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氧化海藻酸钠水凝胶的制备及可控降解

摘要：降解往往是组织工程材料的一个重要性质。作为一种天然衍生的多糖，海藻酸钠因为其良好的生物相容性和形成水凝胶的能力，是一种有性能优越的高分子材料，在应用中往往希望可以使其降解缓慢并且可控。

在本项研究中，以氯化钙为交联剂，制备氧化海藻酸钠水凝胶，并研究其降解行为。在磷酸盐缓冲溶液和羟甲基氨基甲烷-盐酸溶液中研究不同氧化程度的氧化海藻酸钠凝胶的降解行为。通过监测的分子量的变化，绘制降解时间函数，发现降解行为严重依赖于氧化程度及环境介质。这一结果表明氧化海藻酸钠水凝胶的降解率可以通过改变氧化程度得到控制。

关键词：氧化海藻酸钠 水凝胶 降解 溶胀动力学

1、介绍

水凝胶，即三维网络聚合物，在水介质的存在下能够溶胀，在生物医学和制药领域如角膜接触镜片，伤口敷料，药物输送系统，生物传感器和组织工程中的植入装置被广泛应用。生物医学领域内的应用，通常要求水凝胶可以在生理条件下缓慢控制降解。

海藻酸钠，水溶性线性聚合物，可以从棕色藻类中提取，由古洛糖醛酸（G段）及其立体异构体甘露糖醛酸（M段）构成的，这两种结构单元以三种方式（MM段、GG段和MG段）通过alpha;-1,4糖苷键链接，形成一种无支链的线性嵌段共聚物。因其具有形成胶凝的能力，兼具稳定性，能在水溶液中的有较高粘度，海藻酸盐及其衍生物广泛应用于食品、化妆品、医药等行业。由于海藻酸钠在人体内可以通过酶的作用自然分解，因此植入人体的海藻酸钠是可以完全除去的。控制海藻酸钠水凝胶降解的动力学因素有海藻酸钠分子量，化学结构，及共价交联方式等。以游离钙离子为交联剂交联的高分子量海藻酸钠水凝胶的降解是一个不可控制的和不可预测的过程。

此外，大分子量的海藻酸钠往往在肾过滤的阈值以上，从而防止它从体内排出。以前的报道控制海藻酸钠水凝胶降解的方法是通过高碘酸氧化。当藻酸与高碘酸钠接触，碳碳键在顺式二醇酸渣油中裂解。这种方法可以控制不同程度的氧化降解率，随着氧化程度的不断加大，可以不断加快降解速率。然而，由于古洛糖醛酸及甘露糖醛酸上存在残基醛基的存在，海藻酸钠的生物相容性很可能会降低其氧化程度高，

在本项研究中，

我们研究氧化海藻酸钠在形成水凝胶前的聚合物分子链在部分氧化时的氧化反应是否为可控制降解反应，并通过氧化海藻酸钠分子量和降解时间对降解腥味进行评价。使用电子显微镜对氧化海藻酸钠水凝胶内部形态进行观察，并提出了一种新的方法来控制医用海藻酸钠水凝胶的降解

2、实验

2.1 材料

海藻酸钠（2%溶液的粘度为3200兆帕，海阳青岛化工有限公司）、高碘酸钠（上海三普化工厂）、葡萄糖酸内酯（GDL）（江西新黄海医药食品化工有限公司）、三（羟甲基）氨基甲烷（Tris）（国药控股有限公司）。所有药品未进一步纯化。其他试剂均为分析纯，并未进一步纯化。

2.2氧化海藻酸钠的制备

根据以前报告的方法制备了氧化海藻酸钠。海藻酸钠在室温下被高碘酸钠氧化。古罗糖醛酸单元和高碘酸之间的比率为100:10，100:30和100:50。6小时后加入等摩尔量乙二醇终止氧化。所得溶液过滤，用乙醇水溶液洗涤（1:1，V/V），在室温下进行真空干燥。OSA氧化度(DO，%）定义为每100单位古罗糖醛氧化残留的古罗糖醛酸数量，并由吴等人所描述的方法确定。[ 14 ]。

2.3 OSA水凝胶的制备

OSA以一定浓度溶解在蒸馏水中。碳酸钙（碳酸钙）结合GDL，作为钙离子的来源，以启动成胶。CaCO3 与GDL的摩尔比始终保持在0.5，以维持中性PH值[ 15 ]。对所有的OSA水凝胶，将碱性钙离子对羧基的摩尔比为0.18指定为1X，一定量的碳酸钙加入氧化海藻酸钠，混合搅拌1分钟，然后悬浮液中加入GDL并搅拌1分钟以启动成胶。水凝胶在0摄氏度下于培养皿（直径60毫米）中制备，凝胶化48小时。成胶后切成圆片（直径14毫米，厚度4毫米）。水凝胶样品先于室温下干燥，再于25°C下，进一步真空干燥至恒重。在表1中列出了所有水凝胶的组成。

