果胶/聚乙烯醇水凝胶的制备与缓释性能研究

沈碧华 ,张国广 ,胡世荣 ,费 鹏*

（1.闽南师范大学化学化工与环境学院,福建漳州36300；2.闽南师范大学生物科学技术学院,福建漳州36300）

水凝胶是一种不溶于水、具有一定机械性能且可溶胀的三维网状聚合物，可在生物医学领域应用于药物输送、细胞支架、伤口敷料或组织工程等[1-3].一般可以使用天然聚合物、合成聚合物或它们的组合来制备水凝胶.将天然多糖高分子与合成聚合物组合一起制备水凝胶，能够互相结合两者的优势，以产生具有改进性能的材料[4].

聚乙烯醇(PVA)是一种易于制备的环保亲水聚合物.由于其具有生物相容性、无毒、可生物降解性等优点，已被广泛应用于通过物理或化学交联机制制备水凝胶[5].PVA已被用于冻融法制备物理交联水凝胶[6].当PVA溶液经过冻融循环时，会发生液相分离并出现冰晶,从而形成了从冰晶中排斥出来的凝胶结构[7].果胶(PC)是一种广泛存在于自然界植物细胞壁中的多糖，存在的羟基和羧基使它们具有良好的亲水性.由于果胶具有良好的生物相容性、可生物降解性和低毒性，可用于制备水凝胶应用于生物医学领域[8].一些研究将PC与PVA结合在一起通过冻融法制备柔软、柔韧和可膨胀的PC/PVA水凝胶.与化学交联法相比，通过冷冻和解冻循环制备的PC/PVA水凝胶具有不含可能导致毒性的化学交联剂的优点，这有利于生物医学或药理学应用.有研究报道了采用冻融法制备了含沙棘叶提取物的聚乙烯醇混合果胶水凝胶对伤口愈合的影响[9].Oh 等[6]采用冻融法制备了不同配比的聚乙烯醇与果胶复合水凝胶有望用作伤口敷料的候选材料.黄曹等[10]将果胶与聚乙烯醇混合通过反复冻融法制备复合水凝胶作为人工髓核材料.Gan等[11]利用海藻酸/氧化石墨烯水凝胶膜涂层功能棉织物吸附释放苦参碱和氧化苦参碱两种经典中药，考察其控释性能.

苦参碱是从苦参根中提取的主要活性成分之一.该化合物具有抗炎、抗肝纤维化、抗病毒、抗肿瘤活性等药理作用[12].通过冻融法制备不同冻融循环次数PC/PVA 水凝胶，在这项工作中将评估冻融循环次数对PC/PVA水凝胶结构形态与性能的影响.以苦参碱为缓释药物研究冻融循环次数对载药水凝胶缓释的影响.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

果胶(PC,半乳糖醛酸含量≥74.0%，上海阿拉丁)，PVA(平均聚合度：1 750±20，汕头市达濠精细化学品公司)，十二水合磷酸氢二钠(AR，西陇科学)，二水合磷酸二氢钠(AR，西陇科学)，苦参碱(98%，上海麦克林).

傅里叶红外光谱仪(NICOLET iS 10，美国赛默飞公司)，扫描电子显微镜(SEM,JSM-6010LA，日本电子公司)，X 射线衍射仪(UltimaIV，日本Rigaku 公司)，质构仪(CT3-10K，美国Brookfield 公司)，全波长酶标仪(MultiSkan Go，Thermo Fisher Scientific公司).

1.2 实验方法

1.2.1 PC/PVA水凝胶的制备

在室温下，将适量果胶溶解在去离子水中，搅拌至溶解均匀，即得到4%的PC 溶液.将一定量的聚乙烯醇加入去离子水中，90 ℃水浴加热30 min 并搅拌至溶解，即得到10%的PVA 溶液.然后，将PC 溶液和PVA 溶液等量混合均匀得到PC/PVA 混合溶液.为了分析冻融次数对水凝胶的影响，将样品在-22 ℃下冷冻8 h，在室温下解冻4 h，分别冻融1、3和5个循环次数得到PC/PVA1、PC/PVA3和PC/PVA5水凝胶.水凝胶的形态如图1 所示.所有PC/PVA 水凝胶在冷冻解冻循环后用去离子水洗涤.最后，将所有水凝胶冷冻干燥48 h并储存用于表征.

