CN103897203B - 一种制备两亲性纳米微球复合网络水凝胶的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备两亲性纳米微球复合网络水凝胶的方法，将表面含有叠氮基团的纳米微球与至少含有两个端炔基的聚乙二醇衍生物点击反应，生成以两亲性纳米微球作为交联点的复合网络。本发明方法通过利用微乳液聚合制备两亲性功能纳米微球，再利用点击化学反应得到需要的“设计性”聚合物复合网络结构。该发明方法操作简单，条件温和，反应迅速；用本发明方法制备的聚合物网络具有可控的溶胀性、结构规整、可控的机械强度高等优点。

Description

一种制备两亲性纳米微球复合网络水凝胶的方法

技术领域

本发明属于高分子合成方法领域，涉及一种联合利用微乳液聚合和点击化学制备具有可控性质的两亲性纳米微球复合网络水凝胶的方法。

背景技术

高分子水凝胶是以水为分散介质的固体胶状物质，是大自然比较普遍存在的一种物质形态，很多生物组织器官的一些组成部分都是由水凝胶为主题构成的，如肌腱、眼球、血管和人体关节等。化学凝胶是由分子间通过化学键的相互形成的三维结构网络聚合物，能够吸收并保存一定量的水，并能在一定条件下失去吸收的水，是一类具有广泛和长远的应用前景的功能高分子材料。

“点击化学”（ClickChemistry），又被科研工作者称为为“链接化学”、“速配接合组合式化学”，是诺贝尔化学奖获得者Sharpless在2001年提出的，主要原理是通过小单元的拼凑和连接，来迅速稳定的完成多种多样分子的化学合成。点击化学的典型代表也是应用最为广泛的反应为铜催化条件下的炔基与叠氮基团的环加成反应。点击化学具有反应高效、反应条件温和以及反应选择性好等一些优点，目前已经被广泛的应用于药物开发、功能性水凝胶合成、生物组织合成等诸多领域。微乳液的概念是由Hear和Schalmer最早提出的，微乳液是一种由水相、油相、表面活性剂及助表面活性剂反应形成的透明均一且具有稳定热力学性质的油水分散体系。微乳液聚合方法制备的粒子具有粒径小、单分散性相对较好、孔道结构和外貌形态规整等诸多特点，在制备高分子交联微球方面应用非常广泛。乳液微球，是指其直径在纳米至微米的范围内，外貌形态像球形的聚合物团簇。纳米微球具有特殊的尺寸和形态外貌，具备优于其他种类材料的特殊功能，其功能目前已经发展到两亲性、PH响应性、温敏性、磁性和生理相容性、生理惰性等。而两亲性微球在整个复合网络凝胶结构中的应用越来越深入，特别是其尺寸可控和表面可功能化的特点赋予其诸多优异的物理和化学性质，作为整个凝胶网络结构的交联点，结合点击化学的反应类型

目前，水凝胶性质的可控性处在一个研究的瓶颈，本发明通过纳米粒子的尺寸和形貌的控制，使得网络结构的交联点的性质产生差异，得到溶胀和机械性质可控的两亲性纳米微球复合网络水凝胶。

发明内容

技术问题：本发明提供一种通过控制网络结构中交联点的尺寸和形貌，从而得到需要的某些性质可控且网络结构规整的制备两亲性纳米微球复合网络水凝胶的方法。

技术方案：本发明的制备两亲性纳米微球复合网络水凝胶的方法，包括以下步骤：

1）在反应器中加入以下反应物：在反应器中加入以下反应物：含有两个或两个以上多端炔基的双臂或者多臂聚乙二醇衍生物PEGn-Alkynylx和至少含有两个叠氮基团的两亲性功能性纳米微球衍生物Microspheres(N3)y，n为聚乙二醇主链的数量，n≥1，x为端炔基的数量，x≥2，Microspheres为纳米微球，平均粒径100～600nm之间，y为微球表面所带有的叠氮基团的数量，y≥2，在40～100℃的温度下，使加入的反应物溶解分散均匀后，氮气保护，密封体系，注射加入催化剂和配体；

