CN102816286A

CN102816286A - 一种微量离子响应水凝胶及其制备方法

Info

Publication number: CN102816286A
Application number: CN2012103304349A
Authority: CN
Inventors: 刘文广; 南文静; 王玮
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-09-06
Also published as: CN102816286B

Abstract

本发明公开了一种微量离子响应水凝胶及其制备方法，由1-乙烯基咪唑、丙烯腈和交联剂通过自由基聚合共聚而成，所述交联剂分子的分子链两端带有碳碳双键、分子链中间为聚乙二醇分子的主链结构，在绝氧的条件下通过自由基聚合反应进行制备。本发明的水凝胶可通过与金属离子的络合与解络合作用很好的达到形状记忆的效果。

Description

一种微量离子响应水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微量离子响应水凝胶及其制备方法，更加具体地说，涉及1-乙烯基咪唑和丙烯腈共聚物（PVI-co-PAN）水凝胶及其制备方法。

背景技术

形状记忆高分子材料(Shape Memory Polymer)作为一种功能性高分子材料，由于具有可恢复形变量大、良好的适应性、价格便宜、易与其他材料结合形成复合材料等特点使其发展越来越受到重视。形状记忆高分子材料能够在某些条件下发生变形并被固定下来后，当需要时可通过热、化学、机械、光、磁或电等外加刺激，触发材料做出响应，使其恢复到初始形状。

水凝胶是一类具有亲水基团，在水中能够吸收大量的水分显著溶胀，并能够保持其原有结构而不被溶解的具有三维网络结构的聚合物。它能感知外界环境如温度、pH值、光、电、压力等微小的变化或刺激，产生相应的物理结构和化学性质变化并通过体积的溶胀或收缩来实现。形状记忆水凝胶是形状记忆高分子中的一类，它利用水凝胶的体积膨胀和收缩特性实现形状记忆功能，目前形状记忆水凝胶少有报导，而且报导的很多都是通过温度响应来实现形状记忆的,但由于凝胶中含有大量的水，相比于形状记忆高分子材料这种温敏机理对于凝胶的适用性就差了很多。因此，采用另一种简单有效的方法来实现形状记忆功能有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种以1-乙烯基咪唑为主体的水凝胶，具体为1-乙烯基咪唑和丙烯腈共聚物（PVI-co-PAN），该共聚物除表现出水凝胶的固有特性，还具有离子响应的特性，能够与微量金属离子络合和解络合能实现形状固定和恢复，即形状记忆功能，同时探索了其作为支架在载有细胞情况下的形状变化情况及细胞存活率。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种微量离子响应的水凝胶，由1-乙烯基咪唑、丙烯腈和交联剂通过自由基聚合共聚而成，所述交联剂分子的分子链两端带有碳碳双键、分子链中间为聚乙二醇分子的主链结构，即（CH₂CH₂O）_n。

制备本发明水凝胶的方法，按照下述步骤进行：

将1-乙烯基咪唑、丙烯腈、交联剂和引发剂溶解在溶剂中，通过引发剂引发1-乙烯基咪唑、丙烯腈和交联剂分子上的不饱和键，在绝氧的条件下通过自由基聚合反应制备出具有微量离子响应的水凝胶。

在本发明的技术方案中，以1-乙烯基咪唑和丙烯腈作为共聚单体，以交联剂交联共聚单体，交联剂分子的分子链两端带有双键、分子链中间为“氧－碳－碳－氧”单键相连的骨架结构，即聚乙二醇分子的主链结构，（CH₂CH₂O）_n，采用光源使引发剂提供自由基，再由自由基引发1-乙烯基咪唑、丙烯腈和交联剂（如不同数均分子量的聚乙二醇二丙烯酸酯，M_n为575－2000）中的双键，使三者几乎同时引发，发生聚合反应，最终制备的水凝胶材料中，具有聚乙烯基咪唑、聚丙烯腈和交联剂三种物质的链段，其中乙烯基咪唑提供离子响应性和生物相容性，丙烯腈提高骨架中的机械性能，交联剂中的聚乙二醇结构提供柔性链段，上述三部分协同作用，使整个水凝胶材料体现出微量离子响应性、生物相容性和一定的力学强度。

