一种半互穿网络纳米杂合水凝胶及其制备方法和应用

一种半互穿网络纳米杂合水凝胶及其制备方法和应用
【专利摘要】本发明公开了一种半互穿网络纳米杂合水凝胶及其制备方法和应用，首先将壳聚糖进行修饰，制备成水溶性的羧甲基壳聚糖(CMCS)；再经N?异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、CMCS及(羧基功能化的)碳纳米管的原位自由基交联聚合反应，制备了不同NIPAM、CMCS及纳米管组成比例的半互穿网络纳米杂合水凝胶。由本发明制备的新型纳米杂合水凝胶具有较高的溶胀率、适宜的体积相转变温度及pH相转变点、高的药物承载量及持续可控的药物释放行为。本发明水凝胶药物制剂可以作为一种有前途的亲水口服药物载体，用于口服疫苗、多肽、蛋白质和抗癌药物的靶向释放，具有低毒性、可长期治疗结肠等癌症。
【专利说明】
一种半互穿网络纳米杂合水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
[0001] 本发明属于功能高分子材料及其复合材料技术领域，尤其涉及一种半互穿网络纳 米杂合水凝胶及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 如今，由于环境问题和饮食不健康等方面的原因，越来越多的人们受到各种疾病， 尤其是癌症的侵袭。癌症治疗起来不仅困难，而且在治病的过程中患者也要承受治疗手段 和治疗药物吸收量少所带来的巨大痛苦。因此如何更好地让治疗药物发挥作用，尤其是使 用药物载体进行给药，已越来越受到各方面学者的广泛关注。可以作为药物载体的种类很 多，包括水凝胶、脂质体和磁性高分子微球等。在过去50年中，水凝胶由于其特殊的性能已 经受到广泛的关注，主要原因之一就是其具有极强的储水能力及灵活性，使它与人体自然 组织十分相似。水凝胶是指可以吸收水分使体积膨胀，并且能保持住所吸收的水分，且具有 三维网状结构的聚合物。可以通过将疏水基团和亲水基团引入到水凝胶结构中，使亲水基 团吸收水，而疏水性质的基团在吸收水之后体积变大的新型高分子聚合物。它们是通常含 羧酸等官能团的一类聚合物，具有可以与细胞组织等相互融合的性质和化学特性。和其他 载体比较，水凝胶和包载的药品及酶之间彼此的吸引力比较小，而所结合在内部的药物及 酶的活性也能在一定的时间段里维持不变。所以，水凝胶在生物类制剂，医疗及环境等方面 有许多应用，故在全球范围内，科学研究者长久以来对研究设计水凝胶，一直保持着极大的 兴趣。水凝胶之所以能够在吸收了大量的水之后体积变大，这主要是由于吸附及膨胀、物理 吸附与化学吸附共同作用的结果，绝大多数是物理吸附在起作用，凝胶内部与外部的溶液 浓度差是其吸水体积变大的关键。而当外界条件改变时，网状结构内部的水分流失，体积缩 小，此时水凝胶又会表现出退溶胀的行为，这种现象被称为体积坍塌或相转移。目前，水凝 胶的聚合手段包括:物理聚合、化学聚合、辐射聚合等几大制备手段。物理交联，顾名思义 是指水凝胶是通过物理作用力如分子缠绕、静电作用、离子键、氢键作用、疏水作用等形成 凝胶。形成的凝胶也叫可逆水凝胶，是因为形成的网状结构是非永久性的，将凝胶加热后， 水凝胶又会变成溶液状态。在使用化学方法合成水凝胶时，大多数情况要使用到交联剂。但 是这样又会对凝胶的载药能力产生极大的影响，尤其是绝大多数交联剂是有毒有害的物 质，因而所合成的水凝胶在进行下一步反应或使用之前，一定要除去没有反应而残留的交 联剂。可是，在使用物理交联法制备水凝胶的过程中，不涉及到交联剂的使用问题，这样制 备出来的水凝胶不需要除去多余的化学试剂，从而使其具有低毒、容易降解等优点。正是其 如此突出的特点，使其备受生物医学、药学等领域的关注。水凝胶内部的分子链之间可以通 过彼此的相互作用形成水凝胶，主要包括有疏水缔合作用，将亲水单体和疏水单体加入到 水溶液中，其中亲水单体作为主链，彼此连接在一起，而疏水单体与水溶液中的疏水表面活 性剂的疏水链段通过疏水缔合作用连在一起，形成混合水凝胶，Jeong等利用疏水缔合作用 制备了聚乳酸-聚羟基乙酸聚合物(PLGA);离子间相互作用，指的是带不同电荷的几种或多 种电解质彼此之间通过静电相互作用聚合成胶束的过程；晶体交联作用，指在溶液中随着 温度的变动，聚合物链段的运动速度改变，原有的结构遭到损毁，彼此之间交互形成微小的 晶体接点核，从而形成三维网络结构的胶束;氢键交联作用与晶体交联相似，也是通过微小 的数个不均一的接点，进一步扩散形成网络结构，只是这种作用力的分子间的氢键，如醇 类，羧酸类等聚合物就可以借助氢键交联制备水凝胶，Yin等制备的水凝胶就是利用此方 法。在外界条件刺激下，分子链能够通过键合作用组合成三维结构的行为，叫做化学交联。 在化学交联制备水凝胶的过程中要使用交联剂，交联剂是一种能在分子间起桥梁作用，从 而能够让分子链之间相互作用交联成网络结构，它是会直接影响聚合物成键的物质。采取 化学方法制成的水凝胶的反应原理是由于化学键键合形成的高分子聚合物，在加热的过程 中不溶不熔，同时叫做永久性水凝胶。永久性水凝胶主要有单体聚合交联和聚合物交联。 可以合成水凝胶的单体的种类有很多根据酸碱性不同，可以分为酸性单体，如巴豆酸、苯乙 烯磺酸钠等；中性单体，如η-乙烯基吡络烷酮、丙烯酸胺衍生物等;碱性单体，如乙烯基吡啶 等。可以用于合成水凝胶的单体在使用/不使用交联剂的情况下，都能够通过自由基共聚或 均聚等反应合成产物。通过所加交联剂、引发剂的不同，进而合成出不同性质的材料。 Takehisa等通过单体聚合的方法制备的温敏性聚Ν-异丙基丙烯酰胺纳米复合凝胶不仅极 大的改善产品的机械性能，更是首次将锂藻土用于水凝胶制备中。单体聚合法是使用最广 泛的水凝胶合成方法，与其他方法相比，此方法制备的水凝胶结构更均一，方法更简便，可 用于大规模生产。除了可以用单体来制备水凝胶之外，还可以使用聚合物来制备水凝胶，这 种方法在使用时如需用到交联剂，所使用的交联剂应具有亲水性的官能团。辐射交联指的 是使用电子束、紫外线或是r-光子等高能射线对大分子共聚物进行辐照，通过活性自由基 引发分子链交联，从而形成水凝胶的过程。辐射聚合有其自身的优势，可以使不含双键的亲 水性物质也能聚合成高分子凝胶，如聚甲基丙烯酸羟乙酯（PHEMA)、聚乙烯基吡咯烷酮 (PVPhLegris等利用辐射交联聚合的方法合成孔径比较大的水凝胶聚合物。除此之外，其 他优点包括:首先，在反应过程中不需要添加任何的化学试剂，例如引发剂、交联剂等，所制 得的产物不需要后续的除杂过程，水凝胶的纯度也比较高;其次，操作简便，不需要经过高 温;再次，通过调节能量及强度还可以实现对水凝胶的形貌和结构的改变;最后，在对产物 的表面进行改性的同时，进而达到对水凝胶的灭菌处理。虽然辐射交联有以上种种优点，但 是由于在制备时，对实验设备要求严格，条件苛刻，所以辐射交联并没有被广泛的应用于各 个领域。水凝胶根据其制备方法的不同，有多种分类方法。首先，依据来源可分为天然水凝 胶和人工合成水凝胶，天然水凝胶由于它的原料来自于自然界，与各生物体相似，所以天然 水凝胶的生物相容性要强于合成水凝胶，更由于原料的来源方便，价格优廉，取材方便等特 点，备受社会各界学者的关注。但是天然水凝胶的稳定性差，容易降解，机械强度不高等特 点，又进一步限制了其实际应用的可能性，所以学者们把目标转向了合成水凝胶。人造水 凝胶在制备的过程中，可以通过改变反应条件，添加合适的引发剂、交联剂等可以有效的改 变其性能，从而制备出理想的产物。但是合成凝胶由于制备的过程中使用的引发剂，交联剂 等，在后续的反应处理中需要进一步除去，而且合成水凝胶所使用的原料大多来自于石油 行业，降解性差，从环保的角度出发，制备天然与合成相混合的水凝胶也许可以克服彼此的 弊端，发挥各自的长处，实现有机的结合;其次，按照制备手段的差异能够分为物理凝胶和 化学凝胶，物理凝胶是指通过彼此之间的物理反应形成的水凝胶，而化学凝胶是指彼此之 间通过化学键的键合作用，并且运用化学合成的方法合成的水凝胶;再次，根据水凝胶的尺 寸和形状不同，可以分为宏观水凝胶和微观水凝胶。微观水凝胶的尺寸大小在5wii-50nm之 间的微米级及纳米级。