毕业论文《胶原多肽聚丙烯酸物理水凝胶的合成与表征》

胶原多肽/聚丙烯酸物理水凝胶的合成与表

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目 录

摘 要. .............................................. 1 第一章 绪论 ...................................... 3

1．1水凝胶的基本性质 ..................................... 3 1.1.1胶原多肽水凝胶概述 .................................. 4 1.1.2聚丙烯酸水凝胶概述 .................................. 4 1.2水凝胶的分类 ......................................... 4 1.2.1智能水凝胶 ......................................... 4 1.2.2磁性水凝胶 ......................................... 6 1.2.3聚合物水凝胶 ....................................... 7 1.3水凝胶的应用 ......................................... 7 1.3.1水凝胶在农林业的应用 ................................ 8 1.3.2水凝胶在工业上的应用 ................................ 8 1.3.3水凝胶在组织工程中的应用 ............................ 8 1.4水凝胶的研究和发展趋势 ................................ 9 1.5展望 ................................................. 9

第二章 胶原多肽/聚丙烯酸水凝胶的合成和表征 ...... 10

2.1水凝胶的合成与表征 ................................... 10 2.1.1单体聚合并交联..................................... 10 2.1.2聚合物交联 ........................................ 10

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2.1.3载体的接枝共聚..................................... 11 2.2水凝胶的性质研究..................................... 11 2.2.1溶胀-收缩行为(凝胶状态方程) ........................ 11 2.2.2力学性能 .......................................... 11 2.3水凝胶性质的影响因素 ................................. 12 2.3.1共聚单体的组成..................................... 12 2.3.2交联密度的影响..................................... 12 2.3.3合成条件的影响..................................... 13 2.4胶原多肽水凝胶的合成 ................................. 13 2.4.1实验材料 .......................................... 13 2.4.2合成方法 .......................................... 13 2.5聚丙烯酸水凝胶的合成 ................................. 14 2.5.1试剂 .............................................. 14 2.5.2聚丙烯酸水凝胶的合成原理 ........................... 14 2.5.3聚丙烯酸水凝胶的合成 ............................... 14 2.6聚丙烯酸水凝胶的表征 ................................. 14 2.6.1含水率的测定 ...................................... 14 2.6.2吸水速率 .......................................... 15 2.6.3在不同电解质中的吸液倍率 ........................... 15 2.6.4吸水速率 .......................................... 15 2.6.5保水能力 .......................................... 15

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2.6.6对盐溶液的应答性 ................................... 16 2.6.7接枝率 ............................................ 16 2.6.8性能测试 .......................................... 16 2.7胶原多肽水凝胶的表征 ................................. 16 2.7.1表征测试方法 ...................................... 16 2.7.2实验结果与讨论..................................... 17 2.7.3小结 .............................................. 21

参考文献.............................................21 致 谢...............................................23

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摘 要

本文对胶原多肽∕聚丙烯酸水凝胶的合成与表征进行了综述，水凝胶的吸盐倍率、吸水速率、保水能力等各项性能均较好。凝胶吸液性能是衡量其性能的最主要指标，为了提高吸液倍率，进行了各种不同条件的研究，通过吸水原理与各种合成方法的简介，对其中一种方法进行侧重说明。并且还对水凝胶进行了表征，如在不同温度下的保水性、吸水速率、不同pH下的吸液比较、吸水凝胶对盐水的应答性等，结果表明具有较好的保水性，接枝率较高，吸水速率较快。为了检验所得产物，本文通过傅立叶红外光谱仪分析了其结构。IR分析表明，为一种均一性聚合物，并非简单的加和。水凝胶具有一定的生物降解性，属于环境友好材料。

关键词： 胶原多肽 聚丙烯酸 合成与表征 保水性

ABSTRACT

In this paper, the collagen peptide/polyacrylic acid water of the synthesis and characterization of gel was summarized, the absorption rate of salt water gel, bibulous rate, ability to hold moisture and so on each performance were well. Gel to absorb fluid performance is measured the properties of the most main index, in order to improve the rate of absorb fluid, the various different conditions of the research, through the water absorption principle and the method of synthesis of introduction, to one of the methods that are focusing on. And also to gel to characterize, such as different temperature, bibulous rate, the water under different salt absorb fluid

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comparison, bibulous gel of brine response sex, the result indicates that it has better the ability in swimming, grafting rate is higher, bibulous rate faster. In order to test the products, this article through the Fourier infrared spectrometer, analyzes its structure. IR analysis shows that, for a uniformity polymer, not simple addition and. Water gel has certain biodegradation, belongs to the environment friendly materials.