利用引发剂提供的自由基引发1-乙烯基咪唑、丙烯腈和交联剂发生反应。其中引发剂可以选择高分子聚合领域中常用的热引发剂，如偶氮二异丁腈（ABIN）、过氧化苯甲酰（BPO），或者光引发剂，如1－[4－（2－羟乙氧基）－亚苯基]－2－羟基－2′，2′-二甲基乙酮（Irgacure 2959）、甲基乙烯基酮、安息香。如果选择热引发剂，则需要首先利用惰性气体（如氮气、氩气或者氦气）排除反应体系中的氧，以避免其的阻聚作用，然后根据引发剂的活性和用量，将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保持相当长的时间，如1h以上或者更长（1－5h），以促使引发剂能够长时间产生足够多的自由基，引发反应体系持续发生自由基聚合反应，最终制备本发明的水凝胶。如果选择光引发剂，则可以选用透明密闭的反应容器，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合，由于光引发效率高于热引发，因根据所选引发剂的活性和用量调整照射时间时，照射时间可短于热引发的加热时间，如20分钟或者更长（30min－1h）。

在本发明的技术方案中，应当根据1-乙烯基咪唑、丙烯腈、使用的引发剂、交联剂的溶解性，选择能够完全溶解上述四种物质或者能够与上述四种物质完全互溶的溶剂，以混合均匀反应体系。由于丙烯腈具有极性，1-乙烯基咪唑、引发剂和交联剂也能够溶解在极性溶剂中，因此可选择有机溶剂中的极性溶剂，如二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜。

在制备方案中，单体1-乙烯基咪唑和单体丙烯腈的质量比为（3－7）：1。交联剂质量与两种单体（1-乙烯基咪唑和丙烯腈）的质量和的比为（1：3）－（3：1），优选为1：2。引发剂的质量为单体与交联剂总质量的2%~3%。在反应结束后，从反应容器中取出共聚物，去除未参加反应的单体、引发剂、交联剂和溶剂后，浸泡在水中直至达到溶胀平衡（如浸泡7天，每隔12h更换一次水，达到溶胀平衡）。

本发明提供的一种高强度PVI-co-PAN水凝胶是以1-乙烯基咪唑和丙烯腈为原料，在交联剂和引发剂存在下共聚制成，实现乙烯基咪唑作为水凝胶组分和微量离子的响应性，进一步研究发现其与微量金属离子的络合和解络合能实现形状固定和恢复，即形状记忆功能还有很好的生物相容性，同时丙烯腈的引入增强了凝胶的机械性能，使其能够操作和应用。此种制备方法简单，产品易于长期保存和长途运输。

附图说明

图1是本发明的条形形状记忆水凝胶的图示说明以及实际图片。

图2是本发明的螺旋形形状记忆水凝胶的图示说明以及实际图片。

图3L929细胞在本发明的形状记忆水凝胶表面培养的显微镜照片。

图4L929细胞在本发明的形状记忆水凝胶表面培养的显微镜照片，其中形状记忆凝胶经过离子处理（5mmol/L锌离子浓度）。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例

将单体1-乙烯基咪唑（14.4mg），丙烯腈（4.8mg），交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯（9.6mg，数均分子量575）加入到1.5ml离心管中，用171μl的二甲基亚砜（DMSO）溶解单体和交联剂后，加入光引发剂Irgacure2959（0.8mg，1-[4-(2-羟乙氧基)-亚苯基]-2-羟基-2′,2′-二甲基乙酮）。将含有单体，交联剂和引发剂的溶剂加入圆形模具中，模具在紫外固化箱中照射30min，以充分引发自由基聚合。随后打开模具取出凝胶，用去离子水反复冲洗数次，并浸泡7天，每隔12h更换上述去离子水。测试所制得的水凝胶的吸水率。按相同步骤制备凝胶片状物，进行力学性能、金属离子络合和形状记忆实验。此凝胶样品命名为PVI-PAN-3(单体1-乙烯基咪唑VI和丙烯腈AN的质量比为3)。其中进行拉伸力学性能测试的样品的尺寸为20mm×2mm，厚为30μm。

改变单体1-乙烯基咪唑和丙烯腈的质量比例为5和7，分别进行物理性能测试。下表列出了不同单体比例凝胶的测试数据，随着丙烯腈比例的提高，水凝胶的力学性能有明显的增高，但吸水率则随之下降。