图1 水凝胶示意图Fig.1 Schematic diagram of hydrogels

1.2.2 水凝胶的表征

在4 000～650 cm-1扫描范围内使用ATR 模式对水凝胶进行红外光谱（FTIR）分析.在5°～80°范围内对水凝胶进行X射线衍射（XRD）分析.使用扫描电子显微镜在10 kV下观察水凝胶的表面形态.

1.2.3 水凝胶力学性能测定

采用质构仪测试水凝胶的力学性能.在室温下使用TPA 模式和TA10 探头测试水凝胶样品.测试条件：测试触发点负载为0.07 N，测试速度为0.2 mm/s，循环2次.

1.2.4 水凝胶溶胀性能测定

采用重量法测水凝胶在缓冲溶液(pH=7.4)中的溶胀度.在室温下，将已知质量干燥的水凝胶浸没在50 mL 缓冲溶液中，直至达到溶胀平衡.每隔一段时间就取出水凝胶，并除去水凝胶表面多余的水分，然后称量其质量.溶胀度的计算公式（1）如下：

其中：SD/（g/g）为溶胀度；Mt/g为t时刻水凝胶质量；M0/g为干燥水凝胶质量.

1.2.5 水凝胶的药物缓释

1.2.5.1 载苦参碱水凝胶的制备

将一定量的苦参碱溶解于PC溶液中，然后，将苦参碱与PC混合溶液和PVA溶液等量混合均匀.将样品分别冻融（在-22 ℃下冷冻8 h，在室温下解冻4 h）1、3和5个循环次数.最后，将所有载苦参碱水凝胶冷冻干燥.

1.2.5.2 载药水凝胶体外缓释

在50 mL 磷酸盐缓冲溶液(pH=7.4)中进行药物缓释研究.在37 ℃下，将冷冻干燥的载苦参碱水凝胶(100 mg)浸没在缓冲溶液中，并在实验过程中保持恒定振荡.每隔一段时间取出2 mL溶液，并用新鲜缓冲溶液替换以保持恒定体积.通过分光光度法在201 nm 波长处测量确定释放的苦参碱的量.结果显示为随时间变化的累积释药百分比.累积释药百分比的计算公式（2）如下：

其中：W/%为累积释药百分比；Ci/（mg/L）为第i次取样时溶液中的苦参碱浓度；Va/L 为每次取样体积；Vb/L为缓冲溶液总体积；M/mg为水凝胶载药量.

2 实验结果与讨论

2.1 FTIR、XRD和SEM表征分析

图2(a)所示为PC、PVA、PC/PVA1、PC/PVA3 和PC/PVA5 的红外光谱图.所有样品在3 000～3 600 cm-1区域都存在羟基伸缩振动峰.由图2(a)可知，PC 的FTIR 光谱在3 370、2 941、1 733、1 640 cm-1处显示主要谱带，这分别归因于羟基伸缩振动、饱和C-H 伸缩振动、酯化羧基和游离羧基.PC/PVA1、PC/PVA3 和PC/PVA5 的羟基伸缩振动峰分别出现在3 286、3 279、3 272 cm-1处.随着冻融次数增加，羟基伸缩振动峰从3 286 cm-1移动到3 272 cm-1处.这可能是形成氢键使羟基振动峰向低波数移动.对比PC、PVA 和PC/PVA 水凝胶的红外谱图，可以发现PC/PVA 水凝胶的红外谱图是由PC 和PVA 谱图叠加形成的.结果表明PC/PVA水凝胶是通过物理交联形成的.PC和PVA之间通过氢键交联形成水凝胶.

图2(b)为PC/PVA1、PC/PVA3 和PC/PVA5 的XRD 谱图.通过XRD 分析PC/PVA 水凝胶的结晶度.由图2(b)可见，所有PC/PVA 水凝胶具有一定的结晶结构，在20°附近观察到较强的宽衍射峰，在41°附近有较弱的衍射峰.冻融循环次数的增加导致20°和41°附近衍射峰强度显著提高.在冷冻过程中，发生相分离形成富含PVA链的相和水相.随着冻融循环次数的增加，富含聚合物的相中进一步富集了更多的链，这些链在富含聚合物的区域中形成有序阵列[13].因此，PC 和PVA 链经过反复多次冻融循环促进氢键形成和形成更多结晶区，提高水凝胶结晶度.

