高分子凝胶是由具有三维网络结构的亲水性或亲 油性高分子聚合物吸收溶剂后溶胀而形成的[1~31。近年 来，研究人员更注重对凝胶的环境敏感性进行研究，如 pH敏感温度敏感&7|、离子强度敏感& '电敏感 u<)1及光敏感1111等，利用水凝胶的吸附性，己将其成功地 应用于生物医学与工程技术领域，如人工移植、生物传 感器、活性驊的固定、组织工程、药物载体生物传感器、 重金属回收及染料吸附互穿聚合物网络 (Interpenetrating Network，IPN)是由两种或两种以上具 有独立结构和独立性质的不同物质组成的一种新型聚 合物。IPN有两种，一种为全互穿聚合物网络，是指由 两种或两种以上聚合物网络互相交织互穿构成的•另一 种是在聚合物A的单体聚合体系中混入另外一种高分 子B, B分子链贯穿于聚合物A的交联网络中，构成半互 穿聚合物网络（semi-IPN)•由于在IPN水凝胶中，两个 组分网络之间没有化学键合，各聚合物具有相对的独立 性，可以保持各自的一些性能，这种既相互独立又相互 依赖的特性决定了 IPN水凝胶的特殊的溶胀性能[15 191, 因此IPN水凝胶的制备及性能研究对于水凝胶的推广应 用具有深远的意义。

茶碱属黄嘌呤类药物。其作为非选择性磷酸二酯薄 抑制剂临床用于治疗气流阻塞性肺疾病，主要包括哮喘 及慢性阻塞性肺疾病(COPD),二者皆与气道慢性炎症 反应有关。哮喘的气流受限呈广泛多变的可逆性，其炎 症以嗜酸性粒细胞、肥大细胞浸润为主，COPD气流受 限不完全可逆，其炎症以中性粒细胞、肺巨噬细胞及淋 巴细胞为主。哮喘反复发作可导致气流受限不可逆或可 合并出现COPD。慢性炎症可使气道壁的损伤和修复过 程反复循环发生，导致气道壁的结构重塑。因此研究其 缓释行为对提高药效即靶向释放具有重要意义。本文采 用新型两步水溶液聚合法，使天然高分子羧甲基纤维素 的钠盐的分子链贯穿于聚合物PAA的三维网络中，制备 了 PAA/CMC-Na半互穿网络水凝胶，并对其溶胀动力 学、离子强度敏感性、pH敏感性及药物释放行为进行 了研究。

本文采用新型两步水溶液聚合法合成了 PAA/CMC -Na半互穿网络水凝胶，具体步骤如图1所示。第一步中， 首先将丙烯酸单体及丙烯酸钾单体在交联剂及引发剂 作用下预聚合；在第二步中引入羧甲基纤维素钠水溶 液，并再次交联形成半互穿网络水凝胶。

 

CMCNa

polyacrylatc

:tch of polyaciylatc/CMC-Nj semi-IPN structure

图1 PAA/CMC-Na半互穿网络水凝胶的合成示意图

Fig 1 Synthesis sketch of PAA/CMC-Na semi-IPN hydrogel

2实验 2.1原料

丙烯酸(AA, CP),国药集团化学试剂有限公司； 氢氧化钾(KOH, AR),国药集团化学试剂有限公司： N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(NMBA, AR),国药集团化学 试剂有限公司：过硫酸铵(APS, AR),汕头西陇化工厂: 焦亚硫酸钠(AR),国药集团化学试剂有限公司：氣化钠 (AR),汕头西陇化工厂；氣化铁(AR),汕头西陇化工厂； 氣化钙(AR),汕头西陇化工厂；硫酸铜(AR),汕头西陇

o o o o

8 6 4 2

 

 

化工厂：茶碱.国药集团化学试剂有限公司；羧甲基纤 维素钠，国药集团化学试剂有限公司。

2.2 PAA/CMC-Na半互穿网络水凝胶的制备

准确称取15g丙烯酸，溶解于15ml水中，采用氛 氧化钾中和至中和度为70%(相对丙烯酸单体摩尔比）、 待冷却至室温后，加入氧化还原引发剂过硫酸铵与焦亚 硫酸钠各0.15g、交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺 0.015g,强力搅拌使溶液聚合，待反应液呈粘稠态时加 入预先溶解好的羧甲基纤维素钠水溶液，再次分别加入 0.045g氧化还原引发剂、0.015g交联剂，搅拌使溶液均 勻聚合•将PAA/CMC-Na半互穿网络水凝胶半产品置 于80*0的电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9146A型）中干 燥12h至恒重，粉碎，备用。