当前常用来制备微观凝胶的方法有:反相悬浮法，指的是在反应过程 中使用溶解有引发剂的单体的水溶液作为分散相，使用油溶液作为分散介质进行聚合的方 法;反相微乳液聚合，将达到胶束浓度的临界乳化剂加热到一定温度，之后依次加入油状的 分散介质与水溶性的单体，在反应一段时间之后再加入引发剂，经过后续处理最终得到所 需的产物;沉淀聚合，是指将所有的实验原料如引发剂、交联剂、单体等一次性都加入反应 器中，在一段时间之后形成的胶体粒子交联之后形成凝胶及无皂乳液聚合等;宏观水凝胶 根据其形状的不同又可以分为球形、网状、柱形、海绵状等。除此之外，还可以分为普通水凝 胶和智能水凝胶。其中智能水凝胶是指在外部的条件产生了一些改变之后，凝胶可以感受 到这些改变，甚至这些改变是微小的，这种变化不只是结构上的，有时连化学性质也会发生 改变，正是由于其对环境的敏感性使其成为在所有水凝胶中学者最感兴趣的方向之一，尤 其是在传感器、生物细胞工程、药物释放、医药等高端热门领域。温度敏感型水凝胶由于其 独特的特性，在智能水凝胶中被广大研究者所关注。这类水凝胶的吸水量及体积会随着温 度的变化而变化，在达到一定数值后体积会突然发生变化，这个温度就是低临界相转变温 度(LCST)。在其共聚物高分子链上携带有疏水的官能团，是这类凝胶的相同点，如丁基、异 丁基、甲基等。在这个温度之前凝胶会吸水直至饱和，在这个温度之后，凝胶又开始失水收 缩，溶胀比下降。这其中一个典型代表物质就是聚N-异丙基丙烯酰胺，它也是在温度敏感性 水凝胶中研究最为详细的。目前关于温敏特性的机理的解释还只停留在定性研究上，一种 观点认为:这类凝胶之所以会表现出此类特性，是由于在聚合物中的亲水集团与疏水基团 在一定程度上形成了一种动态平衡，平衡程度的不同将会影响聚合物水凝胶在水中的溶解 性的好坏。当温度低于LCST时，水分子和亲水性基团之间的氢键起主导，凝胶在水中呈现出 良好的水化状态;随着温度的升高，水分子间运动加剧，氢键被破坏，此时疏水基团与水分 子之间的范德华力也减弱，疏水基团之间的相互作用增强，三维网络收缩，水分子被挤出凝 胶内部，水凝胶脱水收缩。也有人从热力学的角度解释这种现象，如Nemethy-Scheraga的疏 水相互作用理论。该理论认为由吉布斯自由能方程可知，在低温时，吉布斯自由能变化小于 零，有利于聚合物扩散;在高温时吉布斯自由能变化大于零，聚合物水凝胶发生团聚相变。 但是，现在还没有一个让人满意的适用于所有范围的实验模型。温敏性水凝胶一般可分为 两种，一种根据凝胶在高温时的体积变化不同，分为热胀型水凝胶、热缩型水凝胶，顾名思 义，就是热胀型凝胶在低临界相转变温度时表现为体积膨胀，凝胶吸水量变大;热缩型凝胶 在低临界相转变温度时体积收缩，吸水量变小，溶胀比变小。另一种是即成型水凝胶，这类 水凝胶在LCST时会发生溶液-凝胶的相转变过程。Xue Yu-hua等人在Nac 1水溶液中，合成了 温度和pH响应性聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸)水凝胶，并讨论了 Nacl浓度对水凝胶性 能的影响。研究表明：水凝胶的宏观形貌表现相同，但是微观形态却大不一样。Jiemi等设计 和制备一种新的热敏性水凝胶HTCC-PEG-GP，并进行了一系列的结构表征，进行了载药实 验，结果表明：HTCC-PEG-GP配方由于可以提高亲水性大分子对药物的吸收，可以用在鼻腔 给药系统。Byeongmoon等人制备了一种温敏性的核壳结构的水凝胶，在37摄氏度水环境下 进行药物包载实验，形成的共聚物有较好的扩散情况。Daoyi等通过自由基聚合将温敏性 的聚N-异丙基丙烯酰胺成功的引入到甲基丙烯酸丙酯中制备成水凝胶。在一定温度范围内 有很好的氧化性，并用其包载Ag离子，结果表明：这类凝胶可以作为食腐动物的氧化剂，以 及在处理被感染的伤口时，由于其有广谱抗菌作用，而被用作抗生素。光敏感型水凝胶也是 一类智能水凝胶。光能作为一种清洁能源，近年来受到极大的关注，在地球污染日益严峻的 今天，绿色能源的使用无疑是缓解和解决问题的关键。同样的对于智能水凝胶的开发与应 用也有着不可忽视的意义。光敏感型水凝胶，主要是由于凝胶的微观结构中，带有可以感受 光变化的基团。当这些基团遇到光线照射时，会引发光交联、光异构化或光解离，从而导致 局部温度升高或分子链构型改变，致使凝胶内部发生溶胀。如今越来越多的人开始意识到 健康的重要性，但是由于环境和生活习惯等原因，人类还是无法避免癌症的侵袭;而对于作 为治疗癌症的药物的载体也越来越受到广泛的关注；如何实现药物载体对人体无害、生物 相容性好、无毒副作用的特点是近几年来研究的重点之一。

【发明内容】

[0003] 本发明的目的在于提供一种温度和pH双敏感聚N-异丙基丙烯酰胺/羧甲基壳聚 糖/碳纳米管(PNIPAM/CMCS/MWCNTs)半互穿网络纳米杂合水凝胶及其制备方法和应用，旨 在解决基于聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)均聚物水凝胶体积相转变温度(VPTT)比较低及 作为药物释放载体靶向性差的问题。
[0004] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为:半互穿网络纳米杂合水凝胶的 制备方法，其特征在于，所述半互穿网络纳米杂合水凝胶的制备方法为将壳聚糖进行修饰， 制备成水溶性的羧甲基壳聚糖;再经N-异丙基丙烯酰胺、CMCS及碳纳米管的原位自由基交 联聚合反应，制备了不同N-异丙基丙烯酰胺、CMCS及碳纳米管组成比例的半互穿网络纳米 杂合水凝胶。
[0005] 进一步，所述半互穿网络纳米杂合水凝胶的制备方法包括以下步骤：
[0006] 步骤一，称取占 NIPAM和CMCS总质量1 %~10%的未功能化多壁碳纳米管或羧基 功能化的多壁碳纳米管，分散在1 〇ml去离子水中超声分散1. Oh;
[0007] 接着，称取1.4~1.94g N-异丙基丙烯酰胺溶解在10ml去离子水中，待到全部溶解 之后，加入0.6~0.06g羧甲基壳聚糖，PNIPAM与CMCS质量比：97%:3%，95% :5%，90%: 10%，80% :20%，70 % :30%，待两者完全溶解之后，将混合溶液与上述碳纳米管或羧基碳 纳米管分散液合并;搅拌20~30分钟之后加入占单体N-异丙基丙烯酰胺5wt%的N，N-亚甲 基双丙烯酰胺，40μ1 N，N，g，M-四亚甲基乙二胺，持续搅拌；
[0008] 步骤二，待到完全溶解后，将占 N-异丙基丙烯酰胺质量2wt%的过硫酸钾(KPS)加 入到反应混合物中，氮气鼓泡20分钟以除去溶解的氧，60°C下快速搅拌2小时，得到有弹性 的水凝胶;将反应之后的交联产物用水冲洗并切成厚度4毫米的小块状，随后用去离子水浸 泡7天，去除未反应的单体和交联剂;将合成的水凝胶冷冻干燥机中-50°C冷冻干燥24小时 至恒重。
[0009] 本发明的另一目的在于提供一种所述半互穿网络纳米杂合水凝胶的制备方法制 备的半互穿网络纳米杂合水凝胶，所述半互穿网络纳米杂合水凝胶由质量比为90% :10% 的N-异丙基丙烯酰胺与羧甲基壳聚糖；占 N-异丙基丙烯酰胺与羧甲基壳聚糖总质量5%的 未功能化多壁碳纳米管或羧基功能化的多壁碳纳米管、占 N-异丙基丙烯酰胺5wt %的N，N-亚甲基双丙烯酰胺，40μ1的Ν，Ν，Ν?-四亚甲基乙二胺、占 N-异丙基丙烯酰胺质量2wt%的 过硫酸钾组成。
[0010]本发明的另一目的在于提供一种农业种植保水抗旱系统，所述农业种植保水抗旱 系统包含所述半互穿网络纳米杂合水凝胶的制备方法制备的半互穿网络纳米杂合水凝胶。 [0011]本发明的另一目的在于提供一种工业废液处理系统，所述工业废液处理系统包含 所述半互穿网络纳米杂合水凝胶的制备方法制备的半互穿网络纳米杂合水凝胶。
[0012] 本发明的另一目的在于提供一种细胞组织工程，所述细胞组织工程包含所述半互 穿网络纳米杂合水凝胶的制备方法制备的半互穿网络纳米杂合水凝胶。
[0013] 本发明的另一目的在于提供一种生物医药，所述生物医药包含半互穿网络纳米杂 合水凝胶的制备方法制备的半互穿网络纳米杂合水凝胶。
[0014] 本发明提供的聚N-异丙基丙烯酰胺/羧甲基壳聚糖/碳纳米管水凝胶，与现有技术 相比，具有以下优势：
