2. 锦州医科大学抚顺市中心医院研究生培养基地, 抚顺 113006
2. Postgraduate Training Base, Fushun Central Hospital, Jinzhou Medical University, Jinzhou 113006, China
水凝胶是一种具有三维交联网络结构的高分子材料，能够在水中溶胀但不溶解，具有较高的弹性和保水性[1-2]。由于其独特的性能，水凝胶在农业、医药、环保等领域有着广泛的应用[3]。近年来，随着对刺激响应性材料研究的深入，pH敏感性水凝胶因其在药物递送系统中的潜在应用而备受关注。pH敏感性水凝胶能够根据环境pH值的变化调整其溶胀行为，从而实现药物的智能释放[4]。生理环境中，不同组织和器官具有不同的pH值，例如胃部pH值约为1~2，肠道pH值约为6~7，血液pH值约为7.4。因此，pH敏感性水凝胶可以作为一种理想的药物载体，根据体内不同部位的pH值变化实现药物的精准释放，提高药物疗效并减少副作用[5]。
目前，研究者们已经开发出多种pH敏感性水凝胶，包括基于聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、壳聚糖等水凝胶[6-8]。然而，水凝胶在机械性能、热稳定性和生物相容性等方面仍存在一些不足，限制了实际应用。为了克服这些缺点，研究者们开始探索将层状双金属化合物(LDH)与水凝胶结合，以提高水凝胶的综合性能[8-9]。LDH是一类具有层状结构的无机材料，具有良好的生物相容性、阴离子交换性和可调节的表面性质，能够增强水凝胶的机械强度和热稳定性[10-12]。
基于以上研究背景，本研究旨在制备一种羧甲基纤维素钠/丙烯酰胺/Mg-Al LDH纳米水凝胶，并探究其在不同pH值条件下的溶胀行为。通过优化合成条件，制备出具有高溶胀率和良好pH敏感性的纳米水凝胶，为其在药物递送系统中的应用提供理论依据和实验支持。同时，本研究还将对纳米水凝胶的结构和性能进行表征，以深入了解其pH敏感机制，为开发新型智能药物载体提供参考。
1 材料和方法 1.1 材料LG10-2.4A高速离心机(北京雷勃尔离心机有限公司)；CL-200集热式恒温磁力搅拌器(巩义市予华仪器有限责任公司)；UV-5100紫外-可见分光光度计(上海元析仪器有限公司)；KQ5200DE型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；DZF-6020真空干燥箱(上海博迅实业有限公司医疗设备厂)；YX930D电动吸引器(上海医疗器械工业公司医用吸引器厂)；IRprestig-21岛津傅立叶红外分光光度计(岛津企业有限公司)；JCY-1接触角测定仪(上海方瑞仪器有限公司)。
羧甲基纤维素钠(CMC)(AR，上海埃彼化学试剂有限公司)；硝酸镁(AR，北京化工厂)；硝酸铝(AR，天津市凯通化学试剂有限公司)；过硫酸铵(AR，天津市津北精细化学有限公司)；N, N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)[AR，萨恩化学技术(上海)有限公司]；四甲基乙二胺(TEMED)(AR，上海展云化工有限公司)；氯化钾(AR，天津市广成化学试剂有限公司)；磷酸二氢钾(AR，天津市凯通化学试剂有限公司)；磷酸二氢钠(AR，天津市巴斯夫化工有限公司)；丙烯酰胺(AR，天津市广成化学试剂有限公司)；无水乙醇(AR，北京高纯科技有限公司)。
1.2 方法 1.2.1 LDH合成称取8.5897 g六水合硝酸镁，6.1896 g九水合硝酸铝溶于50 mL蒸馏水中制备镁铝水溶液。50 mL 2 mol/L的氢氧化钠水溶液在氮气保护下逐滴加到镁铝水溶液中，并不断搅拌，滴加完成后，调pH至9~10，随后95 ℃老化24 h。将得到的混悬液离心，取下层沉淀，用去离子水将所得的沉淀洗涤2~3次，去除未反应水溶性物质。把洗涤干净的沉淀放真空干燥箱，50 ℃干燥24 h。
1.2.2 羧甲基纤维素钠/丙烯酰胺/Mg-AlLDH纳米水凝胶的合成2 g CMC缓慢加入30 mL去离子水中，并加入丙烯酰胺，充分搅拌。此外，一定量的LDH溶于去离子水中，超声2.5 h。将超声所得的LDH混合溶液与CMC溶液混合，并加入过硫酸铵，MBA，搅拌均匀，最后加入TEMED，充分混合，氮气除氧15 min，随后65 ℃预聚合12 h然后将产物倒入培养皿，放置12 h。将产物取出，切成3~4 cm的块状，放入去离子水中浸泡3 d，除去未反应的单体。浸泡完取出羧甲基纤维素钠/丙烯酰胺/Mg-Al LDH纳米水凝胶，烘箱54 ℃干燥即可。
