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摘 要

最近几年，关于载体药物的释放材料的研究越来越得到前沿科学的关注焦点。水凝胶因为它独特的性质受到很多学者的关注。能够对环境条件的改变做出反应的水凝胶在用于载体药物的释放领域有着丰富的应用前景。具备pH敏感性质的水凝胶的研究更是热门。利用人身体的不同器官的周围pH不同，这种水凝胶通过特定的溶胀可以达到向靶向目标和控制药物释放的目的。

本论文选取γ-聚谷氨酸作为凝胶基本材料，采用化学交联的方法得到了一系列水凝胶载粒子。通过化学交联的方法得到一种pH响应型水凝胶，这种水凝胶大分子链上同时含有大量羧基和氨基可以对外界的pH改变做出响应并且因其低毒甚至无毒，能够与人体内很好的相容，理化性质也在通常情况下比较稳定，可用作载药材料。本论文将这种水凝胶制备出来并研究讨论了其体外pH敏感性及模拟载药释放行为。

关键词：γ-聚谷氨酸水凝胶 pH敏感型药物释放

Abstract

At present，how to maintain the effective concentration of the drug has made many researchers start to pay attention to and study the carrier material of the drug, so the research on the carrier has gradually become a hot research direction. Hydrogels in many materials are of interest to many scientists because of their special properties. Hydrogels that can respond to changes in environmental conditions have rich application prospects in the field of drug delivery. Research on pH-sensitive hydrogels is particularly popular. Taking advantage of the fact that different organs of the body have different pH values, the hydrogel can be used to target and control the release of drugs through specific swelling.

A series of hydrogel-loaded particles were obtained by using stova-polyglutamate as the basic gel material by chemical crosslinking. We expect to obtain a pH responsive hydrogel, which is not only compatible with living organisms, but also responsive to changes in the pH and temperature of the external environment. The hydrogel was prepared by chemical synthesis and its drug delivery behavior in vitro was discussed.

Keywords: pH sensitive Drug release Poly glutamate hydrogel

目录

摘要 I

Abstract II

第一章文献综述 1

1.1聚谷氨酸类水凝胶 1

1.1.1γ-聚谷氨酸水凝胶 1

1.1.2 pH敏感型水凝胶 1

1.1.3 pH敏感型γ-聚谷氨酸 2

2.1γ-聚谷氨酸单体的制备 2

2.1γ-PGA的单体的常见合成方法 2

2.1.1酶转化法 2

2.1.2微生物发酵法 2

2.1.3化学合成法 3

3.1γ-聚谷氨酸类水凝胶（γ-PGA）的制备 3

3.1.1γ-聚谷氨酸类水凝胶的交联机理 3

3.2.1物理交联法 4

3.2.2化学交联法 5

3.3pH值敏感型γ-聚谷氨酸水凝胶 5

3.3.1γ-聚谷氨酸水凝胶的pH敏感性原理 5

4.1pH敏感型水凝胶的应用 6

4.1.1药物靶向释放的载体材料 7

4.1.2环境领域 7

5.1本文选题思想 7

第二章 实验部分 9

1实验原理 9

2实验部分 9

2.1实验仪器、材料 9

2.1.1实验试剂 9

2.1.2实验仪器与设备 10

2.2制备和整理方法 11

2.2.1大分子单体和Ｐ凝胶的制备 11

2.2.2水凝胶的结构研究 11

2.2.3 形貌分析（扫描电镜分析SEM） 12

2.2.4水凝胶的溶胀速率的测量 12

2.2.5水凝胶的溶胀动力学 12

2.2.6水凝胶的pH敏感性评价 12

2.2.7水凝胶对载体药物的释放 12

3.1结果与展望 13

3.1.1水凝胶的红外光谱分析 13

3.1.2形貌分析 14

3.1.3水凝胶的溶胀动力学 14

3.1.4γ-聚谷氨酸水凝胶的pH敏感性分析 15

3.1. 5体外载药释放分析 16

3.2结论 17

3.3展望 17

致谢 21

第一章文献综述

1.1聚谷氨酸类水凝胶

1.1.1γ-聚谷氨酸水凝胶

γ-聚谷氨酸缩写为γ-PGA，这是一种由微生物发酵将谷氨酸聚合通过肽键链接成的一种具有线性结构的高分子，它的链和链之间存在较多氢键，水分子很容易快速进入这种结构中，所以γ-聚谷氨酸表现出很强的水溶性^[1]。γ-聚谷氨酸大分子中的肽键易于通过环境中的酶作用分解成短肽、谷氨酸单体时无毒微生物产生的对人体没有副作用^[2]可以被分解、与生物体能很好形容、不存在安全问题^[3]。γ-聚谷氨酸主链上存在很多未参与成键的羧基，这些羧基能和其他官能团结合，是γ-聚谷氨酸的活性位点,可以通过各类改性方法对羧基进行修饰，使得γ-聚谷氨酸有一些特殊的性质 ^[4]。γ-聚谷氨酸是一种聚酸性质的高聚物，大分子溶液的特殊性质使其在很多医用载药材料、化工领域、环境环保领域有极其广泛的应用。

