④纤维素接枝环糊精水凝胶的制备及其性能研究

造纸科学与技术! 2010年第29卷第2期

纤维素接枝环糊精水凝胶的制备及其性能研究

杨韶平 付时雨 李雪云 周益名 詹怀宇

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州510640)

*

摘 要:以环氧氯丙烷作为化学交联剂,在碱性均相纤维素溶液中,将 -环糊精接枝到微晶纤维素上,合成了接枝 -环糊精的功能性纤维素基水凝胶。研究了水凝胶的溶胀动力学和温敏性能,发现该水凝胶对温度敏感。考察了该水凝胶对甲基橙、亚甲基蓝的吸附性能,实验结果表明,接枝 -环糊精的纤维素基水凝胶对甲基橙和亚甲基蓝具有很好的吸附效果,其吸附容量分别达到3.48mg/g、1.42mg/g,其脱附性能也较好。并运用差热扫描(DSC)、热重(TGA)和扫描电镜(SEM)对该水凝胶进行分析。关键词:纤维素;环糊精;水凝胶;温敏;吸附

中图分类号:TS727 文献标识码:A 文章编号:1671-4571(2010)02 0049 05

水凝胶是由高分子的三维网络与水组成的多元体系,在水中只溶胀,而不溶于水,是自然界中普遍存在的一种物质形态。基于纤维素(cellulose)大分子的水凝胶,由于其具有较好的生物兼容性和易降解等优点,是一种理想的药物缓释剂。因而,对其的制备及其性能的研究在临床医学上又很重大的意义。

由于纤维素难溶于一般溶剂,纤维素水凝胶主

[3]

要以纤维素衍生物为原料来制备,Ivanov等以甲基纤维素和聚乙烯醇为原料,环氧氯丙烷为交联剂,合成了纤维素基水凝胶。据报道氢氧化钠水溶液对微晶纤维素和短棉绒具有较好的溶解性,而且该溶液是一种绿色溶剂,相对有机溶剂而言,不会残留有毒物质,是制备医用水凝胶的理想溶剂,张俐娜等

[6]

[4-5]

[2]

[1]

均相合成了纤维素接枝环糊精水凝胶,该水凝胶对模型药物甲基橙和亚甲基蓝具有很好的吸附性,其释放速率也较稳定,对温度敏感,其玻璃转化温度位于体温,可望作为药物缓释剂。1 实验部分1.1 试剂与仪器

微晶纤维素和 -环糊精分别购买于上海晶纯化学有限公司和中国医药(集团)上海化学试剂公司,无水乙醇、酚酞、环氧氯丙烷、氢氧化钠和碳酸钠等试剂均为分析纯。

紫外可见分光光度计(S-4100):美国SCINCO公司;差热分析仪(DSC-Q200)和热重分析仪(TGA500):美国TAInstruments公司;扫描电子显微镜:S-3700N(日本日立公司)。

1.2 纤维素接枝环糊精水凝胶的制备

配制10%浓度的氢氧化钠的水溶液100m,l冷却到-10 ,然后加入5g的微晶纤维素,边加边搅拌,然后在-20 下,保持5h,拿出后,在室温下静止,可得透明的纤维素碱溶液。

配制一系列环糊精含量不同的碱溶液,边搅拌,边加入过量的环氧氯丙烷,在40 下反应8h,静置分层,去掉未反应的环氧氯丙烷,然后缓慢滴加至纤维素碱溶液中,反应12h后,产物用大量蒸馏水和乙醇洗涤,直至洗出液为中性,并且至洗出液中无环氧氯丙烷

[5]

以纤维素为原料,氢氧化钠和尿素为溶剂,环

氧氯丙烷为交联剂,一步合成了纤维素基水凝胶,但是这些水凝胶装载药物的量却很小。

-环糊精( -CD)是一种环状低聚葡萄糖,其独特的内部疏水、外部亲水的结构,使之易与相应尺寸的客体分子通过分子间相互作用形成超分子包合物。由环糊精等为原料制备的水凝胶具有对药物吸附容量大、释放速率可控和副作用小等优点,如Kaneto等

[8]

[7]