Keywords: collagen peptide/polyacrylic acid water gel; Synthesis and

characterized; The water

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第一章 绪论

1．1水凝胶的基本性质

水凝胶（Hydrogel）是以水为分散介质的凝胶。具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。

图1-1水凝胶网络示意图

水凝胶有各种分类方法,根据水凝胶网络键合的不同,可分为物理凝胶和化学凝胶。物理凝胶是通过物理作用力如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的,这种凝胶是非永久性的,通过加热凝胶可转变为溶液,所以也被称为假凝胶或热可逆凝胶。许多天然高分子在常温下呈稳定的凝胶态,如k2型角叉菜胶、琼脂[1]等在合成聚合物中,聚乙烯醇(PVA)是一典型的例子,经过冰冻-融化处理,可得到在60℃以下稳定的水凝胶[2]。化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合物,是永久性的,又称为真凝胶。

据水凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝胶两大类。传统的水凝胶对环境的变化如温度或pH等的变化不敏感，而环境敏感的水凝胶是指自身能感知外界环境(如激光、pH、光、电、压力等)微小的变化或刺激，并能产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变的一类高分子凝胶。此类凝胶的突出特点是在对环境的响应过程中其溶胀行为有显著的变化，利用这种

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刺激响应特性可将其用做传感器、控释开关等，这是1985年以来研究者最感兴趣的课题之一。

根据水凝胶大小形状的不同,有宏观凝胶与微观凝胶(微球)之分,根据形状的不同宏观凝胶又可分为柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等,目前合成的微球有微米级及纳米级之分。

根据合成材料的不同,水凝胶又分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。天然的亲水性高分子包括多糖类（淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等）和多肽类（胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等）。合成的亲水高分子包括聚乙烯、醇、丙烯酸及其衍生物类（聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等）。

天然高分子由于具有更好的生物相容性、对环境的敏感性以及丰富的来源、低廉的价格,因而正在引起越来越多学者的重视。但是天然高分子材料稳定性较差,易降解,近几年不少学者开始了天然高分子与合成高分子共混合成水凝胶的研究工作,这将是今后的一大重要课题。

1.1.1胶原多肽水凝胶概述

胶原多肽亦称水解明胶，是胶原或明胶经蛋白酶等降解处理后的多肽混合物，其分子量在500-20000Da之间，蛋白含量达90%以上,水溶性强,粘度低，氨基酸组成与明胶基本相同，人体消化吸收率为100% 。研究表明，胶原多肽具有提高骨骼强度、抗高血压、保护胃粘膜、抗衰老和美容护肤等生理功能，可广泛应用于功能食品、医药、化妆品等领域。目前，胶原多肽的合成方法主要有酸法、碱法、高温热解法和酶法。碱水解使蛋白中含羟基和巯基的氨基酸全被破坏，使氨基酸大多消旋，没有生物价值；酸水解法对设备腐蚀严重，同时高温下使色氨酸彻底破坏；高温热解法的产品含盐量低，但耗时长，产品分子量分布不均且不易控制，不适合生产高品质的胶原多肽。与前三种方法相比，酶法水解反应温和，氨基酸破坏小，安全可靠，易控制，无污染。本文以明胶为原料，采用正交实验方法确定胶原多肽合成的最佳工艺条件，并对胶原多肽结构进行表征，为明胶进一步开发利用提供理论依据。

1.1.2聚丙烯酸水凝胶概述

聚丙烯酸水凝胶为含有大量不能自由移动羧基的立体网状大分子。 当溶液的PH值不同时, 这些羧基的离解浓度不同, 使网络间静电排斥作用不同; 胶内外的离子浓度差不同, 从而因浓差引起的渗透压不同。 由于上述两种原因, 使聚丙烯酸水凝胶在不同pH值溶液中, 呈现不同程度的收缩或溶胀状态。

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1.2水凝胶的分类 1.2.1智能水凝胶

智能型水凝胶是一种可以进行传感、处理并且具有执行功能的高分子材料，作为一种新型的智能材料，在诸多领域有着重要的用途。根据对外界环境条件的刺激表现出不同的响应情况可以分为：温度敏感性的水凝胶高分子材料、对于pH 敏感性的水凝胶高分子材料、对光敏感的水凝胶高分子材料、 对压力敏感的水凝胶高分子材料、对于生物分子敏感的水凝胶高分子材料、对于电场敏感的水凝胶高分子材料等。

