CN100393760C

CN100393760C - pH及温度双重敏感性纳米水凝胶及其制备方法

Info

Publication number: CN100393760C
Application number: CNB2006100392978A
Authority: CN
Inventors: 顾月清; 陈海燕; 钱志余; 李清增
Original assignee: China Pharmaceutical University
Current assignee: China Pharmaceutical University
Priority date: 2006-04-05
Filing date: 2006-04-05
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2026-04-05
Also published as: CN1847273A

Abstract

本发明涉及环境敏感型高分子纳米材料领域，具体涉及pH及温度双重敏感性N-异丙基丙烯酰胺类纳米水凝胶及其制备方法。本发明的纳米水凝胶粒径为30nm-200nm，最低临界溶解温度(LCST)为35℃～45℃，用本发明的制备方法可以任意调节粒径和LCST。

Description

pH及温度双重敏感性纳米水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及环境敏感型高分子纳米材料领域，具体涉及pH及温度双重敏感性N-异丙基丙烯酰胺类纳米水凝胶及其制备方法。

背景技术

聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)水凝胶是研究得较为广泛的一类温敏性材料，该类水凝胶在其最低临界溶解温度(LCST：32℃)下存在体积相转变：当外界温度小于LCST时，PNIPAM具有亲水特性，在水溶液中溶胀，内部含有较大比例的水分；当外界温度高于LCST时，PNIPAM变得疏水，将其内部的水分排挤出来，其体积变小。

CN01129696.8，CN01129694.1公开了多孔温敏性聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶的制备方法。CN03144329.X公开了一种N-异丙基丙烯酰胺与甲基丙烯酸葡聚糖衍生物共聚凝胶。武汉大学卓仁禧等在2004年申请了两篇专利，一篇关于含硅氧烷侧链的温度敏感PNIPAM水凝胶的制备，另一篇是关于生物可降解温度敏感PNIPAM水凝胶的制备方法(专利申请号：200410061315.3，20041001 3315.6)。WO2004/066704 A3公开了以N-异丙基丙烯酰胺，乙烯乙二醇二丙烯酸酯为前体，用乳化法制备得到该类水凝胶的微球。而PNIPAM纳米水凝胶的制备一般要通过在反应体系中加入表面活性剂来加以控制。美国得克萨斯大学的Ram Mohan KripaRamanan等通过表面活性剂不同的投料比，制备得到了粒径大小在100nm左右的PNIPAM纳米水凝胶以及PNIPAM水凝胶的微球(Ram Mohan Kripa Ramanan，Prithiviraj Chellamuthu，LipingTang.Development of a Temperature-Sensitive Composite Hydrogel for Drug DeliveryApplications.Biotechnology Progress，2006，22：118-125)。

大体积的该类水凝胶具有较好的生物相容性，通常用于整容和治疗功能损伤如乳房、声带等内修复术，作为提高延长作用的医用制剂的组织内贮藏部位以及终生堵塞空洞的材料，或是作为药物控制释放体系中的药物载体。CN97191715.9公开了一种用于治疗的可移植的丙烯酰胺共聚物水凝胶，该聚合物是多相的，有弹性和可变形的，并且具有含量为至少约80％的平衡水，其可以用于在例如发育的和成熟的神经系统中的组织再生和器官修复。CN02132409.3公开了一种采用丙烯酰胺单体与交联剂N，N亚甲基双丙烯酰胺在无热原水溶液中经γ射线辐射引发自由基聚合反应而制得一种医用水凝胶。

大体积的PNIPAM水凝胶通常对外部环境中的刺激感应慢，阻碍了其更好地应用；PNIPAM类的微凝胶对外部刺激感应也不灵敏，如郑州大学李亚娜等通过无皂乳液聚合得到了N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酸的无规共聚物微凝胶，其pH及温度敏感性均不是太强，用以表征pH及温敏性的透光率只能在较窄范围内变化，且突跃不明显(李亚娜，霍东霞，钱庆文，刘玉坤，pH及温度敏感性N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸共聚微凝胶的制备与表征.合成橡胶工业，2005，28(3)：222)。而纳米水凝胶对外部刺激如温度、pH等感应灵敏。1986年，Pelton等首次报导了聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)微凝胶。Zhibing Hu等在Pelton制备微凝胶方法的基础上，通过反应原料中表面活性剂十二烷基硫酸钠加入量的控制得到粒径分布在120nm-350nm范围内的聚N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸以及聚N-异丙基丙烯酰胺-丙烯胺纳米水凝胶，为形成三维网状结构水凝胶提供了很好的前体，但其LCST低于34℃(Gang Huanga，Jun Gaoa，Zhibing Hu.Controlled drug release from hydrogel nanoparticle networks Journal of ControlledRelease.2004，94：303-311)。WO2004/064816 A1公开了将马来酸右旋糖酐单酯与NIPA结合形成具有pH及温度敏感性的水凝胶，使LCST接近于体温，但未能将其LCST提高至体温以上，阻碍了其被更好地应用。