[0015] 1、通过N-异丙基丙烯酰胺、壳聚糖与碳纳米管或羧基碳纳米管的交联聚合反应， 制备了一系列新型pH敏感与温度敏感的聚N-异丙基丙烯酰胺/羧甲基壳聚糖/碳纳米管 (PNIPAM/CMCS/CNTs (-⑶0H))半互穿网络水凝胶。利用红外光谱分析仪(FTIR)、热分析 (TA)、环境扫描电子显微镜(ESEM)对制备的水凝胶的结构、形貌等方面进行了表征;结果表 明：已成功合成聚N-异丙基丙烯酰胺/羧甲基壳聚糖/碳纳米管水凝胶，并对所制备的一系 列水凝胶的溶胀性进行了表征，测定了溶胀性随温度和pH值变化的规律并对其进行了动力 学分析。两种水凝胶都随着时间的增加，溶胀性呈现增加的趋势，并最后达到平衡。添加了 羧基碳纳米管的水凝胶其溶胀曲线和最大溶胀比要明显高于使用工业碳纳米管制备的水 凝胶，两种水凝胶都表现出明显的pH值响应性与温度响应性;添加羧基的碳纳米管的凝胶 在不同pH值的溶液中的溶胀性要明显好于使用工业纳米管制备的凝胶。随着温度的升高， 溶胀性呈现规律性变化，并且在35~40°C左右发生相转变。
[0016] 2、将使用CNTs-COOH所制备的一系列水凝胶的溶胀性进行了包载盐酸阿霉素的药 物试验，并对其进行了体外药物释放研究，主要包括37°C和38°C两个温度进行了表征及其 动力学分析。结果表明：带有不同含量（1 %、2 %、5 % )的羧基的碳纳米管制备的PNIPAM/ CMCS/CNTs-COOH水凝胶，随着纳米管含量的增加，药物的释放量在不断增大。总体的载药量 大约在42%左右，并且药物释放量较高。同时所制备的聚合物凝胶具有缓慢释放，定点给药 的特点。
[0017] 3、用水凝胶做药物载体时，将不同的药物与载体复合，使药物包封在在载体内，在 制定部位前不释放或缓慢释放，具有一定的靶向性，从而减少对健康组织的伤害，提高药物 的利用率。
[0018] 4、使用聚合物水凝胶作为携带包覆用于疾病治疗的药物载体是国内外生物医药 等方面研究的重要内容，本发明制备的温敏响应性的聚合物作为药物释放载体的应用具有 非常重要的理论价值和现实意义。
[0019] 5、使用温敏性的N-异丙基丙烯酰胺、羧甲基壳聚糖和碳纳米管等原料合成了 PNIPAM/CMCS/CNTs和PNIPAM/CMCS/CNTs-⑶0H聚合物凝胶。此聚合物水凝胶的具体组成使 用FT-IR、TA以及ESEM手段进行了检测。FT-IR和ESEM研究表明，水凝胶具有三维网络结构， 凝胶大体上呈现规整的多孔结构。纳米管的加入对凝胶的形貌有较大影响，凝胶网络中接 枝密度增加，凝胶网孔相对来说变小，但仍然保持着三维网状多孔结构。制备的PNIPAM/ CMCS/CNTs-COOH水凝胶随MWCNTs-COOH含量的提高微孔密度下降、微孔尺寸提高。
[0020] 6、对制备的 PNIPAM/CMCS/CNTs 和 PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH 聚合物水凝胶进行了室 温下的溶胀行为测定。溶胀性研究表明，碳纳米管的添加对溶胀性会产生影响，会使溶胀性 下降。随着纳米管含量的增加，样品的溶胀性会呈现先增加后减少的趋势，碳纳米管含量是 5 %时会达到最大溶胀比。MWCNTs-COOH制备的水凝胶溶胀性优于工业级碳纳米管制备的水 凝胶。
[0021] 7、对制备的聚合物水凝胶的温敏性和pH依赖行为进行了研究。结果表明：PNIPAM/ CMCS/CNTs和PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH两种凝胶都表现出明显的温敏性，它们的体积相转变 温度即VPTT在35~40°C左右。而两种水凝胶虽然都表现出明显的pH值响应性，但是添加羧 基的碳纳米管的凝胶无论是在酸性、中性和碱性溶液中的最大溶胀比，还是在不同pH值的 溶液中的规律性，都要明显好于使用工业纳米管制备的凝胶，这可能是由于羧基对不同pH 值溶液变化更加敏感有关。
[0022] 8、对制备的PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH聚合物水凝胶进行了包载盐酸阿霉素的在37 °C和38°C的体外药物释放实验。以盐酸阿霉素为模拟药物在凝胶中进行的药物释放研究显 示:带有不同含量（1 %、2 %、5 % )的羧基的碳纳米管制备的PNIPAM/CMCS/CNTs-C00H水凝 胶，随着纳米管含量的增加，药物的释放量在不断的增大。具有缓慢释放，定点给药的特点。
[0023] 9、聚合物水凝胶作为药物载体在生物医药等方面将会有广泛的应用。本发明中所 合成的水凝胶，通过对药物的包载以及控制释放发现，其在水溶液中均具有较好相容性。因 此，用它们作为靶向药物释放的载体，在未来将会有很好的发展。
[0024] 本发明通过优化合成战略与水凝胶配方组成，调控溶胀性能、热响应温度、pH响应 转变点及药物的承载与释放，获得一种具有良好的溶胀平衡、高的盐酸阿霉素药物承载量、 持续可控的药物释放行为的水凝胶药物制剂。由此制备的本发明温度和pH双响应的 PNIPAM/CMCS/MWCNTs半互穿网络纳米杂合水凝胶可以避免口服时被胃酸和酶破坏，提高药 物在胃中的稳定性，降低药物对胃的毒副效应，有效提高药物的生物利用度及对肠道疾病 等的治疗效率。因此，本发明温度和pH双响应的PNIPAM/CMCS/MWCNTs纳米杂合水凝胶药物 制剂可以作为一种有前途的亲水性口服药物载体，用于口服疫苗、多肽、蛋白质和D0X抗癌 药物的靶向释放，具有低毒性、可长期治疗结肠等癌症的优点。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明实施例提供的聚N-异丙基丙烯酰胺/羧甲基壳聚糖/碳纳米管水凝胶 的制备方法流程图。
[0026] 图2是本发明实施例提供的聚合物凝胶的红外光谱图；
[0027] 图中：（a)PNIPAM水凝胶；（b)PNIPAM/CMCS水凝胶；（c)PNIPAM/CMCS/CNTs水凝胶； (d)纯CNTs。
[0028] 图3是本发明实施例提供的聚合物凝胶的热分析图；
[0029] 图中：（a)纯CNTs; (b)PNIPAM/CMCS水凝胶；（c)PNIPAM/CMCS/CNTs水凝胶（其中 CNTs ,wt% = 5% ) 〇
[0030] 图4是本发明实施例提供的聚合物凝胶的ESEM图；
[0031 ]图中：（a)PNIPAM水凝胶；（b)PNIPAM/CMCS水凝胶；（c)纯CNTs ; (d)PNIPAM/CMCS/ CNTs水凝胶。
[0032] 图5是本发明实施例提供的聚合物凝胶在去离子水中室温下的溶胀图；
[0033] 图中：（a)PNIPAM水凝胶；（b)PNIPAM/CMCS水凝胶；（c)PNIPAM/CMCS/CNTs水凝胶。
[0034] 图6是本发明实施例提供的室温下不同碳纳米管(CNTs)质量含量的聚合物水凝胶 在室温下的最大溶胀率图。
[0035] 图7是本发明实施例提供的不同比例的PNIPAM/CMCS水凝胶在室温下，不同pH值下 的最大溶胀率图；
[0036] 图中：（a)97:3;(b)95:5;(c)90:10;(d)80:20;(e)70:30。
[0037] 图8是本发明实施例提供的不同比例的PNIPAM/CMCS水凝胶在室温下，不同pH值下 的最大溶胀率的柱状图；
[0038] 图中：（1)97:3; (2)95:5; (3)90:10; (4)80:20; (5)70:30。
[0039] 图9是本发明实施例提供的在室温下，不同含量碳纳米管（1%、2%、5%、7%和 10% )的PNIPAM/CMCS/CNTs水凝胶在不同pH值下的最大溶胀率图。
[0040] 图10是本发明实施例提供的在室温下，不同含量碳纳米管的水凝胶在不同pH值下 的最大溶胀率的柱状图；
[0041] 图中：（1)1% ; (2)2%; (3)5%; (4)7%; (5)10%。
[0042]图11是本发明实施例提供的不同比例的PNIPAM/CMCS水凝胶在不同温度下的最大 溶胀率图；
[0043] 图中：（a)9:l;(b)8:2;(c)7:3。
