磁性和热敏性聚(N-异丙基丙烯酰胺)基微凝胶用于磁控释放

摘要

本论文描述了一种通过温度诱导乳化法制备磁性和热敏性微凝胶的方法，该过程无需化学反应。这些敏感性微凝胶是通过混合聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）、聚乙烯亚胺（PEI）和Fe₃O₄-NH₂纳米颗粒制备而成，有望用于磁控和热触发的药物释放。

摘要

设计并制备了包载抗癌药物姜黄素（Cur）的磁性和热敏性聚(N-异丙基丙烯酰胺) (PNIPAAm)/Fe₃O₄-NH₂ 微凝胶，用于实现磁触发释放。通过温度诱导乳液法并结合物理交联工艺，将PNIPAAm、聚乙烯亚胺（PEI）和Fe₃O₄-NH₂ 磁性纳米颗粒混合，制得具有球形结构的PNIPAAm基磁性微凝胶。由于Fe₃O₄-NH₂ 纳米颗粒具有良好的分散性，其被嵌入聚合物基质内部。Fe₃O₄-NH₂ 和PEI表面暴露的氨基通过与PNIPAAm的酰胺基团发生物理交联，从而维持了微凝胶的球形结构。疏水性抗癌药物姜黄素在包载入微凝胶后可在水中分散。采用透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和紫外-可见光谱分析对微凝胶进行了表征。此外，在外加高频磁场（HFMF）下研究了磁触发释放行为。由于磁感应加热（热疗）效应，在对微凝胶施加HFMF后，观察到姜黄素显著的"突释"现象。本文描述了Cur-PNIPAAm/Fe₃O₄-NH₂ 微凝胶包载姜黄素的磁触发可控释放，该系统在肿瘤治疗中具有潜在应用价值。

引言

水凝胶是三维（3D）聚合物网络，不溶于水但可在水溶液中溶胀¹。该聚合物网络包含亲水区域（可被水化以形成水凝胶结构）以及交联构象（可防止网络塌陷）。目前已有多种方法被研究用于制备水凝胶，例如乳液聚合、阴离子共聚、相邻聚合物链的交联以及反相微乳液聚合²。通过这些方法引入物理或化学交联，以获得结构稳定的水凝胶^1,3。化学交联通常需要交联剂的参与，该交联剂连接聚合物的主链或侧链。与化学交联相比，物理交联在制备水凝胶时更具优势，因其无需使用交联剂，而这些交联剂在实际应用中往往具有毒性⁴。目前已有多种方法被用于合成物理交联水凝胶，例如通过离子相互作用交联、结晶作用、两亲性嵌段之间的结合或在聚合物链上的接枝，以及氢键作用等^4,5,6,7。

刺激响应性聚合物能够响应不同的环境条件（例如，温度、pH、光、离子强度和磁场）而发生构象、化学或物理性质的变化，近年来因其在....

方案

1. 表面修饰、可水分散磁性纳米颗粒 Fe₃O₄ 和 Fe3O4-NH₂ 的合成

1. 将 14.02 g FeCl₃、8.6 g FeCl₂·4H₂O 和 250 mL 水加入 500 mL 烧杯中。
2. 连接转子和控制器以设置机械搅拌。在室温（RT）下以 300 rpm 搅拌溶液 30 分钟。
3. 在室温下向溶液中加入 25 mL 氨水（33%），并继续以 300 rpm 搅拌 30 分钟。保持烧杯敞开。
   警告：吸入氨水可能引起鼻腔刺激。此步骤必须在合适的通风橱内进行。
4. 为收集磁性氧化铁（Fe₃O₄），停止机械搅拌。将磁铁置于烧杯下方以收集黑色颗粒。
   1. 待 Fe₃O₄ 纳米颗粒完全沉淀后，小心移除上清液。倾倒上清液时不要晃动烧杯，以免造成 Fe₃O₄ 损失。
   2. 移开磁铁，并向烧杯中加入 50 mL 新鲜水。
   3. 摇动烧杯以重新分散 Fe₃O₄。重复步骤 1.4 至 1.4.2 三次，以纯化 Fe₃O₄。
....

结果

PNIPAAm/PEI/Fe 合成示意图₃O₄-NH₂ 微凝胶如图所示 图1. 采用热重分析（TGA）来估算有机化合物相对于整个微凝胶的相对组成。由于只有有机化合物PNIPAAm能够被燃烧，因此可通过该方法确定PNIPAAm与Fe的相对组成₃O₄ （或 Fe₃O₄-NH₂）的测定结果如图所示 表1. 为什么 PNIPAAm/Fe₃O₄-NH₂ 微凝胶表现出更好的分散性，但氧化铁含量较低？这是由于在 PNIPAAm/Fe 中具有更强的相互作用和更优的分散性₃O₄-NH₂ 低于PNIPAAm/Fe中的情况₃O₄，Fe₃

讨论

制备过程中最重要的步骤位于第2部分实验方案中，即通过热致乳化法合成磁性微凝胶。如图2（透射电镜图像）所示，由于PNIPAAm（酰胺基团）、PEI（氨基基团）与Fe₃O₄-NH₂（氨基基团）之间强氢键作用形成的物理交联，微凝胶的球形结构在室温（低于LCST）下能够得以维持。根据图4中的对比结果，磁性微凝胶在低温（25 °C）或高温（70 °C）下均表现出良好的分散性。如图5所示，这些微凝胶还可通过磁铁收集，并能重新分散成均一的溶液。

通常，由疏水性和亲水性单体合成的水凝胶在传统制备过程中需要引入交联剂以形成三维网络结构^4,5,6,

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
聚(N-异丙基丙烯酰胺)	Polyscience, Inc	21458-10	Mw ~40,000
(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷	Sigma-Aldrich	440140	> 99 %
氯化亚铁四水合物	Sigma-Aldrich	44939	99%
氯化铁	Sigma-Aldrich	157740	97%
姜黄素	Sigma-Aldrich	00280590
氢氧化铵	Fisher Chemical	A/3240/PB15	35%
磷酸盐缓冲液	Sigma-Aldrich	806552	pH 7.4，液体，经无菌过滤
聚乙烯亚胺（PEI）	Sigma-Aldrich	P3143	50 % (w/v) 水溶液
高频磁场（HFMF）	Lantech Industrial Co., Ltd.,中国台湾	LT-15-80	15 kV, 50–100 kHz
紫外-可见分光光度法	Thermo Scientific Co.	Genesys
透射电子显微镜（TEM）	JEM-2100	JEOL
傅里叶变换红外光谱法（FTIR）	PerkinElmer	Spectrum 100
热重分析仪	PerkinElmer	Pyris 1
超声波细胞破碎仪	Hielscher Ultrasonics	UP50H