CN104098745A - 一种疏水改性海藻酸钠材料及其制备与应用 - Google Patents

Abstract

本发明制备了一种乙酸乙烯酯接枝海藻酸钠材料新产品，并提供了在溶液中制备上述产品的制备方法，拓宽了其应用范围。产品特征是以海藻酸钠（SA）为主链、聚乙酸乙烯酯（VAc）为侧链的接枝共聚物（SA-g-PVAc）。以海藻酸钠和乙酸乙烯酯为原料、过硫酸钾（KPS）为引发剂，在水溶液中进行自由基接枝共聚反应，合成了海藻酸钠-聚乙酸乙烯酯接枝共聚物。本发明的制备条件能够使产物仍保持亲水性海藻酸钠主链结构，同时具有一定接枝度的疏水侧链。作为一种新型两亲材料，其有望应用于药物释放、生物技术、化学工业及环境保护领域。

Description

一种疏水改性海藻酸钠材料及其制备与应用

技术领域

本发明涉及一种乙酸乙烯酯接枝海藻酸钠疏水改性材料的制备方法及其应用，属于生物功能材料领域。

背景技术

海藻酸钠(Sodium alginate,SA)是一种广泛存在于褐藻类植物中的天然多糖。它由α-L-古罗糖醛酸（guluronate,G）和β-D-甘露糖醛酸（mannuronate,M）通过1,4糖苷键聚合而成。分子链中含有GG、GM、MM片段，且G/M比值随着褐藻类植物产地及季节的变化而变化。海藻酸钠的水溶液在遇到一些二价金属阳离子时，会形成具有一定机械强度的凝胶，而从凝胶强度和离子毒性两个角度考虑，钙离子是首选的离子交联剂。海藻酸钠水溶液与钙离子通过不同的制备方式得到的球形凝胶称为海藻酸钙胶珠，其表面带有负电荷。将海藻酸钙胶珠与带有正电荷的高分子(如壳聚糖)进行成膜反应，能够生成海藻酸钙为核心、壳聚糖为囊膜的微胶囊，称为海藻酸钠-壳聚糖微胶囊（AC微胶囊）。AC微胶囊具有良好的生物相容性和价格低廉的优势，既可包埋细胞或药物用于生物技术、医用组织工程、药物释放领域，又在工业废水处理、纺织工业等领域有广泛应用。但是，由于海藻酸钙凝胶的亲水性、微囊三维网络结构及膜孔尺寸较大，极其不利于亲水性物质的包埋与保护，例如亲水性药物会从微囊中突释，导致实际应用时生物利用度降低（Desai S,Perkins J,Harrison B S.Understanding release kinetics ofbiopolymer drug delivery microcapsules for biomedical applications[J],Materials Science and Engineering:B,2010,168(1):127-131）。针对上述问题，一方面通过优化微囊材料及制备工艺参数来调节微囊结构，另一方面可通过对海藻酸钠进行疏水改性，从而改善其对亲水性物质的包埋、保护与释放能力。

