王彦霞， 智 爽， 柴志华

(华北科技学院，北京东燕郊 101601)

基于对巯基苯硼酸的糖敏感水凝胶的制备

王彦霞， 智 爽， 柴志华

(华北科技学院，北京东燕郊 101601)

本文通过简单直接混合海藻酸钠、对巯基苯硼酸和CaCl2构建水凝胶。通过扫描电子显微镜观察到水凝胶具有明显的大孔多孔结构。溶胀实验证实随着对巯基苯硼酸浓度的增加，水凝胶的稳定性逐渐增强。此外，随着溶液中葡萄糖浓度的增加，凝胶降解速率逐渐加快。该多孔糖敏感水凝胶有望作为药物载体用于糖尿病的治疗。

海藻酸钠；对巯基苯硼酸；水凝胶；糖敏感性

0 引言

水凝胶是一类具有三维网络结构的聚合物，它兼有柔软性和弹性。因此，水凝胶在生物医学和药学领域已有很广泛的应用，比如伤口敷料剂、药物传递系统、组织工程支架等[1]。

化学交联的水凝胶通常是通过亲水单体的三维聚合或通过水溶性聚合物的化学交联而得到[2]。由于该类水凝胶是通过稳定的化学键交联得到，因此它们通常不能被可逆的溶解[1]。物理交联的水凝胶通常通过聚合物或一些小分子间的非共价相互作用(如氢键相互作用、静电相互作用、疏水相互作用等)而形成[3]。这类凝胶具有典型的可逆性，可通过改变环境条件(如温度、pH值、离子浓度等)而将其再次溶解。基于硼酸的水凝胶是通过硼酸和羟基间的可逆硼酸酯键形成，其兼具物理交联水凝胶和化学交联水凝胶的特性。这是因为硼酸酯共价键并不稳定，会被环境中的葡萄糖所破坏。因此基于硼酸的水凝胶具有典型的糖敏感性能，是一类重要的智能材料[4]。

近年来，通过巯基的化学反应构建材料备受研究者关注，这是因为巯基能在非常温和的条件下氧化成二硫键，这一过程可以通过空气中的氧气直接氧化实现，也可以通过向溶液中加入氧剂来实现[5,6]。因此，含巯基的材料在构建水凝胶方面也具有独特的优势。

海藻酸盐是从海带中提取的天然多糖碳水化合物，由β-D-甘露糖(M)和α-D-古罗糖醛酸(G)单元以M-M，G-G或M-G组合方式通过1，4糖苷键连接而成[7]。海藻酸盐在植物中的重要作用包括避免干燥、维持细胞的完整性、提供机械力及离子交换功能等。海藻酸盐在食品、工业和医药等诸多领域都有广泛的应用，这是因为海藻酸盐具有较强的吸水功能，而且可以形成凝胶或稳定乳胶。海藻酸盐溶液一旦与钙离子接触极易通过G残基上的羧酸根与钙离子的离子复合形成凝胶。

因此，本文用对巯基苯硼酸和CaCl2将海藻酸钠交联构建基于苯硼酸的水凝胶。通过扫描电子显微镜对水凝胶的形貌进行观察。通过溶胀实验研究对巯基苯硼酸浓度对水凝胶稳定性的影响。此外，通过考察水凝胶在不同葡萄糖浓度下的稳定性，研究该水凝胶的糖敏感特性。

1 实验

1.1 主要原料与设备

对巯基苯硼酸、海藻酸钠(分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；葡萄糖(分析纯，浙江玉环县海洋生物有限公司)；其它试剂均为分析纯，使用前未经过处理。

1.2 水凝胶的构建

将2.0 g海藻酸钠溶解于100 mL pH 7.4 磷酸缓冲溶液中(PBS)，配制海藻酸钠的浓度为20 mg/mL。将对巯基苯硼酸溶解于甲醇中，配制50 mg/mL、25 mg/mL和12.5 mg/mL的对巯基苯硼酸溶液。在搅拌的情况下，向2 mL的海藻酸钠PBS溶液中加入0.4 mL的对巯基苯硼酸甲醇溶液。最后加入0.1 mL浓度为20 mg/mL的CaCl2得到水凝胶，根据对巯基苯硼酸溶液浓度的不同，将三种水凝胶分别标记为水凝胶50、水凝胶25和水凝胶12.5(表1)。

表1 不同交联度水凝胶的配方

1.3 水凝胶的形貌观察

利用扫描电子显微镜(KYKY-EM3200)观察凝胶的多孔结构。为保持凝胶的多孔状形貌，将新制的水凝胶投入液氮速冻再冷冻干燥24 h后获得干燥后的凝胶。将小块海藻酸钠和干燥的水凝胶固定到双面胶上，之后贴到扫描电镜的样品台上。把样品台放到喷金池里面喷金后，放在扫描电镜的样品室里面观察其多孔状结构。

1.4 水凝胶的溶胀性研究

首先，将干燥的水凝胶50、水凝胶25和水凝胶12.5分别放于离心管中，接着向离心管中加入3 mL的PBS溶液，每隔一段时间取出水凝胶称重。最后，计算水凝胶的溶胀速率(SR)。