[0044] 图12是本发明实施例提供的不同含量碳纳米管（2%、5 %和7% )PNIPAM/CMCS/ CNTs水凝胶在不同温度下的最大溶胀率图。
[0045] 图13是本发明实施例提供的聚合物水凝胶的红外图；
[0046] 图中：（a)PNIPAM/CMCS/CNTs-C00H水凝胶；（b)羧基碳纳米管(MWCNT-C00H); (c)N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM); (d)羧甲基壳聚糖(CMCS); (e)PNIPAM/CMCS水凝胶。
[0047] 图14是本发明实施例提供的聚合物凝胶的热分析图；
[0048] 图中：（a)纯CNTs-COOH; (b)PNIPAM/CMCS水凝胶；（c)、（d)、（e)不同比例MWCNTs-C00H制备的 PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH 水凝胶：（c)l % ; (d)2%;(e)5%。
[0049] 图15是本发明实施例提供的聚合物凝胶的ESEM图；
[0050] 图中：（a)PNIPAM水凝胶；（b)、（c)、（d)不同比例MWCNTs-COOH制备的PNIPAM/CMCS/ CNTs-C00H 水凝胶：（b)l%;(c)2%;(d)5%。
[0051 ]图16是本发明实施例提供的PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH聚合物凝胶在室温下的溶胀 图。
[0052]图17是本发明实施例提供的添加了不同质量分数的羧基碳纳米管（1 %、2%和 5% )之后的聚合物凝胶在不同pH下溶胀比图。
[0053] 图18是本发明实施例提供的添加了不同质量分数的羧基碳纳米管之后的聚合物 凝胶在不同pH下溶胀比的柱状图；
[0054] 图中：（a)l%;(b)2%;(c)5%。
[0055] 图19是本发明实施例提供的添加了不同质量分数带有羧基的碳纳米管（1%、2% 和5% )之后的聚合物凝胶在不同温度下溶胀比图。
[0056] 图20是本发明实施例提供的PNIPAM/CMCS/MWCNTs-COOH水凝胶的平衡溶胀率 (ESR)随温度和pH值(A)以及相转变温度随pH值(B)的变化曲线：（a)MWCNTs-COOH含量： 2wt % ;PNIPAM与CMCS质量比：90:10; (b)MWCNTs-COOH含量：5wt % ;PNIPAM与CMCS质量比：90 :10; (c)MWCNTs-COOH含量:5wt % ;PNIPAM与CMCS质量比：80:20。
[0057]图21是本发明实施例提供的盐酸阿霉素的紫外扫描谱图。
[0058]图22是本发明实施例提供的盐酸阿霉素标准曲线图。
[0059]图23(A)是本发明实施例提供的不同含量的羧基碳纳米管制备的PNIPAM/CMCS/ CNTs-COOH水凝胶在37 °C和38 °C的缓冲溶液中的药物释放曲线。图23 (B)是对本发明实施 例图22提供的三种不同含量羧基碳纳米管PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH水凝胶在37°C和38°C下 的缓冲溶液中的动力学数据进行曲线模拟得到的线性回归曲线。
[0060] 图24是本发明实施例提供的在37 °C及pH为3.0，6.8和7.4的PBS溶液中，D0X从含有 MWCNTs-COOH质量含量5wt%的D0X@PNIPAM/CMCS/CNTs-C00H水凝胶药物胶囊中的释放动力 学曲线(A)及曲线模拟得到的线性回归曲线(B)。
[0061] 图25是本发明实施例提供的半互穿网络纳米杂合水凝胶的制备示意图。
【具体实施方式】
[0062]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0063] 本发明将壳聚糖进行修饰，制备成水溶性的羧甲基壳聚糖，再与经过纯化的N-异 丙基丙烯酰胺以及经过处理的碳纳米管进行交联，制备了一系列不同纳米管含量的水凝 胶，同时考察了水凝胶随着时间变化的吸水溶胀规律；以期制备具有温敏性及pH响应行为 且适于药物载体的性能良好的水凝胶。
[0064] 下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
[0065] 本发明实施例的聚N-异丙基丙烯酰胺/羧甲基壳聚糖/碳纳米管水凝胶具体包括： N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM)1.8g、2%过硫酸钾（KPS)0.04g、5%N，N-亚甲基双丙烯酰胺 (813)0.18、〇1壳聚糖(〇3)0.28(9:1)、碳纳米管(〇犯^)0.1(^。
[0066] 如图1所示，本发明实施例的聚N-异丙基丙烯酰胺/羧甲基壳聚糖/碳纳米管水凝 胶的制备方法包括以下步骤：
[0067] S101:称取占 NIPAM和CMCS总质量1%~10%的未功能化多壁碳纳米管(MWCNTs)或 羧基功能化的多壁碳纳米管MWCNTs-COOH)，将其分散在10ml去离子水中超声分散1 .Oh;
[0068] S102:称取1.8g N-异丙基丙烯酰胺溶解在一定量的去离子水中，待到全部溶解之 后，加入0.2g羧甲基壳聚糖，待两者完全溶解之后，将混合溶液与上述碳纳米管或羧基碳纳 米管分散液合并；搅拌20分钟之后加入一定量的N，N-亚甲基双丙烯酰胺及40μ1 N，N，N\ 四亚甲基乙二胺，持续搅拌；
[0069] S103:待到完全溶解后将过硫酸钾加入到反应混合物中，氮气鼓泡20分钟以除去 溶解的氧，60°C下快速搅拌2小时，得到有弹性的水凝胶;将反应之后的交联产物用水冲洗 并切成厚度4毫米的小块状，随后用去离子水浸泡7天，去除未反应的单体和交联剂;将合成 的水凝胶经冷冻干燥机_50°C冷冻干燥24小时至恒重。
[0070]半互穿网络纳米杂合水凝胶的制备示意图如图25:
[0071 ]下面结合实验对本发明的应用原理作进一步的说明。
[0072] 1.2实验部分
[0073] 1.2.1 试剂
[0074]表1实验中所用的试剂和药品
[0075]
[0076] 1.2.2制备方法
[0077]羧甲基壳聚糖的制备，具体的方法如下：纯的壳聚糖10g加入到50mL的NaOH溶液 中，在20摄氏度下过夜碱化。之后将过量的碱溶液除去，将碱化后的甲壳素加入到一个 250mL的反应瓶中，将10g的氯乙酸溶解在40mL的异丙醇中，然后逐滴加入到反应瓶中。接下 来在60摄氏度，剧烈搅拌下回流4小时，抽滤之后，用乙醇调成中性，再用丙酮清洗3次，在35 摄氏度下干燥至恒重。
[0078] 聚(N-异丙基丙烯酰胺)/羧甲基壳聚糖/碳纳米管水凝胶的制备。具体方法如下： 称取一定量的未功能化多壁碳纳米管或羧基功能化的多壁碳纳米管，将其在去离子水中超 声分散1.〇h。接着，称取1.8g N-异丙基丙烯酰胺溶解在一定量的去离子水中，待到全部溶 解之后，加入一定量的羧甲基壳聚糖，待两者完全溶解之后，将混合溶液与上述碳纳米管或 羧基碳纳米管分散液合并；搅拌20分钟之后加入一定量的N，N-亚甲基双丙烯酰胺及40μ1 Ν，Ν，Υ，Υ-四亚甲基乙二胺，持续搅拌；
[0079] 待到完全溶解后将过硫酸钾加入到反应混合物中，氮气鼓泡20分钟以除去溶解的 氧，60°C下快速搅拌2小时。将反应之后的交联产物用水冲洗并切成厚度4毫米的小块状，随 后用去离子水浸泡7天，去除未反应的单体和交联剂;将合成的水凝胶经冷冻干燥机-50°C 冷冻干燥24小时至恒重。
[0080] 本发明对于工业级碳纳米管的添加量最大选取到10%，原因是当碳纳米管含量加 入量过大时，水凝胶的成型结果不理想。而对于带有羧基的碳纳米管当添加量5%以上时凝 胶的温度、pH值响应性都有所下降，并且当达到10%之后的成型效果也不理想，因此本发明 的水凝胶选取下表中的配方比例来进行制备：
[0081] 表2三种凝胶的合成配方
[0082]
[0084]注:去离子水20mL，表格中单位均为克(g)。
[0085]表3三种不同比例凝胶的合成配方 [0086]
[0087]注:去离子水20mL，表格中单位均为克(g)。
