高吸水性树脂的研究及其在药物制剂中的应用

高吸水性树脂的研究及其在药物制剂中的应用摘要:高吸水性树脂是一种含有强的亲水性基团并具有一定交联度的功能高分子材料，来源丰富，用途广泛。本文主要介绍的是高吸水性树脂在药物制剂中的应用。关键词:高吸水性树脂,吸水机理,药物制剂Abstract:Superabsorbentpolymerisakindofhavinghydrophilicgroupandcross-linkedfunctionalpolymermaterial，widelyusedinmanyfieldssuchassanitarygoods，sealingcompositesandmedicaldrug-deliverysystems．Thisessaymainlyintroducestheapplicationinthepharmaceuticalpreparationsofsuperabsorbentpolymer.Keywords:superabsorbentpolymer,absorbentmechanism,pharmaceuticalpreparations高吸水性树脂(SuperAbsorbentPolymer,SAP)又称为超强吸水剂,是一种典型的功能高分子材料,具有良好的吸液性能和保水性能的高分子聚合物的总称。与水溶性聚合物和吸附性聚合物相比,在分子结构上高吸水树脂含有大量的亲水性很强的诸如羧基、羟基、酰氨基、磺酸基等化学基团,同时又具有一定的交联度而形成了三维网状结构，这些化学基团及其所形成的复杂结构赋予了树脂的高吸水特性。与传统吸水材料如海绵、纤维素、硅胶相比,它不溶于水,也不溶于有机溶剂,却又有着奇特的吸水性能和保水能力,能够吸收并保持自身质量的数百倍乃至数千倍的水,同时又具有对光、热、酸碱的稳定性。及良好的生物降解性能。高吸水性树脂具有吸水倍率高、吸水速率快、保水能力强等优点，广泛用于农业园林、食品加工、土木建筑、医疗卫生、石油化工以及日用化工等领域，并仍在向更广阔的应用领域拓展。1高吸水性树脂结构与吸水原理1.1高吸水性树脂的结构高吸水性树脂是一种三维网络结构，它不溶于水而能大量吸水膨胀，形成高含水凝胶。高吸水性树脂的主要性能是具有吸水性和保水性，这是因为其分子中含有强吸水性基团和一定的网络结构，即具有一定的交联度。高吸水性树脂的微观结构因合成体系的不同而呈现出多样性。大多数高吸水性树脂是由分子链上含有强亲水性基团（如羧基、磺酸基、酞胺基、羟基等）的三维网状结构所组成，如图1所示。吸水时，首先是离子型亲水基团在水分子的作用下开始离解，阴离子固定在高分子链上，阳离子作为可移动离子在树脂内部维持电中性。由于网络具有弹性，因而可容纳大量水分子，当交联密度较大时，树脂分子链的伸展受到制约，导致吸水率下降。随着离解过程的进行，高分子链上的阴离子数增多，离子之间的静电斥力使树脂溶胀，同时，树脂内部的阳离子浓度增大，在聚合物网络内外溶液之间形成离子浓度差，渗透压随之增大，使水进一步进入聚合物内部。当离子浓度差提供的驱动力不能克服聚合物交联结构及分子链间的相互作用（如氢键）所产生的阻力时，吸水达到饱和。图1高吸水性树脂的离子网络结构1.2高吸水性树脂的吸水原理1.2.1Flory-Huggins热力学理论热力学理论认为,标准化学位之差ΔU00时,水在高分子吸水剂相中稳定,因而水可渗入树脂内直至平衡。树脂吸水主要是由于分子中存在易于生成氢键的基团,若存在离子性基团,水渗入的倾向则更大。科学家Flory深入研究高分子在水中的膨胀后提出式（1）：(1)式中:Q、Ve/V0、Vu、i/Vu、S和(1/2-X1)/V1分别为树脂的吸水率、交联密度、结构单元体积、树脂中固定电荷的密度、外部溶液电解质的离子强度以及树脂对水的亲和力。式(1)中分子的第一项表示渗透压,第二项表示与水的亲和力,是增加吸水能力的部分,分母代表交联密度。因此,式(1)可简化为:由此可知,高吸水性树脂的吸水率与离子的渗透压及离子与水的亲和力之和成正比,与树脂的交联密度成反比。