1.2.1.1温度敏感性水凝胶

这一类水凝胶高分子材料的溶胀与收缩性，对于温度的 变化具有非常高的敏感度，具体表现为在较低温度下溶胀度较高，在相对较高温度下溶胀度比较低。该凝胶具有最低临界共溶温度(LCST)，即溶胀度的变化和温度的变化并不是线性的，在某一温度下水凝胶的体积表现为突然的收缩和膨胀。聚(N，N’-二甲基丙烯酰胺-共-丙烯酰胺-共-甲基丙烯酸丁酯)与聚丙烯酸的互穿网络凝胶，具有高温下溶胀，低温下收缩的特点。采用不同粒径的硅胶颗粒从而合成的多孔PNIPA水凝胶高分子材料，并且测定了不同的温度下达到溶胀平衡时，水凝胶高分子材料的去溶胀的具体作用机理，以及收缩凝胶的再溶胀作用。实验结果显示出，和无孔凝胶相比，多孔凝胶高分子材料的溶胀性能有了很大的提高，这主要是因为孔结构的存在使得水凝胶高分子材料的响应速率，尤其是溶胀性能速率有了大幅度的提高等 在合成水凝胶过程中，采用BIS作为交联剂，通过两步聚合反应法得到了和传统水凝胶材料相比有更好的溶胀和去溶胀作用的对于温度敏感的冷冻凝胶P(NIPA／AA)。许多科研工作的结果都表明，如果水凝胶的溶胀比随温度的升高而增加，随着温度的降低而降低，则水凝胶表现为热胀性。这种特性对于水凝胶高分子材料在各方面的应用，特别是在药物的可控性释放方面的应用具有非常重要意义。

1.2.1.2pH敏感性水凝胶

水凝胶高分子材料对于pH的敏感性是指其溶胀或消溶胀作用是随着pH值的不同而进行变化。水凝胶高分子材料对于pH的敏感性最早是由Tanaka等在测定丙烯酰胺进行陈化后的溶胀率时首先发现的。pH响应水凝胶高分子材料一般是含有-CO0-、-OPO、-NH、-SO 等阴阳离子基团。pH敏感性水凝胶中含酸、碱性基团，溶胀、收缩、渗透压随pH、离子强度变化，可实现靶向释药。对于pH具有敏感性的甲基丙烯酸共聚物的水凝胶高分子材料进行了研究合成，并且对氢溴酸右美沙芬和维生素在水凝胶中的扩散行为进行了大量研究，结果表明，该水凝

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胶高分子材料可以控制药物在相对较低的pH值下的介质中基本不会进行释放，而在中性或者是碱性的介质中，药物可以以较快的速率进行释放。Shi等一一采用辐照的方法合成了一类不同的壳聚糖／丙烯酸共聚水凝胶高分子材料，该水凝胶在较低的pH值和较高的pH值下都具备良好的溶胀性能，而在pH值不高不低时溶胀性比较低。对pH敏感的聚-乙烯吡啶(PVP)微凝胶粒子，当pH值低于4.5时，吡啶基团质子化，微凝胶网络呈正电性，引起微凝胶网络的扩张，适合于作控制药物的控释载体。

1.2.1.3光敏感性水凝胶

水凝胶高分子材料的光敏感性是指水凝胶在受到光照的刺激下而发生的一种体积相互转变的现象。光敏材料的响应性机理主要有3种：(1)是对于热敏感的材料中的含有特殊感光的分子，能够将光能转化为热能，从而使材料内局部温度发生改变，当凝胶内部的温度达到热敏性材料的相转变温度时，凝胶产生光敏感；(2)是利用光敏感的分子遇到光照分解产生的离子化从而实现光敏感；(3)是在水凝胶高分子材料中加入了发色基团，在光照下，这些发色团的物理化学性质发生了变化，从而导致具有发色团的聚合物链的空间或者几何构型发生变化，从而导致聚合物的性能也发生了变化。Suzuki[3]和Tanak[4]等 在PNIPAAm水凝胶高分子材料中引入叶绿素的分子结构，光照时叶绿素吸收光使水凝胶的微环境温度进行升高，凝胶从而收缩。反之，凝胶发生溶胀。

1.2.1.4压力敏感性凝胶

水凝胶高分子材料的压力敏感性能最早是由Marchet—ti[5]通过理论性计算得出来的，计算结果表明，凝胶在低压下出现塌陷，在高压下出现膨胀。钟兴等研究了压力对聚N-正丙基丙烯酞胺(PNIPA)、聚N，N-二乙基丙烯酞胺(PNDEA)及PNIPAAm这3种温敏性凝胶高分子材料溶胀性的影响，实验结果显示，这3种凝胶的压敏性是其相转变温度随压力改变的结果，对于压力有不同的响应。他们认为3种凝胶能表现出明显的对于压力的敏感性，这主要是因为它们还具有温敏性；同时还由于其相转变温度随压力而有所升高，于是，当温度不发生改变时，如果常压下处于收缩状态下的凝胶是因为压力的增加而使凝胶材料所处温度低于相转变的温度的话，凝胶将会发生大幅度的溶胀。

1.2.2磁性水凝胶

磁性聚合物微球是指通过一定的合成方法使得有机的高分子化合物与无机磁性粒子结合从而形成具有一定的磁性以及特殊结构的复合微球。结构通常有3类：(1)核壳式，即内核为磁性材料，壳为聚合物材料的结构；(2)反核壳式，即内核为聚合物高分子材料，外壳是磁性材料构成的；(3)三明治式，即内层以及外层都为聚合物高分子材料构成，中间的夹层为磁性材料的结构。合成了表面含