γ-聚谷氨酸结构式：

图1-1γ-聚谷氨酸的结构式

1.1.2 pH敏感型水凝胶

羧基、氨基基团具有很大的活性，在不同 pH值环境下由于质子的含量的不同会有夺取或释放质子的行为，若某类水凝胶的大分子链上含有大量的这种基团，这种水凝胶在不同的酸碱值下会有不同的溶胀行为。具备这这一敏感性质的水凝胶叫做pH值敏感型水凝胶。pH敏感型水凝胶在许多农业、医用载体、化工合成等许多领域有着非常广泛的应用，由于这种水凝胶的特殊性质使其有很多方面的领域并没有实现实际应用，可以预见随着科技的发展其运用也会更加广泛^[5]。

1.1.3 pH敏感型γ-聚谷氨酸

γ-PGA大分子链由谷氨酸单体聚合而成，所以这种大分子的主链上同时含有大量氨基、羧基。受到环境酸碱性的影响胺基会质子化程度、羧基会离子化这些行为很大程度决定着水凝胶的溶胀行为。在强酸性环境下即低pH处，胺基结合H 发生质子化效应，在强碱性环境下即高pH处时，羧基会电离出H 从而离子化，而质子化和离子化都会加大静电斥力使凝胶溶胀。无论pH过高还是过低，都会使γ-聚谷氨酸有很大的溶胀比，我们称这种对离子强度的变化非常敏感的溶胀行为称为pH敏感性。

γ-PGA水凝胶在去离子水中、PBS溶液和生理盐水中均表现也出离子敏感性，溶胀平衡的最终pH约为5。这一现象可以推知γ-聚谷氨酸经过改性会响应外界pH刺激，在药物释放和组织工程、传感器等方面有广阔前景。

2.1γ-聚谷氨酸单体的制备

2.1γ-PGA的单体的常见合成方法

聚谷氨酸单体的直接为使用溶剂直接将纳豆中γ-PGA进行分离纯化，这种方法操作简单但产率很低，无法大量生产。

2.1.1酶转化法

肽酶是一种可以促进谷氨酸之间形成肽键的酶，将肽酶加入谷氨酸种，进行酶促反应制备γ-聚谷氨酸的方法。相较于直接提取法，酶转化法虽然比较简单可以大规模生产γ-PGA,这种成键的方法形成的大分子链很短，短链的聚谷氨酸没有大分子溶液的特性，所以极大程度上的限制了γ-PGA 在现实领域中的应用。

2.1.2微生物发酵法

γ-PGA是许多微生物的发酵产物,而且产量较高。目前研究最多的是谷氨酸依赖型芽孢杆菌 ^[6]。根据培养时是否必须添加谷氨酸培养可以将发酵生产γ-PGA的菌株分为两类，必须添加的称为谷氨酸依赖型芽孢杆菌而不添加或者只需要微少量的加入的称为非谷氨酸依赖型芽孢杆菌。研究发现依赖性菌株与非依赖性菌株相比有较高的发酵产量。

2.1.3化学合成法

将两个单体缩合的二聚体缩聚法、利用氨基酸的特殊结构形成肽键的肽合成法都属于传统的γ-PGA的化学合成方法。将单体氨基酸氨基与羧基逐个通过肽键连接成多肽称为肽合成法^[8]。二聚体缩聚法比较复杂，第一步先让谷氨酸与消旋体发生反应，然后经过多次聚合反应得到聚谷氨酸甲基酯，最后对聚酯进行水解即可得到产物 ^[9]。