两亲性的纳米微球是按照以下方法合成的：配置浓度为1%的十二烷基苯磺酸钠的水溶液，机械搅拌，预乳化，然后向溶液中加入预先混合均匀的单体苯乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯和交联剂1,4-对二乙烯基苯，继续机械搅拌，升高温度至引发温度75℃，按照占反应体系质量比为0.06%加入引发剂过硫酸钠，乳液聚合反应12h，制得纳米微球；

2）将步骤1）配制的溶液在氮气的保护下，在40～100℃下超声振荡反应0.5～3h，得到复合网络结构；

3）将聚合物网络取出，浸泡在乙二胺四乙酸二钠溶液中去除残留在网络中的催化剂，干燥后即得到规整的某些性质可控的两亲性纳米微球复合网络水凝胶。

本发明方法的优选方案中，步骤1）中的催化剂为铜系元素卤代催化剂。

本发明方法的优选方案中，步骤1）中的配体为含氮的多齿配体。

本发明方法的优选方案中，步骤1）中合成含有多端炔基的聚乙二醇衍生物PEGn-Alkynylx时采用的聚乙二醇分子量为2000～8000。

本发明方法的优选方案中，步骤1）中制备两亲性纳米微球复合网络水凝胶方法，其特征在于，步骤1）中合成的两亲性纳米微球的尺寸和外貌具有可控性，从而凝胶的溶胀和机械等性能也具有一定的可控性。

本发明方法是通过微乳液聚合中交联剂用量的不同控制充当交联点的两亲性纳米微球的尺寸和形貌，在一定温度和催化剂作用下用点击化学制备纳米微球网络结构的方法，从而得到需要的“设计性”网络结构，克服了传统凝胶网络结构不规整，性质不可控等一系列的缺点。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明为利用点击化学反应与微乳液聚合反应为制备具有性质可控的网络结构和功能性的两亲性纳米微球复合网络水凝胶提供了一种可行的方法；

2.本发明的方法利用微乳液聚合制备的尺寸和形貌可控的两亲性纳米微球作为网络结构的交联点，改变交联剂的用量调节纳米微球聚合过程的交联密度，达到控制微球粒径大小在纳米级范围内的目的，而纳米微球的粒径与其比表面积成反比，粒径越小，比表面积越大，其带有的功能性基团的数量也会增大，在参与整个网络结构的交联时，微球的交联度越大，其溶胀度反而会随之下降，而机械强度炔随之增强，因此使得用这种方法合成的网络结构在溶胀度、机械强度等方面具有可控性。

3.本发明的方法利用微乳液聚合点击反应可以通过合成过程中纳米微球和功能性基团数量的“可调节性”，可以很容易实现交联点数量和交联密度的可控性。

4.本发明制备的两亲性纳米微球复合凝胶网络，充分结合了击化学反应与微乳液聚合所制备的纳米微球的特点。这种方法制备的凝胶网络通过交联点微球粒径的大小的控制和表面功能性基团数量的改变，大大提升了交联的效率和密度，使得网络结构的微观结构趋于规整和可控，提高了复合凝胶网络的强度，这是现有的方法没有办法实现的。本发明提供的新型性质可控的两亲性纳米微球复合网络水凝胶网络的方法，为具有生物相容性的水凝胶在人造肌腱和关节组织领域的应用提供了可能。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。

实施例1：

a）表面带有叠氮基团纳米微球的制备：在装有冷凝回流、温度计和机械搅拌装置的500mL四口瓶中，加入1g的十二烷基苯磺酸钠，使其完全溶解于100mL去离子水，氮气保护，机械搅拌进行预乳化大约半小时，加入一定比例的苯乙烯、1,4-对二乙烯基苯和甲基丙烯酸缩水甘油酯，继续搅拌半小时，升温至75℃，加入约5mL一定浓度的过硫酸钾的水溶液引发反应，机械搅拌使其乳液聚合反应持续12h后停止，冷却至室温，反应体系澄清透明均一，发出透亮的蓝光。（各组分的配比如表1所示）

表1微乳液聚合各组分配比

将上述反应液转移至500mL的烧杯中，加入配置的饱和食盐水进行破乳，高速离心分离，转速约为4000rpm/s，得到乳白色的膏状物，甲醇和去离子水分别洗涤、离心分离3次，去除表面活性剂十二烷基苯磺酸钠,干燥，分散在N,N-二甲基甲酰胺中，备用。

