综合化学实验- 温度/pH 响应凝胶PNIPAM/CMCS 的制备及性能分析

徐彦芹,刘 敏,吴 芳,唐雨榕

（重庆大学化学化工学院,重庆 401331）

引言

环境敏感型凝胶是当外界环境改变自身相体积发生转变的一种具有周期性三维网状结构多孔材料[1],表面分布大量的亲水基团,可吸收大量的水而不溶于水,具有比表面积大及可修剪、易修饰等结构特性,几乎可灵活制备成各种形状,在生物医药[2]、材料化学[3]、药物控制释放[4]等诸多领域具有广泛应用前景。由于本科材料类或制药类专业的本科生实验项目较少接触环境敏感型温度/pH 响应凝胶领域相关基础知识：高分子材料的构筑和合成；交联剂自由基原位聚合合成；结构化学知识来分析形成过程；大型仪器表征及相关软件分析；性能与结构之间的关系。因此,环境敏感型凝胶的设计合成及性能表征是大综合实验,可使本科生将所学的多个基础化学单元知识模块高度融合、掌握和灵活使用。

将环境敏感型凝胶的合成与性能分析实验项目引入到材料类或制药类高年级的本科综合化学实验课程中,使学生课堂学习与科研前言及实际应用实现无缝对接,激发学生的学习积极性和创新精神及追求科学高峰的研究热情,为本科毕业设计、科研训练项目和未来的科学研究打下夯实基础。

1 研究意义

凝胶的交联合成方法主要有物理交联和化学交联。物理交联是通过氢键等物理作用形成的可逆凝胶。化学交联是通过化学键交联的永久性或不可逆凝胶。凝胶根据对外界环境的刺激是否有响应（物理性质）可分为传统型水凝胶（无响应凝胶）和环境敏感型凝胶（又称智能凝胶）。环境敏感型凝胶随着环境刺激如温度、光、压力、磁场、电场、机械应力、离子强度、化学试剂和pH 等因素的变化,其在临界起始点改变分子间的相互作用或改变聚合物链和溶剂之间以及聚合物链之间的相互作用。

本实验中,选用应用最为广泛和易实现的温度和pH 环境[5],将N,N- 亚甲基双丙烯酰胺（BIS）和蒙脱土纳基（Na-MMT）两种交联剂通过自由基原位聚合合成具有温度响应的凝胶PNIPAM,再引入具有pH 响应的羧甲基壳聚糖（CMCS）,制备出新型温度/pH 双响应型凝胶PNIPAM/CMCS,采用FT-IRDSC 分析手段对样品表征,通过现代测试研究方法对性能研究。通过本实验的开展,掌握环境敏感型凝胶的制备方法,巩固综合复习化学实验基本操作、仪器分析、结构化学等多门化学课程内容；掌握环境敏感型凝胶的表征手段及相关软件的使用,熟悉仪器设备的使用操作,为本科毕业设计、科研训练项目和未来的科学研究打下夯实基础。

2 PNIPAM/CMCS 的合成

2.1 仪器与试剂

仪器：通风橱、真空干燥箱,鼓风干燥箱,磁力搅拌器、搅拌子、氮气瓶、紫外- 可见分光光度计、红外光谱仪、热重分析仪、扫描电子显微镜等。

试剂：过硫酸钾（KPS）,羧甲基壳聚糖（CMCS）,N,N- 亚甲基双丙烯酰胺（BIS）,N,N,N,N- 四甲基乙二胺（TEMED）,蒙脱土钠基（Na-MMT）,水杨酸（SA）,异丙基丙烯酰胺（NIPAM）,去离子水。

2.2 实验过程

（1） PNIPAM和PNIPAM/CMCS 的制备。0 ℃冰水环境下,将1.0 g NIPAM、0.8 g Na-MMT 和12.5 mg BIS 加入10 mL 蒸馏水中,磁力搅拌1 h。充入N220 min 后,将促进剂TEMED 和引发剂KPS 加入上述溶液并搅拌,静置24 h 形成凝胶,蒸馏水洗涤3次,冷冻干燥,制得PNIPAM。0 ℃冰水环境下,将1.0 g NIPAM、0.2 g CMCS、0.8 g Na-MMT 和12.5 mg BIS 溶于10 mL 蒸馏水中,磁力搅拌1 h,后续步骤与PNIPAM的制备相同。

（2） 载药量的测定。采用紫外- 可见分光光度计对凝胶的载药量测定。配置水杨酸（SA）0.2～1.0 mg·ml-1系列标准溶液,扫描范围为200 nm～400 nm,300 nm 处的最大吸收峰定量,标准曲线方程为A=0.0317C+0.063,A 为吸光度,C 为SA 的浓度。采用吸附法制备载药凝胶。冷冻干燥后的PNIPAM/CMCS置于10 mL 浓度为2 mg/mL 的SA 溶液,48 h 后取出于室温下干燥24 h,制得载药凝胶。取上清液测定药物残留量,通过紫外差减法计算载药量。

（3） 载药凝胶的温度/pH 响应测定。将载药凝胶分散于25 ℃和37 ℃的pH=7.4 的模拟肠液中,每隔一定时间取样,同时补充原模拟肠液,300 nm 处测定A,确定释药量,测定不同温度时的释药行为。将载药凝胶置于不同pH 的缓冲溶液中,放置在恒温振荡仪（37 ℃,50 rpm）释药,定时取一定量的释放液样测定并添加等量模拟液,测定不同pH 下的释药行为。

2.3 结果表征及性能分析

（1）红外光谱分析。FT-IR（美国Nicolet 公司,MagnaIR550II 傅立叶变换红外光谱仪）采用KBr 压片法,波长范围400～4 000 cm-1,分辨率为4 cm-1,扫数为32 次,见图1。

