CN103145916B - 一种可酸降解的温度响应poss杂化水凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可对温度变化快速响应且在酸环境下缓慢降解的水凝胶的制备方法。该水凝胶以N-异丙基丙烯酰胺和乙烯基吡咯烷酮为共聚单体，以八乙烯基笼状倍半硅氧烷和3,9-二乙烯基-2,4,8,10-四氧杂螺[5.5]十一烷为共交联剂，通过氮气保护下60°C自由基溶液聚合得到。该水凝胶在非酸性环境下稳定，具有明显的温敏性，LCST接近人体温度。当处于酸性环境中，凝胶中部分交联键断裂使得凝胶缓慢降解。同时，该水凝胶具有较好的抗压性，快速的响应性溶胀和解溶胀速率，将有潜力运用于定向药物缓释及生物组织工程领域。
Description
技术领域
本发明属于智能温敏凝胶的制备方法，特别涉及一种可对温度变化实现快速响应且在酸环境下实现缓慢降解的水凝胶的制备方法。
背景技术
高分子凝胶是由具有三维网络结构的高分子化合物与溶剂组成的体系，其中的高分子以范德华力，化学键力，物理缠绕力，氢键力等连接。网络结构不能被溶剂溶解而仅能溶胀。响应型高分子凝胶是其结构、物理性质、化学性质可以随外界环境改变而变化的高分子凝胶。当这种凝胶受到环境刺激时其结构和特性(主要是体积)会随之响应，如溶剂的组成、pH值、离子强度、温度、光强度和电磁场等刺激信号发生变化时，或受到特异的化学物质的刺激时，凝胶的体积会发生突变，呈现体积相转变行为。即当凝胶受到外界刺激时，凝胶网络内的链段有较大的构象变化，呈现溶胀相或收缩相，因此凝胶系统发生相应的形变，一旦外界刺激消失时，凝胶系统有自动恢复到内能较低的稳定状态的趋势。
在响应型凝胶中，以温度响应型凝胶应用最为广泛，而在温度响应凝胶中，以聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPA)水凝胶最为典型并被深入研究，PNIPA水凝胶在33℃以下吸水溶胀,当外界温度高于33℃时,凝胶收缩失水，发生相变,这一温度称之为较低临界溶解温度(LCST)，温度敏感PNIPA水凝胶已广泛用于药物控制释放、固定化酶和基因传递等领域。但是，PNIPA凝胶仍存在一些缺陷与不足。如PNIPA凝胶的相变温度不能满足人体37℃的使用要求，凝胶的响应性单一，且有机交联的PNIPA凝胶力学性能也较差，这些缺陷均极大的限制了它的应用。在目前的研究中，针对以上缺陷，多种技术被用于进行改善。如在提高LCST转变温度上，将丙烯酸(AA c)、丙烯酰胺等亲水性单体引入凝胶骨架可以提高其LCST。而在提高凝胶力学性能上，双网络凝胶，拓扑凝胶和纳米复合凝胶则主要的方法。为了引入多重响应性，则可在聚合过程中加入不同响应性单体。但是，其它单体的加入将会对聚合或凝胶原有的响应性产生一定影响，还会将毒性带入凝胶中，影响凝胶的生物相容性。因此，研发具有较好力学性能，可多响应同时具有良好生物相溶性的凝胶是在生物领域是非常有价值的。
多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)是一种新型的有机无机纳米颗粒,于1946年首次合成。1991年在美国空军研究实验室的支持下,Lichtenhan等制备了一系列带官能基的POSS,并将其用于高分子的改性。POSS的分子通式为(RSiO1.5)8,式中的R是有机取代基,可以为H、烷基、芳基等惰性基团和乙烯基、氨基等活性基团,同时分子具有无机骨架且分子尺寸在1～3nm之间。惰性基团可以增大POSS与聚合物的相容性；活性基团通过化学改性可以与聚合物或者聚合物单体反应。由于具有这些特性,所以POSS一问世便受到了极大的关注。并被用于聚合物的改性。近年来，POSS也被广泛应用于生物领域，并发现具有非常好的生物相容性。同时，POSS也被运用于水凝胶中被用于提高凝胶的解溶涨速率或将功能性引入水凝胶中。