[0088] 1.2.3水凝胶的表征与测定
[0089]傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR，德国布鲁克，Tensor27)分别对所制备的水凝胶的 结构进行表征分析，使用高温干燥过的溴化钾进行压片法测定水凝胶在4000-400(^-1波长 范围内的光谱。
[0090] 热分析系统（TG，美国TA，Q1000DSC+LNCS+FACS Q600SDT)研究样品的失重情况以 及物理化学变化，测试温度范围为:室温~600°C，温度精度为+/-0.05°C，温度准确度为+/-0.1°C，测试条件为氮气环境，氮气流动速率为40mL/min，加热速率为10°C .mirT1。
[0091] 扫描电镜（SEM，FEI，Quanta 200)对水凝胶进行表面形貌、断面形貌进行观测，其 操作电压为20kV。将需测试的样品切成小块后，平铺在导电胶上，进行测试。
[0092] 1.3结果讨论
[0093] 1 · 3 · 1 PNIPAM/CMCS/CNTs 水凝胶的红外表征
[0094] 如图2所示，PNIPAM/CMCS/CNTs水凝胶以及N-异丙基丙烯酰胺、碳纳米管和各步聚 合产物的红外谱图，a图中单体聚N-异丙基丙稀酰胺在16580^ 1处的特征吸收峰证明-C = 0 的存在，在1545CHT1处的吸收峰是-NH-的弯曲振动形成的，在3444CHT1处的吸收峰是-NH-的 伸缩振动形成的。以上所有说明PNIPAM的存在。b图和c图中PNIPAM/CMCS水凝胶和PNIPAM/ CMCS/CNTs水凝胶在3307cm-1与3539cm-1附近为-NH-和-OH的伸缩振动峰，1658cm- 1属于-C = 〇的伸缩振动峰，而1545CHT1与1332CHT1处分别为酰胺Π 带-NH-的面内弯曲振动峰和C-N的 伸缩振动峰;2973CHT1附近为甲基及次甲基的-C-H伸缩振动峰，1461CHT 1处为-C-H的不对称 弯曲振动峰，而1384CHT1和1369cnf1处为典型的-CH( CH3) 2中双甲基的对称振动耦合分裂峰， 足以证明-CH(CH3)2的存在。图d中碳纳米管在1580cm-= 伸缩振动峰，990-680011+1为烯 烃的指纹区，1153CHT1处的振动峰是碳纳米管管壁的振动峰，它说明在碳纳米管是具有石墨 结构的，而3458CHT 1处的峰是属于羟基的振动峰，这些羟基极可能是在原来购买的碳纳米管 在制备的过程中引入的。以上特征吸收峰说明初步合成了PNIPAM/CMCS/CNTs水凝胶。
[0095] 1.3.2 PNIPAM/CMCS/CNTs聚合物凝胶的热分析数据
[0096]如图3所示，a样品为碳纳米管的热分析图，从图中可以看出碳纳米管很稳定，到 600°C时碳纳米管仍然有约95%的残余;b样品在最开始已经有质量损失，到130°C的损失是 由水、溶剂或者是聚合物表面的小分子的消去引起的，170~310°C可能损失的是一部分结 合水，而320°C之后为聚合物分子结构中的支链或者是一些在侧位的官能团的分解以及 PNIPAM/CMCS骨架或其中的各组分的C-C键的断裂分解反应，直至最后全部分解完全;c样品 50~130°C的质量损失是由于水凝胶在制备的干燥的过程中吸收了空气中的水分进而气化 挥发掉以及结晶水的消失而产生的。170~340 °C有一个平稳期，可能有极少量结合水的损 失，而350°C之后开始可能涉及聚合物接枝链或侧基的断裂或分解以及PNIPAM/CMCS骨架 或其中的各组分的C-C键的断裂分解反应，并且由于c样品是加有碳纳米管的水凝胶，
[0097] 所以有约3.7 %的残余。从以上数据可以看出初步制备了PNIPAM/CMCS和PNIAPM/ CMCS/CNTs 水凝胶。
[0098] 1 · 3 · 3 PNIPAM/CMCS/CNTs聚合物凝胶的扫描数据
[0099] 如图4所示a图是纯的聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶的扫描图，结果显示水凝胶具有 三维网络结构，其大体上呈现规整的多孔构型.；b图是添加了羧甲基壳聚糖之后的水凝胶 扫描图，在添加了羧甲基壳聚糖之后水凝胶的三维结构仍然是多孔的网状结构;c图是纯的 碳纳米管的扫描电子显微镜的图，图中显示其具有一种随机分布、缠绕分散的状态;d图是 添加了碳纳米管之后的水凝胶，可以看出碳纳米管的加入对凝胶的形貌有较大影响，凝胶 网络中接枝密度增加，凝胶网孔相对来说变小，但仍然保持着三维网状多孔结构。
[0100] 1.3.4 PNIPAM/CMCS/CNTs聚合物凝胶在室温下的溶胀性研究
[0101 ] 1.3.4.1三种不同聚合物水凝胶在室温下的溶胀度
[0102]如图5所示，a样品是聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶在室温下的溶胀率随时间的改变 情况，结果显示随着时间的变化凝胶急速吸水，溶胀比迅速增大，7个小时以后溶胀基本达 到平衡，已达到最大溶胀比；b样品是在添加了羧甲基壳聚糖(wt%，PNIPAM:CMCS = 9:l)以 后的溶胀图，结果表明在添加了羧甲基壳聚糖以后，凝胶也是快速吸水，体积和溶胀性增 大，但几小时后就达到了平衡;c样品是在添加了0. lg(CNTs Content 5wt% )纳米管之后的 凝胶吸水溶胀图，可以看出在溶胀刚开始时，凝胶也会吸水，之后达到平衡。虽然羧甲基壳 聚糖和碳纳米管的添加使得凝胶的吸水溶胀度降低，但是这使得凝胶具有了 pH值响应性以 及提高了凝胶的载药释放能力，使得其在药物释放等应用中有其独特的前景。
[0103] 1.3.4.2碳纳米管含量对水凝胶溶胀性的影响
[0104] 如图6所示，碳纳米管(CNTs)质量分数不同的聚合物水凝胶在室温下的最大溶胀 率，结果显示随着添加碳纳米管(CNTs)质量分数的增加，溶胀率呈现出先增加后减少的趋 势。在添加到5 %时达到最大溶胀率，这可能是由于纳米管添加到一定含量之后，其吸水性 能就会下降，所以初步说明质量分数5%的碳纳米管可能是较佳的选择。
[0105] 1 · 3 · 5 PNIPAM/CMCS/CNTs聚合物凝胶的pH依赖行为
[0106] 用NIPAM所制备的水凝胶具有温度响应性，为了制备既具有温度敏感性又具有pH 敏感性的水凝胶，在本工作中引入羧甲基壳聚糖作为pH敏感单元。图7为添加了不同比例的 羧甲基壳聚糖后制备的水凝胶在室温下，随着pH值的改变溶胀率的改变。从图7可以明显的 看到，经过改性的羧甲基壳聚糖中，带有羧基和一部分氨基，在酸性溶液中，氨基会发生质 子化，从而增加了其水溶性，溶胀率增大;在碱性溶液中，羧基会发生电离，形成羧酸盐，增 加了其水溶性，进而溶胀率增大。在PH7.4的溶液下，水凝胶具有最低的溶胀率。这说明所合 成的PNIAPM/CMCS水凝胶具有良好的pH值响应性，并且羧甲基壳聚糖含量的虽然不同，但是 转变点位置不变。当CMCS含量降低到一定值之后，水凝胶的pH值响应性变得不再明显，可能 与水凝胶中CMCS低的含量所带的两性基团含量减少有关。从图7中可以进一步看出，随N-异 丙基丙烯酰胺的含量增加，水凝胶的溶胀性增加。因此，在同时考虑溶胀性和pH响应性的前 提下，NIPAM: CMCS质量比为90:10的凝胶可能是较佳的选择。
[0107] 为了进一步确定NIPAM与CMCS的最优配比，进行了如下分析：
[0108] 如图8所示，从柱状图中可以明显看出：PNIPAM/CMCS水凝胶在酸性溶液(pH= 3.0) 和中性条件下(pH=7.4)中聚N-异丙基丙烯酰胺与羧基壳聚糖质量之比为97:3的水凝胶的 最大溶胀比明显高于其他几种比例的水凝胶。这可能是由于羧甲基壳聚糖质量越少，对凝 胶的三维网状结构的影响越少，使得在酸性和中性条件下羧甲基壳聚糖添加量越少，溶胀 性越强;在碱性溶液(pH= 10.8)中，聚N-异丙基丙烯酰胺与羧甲基壳聚糖质量之比为97:3 的水凝胶的最大溶胀比仍然明显高于其他几种比例的水凝胶，甚至高于其自身在酸性和中 性溶液中的最大溶胀比。并且也可以看出，当羧甲基壳聚糖减少到一定比例之后，水凝胶虽 然仍然具有pH值响应性，但是其响应性明显减小。