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有活性基团的聚苯乙烯的磁性微球结构化合物，并用于固定葡萄糖淀粉酶，从而得到了固定化酶的最佳条件，而且葡萄糖淀粉酶的固定化率达到了7O ，并且固定化后酶活性与未固化效果接近。磁性微球作为给药载体具有很好的特点 ：(1)载有药物的微球被吸附到靶区的附近，使靶区很快达到所需的药物浓度，而使未患病区域的药物布量相应地减少，可以实现有效增加供给药物，降低总的给药剂量；(2)药物绝大部分作用在局部，相对地减少了药物对人体正常组织的损害，特别是降低了对肝、脾、肾等器官等的造血和排泄系统的损害；(3)由于使药物集中于病患区，能够加速产生药效，提高疗效。合成对热敏感的磁性Fes04／P-(St-NI—PAM)微球凝胶化合物，将其用于人的血清白蛋白(HAS)的吸附／解吸的研究，结果表明，该微球具有简便，非常快捷进行分离的磁特性。磁性聚合物微球因为表面不同的表面功能基团，可以具备不同功能，例如在固定化酶、细胞分离与标记、免疫测定、靶向药物释放、环境／食品微生物检测、新型涂料或颜料及有机和生化合成等诸多方面有着重要的作用。

1.2.3聚合物水凝胶

有学者称，聚合物凝胶高分子化合物在外界环境条件，例如温度，PH值等，在这些条件改变时其体积会发生变化，这主要认为是聚合物分子内的离子作用、疏水作用、范德华力、氢键等分子结构作用所至。水凝胶高分子化合物的合成合成方法非常多，根据所用的引发剂不同可以分为化学法以及辐射法。而化学法又分为乳液法、反相乳液法等。辐射法可以分为紫外光和T射线辐射法等。另外，通过辐射提供能量引发单体接枝的方法，也是目前合成聚电解质性的水凝胶高分子化合物的一个主要的方法。JenniferE[6]也用紫外光辐照进行自由基聚合方法合成了聚乙烯基乙二醇甲基丙烯酸的水凝胶高分子化合物。Kimikou[7]通过界面聚合的方法合成的聚L-赖氨酸异丙基丙烯酰胺和对苯二甲酸的对温度敏感的凝胶微胶囊。Chapiro[8]等报道了在辐射的作用下，进行合成孔径相对比大的凝胶高分子化合物。另外在合成凝胶高分子化合物时通过在溶液中添加不同的添加剂从而调节聚合物链之间，以及聚合物链与水分子之间的不同作用力来调节凝胶的孔径大小。Filipcsei[9]等报道了聚二甲基硅氧烷中引入二氧化钛的凝胶高分子化合物，在电场中进行检测时发生弯曲的现象，分析其机理主要是因为电场作用在凝胶内粒子的力转移到凝胶高分子化合物的大分子链上所导致的。

1.3水凝胶的应用

水凝胶在医药领域的应用水凝胶类高分子化合物类似于生命组织的结构，所以它在人体内可以做到不影响生命体的代谢过程，同时体内的代谢物质可以通过水凝胶达到排除体外的目标，因而水凝胶可以作为体内某些组织填充剂。水凝胶还可以用于制造角膜接触镜、医疗传感器、人造皮肤等。高分子水凝胶材料在吸

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水方面有着较好的作用，并且在吸尿、吸血方面也有较好的应用，所以在卫生材料领域内的应用是开发最早，也是最为成熟的。因此纸尿布、排尿袋、生理巾方面有着大量应用等。聚合物水凝胶。目前在某些药物的应用，制造成微胶囊作为药物的载体，可以定向的把药物送至患病处可控的缓释，从而提高药物使用效率。在生物科学领域方面，不同孔径的聚丙烯酰胺凝胶高分子化合物一直被用作某些不同分子量的蛋白质和氨基酸分离的工具。

1.3.1水凝胶在农林业的应用

水凝胶在农业上称为保水剂。水凝胶可以锁住土壤中的水分，保持土壤的肥力。国内外大量实验证明，水凝胶可以提高土壤水分4O 左右。水凝胶在一定程度上可以减少可溶性养分的淋溶损失，与化肥、农药混用可起到增效缓释的作用。目前，专家研究表明，水凝胶可以改善土壤结构，具有降低土壤容重、增加孔隙度、提高土壤团聚体的作用。我国黄土高原造林实验研究所用LSA-2保水剂处理苹果树苗代替传统的泥浆包法，不仅减轻了劳动强度和运输重量，而且树苗成活率也得到提高 。