如Mu Jiangfang采用八臂丙基缩水甘油醚基硅倍半氧烷Octa(propylglycidylether)polyhedral oligomeric silsequioxane作为添加物制备了POSS杂化PNIPA凝胶，POSS加入量达到50％，凝胶具有快速的缩水速率(J.Polym.Sci:Part B:Polym.Phys.2011,47,504)。Zhiqiang Xu等合成了一种硫醇基POSS加入的PNIPA凝胶，其溶胀速率因POSS在凝胶中自组装形成的纳米微缩水区域而加快(Colloid.Polym.Sci.2011,289,1777)。利用POSS的纳米特性与分子结构的多样性特征，POSS杂化水凝胶仍有很大的发展空间，但总体来看，相关的研究较少，尤其是涉及到POSS杂化的多响应性凝胶很少，利用POSS的生物相容性及其可提高凝胶响应性的特征，发展新型的POSS杂化智能凝胶将具有很大的潜力。
在本发明中，以NIPA和NVP为共聚单体以调整凝胶的LCST温度，通过POSS基与原酸酯物质作为共交联剂制备了一种温度响应范围接近人体温度，具有可在酸环境下部分缓慢降解的，具有良好生物相溶性的水凝胶，此凝胶有潜力运用于生物工程和缓释领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能水凝胶的制备方法，更是一种具有良好生物相容性和机械性能的，可在人体温度附近实现快速温度响应，且可在酸性条件下缓慢降解的智能凝胶的制备方法。
一种可酸降解的温度响应POSS杂化水凝胶，其制备过程为：
将共聚单体即温敏单体N-异丙基丙烯酰胺和乙烯基吡咯烷酮，POSS交联剂八乙烯基笼状倍半硅氧烷，有机共交联剂3,9-二乙烯基-2,4,8,10-四氧杂螺，溶剂四氢呋喃按一定比例置于容器中，氮气保护下于室温下搅拌60分钟至于均匀、透明，后加入引发剂偶氮二异丁腈，迅速搅拌5分钟均匀后密封，将以上预聚液超声振荡5分钟后，于60℃下反应8-12小时，后取出用去离子水反复浸泡换水去除未反应的单体与溶剂得到产品，其中共聚单体中乙烯基吡咯烷酮的质量为N-异丙基丙烯酰胺的12.5％-25％，共聚单体与溶剂的质量比为10％-20％，POSS交联剂八乙烯基笼状倍半硅氧烷的用量为共聚单体摩尔量的1％-3％，有机交联剂3,9-二乙烯基-2,4,8,10-四氧杂螺用量为共聚单体摩尔量的2％-6％，引发剂偶氮二异丁腈用量为单体质量的0.5％-1％。
本发明所述一种可酸降解的温度响应POSS杂化水凝胶，所用单体为N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)和乙烯基吡咯烷酮(NVP)。其结构式分别为：
NIPA为典型的温敏单体，其最低转变温度(LCST)约为32℃。在低于LCST温度时，其胺基与水形成氢键，大分子亲水性增强，从而使得分子链呈舒展状态，凝胶吸水，而在高于LCST温度时，氢键破坏，大分子亲水性降低，分子链收缩，凝胶疏水。NVP为水溶性单体，具有很好的反应性，加入反应体系的主要目的为对凝胶的LCST温度进行调节，而NVP的加入将使体系LCST温度显著增加。当加入量为NIPA的1/4-8/1之间时，LCST将接近人体温度(37℃-39℃)。
本发明所述一种可酸降解的温度响应POSS杂化水凝胶，采用两种交联剂为共交联剂，分别为POSS交联剂八乙烯基笼状倍半硅氧烷(OvPOSS)和有机大分子交联剂3,9-二乙烯基-2,4,8,10-四氧杂螺[5.5]十一烷(DTU)，其结构式分别为：
其中，POSS是一种具有笼状结构的无机大分子，OvPOSS角落的八个乙烯基在凝胶中起到了交联作用，从而将POSS引入聚合物主链中，由于八乙烯基POSS的官能度较大，聚合物链在POSS周围有聚集趋势，这种微相的聚集将导致微疏水区域的出现，而这种微区域在凝胶内部将产生很多的纳米-微米孔，将为水的进入提供充分的通道，同时，这种孔洞还叫有利于降低凝胶的表面皮膜效应。所以，POSS的加入将大幅度提高凝胶的解溶胀速率。POSS的引入还对有机凝胶的力学强度，尤其是压缩强度具有积极影响，但因POSS具有疏水性，将导致凝胶溶涨性下降，凝胶的LCST温度将朝低温移动。