以羟丙基纤维素、乙基纤维素和环糊

精等为原料,制备的糖衣,对药物具有释放速率可控等优点。

本文以微晶纤维素为原料,NaOH为绿色溶剂,

。反应示意如图1所示。

作者简介:杨韶平,男,博士研究生,主要从事医用水凝胶的合成。*基金项目:国家高技术发展研究计划(2007AA100704)

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图1 纤维素接枝 -CD水凝胶的合成示意图

1.3 水凝胶中 -CD含量的测定

先向1号容量瓶中加入2mL酚酞溶液(3.7 10mol#L)和2mL碳酸钠溶液(2.8 10mol-1

#L),再加入蒸馏水到25mL定容。分别向编有2~7号的25mL的容量平瓶中加入1mL、2mL、3mL、

-4-1

4mL、5mL、6mL的 -CD溶液(5 10mol#L)以及10mL的蒸馏水,再分别加入2.00mL上述碳酸钠溶液和2.00mL上述酚酞溶液并震荡30s,然后用蒸馏水定容到刻度线,震荡摇均匀,放置30h。最后用紫外可见分光光度计测定各容量瓶中溶液在波长553nm的吸光度。可得到 -CD溶液的加入体积(mL)与其溶液吸光度的标准曲线y=-0.0148x+11.133,R=0.9934。水凝胶中 -CD的含量(x:水凝胶吸附后,酚酞溶液的吸光度;水凝胶干重量为W;测定接枝环糊精水凝胶中,环糊精含量时,用不含环糊精的水凝胶做空白样,以扣除水凝胶对测定的影响)计算式为: -CD的含量=

500 W

(1)

2

-4

-1

-2

[9-11]

1.6 水凝胶溶胀度的测定

将已知量干燥后的水凝胶(直径1mm左右)置于设定温度水中,每隔一定时间取出水凝胶并用滤纸拂去表面多余水分,称重,如此反复直至溶胀平衡。不同时间所对应的溶胀率(SW)和平衡溶胀率(SWeq)分别按下式计算:

SW=(Wt-Wd)/Wd

SWeq=(Weq-Wd)/Wd

(2)(3)

式中Wt及Weq分别为时间t及溶胀平衡时的水凝胶质量,Wd为水凝胶干燥后的质量。1.7 染料的吸附和脱附

制备好的水凝胶被切成直径1mm左右的小块,然后浸泡在各种浓度的甲基橙、亚甲基兰溶液中,水凝胶对染料的吸附量可以通过染料吸附前后的浓度变化算出,其浓度的变化可用紫外分光光度计测定,甲基橙和亚甲基兰的特征吸收峰分别为465nm和664nm。

染料的脱附,室温下,吸附一定量染料的水凝胶,放入蒸馏水中,每隔一定时间测定溶液中染料的浓度,计算出染料的累积脱附量。2 结果和讨论

2.1 环糊精与碱纤维素比例对水凝胶接枝率的影响为了提高纤维素上 -CD的接枝率,得到更高 -CD含量的水凝胶,在固定其它条件不变的情况下,通过增加环糊精对纤维素的比例,来提高 -CD在水凝胶中的含量,结果如图2所示,随着环糊精对纤维素的比例提高,环糊精在水凝胶中的含量增加,但是水凝胶的物理强度下降,不容易成胶,所以环糊精对纤维素的比例不能太高。

100%1.4 差热扫描(DSC)和热重分析(TGA)

洗涤干净的水凝胶,在室温下,浸泡在蒸馏水中24h,以达到溶胀平衡,取出后,擦去该水凝胶的表面水分,称取8mg样品,放在铝制盘中,合上盖,设置氮气流量为50mL/min,升温速率为2 /min。称取8mg冷冻干燥的水凝胶,放入TG中,设置氮气流量为40mL/min,升温速率为20K/min。

1.5 扫描电镜分析

将达到溶胀平衡的水凝胶样品,放入超低温冰箱中淬冷后,进行冷冻干燥除水,然后在水凝胶表面喷金,用JSM5600LV扫描电镜在10kV加速电压下观察其表面形态。

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图2 环糊精与碱纤维素比例和水凝胶接枝率之间的关

系

图4

纯纤维素热重图

2.2 DSC分析

对吸水达到饱和后,不同接枝率的水凝胶进行差热扫描,结果如图3所示,随着环糊精接枝率的增加,水凝胶的热焓和玻璃转化温度都降低。接枝率的增加,导致网络的微孔直径增加,结合水的量减少,自由水增加,所以其热焓减少,玻璃转化温度降

