快速响应葡萄糖敏感水凝胶的合成及性能

陈 琛,李 娜

(1.西安交通大学 医学部，陕西 西安 710061;2.西安交通大学 化工学院, 陕西 西安 710049)



·化学与化学工程·

快速响应葡萄糖敏感水凝胶的合成及性能

陈 琛1,李 娜2

(1.西安交通大学 医学部，陕西 西安 710061;2.西安交通大学 化工学院, 陕西 西安 710049)

以苯硼酸(PBA)为识别元素,合成了含茜素红(ARS)的葡萄糖敏感水凝胶ARS-P(AAPBA-DMAA-AM),通过IR和SEM表征了其组成和结构,考察了水凝胶对葡萄糖的响应性能。结果表明,含ARS水凝胶的溶胀度随着葡萄糖浓度的增加不断增大,在生理条件下ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)与不含ARS的水凝胶P(AAPBA-DMAA-AM)相比,响应时间缩短了50%。ARS的加入提高了水凝胶对葡萄糖的响应性。

葡萄糖敏感水凝胶,茜素红,苯硼酸,快速响应

基于响应型水凝胶是精密仪器的发展趋势，作为分子识别元件的葡萄糖敏感水凝胶研究成为生物传感器制备的核心问题之一,可以采用葡萄糖氧化酶(GOD)、伴刀豆球蛋白(ConA)、苯硼酸(PBA)作为识别元素[1-3]。由于GOD，ConA在体内会引起免疫反应,并在传感器使用和放置中产生不良作用。PBA及其衍生物可与具有邻位顺式二醇结构的糖类可逆结合形成PBA盐,引起凝胶溶胀[4]。PBA的pKa值为8.6,在此条件下PBA是中性和带电状态共存,带电荷的PBA可以与葡萄糖通过可逆共价键形成相对稳定的络合物,表现出明显的糖敏感性,而在低pH 介质中(pH=7.4)PBA以不带电荷状态存在,因此在生理条件下对外界刺激响应时间长、吸水速率慢,使应用受到限制。

合成了含茜素红(ARS)的快速响应PBA共聚物水凝胶,由于染料ARS在生理条件下(pH=7.4)可以与PBA形成带电荷的PBA盐,增加离子状态PBA的量,因此,提高了PBA凝胶对葡萄糖的响应能力。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

PBA,98%(质量分数),Sigma公司;丙烯酰胺(Am),AR,中国医药公司北京采购供应站;过硫酸铵(APS),AR,天津市瑞金特化学品有限公司;四甲基乙二胺(TEMED),AR,天津市光复精细化工研究所;N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA),AR,Sigma公司;ARS,AR,佳惠天新精细化工开发中心;N,N`-亚甲基双(2-丙烯酰胺)(MBA),CP,国药集团化学试剂有限公司;氮气,高纯(≥99.999%，体积分数),西安西化化工公司；1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺盐酸盐(EDAC),AR,Sigma公司；丙烯酸(AA),AR,天津市福晨化学试剂厂。

AL104型电子分析天平,瑞士METTLER-TOLEDO公司;PB-10型数显酸度计,德国sartorious公司;RE-52AA型旋转蒸发器,中国上海亚荣生化仪器厂。

1.2 3-丙烯酰胺基苯硼酸(AAPBA)的制备

将一定量AA和PBA分别溶于蒸馏水中,用NaOH溶液调节pH至5,置于冰水浴中。将适量EDAC加入到PBA溶液中快速搅拌并通N2,缓慢滴加AA溶液,反应12h。反应完,用乙醚萃取多次,将乙醚相真空干燥得粗产物,用蒸馏水重结晶,得白色晶体,产率为47.6%。

采用美国Varian Mercury Vx300核磁共振仪对得到的产品核磁检测,1H NMR (DMSO):δ=5.8(1H, CH2dCH), 6.3(1H, CH2dCH), 6.4(1H, CH2dCH), 7.3(1H,phenyl),7.5(1H,phenyl),7.8(1H,phenyl),7.9(1H,phenyl), 8.1(2H, B(OH)2),10.1(1H,NH),证明合成出的白色晶体为AAPBA。

