CN103539888A

CN103539888A - 有机无机杂化水凝胶及其制备方法与应用

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Publication number: CN103539888A
Application number: CN201310410812.9A
Authority: CN
Inventors: 张晓静; 何领好; 杨艳琴; 胡跃磊; 方少明
Original assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Current assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2014-01-29

Abstract

本发明公开了一种有机无机杂化水凝胶，它由带有n个双键的多面体倍半硅氧烷、单体、引发剂和溶剂制成，所述带有n个双键的多面体倍半硅氧烷的结构式为R_n(SiO_1.5)_n，其中n=6,8,10,12，R为乙烯基，所述多面体倍半硅氧烷与单体的重量比为1:100~8:100，所选用的引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰，引发剂与单体的重量比为0.1:100~2:100。本发明以无味无毒、具有良好生物相容性的有机无机杂化POSS分子作为水凝胶的交联剂，避免使用了有毒的有机交联剂MBA；适量POSS的引入，增强了水凝胶的机械强度，如当POSS投料比由1%增至8%时，在相同压力作用下，水凝胶的形变量由66%减小至36%，增强了其刚性。

Description

有机无机杂化水凝胶及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于功能高分子材料技术领域，涉及含有机硅的有机无机杂化水凝胶，其制备方法和用途。

背景技术

水凝胶是一种由物理或化学交联作用构筑的具有三维网络结构的功能高分子材料，因其独特的吸水、保水和仿生特性而受到材料科学和生物医学工作者的关注。传统的水凝胶一般由亲水性单体在有机交联剂如N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）的存在下经自由基聚合制得，然而传统的水凝胶材料在性能上存在很多的缺陷，如：形态结构不均一、机械性能、动力学性能差、响应速度慢等。为解决上述问题，拓宽水凝胶的应用范围，研究人员在新型材料设计、合成方法改进、材料结构控制等几个方面进行了积极有益的探索。其中最具代表性的是Haraguchi等人制备的纳米粘土复合水凝胶。将改性后的纳米粘土作为物理交联剂，通过与引发剂的组装在其表面原位引发单体聚合制备了新型的有机无机杂化水凝胶，该类材料在结构的均一性、力学性能及响应速率等方面均较传统的水凝胶有了大幅度的提高。多面体低聚倍半硅氧烷是一种分子水平的有机无机杂化材料，由无机硅氧硅笼形内核和外围的有机取代基组成，其中外围取代基可以是可反应性官能团。本发明利用带有n个可聚合双键（其中n=6,8,10,12）的多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）为交联剂，将其与亲水性单体如甲基丙烯酸-β-羟乙酯（HEMA）进行自由基共聚，在不添加有机交联剂MBA的条件下，制备了含有多面体低聚倍半硅氧烷的聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯有机无机杂化水凝胶。该有机无机杂化水凝胶中POSS的含量可由反应投料比控制。与传统的以MBA为交联剂制备的纯水凝胶相比，适量POSS的引入，增强了水凝胶的机械强度，玻璃化转变温度和热失重温度也随之升高，并具有良好的透光性，透光率可达95%以上，在水和生理盐水中的平衡含水量分别为55%-65%和45%-60%。以本发明的有机无机杂化水凝胶作为药物载体，具有较好的药物缓释效果，可用于隐形眼镜材料、眼科植入材料和组织工程医用材料领域。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种有机无机杂化水凝胶及其制备方法与应用。

本发明的技术方案是：一种有机无机杂化水凝胶，它由带有n个双键的多面体倍半硅氧烷、单体、引发剂和溶剂制成，所述带有n个双键的多面体倍半硅氧烷的结构式为R_n(SiO_1.5)_n,其中n=6,8,10,12，R为乙烯基，所述多面体倍半硅氧烷与单体的重量比为1:100~8:100，所选用的引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰，引发剂与单体的重量比为0.1:100~2:100。

所述单体为甲基丙烯酸-β-羟乙酯。

所述单体为甲基丙烯酸-β-羟乙酯或与第二单体的混合物，第二单体为N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N, N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸酯、N-异丙基丙烯酰胺或N，N-二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯，甲基丙烯酸-β-羟乙酯与第二单体的物质的量之比为1:1~1:0.1。

所述溶剂为四氢呋喃或二氧六环，单体与溶剂的质量体积之比为0.2~1.0g：1ml。

所述的有机无机杂化水凝胶的制备方法，在溶剂中加入多面体倍半硅氧烷、单体和引发剂，在氮气保护下搅拌30-50分钟，混合合均匀后在80-100 °C的条件下下反应8-12小时，得到水凝胶样品，然后用蒸馏水、四氢呋喃依次交替浸泡洗涤除去残留的单体、引发剂和一些低聚物，最后切片置于真空烘箱中干燥至恒重，得有机无机杂化水凝胶。