凝胶的平衡吸水率按如下方法测得：将在纯水中充分浸泡好的凝胶表面的水用称量纸吸去，然后放在天平上称得湿重mwet，接着把凝胶放在烘箱内进行干燥，直到重量达到平衡测得干重m_dry，根据公式m_eq=(m_wet-m_dry)/m_wet×100%计算凝胶的平衡吸水率，其中m_wet和m_dry分别代表凝胶的湿重和干重。凝胶的机械性能用WDW-05电子机械仪测试，进行拉伸力学性能测试的样品的尺寸为20mm×2mm，厚为30μm。测试时，标距和拉伸速度固定为10mm and100mm/min以减少误差。

采用如下方法进行水凝胶离子络合测试：将制得的PVI-AN-3凝胶浸入1mmol/L和10mmol/L的锌离子水溶液中(由硫酸锌提供锌离子)，达到平衡后进行力学性能、吸水率和直径变化测试，同时泡入同样浓度的NaCl水溶液中以作对照。其中力学测试的条形凝胶尺寸为20mm×2mm×30μm，进行吸水率和直径测试的圆片凝胶直径和厚度约为6.66mm和1mm。由下表可知,在锌离子溶液中本发明的水凝胶的拉伸强度有显著的提高，而且在10mmol/L的锌离子溶液中，强度提高更多。这是由于本发明水凝胶中的咪唑基团与锌离子形成了络合键，增加了交联点，凝胶强度得以提高。但吸水率和直径变化数据表明：在1mmol/L和10mmol/L的锌离子溶液中，水凝胶的吸水率和直径都没有明显变化，这可能是因为在锌离子溶液中，水凝胶发生了质子化效用。而作为对照，在NaCl溶液中，强度、吸水率和直径几乎都没变化。

水凝胶在不同离子浓度下的数据对照

采用如下方法进行水凝胶的形状记忆性能表示：将条形水凝胶片（尺寸为30mm×2mm×30μm）缠到笔芯上成螺旋形，然后放进一个塑料管（两侧开通）中。接着把塑料管放进1mmol/L锌离子水溶液中(由硫酸锌提供锌离子)中固定六个小时，再将固定的螺旋形凝胶拿出放进37°C的50mmol/L EDTA水溶液中，可以观察到螺旋形凝胶回复成直条形状，如图1所示。同时可采用蛇形玻璃管（外径为2mm，内径为1.5mm）作为模具制备具有复杂弹簧形的水凝胶，而后将此弹簧形凝胶用手伸展开固定在一个塑料板上放进10mmol/L锌离子水溶液中(由硫酸锌提供锌离子)中固定两个小时。最后将固定好的水凝胶条浸入50mmol/L EDTA水溶液中观察其形状回复，图2表示此螺旋形形状记忆水凝胶的图示说明以及实际图片。本发明的形状记忆水凝胶在微量金属离子络合和解络合作用下不仅能记住简单的直条形，而且能回复成复杂的螺旋形形状。

采用以下方法进行水凝胶的细胞培养实验：把透析好的水凝胶浸入医用酒精，在紫外灯下照射20分钟灭菌后放入48孔板中，加入500μl DMEM培养基置换医用酒精。凝胶浸入DMEM培养基24小时后，将液体取出。把培养至指数生长期的L929细胞悬液加入到上述凝胶板中。培养24小时后，将培养基换为含体积分数10%的MTT 5mg/ml的磷酸盐缓冲液的DMEM培养基，再培养4小时。最后，加入DMSO并置于摇床上摇荡15分钟，用酶标仪读取490nm处吸光度。未经处理的细胞组作为对照组，测定细胞成活率。图3表示了L929细胞在本发明的形状记忆水凝胶表面培养的显微镜照片（CKX41,奥林巴斯倒置显微镜），从图片和表格中测试数据可知，细胞能在水凝胶上很好的生长，存活率达到90%以上，几乎和单纯培养板一样，说明本发明的水凝胶没有毒性，有良好的生物相容性。

MTT实验测定的L929细胞在本发明的形状记忆水凝胶表面培养的存活率

采用与上述相同方法进行锌离子对细胞的毒性实验及凝胶的形状固定，如下表所示，MTT实验测定的生长在凝胶上的L929细胞在不同浓度锌离子情况下的存活率。从表中可以看出随着锌离子浓度的增加，细胞存活率有很大幅度的降低。注意到5mmol/L锌离子浓度时，细胞存活率超过了60%，如附图4。