1.3 含AAPBA水凝胶的制备

按比例分别称取AAPBA，AM及MBA,加入蒸馏水溶解,移取DMAA，TEMED,混合均匀。加入APS溶液(40mg/mL),混合后迅速移取适量加到反应器中,整个过程通N2保护,最后得到薄膜状凝胶。将制备好的凝胶膜,恒温放在蒸馏水中48h,每隔6h更换一次蒸馏水,然后将凝胶膜放入0.1mol/L磷酸缓冲溶液中48h,定时更换溶液,最后将凝胶真空干燥备用。

1.4 含ARS凝胶的制备

将制备的干凝胶置于1mmol/L的ARS溶液中,每隔一定时间测定溶液的吸光度,直至溶液吸光度不变,认为ARS负载完全。将含ARS凝胶用蒸馏水将外表面冲洗干净,冷冻干燥。

1.5 水凝胶的FTIR表征

采用EQUINOX-55型FTIR对聚合物进行测定。

1.6 水凝胶的SEM表征

采用日立S-570型扫描电子显微镜对水凝胶形貌进行表征。将水凝胶放入磷酸缓冲液(PBS)或葡萄糖溶液中至平衡,然后在液氮中淬冷,冷冻干燥。

1.7 水凝胶的葡萄糖敏感性测定

将恒重后的凝胶膜片浸入葡萄糖溶液中,30min称量一次凝胶重量,根据溶胀度公式来计算凝胶的溶胀度。

式中：W1表示溶胀后凝胶的质量,即将凝胶从所浸入溶液中取出,吸干表面水分后称量的质量;W0表示干凝胶的质量,即凝胶在真空干燥箱中至恒重。

1.8 水凝胶重复性能测定

将干凝胶中放入40mmol/L pH=8.5的葡萄糖溶液溶胀至恒重,再放入PBS中消溶胀至恒重,再放入同浓度葡萄糖溶液溶胀,再次放入PBS中消溶胀,反复交替,每30min称量一次凝胶重量。

2 结果与讨论

2.1 含ARS水凝胶的FTIR表征

PBA与AA在EDAC作用下,发生脱水缩合得到AAPBA,反应式如下:

产物的红外谱图如图1所示,3 424.96cm-1和1 623.77cm-1处的吸收峰分别是酰胺基团NH—和CO的伸缩振动吸收峰。在1 640cm-1-1 680cm-1没有出现双键吸收峰,表明双键断裂发生了聚合。在2 931.27cm-1和1 405.85cm-1处有强的C—H的吸收峰,表明存在较长的碳链。1 145.51cm-1和1 054.87cm-1为ARS的磺酸基团的伸缩振动吸收峰。1 251cm-1处为—OH的面内变形振动形成的吸收峰,也就是硼酸基团(—B(OH)2)在此处的特征吸收峰。—B(OH)2基团的红外吸收峰原在1 344cm-1处,由于络合的ARS是给电子基,使吸收峰向短波数移动,所以在1 251cm-1处有吸收。结果表明,制备出了含ARS的ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)水凝胶。

图1 ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)的FTIR图Fig.1 The FTIR spectrum of the ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)

2.2 含ARS水凝胶的SEM表征

图2的a是水凝胶在PBS溶液中浸泡后的内部结构SEM图。b是水凝胶在葡萄糖溶液中溶胀平衡后的内部结构SEM图。从图2可看出,含ARS水凝胶在葡萄糖溶液中的网络孔径明显大于在PBS溶液中的孔径,表明在葡萄糖溶液中水凝胶溶胀度变大,有显著的糖响应性。

图2 ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)水凝胶的形态Fig.2 The SEM of ARS-P(AAPBA-DMAA-AM) hydrpgels

2.3 水凝胶在不同葡萄糖浓度下的响应速度

A: ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)水凝胶;B:P(AAPBA-DMAA-AM)水凝胶图3 水凝胶在不同浓度葡萄糖溶液中的响应时间Fig.3 The SD of the hydrogel in various glucose concentrations

图3是水凝胶在pH=8.5的不同葡萄糖溶液中的响应时间曲线。可以看出,含ARS凝胶的溶胀度随着葡萄糖浓度的增加不断增大,达到最大溶胀度的响应时间为120min,相比P(AAPBA-DMAA-AM)的最大响应时间360min(10mmol/L)及540min(40mmol/L),缩短了50%以上。由于凝胶分子链的PBA配基与凝胶网络中的ARS结合形成PBA盐,带负电荷的PBA盐易与葡萄糖成键,增加了水凝胶的葡萄糖敏感性。