1.2.3 羧甲基纤维素钠/丙烯酰胺/Mg-AlLDH纳米水凝胶pH敏感性测定分别取一定量的干燥水凝胶(初始重量记为m0)，将水凝胶分别放入不同pH值下的溶液中，浸泡8 h取出称重，将重量记为m1，利用公式(1)
| $ \text { 溶胀率 }=\left(\text{m}_1-\text{m}_0\right) / \text{m}_0 $ | (1) |
计算出不同pH值下羧甲基聚丙烯酰胺/LDH纳米水凝胶的溶胀率，分析pH对羧甲基聚丙烯酰胺/LDH纳米水凝胶的合成影响。
1.2.4 纳米水凝胶的红外表征采用压片机压片，以溴化钾为背景，分别将丙烯酰胺、LDH、纳米水凝胶压片，利用岛津Irprestge-21红外分光光度计对测试水凝胶样品进行红外表征，扫描波数范围为4000~500 cm-1。1.2.5纳米水凝胶接触角测定将溶胀完成的复合水凝胶膜均匀平铺在载玻片上，使用JCY-1型光学接触角测量仪，测量复合水凝胶膜的接触角，每个样品反复测量5次取其接触角的平均值。
2 结果和讨论 2.1 羧甲基纤维素钠/丙烯酰胺/Mg-Al LDH纳米水凝胶的影响因素 2.1.1 丙烯酰胺用量对羧甲基纤维素钠/丙烯酰胺/Mg-Al LDH纳米水凝胶合成的影响研究丙烯酰胺用量对羧甲基纤维素钠/丙烯酰胺/Mg-Al LDH纳米水凝胶溶胀率的影响，固定以下条件：CMC 2 g，LDH 0.5 g，APS 0.4 g，MBA 0.04 g。丙烯酰胺用量分别为1.0、1.5、2.0、2.5 g。将合成的纳米水凝胶浸泡在去离子水中，测定其在8 h内的溶胀率，结果如图 1a所示。需要注意的是，当丙烯酰胺0.5 g时，由于用量过少，未能引发聚合反应，因此未观察到溶胀现象。
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图 1 丙烯酰胺(a)和Mg-Al LDH(b)不同质量下的溶胀率折线图 |
由图 1a可知，当丙烯酰胺的量为1 g时，纳米水凝胶的8 h溶胀率最大。
2.1.2 LDH用量对羧甲基纤维素钠/丙烯酰胺/Mg-Al LDH纳米水凝胶的合成影响固定其他反应条件的情况下，研究LDH用量对纳米水凝胶溶胀率的影响。实验中，CMC 2 g，丙烯酰胺1 g，APS 0.4 g，MBA 0.04 g，而LDH分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g。将合成的纳米水凝胶样品浸泡在去离子水中，浸泡8 h。随后，测定各组样品的溶胀率，并绘制溶胀率随LDH用量变化的曲线。见图 1b。结果表明，当LDH用量为0.2 g时，纳米水凝胶的溶胀率达到最佳。
2.1.3 APS用量对羧甲基纤维素钠/丙烯酰胺/Mg-Al LDH纳米水凝胶的合成影响实验固定了其他条件：2 g CMC、1 g丙烯酰胺、0.2 g LDH和0.04 g MBA，仅改变APS的用量，分别为0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 g。每组实验，合成的纳米水凝胶被浸泡在去离子水中，测定其在8 h内的溶胀率。见图 2a。
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图 2 过氧二硫酸铵(a)和亚甲基双丙烯酰胺(b)不同质量下的溶胀率折线图 |
图 2a示，当APS 0.4 g时，合成的羧甲基聚丙烯酰胺LDH纳米水凝胶表现出最佳的溶胀效果。此条件下，水凝胶溶胀率显著高于其他各组，说明APS最佳用量是0.4 g。结果表明，适量的APS能有效促进纳米水凝胶的交联反应，从而提高其吸水性能。
2.1.4 MBA用量对羧甲基纤维素钠/丙烯酰胺/Mg-Al LDH纳米水凝胶的合成影响实验中固定了其他反应物的用量，具体为：2 g CMC、1 g丙烯酰胺、0.2 g LDH和0.4 g APS，而MBA的用量分别设为0.04、0.08、0.12、0.16、0.20 g。按照既定的合成步骤制备纳米水凝胶后，将样品浸泡在去离子水中，测定其8 h后的溶胀率。见图 2b。实验结果显示，当MBA用量为0.08 g时，纳米水凝胶的溶胀率达到最大值，表明此时的交联程度最为适宜，溶胀效果最佳。通过对比不同MBA用量下的溶胀率，可以得出合成羧甲基纤维素钠/丙烯酰胺/Mg-Al LDH纳米水凝胶的最佳条件为：2 g CMC、1 g丙烯酰胺、0.2 g LDH、0.4 g APS和0.08 g MBA。这一条件下的纳米水凝胶在去离子水中的溶胀性能最优，为进一步研究其pH敏感性提供了基础。
