駱 玲，肖堯予，張 晟

(四川大學 高分子材料工程國家重點實驗室，四川 成都 610065)

·研究簡報·

F127-Fc/CS-β-CD水凝膠的制備及其響應性能*

駱 玲，肖堯予，張 晟

(四川大學 高分子材料工程國家重點實驗室，四川 成都 610065)

以殼聚糖接枝β-環(huán)糊精(CS-β-CD)為主體分子，二茂鐵(FcH)改性的聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷(F127-Fc)為客體分子，2%乙酸為溶劑，制備了F127-Fc/CS-β-CD水凝膠，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR表征。研究了F127-Fc/CS-β-CD對溫度和pH的雙重響應性能。結(jié)果表明，β-CD-Fc包合物的存在為體系里構(gòu)建了一種新的交聯(lián)點，凝膠有氧化劑響應性，同時凝膠區(qū)域變寬。

水凝膠；自組裝；β-環(huán)糊精;制備；響應性能

水凝膠是一種在水溶液中具有溶脹性的三維網(wǎng)狀聚合物材料。智能型水凝膠可以響應外界環(huán)境的變化(比如溫度、pH、離子強度、氧化還原劑、電、光和生物分子等)產(chǎn)生敏感響應[1-3]，在藥物控制釋放、組織工程、化學傳感器、記憶元件開關和人造肌肉等領域具有很好的應用前景，相關研究成為功能高分子研究領域的重點和熱點研究方向。

基于滿足外界復雜環(huán)境和凝膠多功能化的要求，近年來水凝膠的研究重點已由單一響應轉(zhuǎn)為多重響應[4-5]。但是，目前多重響應水凝膠的制備方式往往是通過化學合成手段將各種具有單一響應性的聚合物鏈節(jié)共聚在一起達到體系的多重響應性。響應方式也主要以溫度和pH雙重響應為主。

本文利用β-環(huán)糊精(β-CD)與客體基團二茂鐵(FcH)之間的主客體包合作用，把pH敏感的殼聚糖(CS)和溫度敏感的聚環(huán)氧乙烷(PEO)-聚環(huán)氧丙烷(PPO)-聚環(huán)氧乙烷(PEO)(簡稱F127)連接在一起制備了一種多重響應的凝膠——F127-Fc/CS-β-CD(Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR表征。性能研究表明，F(xiàn)127-Fc/CS-β-CD可隨溫度、氧化劑以及pH的變化產(chǎn)生凝膠-溶膠(gel-sol)轉(zhuǎn)變。由于CS和F127的無毒性和良好的生物相容性，決定了其應用于生物醫(yī)學的潛力。

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

Avance Bruker-600型核磁共振儀。

F127，上海Sigma-Aldrich公司；N,N′-二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)，4-二甲基氨基吡啶(DMAP)和二茂鐵甲酸(FcCO2H)，上海阿拉丁試劑有限公司；β-CD，博迪化工股份有限公司；CS，山東奧康化學品有限公司；氰基硼氫化鈉(NaBH3CN)，上海晶純實業(yè)有限公司；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)F127-Fc的合成[6]

在反應瓶中加入F1273.78g(0.3mmol)和無水二氯甲烷50mL,攪拌使其溶解;依次加入FcCO2H 0.35g(1.5mmol)，催化劑DMAP 55mg(0.45mmol)和DCC 0.19g(0.9mmol)，于室溫反應24h。過濾,濾液旋蒸除溶，殘余液用乙醚沉淀除去沒有反應的FcCO2H，真空干燥24h得淡黃色固體F127-Fc，轉(zhuǎn)化率53．26%。

(2)CS-β-CD的合成[7]

在圓底燒瓶中加入β-CD 1.5g和干燥DMSO 12mL，攪拌使其溶解；加入2-碘酰基苯甲酸(IBX)0.48g 的DMSO(18mL)溶液,于室溫反應145min。傾入500mL丙酮中沉降，過濾，濾餅用水(100mL)溶解后攪拌1h。過濾，濾液冷凍干燥得白色粉末β-CD-CHO。

在反應瓶中加入CS 285mg和2%醋酸25mL,攪拌30min使其溶解;滴加β-CD-CHO 0.6g的DMSO(15mL)溶液，滴畢，于室溫反應12h。加入NaBH3CN 36mg的DMSO(2mL)溶液，反應60h。采用8000Mw～14000Mw的透析袋用去離子透析3d。透析液液氮淬冷后進行冷凍干燥得白色絮狀固體CS-β-CD，取代度20%。

