基于PBA微凝胶的葡萄糖敏感水凝胶的制备及研究

发布时间：2020-07-22 00:43

【摘要】：近几年,糖尿病成为威胁人类健康的重大疾病。实时检测血糖浓度能够减少糖尿病引起的并发症,有益于患者的身体健康。基于3-氨基苯硼酸半硫酸盐(PBA)的水凝胶由于自身对环境的适应能力强成为当下研究的热点。但是含PBA水凝胶在生理pH对葡萄糖的响应时间长,响应强度低。本文采用乳液聚合制得微凝胶,以微凝胶为交联点,制得复合和互穿水凝胶,利用微凝胶的快速响应性,解决水凝胶响应时间长等问题。通过添加含氨基的壳聚糖(CS)或氧化石墨烯(GO)解决含PBA水凝胶生理pH对葡萄糖响应程度低的问题。具体的研究内容如下:(1)通过乳液聚合制备了基于PBA的Poly(AAPBA-DMAA-co-AAm)微凝胶,通过微凝胶的粒径测试,得到微凝胶颗粒表面光滑,粒径在40nm左右。通过热重测试(TGA)曲线得到微凝胶的热稳定性能良好。优化工艺条件为:AAPBA含量为6%,单体配比N,N′-二甲基丙烯酰胺(DMAA)/丙烯酰胺(AAm)=6:1(质量比),转速为867 r/min,过硫酸钾(KPS)(9 wt%),十二烷基硫酸钠(SDS)(8 wt%),N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)(1.14 wt%)得到的微凝胶的颗粒表面光滑,粒径为79.5 nm。通过称重法考察了微凝胶对葡萄糖的响应,结果表明,微凝胶在10 min左右达到最大溶胀度。平衡溶胀度在23%左右。6%含量的AAPBA制得的微凝胶对葡萄糖的响应效果最好。基于PBA微凝胶合成了复合水凝胶。通过对水凝胶的FTIR,TGA,SEM相关表征,证实复合水凝胶具有网络孔道均匀的结构。结果表明,pH为8.0时,外单体中AAPBA含量为5.8%的水凝胶对葡萄糖响应效果最好,平衡时间在50 min。随着pH的升高,水凝胶的响应强度增大,当pH为8.6时溶胀度最大为7.5%左右。(2)添加CS制备了互穿网络微凝胶Poly(AAPBA-DMAA-co-AAm)CS。SEM和粒径表征得出微凝胶的粒径在100-200 nm之间。碘量法测定了不同反应时间干燥微凝胶的双键含量。互穿网络微凝胶对葡萄糖的响应时间在6 min。分别以Poly(AAPBA-DMAA-co-AAm)微凝胶和Poly(AAPBA-DMAA-co-AAm)CS微凝胶为交联点制备了Poly(AAPBA-DMAA-co-AAm)/CS和Poly(AAPBA-DMAA-co-AAm)CS水凝胶。对水凝胶的溶胀性能进行了考察,基于CS互穿微凝胶的水凝胶具有更快的葡萄糖响应速率,生理pH最大溶胀度在6.2%。对凝胶热性能表征得出,CS互穿微凝胶的水凝胶热稳定性提高。基于Poly(AAPBA-DMAA-co-AAm)微凝胶的IPN水凝胶Poly(AAPBA-DMAA-co-AAm)/Poly(AAPBA-DMAA-co-AAm)-CS亲水性增强,生理pH下对葡萄糖的响应达到7.5%。当CS含量为5%,微凝胶反应5 h,添加比例为100%(体积分数)时,Poly(AAPBA-DMAA-co-AAm)CS微凝胶为交联点的IPN水凝胶对葡萄糖的响应最大为23%,溶胀时间为25 min。相比于PBA共聚物微凝胶为基质的IPN水凝胶,响应程度提高2倍。(3)采用乳液聚合方法制备了温敏-葡萄糖双敏感微凝胶Poly(AAPBA-NIPAM-co-AAm)CS。以此微凝胶为交联点制备了双重敏感水凝胶。通过吸光度法测得微凝胶的相转变温度在36-38℃。双重敏感水凝胶的相转变温度在35-37℃,具有环境(温度)和化学物质(葡萄糖)双重敏感性能。(4)基于Poly(AAPBA-NIPAM-co-AAm)CS微凝胶的外单体含10 mol%AAPBA的水凝胶薄膜具有较强的快速光学响应能力。薄凝胶(0.157 mm)中葡萄糖亲合成键动力学或分子结构重排的影响导致薄凝胶表观扩散系数(8.05×10~(-8)cm~2/s)较低。较厚的凝胶(0.430 mm)扩散系数为1.1×10~(-7)cm~2/s,葡萄糖扩散是速度控制步骤。ARS荧光染料研究凝胶与二醇的特定反应性表明,在凝胶中特异性结合的ARS量是27μmol/mL,很好的与凝胶中固定的PBA的量25μmol/mL吻合。凝胶对葡萄糖的光响应在生理pH下的可逆性良好。传感器凝胶的线性响应和稳定性使其适用于测量人体血液中的葡萄糖或其他生理液体。(5)采用Hummers法制备了氧化石墨烯。在超声剥离得到的GO悬浮液中添加相应的单体,制备了含GO的水凝胶。对GO以及凝胶进行了红外,XRD,热重等表征。添加GO得到的水凝胶的热稳定性提高,在生理pH下对葡萄糖最大响应程度达到17%。基于Poly(AAPBA-DMAA-co-AAm)微凝胶制备了含GO的水凝胶。由于GO巨大的电子迁移率,降低了PBA的pKa,GO的加入,提高了水凝胶在生理条件下对葡萄糖的响应速率,平衡溶胀时间在30 min。
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ427.26;TQ460.1
【图文】：