所述的机无机杂化水凝胶用于药物缓释的载体材料。

所述的机无机杂化水凝胶用于隐形眼镜材料领域。

本发明的有益效果：以无味无毒、具有良好生物相容性的有机无机杂化POSS分子作为水凝胶的交联剂，避免使用了有毒的有机交联剂MBA；可以通过调节投料比来控制水凝胶中POSS的实际含量。由于POSS在杂化水凝胶的合成中充当交联剂的作用，其实际含量直接决定了杂化水凝胶的交联度，因此可通过调节投料比来控制水凝胶内部结构，从而调控其热性能、力学性能、溶胀行为和药物缓释性能；适量POSS的引入，增强了水凝胶的机械强度，如当POSS投料比由1%增至8%时，在相同压力作用下，水凝胶的形变量由66%减小至36%，增强了其刚性；POSS作为疏水组分的引入，降低了亲水性药物的释放速率，延长了药物释放时间，可作为新型药物载体材料。如释药量达到50%时，3%、5%、8%POSS/PHEMA凝胶所需时间分别为8h、10h、17h，释药量达到80%时，所需时间分别为28h、36h、48h。

附图说明

图1为常规水凝胶及不同POSS含量的POSS/PHEMA杂化水凝胶的实物图。从图中可以看出，POSS含量小于5%时，POSS/PHEMA杂化水凝胶透明性良好。

图2为POSS、PHEMA及POSS/PHEMA杂化水凝胶的红外光谱图。从图中对比可知POSS和PHEMA发生了共聚。

图3为常规水凝胶和POSS/PHEMA杂化水凝胶的扫描电镜图。从图中可知，常规水凝胶的孔洞较杂化水凝胶的大，孔洞结构较多。随POSS含量的增加，杂化水凝胶的孔洞直径逐渐减小且形成了连通孔结构，有利于水分子进入材料内部。A：常规水凝胶，B：1%POSS/PHEMA杂化水凝胶，C：3%POSS/PHEMA杂化水凝胶，D：5%POSS/PHEMA杂化水凝胶，E：8%POSS/PHEMA杂化水凝胶

图4为PHEMA和POSS/PHEMA杂化水凝胶的热失重曲线谱图。从图中可以看出，POSS的加入明显增强了杂化水凝胶的热稳定性。

图5为PHEMA和POSS/PHEMA杂化水凝胶的DSC曲线谱图。由图可知，与纯的PHEMA相比，POSS/PHEMA杂化水凝胶的玻璃化转变温度Tg均升高。

图6为常规水凝胶和POSS/PHEMA杂化水凝胶的动态力学分析曲线。从图中可以看出，由于POSS笼形骨架结构的增强作用及交联网络结构的形成，POSS/PHEMA杂化材料的机械强度随POSS含量的增加而增加。

图7为常规水凝胶和POSS/PHEMA杂化水凝胶的溶胀性能测试图。由图可知，POSS的引入降低了水凝胶的平衡含水量和溶胀速率，在水和生理盐水中的平衡含水量分别为55%-65%和45%-60%。(a) 常规水凝胶和不同POSS含量的POSS/PHEMA杂化水凝胶在去离子水中的溶胀行为；(b)常规水凝胶和不同POSS含量的POSS/PHEMA杂化水凝胶在生理盐水中的溶胀行为；

图8为POSS/PHEMA杂化水凝胶的药物缓释曲线图。研究表明，POSS的引入，延长水凝胶的释药时间，降低了释药速率，具有良好的缓释效果。

具体实施方式

实施例1

1%POSS/PHEMA杂化水凝胶的制备：将10mL甲基丙烯酸羟基乙酯、0.106g 八乙烯基低聚倍半硅氧烷 (POSS)和0.053g偶氮二异丁氰(AIBN) 加入到15 mL1,4-二氧六环溶液中，在氮气保护下磁力搅拌40min，使之混合均匀。在90 °C下反应8h，得到水凝胶样品。然后用蒸馏水、四氢呋喃依次交替浸泡洗涤以除去残留的甲基丙烯酸羟基乙酯、AIBN和一些低聚物。浸泡后切片置于真空干燥箱中干燥至恒重, 得1%POSS/PHEMA杂化水凝胶。

实施例2

3%POSS/PHEMA杂化水凝胶的制备：将10mL甲基丙烯酸羟基乙酯、0.318g 八乙烯基低聚倍半硅氧烷 (POSS)和0.053g偶氮二异丁氰(AIBN) 加入到15 mL1,4-二氧六环溶液中，在氮气保护下磁力搅拌40min，使之混合均匀。在90 °C下反应8h，得到水凝胶样品。然后用蒸馏水、四氢呋喃依次交替浸泡洗涤以除去残留的甲基丙烯酸羟基乙酯、AIBN和一些低聚物。浸泡后切片置于真空干燥箱中干燥至恒重, 得3%POSS/PHEMA杂化水凝胶。