低。

图5 环糊精接枝率为6%的水凝胶热重图

2.4 扫描电镜分析

从图6中,可看出纤维素接枝环糊精水凝胶为无色透明的胶体,具有很好的吸水性能。图7是经冷冻干燥后的水凝胶断面的电镜照片,从图中可以

a:环糊精含量为6%的水凝胶;b:环糊精含量为4.2%的水凝胶;c:环糊精含量为2.6%的水凝胶;d:不含环糊精的水凝胶。

看出,水凝胶微孔大约为30 m左右,较多的微孔和合适的微孔大小,有利于甲基橙和亚甲基蓝扩散进

入水凝胶的内部,

提高其吸附性能。

图3 水凝胶的DSC图

2.3 热重分析

从图4和图5可以看出,纤维素水凝胶热分解温度较原微晶纤维素有所降低,一定程度上反映了其热稳定性略有降低.这可能有以下几方面原因,首先由于在碱性条件下,纤维素首先转变为碱纤维素,然后再进一步反应,导致了产物的结晶度的下降.无定型区增多,而且相对纤维素本身的醚键,环氧氯丙烷和纤维素、环糊精所形成的醚键较弱,所

以热稳定性下降。

图6 水凝胶的光学照片

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图7 环糊精含量为6%水凝胶的扫描电镜图

2.5 水凝胶溶胀性能

在室温,冷冻干燥后的水凝胶,重新泡入蒸馏水中,其溶胀率随温度的变化关系,如图8所示,从图中可看出,该胶在1h前重量变化较快,当时间超过600min后,水凝胶的溶胀率基本无变化,在开始时,水分子进入水凝胶的外层相对较容易,所以其溶胀率变化较快,当外层充满水分子后,由于水易与水凝胶形成结合水,所以其继续向内层扩散的阻力增加,所以到一定时间后,水凝胶的溶胀率变化相对较小,吸水达到平衡后,其重量等于冷冻干燥前该胶的重量,

说明该胶的网络结构比较稳定。

图9 水凝胶的溶胀率与温度的关系

2.6 环糊精接枝率与水凝胶吸附量之间的关系

用打孔器,将干水凝胶制成粒径1mm大小的颗粒,称取干重1g的水凝胶,加入1L的染料溶液中,进行吸附实验,将该溶液放置1天后,用紫外测定水凝胶对染料的吸附量, -环糊精( -CD)是一种环状低聚葡萄糖,其独特的内部疏水、外部亲水的结构,使之易与相应尺寸的客体分子通过分子间相互作用形成超分子包合物,所以随着水凝胶中环糊精含量增加(如图9所示),对甲基橙和亚甲基蓝的吸附量增加,改水凝胶对甲基橙的吸附量相对亚甲基

蓝更大。

图10 环糊精不同接枝率水凝胶与吸附量的关系图

图8 水凝胶的溶胀动力学

(甲基橙和亚甲基蓝溶液浓度分别为0.02、0.01g/L)

该水凝胶溶胀率与温度的关系如图9所示,随着温度的升高水凝胶的溶胀率几乎成直线下降,说明该胶对温度敏感,温度的升高,水凝胶的疏水键作

用增强,网络收缩,而且水与胶的氢键结合力减弱,水凝胶中,结合水的数量减少,导致水凝胶随温度的升高,

溶胀率不断下降。2.7 水凝胶对染料的脱附

在室温下,1g干水凝胶(粒径1mm左右)各装载甲基橙和亚甲基蓝的量分别为3.48mg和1.42mg,加入250mL蒸馏水中,对其进行静态脱附实验,结果如图11所示,其累积脱附量随时间增加,前3h左右脱附变化率较快,由于表层被吸附的染料,易于扩散到溶液,所以前3h左右脱附较快,被吸附到水

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凝胶内层的染料其扩散阻力较大,不易被脱附,所以3h后,其脱附量变化较小,脱附基本达到平衡,其脱附量也达到最大,甲基橙的脱附量为1.52mg,亚甲基蓝的脱附量为0.421mg

