吳淑梅，何艷芬，張衛(wèi)英，徐寅超，林美露，李 曉

（福州大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，福建 福州 350108）

水凝膠吸水溶脹但不溶解，兼有液體和固體的性質(zhì)［1-3］。同時(shí)，水凝膠結(jié)構(gòu)中存在大量的功能性基團(tuán)，可作為吸附分離材料廣泛應(yīng)用于農(nóng)林、園藝、醫(yī)藥、石油化工、建材、日用品和化妝品等領(lǐng)域［4-8］。目前，世界上至少有3.66億人患有糖尿病，控制血糖濃度進(jìn)而改善糖尿病患者的生活質(zhì)量受到人們的高度關(guān)注［9-11］?？诜咸烟俏絼┦强刂蒲菨舛鹊囊环N有效途徑。葡萄糖吸附劑經(jīng)胃進(jìn)入小腸后，在腸內(nèi)吸收糖分再排出體外，從而減少人體對(duì)糖的吸收［12］。纖維素、甲殼胺等天然高分子凝膠已用于葡萄糖吸附［13-14］，但缺乏對(duì)胃腸pH差異的響應(yīng)性，合成pH敏感性葡萄糖吸附凝膠的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

分子印跡是一種制備對(duì)目標(biāo)分子具有識(shí)別性的功能高分子材料的新技術(shù)［15-16］。本工作采用簡(jiǎn)單、無(wú)毒的單體，同時(shí)引入pH敏感基團(tuán)，并結(jié)合分子印跡技術(shù)，制備對(duì)環(huán)境pH具有敏感性、對(duì)葡萄糖具有較強(qiáng)吸附作用的葡萄糖印跡水凝膠，為進(jìn)一步研究餐后血糖控制及智能給藥體系提供一種新的材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑及儀器

α-甲基丙烯酸（MAA）：化學(xué)純，國(guó)藥（集團(tuán)）上海化學(xué)試劑公司；甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）：化學(xué)純，三菱化工有限公司：丙烯酰胺（AM）：分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）：化學(xué)純，F(xiàn)luka公司；過(guò)硫酸銨（APS）：分析純，廣東省化學(xué)試劑工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心；二甲基亞砜（DMSO）：分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠；檸檬酸：優(yōu)級(jí)純，廣東省化學(xué)試劑工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心；十二水合磷酸氫二鈉：分析純，西隴化工股份有限公司；鄰甲基苯胺：優(yōu)級(jí)純，上海晶純?cè)噭┯邢薰?；葡萄糖：分析純，?guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

CL-200型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：鞏義市英峪予華儀器制造廠；Cary50型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)：Varian公司；SHA-B型醫(yī)用恒溫振蕩器：國(guó)華電器有限公司；510型pH計(jì)，EUTECH公司。

1.2 pH敏感性水凝膠的制備

稱取一定質(zhì)量的功能單體HEMA，MAA，AM于燒杯中，加入一定體積的水，室溫下攪拌5 min；再加入一定量的交聯(lián)劑EGDMA和引發(fā)劑APS，室溫下繼續(xù)攪拌10 min。將上述溶液轉(zhuǎn)移到試管中，通氮10 min，密封，60 ℃下反應(yīng)16 h，生成水凝膠。取出水凝膠切成小塊，放于蒸餾水中浸泡，每隔一段時(shí)間換一次蒸餾水，然后置于50 ℃下真空干燥至恒重，即得pH敏感性水凝膠（即非印跡水凝膠，簡(jiǎn)稱NIP）。

1.3 葡萄糖印跡水凝膠的制備

稱取一定質(zhì)量的葡萄糖與功能單體HEMA，MAA，AM于燒杯中，加入溶劑DMSO和水共10 mL，室溫下攪拌5 min；再加入一定量的交聯(lián)劑EGDMA和引發(fā)劑APS，室溫下繼續(xù)攪拌10 min。將上述溶液轉(zhuǎn)移到試管中，通氮10 min，密封，60 ℃下反應(yīng)16 h，生成水凝膠。取出水凝膠切成小塊，放于甲醇-乙酸（體積比4∶1）洗脫液中洗脫葡萄糖，每隔2 h換一次洗脫液，然后用甲醇洗至中性，于50 ℃下真空干燥至恒重，即得葡萄糖印跡水凝膠（簡(jiǎn)稱MIP）。

1.4 水凝膠溶脹度的測(cè)量

準(zhǔn)確稱取若干份一定質(zhì)量（m0）的干凝膠，分別加入不同pH的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液中，溶脹24 h后取出，用濾紙擦干表面溶液，稱量溶脹后的水凝膠質(zhì)量（m1），按式（1）計(jì)算水凝膠的溶脹度（SR）：