2.4 形态学观察

借助扫描电子显微镜（JSM-5600LV扫描电镜，日本）观察氧化海藻酸钠的内部形态，在加速电压20伏下观测。

2.5 氧化海藻酸钠水凝胶的溶胀动力学

将干燥的凝胶浸入37℃的蒸馏水中。充分溶胀后对样品的重量进行测量，用滤纸去除水凝胶表面多余的溶液。膨胀比按以下公式计算：

式中: Q——吸水率( g/ g) ; W_d——水凝胶干重( g ) ; W_s——溶胀平衡后水凝胶湿重( g) 。

2.6 氧化海藻酸钠水凝胶降解动力学

氧化海藻酸钠水凝胶的降解过程是在锥形瓶中进行的。50毫升锥形瓶内装入pH 7.4的三（羟甲基）氨基甲烷。降解实验是将水凝胶在缓冲区进行孵化，并放置在恒温水浴中，并通过测定样品在预定时间间隔恢复后的重量损失。在预定时间后，将样品取出从溶液中，用蒸馏水彻底洗净，并在室温下干燥。降解进行了评估测量的重量损失（%），这被定义为以下表达：

式中: Q——吸水率( g/ g) ; W_d——降解前重量( g ) ; W_s——降解后水凝胶重量( g) 。

2.8 DSC分析

氧化海藻酸钠水凝胶的玻璃化转变温度（Tg）在蓝宝石DSC测量（珀金–埃尔默公司，威尔顿，CT）在干燥的氮气条件下，扫描速度为15摄氏度/分钟。样品的重量范围在6～10毫克。

3 结果与讨论

3.1 氧化海藻酸钠表征

高碘酸氧化邻二醇在特异性切割多糖形成醛衍生物。每一个顺式二醇组消耗一分子的高碘酸盐。钠和高碘酸钾之比对海藻酸钠的重复单元数不同程度的氧化得到不同程度的氧化的程度。

氧化和分子量是依赖于量的高碘酸钠，如预期表2。随着增加的高碘酸钠用量、氧化程度的增加而分子量降低。分子量表现为显著海藻酸钠解聚。这是众所周知的高碘酸氧化导致解聚的链，即使在黑暗中进行氧化。溶解度OSA是在程度的增大而增大氧化，由于链的灵活性造成的增加解聚。

3.2 形态学观察

图1显示了扫描SA和OSA的水凝胶。SA水凝胶表明层状结构，而10%的OSA和30% OSA水凝胶具有相似结构。然而，50%的OSA水凝胶显示SA结构不同，10%和30%的OSA OSA水凝胶。首先，层合结构的分布相比于OSA水凝胶由于在SA水凝胶均匀分子结构单元的单一。由于氧化高碘酸盐，分子结构的单一性被破坏。因此，OSA凝胶的微观结构变得不规则。其次，10%的OSA的微观结构，30%和50%的OSA OSA水凝胶也明显不同对方。

氧化程度对其有一定的影响微观结构，但交联密度有微观结构的巨大影响。张等。也观察到PNIPAAm水凝胶内部形态通过SEM。他们发现，多孔网络结构PNIPAAm水凝胶是从另一个完全不同的，取决于交联程度。交联的顺序密度为30%的OSA水凝胶＜10%＜50% OSA OSA水凝胶水凝胶，所以该水凝胶微观结构单一按以下顺序：30%＞10% OSA OSA水凝胶gt; 50% OSA的水凝胶，水凝胶。OSA的溶胀动力学水凝胶可能会受到这些微观结构的影响。

3.3 OSA水凝胶的溶胀动力学

图2显示OSA水凝胶的溶胀动力学在蒸馏在37℃的OSA的溶解度随水被发现氧化程度的增加，所以浓度OSA水凝胶制备不同（表1）。正如预期的那样，在溶胀率的下降被认为与增加的程度氧化（预期30% OSA水凝胶）。据我们所知，溶胀比是依赖于交联密度。高的交联密度，较低的水凝胶的溶胀率20到21。

表1可以看出，交联密度30% OSA水凝胶是低于10%的OSA水凝胶，所以30% OSA水凝胶溶胀率高于10%的OSA水凝胶。在表1中，OSA的浓度和摩尔比碳酸钙是通过实验确定的首席运营官，在这条件下溶胀比最大为25（数据未显示）。

3.4 OSA的降解动力学

图3显示OSA在PBS降解动力学在37 C 7.4降解SA，10% OSA OSA的百分比，30%和50%OSA的分别为5、26.53、43.80和67.31%，在120 h时褐藻胶是用高碘酸钠氧化，碳–碳酸渣中的顺式二醇基键断裂，和醛基氧化己糖醛酸残基自发形成六元半缩醛环与亲密在相邻的两氧化糖残基的羟基链。这会改变构象的小便残留的开链加成和推断的三键自由旋转相邻的C-4、C-5、原环氧原子，和C-1的己糖醛酸残基氧化。这创造了水解不稳定债券中的多糖。不稳定债券的数量通过增加氧化的程度，所以率随着氧化程度的增加而增加。

