张建平，郭建峰，张 尧，杨 姣

（中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051）

石油化工新材料

pH敏感型交联微球的制备

张建平，郭建峰，张 尧，杨 姣

（中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051）

采用铈盐-羟基氧化还原引发体系，以对苯乙烯磺酸钠（SSS）和葡聚糖（Dex）为原料，通过自由基接枝聚合将聚对苯乙烯磺酸钠（PSSS）接枝到Dex上，得到接枝共聚物Dex-g-PSSS，再通过交联反应合成C（Dex-g-PSSS）微球。利用FTIR、光学显微镜、Zeta电位仪表征了试样的结构和形态，研究了反应条件对PSSS接枝度的影响，考察了C（Dex-g-PSSS）微球在模拟胃液和结肠液中的溶胀率。表征结果显示，C（Dex-g-PSSS）微球为交联微球，其Zeta电位为绝对值较大的负值。实验结果表明，在适宜的反应条件（硫酸铈铵浓度12 mmol/L、H+浓度0.08 mol/L、Dex 5 g、SSS 5 g、50 ℃，6 h）下，可得到接枝度为11.86 g（基于100 g Dex-g-PSSS）的PSSS。C（Dex-g-PSSS） 微球有较明显的pH敏感性，它在模拟胃液中的溶胀率仅有134%，在模拟结肠液中的溶胀率可达到678%，是潜在的口服结肠定位给药系统基质材料。

pH敏感；交联微球；葡聚糖；对苯乙烯磺酸钠；口服结肠定位给药系统；接枝聚合

口服结肠定位给药系统（OCDDS）因具有减少口服药物在胃与小肠的释放、使药物特定在结肠释放、提高结肠病变部位的药物浓度、降低药物用量等优点［1-4］而成为近年来药物制剂学的研究热点。葡聚糖（Dex）具有无毒、生物可降解、极易改性和生物相容性好等优点，而且具有在胃和小肠中不降解、在结肠才易被葡聚糖酶降解的优势［5］。目前Dex凝胶已被证实是一种良好的OCDDS基质材料［6-10］，但由于人体内的环境复杂，研究者一直试图通过对Dex进行改性赋予其新的物理化学性能以提高其结肠定位效果［11-13］。

本工作采用铈盐-羟基氧化还原引发体系，以对苯乙烯磺酸钠（SSS）和Dex为原料，通过自由基接枝聚合将阴离子聚电解质聚对苯乙烯磺酸钠（PSSS）接枝到Dex上得到接枝共聚物Dex-g-PSSS，再通过交联反应合成C（Dex-g-PSSS） 微球。利用FTIR、光学显微镜、Zeta电位分析了试样的结构和形态，研究了反应条件对PSSS接枝度的影响，并考察了C（Dex-g-PSSS）微球在模拟胃液和模拟肠液中的溶胀率。

1 实验部分

1.1 试剂

Dex：生化试剂，相对分子质量4×104，国药集团化学试剂有限公司；SSS：分析纯，成都西亚试剂有限公司；硫酸铈铵：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；环氧氯丙烷：分析纯，天津市福晨化学试剂厂；其他试剂均为市售分析纯试剂。

1.2 C（Dex-g-PSSS）微球的制备和表征

1.2.1 合成原理

合成C（Dex-g-PSSS） 微球的反应原理见式（1）～（2）。通过氧化还原［14-15］反应，Ce4+首先与Dex的羟基发生反应生成初级自由基，再引发SSS 与Dex发生接枝聚合反应，得到接枝聚合物Dexg-PSSS。然后在碱性条件下，Dex-g-PSSS与开环的环氧基团发生亲核取代反应，生成中间产物，中间产物继续与Dex-g-PSSS发生亲核取代反应，该反应遵循亲核取代双分子反应机理［16］，最终制得C（Dex-g-PSSS） 微球。