1.5 水凝膠吸附量的測(cè)量

將NIP或MIP置于50 mL葡萄糖水溶液（質(zhì)量濃度2 g/L）中，室溫下振蕩吸附24 h，采用鄰甲基苯胺分光光度法測(cè)量剩余吸附液中葡萄糖的質(zhì)量濃度［17］，根據(jù)吸附前后葡萄糖質(zhì)量濃度的變化計(jì)算水凝膠對(duì)葡萄糖的平衡吸附量Q（mg/g），并按式（2）計(jì)算印跡因子（α）。α體現(xiàn)了MIP與NIP在分子識(shí)別上的差異，α越大表明印跡效果越好。

式中，QI，QN分別為MIP和NIP對(duì)葡萄糖的平衡吸附量，mg/g。

2 結(jié)果與討論

2.1 功能單體及交聯(lián)劑用量對(duì)NIP溶脹度的影響

2.1.1 功能單體AM用量的影響

考察了不同AM用量時(shí)NIP溶脹的pH響應(yīng)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 AM用量對(duì)NIP溶脹度的影響Fig.1 Effects of acrylamide(AM) dosage on the swelling ratio(SR) of pH-sensitive hydrogels(non-imprinted hydrogels，NIP).

由圖1可見(jiàn)，NIP的溶脹度隨緩沖溶液pH的增加先減小后增大；當(dāng)pH達(dá)到7左右時(shí)，溶脹度變化不明顯。這是由于在酸性介質(zhì)中，隨溶液酸性的增強(qiáng)，水凝膠分子鏈上酰胺基的質(zhì)子化程度加大，水化作用增強(qiáng)，更多的水分子滲透到水凝膠內(nèi)部，使得水凝膠的溶脹度變大。當(dāng)pH＞5時(shí)，雖然酰胺基的質(zhì)子化能力減弱，但酰胺基逐漸水解生成羧基，羧基離解使水凝膠的親水性更強(qiáng)，隨pH的增加酰胺基的水解程度提高，故溶脹度顯著增大。當(dāng)pH=6～7時(shí)，羧基的離解度接近最大值，故溶脹度的變化趨于平緩。從圖1還可看出，AM用量對(duì)NIP溶脹度有一定的影響，當(dāng)pH較低時(shí)，NIP溶脹度隨AM用量的增加呈先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)AM用量為總單體質(zhì)量的2%時(shí)，NIP的溶脹度最大。

2.1.2 功能單體MAA用量的影響

考察了不同MAA用量時(shí)NIP溶脹的pH響應(yīng)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，NIP的溶脹度隨緩沖溶液pH的增加基本呈先增后減的趨勢(shì)，pH=6～7時(shí)溶脹度接近最大值。這是由于MAA含有可離子化的羧基基團(tuán)，當(dāng)pH逐漸增大時(shí)，水凝膠分子鏈上羧基基團(tuán)的離子化程度增強(qiáng)，水凝膠的分子內(nèi)氫鍵作用減弱，使得水凝膠的溶脹度變大；當(dāng)pH增大到一定值后，可離子化羧基基團(tuán)的離解度達(dá)到最高值，水凝膠的溶脹度達(dá)到最大值；繼續(xù)增大pH，由于溶液中的離子濃度大于水凝膠內(nèi)部的離子濃度，導(dǎo)致水凝膠失水收縮，溶脹度減小。由圖2還可看出，NIP的溶脹度與MAA用量有關(guān)，當(dāng)pH=6～7時(shí)，MAA用量越多，溶脹度越大。這是因?yàn)镸AA用量越多，羧基基團(tuán)的離子化效應(yīng)越顯著。

圖2 MAA用量對(duì)NIP溶脹度的影響Fig.2 Effects of MAA dosage on the swelling ratio of NIP.

2.1.3 交聯(lián)劑EGDMA用量的影響

交聯(lián)劑是制備水凝膠的重要成分，交聯(lián)劑用量會(huì)影響水凝膠的剛性和溶脹性?？疾炝瞬煌宦?lián)劑用量時(shí)NIP溶脹的pH響應(yīng)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，NIP的溶脹度隨交聯(lián)劑EGDMA用量的增加呈減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)椋寒?dāng)交聯(lián)劑用量較少時(shí)，水凝膠的空間網(wǎng)絡(luò)疏松，容易接納更多的水；當(dāng)交聯(lián)劑用量少時(shí)，有更多的化學(xué)點(diǎn)與水分子作用。但交聯(lián)劑用量過(guò)少時(shí)，水凝膠的空間網(wǎng)絡(luò)難以形成，導(dǎo)致水凝膠的剛性不足。當(dāng)交聯(lián)劑用量增加時(shí)，水凝膠中的交聯(lián)點(diǎn)增多，交聯(lián)點(diǎn)間距變小，水凝膠的網(wǎng)絡(luò)空間變小，溶脹度減小，但水凝膠的剛性較強(qiáng)。

圖3 EGDMA用量對(duì)NIP溶脹度的影響Fig.3 Effects of EGDMA dosage on the swelling ratio of NIP.

