CN103242494A - 一种温度、pH及磁场三重敏感性的复合微凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种温度、pH及磁场三重敏感性的复合微凝胶的制备方法，该方法具体包括以下步骤：首先，以硫醇为稳定剂，采用共沉淀法使混合的二价/三价无机铁盐在碱性水溶液中水解，制得具有超顺磁性的纳米四氧化三铁微粒；然后，以N-异丙基丙烯酰胺为温敏单体，甲基丙烯酸为pH敏单体，在引发剂、交联剂和表面活性剂的共同作用下发生沉降聚合反应，制得具有温度、pH及磁场三重敏感性的磁性纳米四氧化三铁被包覆的聚(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)复合微凝胶。与现有技术相比，本发明设计合理、工艺可行、操作简单、反应易控制等优点，且制备产物具有三重敏感性，可在药物控释、化学分离等生物医用材料领域具有广泛的应用价值。

Description

一种温度、pH及磁场三重敏感性的复合微凝胶的制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及温度、pH及磁场三重敏感性的复合微凝胶的制备方法。
背景技术
环境敏感型微凝胶，又称智能微凝胶，是指能感知外界环境(如温度、pH、离子强度、生物分子、光、电场或磁场等)微小变化或刺激，并能产生相应的物理结构和化学性质变化的一类高分子凝胶。鉴于其特殊的环境敏感性，使之在诸多领域展现出应用前景，尤其是在药物缓释、蛋白质分离与提纯、活性酶包埋、人工肌肉、生物探针及其它功能材料方面，受到了国内外学者的广泛关注。
在众多敏感型微凝胶中，温度或pH敏感的微凝胶因其制备相对简便，且具有高响应性，已成为当前的研究热点之一。温度敏感型微凝胶是指其体积能随环境温度改变而变化的微凝胶，可分为热胀型和热缩型两种，关于此类微凝胶的报道主要集中在聚丙烯酰胺类水凝胶的研究上。在pH敏感型微凝胶网络中，一般含有可离子化的酸性或碱性基团(如-COOH、-NH2、-CONH2或-PO3H基团)，随着环境pH的改变，这些基团会发生电离，进而引起微凝胶网络中大分子链段间的氢键发生解离，进而导致不连续的体积溶胀变化。
现有技术中，典型的温度敏感型微凝胶为聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)水凝胶，其在相转变温度(即低临界溶解温度：LCST～32℃)附近发生体积突变。当外界温度低于LCST时，PNIPAM水凝胶表现出亲水性，在水溶液中溶胀，其内部含有较大比例的水分；当外界温度高于LCST时，PNIPAM水凝胶变得疏水，其内部水分被排挤出来，致使水凝胶体积收缩。近年来，研究者选择具有环境敏感性的高分子单体与N-异丙基丙烯酰胺进行共聚反应，可制得具有双重敏感性的复合微凝胶，如丙烯酸，4-乙烯基吡啶、甲基丙烯酸等单体。例如，Huo等采用无皂乳液聚合法制备了不同丙烯酸组成比例的N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸共聚微凝胶(Dongxia Huo，Yana Li，Qingwen Qian，et al.Colloids and Surface B：Biointerfaces，2006，50：36)。Zhang等以N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酸为聚合单体，通过反相悬浮聚合法成功制备了接枝型温度及pH双重敏感的微凝胶(Jie Zhang，Liangyin Chu，Changjing Cheng，et al.Polymer，2008，49：2595)。Teng等以N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酸及丙烯氨基-2-脱氧葡萄糖为单体，采用无皂自由基沉淀聚合法制得了负载氨基葡萄糖的温度、pH及离子强度三重敏感微凝胶(Dayong Teng，Jingli Hou，XingeZhang，et al.Journal of colloid and interface Science，2008，322：333)。此外，有关温度及pH双重敏感的微凝胶也有中国专利报道。例如，张青松等以酰胺基化合物和羧基化合物为单体，丙烯酰胺基化合物为交联剂，采用无皂乳液聚合法制备了具有温度和pH双重响应性质的纳米级微凝胶(公布号：CN101037494A)。