图2 FTIR和XRD表征图Fig.2 FTIR and XRD characterization diagram

图3 为不同冻融次数下制备的所有PC/PVA 水凝胶的SEM 图.由图3 所示，PC/PVA 水凝胶表面粗糙多孔，且受冷冻-解冻循环次数的影响.可以观察到PC/PVA水凝胶的形态随冻融次数的变化而变化.冻融3次和5次的PC/PVA水凝胶表面具有更明显的多孔网络和孔隙.

图3 不同冻融次数PC/PVA水凝胶的SEM图Fig.3 SEM images of PC/PVA hydrogels with different freezing-thawing times

2.2 力学性能分析

通过循环2次压缩测试研究冻融次数对PC/PVA水凝胶力学性能的影响.表1展示了水凝胶的两次循环硬度和弹力.由表1 可知，冻融1 次的PC/PVA1 水凝胶具有最小硬度(第一循环硬度0.79 N)，但是PC/PVA1水凝胶的弹力(0.83)最大.冻融5次的PC/PVA5水凝胶具有最大硬度(第一循环硬度3.49 N)和最小弹力(0.70).结果表明，冻融次数的增加分别提高了水凝胶硬度和降低了水凝胶弹力.增加的冻融循环次数导致进一步的结晶区形成和聚合物相的链的富集，因此增加了交联密度，形成更加稳定的凝胶结构[14].

表1 PC/PVA水凝胶力学性能参数Tab.1 Mechanical properties of PC/PVA hydrogels

2.3 溶胀性能分析

图4显示了冻融循环次数对溶胀性能的影响.PC/PVA 水凝胶具有亲水性官能团羧基和羟基，有利于水凝胶溶胀.由图4 可知，所有水凝胶在前4 h 迅速溶胀.PC/PVA1 水凝胶在4 h 后溶胀度略有下降，这可能是只冻融循环1次，水凝胶的凝胶结构不稳定导致溶胀不稳定.PC/PVA3和PC/PVA5水凝胶在4 h后溶胀缓慢且逐渐达到平衡.结果表明，溶胀度随着冻融循环次数的增加而降低.有研究表明，增加冻融循环次数使PVA 链形成更多氢键和结晶区.PC 和PVA 在多次冷冻-解冻过程中增加交联密度不利于水凝胶溶胀[1,15].

图4 不同冻融次数PC/PVA水凝胶的溶胀度曲线Fig.4 Swelling curves of PC/PVA hydrogels with different freezing-thawing times

2.4 药物缓释分析

研究了不同冻融次数水凝胶在pH=7.4缓冲溶液中的苦参碱缓释行为.如图5所示，载苦参碱水凝胶在前2 h累积释药百分比差别不大.药物累积释放量随着时间增加而增加，在约10 h时达到最大药物缓释量.冻融循环1、3 和5 次PC/PVA 水凝胶的最大累积释药百分比分别达到97%、94%和82%.结果表明，水凝胶的最大累积释药百分比随着冻融循环次数的增加而降低.这可能是多次冷冻-解冻循环导致水凝胶结构更致密，限制药物释放.因此，通过改变冻融循环次数来改变载苦参碱水凝胶的缓释行为，并为其应用提供参考.

图5 载苦参碱PC/PVA水凝胶的累积释药百分比曲线Fig.5 Cumulative drug release percentage curve of loaded matrine PC/PVA hydrogels

3 结论

采用冻融法制备了冻融循环1、3 和5 次果胶/聚乙烯醇水凝胶，并对其结构形态、力学性能、溶胀性能和苦参碱缓释的进行研究.结果表明，果胶与聚乙烯醇通过物理交联形成水凝胶；随着冻融循环次数的增加，增强了水凝胶的凝胶结构，使水凝胶的硬度提高，而弹力下降；增加冻融循环次数导致水凝胶在磷酸盐缓冲溶液中的溶胀性能减弱；载苦参碱水凝胶在pH=7.4 磷酸盐缓冲溶液中的累积释药百分比随冻融循环次数的增加而减少.