Swelling and releasing behaviors of polymeric gels from N-acryloyl glycinate and starch

Abstract In this paper, the monomers, N-acyloyl-glycine methyl ester and N-acyloyl-glycine ethyl ester were synthesized by the reaction between glycine ester hydrochlorides and acryloyl chloride. Use Ce^{4 +} as the initiator, starch was grafted by the monomers to gain a thermo-sensitive polymeric gel. The structure of the monomer and polymeric gels was confirmed by infrared spectroscopy (IR).The swelling of the polymeric gel was investigated under the different salt concentration and starch content to illustrate its thermo-sensitiveness. Also, using this polymeric gel as drug carriers, the releasing behaviors of caffeine from the gel was studied via UV-Vis method.
Keywords Thermo-sensitiveness, N-acryloyl glycinate, Starch, Drug delivery

聚丙烯酰基甘氨酸酯/淀粉凝胶的溶胀与药物缓释行为

邓奎林^1*，王国志²，陈素静¹，田华¹，张鹏飞¹，钟海滨¹，任晓波¹，
(¹河北大学化学与环境科学学院，保定，071002；²河北省遵化市卫生局卫生监督所，遵化，064200)

2008年7月16日收稿；河北省自然基金项目(B2008000573)

摘要 本文通过丙烯酰氯分别与甘氨酸甲酯盐酸盐和甘氨酸乙酯盐酸盐的反应，合成了N-丙烯酰基-甘氨酸甲酯和N-丙烯酰基-甘氨酸乙酯两种单体，并以Ce⁴⁺为引发剂制备了两单体与淀粉的接枝共聚物凝胶。借助红外光谱对单体和聚合物凝胶进行了结构表征。研究了聚合物凝胶在不同温度和无机盐溶液中的溶胀度，显示出一定的温敏性。以共聚物凝胶为咖啡因的药物载体，采用紫外-可见分光光度计方法考查了不同淀粉含量和无机盐溶液中的咖啡因释放行为。
关键词 温敏性 N-丙烯酰基-甘氨酸酯 淀粉 药物释放

1.前言
    温敏性聚合物及其凝胶能够随着外界环境温度的变化发生可逆的响应行为，这种独特的性质使其在分子开关、生物医学、免疫分析以及药物控制释放等领域具有广泛的应用[1-2]。其中，药物控制释放就是控制药物在人体内按照设计的剂量，在特定的时间范围内以一定的速度在体内缓慢释放，来达到治疗某种疾病的目的[3-5]。显然，具有一定生物相容性和生物降解性的药物控制释放体系更加符合实际应用的客观要求。因此，将壳聚糖、淀粉、聚乳酸和聚磷腈等可降解性聚合物引入温敏性药物释放载体中受到人们的极大关注[6-8]。
    本文中，通过Ce⁴⁺引发N-丙烯酰基-甘氨酸甲酯和N-丙烯酰基-甘氨酸乙酯两种单体与淀粉的接枝共聚合反应，制备了具有温敏性的聚合物凝胶。在聚合过程中采用原位交联聚合包埋技术将具有药物活性的咖啡因包埋在凝胶中，用紫外-可见分光光度计研究了咖啡因的释放行为。希望利用此聚合物凝胶的温敏性来实现对药物的控制释放。

2.实验部分
2.1 仪器及药品
    主要药品：甘氨酸酯的盐酸盐和丙烯酰氯依文献制备[8-9]；氯化钠、氯化钾和溴化钾，分析纯，天津光复精细化工研究所。其他试剂均为分析纯。
    主要仪器：NICOLET 380型红外光谱仪(FTIR)，测试范围400－4000cm^-1，样品用溴化钾压片涂膜。WFZ800-D3A紫外可见分光光度计(UV-VIS)，北京第二光学仪器厂。
2.2 N-丙烯酰基-甘氨酸酯单体的制备
   在装有回流冷凝管、磁力转子和恒压滴液漏斗的150 mL三颈瓶中，加入6.975 g 甘氨酸乙酯盐酸盐，50 mL二氯甲烷和7 mL三乙胺。充分搅拌反应20 min后，再补加20 mL三乙胺。在冰浴下，缓慢地滴加含有4.9 mL丙烯酰氯和20 mL二氯甲烷的混合溶液，约2 h左右滴加完毕，并续搅拌2h左右。将产物过滤除去部分三乙胺的盐酸盐，收集滤液并浓缩。以乙醚-丙酮混合溶剂(4:1)为淋洗液通过硅胶色谱柱进行分离，得到纯净的N-丙烯酰基-甘氨酸乙酯，放在冰箱中备用。N-丙烯酰基-甘氨酸甲酯的制备与此类似，反应方程式如下：