1.3.2水凝胶在工业上的应用

将水凝胶添加到涂料中，可以赋予涂料假塑性和触变性，使其具有很高的粘度和屈服应力，可以防止涂层的流挂现象。在造纸废液、制革废液、食品加工废液中，水凝胶可以作为一种絮凝剂，对这些废液进行污水处理。水凝胶还可以用为电缆包裹材料、钻井润滑剂、食品、水果、蔬菜等的保鲜型包装材料以及电子工业中使用的湿度传感器、水分测量传感器以及漏水检测器等精细化工产品与仪器等高精密仪器合成过程中。

1.3.3水凝胶在组织工程中的应用

生物体内许多组织具有水凝胶高分子化合物的结构，生物体的组织由细胞和以及细胞外基质组成，而细胞外基质成分是蛋白质，糖分以及水组成的类似水凝胶的物质。目前被人们广泛关注的生物高分子凝胶主要是多肽凝胶。天冬氨酸在射线的辐照下进行交联得到凝胶，检测吸水率可以高达3400倍。诸多科研人员对于利用微生物进行合成的多肽创制凝胶也进行了很多有益的探索工作，这些多肽在生物降解性方面具有很好的性能。

组织工程学是将供体细胞在体外培养、扩增后，种植到可降解的三维空间结构的支架材料上生长，再将此细胞和材料的复合物植入体内或缺损部位，植入的细胞继续增殖并分泌细胞外基质，随着支架材料的降解，新的与所修复组织或器官有着相同形态和功能的组织或器官形成，从而达到修复缺损和重建功能的目的。组织工程学孕育着巨大的科学价值和广阔的研究应用前景，是21世纪生命科学研究领域的焦点之一。用细胞吸附多肽RGDS对PVA水凝胶进行功能化修饰，

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发现有助于增强细胞的吸附和分散。而且可以通过注射的方式得到预期的材料，避免了外科手术植入。用细胞吸附多肽RGDS对PVA水凝胶进行功能化修饰，发现有助于增强细胞的吸附和分散。而且可以通过注射的方式得到预期的材料，避免了外科手术植入。Mann[10]等合成了多肽改性以及用作改善细胞特异性吸附的RGD改性的PEG水凝胶，用作组织工程细胞支架模拟胞外基质，实验发现平滑肌细胞在多肽改性的水凝胶酶解过程中以及在RGD改性的水凝胶中仍然保持细胞活性，并发生迁移、增殖而且分泌胞外基质。池光范等采用胶原-纤维蛋白混合凝胶用作关节软骨细胞支架，在体外生理环境下培养3周后，软骨细胞分泌Ⅱ型胶原，并形成有弹性和一定强度的组织工程人工软骨.

1.4水凝胶的研究和发展趋势

水凝胶材料所具有的优异性能已经而且仍然在不断引起人们的广泛兴趣，使其研究与开发、生产与销售不断的发展与提高。研制和开发性能更为优良的高分子水凝胶高分子材料已经成为目前一个重要的研究热点。对于环境敏感的高分子水凝胶材料在诸多方面有着重要的作用，例如细胞分离、固定化酶、缓控药物及靶向药物等领域的应用研究日益活跃，并且显示出非常好的应用和市场前景。环境敏感性高分子水凝胶材料的重要之处是在于其用于酶等具有生物活性分子进行固定化后，可通过控制条件而实现均相进行反应和异相分离的有效统一，而在药物控制释放领域的研究时则又可以跟不同的场合环境条件进行变化，这将使其在生物活性分子及生物医用高分子方面的研究中具有非常重要的意义。水凝胶力学性能的提高，增加聚合物分子之间的交联是一种提高水凝胶力学性能的重要的方法，主要有化学交联法和物理交联法，但一般的交联会使水凝胶高分子化合物的溶胀性能变的很差，这对水凝胶在实际应用中是非常不利。有研究表明，添加层状硅酸盐到N，N-二乙基丙烯酰胺水凝胶高分子材料中，可以提高水凝胶的溶胀性能。

1.5展望

从近年水凝胶的发展趋势来看，理论性的研究相对比较多，研究人员对其应用前景非常感兴趣，尤其是在生物医药方面的应用。近来研究较热的智能水凝胶的几种敏感性行为更是具有一系列传统材料所没有的突出性能(例如传统材料机械性能比较差，响应速度慢等)，预期将会在分子器件、生物医学等方面将会有更新的突破应用。目前，围绕水凝胶的力学性能的改善、新的种类的研发还需大量艰苦的工作去做。

