聚乙烯吡咯烷酮/壳聚糖水凝胶的制备与表征

陈　欣，卢小菊,2*，孟　鸳

(1湖北理工学院 化学与化工学院，湖北 黄石 435003；2湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003)



聚乙烯吡咯烷酮/壳聚糖水凝胶的制备与表征

陈欣1，卢小菊1,2*，孟鸳1

(1湖北理工学院 化学与化工学院，湖北 黄石 435003；2湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003)

采用热化学聚合法制备了聚乙烯吡咯烷酮/壳聚糖(PVP/CS)水凝胶，利用红外光谱和电镜扫描对复合水凝胶进行表征，并讨论了交联剂用量、PVP加入量及CS加入量等主要条件对凝胶溶胀性能的影响。结果表明，在CS 0.2 g、PVP 0.3 g和甲醛1 mL时合成的水凝胶溶胀度超过300%。pH敏感性测试表明，当pH=5时复合水凝胶具有最大溶胀度。温度敏感性测试表明，在55 ℃时复合水凝胶具有最大溶胀度。抗菌性实验证明，PVP/CS水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均无抗菌效果。

PVP/CS水凝胶；红外光谱；扫描电镜；溶胀度；抑菌

多重敏感性凝胶对多种外界刺激的响应性使其在多个领域具有更广泛的应用和独特优势,尤其在药物控释、生物材料合成、酶活性控制等方面有广阔的应用前景。

聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone，PVP)是一种合成水溶性高分子化合物，分子结构中同时存在高极性的能接受氢键的酰胺基团和非极性的亚甲基基团，这种特性使PVP能与含羟基、羧基、胺基等活性氢原子的化合物结合。最受人们重视的是PVP在生物安全性方面的优异表现，PVP对皮肤、眼睛无刺激，注射或口服PVP易于从肾脏系统排出，未发现对人体有致癌作用。鉴于PVP具备如此优异的生物相容性和生理惰性，将其与刺激响应性凝胶相结合，PVP对众多药物的络合能力会进一步促进生物医药控释方面的发展，拓宽了PVP的应用范围，形成一类在生物医药和食品、化妆品行业具有巨大潜力的高分子材料[1-2]。壳聚糖(chitosan，CS)又称脱乙酰甲壳素，由于其分子链上含有大量易水解或质子化的羟基、氨基等活性基团，这些活性基团与氢离子结合或解离，以及相关氢键发生解离或形成，从而使CS水凝胶对环境刺激产生相应的反应和应激性，如王晓园等[3]用CS 和明胶也制备出具有 pH 敏感性的凝胶，Sun 等[4]采用 CS 和 PNIPAAm 共混制备了具有温度/pH 敏感性的水凝胶薄膜；陈欢欢等[5]对壳聚糖/甘油磷酸盐体系通过化学交联和与聚乙烯醇(PVA)的物理交联，制备了一种能在体温下迅速成胶的温敏型水凝胶；Lee 等[6]以 3-巯基丙酸作为链转移剂，制备成具有温度/pH 双敏感性的聚氮异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)/ CS凝胶。同时CS是一种天然抗菌剂，具备一定的抗菌特性且无毒无害，因此CS/PVP复合水凝胶可能也具备一定的抗菌性能，使该水凝胶在生物材料等领域的应用潜力更大。

本实验以CS和PVP为主要原料制备水凝胶，利用红外光谱和扫描电镜观察复合水凝胶的结构，通过溶胀性测试和抑菌性能测试研究复合水凝胶的性能。

1　实验材料与方法

1.1实验材料与仪器

聚乙烯吡咯烷酮(PVP)：化学纯，进口分装；冰醋酸：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；甲醛：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；壳聚糖(CS)：脱乙酰度91.7%，浙江金壳生物化学有限公司。

大肠杆菌菌种(ATCC25922)：武汉大学生命科学院菌种保藏中心；金黄色葡萄球菌菌种(ATCC25923)：武汉大学生命科学院菌种保藏中心。

红外光谱仪：Tensor-27型，德国布鲁克公司；扫描电镜：JSM-6360LA，日本电子公司；电子天平：FA1004N型，昆山盛兰衡器有限公司；磁力搅拌器：DF-101S，上海东玺制冷仪器设备有限公司；超声清洗器：KQ-400KDE，昆山市超声仪器有限公司；电热恒温鼓风干燥箱：DHG-9240A，上海和呈仪器制造有限公司。

1.2PVP/CS水凝胶的制备

称取不同质量的CS于烧杯中，各加入10 mL蒸馏水和6 mL冰醋酸，超声使其搅拌均匀。另称取不同质量的PVP分别置于5 mL蒸馏水中，超声至均一溶液。将两者溶液倒入烧杯中，再加入不同体积的甲醛并搅拌均匀，静置一段时间除去气泡后，分别制得7种水凝胶。将制得的凝胶切成细小颗粒，置于透析袋中，用去离子水浸泡、洗涤，并不断换水，24 h后取出冷冻保存。