1.2.2溶液热力学理论林润雄等基于溶液热力学理论和交联网络的弹性自由能推导出式(2)：（2）式中:Q、ρ2、V1、Mc、X1分别为树脂的吸水率、密度、水的摩尔体积、交联点间的分子量以及树脂和水的交互作用参数。式(2)表明,高吸水性树脂的吸水能力与亲水基离子和交联网状结构有关。亲水基离子产生的渗透压是吸水的动力因素,交联网状结构的存在是吸水的结构因素。2高吸水性树脂的合成方法2.1本体聚合法本体聚合法就是不加入其它介质,只有单体自身在引发剂或催化剂、热、光、辐射等作用下进行聚合的方法。自由基聚合、离子聚合、缩聚都可选用本体聚合。气态、液态、固态单体均可进行本体聚合。其中自由基本体聚合和液态单体的本体聚合最为重要。用本体聚合法制备高吸水性树脂方法简单,产品纯度高,可根据成型的要求制成多种形状。但本体聚合法也存在一些问题:(1)由于无散热介质,随着反应的进行,反应热难以排除,加之凝胶效应,易造成局部过热,严重者发生爆聚;(2)反应产物粘度很高,易凝聚成固体,反应产物不易出料。因此,本体聚合法已很少采用。2.2溶液聚合法溶液聚合法是将单体和添加剂溶于适当溶剂中,经光照或加热、辐射、引发剂(或催化剂)的作用而进行聚合的方法。溶液聚合法较为成熟,应用广泛。康红梅等采用溶液聚合法合成了聚丙烯酸系树脂,吸水倍率达1430g·g-1,吸盐水倍率达102g·g-1。张立颖等以机械活化淀粉和丙烯酸为原料,采用溶液聚合法合成了耐盐性较好的高吸水性树脂,吸水倍率为3100g·g-1,吸盐水倍率达272g·g-1。溶液聚合法生产成本较其它合成方法低,操作简便,适于较大规模生产,但仍存在以下缺点:单体浓度较低,聚合反应速率较慢;聚合物分子量较低,颗粒分布不均匀,吸水倍率低,防潮性和流动性较差;溶剂分离回收费用高,固体聚合物出料困难。2.3反相悬浮聚合法反相悬浮聚合法是以油相作为分散介质,借剧烈搅拌和悬浮剂的作用,使水溶性单体和引发剂分散成水相液滴悬浮于油相中进行聚合的方法。悬浮聚合体系由单体、油溶性引发剂、水、分散剂四个基本组分组成。贾振宇等采用反相悬浮聚合法,通过AA/AM/AMPS(丙烯酸/丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)三元共聚制备的高吸水性树脂,吸水倍率达1250g·g-1,吸盐水倍率达225g·g-1。反相悬浮聚合法聚合热易排除,聚合过程稳定,操作方便,产品分子量较高,成粒状,吸水、耐盐、防潮性较好,后处理简单,成为引人注目的独特的聚合新工艺。但由于原料成本高,聚合过程采用间歇式生产,效率较低,目前难以实现工业化生产。2.4反相乳液聚合法反相乳液聚合法是指水溶性单体在油性介质中借助乳化剂的作用,并经强烈搅拌或振荡分散成乳液状态而进行聚合的方法。其主要特点有:单体是亲水性或水溶性物质;乳化剂采用油包水型;引发剂为油溶性;聚合速率与产品分子量同时提高;粒径较小;最终产物可以是乳液,也可破乳制成微粒粉末。朱秀林等用反相乳液聚合法合成内交联型高吸水性聚丙烯酸钠,吸水速率快,在4min内吸去离子水倍率1800g·g-1,吸盐水倍率150g·g-1。2.5其它特殊合成方法除上述主要方法外,还有其它一些特殊的制备高吸水性树脂方法,如辐射聚合法、固相合成法、模板聚法、管道聚合法、槽式合成法、薄膜制备法等。3高吸水性树脂国内外研究进展日本、美国和西欧在这一领域一直处于领先地位,他们对淀粉接枝丙烯腈的工艺提出了很多改良方案,并申请了专利,如用甲醇-水混合溶剂进行水解,不仅解决了水解难题,同时提高了吸水速率。1975年美国成功研究出“淀粉-聚丙烯腈接枝”的高吸水产品并进入市场;随后日本三洋化成公司考虑到丙烯腈单体残留在聚合物中会有毒性,不安全,而开发出“淀粉-丙烯酸交联性单体接枝共聚物”,日本还于1978年批准了高吸水性树脂应用于生理卫生材料,并最先将它应用于卫生用品;UCC公司还报道了用放射线对各种氧化烯烃作交联处理,合成非离子型高吸水性树脂,其吸水性能力为2000倍,从而打开了合成非离子型高吸水性树脂的大门。