3.1γ-聚谷氨酸类水凝胶（γ-PGA）的制备

3.1.1γ-聚谷氨酸类水凝胶的交联机理

先将两类单体溶于MES溶液中，因为两种单体在MES作用下分别带负电（-COO^-）和正电(-NH₄ ),会发生静电相互吸引形成胶束。在负离子载体聚谷氨酸含量达到一定量时，形成的胶束增多 ^[10]。若两种单体比大于0.5，此时会造成胶束的浓度超过临界胶束浓度，使胶束发生聚集沉淀的现象，形成非均质的水凝胶 ^[11]。在两类单体比值小于于0.5时，加入活化剂来时两类反应物活化易于反应,生成中间体Ⅰ，之后加入稳定剂，生成中间体Ⅱ，最后聚赖氨酸和中间体Ⅱ产生交联，形成上述水凝胶^[12]。

PGAPL

滴加 静电吸引

非均质水凝胶

O-酰基异脲中间物NHSEDCNSH酯中间产物

NHS

图1-2 γ-聚谷氨酸/ε-聚赖氨酸水凝胶的交联机理图

用酶来促进交联、利用化学键的结合来形成交联、利用氢键等非化学键来形成交联是使大分子交联为水凝胶的常用方法。具有线性结构的的γ-PGA，通常为微生物发酵产物，该水凝胶的结构常用红外光谱法来表征^[13]。

3.2.1物理交联法

利用氢键、范德华力等非化学键来交联制备γ-PGA水凝胶，体系中不需要额外引入交联剂来促进交联，所以用该方法制备的水凝胶，没有交联剂的存在，有很好的生物相容性。它主要通过氢键、离子交联作用等非共价键的结合方式来使水凝胶形成三维网状结构。

(1)聚电解质复合物

利用质子化的氨基形成正离子带正电，离子化的羧基脱去质子带负电，两者之间由于静电相互作用也可以制备出水凝胶 ^[14]。

(2)氢键及主客体作用

利用氢键作用形成的水凝胶，热稳定性强，在经进一步研究发现水凝胶中γ-PGA含量与凝胶的溶胀性正相关，溶胀性能降低也会可以减少血小板的吸附量，使水凝胶更好的存在血液中^[15]。

3.2.2化学交联法

相比于物理交联，化学交联形成的网络交联更加稳定。因为化学交联过程会形成化学键，化学键的强度远大于氢键，分子间作用力等，所以形成的凝胶网络体系更加的稳定不易发生变化。

(1)紫外线辐射交联

射线照射后会使一些单体变为具有活性的自由基，从而引发聚合物单体分子间自由基聚合，生成高分子聚物，其产物安全环保。张超等用紫外辐射法以用紫外光照射γ-PGA溶液，制备得到了pH敏感型水凝胶 ^[16]。

（2）席夫碱反应

利用席夫碱反应在温和条件下即可进行，可以制备出一种可注射水凝胶 ^[17，18]。

3.3pH值敏感型γ-聚谷氨酸水凝胶

3.3.1γ-聚谷氨酸水凝胶的pH敏感性原理

聚谷氨酸类水凝胶中存在大量的羧基和氨基，在某些特定pH条件下-COOH会电离和-NH₃会质子化，使得凝胶具有响应行为。这类水凝胶浸泡在水溶液时，存在以下两个反(1-1)应：

PGA-COOH^-PGA -- -COO^- H (1-1)

PGA-NH₂ H -- -PGA-NH₄ (1-2)

当溶液处在酸性环境，低pH时，大量H 存在于溶液使其显酸性， -COOH的电离受到H 的抑制，相反会促进-NH₄ 离子的形成。大量的-NH₃ 与H 会都带有正电荷，由于静电之间的相互斥力，这种分子间的斥力，造成大分子相互之间、链段之间相互排斥力加大，表现为凝胶的张网作用得到加强，促进了水凝胶的溶胀。同时，氨基质子化会大量的产生-NH₄ ，消耗减少H ，所以溶液的pH下降。同理，如果溶液的pH较高，则会促进-COOH电离出H ，从而降低溶液pH。溶液中大量的-COO^-带负电与OH^-也带负电，同种共存会因为静电产生斥力，这种作用力使凝胶的网络结构更加的疏松，也表现为了促进水凝胶溶胀。中性溶液时，两种反应受环境影响很小，溶液中正负离子数量相近，静电吸引力强，凝胶溶胀受限^[19]。因此，γ-聚谷氨酸类水凝胶一般都具有pH敏感性，可智能调节溶胀介质的pH。

pH的变化会引起pH响应型水凝胶的纤维会做出形态及长度的调整 ^[20]。在不同pH刺激下，两种纤维的长度持续变化，可以将化学能转变成机械能，这种能量转化特性使这种水凝胶纤维有可能成为人体肌肉组织代替品 ^[21]。Jin利用氢键相互作用制备出的水凝胶的溶胀性随着pH增大而增大 ^[22]。

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