2.3 聚丙烯酰基甘氨酸酯/淀粉凝胶的制备
    在试管中，加入0.127 g淀粉和2 mL去离子水，在80℃水浴中糊化1h。然后将0.286 g N-丙烯酰基-甘氨酸甲酯、0.157 g N-丙烯酰基-甘氨酸乙酯、0.013 g 交联剂N，,N-亚甲基双丙烯酰胺和0.022 g咖啡因分别加入试管中，并充分搅拌。采用抽真空再充入氮气的方法来排除反应体系中氧气，重复操作五次。用注射器将含有0.013 g引发剂Ce（SO₄）₂的2 mL水溶液加入试管中。在电磁搅拌下缓慢加热至30℃并反应10 h。反应结束后，将聚合物凝胶剪成小块，在60℃下真空干燥至恒重，得到淀粉含量为20％的聚合物凝胶。淀粉含量为30%和40%的聚物凝胶制备方法同上。
2.4 聚合物凝胶溶胀性能的测试
    称取三块淀粉含量分别为20%、30%和40%凝胶，浸泡于5 mL去离子水中，在恒定温度下溶胀平衡2h后取出，吸干表面附着的溶液，称量，以溶胀后样品增加的质量与未溶胀前的质量之比表示样品的溶胀度(SR)，每个数据测定三次并取其平均值。依据上述方法，分别测定凝胶在不同NaCl、KBr和KCl溶液中的溶胀性能。
2.5 咖啡因在聚合物凝胶中的释放
    称取一定量淀粉含量的凝胶，浸泡于5 mL去离子水中，分别在21℃、44℃和66℃下测定咖啡因的释放量，每隔一定时间内取出3.5 mL溶液，用紫外可见吸光光度计在272 nm处测定体系中咖啡因的吸光度，直至吸光度变化很小为止。依据标准曲线方程A = 0.04573×C － 0.00345 (C: 咖啡因浓度，mg/mL；A：吸光度)，计算所释放出咖啡因的积累释放百分率。本研究中，测定后的溶液仍然倒回释放体系中。依据上述方法，测定聚合物凝胶在不同浓度NaCl溶液中的药物释放性能。

3. 结果与讨论
3.1 单体与凝胶的红外光谱表征
    图3-1是N-丙烯酰基-甘氨酸酯单体的红外光谱。在3450 cm^-1处是N-H伸缩振动吸收峰，3000-3100 cm^-1的弱吸收峰可归属为－CH=CH₂上C-H的伸缩振动。另外，在1750 cm^-1处出现了酯键上羰基的伸缩振动吸收峰，1670 cm^-1左右出现了酰胺键上羰基的伸缩振动吸收，1200 cm^-1左右为C-O-C的伸缩振动吸收峰，由此表明得到了目标单体。同时，在聚合物凝胶的红外光谱中（如图3.2所示），除了淀粉在3500 cm^-1和1000 cm^-1羟基和醚键的特征吸收峰外，还出现了代表聚N-丙烯酰基-甘氨酸酯存在的羰基特征吸收峰（1700 cm^-1）。可见，已成功合成了聚合物凝胶。

图3-1 N-丙烯酰基-甘氨酸酯单体的红外光谱 (cm^-1)

图3-2 N-丙烯酰基-甘氨酸酯/淀粉凝胶的红外光谱 (cm^-1)

3.2 聚合物凝胶的溶胀性能
3.2.1 温度对聚合物凝胶溶胀性能的影响
    有关聚N-丙烯酰基-甘氨酸酯的温敏特性已有文献报道[10]。聚合物凝胶的温敏性可以从凝胶的溶胀性能得到体现，即作溶胀度-温度曲线，当体系升高到一定温度时凝胶的溶胀会发生明显转变，其对应的温度即相转变温度。
   图3-3为聚合物凝胶的溶胀度与温度的关系。从图上可以看出，凝胶中淀粉含量的增加导致凝胶的溶胀度降低。例如，淀粉含量分别为20%、30%和40%的凝胶在28 ^oC时，其溶胀度分别为4.90、3.81和2.62，这可能是因为较高的淀粉含量导致凝胶的三维网络结构难以有效形成。同时，当升高温度时，凝胶的SR减小，淀粉含量分别为20%和30%的凝胶在42 ^oC附近，溶胀度迅速下降，此温度区域为凝胶的相转变温度。由于共聚凝胶分子链上包含亲水基团(–NHCO)和疏水基(酯键和大分子碳碳主链)，亲水基团在较低温度时可与水分子形成较强的分子间氢键，聚合物大分子链在凝胶体系中比较舒展；而凝胶里的水分子也处于比较稳定的状态，此时凝胶溶胀度比较大。当温度升高或超过相转变温度时，聚合物分子链上的氢键会变弱或消失，而大分子链上的疏水作用增强，大分子链在凝胶中收缩甚至析出。在宏观上，聚合物凝胶溶胀度在相转变温度附近发生可逆的转变，即显示出其温敏性。温敏性凝胶的这种现象在文献中均有类似的报道[11]。