[0109] 因此结论为所制备的PNIPAM/CMCS水凝胶具有pH值响应性，并且从pH响应性的结 果中，可以得出90:10的比例是较好的聚N-异丙基丙烯酰胺与羧甲基壳聚糖质量比例的结 论。
[0110] 如图9所示，是添加了不同质量分数碳纳米管（1 %、2 %、5 %、7 %、10%)制备的 PNIPAM/CMC/CNTs水凝胶在室温下，随着pH值的改变，溶胀率的改变。可以看出几种水凝胶 均具有明显的pH值响应性。说明在添加碳纳米管之后，对水凝胶本身的pH响应性没有受到 影响。为了更明显直观的分析pH响应性，绘制了图10。
[0111] 如图10所示，从图中可以看出：所制备的水凝胶具有明显的pH值响应性，并且随着 碳纳米管含量的增加，PNIPAM/CMCS/CNTs水凝胶的最大溶胀率先增大，在碳纳米管含量为 5 %时达到最大，之后减小。因此初步可以判断碳纳米管含量5 %的PNIPAM/CMCS/CNTs水凝 胶在不同pH值下的最大溶胀率要高于其他几种比例的水凝胶。
[0112] 1.3.6 PNIPAM/CMCS/CNTs聚合物凝胶的温度响应性
[0113] 基于上述pH响应性的测定结果，选取三种比例壳聚糖制备的水凝胶进行温度响应 性测定，如图11所示。从图11可以看出：聚N-异丙基丙烯酰胺-羧甲基壳聚糖水凝胶具有明 显的温敏性，在低温是表现出快速吸水，保持水的能力也较强；随着温度的升高，在体积相 转变温度32°C左右，凝胶出现急剧的相转变，开始失水，表现出具有退溶胀的行为，体积变 小;再随着温度的继续升高，凝胶不再失水，体积也保持不变。这主要是由于N-异丙基丙烯 酰胺具有温度相应性，使得以此为原料制得的水凝胶也表现出明显的温敏性。从图11中还 可以看出，随着羧甲基壳聚糖含量的增加，水凝胶的溶胀性能逐渐减小。这与低含量NIPAM 水凝胶中更少的交联网络有关。
[0114]从上述pH的测定结果中，选取三种添加不同质量分数工业碳纳米管制备的水凝胶 进行温度响应性测定，如图12所示。从图12可以看出：PNIPAM/CMCS/CNTs水凝胶表现出明 显的温度响应性，总体趋势是在低温时凝胶的溶胀率大，吸水性能强;在32°C左右时达到相 转变温度时，凝胶的吸水性能下降，凝胶大量失水体积变小，发生相转变;在37°C之后，失水 率达到最大，体积达到最小直至不再变化。并且从图中可以看出碳纳米管含量5 %的 PNIPAM/CMCS/CNTs水凝胶在不同温度下的最大溶胀率要高于其他的配比。
[0115] 1 · 3 · 7 PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH聚合物凝胶的红外表征
[0116] 如下图 13 所示，分别对 MWCNT-⑶ CMCS/CNTs-COOH水凝胶进行了红外表征。从图中的特征峰可以看出，在3285CHT1与3513CHT 1 附近为-NH-和-OH的伸缩振动峰，在1660cnf1属于-C = 0的伸缩振动峰，而1546cnf1处为酰胺 Π 带-NH-的面内弯曲振动峰;2973CHT1附近为甲基及次甲基的-C-H伸缩振动峰，1460CHT1处 为-C-H的不对称弯曲振动峰，而1369cnf 1处为-CH3甲基的振动峰，足以证明-CH(CH3) 2的存 在，1170cm-1处为羧基的-C-0伸缩振动峰。对于b图中在3318cm- 1处为羧基碳纳米管上-OH的 伸缩振动峰，1696CHT1处为-C = 0的伸缩振动峰，1168CHT1处为碳纳米管管壁的振动峰，以上 特征吸收峰初步说明PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH水凝胶已经生成。
[0117] 1 · 3 · 8 PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH聚合物凝胶的热分析数据
[0118] 如图14所示，a、b样品是纯的MWCNTs-COOH和PNIPAM/CMCS水凝胶的热分析数据图。 从图中可以看出，a样品MWCNTs-C00H比较稳定，600 °C有约91 %的剩余;b样品PNIPAM/CMCS 在600 °C时几乎全部分解。c、d、e样品是添加不同比例MWCNTs-⑶0H制备的PNIPAM/CMCS/ CNTs-C00H水凝胶：（c)l%;(d)2%;(e)5%。三种水凝胶的热分析图整体趋势相同，均在一 开始就有质量损失，50~150°C的质量损失是由于水凝胶在制备的干燥的过程中吸收了空 气中的水分进而气化挥发掉以及结晶水的消失而产生的。170~350 °C有一个平稳期，可能 有极少量结合水的损失，而350°C之后开始可能涉及聚合物接枝链或侧基的断裂或分解以 及PNIPAM/CMCS骨架或其中的各组分的C-C键的断裂分解反应，直至最后c样品几乎全部分 解完全，d样品略有剩余，e样品剩余约为10%。说明MWCNTs-COOH含量为5%时稳定性略好于 1 %、2 %。从以上所有可以看出初步合成PNIAPM/CMCS/CNTs-COOH水凝胶。
[0119] 1 · 3 · 9 PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH聚合物凝胶的扫描数据
[0120] 如图15所示，添加了不同质量分数的羧基碳纳米管与纯的聚N-异丙基丙烯酰胺水 凝胶的扫描图。从图中可以看出，没有添加任何其他物质的纯的PNIPAM水凝胶的三维网状 结构疏松，孔径不完整，具有多孔结构。随着添加的羧基碳纳米管含量的增加，凝胶的三维 网状多孔结构更加完整，凝胶网络中接枝密度增加。制备的PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH水凝胶 随MWCNTs-COOH含量提高微孔密度下降、微孔尺寸提高。
[0121] 1.3.10 PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH聚合物凝胶在室温下的溶胀行为
[0122] 如图16所示，添加了不同比例的羧基碳纳米管的PNIPAM/CMCS/CNTs-⑶0H水凝胶 在室温下随时间变化的溶胀曲线。首先，从图中可以看出，3种水凝胶的总体趋势都是随着 时间的变化，其吸水量不断增加，体积不断变大，溶胀比也逐渐增大，大约在6小时左右达到 平衡，体积不再变化，凝胶不再吸水，此时溶胀比达到最大值;其次，从图中可以知道，随着 羧基纳米管含量的增加，水凝胶的溶胀比逐渐增大，与前面所研究的随着碳纳米管(CNTs) 质量分数的增加，溶胀率呈现增加的趋势相同。
[0123] 1 · 3 · 11 PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH 聚合物凝胶的 pH 依赖行为
[0124] 如图17所示，室温下，为添加了不同质量分数（1 %、2%、5%)羧基碳纳米管的 PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH水凝胶的随pH变化的溶胀比。可以看出几种水凝胶具有明显的pH 值响应性。说明在添加碳纳米管之后，对水凝胶本身的pH响应性没有产生影响。
[0125] 为了更明显直观的分析pH响应性，绘制了图18:
[0126] 如图18所示，在酸性条件下即pH = 3.0时，随着碳纳米管含量的增加，PNIPAM/ CMCS/CNTs-COOH水凝胶的最大溶胀率逐渐增加，羧基碳纳米管含量在5%达到最大溶胀 率，约为9.21;在中性条件下即pH= 7.4时，随着碳纳米管含量的增加，PNIPAM/CMCS/CNTs-C00H水凝胶的最大溶胀率逐渐增加，羧基碳纳米管含量在5 %达到最大溶胀率，约为6.03; 在碱性条件下即pH= 10.8时，随着碳纳米管含量的增加，PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH水凝胶的 最大溶胀率逐渐增加，羧基碳纳米管含量在5 %达到最大溶胀率，约为8.67。并且PNIPAM/ CMC/CNTs-C00H水凝胶表现出明显的pH值响应性。
[0127] 1.3.12 PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH聚合物凝胶的温度敏感性