有机大分子交联剂3,9-二乙烯基-2,4,8,10-四氧杂螺[5.5]十一烷(DTU)是一种原酸酯物质，它具有在中性和碱性条件下稳定，而在酸性条件下将发生降解的特性。这使得其交联的凝胶可在酸性条件下缓慢降解，其中溶胀的溶液将缓慢释放。同时，由于他在凝胶中交联点众多，导致凝胶最终将降解为分子量小的低聚合物和POSS。降解过程中由于POSS的存在，凝胶性能不会突然大幅下降。
本发明所述一种可酸降解的温度响应POSS杂化水凝胶性能具有如下性能优势：
在发明所述配方区域间，该水凝胶具有接近人体温度的LCST，温度响应区间为36℃-39℃；具有快速的响应速率，当温度超过其LCST温度时，凝胶可在5分钟内失水60％以上；凝胶机械性能较好，压缩变形可达85％-90％，强度为15-20Kpa；凝胶具有酸降解特性，在酸性条件下，凝胶在15-30天内实现降解。以实施例2为例，凝胶的LCST温度为37.1℃，平衡溶胀率可达25倍(溶胀率为溶胀胶与干胶质量比)，压缩变形为86.4％，强度为16.7Kpa,将凝胶至于50℃环境中，10分钟失水72％。其温度与溶胀程度的关系及当置于pH＝4.5环境溶液中凝胶重量与时间的关系分别如图1，图2所示。
附图说明
图1是实施例2中制备的水凝胶的温度与溶胀程度关系示意图。
图2是实施例2中制备的水凝胶在pH＝4.5时，凝胶重量与时间的关系示意图。
具体实施方法：
结合实例做进一步说明。
下面结合具体实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步详细阐述，但不应理解为下述各实施例是对本发明上述主题所涉及范围的限制，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明范围。
实施例1
将4gNIPA，1gNVP，0.35gOvPOSS，0.22g有机共交联剂DTU，40mg AIBN置于容器中，氮气保护下于室温下搅拌60分钟至于均匀、透明。后加入催化剂，迅速搅拌5分钟均匀后密封。将以上预聚液超声振荡5分钟后，于60℃下反应8小时。后取出用去离子水反复浸泡换水去除未反应的单体与溶剂得到产品。
实施例2
将4.5gNIPA，0.9gNVP，0.65gOvPOSS，0.28g有机共交联剂DTU，35.2mg AIBN置于容器中，氮气保护下于室温下搅拌60分钟至于均匀、透明。后加入催化剂，迅速搅拌5分钟均匀后密封。将以上预聚液超声振荡5分钟后，于60℃下反应12小时。后取出用去离子水反复浸泡换水去除未反应的单体与溶剂得到产品。
实施例3
将4.2gNIPA，0.8gNVP，0.45gOvPOSS，0.32g有机共交联剂DTU，50mg AIBN置于容器中，氮气保护下于室温下搅拌60分钟至于均匀、透明。后加入催化剂，迅速搅拌5分钟均匀后密封。将以上预聚液超声振荡5分钟后，于60℃下反应12小时。后取出用去离子水反复浸泡换水去除未反应的单体与溶剂得到产品。
Claims (1)
1.一种可酸降解的温度响应POSS杂化水凝胶，其制备过程为：
将共聚单体即温敏单体N-异丙基丙烯酰胺和乙烯基吡咯烷酮，POSS交联剂八乙烯基笼状倍半硅氧烷，有机共交联剂3,9-二乙烯基-2,4,8,10-四氧杂螺，溶剂四氢呋喃按一定比例置于容器中，氮气保护下于室温下搅拌60分钟至于均匀、透明；后加入引发剂偶氮二异丁腈，迅速搅拌5分钟均匀后密封；将以上预聚液超声振荡5分钟后，于60℃下反应8-12小时，后取出用去离子水反复浸泡换水去除未反应的单体与溶剂得到产品；预聚液中共聚单体中乙烯基吡咯烷酮的质量为N-异丙基丙烯酰胺的12.5％-25％，共聚单体与溶剂的质量比为10％-20％，POSS交联剂八乙烯基笼状倍半硅氧烷的摩尔量为共聚单体摩尔量的1％-3％，有机交联剂3,9-二乙烯基-2,4,8,10-四氧杂螺用量为共聚单体摩尔量的2％-6％，引发剂偶氮二异丁腈用量为单体质量的0.5％-1％。
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