海藻酸钠疏水改性分为物理共混法和化学改性法。自由基接枝共聚法是海藻酸钠化学改性法的一种常用方法，具有反应效率高，产物分离简单等特点。常见的接枝单体有丙烯酸酯类（中国专利：CN102485759A），丙烯酰胺类（徐亚雷，倪才华.双丙酮丙烯酰胺与海藻酸钠接枝聚合制备两亲性药物载体[J].应用化工，2012，41（2）：278-281）以及乙烯酯类（吴宏，萧聪明，周立春，等，KSP引发醋酸乙烯酯与海藻酸钙小球接枝共聚反应[J].化工科技，2002,10（5）：17-18）。使用甲基丙烯酸酯类的单体（中国专利：CN102485759A）与海藻酸钠进行接枝共聚时，得到的产物接枝度较高（70%），接枝度范围不可控，从而具有一定的应用局限性。而使用丙烯酰胺类的单体（徐亚雷，倪才华.双丙酮丙烯酰胺与海藻酸钠接枝聚合制备两亲性药物载体[J].应用化工，2012，41（2）：278-281）时，由于丙烯酰胺类单体的均聚物（聚丙烯酰胺等）本身就是一种水溶性高分子，将丙烯酰胺类单体接枝到海藻酸钠主链上不能有效的提高其疏水性能。乙酸乙烯酯作为一种低共聚活性的烯类化合物，是与海藻酸钠进行接枝共聚疏水改性的理想单体。吴宏等（吴宏，萧聪明，周立春，等，KSP引发醋酸乙烯酯与海藻酸钙小球接枝共聚反应[J].化工科技，2002,10（5）：17-18）使用了过硫酸钾为引发剂，将已经成型的海藻酸钙水凝胶与乙酸乙烯酯进行非均相接枝共聚反应，得到了接枝度为1074%的改性胶珠。方艳红等（方艳红，萧聪明，吴宏，等.海藻酸钠水凝胶与VAc的接枝共聚反应[J].华侨大学学报（自然科学版），2005，26（2）：138-140）选择了过硫酸铵为引发剂，将海藻酸钙水凝胶与乙酸乙烯酯进行非均相接枝共聚反应，得到了接枝度1927%的改性胶珠。但是，此种非均相共聚方法存在较大问题：1、改性海藻酸钙的接枝度远超100%，说明在海藻酸钙胶珠表面包覆形成的聚乙酸乙烯酯成为了主要结构，海藻酸钙的比例大幅降低，因此这类胶珠不能保持海藻酸钙原有的特性。2、当海藻酸钙胶珠用于包埋细胞或者敏感的生物活性物质时，在成型胶珠上接枝共聚反应会导致生物物质活性损失。本发明采用乙酸乙烯酯与海藻酸钠分子进行溶液聚合，通过控制乙酸乙烯酯的溶液共聚活性及聚合反应条件，制备出接枝度可控(1-50%)的疏水改性海藻酸钠材料，该产品仍保持亲水性海藻酸钠主链结构，而且可以溶解并加工成海藻酸钙胶珠或水凝胶，不会对包埋的生物物质活性造成影响。

发明内容

针对上述问题，本发明制备了一种乙酸乙烯酯接枝海藻酸钠材料新产品，提供了在溶液中制备上述产品的制备方法，并拓宽了其应用范围。具体是指一种乙酸乙烯酯接枝海藻酸钠的疏水改性材料。其特征是以海藻酸钠（SA）为主链、聚乙酸乙烯酯（VAc）为侧链的接枝共聚物（SA-g-PVAc）。产品中海藻酸钠主链平均分子量100-5000kDa，接枝产物SA-g-PVAc的分子量为34-360kDa，侧链接枝率1-50%。

接枝率的计算公式（参考文献：梁景程，杨慧娟.元素分析法测定高分子量PP接枝率[R].2007全国高分子学术论文报告会，2007）：

$C\%=\frac{M_1\·C_1\%+M_2\·C_2\%}{M_1+M_2},$ $\mathrm{GY}\%=\frac{M_2}{M}\×100\%$ M=M₁+M₂，

C%表示利用元素分析测得的接枝共聚物的碳含量，C₁%表示纯海藻酸钠的碳百分含量，C₂%表示纯聚乙酸乙烯酯的碳百分含量，M₁表示共聚物中海藻酸钠的质量，M₂表示聚乙酸乙烯酯的质量，M为元素分析测试中接枝共聚物的总质量。其中，M₁，M₂未知，利用上述公式计算得到，再以SA-g-PVAc中PVAc的质量M₂除以SA-g-PVAc的总质量M，即为SA-g-PVAc产物的接枝度GY%。

其中，疏水改性材料产品的制备步骤为：

1）去离子水配制海藻酸钠溶液（浓度5-50g/L），于水浴锅中加热至50-70℃。

2）氮气保护下，加入过硫酸钾（KPS）溶液，浓度为0.5-10mmol/L，随后加入乙酸乙烯酯单体，乙酸乙烯酯单体与海藻酸钠的溶液体积比为1:200-1:2，反应0.5-10小时，即得到含有SA-g-PVAc的水溶液。