[0128] 如图19所示，添加不同质量分数的羧基碳纳米管制得的PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH 水凝胶随温度变化的溶胀比。从图中可以看出，PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH水凝胶表现出明显 的温度响应性，总体趋势是在低温时凝胶的溶胀率大，吸水性能强;在32°C左右时达到相转 变温度，发生吸水率下降，凝胶大量失水体积变小，发生相转变;在37 °C之后，失水率达到最 大，体积达到最小直至不再变化。并且从图中可以看出随着羧基碳纳米管的添加量的增加， 水凝胶的溶胀行为发生规律性的变化，即溶胀比逐渐增大。
[0129] 本发明分别用工业级纳米管和带有羧基的碳纳米管，制备了 PNIAPM/CMCS/CNTs与 PNIAPM/CMCS/CNTs-⑶0H水凝胶，其结构经过FT-IR，SEM和TA进行了验证，各项测量结果均 符合预期结构。对所合成的两种聚合物凝胶的溶胀性能、pH敏感响应性、温度敏感响应性进 行了研究，两种水凝胶都随着时间的增加，溶胀性呈现增加的趋势，并最后达到平衡，随着 纳米管含量的增加，样品的溶胀性会呈现先增加后减少的趋势，碳纳米管添加量5%时会达 到最大溶胀比。添加了羧基碳纳米管的水凝胶其溶胀曲线和最大溶胀比要略高于使用工业 碳纳米管制备的水凝胶，这可能与羧基的添加增大了其凝胶的亲水性有关;两种水凝胶都 表现出明显的pH值响应性，并且添加羧基的碳纳米管的凝胶在酸性、中性和碱性溶液中的 最大溶胀比，要明显好于使用工业纳米管制备的凝胶，在不同pH值的溶液中规律性也更加 明显，这可能是由于羧基对不同pH值溶液变化更加敏感有关;两种水凝胶都表现出明显的 温度响应性，随着温度的升高，呈现规律性变化，并且均在32°C左右发生相转变，两者的差 异性不是特别明显。这可能是由于两者都是用了具有温度敏感性的N-异丙基丙烯酰胺有 关。总之，添加羧基碳纳米管制备的PNIAPM/CMCS/CNTs-COOH水凝胶总体性能要优于无任何 基团的碳纳米管所制备的水凝胶。
[0130] 本发明水凝胶的热敏相转变温度依赖于环境pH值，如图20所示。随着pH变化，添加 5wt %MWCNTs_C00H 及 PNIAPM/CMCS 质量比为 90:10 的 PNIPAM/CMCS/MWCNTs-COOH 水凝胶的热 敏相转变温度从约36度移向39°C。特别是在pH<6.8的酸性肿瘤和胃中，或在pH>7.4的碱 性肠道中，高于37°C的相转变温度有利于可控持续的药物释放。水凝胶的热敏相转变温度 也取决于体系组成。随着CMCS含量提高，在pH = 4.8到6.8之间，热敏相转变温度轻微提高； pH<4.8时，静电排斥使热敏相转变温度提高;pH> 6.8时，-⑶0-的离子效应导致水凝胶在 高温下收缩。因此，相转变温度随着CMCS含量提高而提高。而降低MWCNTs-COOH含量，相转变 温度在pH> 6.8时降低;pH< 6.8时提高。因此，本发明水凝胶表现出pH调制的热敏性能。通 过将PNIPAM网络、CMCS和丽CNTs或丽CNTs-⑶0H加以组合，并调制体系组成和它们的比例， 就可以设计开发出一种具有希望的温度敏感性及溶胀能力的新颖水凝胶。
[0131] 下面结合PNIPAM/CMCS/CNTs水凝胶对盐酸阿霉素的药物释放行为作新的说明
[0132] 2.2实验部分
[0133] 2.2.1实验原材料、试剂及其处理
[0134] 2.2.1.1盐酸阿霉素(D0X)对照品储存液的制备及最大吸收峰的测定
[0135] 精确称取盐酸阿霉素（98%，阿拉丁试剂有限公司）5mg，置于10mL的容量瓶中定 容，制的500ug/ml的对照品储存液。用紫外分光光度计，测试D0X对照品储存液，测得盐酸阿 霉素在200-800nm波长范围内有明显的紫外吸收，取最大吸收峰480nm作为特征吸收波长， 图21。
[0136] 2.2.1.2标准曲线的绘制
[0137] 用微量进样器分别精确移取D0X对照品储备液2、5、10、15、25uL容量瓶中，分别稀 释至刻度。配制0.02、0.05、0.10、0.15、0.25耶/1111浓度的盐酸阿霉素，在?!17.4的缓冲溶液 中。采用紫外分光光度计在480nm处测定吸光度Abs，以溶液的浓度c对吸光度A作图，得到盐 酸阿霉素的标准工作曲线，图22。每隔一段时间取释放介质，测定取出样在480nm处的吸光 度，用浓度校正法定量计算盐酸阿霉素溶液的浓度。其校正方程方程为:Abs=Kl · C+K0。
[0138] 2.2.1.3包载盐酸阿霉素的过程
[0139] 分别选取PNIPAM水凝胶、PNIPAM/CMCS水凝胶(PNIPAM:CMCS为9:1)、使用不同含量 MWCNTs-COOH制备的PNIPAM/CMCS/CNTs-⑶0H水凝胶，各20mg左右的干凝胶块，置于2mg/mL 的盐酸阿霉素的水溶液中，室温下浸泡3天。将已吸附盐酸阿霉素的凝胶块在真空状态下干 燥至衡重，最后得到含有盐酸阿霉素的干凝胶块。载药凝胶的包封率(LC)和药物负载效率 (EE)的计算公式如下所示：
[0140] 包封率(wt% )=(水凝胶中所包附的药物质量/起始加入的共聚物质量）X 100% 公式(3_1)
[0141] 药物负载效率(wt% )=(水凝胶中所包附的药物质量/起始加入的药物质量）X 100% 公式(3-2)
[0142] 2.2.1.4药物释放过程
[0143] 紫外分析:采用紫外-可见分光光度计(U-3900/3900H，Titachi Corp.，Japan)定 量测量一定间隔药物释放的浓度。
[0144] 体外药物释放是通过模拟人体生理环境条件(不同温度下pH = 7.4的介质溶液中） 进行研究的。具体过程为:称取一定量含有盐酸阿霉素的干凝胶，置于37°C和38°C的100mL 的pH=7.4的缓冲溶液作为释放环境，100次/min的恒温震荡器中。每隔一段时间取4mL释放 溶液，同时加入4mL的新鲜的pH = 7.4的缓冲溶液以保持体积不变。以没有载药的水凝胶作 为空白对照，在同样的时间间隔取样。用紫外分光光度计在最大吸收峰480nm处的吸光度来 定量样品浓度，空白样品用来扣除降解产物对于紫外测试的影响。
[0145] 药物的累积释放量通过下面关系式来计算：
[0146] 药物积累释放量％=1*/%\100 公式(3-3)
[0147] 式中Mt代表在t时刻从水凝胶中释放出来的药物量，Mo为聚合物水凝胶的载药量， 是通过载药后凝胶的总质量减去未包药之前的凝胶的质量得到的。
[0148] 2.3.1水凝胶的包封率和载药量
[0149] 如表4所示，在添加了羧基纳米管之后制备的水凝胶的LC和EE值随着羧基碳纳米 管含量的增加而增加，LC值分别是20.61 %、21.28%和22.02 %，EE值分别是41.21%、 42.57 %和44.05 %，说明添加羧基碳纳米管可以增大其载药量。
[0150] 表4载药凝胶的包封率和载药量
[0151]
[0152] 2.3.2水凝胶的药物释放研究
[0153] 如图23(A)所示，在37°C不同含量的羧基碳纳米管制备的PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH 水凝胶，（1)药物释放量在40%左右；（2)药物释放量在45%左右；（3)药物释放量在50%左 右。在38°C不同含量的羧基碳纳米管制备的PNIPAM/CMC/CNTs-COOH水凝胶，（1)药物释放量 在60%左右；（2)药物释放量在62%左右；（3)药物释放量在82%左右。可以看出随着纳米管 含量的增加，药物的释放量在不断的增大，这可能是由于碳纳米管的添加，会改变凝胶三维 网络结构的孔径大小和密度，进而使得载药量不同，并且也会影响释放过程中药物的释放 量，同时药物的释放过程还有许多其他条件相关。并且从释放曲线中，可以看出，释放的过 程是一个缓慢释放的过程，而对于载药的载体来说是否能够在到达病变部位之前保持药 物不泄露，对致病的效果影响尤其重要。进而可以得出PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH水凝胶可以 包载盐酸阿霉素抗癌药物，并且缓慢释放。
