PEGDA水凝胶的制备-及其溶胀性和药物释放的研究

PEGDA水凝胶的制备及其溶胀性和药物释放的研究【摘要】本文使用已除水除杂的有机物PEG和丙烯酰氯在三乙胺的催化条件下制备得到聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA），并通过葡聚糖凝胶柱分离不同分子量的PEGDA。然后利用制备的分子量相同的PEGDA配置成不同浓度的PEGDA溶液，在UV光照射条件下发生交联反应制备得到含有不同浓度PEGDA的PEGDA水凝胶。在实验中，使用了红外光谱对聚乙二醇（PEG）的化学结构进行分析，并且使用核磁共振对聚乙二醇（PEG）和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）进行表征，同时讨论了PEGDA水凝胶的吸水能力（溶胀率）、药物释放能力（以罗丹明释放为例）等凝胶性能。研究发现，PEGDA水凝胶的溶胀率与时间呈正相关关系，以罗丹明为例的药物释放，水凝胶与释放的时间也息息相关，并且用于制备水凝胶的PEGDA溶液的浓度对其溶胀率、药物释放量等材料功能也有密切的联系。实验的结果表明通过调节制备水凝胶的PEGDA溶液的浓度，可以实现对PEGDA水凝胶的性能调节，这将有助于在以后的实验中，在生物材料应用中设计合适性能的水凝胶。关键词：聚乙二醇（PEG）、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、水凝胶、溶胀、释放水凝胶类物质由于具有良好的吸水性、黏弹性以及与人体组织相近的力学性能，近些年来广泛地运用于组织工程等领域，水凝胶作为组织工程支架，能够起到细胞载体的作用，允许营养物质的交换与代谢产物的排出，同时能够起到力学支撑作用[1]。水凝胶可分为天然材料与人工材料天然材料，虽然具有与人体组织相同或相近的化学成分，但由于非共价键交联，植入后在组织环境中存在着不稳定性。本实验中的PEGDA水凝胶相对于PEG水凝胶具有更良好的性质，通过化学交联后的PEGDA将会更稳定。由于分子链具有较好的柔性和适宜的极性,并且能与丙烯酸系树脂很好相容,在光固化体系中用作活性交联稀释剂时,可以克服小分子多官能团单体因柔性不佳导致固化膜较脆的缺点,因此是一类性能优良的双官能团齐聚物[2]。1.1实验原料与设备药品：二氯甲烷、氢化钙、氘代氯仿、甲苯、聚乙二醇（PEG）、乙醚、三乙胺、丙烯酰氯、罗丹明设备：电子天平、电热真空干燥箱、冰箱、液相色谱仪、红外光谱仪、核磁共振氢谱仪、UV发生器。1.2实验步骤1.2.1二氯甲烷及PEG的纯化及检测搭建冷凝回流装置，快速在烧瓶中加入2g氢化钙粉末，在烧瓶中加入200mL二氯甲烷，开始加热至二氯甲烷沸腾（39.8℃），加热过程需缓慢避免液体剧烈沸腾，待体系稳定后，维持回流2-3小时，停止加热，待体系冷却后，将二氯甲烷转移到容器中，并加适量氢化钙粉末密封保存。搭建冷凝回流装置，将50gPEG溶解于约200mL甲苯中开始加热体系至沸腾，待馏分出现后，观察所收集的馏分特性待馏分完全澄清后（约50-80mL），停止加热待体系冷却后，将体系密封保存利用移液枪吸取少量溶液(500μL)，加入5mL乙醚，收取PEG沉淀，放入70℃烘箱中干燥过夜，保存。1.2.1.1红外检测取少量干燥后的PEG固体样品与KBr研磨后压成片，采用红外光谱仪进行测试。1.2.1.2核磁共振利用吸液枪抽取少量PEG溶液稀释至氘代氯仿中，加入核磁管中，放入NMR测试。1.2.2聚乙二醇PEG表面修饰成PEGDA将25gPEG溶解于250ml甲苯中，共沸除水，蒸出约50-100mL甲苯。在氮气保护下，将体系冷却至室温。加入无水二氯甲烷至体系澄清，约50mL。逐滴加入1.5mL三乙胺，后再加入1.02mL丙烯酰氯。体系升温加热，在氮气保护下共沸回流，过夜。将反应产物冷却至室温，倒入约1L乙醚中，沉淀，过滤，收集沉淀产物。重新将沉淀溶解于适量二氯甲烷中，再次用乙醚沉淀，收集沉淀产物。在真空烘箱将样品干燥。样品保存于-20℃冰箱，待后续提纯及检测。1.2.3PEGDA的分离及检测先用滤器过滤样品（除菌），然后清洗，保持凝胶浸润在液体中，当液面降到一定程度时即停住。上样时（加样尖嘴贴壁），样品浓度尽可能浓，此处浓度为20%。打开活塞，当液面到临界值时，停住，贴壁加水至1cm。流到一定程度时（约55ml），每25mL，接一次液，记录每管液体流出体积。1.2.3.1红外光谱取少量干燥后的PEGDA固体样品与KBr研磨后压成片，采用红外光谱仪进行测试。1.2.3.2核磁共振分别利用吸液枪抽取少量烘干的PEGDA的溶液和经纯化冷冻干燥后的PEGD的溶液稀释至氘代氯仿中，加入核磁管中，放入NMR测试。1.2.4PEGDA水凝胶制备及检测配置1ml一定浓度的PEGDA溶液(26%,27%,28%,29%,30%)(含引发剂)，在UV光照下(10min)，0.2ml的PEGDA溶液在磨具中成凝胶(3个平行样)。1.2.4.1溶胀率先将培养皿标记,记录其重量W1，移入凝胶，记录其重量W2，然后加入去离子水,将凝胶浸没，在时间点5，10，20，40，60min时，将培养皿中的水移除，轻擦干凝胶上的游离水，记录其重量W3。溶胀率为:(W3-W2)/(W2-W1)，取平均值，绘制溶胀率随时间变化的曲线。1.2.4.2药物释放先将培养皿标记,，记录其重量W1，移入凝胶，记录其重量W2，凝胶质量为W2-W1（g），加入5ml罗丹明溶液（5mg/ml），浸渍凝胶5min，移出罗丹明溶液（可收集，用于测量罗丹明的包封率，选做），用少量去离子水清洗凝胶，加入5ml去离子水，将凝胶浸没，在时间点5，10，20，40，60min时，从培养皿取1ml溶液，移入2ml已标记的离心管。