实施例3

5%POSS/PHEMA杂化水凝胶的制备：将10mL甲基丙烯酸羟基乙酯、0.530g 八乙烯基低聚倍半硅氧烷 (POSS)和0.053g偶氮二异丁氰(AIBN) 加入到15 mL1,4-二氧六环溶液中，在氮气保护下磁力搅拌40min，使之混合均匀。在90 °C下反应8h，得到水凝胶样品。然后用蒸馏水、四氢呋喃依次交替浸泡洗涤以除去残留的甲基丙烯酸羟基乙酯、AIBN和一些低聚物。浸泡后切片置于真空干燥箱中干燥至恒重, 得5%POSS/PHEMA杂化水凝胶。

实施例4

8%POSS/PHEMA杂化水凝胶的制备：将10mL甲基丙烯酸羟基乙酯、0.848g 八乙烯基低聚倍半硅氧烷 (POSS)和0.053g偶氮二异丁氰(AIBN) 加入到15 mL1,4-二氧六环溶液中，在氮气保护下磁力搅拌40min，使之混合均匀。在90 °C下反应8h，得到水凝胶样品。然后用蒸馏水、四氢呋喃依次交替浸泡洗涤以除去残留的甲基丙烯酸羟基乙酯、AIBN和一些低聚物。浸泡后切片置于真空干燥箱中干燥至恒重, 得8%POSS/PHEMA杂化水凝胶。

实施例5

载药凝胶的制备：将10g诺氟沙星加入0.1mol/L的盐酸溶液中，配置成浓度为1g/mL的诺氟沙星盐酸溶液。取不同质量分数的POSS/PHEMA杂化水凝胶和常规水凝胶，分别置于诺氟沙星盐酸溶液中浸泡至溶胀平衡，放入60℃的烘箱干燥至恒重，得到载药水凝胶样品。

实施例6

杂化水凝胶溶胀度的测定：称量0.8克左右的干凝胶样品，100℃的烘箱中充分干燥至恒定重量后，称量其重量W_l。然后，将干凝胶样品在恒定温度下用150毫升蒸馏水或生理盐水浸泡，每隔一定时间称量其重量W_t，另测得水凝胶材料达到溶胀饱和时的质量为W₂。水凝胶材料在不同溶胀时间下的含水量按照下式计算：

式中 SR—水凝胶材料在t时刻的含水量， %

W _t—水凝胶材料在t时刻的湿重，g

W ₁—水凝胶材料的干重，g

W ₂—水凝胶材料溶胀饱和时的重量，g

表1 不同POSS含量的POSS/PHEMA水凝胶的投料比

实施例	Name	POSS/PHEMA(wt/wt)
			1	1%POSS/PHEMA	1:100
2	3%POSS/PHEMA	3:100
			3	5%POSS/PHEMA	5:100
4	8%POSS/PHEMA	8:100
			5	0%POSS/PHEMA	0:100

比较例1

常规水凝胶的制备：将10 mL的甲基丙烯酸羟基乙酯(HEMA)、0.212 g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和0.053 g偶氮二异丁氰(AIBN)加入到1,4-二氧六环溶液中，在氮气保护下磁力搅拌40min，使之混合均匀。在90 °C下反应8h，得到水凝胶样品。然后用蒸馏水、四氢呋喃一次交替浸泡洗涤以除去残留的甲基丙烯酸羟基乙酯、AIBN和一些低聚物。浸泡后切片置于真空干燥箱中干燥至恒重。得常规水凝胶。

Claims

1. 一种有机无机杂化水凝胶，其特征在于：它由带有n个双键的多面体倍半硅氧烷、单体、引发剂和溶剂制成，所述带有n个双键的多面体倍半硅氧烷的结构式为R_n(SiO_1.5)_n,其中n=6,8,10,12，R为乙烯基，所述多面体倍半硅氧烷与单体的重量比为1:100~8:100，所选用的引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰，引发剂与单体的重量比为0.1:100~2:100。

2. 根据权利要求1所述的有机无机杂化水凝胶，其特征在于：所述单体为甲基丙烯酸-β-羟乙酯。

3. 根据权利要求1所述的有机无机杂化水凝胶，其特征在于：所述单体为甲基丙烯酸-β-羟乙酯或与第二单体的混合物，第二单体为N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N, N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸酯、N-异丙基丙烯酰胺或N，N-二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯，甲基丙烯酸-β-羟乙酯与第二单体的物质的量之比为1:1~1:0.1。

4. 根据权利要求1所述的有机无机杂化水凝胶，其特征在于：所述溶剂为四氢呋喃或二氧六环，单体与溶剂的质量体积之比为0.2~1.0g：1ml。

5. 如权利要求1所述的有机无机杂化水凝胶的制备方法，其特征在于它的步骤如下：在溶剂中加入多面体倍半硅氧烷、单体和引发剂，在氮气保护下搅拌30-50分钟，混合合均匀后在80-100 °C的条件下下反应8-12小时，得到水凝胶样品，然后用蒸馏水、四氢呋喃依次交替浸泡洗涤除去残留的单体、引发剂和一些低聚物，最后切片置于真空烘箱中干燥至恒重，得有机无机杂化水凝胶。

6. 如权利要求1所述的机无机杂化水凝胶用于药物缓释的载体材料。

7. 如权利要求1所述的机无机杂化水凝胶用于隐形眼镜材料领域。