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第二章 胶原多肽/聚丙烯酸水凝胶的合成和表征

2.1水凝胶的合成与表征 2.1.1 单体聚合并交联

合成水凝胶的单体很多,大致分为中性、酸性、碱性3种,表1列出了部分单体及交联剂

表2-1水凝胶合成中常用的单体和交联剂

中性单体 甲基丙酸羟烷基

酯

丙烯酰胺衍生物

酸性或阴离子型 丙烯酸衍生物

巴豆酸

碱性或阳离子型 甲基丙烯酸胺乙酯衍生物 乙烯基吡啶

交联剂 二甲基丙烯酸乙二醇酯及衍生物 N，N-亚甲基双丙

烯酰胺 - -

2，4-戊二烯醇-1 苯乙烯磺酸钠 - N-乙烯基吡咯烷- -

酮

丙烯酸酯衍生物 - - -

水凝胶可以由一种或多种单体采用电离辐射、紫外照射或化学引发聚合并交在不使用交联剂的情况下通过辐射引发使单体在水溶液中交联合成聚N-异丙基

联而得。一般来说,在形成水凝胶过程中需要加入少量的交联剂。Nogao ka[11]等丙烯酰胺(polyNI-PAAm)水凝胶,这种方法操作简单,交联度可通过改变单体浓度及辐射条件来控制,无任何添加成分,不会污染产品,可以一步完成产品的合成及消毒。与传统方法相比,合成的凝胶更均匀,更有利于其性质的研究及生产更方便。此外,为了特定的应用,可以使用不同种类的单体以使水凝胶具有特殊的物理和化学性质。

2.1.2聚合物交联

从聚合物出发合成水凝胶有物理交联和化学交联两种。物理交联通过物理作

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用力如静电作用、离子相互作用、氢键、链的缠绕等形成。化学交联是在聚合物水溶液中添加交联剂,如在PVA水溶液中加入戊二醛可发生醇醛缩合反应从而使PVA交联成网络聚合物水凝胶。从聚合物出发合成水凝胶的最好方法是辐射交联法,所谓辐射交联是指辐照聚合物使主链线性分子之间通过化学键相连接。许多水溶性聚合物可通过辐射法合成水凝胶

[12]

,如PVA、polyNI-PAAm、聚乙烯基吡咯

烷酮(PVP)、聚丙烯酸(PAAc)、聚丙烯酰胺(PAAm)、聚氧乙烯(PEO)、聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)等。采用辐射法合成水凝胶无须添加引发剂,产物更纯净。

2.1.3载体的接枝共聚

水凝胶的机械强度一般较差, 为了改善水凝胶的机械强度, 可以把水凝胶接枝到具有一定强度的载体上。在载体表面产生自由基是最为有效的合成接枝水凝胶的技术,单体可以共价地连接到载体上。通常在载体表面产生自由基的方法有电离辐射、紫外线照射、等离子体激化原子或化学催化游离基[13]等,其中电离辐射技术是最常采用的产生载体表面自由基的一种技术。

2.2水凝胶的性质研究

2.2.1溶胀-收缩行为(凝胶状态方程)

吸水溶胀是水凝胶的一个重要特征。在溶胀过程中,一方面水溶剂力图渗入高聚物内使其体积膨胀,另一方面由于交联聚合物体积膨胀,导致网络分子链向三维空间伸展,分子网络受到应力产生弹性收缩能而使分子网络收缩。当这两种相反的倾向相互抗衡时,达到了溶胀平衡,可见凝胶的体积之所以溶胀或收缩是由于凝胶内部的溶液与其周围的溶液之间存在着渗透压π。根据Flory凝胶溶胀理论,渗透压π为:

在上式中V0是溶剂的摩尔体积; R和T分别是气体常数和热力学温度;χ是Flory相互作用函数;φ0、φ分别是溶胀前及溶胀平衡时凝胶中高分子的体积分数; Ngel和Nsol分别是凝胶和溶液中离子的总浓度;ν是干凝胶中有效高分子链密度。上式称为水凝胶的状态方程,它表达了π-φ-T的关系。

可见,水凝胶的溶胀特征与溶质、溶剂的性质、温度、压力及凝胶的交联度有关,渗透压π由大分子链-水相互作用π1(第1项) ,大分子网络的橡胶弹性π2(第2项)及聚合物水凝胶内、外离子浓度差π3(第3项)构成。

水凝胶的溶胀-收缩行为通常用凝胶溶胀前后的质量百分比表示,对于膜的溶胀也常用膜面积的变化表示。

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2.7胶原多肽水凝胶的表征 2.7.1表征测试方法

明胶组成的分析 蛋白含量测定参照GB/T5009.5-2003第一法，换算系数为5.79 ；水分测定参照 GB/T5009.3-2003恒重法；灰分测定参照GB/T5009.4-2003的灼烧法。 A 等光点的测定 荧光/黏度法[21]

用荧光光度计比较相同pH时明胶和纯酪氨酸的荧光光谱。仪器参数设置为：激发波长Eb=277nm，发射波长Em=306nm；温度：25℃；所用液池：1cm石英比色皿。同等条件测定不同pH下明胶荧光强度，测定不同pH下浓度为1%（w/v ）的明胶溶液的黏度值，计算公式如下：