3.5 OSA水凝胶降解动力学

OSA的水凝胶的降解进行了研究减肥和溶胀率随时间和PBS的凝胶三–HCl在37°C，分别。图4显示了一个典型的减肥对于OSA水凝胶降解曲线。当Ca2thorn;交联OSA水凝胶置于PBS 7.4，离子交换过程之间钙离子在thorn;呈现“egg-box”腔古糖块和Nathorn;缓冲溶液中的离子主要负责肿胀/降解。然而，boontheekul等人。报道了高分子链在氧化水解断链糖残基控制降解，而不是分离钙离子交联。所以氧化程度越高，越氧化糖残基和降解率较高是。

从图4，可以看出，网络减少通过降解的重量。此外，有良好的相关性之间的重量损失和氧化程度。重量损失的SA，10% OSA，OSA OSA的30%和50%分别为68.90，73，80.27和180在88.89%分钟。图5表现出的降解行为，作为时间的函数在三–HCl水凝胶。该水凝胶表现出一定的增加减肥作为时间的函数。

与所有水凝胶，物理和机械凝胶的行为是高度依赖于骨干化学聚合物的。海藻酸钠的主链断裂破裂发生氧化反应，使分子量下降。随着降解的发生，水解不稳定的债券在OSA裂解整个水凝胶以其反应动力学控制的速率水解。

这正在进行中的不稳定的债券的分裂水凝胶系统降低整体网络的交联密度。对水解不稳定的债券数量增加通过增加氧化的程度，使重量损失增加随着氧化程度的增加。然而，减肥50% OSA水凝胶是低于第一个40分钟的SA水凝胶，而这种现象并没有出现在PBS 7.4。

OSA的水凝胶可降解主要是由于水解，这是由水的扩散速率决定。50% OSA的膨胀率水凝胶的是非常低的，因为最高交联密度。因此，50%的OSA的降解水凝胶比其他水凝胶慢。同时，50%的OSA水凝胶具有水解不稳定的债券数量庞大，这促使水凝胶迅速降解。两者的结果相互作用是50% OSA水凝胶具有较快的降解当水扩散进入凝胶后的一段时间。

在pH7.4中，同时存在水解和离子交换，而这些水凝胶的溶胀率差异不非常大。因此，水的扩散不是OSA凝胶变性限制因子的所有时间。这个水解不稳定的债券和降解速率更快的pH7.4。确定了OSA水凝胶的溶胀率的变化为了更充分地表征这些水凝胶的降解，因此，50%的OSA的降解水凝胶比其他水凝胶慢。同时，50%的OSA水凝胶具有水解不稳定的债券数量庞大，这促使水凝胶迅速降解。

在PBS中，膨胀率的趋势快速增加先增大后减小。

但在三–HCl的膨胀比缓慢增加所有的时间。溶胀比强相关缓冲区组成。在最初阶段降解PBS，少量钙离子之间的thorn;和那thorn;不能破坏整个网络水凝胶，但网络的晶格尺寸将扩大。结果，肿胀比增加。当离子交换达到一个临界值时，整个交联网络会脱节，导致水凝胶的消失。然而，肿胀的增加在三–HCl的比例是部分降解的结果，使水凝胶的吸收量较大的水。30% OSA凝胶残留DSC进行测量样品经不同降解时间。溶胀比强相关缓冲区组成。

在最初阶段降解PBS，少量钙离子之间的thorn;和那thorn;不能破坏整个网络水凝胶，但网络的晶格尺寸将扩大。结果，肿胀比增加。当离子交换达到一个临界值时，整个交联网络会脱节，导致水凝胶的消失。广阔的在DSC吸热150℃左右的峰值可以归属于30% OSA水凝胶的玻璃化转变。它可以看到的是，随着时间的延长，30%的OSA的TG在PBS或三–HCl减小吸热峰的水凝胶变宽。这一结果也表明，网络当降解发生时，水凝胶会变弱

同意减肥的结果。

3.6 降解机理

据报道，有两种类型的降解水凝胶网络的过程：表面的侵蚀和体积侵蚀时，水扩散到样品的速度比水解反应，水会被吸附在表面上在它可以扩散到样品的大部分。这种被称为表面侵蚀。大部分侵蚀，另一方面，发生时水扩散到样品的速度远远快于水解反应。与所有水凝胶，物理和机械凝胶的行为是高度依赖于骨干化学聚合物的。海藻酸钠的主链断裂破裂发生氧化反应，使分子量下降。

同时，对七大工业国单位数量增加。无花果。4（b）和5（b）表明，水凝胶在PBS三–盐酸都具有较大的膨胀比和含水率扩散到样品的速度比降解过程，这些事实表明，OSA水凝胶在水溶液中的降解解决方案属于大部分侵蚀过程。

普遍认为，降解行为水凝胶的交联密度较大。然而,本研究的结果表明，OSA的降解水凝胶的氧化程度，而不是交联密度。与所有水凝胶，物理和机械凝胶的行为是高度依赖于骨干化学聚合物的。海藻酸钠的主链断裂破裂发生氧化反应，使分子量下降。在同时，对七大工业国单位数量增加。russo报道称，TG可以减少时，增加基团数量。图7显示OSA水凝胶的DSC曲线

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