PEGDA水凝胶的制备及其溶胀性和药物释放的研究应用.doc

PEGDA水凝胶制备及其溶胀性和药物释放研究
【摘要】本文使用已除水除杂有机物PEG和丙烯酰氯在三乙胺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PEGDA。然后运用制备分子量相似PEGDA配备成不同浓度PEGDA溶液，在UV光照射条件下发生交联反映制备得到具有不同浓度PEGDAPEGDA水凝胶。在实验中，使用了红外光谱对聚乙二醇（PEG）化学构造进行分析，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，同步讨论了PEGDA水凝胶吸水能力（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水凝胶溶胀率与时间呈正有关关系，以罗丹明为例药物释放，水凝胶与释放时间也息息有关，并且用于制备水凝胶PEGDA溶液浓度对其溶胀率、药物释放量等材料功能也有密切联系。实验成果表白通过调节制备水凝胶PEGDA溶液浓度，可以实现对PEGDA水凝胶性能调节，这将有助于在后来实验中，在生物材料应用中设计适当性能水凝胶。

核心词：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备良好吸水性、黏弹性以及与人体组织相近力学性能，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，可以起到细胞载体作用，容许营养物质互换与代谢产物排出，同步可以起到力学支撑作用[1]。
水凝胶可分为天然材料与人工材料天然材料，虽然具备与人体组织相似或相近化学成分，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PEGDA水凝胶相对于PEG水凝胶具备更良好性质，通过化学交联后PEGDA将会更稳定。由于分子链具备较好柔性和适当极性，并且能与丙烯酸系树脂较好相容，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缺陷，因而是一类性能优良双官能团齐聚物[2]。
1.1 实验原料与设备
药物：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 实验环节
1.2.1 二氯甲烷及PEG纯化及检测
搭建冷凝回流装置，迅速在烧瓶中加入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激烈沸腾，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50g PEG溶解于约200mL甲苯中开始加热体系至沸腾 ，待馏分浮现后，观测所收集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，将体系密封保存运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
运用吸液枪抽取少量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。将反映产物冷却至室温，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。
1.2.3 PEGDA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，当液面降到一定限度时即停住。上样时（加样尖嘴贴壁），样品浓度尽量浓，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。流到一定限度时（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
分别运用吸液枪抽取少量烘干PEGDA溶液和经纯化冷冻干燥后PEGD溶液稀释至氘代氯仿中，加入核磁管中，放入NMR测试。
1.2.4 PEGDA水凝胶制备及检测
配备1ml一定浓度PEGDA溶液 (26%，27%，28%，29%，30%) (含引起剂)，在UV光照下(10min)，0.2mlPEGDA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，将培养皿中水移除，轻擦干凝胶上游离水，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已标记离心管。加入1ml去离子水，保持培养皿中溶液体积不变。同步，配制罗丹明原则溶液（5-40μg/ml），获得原则曲线（浓度与吸取值线性关系）。取200μl离心管中溶液以及罗丹明原则溶液，移入96孔板，用多功能酶标仪检测在500nm吸取值。绘制罗丹明累积释放曲线（罗丹明释放含量（μg）/凝胶质量（g）与时间关系）。
2. 成果与讨论
2.1 PEG红外表征成果

PEG IR图
由PEG红外色谱图分析，知在2800处存在较强吸取峰，结合PEG构造和特性峰分析知该处为PEG分子间螯合羟基特性吸取峰。
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，浮现了双键质子峰，大体位于5.8-6.5ppm处。而氧乙烷构造单元质子峰不变。并且PEGDA核磁共振图中有四种不同类型质子氢，与构造式中不同质子氢个数比相等，可以证明合成产物为目的产物PEGDA。对照未纯化冻干和纯化冻干PEGDA核磁共振图，3.1ppm处峰值消失，1.5ppm和2.1ppm处峰值削弱，纯化冻干后乙醚除去导致峰消失和削弱。
2.3 溶胀率
水凝胶溶胀数据表

w1/g
w2/g
w3/g
5min
10min
20min
40min
60min
1
19.6840
19.8817
19.9093
19.957
20.0013
20.0586
20.0802
2
16.6089
16.8045
16.8535
16.8989
16.8993
16.9407
16.9874
3
15.9333
16.1216
16.1559
16.2151
16.3002
16.3161
16.3568
水凝胶溶胀率
(w3-w2)/(w2-w1)