加入1ml去离子水，保持培养皿中溶液体积不变。同时，配制罗丹明标准溶液（5-40μg/ml），获得标准曲线（浓度与吸收值的线性关系）。取200μl离心管中的溶液以及罗丹明标准溶液，移入96孔板，用多功能酶标仪检测在500nm的吸收值。绘制罗丹明的累积释放曲线（罗丹明释放含量（μg）/凝胶质量（g）与时间的关系）。2.结果与讨论2.1PEG红外表征结果PEGIR图由PEG的红外色谱图分析，知在2800cm−1处存在较强吸收峰，结合PEG结构和特征峰分析知该处为PEG分子间螯合羟基的特征吸收峰。2.2核磁共振PEG核磁图PEGDA核磁共振图（未纯化冻干）PEGDA核磁共振图（纯化冻干）由图分析知，PEG核磁共振图与PEGDA核磁共振图相比，出现了双键质子峰，大致位于5.8-6.5ppm处。而氧乙烷结构单元的质子峰不变。而且PEGDA核磁共振图中有四种不同类型的质子氢，与结构式中不同质子氢的个数比相等，可以证明合成的产物为目标产物PEGDA。对照未纯化冻干和纯化冻干的PEGDA核磁共振图，3.1ppm处峰值消失，1.5ppm和2.1ppm处峰值减弱，纯化冻干后的乙醚的除去导致峰的消失和减弱。2.3溶胀率水凝胶溶胀数据表w1/gw2/gw3/g5min10min20min40min60min119.684019.881719.909319.95720.001320.058620.0802216.608916.804516.853516.898916.899316.940716.9874315.933316.121616.155916.215116.300216.316116.3568水凝胶溶胀率(w3-w2)/(w2-w1)5min10min20min40min60min10.1396050.380880.6049570.894791.00404720.2505110.4826180.4846630.6963190.93507230.1821560.4965480.9484861.0329261.249071平均值0.1907580.4533490.6793690.8746781.06273由图分析知，在0-20min内，水凝胶的溶胀速率随时间的增加而呈现出递减趋势，20min之后溶胀速率保持不变，整体的溶胀率呈现出增长趋势。这证明了水凝胶具有良好的吸水性。2.4罗丹明累积释放曲线29%PEGDA水凝胶罗丹明的累积释放29%PEGDA水凝胶罗丹明的累积释放凝胶质量w1w21号4.1094.30042号3.95664.1453号4.23154.426629%PEGDA水凝胶罗丹明的累积释放酶标仪29%PEGDA水凝胶罗丹明的累积释放酶标仪数据测量时排布情况标准样40μg/ml标准样20μg/ml标准样10μg/ml标准样5μg/ml空白5min5min5min空白10min10min10min空白20min20min20min空白40min40min40min空白60min60min60min空白空白空白空白具体数据2.0830.9950.4620.2480.0472.2022.5121.7780.0451.5852.4951.0020.0461.9472.5171.0310.0461.8012.3851.2630.0461.7142.3491.0970.0470.0460.0450.045减blank2.0360.9490.4170.203样品平均值02.1552.4651.7312.11701.542.450.9571.64901.9012.4710.9851.78566701.7552.3391.2171.77033301.6682.3031.0511.67400000罗丹明标准溶液浓度梯度与吸收值关系图各个时间点的罗丹明释放溶液中的罗丹明浓度X表：时间点5min10min20min40min60min吸光度2.1171.6491.7856671.7703331.674罗丹明释放浓度41.725932.8790235.4625135.1726533.35161罗丹明释放含量（μg）/凝胶质量（g）217.7382171.5725185.054183.5414174.0387罗丹明的积累释放曲线（罗丹明释放含量（μg）/凝胶质量（g）与时间的关系）由图分析知，水凝胶中的罗丹明释放速率呈现出一种较为平缓的趋势，其释放速率随时间的变化趋势不大，呈现出缓慢下趋势。说明水凝胶可以用于药物的控释系统，避免药物突释的。3、总结本实验证明了水凝胶溶胀率较高，具有良好的吸水性，控释性能突出。其应用于药物控释系统中，具有较为稳定的释放速率，可以避免药物的突释，维持药物浓度，使药效持久对人体不造成毒害作用。水凝胶的特殊结构导致其在生物医学工程上具有极为广阔的应用前景。参考文献：[1]朱林重，连芩，靳忠民，张维杰，李涤尘.[J].PEGDA水凝胶的光固化成形工艺及其性能评价.西安交通大学学报.第46卷第10期2012年10月[2]李斌,张世海,陈勇,唐黎明,周其庠.[J].聚乙二醇二丙烯酸酯齐聚物的合成及其红外激光固化性能研究.高分子材料科学与工程.第17卷第5期2001年9月[3]HongbinZhang,GuoguangNiu,LiSong,HuaiYang,SiquanZhuPreparation.[J].hydrophilicity,swellingbehaviorsandmechanicalpropertiesofcrosslinkedpoly(ethyleneglycol)diacrylatehydrogelswithdifferentmolecularweights