3）将上述水溶液醇沉、离心(3000rpm)后收集沉淀物，醇洗后干燥即得乙酸乙烯酯接枝海藻酸钠的材料产品。

上述制备的乙酸乙烯酯接枝海藻酸钠材料可与二价阳离子发生络合作用，形成具有两亲特性的水凝胶结构，且两亲性的水凝胶可以根据应用需要加工成球形、条索状或不规则形。

上述制备的乙酸乙烯酯接枝海藻酸钠材料能用于自组装纳米载药系统，包括如抗肿瘤药物阿霉素、紫杉醇等小分子的药物载体。

本发明的优点：

1.使用了乙酸乙烯酯与海藻酸钠分子在溶液中进行共聚反应，制备出疏水改性的海藻酸钠材料产品，与同类产品中在海藻酸钙凝胶微球上进行非均相反应实现疏水胶珠制备相比，该发明可明确获得材料产品，拓展了产品的应用范围，且在工业应用环节中更易于操作。

2.本发明由于实现了材料制备与凝胶化反应分离，从而实现了在温和条件下加工形成海藻酸钙胶珠或水凝胶。因此，与同类产品中在海藻酸钙凝胶微球上进行非均相反应实现疏水胶珠制备相比，本发明产品更适用于细胞、蛋白质类等生物活性制品的包埋。

附图说明

图1乙酸乙烯酯接枝海藻酸钠的产物红外光谱图

图2原料海藻酸钠的红外光谱图

图3使用乳化内部凝胶法制备的SA-g-PVAc胶珠显微照片，放大100倍

具体实施方式

实施例1

将原料分子量为100kDa的海藻酸钠4g溶于100mL去离子水中，配制40g/L的海藻酸钠溶液，设置水浴温度为60℃。待水浴温度稳定后，在氮气保护下加入过硫酸钾溶液作为引发剂，过硫酸钾浓度为7mmol/L。再加入10.0mL的乙酸乙烯酯单体，8h后停止反应。反应结束后，将已冷却了的反应液加入搅拌状态中的250mL无水乙醇中进行沉析，将沉析液进行转速3000rpm的离心后收集沉淀。将沉淀倒在直径15厘米的培养皿上，干燥后即得到SA-g-PVAc产物。将制备好的材料与KBr按照1:100的质量比混合后于玛瑙研钵上充分研磨，并混合均匀。随后在红外灯下烘干压片，进行红外光谱测试，分析接枝产物中的官能团情况。海藻酸钠改性产物SA-g-PVAc在波数1750cm^-1处出现了明显的红外吸收峰，这是聚乙酸乙烯酯接枝侧链上的羰基的伸缩振动峰（见附图1），而原料海藻酸钠的红外图上1750cm^-1并未出现吸收峰（见附图2），故这是乙酸乙烯酯分子成功的在海藻酸钠分子上发生接枝共聚的有力证据。

实施例2

将原料分子量为300kDa的海藻酸钠2g溶于100mL去离子水中，配制20g/L的海藻酸钠溶液，设置水浴温度为50℃。待水浴温度稳定后，在氮气保护下加入过硫酸钾溶液作为引发剂，过硫酸钾浓度为5mmol/L。再加入5.0mL的乙酸乙烯酯单体，6h后停止反应。反应结束后，将已冷却了的反应液加入搅拌状态中的250mL无水乙醇中进行沉析，将沉析液进行转速3000rpm的离心后收集沉淀。将沉淀倒在直径15厘米的培养皿上，干燥后即得到SA-g-PVAc产物。将制备好的材料称取100mg溶于50mL双蒸水中，充分搅拌至完全溶解，配制成SA-g-PVAc溶液。取15mg阿霉素加入10ml氯仿中至完全溶解。将阿霉素溶液缓慢滴加到SA-g-PVAc溶液中，搅拌1天，将载药离子悬液冻干，即得到载阿霉素的纳米粒。

