CN104262540A - 一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶及其制法与应用 - Google Patents

一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶及其制法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于天然高分子功能材料制备技术领域，公开了一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶及其制备方法与应用。所述温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶的制备步骤为：将木聚糖用热水溶解，得到木聚糖溶液；往木聚糖溶液中加入N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺，再加入交联剂，通氮气鼓泡，加入光引发剂，混合均匀后，冷却至室温，置于紫外辐射反应器中，室温下紫外照射，再于室温下封闭放置反应，反应结束后用去离子水洗涤，所得固体即为所述温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶。本发明制备方法工艺易操作，具有环境友好性；所得温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶具有生物相容性、对药物有良好的缓释行为，在模拟肠道生理液中药物释放量达80％。

Description

一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶及其制法与应用
技术领域
本发明属于天然高分子功能材料制备技术领域，具体涉及一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶及其制备方法与应用。
背景技术
全球的植物每年生成的半纤维素有3.5×1010t之多。半纤维素是地球上最丰富、最廉价的可再生资源之一，是自然界取之不尽、用之不竭的可再生资源。半纤维素因其来源广泛，具有生物可降解性、生物相容性、特殊生理活性等特点，是制备材料的理性原料。木聚糖作为半纤维素的主要成分，主要存在于阔叶木和禾本科植物中。木聚糖本身具有纤维素、淀粉等其他天然高分子没有的特殊的理化性能，在医药行业具有潜在的应用价值。
水凝胶是一种三维亲水性网络状聚合物，可以吸收大量水分或生物液体，但不溶于水中。水凝胶能够保持一定的持水性及回弹性。这一特性赋予水凝胶各种特殊的性能，具有各种不同的响应行为，如pH值、温度、光照、磁场等。水凝胶所具有的特性，在污水处理、医药工程领域具有广阔的应用。
环境响应的水凝胶(智能水凝胶)尤其是对pH和温度相应的水凝胶成为人们有研究的热点。温度敏感型水凝胶是智能材料的一种。在温敏水凝胶的相转变温度(低临界溶解温度，LCST)附近施加一个小的温度变化，凝胶的体积宏观上将发生突变。温敏水凝胶的这种独特的性能使其在生物材料和生物技术方面显示了广阔的应用前景，例如药物控制释放、微载细胞培养材料、生物分子识别材料、尺寸分离材料、化学传感器、热敏微型生物芯片等。另外，pH响应的智能水凝胶对pH值具有较大的响应行为，人体不同部位如胃、肠道和血管的pH值各不相同，因此pH响应的水凝胶还可以实现药物靶向控释。到目前为止，还未见有关木聚糖类型的半纤维素制备的温度和pH敏感型水凝胶及其应用于药物缓释的报道。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶的制备方法；
本发明的另一目的在于提供上述制备方法得到的温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶；
本发明的再一目的在于提供上述温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)将木聚糖用热水溶解，得到木聚糖溶液；
(2)往木聚糖溶液中加入N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺，再加入交联剂，通氮气鼓泡，加入光引发剂，混合均匀后，冷却至室温，置于紫外辐射反应器中，室温下紫外照射，再于室温下封闭放置反应，反应结束后用去离子水洗涤除去残余反应试剂，所得固体即为所述温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶。
优选的，步骤(1)所述将木聚糖用热水溶解的具体操作为：将木聚糖加入温度为60～80℃的热水中，搅拌溶解15～40min；
优选的，步骤(1)所述木聚糖为云杉木聚糖，分子量为Mw＝130000g/mol；
优选的，步骤(1)所得的木聚糖溶液的质量浓度为4％～6％；
优选的，步骤(2)所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺；步骤(2)所述光引发剂为安息香二甲醚；
优选的，步骤(2)所述交联剂的用量为步骤(1)所述木聚糖质量的6％～10％；
优选的，步骤(2)所述丙烯酰胺与步骤(1)所述木聚糖的质量比为(8～16)：1；
优选的，步骤(2)所述N-异丙基丙烯酰胺的用量为步骤(1)所述木聚糖质量的8％～15％；
优选的，步骤(2)所述光引发剂的用量为步骤(1)所述木聚糖质量的5％；所述光引发剂在加入木聚糖溶液前，先用N-甲基吡咯烷酮(NMP)进行溶解；
优选的，步骤(2)所述通氮气鼓泡的时间为10～30min；
优选的，步骤(2)所述紫外照射的时间为4～8h，波长为365nm，功率为400W；
优选的，步骤(2)所述封闭放置反应的时间为8～20h。
根据上述制备方法得到一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶；
上述温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶在制备药物缓释剂中的应用；
上述温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶在制备药物缓释剂中的应用，具体包括如下步骤：将药物溶于乙醇中，配制得到药物-乙醇溶液，将所述温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶浸渍于药物-乙醇溶液中，密封，置于暗处放置20～28h，取出，置于真空干燥箱中干燥，得到具有缓释效果的药物水凝胶制剂；