取分散在N,N-二甲基甲酰胺中的微球乳液和去离子水以体积比3:1混合，置于洁净的100mL的圆底烧瓶中，称取3.75g的叠氮化钠和0.5g的氯化铵加入体系中，待叠氮化钠和氯化铵完全溶解，于60℃的温度条件下搅拌24h。待反应完成以后，将乳液装进一定分子量的透析袋中于水中透析24h后，换水，再次透析24h，以达到去除体系中未反应完全的叠氮化钠。将透析液于80℃旋蒸，除去体系中的水，得到乳白色均一液体，待用。

b）聚乙二醇衍生物的制备方法：在250mL干燥而洁净的Schlack瓶中加入10g干燥的PEG，分子量为2000，150mL无水四氢呋喃，于40℃下将PEG充分溶解。体系冷却至室温后，进行氮气保护约15min，冰水浴下加入0.44g纯度为60%的氢化钠粉末，溶液变得浑浊并产生大量气体，半小时后撤去冰浴，升温至30℃，反应6h。然后，加入约8mL的精制溴代丙炔，再次进行反应24h。待反应结束后，过滤除去反应过程中产生的盐，旋转蒸发除去大部分的溶剂四氢呋喃，残留液在大量的乙醚中沉淀，真空干燥得到淡黄色固体粉末约8.9g，产率89%，此物质即为目标产物。

在250mL干燥而洁净的Schlack瓶中加入10g干燥的PEG，分子量为4000，150mL无水四氢呋喃，于40℃下将PEG充分溶解。体系冷却至室温后，进行氮气保护约15min，冰水浴下加入0.22g纯度为60%的氢化钠粉末，溶液变得浑浊并产生大量气体，半小时后撤去冰浴，升温至30℃，反应6h。然后，加入约4mL的精制溴代丙炔，再次进行反应24h。待反应结束后，过滤除去反应过程中产生的盐，旋转蒸发除去大部分的溶剂四氢呋喃，残留液在大量的乙醚中沉淀，真空干燥得到淡黄色固体粉末约8.3g，产率83%，此物质即为目标产物。

在250mL干燥而洁净的Schlack瓶中加入10g干燥的PEG，分子量为6000，150mL无水四氢呋喃，于40℃下将PEG充分溶解。体系冷却至室温后，进行氮气保护约15min，冰水浴下加入0.22g纯度为60%的氢化钠粉末，溶液变得浑浊并产生大量气体，半小时后撤去冰浴，升温至30℃，反应6h。然后，加入约4mL的精制溴代丙炔，再次进行反应24h。待反应结束后，过滤除去反应过程中产生的盐，旋转蒸发除去大部分的溶剂四氢呋喃，残留液在大量的乙醚中沉淀，真空干燥得到淡黄色固体粉末约7.6g，产率76%，此物质即为目标产物。

在250mL干燥而洁净的Schlack瓶中加入10g干燥的PEG，分子量为8000，150mL无水四氢呋喃，于40℃下将PEG充分溶解。体系冷却至室温后，进行氮气保护约15min，冰水浴下加入0.22g纯度为60%的氢化钠粉末，溶液变得浑浊并产生大量气体，半小时后撤去冰浴，升温至30℃，反应6h。然后，加入约4mL的精制溴代丙炔，再次进行反应24h。待反应结束后，过滤除去反应过程中产生的盐，旋转蒸发除去大部分的溶剂四氢呋喃，残留液在大量的乙醚中沉淀，真空干燥得到淡黄色固体粉末约6.8g，产率68%，此物质即为目标产物。

双臂或者多臂聚乙二醇衍生物PEGn-Alkynylx中，每个聚乙二醇链的端部都对应连接一个多端炔基。

下面为利用本体点击化学反应体系制备高强度功能性凝胶网络的流程：

1）精确称取0.005g平均直径为100nm的表面带有叠氮基团的纳米微球和0.1g（0.05mmol）双炔基聚乙二醇衍生物（Mn=2000），在室温下超声波振荡至分散溶解。

2）将反应器通氮气鼓泡约15min后，迅速加入催化剂溴化亚铜(0.3575mg，0.0025mmol)超声使其均匀分散，继续通氮气鼓泡15min，然后将N，N，N’，N’’，N’’-五甲基二亚乙基三胺配体（0.0025mmol）用微型注射器快速的注射加入。反应温度为40℃，反应时间0.5h，形成了纳米微球复合凝胶网络。