1.3性能测试

1.3.1PVP/CS水凝胶的红外光谱图

将干燥的PVP/CS水凝胶磨碎后，用KBr压片，测定其红外光谱图，扫描范围 500～4 000 cm-1。

1.3.2扫描电镜的检测

将水凝胶干燥后置于扫描电镜下观察，以了解其表面结构形态。

1.3.3溶胀度的测定

用电子分析天平准确称量一定量的水凝胶，在室温下浸泡于去离子水中，待凝胶充分溶胀达到平衡后，取出凝胶快速用滤纸吸干水凝胶表面的水分，称重。水凝胶的溶胀度(SR)按式(1)计算：

SR=(mw-md)/md×100%

(1)

式(1)中mw、md分别为湿胶和干胶的质量。

1.3.4抗菌性评价

以大肠杆菌(ATCC25922)和金黄色葡萄球菌(ATCC25923)为模型菌检测PVP/CS凝胶的抗菌性。分别称取干燥后的待测材料(PVP/CS凝胶和壳聚糖溶液)1.0 g，紫外灭菌后放置于无菌水中溶胀至平衡后取出，分别加入70 mL PBS和5 mL菌悬液(菌悬液浓度保持在5×104cfu/mL左右)，在37 ℃恒温摇床中震荡2 h，分别取震荡前后的样液1 mL涂布平板。空白对照选用无菌水代替待测材料，操作步骤同上。

2　结果与讨论

2.1红外光谱

壳聚糖与PVP/CS水凝胶的红外光谱图如图1所示。在图1中，3 438 cm-1处是壳聚糖中羟基的O-H伸缩振动峰， 2 922 cm-1处是壳聚糖中甲基的C-H伸缩振动峰，1 590 cm-1处属于氨基的变形振动，1 421 cm-1处是壳聚糖中C-H不对称弯曲振动峰，1 383 cm-1处是壳聚糖中C-H对称弯曲振动峰，1 264 cm-1处属于羟基的O-H变形振动,1 029 cm-1处是与仲醇羟基相连的羟基伸缩振动峰。对比图1中PVP/CS水凝胶的红外光谱，凝胶中壳聚糖的O-H伸缩振动与N-H伸缩振动重叠的多重吸收峰发生位移，由3 438 cm-1移位到3 440 cm-1，氨基变形振动峰由1 590 cm-1移位到1 595 cm-1，说明已形成氢键配合物。

图1　壳聚糖与PVP/CS水凝胶的红外光谱图

2.2扫描电镜谱图

PVP/CS水凝胶的SEM谱图如图2所示。图2是编号6的PVP/CS水凝胶不同放大倍数SEM照片，其中A图为放大2 000倍，B图为放大5 000倍，C图为放大10 000倍，揭示了PVP/CS水凝胶微观结构特征。A图显示PVP/CS水凝胶形成了网状孔洞结构；B图显示PVP/CS水凝胶呈现多孔性，孔与孔之间呈现相互贯穿的状态；C图中PVP/CS水凝胶孔径大小约在10 μm左右。

图2　PVP/CS水凝胶的SEM谱图

2.3PVP/CS水凝胶溶胀度分析

2.3.1交联剂用量对溶胀度的影响

甲醛加入量对溶胀度的影响如图3所示。通过图3可以看出水凝胶的溶胀度随甲醛浓度的增大而减小。这是因为当交联剂使用较少时, 交联密度低，易造成交联不均匀，溶液难以最终形成凝胶状。交联剂用量过多时, 大量的交联剂没能有效连接PVP共聚后的分子链，残存于凝胶内的小分子链过多[7]，最终生成易碎的深褐色水凝胶，而网络结构中的交联点增多, 交联点间的距离变小, 交联密度增大,因而网络结构中微孔变小, 即凝胶的溶胀度变小, 所能容纳的液体量减小进而吸液率降低[8]。

图3　甲醛加入量对溶胀度的影响

2.3.2PVP的加入量对溶胀度的影响

PVP的加入量可影响水凝胶的反应速度和成膜性能[9]。PVP加入量对溶胀度的影响如图4所示。通过图4可以看出，PVP加入量越大，聚合反应速度越快，水凝胶的机械性能越好，吸水率越高，溶胀度越大，这是由于CS分子结构上的极性集团如-OH和-NH与水分子存在相互作用；当PVP加入量过少时，则生成的水凝胶不易成膜，机械性能下降而导致吸水率下降，溶胀度不佳。

图4　 PVP加入量对溶胀度的影响

2.3.3CS的加入量对溶胀度的影响

CS的加入量对合成出的水凝胶的溶胀性能、颜色、反应速度,机械强度均有影响[9]。CS加入量对溶胀度的影响如图5所示。图5表明，当CS加入量为0.2 g时，水凝胶溶胀性能最好，且水凝胶的溶胀度随着CS的增加而逐渐减小，水凝胶的颜色由浅黄向深褐色变化。这是因为CS含量过高时，生成的游离氨基自由基较多，氨基之间可能发生自聚，或可能直接与交联剂反应形成网状结构而导致吸水率下降，且生成的水凝胶易碎。