以上方法只是采用增加具有环境敏感性共聚单体来调节复合微凝胶对温度、pH及离子强度等的响应性，因此制得的产物多为双重敏感型微凝胶材料。为了拓展此类微凝胶的应用，将具有磁性、光学或电学等性质的无机纳米材料与N-异丙基丙烯酰胺进行复合，可获得具有多重刺激响应性的有机-无机杂化微凝胶材料。例如，Deng等利用偶联了异硫氰酸荧光素的有机硅烷的水解反应将其负载在纳米四氧化三铁颗粒表面而得到荧光修饰的磁性颗粒，然后选用3-(三甲氧基硅烷)丙基丙烯酸酯对其表面修饰，通过沉淀聚合反应将PNIPAM包覆在荧光磁性颗粒表面，得到具有磁、热及荧光多重响应性微凝胶(Yonghui Deng，Changchun Wang，Xizhong Shen，et al.Chemistry-A European Journal，2005，11：6006)。Rubio-Retama等采用无皂自由基聚合法制得核/壳型PNIPAM/聚丙烯酸酯微凝胶，再利用铁离子共沉淀反应在其表面负载超顺磁性γ-Fe2O3纳米颗粒，制得温度及磁性双重响应的杂化微凝胶(Jorge Rubio-Retama，Nikolaos E.Zafeiropoulos，Caterina Serafinelli，et al.Langmuir，2007，23：10280)。另外，涉及具有多重响应性复合微凝胶的制备研究也有中国发明专利报道(公布号：CN1454924A，CN1318539C)。
尽管采用以上方法可以获得环境刺激响应性复合微凝胶，但依然存在某些关键的技术问题亟待解决，如制备工艺与成本，制备产物的生物相容性，刺激响应的敏感性等。因此，发展一种设计合理、工艺可行、操作简单、刺激敏感性的多功能复合微凝胶，在生物、医学、材料等相关领域具有十分重要的应用价值。迄今为止，尚未见采用沉淀聚合法将具有超顺磁性四氧化三铁颗粒直接包封在基于聚(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)的微凝胶网络中，而形成一种同时具有温度、pH及磁场三重敏感性复合微凝胶的相关中国专利报道。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种设计合理、工艺可行、操作简单、成本低，且具有温度、pH及磁场三重敏感性的复合微凝胶的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种温度、pH及磁场三重敏感性的复合微凝胶的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
(1)溶解氯化铁、硫酸亚铁与硫代乙醇酸形成均质水溶液，保持磁力搅拌下升温至一定的温度，逐滴加入氢氧化钠溶液以调节反应体系至弱碱性，制得大量黑色的纳米四氧化三铁微粒；
(2)取纳米四氧化三铁微粒溶于水，加入引发剂，再用氮气鼓泡半小时以去除溶解氧，然后将混合体系升温至反应温度并保持一定的反应时间，使四氧化三铁微粒的表面形成引发中心；
(3)将溶解了N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、交联剂、表面活性剂的混合水溶液加入步骤(2)所得体系，在某一反应温度和磁力搅拌下反应一定的时间，制得纳米四氧化三铁被包覆的聚(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)复合微凝胶。
步骤(1)中所述的氯化铁、硫酸亚铁与硫代乙醇酸的摩尔浓度比为1∶1∶2～5∶1∶6，反应体系的pH为7～8，四氧化三铁微粒的平均尺寸为10～30nm，反应温度为20～80℃。
步骤(2)中所述的引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，用量为1～5mg/mL，纳米四氧化三铁微粒的用量为0.1～1mg/mL，反应温度设定为60～90℃，反应时间为5～30min。
步骤(3)中所述的交联剂为戊二醛或N，N-亚甲基双丙烯酰胺，表面活性剂为十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠，N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、交联剂、和表面活性剂之间的质量浓度比为5～10∶1∶1∶1，搅拌速率为100～500rpm，反应时间为2～10h，反应温度为60～90℃，复合微凝胶呈球状，其平均尺寸为200～500nm。