20世纪80年代后,欧、美、日各大化学公司相继开发出各种类型具有保水功能的高吸水性树脂,并对制造方法、树脂性能、应用领域进行了大量的研究。且随着日本和欧美等国纸尿布的迅速普及,该类树脂的用量也迅猛增加,如该类树脂的生产能力从1980年的0.5万t增加到1990年的20.7万t,1999年又猛增到129.2万t,并以30%的速度递增,明显高于其它功能高分子材料。我国对高吸水性树脂的研究起始于20世纪80年代中期,经过20多年的发展,全国已有数十家单位在从事高吸水性树脂的研究。目前有关高吸水性树脂的专利和文献报道在逐渐增多,如1982年中科院化学所的黄美玉等人在国内最先以二氧化硅为载体,聚-γ-琉丙基硅氧烷为引发剂,制备出吸水能力为400倍的聚丙烯酸钠类高吸水性树脂;季鸿渐等人采用丙烯酸和淀粉接枝共聚并用碱中和的工艺,研制出了吸水率达2000g·g-1的高吸水性树脂;朱秀林等人用反相乳液聚合法合成的内交联型高吸水性聚丙烯酸钠,吸水速率快,在4min内吸去离子水1800g·g-1,吸盐水率为150g·g-1左右;路建美等人为了提高吸水性树脂的凝胶强度,以丙烯酸和乌头酸为单体,用K2S2O8(过硫酸钾)-Na2S2O4(连二亚硫酸钠)作引发剂,乙二醇缩水甘油醚为交联剂,在水溶液中进行微波辐射共聚,制得吸水率为500g·g-1,吸盐水率为75g·g-1,保压吸水率为90g·g-1的高吸水性树脂;崔英德等以丙烯酸为主要单体,采用两段加料反应反相悬浮聚合法合成了一种具有软核硬壳结构的新型高吸水性树脂,该产品吸水性和渗透性良好。张立颖等以机械活化淀粉和丙烯酸为原料,采用水溶液聚合法合成了耐盐性能较好的高吸水性树脂,其吸水率为3100g·g-1,吸收0.9%的氯化钠溶液能力为272g·g-1。4高吸水性树脂在药物制剂中的应用高吸水性树脂的超强吸水能力和保水能力使得生理卫生方面的产品大大轻薄化、小型化、舒适化，消除了人们很多苦恼。高吸水性树脂在生物体中的适应性已经有不少的学者进行过这方面的研究，结果表明某些合成和半合成的高吸水性物质，具有一定的生物适应性。利用高吸水性材料具有极强的吸水性和保水性的特性，可制成和生物体含水量相近的各种组织材料，而且医药吸水性材料吸水后形成的凝胶比较柔软，具有人体适应性，如对人体无刺激性、无副反应、不发生炎症、不引起血液凝固等，这些都为其在医药上的应用创造了条件。在缓控释药物中作为药物的骨架载体的合成类亲水性高分子有相当一部分属于高吸水性树脂。在该领域享有盛名的美国古立德公司（GoodrichCorp）的系列交联丙烯酸聚合物carbopol就是缓控释骨架材料的典范。聚丙烯酸类的高吸水性树脂有良好的生物相容性、生物粘附性，发达国家近十几年来采用这类材料制备的靶向给药系统巴布剂得到了广泛的发展。把中药提取物做成巴布剂，近几年在中国也有了广泛的发展。高吸水性树脂作为医药释放材料的优势是可以通过调节分子结构，调节载药量，控制药物释放的速度。巴布剂采用高吸水性树脂类的亲水性高分子为药物载体材料，该剂型在患者皮肤上易揭下、无残留、不痛苦，药物的储量较大，完全可以取代采用毒性铅丹收膏的传统中药外用制剂“狗皮膏药”。近年来，高吸水性树脂已被广泛应用于医药医疗的各个方面：超强吸水性材料可用于制备能吸收手术及外伤出血和分泌液，并可防止化脓的医用绷带、棉球和纱布等；用于接触眼镜、人体埋入材料、保温保冷材料等医疗用品的生产和制造中；用于制造人工玻璃体、人工角膜、人工皮肤、人工血管、人工肝脏、人工肾脏等人工器官；用于保持部分被测液的医用检验试片；用于制备含水量大、使用舒适的外用软膏：另外，高吸水性树脂还在缓释药物基材等制造中得到应用，能通过调节含水率改变药剂的释放速度，避免随时间推移，释放速度逐渐降低。参考文献[1]龚吉安，李倩，赵彦生．高吸水性树脂的发展及研究现状［J］．应用化工，2012，5，41(5)：895-897.[2]张立颖,