η=k*α

式中：η为绝对黏度（mPa·s）；k为系数；α为指针读数。 浊度/分光光度法测定等电点[22]

配制3ml 0.1mol/L pH分别为 4.5、4.7、4.8、4.9、5.0、5.4、5.7、5.8、5.9、6.0、6.3的系列缓冲液，置于不同试管，分别加入1mL 1%（w/v）明胶溶液，摇匀；滴加相同体积的无水乙醇，直至出现浑浊；用分光光度计测定400nm和600nm处的吸光度值。 B 评价指标

水解度测定Ph-stat[19]法；多肽得率计算公式为：

多肽得率（%）= （上清液中多肽含量/样品中的总氮含量）×100% 样品中总氮含量采用微量凯氏定氮法测定，多肽含量测定采用三氯乙酸沉淀C 胶原多肽的傅里叶红外分析

采用溴化钾压片法，取适量干燥样品混合KBr在玛瑙钵中轻轻研磨均匀，在500～4000cm-1之间扫描，分辨率为4cm-1，扫描次数为32次。

2.7.2实验结果与讨论

A 明胶成分分析

明胶成分分析说明本实验所用的明胶达到国家标准A级水平，且蛋白含量高，是胶原多肽的良好来源。

表2-3 明胶成分分析

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含量 国家标准

B 明胶等电点的测定

蛋白质 84.67 -

水分 12.65 ≤14

灰分 1.55 ≤1

黏度荧光分析法 如图2-1所示，明胶和纯酪蛋白的荧光光谱非常一致，在306nm处均有一个荧光峰，最大激发峰为277nm，这是酪氨酸的特征光谱。二者的微小区别在于，对应与激发光谱中的第一激发峰即羰基的K吸收带，明胶的峰强度较低，这是由于羰基参与形成肽键的缘故，说明测定明胶的荧光强度时可以酪氨酸为基准。

图2-1 纯酪氨酸和明胶荧光光谱图

在25℃，Ex=277nm和Em=306nm的条件下，测得不同 pH明胶的荧光强度和黏度值如图2-2 所示。由图可知，pH4.5-4.8范围明胶黏度最低，偏离此范围均有黏度最大值出现；明胶的荧光强度在pH4.5-4.8范围出现极大值，这是因为在等电点处，明胶分子收缩和侧链基团相互作用所引起。分析表明明胶等电点在pH4.5-4.8范围，同时也说明该明胶是以动物皮、骨、腱为原料碱水解方法合成而得。

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图2-2不同pH下明胶溶液的粘度和荧光值

C 浊度分光光度法

由图2-3可知，加入乙醇后明胶在400nm的吸光度较600nm处大，并且在pH4.60处明胶溶液最浑浊，吸光度最大，OD400和OD600分别为0.218和0.103。

图2-3加入乙醇后吸光度与pH的关系

综合分析上述两种方法，确定明胶等电点为pH4.5-4.6。 D 胶原多肽水解条件的确定

由表2-4结果可知，影响多肽得率因素的次序为RA﹥RC﹥RB，最佳条件为

A3B3C1；影响水解度因素的次序为R′C﹥ R′A﹥ R′B，最佳条件为A3B3C3。进行方差分析后可知（方差分析表略），影响多肽得率的显著因素是A(温度），因素B

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和C对两个指标影响均不显著。综合考虑两指标同时提高的原则，确定最佳工艺条件为A3B3C1。为检验正交实验结果，进行了验证实验，测得多肽得率为85.38%，水解度为45.87%。

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表2-4 正交试验结果

E 胶原多肽的傅里叶变换红外光谱分析

图2-8 红外光谱分析可知，3200～3500cm-1之间3246.87cm-1的强吸收归属于酰胺A带的N-H的伸缩振动（氢键）峰；3066cm-1处的弱吸收为酰胺 带的C-N伸缩振动引起的特征吸收峰。一般认为在3080cm-1附近是多肽（-CONH-）的特征吸收，而2962.31cm-1出现的吸收峰恰好说明胶原多肽具有多肽特征.1641.14cm-1的强吸收峰属于酰胺Ⅰ带，是由蛋白多肽骨架的C=O伸缩振动所引起的。1455.24cm-1属于胶原多肽氨基酸残基的侧链基团，应是苯环骨架振动造成的，说明有苯环存在。由于胶原多肽的甘氨酸和特征氨基酸羟脯氨酸和脯氨酸含量高，且形成独特的（Gly-Pro-Hyp）n[20]序列，这使得胶原多肽在1200～1400光谱范围内具有其他蛋白质所没有的红外光谱特征，1244.03cm-1和1338.15cm-1归属于酰胺Ⅲ带，是由C-N伸缩振动和N-H弯曲振动引起的；胶原多肽的特征氨基酸Hyp的特征吸收在1107.38cm-1和847.92cm-1被表征出来，说明胶原多肽具有胶原和蛋白多肽的双重特征。