与现有技术相比，本发明采用共沉淀法制备了具有超顺磁性的纳米四氧化三铁颗粒，并在其表面形成了引发中心，使温敏和pH敏单体进行沉降聚合反应将其包覆，制得纳米四氧化三铁被包覆的同时具有温度、pH及磁场三重敏感性的复合微凝胶。与现有技术相比，本发明设计合理、工艺可行、操作简单、反应易控制等优点，且制备产物具有三重敏感性，可在药物控释、生物传感、化学分离等生物医用功能材料领域具有广泛的研究和应用价值。
附图说明
图1为复合微凝胶的结构与温度/pH调节的溶胀态/收缩态示意图；
图2为纳米四氧化三铁的透射电子显微镜照片；
图3为复合微凝胶的透射电子显微镜照片；
图4为复合微凝胶在305K时的磁滞回线；
图5为复合微凝胶的流体力学尺寸随体系温度升高而减小的变化曲线；
图6为复合微凝胶的吸光率随体系pH值升高而增大的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
温度、pH及磁场三重敏感性的复合微凝胶的结构与温度/pH调节的溶胀态/收缩态过程参见图1，详细的制备步骤如下：将0.2mol氯化铁、0.1mol硫酸亚铁与0.3mol硫代乙醇酸溶于100mL去离子水，在磁力搅拌下升温至60℃，逐滴加入NaOH溶液调节反应体系为pH7.5，得到大量黑色四氧化三铁纳米粒，升温至80℃陈化30min，然后高速离心分离，反复洗涤，真空干燥，得到磁粒子干粉。称取10mg磁粒子干粉溶于100mL去离子水，加入20mg过硫酸钾，通氮气30min，在磁力搅拌下升温至70℃并保持10min。最后加入溶解了100mg N-异丙基丙烯酰胺，10mg甲基丙烯酸，10mg N，N-亚甲基双丙烯酰胺和10mg十二烷基硫酸钠的10mL混合水溶液，在300rpm的搅拌速率下反应6h，得到磁性纳米四氧化三铁微粒包覆的聚(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)复合微凝胶。产物通过透析袋渗析以去除未反应的单体及杂质，然后分散在磷酸缓冲溶液中。
采用透射电子显微镜观察磁性纳米四氧化三铁微粒和磁性纳米四氧化三铁微粒被包覆的聚(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)复合微凝胶的形貌与尺寸，四氧化三铁微粒呈规则球型，平均尺寸为10nm；复合微凝胶呈规则核/壳球型，内部黑色物质为纳米微粒，外层浅色物质为聚合物，整体平均尺寸为250nm(参见图2和图3)；采用振动样品磁强计测定复合微凝胶的迟滞回线以确定其超顺磁性，该曲线表现出极小的矫顽力与顽磁，最大饱和磁化强度为62.5emu/g(参见图4)，采用动态光散射仪测定复合微凝胶的流体力学尺寸与体系温度的关系，在29～41℃之间，复合微球的尺寸随温度的升高急剧减小(参见图5)；采用紫外-可见分光光度计测定复合微凝胶的吸光率与体系pH的关系，在pH4～11之间，复合微球的吸光值随pH的升高快速增大(参见图6)。
实施例2
详细的制备步骤如下：将0.3mol氯化铁、0.2mol硫酸亚铁与0.5mol硫代乙醇酸溶于100mL去离子水，在磁力搅拌下升温至75℃，逐滴加入NaOH溶液调节反应体系为pH8.0，得到大量黑色四氧化三铁纳米粒，升温至85℃陈化30min，然后高速离心分离，反复洗涤，真空干燥，得到磁粒子干粉。称取15mg磁粒子干粉溶于100mL去离子水，加入25mg过硫酸钾，通氮气30min，在磁力搅拌下升温至75℃并保持10min。最后加入溶解了150mg N-异丙基丙烯酰胺，15mg甲基丙烯酸，15mg N，N-亚甲基双丙烯酰胺和15mg十二烷基硫酸钠的15mL混合水溶液，在400rpm的搅拌速率下反应8h，得到磁性纳米四氧化三铁微粒包覆的聚(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)复合微凝胶。产物通过透析袋渗析以去除未反应的单体及杂质，然后分散在磷酸缓冲溶液中。复合微凝胶的性能表征方法同实施例1。
实施例3
详细的制备步骤如下：将0.2mol氯化铁、0.2mol硫酸亚铁与0.4mol硫代乙醇酸溶于100mL去离子水，在磁力搅拌下升温至70℃，逐滴加入NaOH溶液调节反应体系为pH7.5，得到大量黑色四氧化三铁纳米粒，升温至80℃陈化30min，然后高速离心分离，反复洗涤，真空干燥，得到磁粒子干粉。称取10mg磁粒子干粉溶于10mL去离子水，加入20mg过硫酸钾，通氮气30min，在磁力搅拌下升温至75℃并保持10min。最后加入溶解了200mgN-异丙基丙烯酰胺，20mg甲基丙烯酸，20mg N，N-亚甲基双丙烯酰胺和20mg十二烷基硫酸钠的25mL混合水溶液，在500rpm的搅拌速率下反应10h，得到磁性纳米四氧化三铁微粒包覆的聚(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)复合微凝胶。产物通过透析袋渗析以去除未反应的单体及杂质，然后分散在磷酸缓冲溶液中。复合微凝胶的性能表征方法同实施例1。