图3-3 不同淀粉含量的凝胶在纯水中溶胀度与温度的关系

    当体系温度远高于相转变温度时，大分子链在凝胶中的变相彻底完成，凝胶溶胀度基本保持不变。对于较高淀粉含量的凝胶（如40%），温度升高时，SR变化不明显，即温敏性减弱。

3.2.2 盐溶液对聚合物溶胀性能的影响

图3-2 无机盐对聚合物凝胶溶胀性能的影响（淀粉含量：30%，温度：20℃）

图3-4 温度对咖啡因释放行为的影响（淀粉含量 20%，Caffeine含量 5%）

    图3-4说明了载药凝胶在去离子水中不同温度下的咖啡因释放行为。可以看出，随着温度的升高，聚合物凝胶对咖啡因的释放速度和积累释放百分率明显减小，例如在21℃、44℃和66℃时，咖啡因的积累释放百分率分别为68.8％、59.2％和37.6％。此现象可以用皮壳式释放机理来解释：当环境温度高于相转变温度时，凝胶表面首先收缩形成一个薄的致密皮层，阻止凝胶内部的水分和药物向外释放，凝胶处于关闭状态；而温度低于相转变温度时皮层溶胀消失，凝胶又处于开放状态，内部药物向外自由扩散释放[13]。显然，21℃远低于该聚合物凝胶的相转变温度（约42℃），咖啡因释放很快；而在66℃时，因远高于相转变温度则其释放较慢。因此，该聚合物凝胶可以随着外界温度的不同，实现对咖啡因不同的释放速度，即控制释放。
3.3.2 无机盐对咖啡因释放行为的影响

图3-5 无机盐对咖啡因释放行为的影响 (淀粉含量 20%，Caffeine含量5%)

图3-5说明了载药凝胶在NaCl溶液中的咖啡因释放行为。可以看出，咖啡因的释放量随着NaCl浓度的增加而减小。例如，NaCl浓度为0.05 mol/L、0.25 mol/L和0.05mol/L时，咖啡因的最终释放量分别为56.9％、51.3％和41.7％。NaCl属于“盐析效应”盐[1]，其浓度越大凝胶大分子链的塌缩程度就越大，致使凝胶网络中的孔洞尺寸变小，不利于咖啡因的扩散释放。显然，改变NaCl浓度在一定程度上也可调节咖啡因的释放量。

4.结论
    以Ce⁴⁺为引发剂，制备了N-丙烯酰基-甘氨酸甲/乙酯两单体与淀粉的接枝共聚物凝胶，考查了不同淀粉含量凝胶的溶胀度与温度和无机盐离子的依赖关系。初步研究表明：该共聚凝胶具有一定的温度响应性，升高温度其溶胀度降低。同时，咖啡因在凝胶中的释放行为明显受到温度和无机盐的影响，显示出对药物释放的可控性。此共聚凝胶有望作为可控的药物释放体系来开发其应用价值。

REFERENCES
[1] 吴爽. 高分子通讯,2007,9:31.
[2] Márcia R, Moura, F A, Aouada, M R. Polymer Testing, 2006, 25, 7: 961.
[3] Qiu Y, Park K. Adv Drug Delivery Rev, 2001, 53: 321.
[4] Masamichi Nakayama, Teruo Okano, Takanari Miyazaki. Journal of Controlled Release, 2006, 115: 46.
[5] 林浩，田华雨，孙敬茹等. 高等学校化学学报，2006，27（7）:1385
[6] 张杰，褚良银，张诗博等，四川大学学报（工程科学版），2006，38（1）：54
[7] Fang J Y, Chen J P, Leu Y L, et al. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 2008, 68(3): 626.
[8] Zhang H Q, Zhang M Z, Zhang C H, et al. Journal of Sichuan university (engineering science edition), 2001, 33(6): 78.
[9] Gijido H, Stempel J, Robert P C, et al. J Am Chem Soc, 1950, 72(5): 2299.
[10] 郑向阳，刘静，邓奎林. 2007年全国高分子学术论文报告会论文摘要集，2007，E-P-107.
[11] 杨华，庄银凤，朱仲祺等. 河南大学学报（自然科学版），2001，31（1）:67.
[12] 杨华. 聚（N-异丙基丙烯酰胺）类水凝胶的辐射合成与应用研究（郑州大学硕士学位论文），2001：32.
[13] 王标兵. 高分子通讯，2006，11:85.