2.4 水凝胶在不同pH7.3溶液中的溶胀度对比

对比ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)和P(AAPBA-DMAA-AM)水凝胶在pH=7.3的浓度为8mmol/L的葡萄糖溶液中的溶胀度,结果如图4。

图4 ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)与P(AAPBA-DMAA-AM)水凝胶在葡萄糖溶液中(8mM)的溶胀度Fig.4 The SDs of ARS-P(AAPBA-DMAA-AM) and P(AAPBA-DMAA-AM) hydrogels in glucose solutions(8mM)

将ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)水凝胶在pH=7.3的8mmol/L葡萄糖溶液中的溶胀度有较明显的变化,且达到溶胀平衡的时间缩短约为120min,P(AAPBA-DMAA-AM)水凝胶在相同条件下没有明显的溶胀,ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)凝胶在pH=7.3时较低葡萄糖浓度下溶胀度发生了变化。可以看出，在凝胶的网络结构中加入ARS后,ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)凝胶对葡萄糖表现出更强的敏感性。

PBA在高pH 介质中(pH=8.6)以带电荷状态存在,而在低pH 介质中(pH=7.4)以不带电荷状态存在。带电荷的PBA盐可以与葡萄糖通过可逆的共价键形成相对稳定的络合物,表现出明显的糖敏感性。ARS在生理条件下(pH=7.4)可以与PBA配基形成带电荷的PBA盐[5],增加离子状态PBA的量,提高PBA对葡萄糖的响应能力。

2.5 水凝胶的使用重复性

将ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)水凝胶进行溶胀、消溶胀实验，如图5所示。水凝胶重复使用多次,葡萄糖敏感性没有变化。凝胶中的PBA配基与葡萄糖的二醇形成可逆硼酸盐,当周围葡萄糖浓度降低,凝胶网络中的葡萄糖分子解离下来,PBA配基重新生成。

图5 ARS-P(AAPBA-DMAA-AM)水凝胶在PBS和葡萄糖溶液重复性Fig.5 The repeatability behaviors of ARS-P(AAPBA-DMAA-AM) hydrogels

3 结 论

1)制备了含ARS的快速响应水凝胶ARS-P(AAPBA-DMAA-AM),与P(AAPBA-DMAA-AM)水凝胶在不同葡萄糖浓度下的溶胀度相比,响应时间缩短约50%,响应强度也明显提高。在pH=7.3,含ARS凝胶的葡萄糖敏感性有很大的提升。

2) ARS在生理条件下(pH=7.4)可以与PBA配基形成带电荷的PBA盐,增加离子状态PBA盐的量,提高PBA对葡萄糖的响应能力。

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(编 辑 陈镱文)

Synthesis and properties of fast-response glucose-sensitive hydrogels containing immobilized phenylboronic acid

CHEN Chen1， LI Na2

(1.Health Science Center, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710061, China;2.School of Chemical Engineering and Technology, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049， China)

The ARS-containing glucose-sensitive ARS-P(AAPBA-DMAA-AM) hydrogel was synthesized with phenylboronic acid as recognition element, and characterized by means of IR, and SEM. Under the conditions of different glucose concentrations, the response properties of ARS-P(AAPBA-DMAA-AM) hydrogel towards glucose were studied. The results showed the swelling degree of the ARS-P(AAPBA-DMAA-AM) hydrogel increased with the increase of the glucose concentrations. Compared with P(AAPBA-DMAA-AM) hydrogel, the response time of ARS-P(AAPBA-DMAA-AM) hydrogel to concentration of glucose decreased by about 50%. ARS increased the sensitivity of the hydrogels towards glucose at the physiological pH.

glucose-sensitive hydrogels； Alizarin Red S; phenylboronic acid；fast-response

2016-04-11

国家级大学生创新创业训练计划基金资助项目(201510698076)；国家自然科学基金资助项目(51176154)

陈琛，女，陕西西安人，从事医用高分子材料研究。

李娜，女，陕西西安人，教授，博士，从事化工新材料研究。

TQ316.4

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-05-013