实施例4
详细的制备步骤如下：将0.4mol氯化铁、0.2mol硫酸亚铁与0.6mol硫代乙醇酸溶于100mL去离子水，在磁力搅拌下升温至75℃，逐滴加入NaOH溶液调节反应体系为pH8.0，得到大量黑色四氧化三铁纳米粒，升温至85℃陈化30min，然后高速离心分离，反复洗涤，真空干燥，得到磁粒子干粉。称取20mg磁粒子干粉溶于100mL去离子水，加入25mg过硫酸钾，通氮气30min，在磁力搅拌下升温至75℃并保持10min。最后加入溶解了100mg N-异丙基丙烯酰胺，10mg甲基丙烯酸，10mg N，N-亚甲基双丙烯酰胺和10mg十二烷基硫酸钠的20mL混合水溶液，在400rpm的搅拌速率下反应8h，得到磁性纳米四氧化三铁微粒包覆的聚(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)复合微凝胶。产物通过透析袋渗析以去除未反应的单体及杂质，然后分散在磷酸缓冲溶液中。复合微凝胶的性能表征方法同实施例1。
实施例5
详细的制备步骤如下：将0.5mol氯化铁、0.3mol硫酸亚铁与0.8mol硫代乙醇酸溶于100mL去离子水，在磁力搅拌下升温至75℃，逐滴加入NaOH溶液调节反应体系为pH8.0，得到大量黑色四氧化三铁纳米粒，升温至85℃陈化30min，然后高速离心分离，反复洗涤，真空干燥，得到磁粒子干粉。称取20mg磁粒子干粉溶于100mL去离子水，加入25mg过硫酸钾，通氮气30min，在磁力搅拌下升温至75℃并保持10min。最后加入溶解了150mg N-异丙基丙烯酰胺，15mg甲基丙烯酸，15mg N，N-亚甲基双丙烯酰胺和15mg十二烷基硫酸钠的15mL混合水溶液，在500rpm的搅拌速率下反应12h，得到磁性纳米四氧化三铁微粒包覆的聚(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)复合微凝胶。产物通过透析袋渗析以去除未反应的单体及杂质，然后分散在磷酸缓冲溶液中。复合微凝胶的性能表征方法同实施例1。
实施例6
一种温度、pH及磁场三重敏感性的复合微凝胶的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)溶解氯化铁、硫酸亚铁与硫代乙醇酸形成均质水溶液，保持磁力搅拌下升温至20℃，逐滴加入氢氧化钠溶液以调节反应体系至弱碱性，制得大量黑色的纳米四氧化三铁微粒；所述的氯化铁、硫酸亚铁与硫代乙醇酸的摩尔浓度比为1∶1∶2，反应体系的pH为7，四氧化三铁微粒的平均尺寸为10～30nm。
(2)取纳米四氧化三铁微粒溶于水，加入引发剂，再用氮气鼓泡半小时以去除溶解氧，然后将混合体系升温至反应温度60℃并保持30min，使四氧化三铁微粒的表面形成引发中心；所述的引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，用量为1mg/mL，纳米四氧化三铁微粒的用量为0.1mg/mL。
(3)将溶解了N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、交联剂、表面活性剂的混合水溶液加入步骤(2)所得体系，在60℃和磁力搅拌下反应10h，制得纳米四氧化三铁被包覆的聚(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)复合微凝胶，所述的交联剂为戊二醛或N，N-亚甲基双丙烯酰胺，表面活性剂为十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠，N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、交联剂、和表面活性剂之间的质量浓度比为5∶1∶1∶1，搅拌速率为100rpm，复合微凝胶呈球状，其平均尺寸为200nm。
实施例7