SR=m2/m1

这里的m1是干燥的水凝胶的质量，m2是置于PBS中浸泡一段时间后水凝胶的质量。

1.5 水凝胶的糖敏感性研究

首先，配制浓度为1 mg/mL和3 mg/mL的葡萄糖的PBS溶液。接着，将干燥的水凝胶50分别放入3 mL 浓度为0 mg/mL、1 mg/mL 和3 mg/mL的葡萄糖的PBS溶液中，每隔一段时间取出水凝胶称重。最后，计算不同葡萄糖浓度下水凝胶的SR。

2 结果与讨论

2.1 水凝胶的形成

将不同浓度的对巯基苯硼酸与海藻酸钠混合后，加入CaCl2得到水凝胶。如图1所示，与海藻酸钠溶液(图1a)相比，水凝胶(图1b)的流动性变差。将对巯基苯硼酸加入海藻酸钠的水溶液中后，在搅拌的过程中，对巯基苯硼酸上的硼酸基团会与海藻酸钠上的邻二醇形成可逆硼酸酯共价键，同时对巯基苯硼酸上的巯基也会被氧化为二硫键。再加入CaCl2后，钙离子会将海藻酸钠上的钠离子替换，与海藻酸钠上的羧酸根发生离子复合，最终形成凝胶(图2)。

图1 海藻酸钠溶液(a)和水凝胶(b)的照片

图2 水凝胶的形成过程机理图

2.2 水凝胶的形貌观察

图3为海藻酸钠和干燥水凝胶的扫描电子显微镜图。图3a为海藻酸钠的扫描电子显微镜图，从图中可以看出，海藻酸钠不具有孔结构。图3b为水凝胶的扫描电子显微镜图，与海藻酸钠的扫描电子显微镜图相比，水凝胶具有大孔多孔的结构。水凝胶的多孔结构利于其在药物负载等诸多领域的应用。

图3 海藻酸钠(a)和水凝胶(b)的扫描电镜照片

2.3 水凝胶的溶胀率测定

由图4可知，这几种不同交联度的水凝胶都在120 min左右达到最大溶胀速率。水凝胶25和水凝胶12.5在达到最大溶胀速率后，便开始降解，而且随着对巯基苯硼酸浓度的降低，水凝胶的降解速率加快。而在长达300 min的时间内，水凝胶50基本没有发生降解。我们认为，高浓度的对巯基苯硼酸对海藻酸钠的交联度更高，水凝胶多孔结构会更紧密，因此水凝胶的降解速度变缓。

2.4 水凝胶的糖敏感性研究

众所周知，基于苯硼酸的水凝胶具有糖敏感性，这是因为小分子糖会与水凝胶中的二醇结构竞争，与硼酸间形成可逆硼酸酯键。从图5可以看出，我们构建的水凝胶50在含葡萄糖的pH 7.4 的PBS溶液中逐渐降解。当葡萄糖的浓度为1 mg/mL(模拟的是人体正常的血糖浓度)时，仅部分水凝胶发生降解。当葡萄糖的浓度提高到3 mg/mL(模拟的是糖尿病患者的血糖浓度)时，水凝胶的降解更显著。随着溶液中葡萄糖浓度的提高，会有更多的葡萄糖与海藻酸钠发生竞争作用，与对巯基苯硼酸结合，因此水凝胶的交联结构被破坏的越多，降解就会更显著。

图4 水凝胶在pH 7.4的PBS中的溶胀曲线

图5 水凝胶50在不同葡萄糖浓度下的pH 7.4的PBS中的溶胀/降解曲线

3 结论

本文通过对巯基苯硼酸和CaCl2将海藻酸钠交联构建水凝胶。该水凝胶具有明显的大孔多孔结构，且水凝胶的稳定性受到苯硼酸含量和溶液中葡萄糖浓度的影响。随着对巯基苯硼酸含量的增加，水凝胶的稳定性逐渐增强。随着溶液中葡萄糖浓度的增加，凝胶降解速率逐渐加快。目前，正尝试将胰岛素负载于该水凝胶中，并考察在不同葡萄糖浓度下，胰岛素的体外释放速率，以此进一步推动该水凝胶作为药物载体用于糖尿病的治疗研究。

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Preparation of glucose-responsive hydrogels based 4-mercapto-phenylboronic acid

WANG Yan-xia,ZHI Shuang,CHAI Zhi-hua

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao， 101601，China)

In this paper,the hydrogels were fabricated by simple mixing of sodium alginate,4-mercapto-phenylboronic acid,and CaCl2.The scanning electron microscope images of hydrogels exhibited a highly macroporous spongelike structure.Swelling assay indicated that the hydrogels prepared at a high 4-mercapto-phenylboronic acid concentration had a higher stability.Furthermore,the degradation of hydrogels became more pronounced with the increase in the concentration of glucose in solutions.The glucose-responsive hydrogels with spongelike structure were expected to serve as a drug carrier for the treatment of diabetes.

sodium alginate;4-mercapto-phenylboronic acid;hydrogel;glucose-sensitivity

2016-12-26 基金项目:中央高校基本科研业务费(3142015080)

王彦霞( 1987-)，女，山东临沂人，博士，华北科技学院环境工程学院副教授，研究方向:纳米材料。E-mail:wanglele-108@163.com

TQ427.26

A

1672-7169(2017)01-0091-04