1.2.2 Dex-g-PSSS的制备过程

采用铈盐-羟基氧化还原引发体系，使Dex与SSS接枝聚合得到接枝聚合物Dex-g-PSSS。具体方法为：将5 g Dex溶于50 mL蒸馏水中，倒入装有搅拌器、冷凝管、氮气导管和温度计的四口烧瓶中，通N230 min，升温至50 ℃后在N2保护下依次加入5 g SSS、引发剂硫酸铈铵溶液和浓硫酸，保温反应6 h，冷却至室温；蒸发反应中的大部分水，然后用甲醇沉淀；再在索氏抽提器中用甲醇抽提24 h以除去少量未反应的SSS和未接枝的PSSS；60 ℃下真空干燥至恒重，得到Dex-g-PSSS。

Dex ：dextran；SSS：sodium styrene sulfonate；PSSS：poly （sodium 4-styrene sulfonate）；Dex-g-PSSS：dextran grafted poly （sodium 4-styrene sulfonate）；C（Dex-g-PSSS）：crosslinking dextran grafted poly（sodium 4-styrene sulfonate）

1.2.3 C（Dex-g-PSSS）微球的制备

利用交联反应制备C（Dex-g-PSSS） 微球：将6 g Dex-g-PSSS溶于20 mL 去离子水中作为水相、将6 mL环氧氯丙烷、3 g 司班 60和100 mL液体石蜡搅拌均匀作为油相。将水相跟油相分别加入到250 mL 的三口瓶中，搅拌使其分散均匀，加热至70 ℃，分批次加入40%（w）的 NaOH 水溶液 5 mL，反应3 h 后升温至 90 ℃，固化 7 h。产物用乙醇和石油醚反复洗涤，然后在真空干燥箱中干燥至恒重，最终制得C（Dex-g-PSSS） 微球。

1.3 分析与表征

用Malvern Instruments 公司Zetasizer Nano-Z 型Zeta 电位分析仪在不同pH下测定试样的Zeta电位；用Perkin-Elmer 公司1700 型傅里叶变换红外光谱仪（KBr压片）对试样的化学结构进行表征；采用电导滴定法［17］测定Dex-g-PSSS中PSSS 的接枝度；用Olympus公司Olympus BX51型光学显微镜观察试样的微观结构。

1.4 溶胀率的计算

用0.1 mol/L HCl模拟胃液，pH=7.4的磷酸盐缓冲液模拟结肠液。分别移取15 mL模拟胃液和模拟结肠液，置于若干个50 mL的具塞锥形瓶中，再分别称取50 mg C（Dex-g-PSSS） 微球加入上述锥形瓶中，37 ℃下恒温振荡，每隔一段时间，称其质量（微球试样取出后用滤纸擦去表面水分立即称量），按式（3）计算微球的溶胀率（Rs）。用溶胀率可衡量微球的吸水能力。

式中，md为溶胀前微球的质量。g；mw为溶胀后微球的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 试样的表征

2.1.1 FTIR的表征结果

试样的FTIR谱图见图1。从图1可看出，在Dex-g-PSSS 和 C（Dex-g-PSSS）的谱图中出现了若干新峰：1 637，1 401 cm-1处出现了归属于苯环骨架振动的特征吸收峰；1 128，1 010 cm-1处出现了分别归属于磺酸基中SO3伸缩振动和S＝O键对称伸缩振动的特征吸收峰；1 151 cm-1处的吸收峰归属于醚键的不对称伸缩振动。在C（Dex-g-PSSS）的谱图中，2 852 cm-1处出现了新的吸收峰，该吸收峰可能归属于交联聚合生成的亚甲基C—H键的伸缩振动。表征结果显示，SSS与Dex发生了接枝聚合。

图1 试样的FTIR谱图Fig.1 FTIR spectra of samples.