2.2 不同pH值下最佳羧甲基纤维素钠/丙烯酰胺/Mg-Al LDH纳米水凝胶的溶胀率将最佳条件下合成的羧甲基聚丙烯酰胺LDH纳米水凝胶放在不同pH值溶液中浸泡8 h，测溶胀率，结果见图 3。
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图 3 纳米水凝胶在不同pH下的溶胀率折线图 |
在酸性条件下(pH=1~4)，溶胀率先随pH增加而上升，随后pH=2~4时逐渐下降；中性附近(pH=4~7)，溶胀率呈现先回升后下降的趋势；在接近中性至弱碱性(pH=7~8)时，溶胀率急剧增加，并在pH=8时达到最大值；在强碱性条件下(pH=8~13)，溶胀率先急剧下降(pH=8~9)，随后在pH=9~11时小幅下降，最后在pH=11~13时逐渐回升。特别值得注意的是，纳米水凝胶在pH=8时表现出显著的溶胀率峰值。这表明在pH=8的环境中，水凝胶的亲水基团迅速吸水，导致其体积急剧膨胀。这种pH敏感性表明，羧甲基纤维素钠/丙烯酰胺/Mg-Al LDH纳米水凝胶在pH=8时具有最强的响应能力，这为其在药物递送等领域的应用提供了重要参考。
2.3 水凝胶的表征 2.3.1 红外光谱分析通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析，图 4a显示丙烯酰胺在1 690~1 630 cm-1范围内呈现酰胺基团(-CONH2)的特征吸收峰。图 4b中LDH在3 456 cm-1处观察到归属于羟基(-OH)伸缩振动的强吸收峰。对比图 4c可见，纳米水凝胶合成后，原料丙烯酰胺的C=C双键(原位于1 640 cm-1附近)因自由基聚合反应完全消失，表明交联剂MBA成功参与网络结构形成。此外，CMC的-OH弯曲振动峰(1 420 cm-1)与LDH的金属-羟基伸缩振动(550~750 cm-1)协同作用，进一步验证了复合水凝胶的化学交联机制。
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图 4 纳米水凝胶与原料的红外光谱图对比(a为丙烯酰胺，b为Mg-Al LDH，c为羧甲基聚丙烯酰胺纳米水凝胶) |
接触角是衡量液体对复合水凝胶材料表面润湿性能的重要参数，能够间接反映水凝胶作为生物材料时对细胞的黏附能力。图 5展示了水凝胶的接触角冻结图像，表 1列出了测定的接触角数据。结果显示，水凝胶的接触角均＜90°，总平均接触角73.29°，表明其表面具有良好的亲水性。这一特性对于水凝胶在生物医学领域的应用具有重要意义，尤其是在需要细胞黏附或组织相容性的场景中。
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图 5 水凝胶接触角冻结图像 |
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表 1 水凝胶的左接触角、右接触角和平均接触角角度 |
合成羧甲基纤维素钠/丙烯酰胺/Mg-Al LDH纳米水凝胶的最佳配方为：CMC 2 g、AM 1 g、LDH 0.2 g、APS 0.4 g及MBA 0.08 g。在此条件下制备的纳米水凝胶在去离子水中展现出最佳溶胀性能，其接触角为73.29°，表明该材料表面具有良好的亲水性。
pH敏感性实验结果表明，该纳米水凝胶在溶液pH=8时溶胀率达到峰值(Δm/m0=423%)，表现出显著的pH响应特性。这种溶胀行为与聚合物链段中羧基/酰胺基团的质子化-去质子化平衡密切相关，当环境pH接近羧基pKa值时，水凝胶网络结构的静电斥力增强，导致快速溶胀。
这一特性使其在pH=8的环境中表现出显著的响应性，为该材料在药物递送等领域的应用提供了重要参考。实验数据表明，通过调控LDH掺杂量及聚合物交联密度，可进一步优化水凝胶的刺激响应行为，为其在智能材料领域的实际应用奠定理论基础。
利益冲突：所有作者均申明不存在利益冲突。
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