所得的具有缓释效果的药物水凝胶制剂在肠胃环境中可缓慢释放药物。
在上述应用的具体步骤中：
优选的，所述药物为乙酰水杨酸；
优选的，所述药物-乙醇溶液的质量浓度为8～15％；
优选的，所述温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶在浸渍前，先均匀切片，冷冻干燥；所述冷冻干燥为在-50℃下冷冻干燥24小时；
优选的，所述真空箱中干燥的温度为40～60℃，干燥时间为20～28h；
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明所述制备方法使用的原料为生物质，因木聚糖本身具有可生物降解、生物相容性以及特殊的理化性能，是制备医用水凝胶理想的原料，本发明能够扩大木聚糖类型半纤维素的工业应用，为半纤维素的高值化利用提供重要的有效途径。
(2)本发明制备的对温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶，对药物具有良好的药物缓释行为，在肠道中药物缓释效率达80％。
(3)本发明所述制备方法工艺易操作，容易实现工艺化，具有环境友好性。
附图说明
图1为本发明所述温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶的DSC图。
图2为本发明所述具有缓释效果的药物水凝胶制剂在pH为7.4模拟肠液和pH为2.0模拟的胃液生理液环境下的药物缓释图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶，其制备步骤如下：
称取2.5g木聚糖(xylan)置于三口烧瓶中，加入50mL去离子水在80℃加热30min并搅拌使其溶解；降温至50℃，然后分别加入0.25g的N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)、25g丙烯酰胺(AM)和0.25g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，用氮气鼓泡15min，以除去溶液中的溶解氧和瓶内空气；然后加入光引发剂安息香二甲醚0.125g(先将安息香二甲醚0.125g溶于N-甲基吡咯烷酮中，质量浓度为2.5％)；混合液均匀后，降至室温，倒入石英皿并置于紫外辐射反应器中，设定照射条件为：波长为365nm、功率为400W，室温下照射6h；达到反应时间后在室温下封闭放置12h，使其充分聚合和交联；反应完成后，将所得的水凝胶取出用过量去离子水洗涤以除去水凝胶中残余的反应试剂，即得所述温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶。
对所得的温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶进行热分析，所得热分析图谱(DSC图)如图1所示，从图1中平溶润胀后的温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶对温度在10～60℃的热分析曲线可以看出，所得温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶在35.2℃出现一个细而尖锐的吸收峰，说明了在35.2℃发生了相转变。
将所得温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶用于药物包载及缓释，具体步骤为：配制质量浓度为10％的乙酰水杨酸-乙醇溶液；将所得温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶均匀切片，在-50℃下冷冻干燥24小时，然后浸渍于乙酰水杨酸乙醇溶液，密封，置于暗处放置24h，取出，放于40℃真空干燥箱中干燥24h，得到具有缓释效果的药物水凝胶制剂。
将所得具有缓释效果的药物水凝胶制剂置于模拟人体胃液(pH为2.0)和肠液(pH为7.4)不同的生理环境中，水平震荡(50r/min)，每隔1小时取5ml溶液，并取相同量的缓冲液放回其中以维持总的溶液体积不变。缓冲液要现配现用。通过紫外分光光度计法测定介质中药物的浓度。
根据下式计算药物包载量及药物缓释率：
药物包载量(W0)＝包载后水凝胶质量-包载前水凝胶质量；
药物缓释率(％)＝Wt/W0×100％(Wt为t小时后药物质量g，W0为总的药物包载量g)；
经过分析计算，实施例1中温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶低临界溶解温度(LCST)为35.2℃；药物乙酰水杨酸在模拟肠液中8h缓释平衡，缓释率达80％，在模拟胃液中6小时缓释平衡，缓释率为45％。所得具有缓释效果的药物水凝胶制剂在pH为7.4模拟肠液和pH为2.0模拟的胃液生理液环境下的药物缓释图如图2所示。
下面实施例产物的DSC图和缓释率图基本与实施例1相同，不一一说明。
实施例2
一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶，其制备步骤如下：
称取3.0g木聚糖(xylan)置于三口烧瓶中，加入50mL去离子水在60℃加热40min并搅拌使其溶解；降温至50℃，然后分别加入0.45g的N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)、24g丙烯酰胺(AM)和0.18g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，用氮气鼓泡30min，以除去溶液中的溶解氧和瓶内空气；然后加入光引发剂安息香二甲醚0.15g(先将安息香二甲醚0.15g溶于N-甲基吡咯烷酮中，质量浓度为2.5％)；混合液均匀后，降至室温，倒入石英皿并置于紫外辐射反应器中，设定照射条件为：波长为365nm、功率为400W，室温下照射8h；达到反应时间后在室温下封闭放置20h，使其充分聚合和交联；反应完成后，将所得的水凝胶取出用过量去离子水洗涤以除去水凝胶中残余的反应试剂，即得所述温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶。
将所得温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶用于药物包载及缓释，具体步骤为：配制质量浓度为8％的乙酰水杨酸-乙醇溶液；将所得温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶均匀切片，在-50℃下冷冻干燥24小时，然后浸渍于乙酰水杨酸乙醇溶液，密封，置于暗处放置20h，取出，放于60℃真空干燥箱中干燥20h，得到具有缓释效果的药物水凝胶制剂。