2.1.2 光学显微镜的表征结果

C（Dex-g-PSSS）微球的光学显微镜照片见图2。从图2可看出，C（Dex-g-PSSS）微球为交联微球，但微球的大小不均一。造成微球大小不均一的因素较多，如搅拌转速、油水比及交联剂用量等。

图2 C（Dex-g-PSSS）微球的光学显微镜照片Fig.2 Optical microscope image of C（Dex-g-PSSS） microspheres.

2.1.3 Zeta电位曲线的表征结果

试样在不同pH下的Zeta电位见图3。从图3可看出，Dex的Zeta电位为正值，且绝对值非常小，说明Dex基本不带电荷；Dex-g-PSSS的Zeta电位发生了根本性的变化，其Zeta电位为负值，且绝对值较大，说明Dex-g-PSSS带有较多的负电荷。这是因为在Dex-g-PSSS上接枝了PSSS，而PSSS为阴离子聚电解质，PSSS上的磺酸钠基团在水介质中全部电离，使聚合物表面带上高密度的负电荷。C（Dex-g-PSSS）微球的Zeta电位绝对值较Dex-g-PSSS有一定下降，但在所测的pH范围内，C（Dex-g-PSSS）微球的Zeta电位仍为绝对值较大的负值，说明其表面也带有较多的负电荷。

图3 试样在不同pH下的Zeta电位Fig.3 Zeta potential curves of the samples at different pH.Dex ；Dex-g-PSSS；C（Dex-g-PSSS）

2.2 反应条件的影响

2.2.1 引发剂用量的影响

硫酸铈铵浓度对PSSS接枝度的影响见图4。从图4可看出，PSSS接枝度随硫酸铈铵浓度的增加呈先增大后减小的趋势，这是由于随硫酸铈铵浓度的增大，Dex上的初级自由基数目增多，故PSSS的接枝度增大；但硫酸铈铵过量会产生大量的自由基，引起过多的PSSS发生均聚，同时过量的硫酸铈铵也会使接枝聚合链的氧化终止被加速，初级自由基的氧化终止也被加剧［18-19］，导致接枝度下降。所以硫酸铈铵浓度为12 mmol/L较适宜。

2.2.2 硫酸用量的影响

为抑制Ce4+的水解，接枝聚合需在酸性介质中进行。硫酸用量（即H+浓度）对PSSS接枝度的影响见图5。从图5可看出，随H+浓度的增加，PSSS接枝度呈先增大后减小的趋势。这是因为，随H+浓度的增加，Ce4+的水解能力变弱，则Ce4+的浓度就越高，故接枝度随之增大；但当Ce4+与羟基生成初级自由基时会生成H+，所以H+过量反而会抑制初级自由基的生成，接枝度也随之降低。因此H+适宜的浓度为0.08 mol/L。

图4 硫酸铈铵浓度对PSSS接枝度的影响Fig.4 Effect of ammonium cerous sulfate concentration on the grafting degree（GD） of PSSS.Conditions：Dex 5 g，SSS 5 g，c（H+）=0.08 mol/L，50 ℃，6 h. GD based on per 100 g Dex-g-PSSS，the same below.

图5 硫酸用量对PSSS接枝度的影响Fig.5 Effect of sulfuric acid dosage on GD of PSSS.Conditions：Dex 5 g，SSS 5 g，c（ammonium cerous sulfate）=0.012 mol/L，50 ℃，6 h.