2.3溶胀速率的测定

准确称取0.5g干燥样品置于烧杯中，加入足够量 去离子水或盐溶液，使水凝胶在室温下溶胀，在不同时 刻取出凝胶过滤、静置5min后称其质置，水凝胶的溶 胀率按下式计算I201:

Swelling ratio (SR) = —~—(^)

m,

式中为凝胶溶胀率(g/g), m;为千燥样品的质量 (g), 为水凝胶的质量(g)。

2.4 pH敏感性

用氢氧化钠和盐酸分别配制pH值为3〜12的缓冲 溶液，如2.3,按式(1)计算其溶胀度。

2.5茶碱的负载与释放

茶碱标准曲线的绘制：配制浓度分别为2, 6, 8, 12, 16mg/L的茶碱溶液，在波长272nm处测定吸光度，其标 准曲线方程为：C=171152A-01096 (r=019999)。准确 称量0.58干燥样品置于足量浓度为6mg/L的茶碱溶液 中，浸泡24h使其达到吸附平衡，取出、过滤后用滤纸 去除表面残留溶液•分别称取30g饱和凝胶置于500ml 0.1mol/L的FeCl3, CuSO^CaCl2溶液中，在一定时间间 隔内分别取出10ml液体，用紫外-可见分光光度计测量 各溶液中茶碱的吸光度，并将取出液体重新倒入上述容 器中以保持总体积恒定。

2.6表征

将制备的PAA/CMC-Na半互穿网络复合材料样品 粉碎后采用KBr压片对其红外光谱分析•将溶胀后的 PAA/CMC-Na半互穿网络水凝胶在液氮气氛下冷冻，然 后制成薄片，采用HITACHI S-3500N型扫描电子显微 镜(SEM)对表面状态进行表征。

3结果与讨论

3.1红外光谱分析

PAA/CMC-Na复合材料、聚丙烯酸钾及羧甲基纤维 素钠的红外光谱如图2所示，在PAA/CMC-Na复合材料 中，羧甲基纤维素钠及聚丙烯酸盐的特征吸收峰在图谱

中都有显示。其中3331cm—1属于聚丙烯酸盐中N—H弯

曲振动吸收峰，2946cm—1属于一CH2-#缩振动吸收峰，

1710cm1属于C=0弯曲振动吸收峰，1123cm1属于C

一H弯曲振动吸收峰。1019cm1为羧甲基纤维素钠中C

—〇~C的伸缩振动峰。复合材料中一COOH与一COOK

中c=o弯曲振动吸收峰峰位相对聚丙烯酸盐有所偏

移，这可能是由聚丙烯酸盐与羧甲基纤维素钠间形成的

氢键导致。

100

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Wavenumber/cm~*

图2 (a)PAA/CMC-Na复合材料（b)聚丙烯酸盐及（c> 羧甲基纤维素钠红外光谱分析 Fig 2 FTIR spectra of (a) polyacrylate/CMCNa semi-IPN hydrogel, (b) PAA and (c) CMCNa 3.2扫描电子显微镜表征

PAA/CMC-Na半互穿网络水凝胶的SEM形貌如图 3所示。聚丙烯酸钾和羧甲基纤维素钠半互穿省略凝胶的两步水溶液合成及其药物，从图中可以看出，采用两步水溶液聚合法合成 的水凝胶表面具有明显的空间网络结构，且半互穿网络 水赶胶中无团聚发生，由此说明聚丙烯酸钾与竣甲基纤 维素钠复合均匀，

图3聚丙烯酸盐/羧甲基纤维素钠半互穿网络水凝胶 的扫描电子显微镜图

Fig 3 SEM morphology of the polyacrylate/CMCNa semi-IPN hydrogel 3.3溶胀动力学

羧甲基纤维素钠含量对PAA/CMC-Na半互穿网络 水凝胶溶胀速率的影响如图4所示•可以看出，在初期 阶段，凝胶溶胀速率较快，12h后逐渐趋于平缓并最终达 到溶胀平衡。凝胶的吸水溶胀是一个较复杂的过程，最初 阶段的吸水是通过毛细管吸附和分散作用实现的，然后水 分子通过氢键与凝胶的亲水基团(一COOH, —COOK及 —OH)作用，离子型基团一COOH与一COOK开始离解， 阴离子一COO_固定在高分子链上，阳离子K*与H+是

