胀平衡时的溶胀度均为27(图3)，可见水凝胶的重现性很好。

2．3 乙醇脱水干燥水凝胶的温度敏感性

将乙醇脱水干燥，水凝胶放在pH值相同而温度不同的溶液中，测得水凝胶溶胀平衡时的溶胀度(图4)。水凝胶在35℃时溶胀度最高，在35℃以下水凝胶的溶胀度随着温度的上升而上升，35℃以上水凝胶的溶胀度随着温度的上升而下降，这是因为凝胶体系中同时有氨基和羧基存在，在强酸性介质中，氨基以NH+4形式存在，而羧基主要以-COOH的形式存在，易与分子内或分子间的氧形成氢键，致使网络坚实而不易使水分子进入。当体系的温度升高时，氨基仍然以NH+4的形式存在，而一部分羧酸以-COO－的形式存在，这样就破坏了网络内的氢键，使吸水量增大，在35℃时达到最大。随温度的进一步升高，溶液中OH－浓度较高，凝胶表面的羧基首先电离形成羧基阴离子，由于相邻羧基阴离子电荷的排斥作用，使其表面溶胀，溶剂水分子很难向水凝胶内部渗入，凝胶溶胀程度较低，这表明乙醇脱水干燥水凝胶具有良好的温度敏感性。

图3 乙醇脱水干燥水凝胶的重现性

图4 乙醇脱水干燥水凝胶的温度敏感性

3 结 论

以丙烯酸和无水乙醇为原料，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，过硫酸钾和亚硫酸氢钠为引发剂制备了聚丙烯酸水凝胶，并考察了乙醇脱水对其敏感性的影响。结果表明，乙醇脱水干燥水凝胶的溶胀度和溶胀速率都得到了明显提高，且具有良好的温度敏感性和稳定性;水凝胶在酸性条件下的溶胀度比在碱性条件下大，pH值为4时的溶胀度最大，可高达40倍。

［1］徐晖，赵倩，魏刚，等．一种pH敏感水凝胶的性质及用于胰岛素口服给药的研究［J］．沈阳药科大学学报，2002，19(2):83-86．

［2］刘峰，卓仁禧．水凝胶的制备及应用［J］．高分子通报，1995，12(4):205-216．

［3］Blanchette J，Peppas N A．Use of complexation hydrogels fororal administration of chemotherapeutic agents［J］．Trans Soc Biomat，2003，29:246．

［4］翟茂林，哈鸿飞．水凝胶的合成、性质及应用［J］．大学化学，2001，16(5):22-27．

［5］Xu Y，Sheng K，Li C，et al．Self-assembled graphene hydrogel via a one-step hydrothermal process［J］．ACS Nano，2010，4:4 324-4 330．

［6］Rahmouni S，Lindner A，Rechenmacher F，et al．Hydrogel micropillars with integrin selective peptidomimetic functionalized nanopatterned tops:a new tool for the measurement of cell traction forces transmitted through αvβ3-or α5β1-integrins［J］．Adv Mater，2013，25:5 869-5 874．

［7］Merkel T J，Jones S W，Herlihy K P，et al．Using mechanobiological mimicry of red blood cells to extend circulation times of hydrogel microparticles［J］．Proc Nat Acad Sci，2011，108:586-591．

［8］Bai H，Li C，Wang X，et al．A pH-sensitive graphene oxide composite hydrogel［J］．Chem Comm，2010，46:2 376-2 378．

［9］邹新禧．超强吸水剂．北京:化学工业出版社，2002．

［10］陆大年，陈士安，鲍景旦，等．丙烯酸水凝胶的pH敏感性研究［J］．华东理工大学学报，1994，20(6):818-823．

［11］J S Ahn，H K Choi，M K Chun，et al．Release of triamcinolone acetonide from mucoadhesive polymer composed of chitosan and poly(acrylic acid)in vitro［J］．Biomater，2002，23:1 411-1 416．

［12］白渝平，杨荣杰，李建民，等．PVA-PAA IPN水凝胶的制备及其溶胀性质研究［J］．高分子材料科学与工程，2002，1(18):98-102．

［13］刘振华，王健，范昌烈，等．α，β-聚-DL-天冬酰胺衍生物水凝胶的合成及其溶胀性能研究［J］．高分子学报，1998，42(5):562-566．