5min
10min
20min
40min
60min
1
0.139605
0.38088
0.604957
0.89479
1.004047
2
0.250511
0.482618
0.484663
0.696319
0.935072
3
0.182156
0.496548
0.948486
1.032926
1.249071
平均值
0.190758
0.453349
0.679369
0.874678
1.06273

由图分析知，在0-20min内，水凝胶溶胀速率随时间增长而呈现出递减趋势，20min之后溶胀速率保持不变，整体溶胀率呈现出增长趋势。这证明了水凝胶具备良好吸水性。
2.4 罗丹明累积释放曲线
29%PEGDA水凝胶罗丹明累积释放
29%PEGDA水凝胶罗丹明累积释放
凝胶质量
w1
w2
1号
4.109
4.3004
2号
3.9566
4.145
3号
4.2315
4.4266

29%PEGDA水凝胶罗丹明累积释放酶标仪
29%PEGDA水凝胶罗丹明累积释放酶标仪数据
测量时排布状况
原则样40μg/ml
原则样20μg/ml
原则样10μg/ml
原则样5μg/ml
空白
5min
5min
5min
空白
10min
10min
10min
空白
20min
20min
20min
空白
40min
40min
40min
空白
60min
60min
60min
空白
空白
空白
空白

详细数据
2.083
0.995
0.462
0.248
0.047
2.202
2.512
1.778
0.045
1.585
2.495
1.002
0.046
1.947
2.517
1.031
0.046
1.801
2.385
1.263
0.046
1.714
2.349
1.097
0.047
0.046
0.045
0.045

减blank
2.036
0.949
0.417
0.203
样品平均值
0
2.155
2.465
1.731
2.117
0
1.54
2.45
0.957
1.649
0
1.901
2.471
0.985
1.785667
0
1.755
2.339
1.217
1.770333
0
1.668
2.303
1.051
1.674
0
0
0
0
0

罗丹明原则溶液浓度梯度与吸取值关系图

各个时间点罗丹明释放溶液中罗丹明浓度X表：

时间点
5min
10min
20min
40min
60min
吸光度
2.117
1.649
1.785667
1.770333
1.674
罗丹明释放浓度
41.7259
32.87902
35.46251
35.17265
33.35161
罗丹明释放含量（μg）/凝胶质量（g）
217.7382
171.5725
185.054
183.5414
174.0387

罗丹明积累释放曲线（罗丹明释放含量（μg）/凝胶质量（g）与时间关系）

由图分析知，水凝胶中罗丹明释放速率呈现出一种较为平缓趋势，其释放速率随时间变化趋势不大，呈现出缓慢下趋势。阐明水凝胶可以用于药物控释系统，避免药物突释。
3、总结
本实验证明了水凝胶溶胀率较高，具备良好吸水性，控释性能突出。其应用于药物控释系统中，具备较为稳定释放速率，可以避免药物突释，维持药物浓度，使药效持久对人体不导致毒害作用。水凝胶特殊构造导致其在生物医学工程上具备极为辽阔应用前景。

参照文献：
[1] 朱林重，连芩，靳忠民，张维杰，李涤尘.[J].PEGDA水凝胶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9月
[3] Hongbin Zhang，Guoguang Niu，Li Song，Huai Yang，Siquan Zhu Preparation.[J].hydrophilicity，swelling behaviors and mechanical properties of crosslinked poly(ethylene glycol) diacrylate hydrogels with different molecular weights