 

(3)

(4)

(5)

式中/为离子强度，m,为离子浓度，4为离子电荷，7i 为离子活度系数，《,为离子的活度，/eff为有效离子强度。

 

30

25201510 090^ 6-1$

 

可移动的，当少量阳离子向凝胶网络外部扩散后，随着 亲水基团的进一步解离，阴离子数目增多，阴离子间的 静电斥力增大使凝胶网络扩张。同时为了维持体系的电 中性，阳离子不能自由地向外部溶剂中扩散，导致可移 动阳离子在树脂网络内外的浓度差增大，形成一定的浓 度梯度，从而造成网络内外产生渗透压，使水分子进一 步渗入。随着溶胀率的增大，网络内外的渗透压趋向平 衡，聚丙烯酸钾和羧甲基纤维素钠半互穿省略凝胶的两步水溶液合成及其药物，而随网络扩张其弹性收缩力也在增加，逐渐抵消了 离子的静电斥力，最终达到溶胀平衡。网络内外的渗透 压差是凝胶溶胀的动力来源，而网络中持有的大量水合 离子是提高溶胀能力、加快溶胀速度的一个重要因素， 凝胶网络是溶胀能力强大的结构因素121—231。

图4羧甲基纤维素钠用量对凝胶溶胀率的影响 Fig 4 CMCNa dosages vs. SR of the hydrogels

由图4还可以看出，当羧甲基纤维素钠用量为单体 质量的2.5% (质置分数）时，凝胶的溶胀率最高。当 羧甲基纤维素钠用量低于2.5% (质量分数）时，凝胶 的溶胀率随羧甲基纤维素钠用量的增大而升高；当羧甲 基纤维素钠用童高于2.5% (质童分数）时，溶胀率随 羧甲基纤维素钠用量的增大而逐渐降低。亲水基团是凝 胶吸水溶胀的原动力，亲水基团的多少及亲水性强弱对 凝胶溶胀率具有决定作用。由Flory理论[221探讨水凝胶 的溶胀能力可知，聚合物中功能性基团对水分子亲和力 是决定凝胶溶胀率的关键因素。羧甲基纤维素钠是一种 骨架中含有大童亲水性羟基和羧基的天然髙分子材料， 添加羧甲基纤维素钠能引入大量羟基和羧基，从而可以 大大提高凝胶的溶胀率。若羧甲基纤维素钠用量过多， 使得凝胶网络空间减小，容纳水的能力降低，从而导致 溶胀率下降。

3.4离子强度敏感性

由Flory理论1221可知，外界溶液中的离子强度是决 定凝胶溶胀率的关键因素，离子强度越大，网络内外渗 透压越小，凝胶溶胀率越低；反之，溶胀率越髙。 PAA/CMC-Na半互穿网络水凝胶在盐溶液中的溶胀率 如图5与6所示。对于NaCI溶液，浓度越大则离子强 度越大，则凝胶在其中的溶胀率越大；而对于同一浓度 的不同盐溶液，由式(2)〜(5)可知，有效离子强度依次 为 CaCl2>FeCl3>CuS04。

 

lg Yi = -〇.5〇9x-0.301)

2

0%00.020.040.060.080.10^

Concentraliom of NaCI tolution/mol -L4

图5 NaCl溶液浓度对凝胶溶胀率的彩响 Fig 5 Concentrations of NaCI solution vs. SR of the hydrogels