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图2-4 胶原多肽红外图谱

2.7.3小结

采用荧光粘度法和浊度分光光度法分别测定明胶等电点，最终确定等电点为pH4.5-4.6。利用木瓜蛋白酶水解明胶合成胶原多肽，最适工艺条件为温度60℃，明胶浓度6%,pH7.0的条件下水解明胶6h，多肽得率为85.38%，水解度为45.87%。傅里叶变换红外光谱分析表明，胶原多肽具有胶原和蛋白多肽的双重特征。与明胶相比，胶原多肽具有良好的溶解性，粘度低，耐酸碱和高温性能好，而且可以在肠道直接被吸收，比氨基酸具有更大的吸收量，是生产功能性食品和化妆品添加剂的良好原料来源。

参考文献

[1] Nijenhuis K T. Thermoreversible Networks. Berlin Heidelberg : Springer2verlag ,1997 [2] Mori Y , Tokura H , Yoshikana M.J M aterSci,1997 ,32 :491

[3] Zhai Maolin , Ha Hongfei , Yoshii F ,et al. R adi atPhys Chem,2000 ,57 :459 [4] Vyavahare N R. Poly mer,1992 ,33(3) :593

[5] Kopecek J . J Cont rolledRelease,1992 ,19(1～3) :121

[6] Mann B.K，Gobin A.S，Tsai A.T,et a1．Smooth muscle cell growth in photopolym erized

hydrogels with cell adhesive and proteo1ytica11y degradable do—mains[J].synthetic ECM an alogs for tissue engineering．Bioma terials，22：3045—3051

[7] Kweon I.P，Yoo M.K，Park I.K．A novel degradable polycaprolactone networks for tissue

engineering[J]．Bioma terials，24：801—808

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[8] Kwon G S. J Cont rolledRelease,1992 ,22(27) :83

[9] Soon Hong Yule,Sun Hang Cho,Byung Chunl Shi，et al．A novel semi-interpenetrating

networks system as an absorbent material[J]. Europe Polymer Journal．1996，32(1)：101-104

[10] Hu Zhibing ,Zhang Xiaoming ,Li Yong.Science,1995 ,269 :525

[11] Nagaoka N , Kubota H ,Saf rani A ,et al. M acromolecules,1993 ,26 :7386

[12] 翟茂林. 水凝胶的辐射合成、性质及应用: [博士学位论文] .北京:北京大学,1999 [13] 刘峰,卓仁禧. 高分子通报,1995 ,4 :205

[14] Anset h K S ,Bowman C N , Peppas L B.B iom ateri als,1996 ,17 :1647 [15] Peppas N A ,Merrill E W. J ApplePoly m Sci,1977 ,21 :176 [16] Lustig S R ,Carut hers J M , Peppas N A.Poly mer,1991 ,32 :340 [17] Davis T P , Huglin M B. M acromolecules,1989 ,22 :2824

[18] Cohen Y ,Romon O , Kopelman I J ,et al. J Poly m Sci, PartB,1992 ,30 :1055 [19] Baker J P ,Blanch H W , Prausnitz J M.J Appl Poly m Sci,1994 ,52 :783

[20] 王明波，李玉宝，许凤兰等.纳米羟基磷灰石/聚乙烯醇/明胶复合水凝胶的结构与性能

研究[J].功能材料，2006.9-1

[21] 唐世华，张宁 荧光光度法研究明胶等电点［J］明胶科学与技术，2000，20（6）：69~73. [22] 陆杨 浊度/分光光度法和毛细管等电点聚焦法测定明

胶等电点及其分布的比较研究［J］明胶科学与技术,2006 ,26(1):44~47

致 谢

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感谢我的家人对我大学四年学习的默默支持；感谢我的母校山东轻工业学院给了我在大学四年深造的机会，让我能继续学习和提高；感谢山东轻工业学院的老师和同学们四年来的关心和鼓励。老师们课堂上的激情洋溢，课堂下的谆谆教诲；同学们在学习中的认真热情，生活上的热心主动，所有这些都让我的四年充满了感动。

这次毕业论文设计我得到了很多老师和同学的帮助，其中我的论文指导老师乔从德老师对我的关心和支持尤为重要。乔老师对我的工作给予许多富有启发性的教诲，乔老师对我的学习、生活上的理解和信任，保证了本文顺利圆满的完成。他渊博的知识，求实创新的治学态度，严谨细致的工作作风，勤勉的工作态度以及锐意进取的探索精神给作者留下了深刻的印象，并将使我受益终身。从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。这几个月以来，乔老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀，在此谨向乔老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同时，在朝夕相处的学习生活中，我的同学们给予许多帮助和支持，他们使我感到学习的快乐和友谊的珍贵，愿我们的友谊地久天长！！！

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