实施例3

将原料分子量为500kDa的海藻酸钠1g溶于100mL去离子水中，配制10g/L的海藻酸钠溶液，设置水浴温度为70℃。待水浴温度稳定后，在氮气保护下加入过硫酸钾溶液作为引发剂，过硫酸钾浓度为3mmol/L。再加入2.0mL的乙酸乙烯酯单体，4h后停止反应。反应结束后，将已冷却了的反应液加入搅拌状态中的250mL无水乙醇中进行沉析，将沉淀倒在直径15厘米的培养皿上，干燥后即得到SA-g-PVAc产物。将制备好的材料配制成2%的溶液10mL，采用乳化内部凝胶化方法[具体方法参考文献：中国发明专利，ZL01109449.4]，加入碳酸钙并搅拌均匀，随后将溶液加入到含有司班80的液体石蜡中进行乳化。乳化15分钟后，加入冰乙酸进行酸引发，即制备成海两亲藻酸钙凝胶微球（见附图3）。

实施例4

将原料分子量为1000kDa的海藻酸钠0.8g溶于100mL去离子水中，配制8g/L的海藻酸钠溶液，设置水浴温度为60℃。待水浴温度稳定后，在氮气保护下加入过硫酸钾溶液作为引发剂，过硫酸钾浓度为1mmol/L。再加入1.0mL的乙酸乙烯酯单体，2h后停止反应。反应结束后，将已冷却了的反应液加入搅拌状态中的250mL无水乙醇中进行沉析，将沉淀倒在直径15厘米的培养皿上，干燥后即得到SA-g-PVAc产物。

本发明的制备条件能够使产物仍保持亲水性海藻酸钠主链结构，同时具有一定接枝度的疏水侧链。作为一种新型两亲材料，其有望应用于药物释放、生物技术、化学工业及环境保护领域。

Claims (9)

1.一种疏水改性海藻酸钠材料，其特征在于：是以海藻酸钠（SA）为主链、聚乙酸乙烯酯（VAc）为侧链的接枝共聚物（SA-g-PVAc）。

2.按照权利要求1所述的材料，其特征在于：产品中侧链接枝率1-50%。

3.按照权利要求1或2所述的材料，其特征在于：产品中海藻酸钠主链平均分子量100-5000kDa，接枝产物SA-g-PVAc的分子量为34-360kDa。

4.一种权利要求1所述材料的制备方法，其特征在于：

1）去离子水配制浓度5-50g/L海藻酸钠溶液，于水浴锅中加热至50-70℃；

2）氮气保护下，加入过硫酸钾溶液，浓度为0.5-10mmol/L，随后加入乙酸乙烯酯单体，乙酸乙烯酯单体与海藻酸钠的溶液体积比为1:200-1:2，反应0.5-10小时，即得到含有SA-g-PVAc的水溶液；

3）将上述水溶液醇沉、离心后收集沉淀物，醇洗后干燥即得乙酸乙烯酯接枝海藻酸钠的材料产品。

5.按照权利要求4所述的制备方法，其特征在于：

步骤3）中所述醇为乙醇，醇沉时其于溶液中的终质量浓度为50-90%。

6.一种权利要求1、2或3所述疏水改性材料的应用，其特征在于：

所述的乙酸乙烯酯接枝海藻酸钠材料与二价阳离子发生络合作用，形成具有两亲特性的水凝胶结构；

所述二价阳离子为钙、钡或锌离子；

且两亲性的水凝胶可以根据应用需要加工成球形、条索状或不规则形。

7.一种权利要求1、2或3所述疏水改性材料的应用，其特征在于：

所述的乙酸乙烯酯接枝海藻酸钠材料用于自组装纳米载药系统，用于非水相生物催化水凝胶载体；

自组装为两亲材料通过正负电荷静电作用，在溶液中可自行缠绕成纳米尺寸载体，并在缠绕过程中通过亲/疏水作用将药物自动包埋其中；

非水相生物催化水凝胶载体是指该材料与二价阳离子发生络合作用后，形成具有两亲特性的水凝胶，在形成水凝胶的过程中可以将生物催化用的酶、或细胞等包埋其中，用于非水相生物催化。

8.按照权利要求7所述的应用，其特征在于：该载药系统用于（抗肿瘤药物紫杉醇、或阿霉素等的）药物载体。

9.按照权利要求7所述的应用，其特征在于：

由乙酸乙烯酯接枝海藻酸钠材料制备的水凝胶载体通过乙酸乙烯酯接枝海藻酸钠材料与钙、钡或锌交联形成水凝胶，用于有生物功能的酶或细胞载体，用于非水相生物催化。