0.000.020.04 a〇6 a〇8 0.10

Concentrationt of NaCI solution/mol^L^

图6不同浓度盐溶液对2.5 : 100半互穿网络水凝胶溶 胀率的影响

Fig 6 Salt concentrations vs. SR of 2.5100 semi-IPN

hydrogel 3.5 pH敏感性

聚丙烯酸盐/竣甲基纤维素钠半互穿网络水凝胶的 pH敏感性如图7所示。溶胀率随pH值增大逐渐升高, 当pH=8时达到最大，当pH>8,随pH升高，凝胶溶 胀率逐渐下降。聚丙烯酸钾和羧甲基纤维素钠半互穿省略凝胶的两步水溶液合成及其药物，这主要是因为在较低pH值下，亲水能 力较强的一COC厂质子化为亲水能力相对较弱的一 COOH。此外，一COOH间的强氢键作用使得聚合物链 相互缠绕，凝胶网络空间减小，容纳水的能力下降，从 而导致溶胀率较低•在较髙pH值下(pH>8), —COOH 被全部中和为一COCT基团，一COO_间的静电排斥力使 得凝胶网络不稳定，溶胀率降低：此外，随一COOH离 解度的升髙，凝胶内外渗透压减小，凝胶逐渐收缩[2<251。 图8为2.5: 100凝胶在pH=3及8的缓冲溶液中的溶 胀-收缩行为，这是由于在酸性与碱性条件下，一 COOH 与一COCT间相互转换导致的。 

908680757066605550 o^suls-lleMS

 

6 8 pH value

12

pH=8(On) ►

pH=3(Off) —►

 

图7 pH对2.5: 100半互穿网络水凝胶溶胀率的彩响 Fig 7 pH on swelling ratio of the 2.5 I 100 semi-IPN hydrogel

 

图82.5 : 100 PAA/CMC-Na半互穿网络水凝胶在

pH=3与8时的开关效应

Fig 8 On-off switching behaviors in buffer solutions of pH=3 and 8 for 2.5 ： 100 PAA/CMC-Na IPN 3.6茶碱释放

PAA/CMC-Na半互穿网络水凝胶在FeCl3、CuS04、 〇3(：12溶液中对茶碱的释放行为如图9所示。在前90min

内，茶碱释放量可达90%。

 

050100150200250

Time/min

图9在0.1!11〇1/1^盐溶液中2.5:100半互穿网络水凝 胶对茶碱的释放行为

Fig 9 Release of 2.5 * 1CX) semi-IPN hydrogel for theophy- lline in O.lmol/L salt solutions 茶碱的结构式如图10所示。

在茶碱被吸收到聚丙烯酸盐/CMC-Na半互穿网络 内部后主栗以氢键与聚丙烯酸盐或羧甲基纤维素钠中 的一CW、一jCOOH、一COCT等基团结合。将吸附茶碱

的水凝胶浸入高价盐溶液，一COOH、一COO' —OH 与金属粒子Fe3+、Cu2+及Ca2+发生络合反应，导致水凝 胶收缩，破坏了茶碱与凝胶间的氢键作用，因此，茶碱 在凝胶收缩力的作用下被释放。

 

图10茶碱的结构式 Fig 10 Structure of theophylline 其释放机制可由Higuchi1261与Peppas%281公式表示：

^L = lam(6)

机与分别为时间r与〇〇时的释放量。

^ = kf⑴

n为扩散指数。由Peppas理论可知，n彡0.45时，为 Fickian扩散；聚丙烯酸钾和羧甲基纤维素钠半互穿省略凝胶的两步水溶液合成及其药物，0.45<n<0_89时为无规扩散机制；当n彡 0.89时为控制扩散。如图11所示，PAA/CMC-Na在高价 盐溶液中对茶碱的释放指数分别为n(FeCl3) = 0.30, /I(CUSO4)=0_33, /«(CaCl2)=0_38,符合Fickian扩散机制。

 

Fig 11 The relationship offor polyacrylate/

CMC-Na semi-IPN hydrogel

4结论

(1)采用新型分步水溶液聚合法制备了 PAA/CMC-Na半互穿网络水凝胶，具体步骤为：首先制 备PAA预聚物，然后引入CMC-Na水溶液，在交联剂 与引发剂作用下均匀聚合。采用此法制备的PAA/CMC -Na水凝胶具有明显的三维空间网络结构，且组分分散 均匀，无团聚产生。

(2)探讨了羧甲基纤维素钠用量对凝胶溶胀率及 溶胀速率的影响。研究了离子强度敏感性与pH敏感性。

(3)制备的聚丙烯酸钾/竣甲基纤维素钠半互穿网 络水凝胶对茶碱具有明显的药物释放行为，且释放规律

符合Fickian扩散机制。