。

JournalofPharmacetutics,2001,222(1):7-17

[3] Ivanov,C,Popa,M,Ivanov,M,eta.lSynthesisofpoly(vinyl

alcohol)-methylcellulosehydrogelaspossiblescaffoldsintis sueengineering[J].JournalofOptoelectronicsandAdvancedMa terials,2007,9(11):3440-3444

[4] Isoga,iA,Atalla,RH.DissolutionofcelluloseinaqueousNaOH

solutions[J].Cellulose,1998,5(4):309-319

[5] Yen-NingKuo,JuanHong.Investigationofsolubilityofmicro

crystallinecelluloseinaqueousNaOH[J].PolymersforAdvancedTechnologies,2005,16(5):425-428[6]

JinpingZhou,LinaZhang,viscometry[J].

JieCa.iBehaviorofcellulosein

NaOH/ureaaqueoussolutioncharacterizedbylightscatteringand

JournalofPolymerScience,PartB(Polymer

Physics),2004,42(2):347-353

[7] LiuY,DuanZY,ChenY,eta.lCooperativeself-assemblyand

molecularbindingbehaviorofcyclodextrin-crownetherconju gatesmediatedbyalkalimetalions[http://wendang.chazidian.comanic&BiomolecularChemistry,2004,2(16):2359-2364

[8] KanetoUekama,KazutakaMatsubara,KentaroAbeeta.lDesign

andinvitroevaluationofslow-releasedosageformofpiretanide:Utilityof-cyclodextrin:

cellulosederivativecombinationasa

modified-releasedrugcarrier[J].JournalofPharmaceuticalSci ences,1990,79(3):244-248

[9] 李明时,张帆. -环糊精的分光光度测定[J].分析化学,

1998,26(7):912-913

图11 释放量与时间关系

3 结论

(1)本文运用NaOH绿色溶剂,均相合成了纤维素接枝环糊精水凝胶。

(2)该水凝胶对甲基橙和亚甲基蓝具有较好的吸附性能和脱附性能。

(3)通过控制接枝率,可以调节该水凝胶的玻璃转化温度。

参考文献

[1] Corkhil,lPH,Hamilton,CJ,Tighe,BJ.SyntheticHydrogels.6.

HydrogelCompositesasWoundDressingsandImplantMaterials[J].Biomaterials,1989,10(1):3-10

[2] Michailova,V,Titeva,S,Kotsilkova,R,eta.lInfluenceofhy

drogelstructureontheprocessesofwaterpenetrationanddrugre leasefrommixedhydroxypropylmethylcellulose/thermallypregela tinizedwaxymaizestarchhydrophilicmatrices[J].International

[10] 李文德,周俊侠,张力田.改进的酚酞分光光度法测定

环糊精[J].华南理工大学学报(自然科学版),1995,23(7):35-39

[11] WanJM,HuZW,ChenWxeta.lSynthesisandapplicationon

enrichmentofmetalionsofcellulosefibregraftedbeta cyclodex trin[J].ActaPolymericaSinica,2004(4):566-572

PreparationandPropertiesofCelluloseGrafted cyclodextrinHydrogel

YangShaoping FuShiyu LiXueyan ZhouYiming ZhanHuaiyu

(StateKeyLab.ofPulp&PaperEngineering.SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China)

Abstract:Anewkindoffunctionalcellulosegrafted cyclodextrin( CD)hydrogelwithepichlorohydrinascrosslinkerwassynthesizedinhomogeneousalkalinesolutionofcellulose.Theswellingbehaviorsandtemperaturesensitivitiesofthehydrogelwereresearchedindetai,lrespectively.Itwasfoundthattheswellingratiosofthehy drogeldecreasedwithincreasingtemperature.Theadsorptionandreleasebehaviorofthehydrogelforanionicmeth ylorange(MO)andcationicmethyleneblue(MB)wereinvestigated,andtheenrichmentcontentsofthehydrogelfortheMOandMBwere3.48mg/gand1.42mg/g,respectively.Themorphology,thermalbehaviorandthermalstabilityofthehydrogelwerestudiedbySEM,DSC,andTGA.

Keywords:cellulose; -cyclodextrin( -CD)hydroge;ltemperature sensitivities;adsorption