因此，现有技术中的纳米水凝胶一般都是对温度或pH单一敏感型，即使有pH及温度双重响应能力的水凝胶也由于其颗粒太大，达不到纳米级，另外，最低临界溶解温度一般都小于人体温，因此限制了其被更好地应用；目前还没有一种既对温度及pH具有快速的响应功能，LCST又能在人体体温上下一定范围内任意分布的N-异丙基丙烯酰胺类纳米水凝胶。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有快速pH及温度双重响应的共聚纳米水凝胶，它的粒径最低可以达到50nm以下，对温度，pH具有快速的响应，而且其相变温度可以高于正常生理温度而低于局部过热，能够成为抗肿瘤药物的优异载体。

本发明公开了一种对pH及温度双重敏感性N-异丙基丙烯酰胺类纳米水凝胶。其由N-异丙基丙烯酰胺与A共聚而成，得到的PNIPAM-co-A，粒径为30nm-200nm，最低临界溶解温度(LCST)为35℃～45℃，其中A为丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯胺、丙烯酰胺、异丁烯酰胺、乙烯基取代的烯胺或乙烯醇。

A优选丙烯酸。

本发明的PNPAM-co-A纳米水凝胶其结构如下所示：

该聚合物粘均分子量为1-10万，m/n的比例为25/2至2/1；A为丙烯酸，甲基丙烯酸，丙烯胺，丙烯酰胺，异丁烯酰胺，乙烯基取代的烯胺或乙烯醇。

本发明的另一个目的在于提供一种制备具有快速pH及温度双重响应的共聚纳米水凝胶的方法。该方法采用聚合沉淀法，形成聚合物纳米粒的单体在交联剂、表面活性剂以及引发剂存在的条件下，于氮气氛围，相变温度以上的反应温度的条件下制备而得。该方法设计简单，反应介质为水，不使用有机溶剂，后处理简单，反应条件温和，是一种理想的制备纳米水凝胶的方法。

制备方法包括：a、将N-异丙基丙烯酰胺单体、A、交联剂、表面活性剂溶于水中，通入氮气除氧；b、用水浴加热；c、向反应体系中加入引发剂，d、在反应液自然冷却后，将反应产物装入截留分子量为1000-10,000透析袋中进行透析，透析后，进一步冻干即得。

其中交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、N，N’-八亚甲基双丙烯酰胺、N，N’-十二烷亚甲基双丙烯酸胺、N，N’-二烯丙基酒石酸二酰胺或羟甲基丙烯酸胺。优选N，N’-亚甲基双丙烯酰胺。

表面活性剂为十二烷基硫酸钠或C_8～11的烷基硫酸盐。优选十二烷基硫酸钠。

引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、偶氮二异丁腈或N，N，N’，N’-四甲基乙二胺。优选过硫酸钾。

透析袋的截留分子量优选10,000。

上述制备方法中优选在相变温度以上的反应温度的条件下制备。温度优选70±1℃。

研究发现，在反应过程中，表面活性剂的量是影响纳米水凝胶粒径大小的主要因素；随着反应液中表面活性剂的增多，每个单体上所吸附的表面活性剂就越多，则单体之间的排斥作用增强，形成长链聚合物的机会减小，得到的水凝胶的粒径就会减小。因而通过表面活性剂量的控制，可以得到所需粒径范围的纳米水凝胶，不同量的表面活性剂得到的纳米水凝胶的粒径也不同，见图3。当表面活性剂的投料量为N-异丙基丙烯酰胺量的2％-20％(w/w)时，能制备出粒径为30nm-200nm的PNPAM-co-A纳米水凝胶。