3）将反应后的凝胶取出，浸泡在乙二胺四乙酸二钠溶液将残留在网络结构中的催化剂离子去除，得到目标凝胶网络。

实施例2

基本流程同实施例1，不同之处在于：

步骤1）中，0.01g平均直径为125nm的表面带有叠氮基团的纳米微球，0.3g（0.05mmol）多炔基聚乙二醇衍生物（Mn=6000），在室温下超声波振荡至完全分散溶解，加入迅速加入分析纯催化剂氯化亚铜(0.12375mg，0.000125mmol)，配体N，N，N’，N’’，N’’-五甲基二亚乙基三胺配体（0.000125mmol）。

步骤2）中，反应温度为50℃，反应时间1h形成了复合凝胶网络。

其余与实施例1完全一致。

实施例3

基本流程同实施例1，不同之处在于：

步骤1）中，0.01g平均直径为180nm的表面带有叠氮基团的纳米微球，0.4g（0.05mmol）多炔基聚乙二醇衍生物（Mn=8000），在室温下超声波振荡至完全分散溶解，加入迅速加入催化剂级氯化亚铜(0.1782mg，0.0018mmol)，配体N，N，N’，N’’，N’’-五甲基二亚乙基三胺配体（0.0020mmol）。

步骤2）中，反应温度为60℃，反应时间1.5h形成了复合凝胶网络。

其余与实施例1完全一致。

实施例4：

基本流程同实施例1，不同之处在于：

步骤1）中，0.005g平均直径为250nm的表面带有叠氮基团的纳米微球，0.1g（0.05mmol）双炔基聚乙二醇衍生物（Mn=2000），在室温下超声波振荡至完全分散溶解，加入迅速加入分析纯催化剂氯化亚铜(0.198mg，0.0020mmol)，配体N，N，N’，N’’，N’’-五甲基二亚乙基三胺配体（0.0015mmol）。

步骤2）中，反应温度为70℃，反应时间2h形成了复合网络结构。

其余与实施例1完全一致。

实施例5：

基本流程同实施例1，不同之处在于：

步骤1）中，0.01g平均直径为285nm的表面带有叠氮基团的纳米微球，0.2g（0.05mmol）双炔基聚乙二醇衍生物（Mn=4000），在室温下超声波振荡至完全分散溶解，加入迅速加入分析纯催化剂氯化亚铜(0.1683mg，0.0017mmol)，配体N，N，N’，N’’，N’’-五甲基二亚乙基三胺配体（0.0025mmol）。

步骤2）中，反应温度为70℃，反应时间2h形成了复合凝胶网络。

其余与实施例1完全一致。

实施例6：

基本流程同实施例1，不同之处在于：

步骤1）中，0.005g平均直径为300nm的表面带有叠氮基团的纳米微球，0.3g（0.05mmol）多炔基聚乙二醇衍生物（Mn=6000），在室温下超声波振荡至完全分散溶解，加入迅速加入分析纯催化剂溴化亚铜(0.3146mg，0.0022mmol)，配体N，N，N’，N’’，N’’-五甲基二亚乙基三胺配体（0.0016mmol）。

步骤2）中，反应温度为80℃，反应时间3h形成了复合凝胶网络。

其余与实施例1完全一致。

实施例7：

基本流程同实施例1，不同之处在于：

步骤1）中，0.01g平均直径为475nm的表面带有叠氮基团的纳米微球，0.2g（0.05mmol）双炔基聚乙二醇衍生物（Mn=4000），在室温下超声波振荡至完全分散溶解，加入迅速加入分析纯催化剂氯化亚铜(0.1386mg，0.0014mmol)，配体N，N，N’，N’’，N’’-五甲基二亚乙基三胺配体（0.0021mmol）。

步骤2）中，反应温度为80℃，反应时间3h形成了复合凝胶网络。

其余与实施例1完全一致。

实施例8：

基本流程同实施例1，不同之处在于：

步骤1）中，0.005g平均粒径为535nm的表面带有叠氮基团的纳米微球，0.4g（0.05mmol）多炔基聚乙二醇衍生物（Mn=8000），在室温下超声波振荡至完全分散溶解，加入迅速加入分析纯催化剂溴化亚铜(0.3575mg，0.0025mmol)，配体N，N，N’，N’’，N’’-五甲基二亚乙基三胺配体（0.0025mmol）。