响应机理,水凝胶,葡萄糖

西北大学博士学位论文葡萄糖酸的形成降低了 pH 值，引发 pH 敏感水凝胶的溶胀和消溶胀，凝胶形态变化。在胰岛素释放和糖尿病诊断领域，葡萄糖氧化酶被广泛的应萄糖氧化酶的水凝胶的葡萄糖响应机制如图 1.1 所示[18]。对于骨架是阳离子周围环境 pH 低于阳离子基团的 pKa 时，水凝胶溶胀，而当 pH 高于 pKa 时态。对于阴离子聚合物，则是相反的过程。

水凝胶,响应过程,葡萄糖,胰岛素

图 1.2 基于 Con A 的水凝胶葡萄糖响应过程[18]Fig.1.2 Hydrogel swelling process upon glucose addition for polymer bearing saccharide moiecomplexed with Con A[18]在胰岛素传递的自调节过程中，葡萄糖响应性非常重要。Yin 等[23]制备了京尼交联剂的带有葡糖残基的壳聚糖(GEA-CS)微凝胶，ConA 通过京尼平连接在 CS 氨基避免了周围葡萄糖高时引起的 ConA 从水凝胶的泄露。微凝胶中包载的胰岛素的释环境葡萄糖浓度的影响。释放的胰岛素仍具有很好的活性，蛋白三级结构没有破坏胞毒性试验证实微凝胶没有细胞毒性。京尼平交联的 GEA-CS 微凝胶可用作自调节素传递系统。Kim 等[24]将主链接有葡萄糖基的共聚物和接枝 MPEG 的伴刀豆球蛋白 A 混合备了葡萄糖敏感水凝胶。MPEG 上提高了 ConA 的稳定性。将水凝胶制备成扩散控膜、扩散控制的载有胰岛素骨架、溶蚀控制的载有胰岛素骨架三种不同的胰岛素释

葡萄糖,苯硼酸

西北大学博士学位论文1.1.3 基于苯硼酸(PBA)的智能水凝胶GOx 和 ConA 构建了两种葡萄糖响应系统。然而，这些基于蛋白质的部分对环变化适应能力差并且很容易变性，且在体内易引起免疫反应。这些问题限制了在体应用。PBA 是非天然的合成的物质，具有耐久性和稳定性，避免了 GOx 和 ConA 足。Kuivila[25]首次对 PBA 与糖类的结合进行了报道。随着研究的深入，响应机制越来越清楚。PBA 及其衍生物能够与二醇键形成可逆的共价化合物，可作为葡萄糖的敏感基元。具体如图 1.3 所示[18]。PBA 在水中有两种形式，并保持平衡。一种是电荷的，处于相对疏水状态；一种是带电荷的，处于亲水状态。当葡萄糖加入到溶液带电荷的苯硼酸通过共价键与葡萄糖可逆结合，并形成更加亲水的硼酸盐，使凝胶离子强度增大，水凝胶的溶胀特性随着葡萄糖浓度的变化而给出易检测的响应。

【参考文献】