MTT实验测定的L929细胞在不同锌离子浓度下的存活率

采用如下方法进行水凝胶的形状记忆循环实验：将条形水凝胶弯成U形并放进1mmol/L锌离子水溶液（由硫酸锌提供锌离子）中固定八个小时，然后放进10mmol/LEDTA水溶液中，一直重复此操作三个循环并测量具体时间点时凝胶的回复角度变化以及不同循环后凝胶吸水率、拉伸强度以及杨氏模量的数值。形状固定率和形状恢复率按以下方程计算（Andreas Lendlein,Steffen Kelch.Shape-memory polymers.Angew.Chem.Int.Ed2002;41:2035-2038.）：

R_f=θ_t/θ_i×100%

R_r=(θ_i-θ_f)/θ_i×100%

下表表示本发明的条形水凝胶形状记忆循环数据。从四类不同数据看出循环吸附和解吸附锌离子没有破坏条状水凝胶的原始网络结构，而且原始条形形状能完全的回复。

将光引发体系变为热引发体系，用ABIN为引发剂，以氮气去除体系中的氧，其余条件同上述实施例的制备条件，进行热引发的聚合，制备出PVI-co-PAN水凝胶A；换用其他分子量的聚乙二醇二丙烯酸酯（M_n分别为800、1500和2000），采用光引发剂甲基乙烯基酮引发聚合，其余条件同上述实施例的制备条件，制备出PVI-co-PAN水凝胶B；改变交联剂和单体总质量的比例，采用Irgacure2959进行光引发聚合，条件同上述实施例，制备出PVI-co-PAN水凝胶C。经测试，水凝胶A、B和C都表现能变现出和实施例所示基本一致或者相似的各项性能参数。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种微量离子响应的水凝胶，其特征在于，由1-乙烯基咪唑、丙烯腈和交联剂通过自由基聚合共聚而成，所述交联剂分子的分子链两端带有碳碳双键、分子链中间为聚乙二醇分子的主链结构。

2.根据权利要求1所述的一种微量离子响应的水凝胶，其特征在于，所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯。

3.根据权利要求2所述的一种微量离子响应的水凝胶，其特征在于，所述交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯的数均分子量为500—2000。

4.一种制备微量离子响应的水凝胶的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：将1-乙烯基咪唑、丙烯腈、交联剂和引发剂溶解在溶剂中，通过引发剂引发1-乙烯基咪唑、丙烯腈和交联剂分子上的不饱和键，在绝氧的条件下通过自由基聚合反应制备出具有微量离子响应的水凝胶；所述交联剂分子的分子链两端带有碳碳双键、分子链中间为聚乙二醇分子的主链结构；

所述单体1-乙烯基咪唑和单体丙烯腈的质量比为（3－7）：1；所述交联剂质量与两种单体的质量和的比为（1：3）－（3：1）；所述引发剂的质量为单体与交联剂总质量的2%~3%。

5.根据权利要求4所述的一种制备微量离子响应的水凝胶的方法，其特征在于，所述交联剂质量与两种单体的质量和的比为1：2。

6.根据权利要求4所述的一种制备微量离子响应的水凝胶的方法，其特征在于，所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯。

7.根据权利要求6所述的一种制备微量离子响应的水凝胶的方法，其特征在于，所述交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯的数均分子量为500－2000。

8.根据权利要求4所述的一种制备微量离子响应的水凝胶的方法，其特征在于，所述溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃或者二甲基亚砜；所述引发剂为偶氮偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰、1－[4－（2－羟乙氧基）－亚苯基]－2－羟基－2′，2′－二甲基乙酮、甲基乙烯基酮或者安息香。

9.根据权利要求4所述的一种制备微量离子响应的水凝胶的方法，其特征在于，所述自由基聚合反应采用热引发聚合时，反应时间为1－5小时；所述自由基聚合反应采用光引发时，反应时间为20分钟或者30min－1h。

10.如权利要求1所述的微量离子响应的水凝胶作为形状记忆材料的应用，其特征在于，采用微量金属离子的络合和解络合能实现形状固定和恢复，如锌离子。