研究还发现，PNIPAM-co-A纳米水凝胶的LCST随着参与共聚的A(如丙烯酸)比例的增加而提高，见图4；参与共聚的A，增加了纳米水凝胶的亲水性，使溶液体系中的氢键作用增强，从而破坏氢键需要更多的能量，使LCST提高。不同投料比(相对N-异丙基丙烯酰胺)的A(如丙烯酸)可以得到具有不同LCST的PNIPAM-co-A纳米水凝胶。当N-异丙基丙烯酰胺单体与A的摩尔比为1∶0.08～0.45时，PNIPAM-co-A纳米水凝胶的LCST为35～45℃。并且所制得的纳米水凝胶的LCST值可以通过A的加入量来调节，如：当丙烯酸的投料量为N-异丙基丙烯酰胺8mol％时，制备得到的PNIPAM-co-A的LCST为35℃；相应的20mol％丙烯酸对应于37℃；30mol％丙烯酸对应于41℃；35mol％丙烯酸对应于43.5℃。

丙烯酸等A物质参与共聚，使纳米水凝胶带上了羧基，pH的改变可以使该类纳米水凝胶发生相变，相变点接近于丙烯酸等的pKa(～4.3)值，见图5。

在制备中，交联剂和引发剂的投料量均优选N-异丙基丙烯酰胺重量的1～5％。

更优选的制备方法包含以下过程：

(1)将N-异丙基丙烯酰胺单体、丙烯酸单体、占单体N-异丙基丙烯酰胺总量1～2％的交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、十二烷基硫酸钠溶于蒸馏水中，装入装有温度计、磁力搅拌装置、氮气导管的三口烧瓶中；

(2)以恒速搅拌，并通入氮气除氧，直至氧气驱除干净；

(3)用水浴加热，将反应体系的温度控制于70±1℃；

(4)向反应体系中加入引发剂过硫酸钾，并将最终反应液定容至一定体积，使单体N-异丙基丙烯酰胺的重量浓度为1％，反应在4.5小时之后停止；

(5)将反应产物装入透析袋(截留分子量10,000)中进行透析两周，以除去未反应的单体、交联剂或其它小分子杂质。透析完全后，进一步冻干即得该纳米水凝胶的纯品。

本发明制备方法的优点在于：合成工艺简单，得到的一系列PNIPA-co-A纳米水凝胶，其粒径可以任意控制在30～200nm范围内；PNIPA-co-A共聚纳米水凝胶对温度具有快速的响应能力，并且可以使LCST在35-45℃范围内任意调整；同时，PNIPA-co-A共聚纳米水凝胶对于pH还具有敏感性，这可以对温度敏感性起到协同作用。

附图说明：

图1 PNIPAM纳米水凝胶的红外光谱图。

图2本发明的PNIPAM-co-AA共聚纳米水凝胶的红外光谱图

图3 PNIPAM-co-A粒径随不同投料比的表面活性剂十二烷基硫酸钠的变化图

图4反应中加入不同量的单体丙烯酸对纳米水凝胶的相变温度的影响

图5反应中所加入不同量的单体丙烯酸所得纳米水凝胶的pH与透光率的关系

注：其中I、II、III、IV、V分别为投料中丙烯酸所占N-异丙基丙烯酰胺摩尔百分比为：8％、20％、35％、40％、45％。

具体实施方式

实施例1

将3.7770g N-异丙基丙烯酰胺，0.18mL丙烯酸，0.0690g N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，0.3366g十二烷基硫酸溶于230mL水溶液加入装有电动搅拌装置、温度计及装有N₂导管的500mL三口烧瓶中。以400转/分钟的速率搅拌，并通入N₂充分除氧后，用水浴加热。加入0.0624g过硫酸钾的水溶液，将反应液定容至370mL，于70℃反应4h。得到的产物用蒸馏水充分透析(透析袋，截留分子量为10,000)后，然后进行冷冻干燥，得到粒径大小为110nm±15nm的PNIPAM-co-AA(丙烯酸)纳米水凝胶，LCST为35℃，红外光谱图见图2。