[0154] 如图 23 (A)所示，PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH 水凝胶在 37 °C 和 38 °C 的pH7 · 4 缓冲溶液 中的释放量。对于温度敏感性的水凝胶，在其温度高于LCST时，主要是采取收缩释放模式对 药物进行释放的。38°C是病变癌症部位的温度，而37°C是人体的正常温度。从图中可以看出 所制备的PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH水凝胶能达到缓慢释放的目的，同时在38°C的药物释放 要高于37°C的释放量，这有利于药物的定点给药。
[0155] D0X的释放也依赖于释放介质的pH值。D0X在37 °C及pH为3.0,6.8和7.4的roS溶液 中，从含有MWCNTs-COOH质量含量5wt %的D0X@PNIPAM/CMCS/CNTs-C00H水凝胶药物胶囊中 的释放结果如图24(A)所示。在pH = 3.0和7.4的介质中，水凝胶的相转变温度高于37°C，而 且pH = 3.0时的转变温度高于pH = 7.4时的转变温度；而在pH = 6.8时，相转变温度低于37 °C。因此，水凝胶的收缩随着pH从3.0到7.4,再到6.8而提高，从而使更多的药物释放出来。 相应地，D0X的释放速率随pH从3.0到7.4再到6.8而提高。考虑到人体胃的pH大约为1-3，肠 道中为7.4，肿瘤细胞为5.7-7.2，本发明温度和pH双响应的水凝胶可以提高药物在胃中的 稳定性，避免口服时药物受到胃酸及酶的进攻而破坏，减小药物对胃的毒性效应，有效地提 高药物在肠道中的生物利用度和治疗效率。
[0156] 2.3.3聚合物凝胶的动力学分析
[0157] 为了更好的研究盐酸阿霉素的释放行为，根据上述药物释放数据采用Ritger-Peppas模型模拟D0X的传输机制。
[0158] Mt/M~=ktn 公式（3-4)
[0159] ln(Mt/M〇〇) = ln(k)+n ln(t) 公式(3-5)
[0160] 式中Mt和Μ~分别对应于t时刻的释放量和药物总量，k是一个反应药物释放率的 动力学常数，通过二元回归方程最小二乘法计算得到，η是一个释放机制函数中的指数，当η <0.5时，主要以扩散释放为主，当0.5<η<1时，扩散较为无规则，当η=1时，主要是通过 Fi ckian扩散控制释放，当η = 0.5时，释放过程为零级释放。
[0161] 线性回归模拟结果如图23(B)，24(Β)和表5所示，是不同羧基碳纳米管含量的 PNIPAM/CMCS/MWCNTs-COOH水凝胶的动力学图。由公式3-4和3-5可知，本发明水凝胶药物制 剂样品的η值从0.3808到0.4636，均小于0.5，表明阿霉素在不同配方的聚合物中的释放机 制是基本相同，遵循Ficken扩散定律。而盐酸阿霉素的快速释放与不同温度下载药凝胶具 有较高动力学常数k密切相关。
[0162] 表5带有羧基水凝胶的盐酸阿霉素释放的回归方程和动力学参数
[0163]
[0164] 本发明将用带羧基碳纳米管制备的PNIPM/CMCS/CNTs-COOH水凝胶进行包载盐酸 阿霉素的药物包载试验，并对其在PH7.4的缓冲溶液中，不同温度进行了体外药物释放研究 及其动力学分析，得到如下结论：带有不同含量（1%、2%、5%)的羧基的碳纳米管制备的 PNIPAM/CMCS/CNTs-COOH水凝胶，随着纳米管含量的增加，药物的释放量在不断的增大，在 38°C的药物释放量要明显高于37°C的释放量，并且都能达到缓慢释放的目的。且能做到定 点释放。这可能是由于碳纳米管会改变凝胶三维网络结构的孔径大小和密度，进而使得包 载药量不同，并且也会影响释放过程中药物的释放量，同时药物的释放过程还有许多其他 条件相关。总体的载药量大约在42%左右，并且药物释放量较高。总体的动力学数据表明， 阿霉素在不同配方的聚合物中的释放机制是基本相同，遵循Ficken扩散定律。聚合物水凝 胶在37 °C和38 °C时，η值均小于0.5，表明盐酸阿霉素的释放机制是Fi ckian扩散，而盐酸阿 霉素的快速释放与不同温度下载药凝胶具有较高动力学常数k密切相关。
[0165] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种半互穿网络纳米杂合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述半互穿网络纳米杂 合水凝胶的制备方法为将壳聚糖进行修饰，制备成水溶性的羧甲基壳聚糖;再经N-异丙基 丙烯酰胺、CMCS及碳纳米管的原位自由基交联聚合反应，制备了不同N-异丙基丙烯酰胺、 CMCS及碳纳米管组成比例的半互穿网络纳米杂合水凝胶。2. 如权利要求1所述的半互穿网络纳米杂合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述半互 穿网络纳米杂合水凝胶的制备方法包括以下步骤： 步骤一，称取占 NIPAM和CMCS总质量1 %~10%的未功能化多壁碳纳米管或羧基功能化 的多壁碳纳米管，分散在1 〇ml去离子水中超声分散1. Oh; 称取1.4~1.94g N-异丙基丙烯酰胺溶解在10ml去离子水中，待到全部溶解之后，加入 0.6~0.06g羧甲基壳聚糖，PNIPAM与CMCS质量比：97% :3%，95% :5%，90% :10%，80%: 20%，70 % :30%，待两者完全溶解之后，将混合溶液与上述碳纳米管或羧基碳纳米管分散 液合并;搅拌20~30分钟之后加入占单体N-异丙基丙烯酰胺5wt%的N，N-亚甲基双丙烯酰 胺，40μ1 N，N，Y，Y-四亚甲基乙二胺，持续搅拌； 步骤二，待到完全溶解后，将占 N-异丙基丙烯酰胺质量2wt%的过硫酸钾(KPS)加入到 反应混合物中，氮气鼓泡20分钟以除去溶解的氧，60°C下快速搅拌2小时，得到有弹性的水 凝胶;将反应之后的交联产物用水冲洗并切成厚度4毫米的小块状，随后用去离子水浸泡7 天，去除未反应的单体和交联剂;将合成的水凝胶冷冻干燥机中-50 °C冷冻干燥24小时至恒 重。3. -种如权利要求1所述半互穿网络纳米杂合水凝胶的制备方法制备的半互穿网络纳 米杂合水凝胶，其特征在于，所述半互穿网络纳米杂合水凝胶由质量比为90% :10%的N-异 丙基丙烯酰胺与羧甲基壳聚糖；占 N-异丙基丙烯酰胺与羧甲基壳聚糖总质量5%的未功能 化多壁碳纳米管或羧基功能化的多壁碳纳米管、占 N-异丙基丙烯酰胺5wt%的N，N-亚甲基 双丙烯酰胺，40μ1的Ν，Ν，Ν?-四亚甲基乙二胺、占 N-异丙基丙烯酰胺质量2wt%的过硫酸 钾组成。4. 一种农业种植保水抗旱系统，其特征在于，所述农业种植保水抗旱系统包含权利要 求1和2所述半互穿网络纳米杂合水凝胶的制备方法制备的半互穿网络纳米杂合水凝胶。5. -种工业废液处理系统，其特征在于，所述工业废液处理系统包含权利要求1和2所 述半互穿网络纳米杂合水凝胶的制备方法制备的半互穿网络纳米杂合水凝胶。6. -种细胞组织工程，其特征在于，所述细胞组织工程包含权利要求1和2所述半互穿 网络纳米杂合水凝胶的制备方法制备的半互穿网络纳米杂合水凝胶。7. -种生物医药，其特征在于，所述生物医药包含权利要求1和2所述半互穿网络纳米 杂合水凝胶的制备方法制备的半互穿网络纳米杂合水凝胶。
【文档编号】A61K47/34GK106084278SQ201610247993
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年4月20日 公开号201610247993.1, CN 106084278 A, CN 106084278A, CN 201610247993, CN-A-106084278, CN106084278 A, CN106084278A, CN201610247993, CN201610247993.1
【发明人】罗延龄, 张雪银, 付婧玉, 徐峰
【申请人】陕西师范大学