图1PNIPAM 和PNIPAM/CMCS 的红外光谱图对比可知,PNIPAM/CMCS 除了具有PNIPAM 的峰信号外,在1670 cm-1处出现异丙基丙烯酰胺中的酰胺伸缩振动峰,1071 cm-1处出现Si-O-Si 伸缩振动峰；由于无机粘土对凝胶的影响,2971 cm-1出现较弱新吸收峰,3191 cm-1处的-NH 伸缩振动峰向高波数发生移动。-COO-的伸缩振动峰均向低波数移动。而PNIPAM 在1368cm-1有明显峰信号,3095cm-1峰信号是由于-NH 和-OH 的伸缩振动重叠导致。

图1 PNIPAM 和PNIPAM/CMCS 的FT-IR 谱图

（2） 差示扫描量热分析。DSC（日本岛津,DTG60H 型差示扫描量热仪）测试升温范围为25～50℃,升温速度为1 ℃·min-1。见图2。由图2 对比PNIPAM和PNIPAM/CMCS 的差热扫描曲线,约33 ℃凝胶相体积转变。低于临界温度时,由于聚合物链中氨基与水分子之间存在较强的氢键作用,凝胶呈现亲水性,表现溶胀状态；高于临界温度时,氢键作用减弱,疏水基占主导位置,聚合物收缩交联。宏观表现出高于临界温度时,凝胶体积收缩,发生不连续相变,同时伴有吸热现象,与传统PNIPAM 凝胶的临界温度33 ℃相似。

图2 PNIPAM 和PNIPAM/CMCS 的DSC 曲线

（3） 载药PNIPAM/CMCS 温度/pH 响应性能分析。通过紫外差量法计算出PNIPAM/CMCS 的载药率为47.2%,释药结果见图3。图a 为PNIAAM/CMCS 载药凝胶于37 ℃和25 ℃时在模拟肠液中的释药曲线,37 ℃,30 h 时释药率高达81%,25 ℃,30 h 时释药率仅为33%,由于水凝胶的临界温度约33 ℃,高于临界温度,水凝胶呈现收缩的状态,利于药物扩散,释药速率加快,释药率较高,此过程与人体温度时达到某值药物突释效果类似。说明了载药PNIPAM/CMCS 凝胶具有良好的温度响应,随温度改变可控制开/关。图b 为PNIAAM/CMCS 载药凝胶模拟人体温度37 ℃,不同pH 条件下的释药曲线。SA 在模拟胃液pH=1.08和模拟肠液pH=7.40 释放10 h,释药量约为60%。pH=5.84,释药量达44%。pH=1～3,溶胀度随着pH 值的增大而减小,释药率随pH 增大减小；3＜pH＜8,溶胀度随pH 增大而增大,凝胶溶胀后网络结构较为疏松,降低了药物扩散的阻力,释药速率加快,释药率也增加；pH＞8,溶胀度又呈减小趋势,pH=8.5 时小于在模拟肠液中的释药率,药物在模拟胃液和模拟肠液环境中均具有较高的释药率,PNIAAM/CMCS 载药凝胶具有较好的 pH 响应释药性能。 综上分析,PNIAAM/CMCS 载药凝胶具有良好的温度/pH 响应性能。

图3 PNIPAM/CMCS 释药曲线（a: pH=7.4,温度不同；b: t=37℃,pH 不同）

3 实验实施过程质量控制

此综合化学实验包括了环境敏感型凝胶生物材料的合成、表征和性能测试等内容,合成实验包括基础化学实验操作；表征分析包括FT-IR、DSC、SEM及紫外可见分光光度法等仪器分析内容,同时学习了性能测试方法和谱图解析及MDI Jade、Origin 等软件的使用。实验内容系统完整覆盖知识面广,而又高度融合,难易程度相对基础实验具有一定的挑战性,适合材料类或制药类专业大三大四高年级本科生学习,实施细节如下。

（1） 课前：老师上课前需认真准备,完成实验项目教案编写,并预做实验,有效把握实验过程能可能遇到的问题。学生需查阅项目相关资料,预习实验原理、目的和方案,鼓励自行设计实验方案。了解使用的大型仪器设备及图谱分析方法。

实验前学生必须认真预习实验讲义,写出预习报告,内容包括实验目的要求,实验原理,查出实验涉及的常数,画出实验流程图等,设计实验则应写出实验设计方案。实验预习报告经教师检查后,方能参加实验。同时教师还可以采取课堂提问的方式,检查学生实验预习情况。

（2） 实验过程：老师需要求学生具有严格的科学态度、良好的实验操作技能,在实验过程中学生遇到的问题能够及时反馈,出现问题及时解决。学生需认真实验,规范操作,及时准确记录原始数据及观察到的实验现象。

（3） 课后：老师可通过网课在线问答、微信、QQ 等多种师生互动方式及时了解学生数据处理和结果分析中出现的困难和问题,并给予解答。学生需按照规范要求进行数据处理分析,鼓励自行查阅资料分析实验数据和现象,并能够进行正确规范处理数据和书写实验报告,有困难可与老师交流讨论。

4 结论

此实验项目综合了高分子化学、结构化学、材料化学、药物化学和仪器分析等相关知识内容,相对基础化学实验具有一定的难度和高度的综合性,适用于高年级材料类或者制药类本科生。通过本实验项目的实施,学生能够巩固复习基础化学实验知识同时,又可将基础化学实验知识串联融合,培养学生的独立思考创新能力、科研素养和热爱科学的情感,拓展学生的课堂视野。本实验项目为大学期间的科研训练项目的实施、大四本科毕业设计及未来研究生科研之路打下夯实基础。