将所得具有缓释效果的药物水凝胶制剂置于模拟人体胃液(pH为2.0)和肠液(pH为7.4)不同的生理环境中，水平震荡(50r/min)，每隔1小时取5ml溶液，并取相同量的缓冲液放回其中以维持总的溶液体积不变。缓冲液要现配现用。通过紫外分光光度计法测定介质中药物的浓度。
经过分析计算，实施例2中温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶低临界溶解温度(LCST)为34.3℃；药物乙酰水杨酸在模拟肠液中6h药物缓释率达68％，在模拟胃液中4h缓释率为35％。
实施例3
一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶，其制备步骤如下：
称取3.0g木聚糖(xylan)置于三口烧瓶中，加入75mL去离子水在70℃加热15min并搅拌使其溶解；降温至50℃，然后分别加入0.24g的N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)、45g丙烯酰胺(AM)和0.24g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，用氮气鼓泡10min，以除去溶液中的溶解氧和瓶内空气；然后加入光引发剂安息香二甲醚0.15g(先将安息香二甲醚0.15g溶于N-甲基吡咯烷酮中，质量浓度为2.5％)；混合液均匀后，降至室温，倒入石英皿并置于紫外辐射反应器中，设定照射条件为：波长为365nm、功率为400W，室温下照射4h；达到反应时间后在室温下封闭放置8h，使其充分聚合和交联；反应完成后，将所得的水凝胶取出用过量去离子水洗涤以除去水凝胶中残余的反应试剂，即得所述温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶。
将所得温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶用于药物包载及缓释，具体步骤为：配制质量浓度为15％的乙酰水杨酸-乙醇溶液；将所得温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶均匀切片，在-50℃下冷冻干燥24小时，然后浸渍于乙酰水杨酸乙醇溶液，密封，置于暗处放置28h，取出，放于50℃真空干燥箱中干燥28h，得到具有缓释效果的药物水凝胶制剂。
将所得具有缓释效果的药物水凝胶制剂置于模拟人体胃液(pH为2.0)和肠液(pH为7.4)不同的生理环境中，水平震荡(50r/min)，每隔1小时取5ml溶液，并取相同量的缓冲液放回其中以维持总的溶液体积不变。缓冲液要现配现用。通过紫外分光光度计法测定介质中药物的浓度。
经过分析计算，实施例2中温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶低临界溶解温度(LCST)为35.0℃；药物乙酰水杨酸在模拟肠液中7h药物缓释率达76％，在模拟胃液中5h缓释率为40％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将木聚糖用热水溶解，得到木聚糖溶液；
(2)往木聚糖溶液中加入N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺，再加入交联剂，通氮气鼓泡，加入光引发剂，混合均匀后，冷却至室温，置于紫外辐射反应器中，室温下紫外照射，再于室温下封闭放置反应，反应结束后用去离子水洗涤除去残余反应试剂，所得固体即为所述温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述将木聚糖用热水溶解的具体操作为：将木聚糖加入温度为60～80℃的热水中，搅拌溶解15～40min。
3.根据权利要求1所述的一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)所得的木聚糖溶液的质量浓度为4％～6％。
4.根据权利要求1所述的一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺；步骤(2)所述光引发剂为安息香二甲醚。
5.根据权利要求1所述的一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述交联剂的用量为步骤(1)所述木聚糖质量的6％～10％；步骤(2)所述丙烯酰胺与步骤(1)所述木聚糖的质量比为(8～16)：1；步骤(2)所述N-异丙基丙烯酰胺的用量为步骤(1)所述木聚糖质量的8％～15％；步骤(2)所述光引发剂的用量为步骤(1)所述木聚糖质量的5％。
6.根据权利要求1所述的一种温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述通氮气鼓泡的时间为10～30min；步骤(2)所述通氮气鼓泡的时间为10～30min；步骤(2)所述封闭放置反应的时间为8～20h。
7.一种根据权利要求1～6任一项所述的温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶的制备方法得到温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶。
8.根据权利要求7所述的温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶在制备药物缓释剂中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：具体包括如下步骤：将药物溶于乙醇中，配制得到药物-乙醇溶液，将所述温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶浸渍于药物-乙醇溶液中，密封，置于暗处放置20～28h，取出，置于真空干燥箱中干燥，得到具有缓释效果的药物水凝胶制剂。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述药物为乙酰水杨酸；所述药物-乙醇溶液的质量浓度为8～15％；所述温度和pH双重响应木聚糖基水凝胶在浸渍前，先均匀切片，冷冻干燥；所述真空箱中干燥的温度为40～60℃，干燥时间为20～28h。
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