图5　CS加入量对溶胀度的影响

2.4PVP/CS水凝胶的性能

2.4.1pH敏感性

不同pH值下水凝胶的溶胀效果如图6所示。由图6可以看出，复合水凝胶对pH 值的变化敏感。随pH 值的增大，复合水凝胶溶胀率的变化趋势是先增大再减小。当pH值在5～7 之间，溶胀率较高，且在pH=5时有最大溶胀率；pH 值在7～13 之间时，溶胀率迅速减小。这是由于具备pH敏感性的水凝胶一般都含有可质子化的酸性或碱性基团，这些基团随着pH值的改变会发生不同程度的电离，导致聚合物网络内大分子链段间氢键的解离，产生不连续的溶胀体积变化[10]。因此在强酸条件下，水凝胶网状结构间氢键的断裂被抑制，分子间缠绕现象变多，限制了水凝胶的溶胀；在弱酸性或中性条件下，水凝胶中的氨基发生质子化，分子链亲水性增强，有利于凝胶的溶胀；随着 pH值继续升高，氨基质子化趋势减弱，水凝胶网络高分子链间疏水作用增加，水分子进入孔道的速度受到阻碍，结构收缩，溶胀度反而变小[11]。

图6　不同pH值下水凝胶的溶胀度

2.4.2温度敏感性

不同温度下水凝胶的溶胀效果如图7所示。由图7可以看出, 随着温度的升高, 平衡溶胀度呈现先增大后减小的趋势, 在55 ℃左右达到最大值。这可能是由于低于此温度区间时，随着温度升高，壳聚糖分子链上氨基与水分子的氢键作用增强，利于分子链舒展，进而水分子快速通过孔道渗入水凝胶内部。而随温度的继续升高，溶胀率开始下降。这可能是因为，一方面氢键的水合作用减弱，从而凝胶网络整体上亲水性降低，疏水基团之间的氢键作用加强，疏水性增加；另一方面, 温度升高使凝胶内部分子链更容易断裂，水凝胶因键断裂可能损失一些小分子链，导致溶胀率降低[11]。

图7　 不同温度下水凝胶的溶胀度

2.4.3抗菌性评价

采用革兰氏阴性代表菌大肠杆菌和革兰氏阳性代表菌金黄色葡萄球菌考察PVP/CS水凝胶对2种模型菌的抗菌效果，结果如图8所示。对于大肠杆菌，空白对照的菌落数与PVP/CS水凝胶对应的平板菌落数差别不大，说明PVP/CS水凝胶抑菌效果不明显，而壳聚糖溶液对应的平板菌落数明显少于空白对照，说明壳聚糖溶液的抑菌效果明显强于PVP/CS水凝胶。对于金黄色葡萄球菌，抑菌效果强弱与大肠杆菌一致，对应平板菌落数均为壳聚糖溶液

图8　PVP/CS水凝胶和CS溶液的抑菌效果

3　结论

1)以甲醛为交联剂、CS 和PVP 为原料制备了溶胀率超过300%的PVP/CS复合水凝胶。

2)表征结果表明，PVP/CS复合水凝胶形成了半互穿聚合物网络，表面呈现致密均匀的多孔性网状结构。

3)pH敏感和温度敏感实验表明，PVP/CS水凝胶对温度和pH敏感，在pH=5和55 ℃时溶胀率达到最大值。

4)抑菌实验表明，PVP/CS水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均无抗菌效果。

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(责任编辑高嵩)

Synthesis and Characteristics of PVP/CS Hydrogels

Chen Xin1,Lu Xiaoju1,2*,Meng Yuan1

(1School of Chemistry and Chemical Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435000；2Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control and Remediation,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435000)

PVP/CS hydrogels were synthesized by thermopolymerization.The products were studied by fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and scanning electron microscopy (SEM).And the influence of three main conditions on swelling property of hydrogel were discussed.The results showed that the swelling degree of the hydrogels was more than 300 %,when the addition of CS was 0.2 g,the addition of PVP was 0.3 g and the addition of formaldehyde was 1mL.pH-sensitive test showed that the swelling degree of the hydrogels could reach the maximum when the pH value reached 5.0.Temperature-sensitive test showed that the swelling degree of the hydrogels could reach the maximum when the temperature was above 55 ℃.Antimicrobial experiments illustrated that the antibacterial properties of PVP/CS hydrogels to Escherichacoli and Staphylococcus aureus were poor.

PVP/CS hydrogels;IR;SEM;swelling degree;antimicrobial

2015-11-18

国家自然科学基金项目(项目编号：51402099)；湖北省自然科学基金项目(项目编号：2012FFC018)；湖北理工学院校级科研项目(项目编号：12xjz08R)；湖北省高校青年教师深入企业行动计划项目(项目编号：XD2014679)。

陈欣，本科生。

卢小菊，副教授，博士，研究方向：生物医用高分子材料和环境友好高分子材料。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.04.007

TQ427.2

A

2095-4565(2016)04-0026-05