(3)F127-Fc/CS-β-CD的合成

以2%乙酸為溶劑，配制c為2%的CS-β-CD溶液(溶液A)。將A加入定量的F127-Fc中制得不同c的F127-Fc/CS-β-CD溶液，置冰箱(9℃)中靜置一夜，測試F127-Fc/CS-β-CD在不同溫度和pH下凝膠溶膠的轉(zhuǎn)變情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

圖1為F127-Fc的1H NMR譜圖。由圖1可見，3.54～3.63處吸收峰為F127鏈上PEO嵌段上H的信號峰；3.20～3.39處吸收峰為F127鏈上PPO嵌段上H的信號峰；1.13處吸收峰為F127鏈段上PPO的甲基H的信號峰；4.20～4.81處吸收峰為Fc上H和酯基鍵旁-CH2-的信號峰。通過Fc上4.81的積分與PPO上甲基H 1.13的積分面積比可以計算出F127的轉(zhuǎn)化率為53.26%。

δ圖1 F127-Fc的1H NMR譜圖(CDCl3為溶劑)Figure 1 1H NMR spectrum of F127-Fc

δ圖2 CS-β-CD的1H NMR譜圖(D2O為溶劑)Figure 2 1H NMR spectrum of CS-β-CD

圖2為CS-β-CD的1H NMR譜圖。從圖2可知，3.08處吸收峰為CS上1-H的信號峰；3.48～3.84處吸收峰為CS上2～6-H和β-CD上2～6-H信號峰；4.97處吸收峰為β-CD上1-H的信號峰。通過3.08的積分與3.48～3.84的積分面積比，計算取代度為20%。

2.2 溫敏性及氧化劑敏感性

F127是一種典型的溫敏型聚合物，具有PEO-PPO-PEO三嵌段結(jié)構(gòu)。在低溫和低濃度溶液條件下，F(xiàn)127以單個分子鏈的形式存在于溶液中，隨著溫度的升高及聚合物濃度的增大，分子間膠束開始生成，形成以不溶于水的PPO為核和由充分溶劑化PEO為殼的膠束結(jié)構(gòu)。當F127的濃度大于臨界凝膠濃度時，大量膠束堆積，使得體系轉(zhuǎn)變?yōu)間el；當溫度繼續(xù)升高時，PEO鏈去水化程度增強，會破壞體系的氫鍵，致使有規(guī)則堆積的結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生相轉(zhuǎn)變，即由gel轉(zhuǎn)變?yōu)閟ol。

圖3為聚合物的sol-gel-sol相轉(zhuǎn)變曲線(其中每條曲線的左側(cè)為sol狀態(tài)，曲線右側(cè)為gel狀態(tài))。對比F127，F(xiàn)127-CS和F127/CS-β-CD三條曲線，可以看到：加入的CS和CS-β-CD對體系形成gel的最低濃度和gel-sol轉(zhuǎn)變溫度影響不大。值得注意的是，F(xiàn)127-Fc的曲線與F127相比，臨界凝膠濃度明顯增大，這可能是由于Fc基團的引入破壞了F127結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，使其更不容易規(guī)則堆積所致。然而，在F127-Fc中加入CS-β-CD時，可以發(fā)現(xiàn)：原本偏移到右側(cè)的相轉(zhuǎn)變曲線大幅左移。并且F127-Fc/CS-β-CD體系在更高的溫度下，依然能保持凝膠狀態(tài)，而不向溶膠轉(zhuǎn)化。

c/%圖3 聚合物的sol-gel相轉(zhuǎn)變曲線Figure 3 Sol-gel phase transition curve of polymers

圖4 加入氧化劑H2O2后的相轉(zhuǎn)變Figure 4 Sol-gel transition after adding oxidizing agent H2O2