步骤2）中，反应温度为90℃，反应时间2h形成了复合凝胶网络。

其余与实施例1完全一致。

实施例9：

基本流程同实施例1，不同之处在于：

步骤1）中，0.01g平均直径为600nm的表面带有叠氮基团的纳米微球，0.2g（0.05mmol）双炔基聚乙二醇衍生物（Mn=4000），在室温下超声波振荡至完全分散溶解，加入迅速加入分析纯催化剂氯化亚铜(0.012375mg，0.000125mmol)，配体N，N，N’，N’’，N’’-五甲基二亚乙基三胺配体（0.0018mmol）。

步骤2）中，反应温度为100℃,反应时间1.5h形成了复合凝胶网络。

其余与实施例1完全一致。

实施例10：

基本流程同实施例1，不同之处在于：

步骤1）中，0.00625g平均直径为600nm的表面带有叠氮基团的纳米微球，0.2g（0.05mmol）双炔基聚乙二醇衍生物（Mn=4000），在室温下超声波振荡至完全分散溶解，加入迅速加入分析纯催化剂氯化亚铜(0.012375mg，0.000125mmol)，配体N，N，N’，N’’，N’’-五甲基二亚乙基三胺配体（0.0020mmol）。

步骤2）中，反应温度为100℃，反应时间1.5h形成了复合凝胶网络。

其余与实施例1完全一致。

应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。

Claims (4)

1.一种制备两亲性纳米微球复合网络水凝胶的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在反应器中加入以下反应物：含有两个或两个以上多端炔基的双臂或者多臂聚乙二醇衍生物PEG_n-Alkynyl_x和至少含有两个叠氮基团的两亲性功能性纳米微球衍生物Microspheres(N₃)_y，其中PEG为聚乙二醇链，n为聚乙二醇主链的数量，n≥1，Alkynyl为炔基，x为端炔基的数量，x≥2，Microspheres为纳米微球，y为微球表面所带有的叠氮基团的数量，y≥2，所述两亲性功能性纳米微球衍生物的平均粒径范围在100～600nm之间，在40～100℃的温度下，使加入的反应物溶解分散均匀后，加入催化剂和配体；

所述聚乙二醇衍生物PEG_n-Alkynyl_x、催化剂、配体的物质的量之比为20：0.05：0.05～20：1：1，所述至少含有两个叠氮基团的两亲性功能性纳米微球衍生物Microspheres(N₃)_y的质量与聚乙二醇衍生物PEG_n-Alkynyl_x的物质的量的比为1：10g/mmol～1：5g/mmol；

所述的两亲性的纳米微球是按照以下方法合成的：配置浓度为1％的十二烷基苯磺酸钠的水溶液，机械搅拌，预乳化，然后向溶液中加入预先混合均匀的单体苯乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯和交联剂1,4-对二乙烯基苯，继续机械搅拌，升高温度至引发温度75℃，按照占反应体系质量比为0.06％加入引发剂过硫酸钠，乳液聚合反应12h，制得纳米微球；

2)将所述步骤1)配制的溶液在氮气的保护下，在40～100℃下超声振荡反应0.5～3h，得到复合网络结构；

3)将制备的复合网络取出，浸泡在乙二胺四乙酸二钠溶液中去除残留在网络中的催化剂，干燥后即得到规整的两亲性纳米微球复合网络水凝胶。

2.根据权利要求1所述的制备两亲性纳米微球复合网络水凝胶的方法，其特征在于，所述步骤1)中的催化剂为卤代的一价铜。

3.根据权利要求1或2所述的制备两亲性纳米微球复合网络水凝胶的方法，其特征在于，所述步骤1)中的配体为含氮的多齿配体。

4.根据权利要求1或2所述的制备两亲性纳米微球复合网络水凝胶的方法，其特征在于，所述步骤1)中合成含有多端炔基的聚乙二醇衍生物PEG_n-Alkynyl_x时采用的聚乙二醇分子量为2000～8000。