一种温度、pH及磁场三重敏感性的复合微凝胶的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)溶解氯化铁、硫酸亚铁与硫代乙醇酸形成均质水溶液，保持磁力搅拌下升温至80℃，逐滴加入氢氧化钠溶液以调节反应体系至弱碱性，制得大量黑色的纳米四氧化三铁微粒；所述的氯化铁、硫酸亚铁与硫代乙醇酸的摩尔浓度比为5∶1∶6，反应体系的pH为8，四氧化三铁微粒的平均尺寸为10～30nm。
(2)取纳米四氧化三铁微粒溶于水，加入引发剂，再用氮气鼓泡半小时以去除溶解氧，然后将混合体系升温至反应温度90℃并保持5min，使四氧化三铁微粒的表面形成引发中心；所述的引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，用量为5mg/mL，纳米四氧化三铁微粒的用量为1mg/mL。
(3)将溶解了N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、交联剂、表面活性剂的混合水溶液加入步骤(2)所得体系，在90℃和磁力搅拌下反应2h，制得纳米四氧化三铁被包覆的聚(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)复合微凝胶，所述的交联剂为戊二醛或N，N-亚甲基双丙烯酰胺，表面活性剂为十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠，N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、交联剂、和表面活性剂之间的质量浓度比为10∶1∶1∶1，搅拌速率为500rpm，复合微凝胶呈球状，其平均尺寸为500nm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种温度、pH及磁场三重敏感性的复合微凝胶的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
(1)溶解氯化铁、硫酸亚铁与硫代乙醇酸形成均质水溶液，保持磁力搅拌下升温至一定的温度，逐滴加入氢氧化钠溶液以调节反应体系至弱碱性，制得大量黑色的纳米四氧化三铁微粒；
(2)取纳米四氧化三铁微粒溶于水，加入引发剂，再用氮气鼓泡半小时以去除溶解氧，然后将混合体系升温至反应温度并保持一定的反应时间，使四氧化三铁微粒的表面形成引发中心；
(3)将溶解了N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、交联剂、表面活性剂的混合水溶液加入步骤(2)所得体系，在某一反应温度和磁力搅拌下反应一定的时间，制得纳米四氧化三铁被包覆的聚(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)复合微凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种温度、pH及磁场三重敏感性的复合微凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的氯化铁、硫酸亚铁与硫代乙醇酸的摩尔浓度比为1∶1∶2～5∶1∶6，反应体系的pH为7～8，四氧化三铁微粒的平均尺寸为10～30nm，反应温度为20～80℃。
3.根据权利要求1所述的一种温度、pH及磁场三重敏感性的复合微凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，用量为1～5mg/mL，纳米四氧化三铁微粒的用量为0.1～1mg/mL，反应温度设定为60～90℃，反应时间为5～30min。
4.根据权利要求1所述的一种温度、pH及磁场三重敏感性的复合微凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的交联剂为戊二醛或N，N-亚甲基双丙烯酰胺，表面活性剂为十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠，N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、交联剂、和表面活性剂之间的质量浓度比为5～10∶1∶1∶1，搅拌速率为100～500rpm，反应时间为2～10h，反应温度为60～90℃，复合微凝胶呈球状，其平均尺寸为200～500nm。
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