2.2 NIP的pH響應(yīng)可逆性

水凝膠的pH響應(yīng)可逆性是指水凝膠能根據(jù)環(huán)境pH的變化而發(fā)生可逆的收縮和溶脹。選取3個(gè)不同交聯(lián)度的NIP，考察其pH響應(yīng)可逆性。先將NIP置于pH=7.0的緩沖溶液中溶脹24 h，然后移入pH=2.0的緩沖溶液中溶脹24 h，最后再置于pH=7.0的緩沖溶液中溶脹24 h，分別測(cè)其溶脹度，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表 1。

表1 NIP在緩沖溶液中的pH響應(yīng)可逆性Table 1 Reversibility of the response to pH of NIP in buffer solution

由表1可見(jiàn)，NIP在緩沖溶液中具有明顯的pH響應(yīng)可逆性。當(dāng)緩沖溶液pH=7.0時(shí)，由于羧基基團(tuán)離解，NIP的親水性增強(qiáng)，溶脹度變大；將NIP置于酸性溶液中之后，羧基基團(tuán)的離解度下降，NIP的水化作用減弱，導(dǎo)致其收縮；而后又置于pH=7.0的緩沖溶液中，羧基基團(tuán)又發(fā)生離解，NIP的親水性增強(qiáng)，溶脹度變大。由此可見(jiàn)，NIP的收縮和溶脹與緩沖溶液的pH有關(guān)。

2.3 功能單體對(duì)MIP吸附性的影響

分別采用MAA和AM以及兩者的混合物為功能單體制備了MIP與相應(yīng)的NIP，考察兩者對(duì)葡萄糖的吸附性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 功能單體對(duì)MIP吸附效果的影響Table 2 Effects of the functional monomers on the adsorption of imprinted hydrogel(MIP)

從表2可看出，以MAA為功能單體制備的MIP對(duì)葡萄糖具有較好的識(shí)別性，其印跡因子達(dá)到1.73；以MAA和AM混合物為功能單體制備的MIP，其印跡因子降至1.15，明顯小于以MAA為功能單體制備的MIP；而以AM為功能單體制備的MIP，其印跡效果最差，印跡因子僅為0.28。這是由于MAA分子上—COOH與葡萄糖分子上—OH的作用比AM分子上—NH2與葡萄糖分子上—OH的作用更強(qiáng)，因此以MAA為功能單體制備的MIP對(duì)葡萄糖的吸附量較高；而以MAA和AM混合物為功能單體制備的MIP，由于—COOH與—NH2之間消耗了部分氫鍵，導(dǎo)致它們與葡萄糖分子上—OH的結(jié)合數(shù)量減少，進(jìn)而使吸附量降低。因此，采用MAA為功能單體制備的MIP印跡效果最好。

2.4 MIP的pH響應(yīng)性

MIP內(nèi)部存在具有特異識(shí)別性的孔穴，可能會(huì)導(dǎo)致MIP的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同于NIP，進(jìn)而引起MIP與NIP在pH響應(yīng)性方面存在差異。

圖4（a）和（b）分別是以MAA以及MAA和AM混合物為功能單體制備的MIP和NIP在不同pH下的溶脹度。

圖4 MIP和NIP在不同pH下的溶脹度Fig.4 Swelling ratios of MIP and NIP at different pH.Reaction conditions referred to Table 2.

從圖4可看出，隨緩沖溶液pH的增大，MIP和NIP的溶脹度變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明MIP與NIP具有相似的pH響應(yīng)性；但在相同pH下，MIP的溶脹度小于NIP的溶脹度。這是因?yàn)镸IP洗脫葡萄糖后，在其內(nèi)部留下了識(shí)別葡萄糖的孔穴，該孔穴的存在限制了MIP的溶脹，導(dǎo)致MIP的溶脹度小于相應(yīng)的NIP。

3 結(jié)論

1）以HEMA，MAA，AM為功能單體，EGDMA為交聯(lián)劑，采用溶液聚合法合成了NIP。功能單體和交聯(lián)劑的用量對(duì)合成的NIP的pH響應(yīng)性均有不同程度的影響，且所合成的NIP在緩沖溶液中具有明顯的pH響應(yīng)可逆性。

2）在NIP的基礎(chǔ)上制備了MIP，以MAA為功能單體制備的MIP具有較好的印跡效果，印跡因子可達(dá)1.73，且MIP的pH響應(yīng)性與NIP一致，但其溶脹度小于NIP。

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