实施例2

将3.7770gN-异丙基丙烯酰胺，0.81mL丙烯酸，0.0690g N，N’-十二烷亚甲基双丙烯酸胺，0.6366八烷基硫酸钠溶于230mL水溶液加入装有电动搅拌装置、温度计及装有N₂导管的500mL三口烧瓶中。以400转/分钟的速率搅拌，并通入N₂充分除氧后，用水浴加热。加入0.0624g过硫酸铵的水溶液，将反应液定容至370mL，于70℃反应4h。得到的产物用蒸馏水充分透析(透析袋，截留分子量为10,000)后，然后进行冷冻干燥，得到粒径大小为48nm±10nm的PNIPAM-co-AA(丙烯酸)纳米水凝胶，LCST为43.8℃。

实施例3

将3.7770gN-异丙基丙烯酰胺，0.30mL丙烯胺，0.0690g N，N’-二烯丙基酒石酸二酰胺，0.6366g十烷基硫酸钠溶于230mL水溶液加入装有电动搅拌装置、温度计及装有N₂导管的500mL三口烧瓶中。以400转/分钟的速率搅拌，并通入N₂充分除氧后，用水浴加热。加入0.0624gN，N，N’N’-四甲基乙二胺的水溶液，将反应液定容至370mL，于70℃反应4h。得到的产物用蒸馏水充分透析(透析袋，截留分子量为10,000)后，然后进行冷冻干燥，得到粒径大小为95nm±10nm的PNIPAM-co-NH₂(丙烯胺)纳米水凝胶，LCST为39.3℃。

实施例4

将3.7770gN-异丙基丙烯酰胺，0.02g丙烯酰胺，0.0690g N，N’-八亚甲基双丙烯酰胺，0.6366g十一烷基硫酸钠溶于230mL水溶液加入装有电动搅拌装置、温度计及装有N₂导管的500mL三口烧瓶中。以400转/分钟的速率搅拌，并通入N₂充分除氧后，用水浴加热。加入0.0624g偶氮二异丁腈的水溶液，将反应液定容至370mL，于70℃反应4h。得到的产物用蒸馏水充分透析(透析袋，截留分子量为10,000)后，然后进行冷冻干燥，得到粒径大小为86.1nm±12nm的PNIPAM-co-acylamide(丙烯酰胺)纳米水凝胶，LCST为38.4℃。

Claims

1.一种纳米水凝胶，其特征是：由N-异丙基丙烯酰胺与A共聚而成，粒径为30nm-200nm，最低临界溶解温度为35℃～45℃，粘均分子量为1-10万，N-异丙基丙烯酰胺与A的摩尔比为25∶2至2∶1，其中A为丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯胺、丙烯酰胺、异丁烯酰胺、乙烯基取代的烯胺或乙烯醇。

2.权利要求1的纳米水凝胶，其中A为丙烯酸。

3.权利要求1或2的纳米水凝胶的制备方法，包括：a、将N-异丙基丙烯酰胺单体、A、交联剂、表面活性剂溶于水中，通入氮气除氧；b、用水浴加热；c、向反应体系中加入引发剂，d、在反应液冷却后，将反应产物装入截留分子量为1000-10,000透析袋中进行透析，透析后冻干即得。

4.权利要求3的制备方法，其中交联剂是N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、N，N’-八亚甲基双丙烯酰胺、N，N’-十二烷亚甲基双丙烯酸胺、N，N’-二烯丙基酒石酸二酰胺或羟甲基丙烯酸胺。

5.权利要求3的制备方法，其中表面活性剂是十二烷基硫酸钠或C_8～11的烷基硫酸盐。

6.权利要求3的制备方法，其中引发剂为是过硫酸钾、过硫酸铵、偶氮二异丁腈或N，N，N’，N’-四甲基乙二胺。

7.权利要求4、5或6的制备方法，其中交联剂是N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、表面活性剂是十二烷基硫酸钠、引发剂是过硫酸钾。

8.权利要求3的制备方法，其中N-异丙基丙烯酰胺单体与A的摩尔比为1∶0.08～0.45。

9.权利要求3的制备方法，其中表面活性剂的量是N-异丙基丙烯酰胺重量的2～20％。

10.权利要求3的制备方法，其中交联剂或引发剂的量是N-异丙基丙烯酰胺重量的1～5％。