实验结果表明，在适宜的反应条件（硫酸铈铵浓度12 mmol/L、H+浓度0.08 mol/L、Dex 5 g、SSS 5 g、50 ℃，6 h）下，PSSS的接枝度为11.86 g（基于100 g Dex-g-PSSS）。

2.3 交联微球的溶胀率

C（Dex-g-PSSS）微球在模拟胃液和模拟结肠液中的溶胀率曲线见图6。从图6可看出，在模拟胃液中，C（Dex-g-PSSS）微球的溶胀率仅有134%，而在模拟结肠液中，C（Dex-g-PSSS）微球的溶胀率在6 h内达到678%。说明C（Dexg-PSSS）微球有较明显的pH敏感性，是潜在的OCDDS基质材料。C（Dex-g-PSSS）微球的溶胀率随pH的增大而增大，这是因为C（Dex-g-PSSS）微球中有许多磺酸基团，当pH较小时，磺酸基主要以和H2SO3形式存在，C（Dex-g-PSSS）微球的带电性较小，分子链间的相互作用力也较小，溶胀率较低；随pH的增大，磺酸基更多的以-SO32-形式存在，微球带电性逐渐增大，分子链间的相互作用力也变大，溶胀率随之变大。

图6 C（Dex-g-PSSS）微球在模拟胃液和模拟结肠液中的溶胀率Fig.6 Swelling ratio of C（Dex-g-PSSS） microspheres in the simulated gastric and intestinal juices.In the stimulated intestinal juice；In the stimulated gastric juice

3 结论

1）利用铈盐-羟基氧化还原引发体系，将Deg 与SSS发生接枝聚合反应得到接枝聚合物Dex-g-PSSS，再通过交联反应得到C（Dex-g-PSSS） 微球。C（Dex-g-PSSS）微球为交联微球，且微球大小不均一，同时其Zeta电位为绝对值较大的负值。

2）在适宜的反应条件（硫酸铈铵浓度12 mmol/ L、H+浓度0.08 mol/L、Dex 5 g、SSS 5 g、50 ℃，6 h）下，PSSS的接枝度为11.86 g。

4）C（Dex-g-PSSS）微球有较明显的pH敏感性，它在模拟胃液中的溶胀率仅有134%，在模拟结肠液中的溶胀率可达到678%，是潜在的OCDDS基质材料。

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（编辑 邓晓音）

Preparation and Characterization of pH Sensitive Crosslinked Microspheres

Zhang Jianping，Guo Jianfeng，Zhang Yao，Yang Jiao
（Department of Chemical Engineering，North University of China，Taiyuan Shanxi 030051，China ）

A graft copolymer，Dex-g-PSSS，was synthesized through free radical graft copolymerization of sodium 4-styrene sulfonate（SSS） and dextran（Dex） with cerium salt-hydroxyl group redox initiation system. And then C（Dex-g-PSSS） microspheres were prepared by crosslinking reaction. Dex，Dex-g-PSSS and C（Dex-g-PSSS） were characterized by means of FTIR，optical microscope and Zeta potential analyzer. The swelling ratios of C（Dex-g-PSSS） in the simulated gastric and intestinal juices were studied. The results showed the crosslinked microsphere structure and negative Zeta potential of C（Dex-g-PSSS）. Under the optimum conditions of c（ammonium cerous sulfate） 0.012 mol/L，c（H+） 0.08 mol/L，Dex 5 g，SSS 5 g，50 ℃ and 6 h，the grafting degree of PSSS was 11.86 g（based on 100 g Dex-g-PSSS）. C（Dex-g-PSSS） possesses obvious pH sensitivity and its swelling ratios in the simulated gastric and intestinal juices reached 134% and 678%，respectively. The C（Dex-g-PSSS） microspheres are a potential material for oral colon-specific drug delivery system.

pH sensibility；crosslinked microsphere；dextran；sodium 4-styrene sulfonate；oral colon-specific drug delivery system；graft copolymerization

1000-8144（2015）03-0370-05

TQ 316.343

A

2014 - 09 - 10；［修改稿日期］ 2014 - 12 - 03。

张建平（1987—），男，河北省张家口市人，硕士生，电话 18234194531，电邮 zhanjianping12345@163.com。联系人：郭建峰，电话 0351 - 3945368，电邮 jianfengguo@nuc.edu.cn。

山西省科技攻关项目（20130321017 - 03）；海南省重点科技计划项目（ZDXM20130089）。