由文獻[8]可知，CD具有外側(cè)親水、內(nèi)腔疏水的空腔結(jié)構(gòu)，做為主體分子可以選擇性的結(jié)合多種客體分子形成主客體包合物。例如，β-CD就很容易與客體子Fc按1∶1的比例通過自組裝形成包合物[9]。為了證明β-CD與Fc形成了包合物，本文通過加入氧化劑H2O2觀察其相的轉(zhuǎn)變(圖4)。從圖4可以看出，加入氧化劑H2O2后，F(xiàn)127-Fc/CS-β-CD凝膠體系由原來的gel狀態(tài)(左圖)轉(zhuǎn)變?yōu)閟ol狀態(tài)(右圖)。其中，凝膠體系的濃度為20%，氧化劑H2O2的濃度為1%。H2O2能將Fc氧化成Fc+，導致Fc-β-CD包合被打開。H2O2加入導致的凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變不僅說明F127-Fc/CS-β-CD體系中確實存在Fc-β-CD包合結(jié)構(gòu)，而且20%的F127-Fc/CS-β-CD凝膠體系中Fc-β-CD交聯(lián)點對凝膠的生成起到了關鍵作用。

由于F127-Fc/CS-β-CD存在著β-CD和Fc包合形成的物理交聯(lián)點，所以與F127-Fc相比，物理交聯(lián)點的存在使得體系形成gel的最低濃度大大減小。同時，由于溫度升高時，盡管體系中F127-Fc膠束所形成的堆積已瓦解，包合物的存在依然使凝膠狀態(tài)得以保持。就提高了轉(zhuǎn)變?yōu)閟ol的溫度，使得體系的gel范圍大大增加。而當溫度繼續(xù)升高時，β-CD-Fc包合物受到破壞，使得體系發(fā)生gel-sol的轉(zhuǎn)變。

2.3 F127-Fc/CS-β-CD凝膠體系對pH的敏感性能

CS是一種帶有氨基多糖，在酸性環(huán)境下，溶液中的H+使得氨基質(zhì)子化，基團之間由于靜電斥力，增加了CS的溶解性；而在堿性環(huán)境下，由于去質(zhì)子化作用，大大降低了CS的溶解性，增加了凝膠體系中的可逆交聯(lián)點。

pH圖5 F127-Fc/CS-β-CD在不同pH時的gel-sol轉(zhuǎn)變曲線*Figure 5 Sol-gel phase transition curve of F127-Fc/CS-β-CD at different pH*F127-Fc的c為23.6%

圖5為F127-Fc濃度為23.6%時F127-Fc/CS-β-CD體系在不同pH時的gel-sol轉(zhuǎn)變情況。從圖5可見，隨著堿性的增加，CS的去質(zhì)子化增加了體系的交聯(lián)點，使得形成gel的溫度降低，而形成sol的溫度增加。從相圖可以看出，gel區(qū)域隨著pH的增加而增加。

3 結(jié)論

合成了主體分子CS-β-CD和客體分子F127-Fc，并利用主客體之間的自組裝作用制備了具有包合物β-CD-Fc的水凝膠體系F127-Fc/CS-β-CD。

實驗證明，該體系可響應溫度、氧化劑和pH的變化產(chǎn)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。并且，包合物β-CD-Fc的存在使得體系的臨界凝膠溫度降低，在相圖中增加了凝膠區(qū)域。

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PreparationandResponsePerformanceofF127-Fc/CS-β-CDHydrogel

LUO Ling, XIAO Yao-yu，ZHANG Sheng

(State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

A multi-responsive hydrogel(F127-Fc/CS-β-CD)was constructed via host-guest interaction using chitosan graftedβ-cyclodextrins(CS-β-CD)as the host molecule and poly(ethylene oxide)poly(propylene oxide)poly(ethylene oxide)modified with ferrocene as the guest molecule in 2% acetic acid.The structures were characterizd by1H NMR．Response performance of F127-Fc/CS-β-CD were investigated.The results showed that F127-Fc/CS-β-CD system shows gel-sol phase transition in response to temperature and pH double-responsive.Furthermore,the Fc-β-CD inclusions act as new cross-linking,leading to the redox-sensitive property and broadening of gelation range.

hydrogel;self-assembly;β-cyclodextrin;preparation；response performance

2014-04-28;

2014-06-08

國家自然科學基金資助項目(51073107，1074138)

駱玲(1987-)，女，漢族，四川成都人，碩士研究生，主要從事超分子化學與智能仿生材料的研究。

張晟，教授，E-mail:zslbj@163.com

O648．17

A

1005-1511(2014)04-0550-04