CN104151464B - 一种聚丙三醇类水凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚丙三醇类水凝胶的制备方法。本发明以环氧氯丙烷为主原料，在强碱和相转移催化剂的作用下，先与丙烯酸反应，引入光聚合反应所需的双键和可引发环氧氯丙烷开环的羧基基团，生成了含丙烯酸基的环氧氯丙烷衍生物；然后加入水进行水解和开环聚合反应，之后加入无机强碱进行消去反应，制备含丙烯酸基的聚丙三醇寡聚大分子单体；再经光聚合反应制备聚丙三醇类水凝胶。本发明改变了聚合单体，采用了先引入光聚合反应所需的双键基团、后聚合的新路线，通过改变丙烯酸的加入量来控制聚丙三醇类水凝胶平衡溶胀率，本发明降低了反应条件的要求，简化了合成操作步骤，提高了双键基团引入可控性、效率和分布均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚丙三醇类水凝胶的制备方法，属高分子化学和生物医学领域。
背景技术
水凝胶是一种由亲水高分子通过化学交联或物理交联形成的三维网络体系，它能吸收大量的水而不溶于水，是迄今为止发现的合成聚合物中形态与生物组织构造最为相似的体系。根据水凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝胶两大类。环境敏感的水凝胶具有通过体积的溶胀和收缩来感知外界环境变化(如：温度、pH、离子强度、光、电场等)的功能，因而在生物医学等高新技术领域有着巨大的应用价值和广阔的发展前景。
聚丙三醇是一类超支化的脂肪族聚醇醚化合物，它具有良好的亲水性、生物相容性和大量可功能化的羟基以及多羟基结构与生物组织相互作用的性质，并且容易发生光氧化降解反应，其优异性能已受到国际生物医学材料界的高度关注和青睐（Sisson,A.L.;Steinhilber,D.;Rossow,T.Welker,P.Licha,K.Haag,R.Angew.Chem.Int.Ed.,2009,48:7540-7545.Wilms,D.;Stiriba,S.-E.;Frey,H.Accountsofchemicalresearch,2010,43:129-141.）。目前，聚丙三醇已被用作高载、多键合药物及催化剂支架、多官能团引发单体、基因转染载体、药物缓释载体和组织工程支架材料，是一种制备水凝胶的优秀材料。然而，无论是传统的甘油脱水缩聚法，还是现今主要使用的醇钠引发缩水甘油开环聚合法（Sunder,A.;Hanselmann,R.;Frey,H.;Mülhaupt,R.Macromolecules,1999,32:4240-4246），均是在高温、惰性气体保护或无水等条件下进行，且交联功能团的引入较为繁琐（Oudshoorn,M.H.M.;Rissmann,R.;Bouwstra,J.A.;Hennink,W.E.Biomaterials,2006,27:5471-5479），存在着操作复杂、设备要求高、生产成本高、副产物较多和污染较大等缺点，大大影响了聚丙三醇类水凝胶在生物医学领域的开发应用。
杨小钢等在《含L-乳酸基的聚丙三醇类水凝胶的合成及性能》中报道了一类新型的含聚丙三醇主链的聚阴离子型pH敏感的含L-乳酸基的聚丙三醇类水凝胶(PGL)的制备方法：在温和条件下，利用环氧氯丙烷作为合成的单体和交联剂制备聚丙三醇类凝胶，该方法中通过引入L-乳酸基来引入官能团。然而，该方法中疏水的环氧氯丙烷和亲水的预聚体在交联时很难进行均匀混合，导致合成的聚丙三醇凝胶的交联不确定（不能交联）和不均匀。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺点和不足提供一种聚丙三醇类水凝胶的制备方法：先将交联基团链接在单体上，再利用光聚合反应，以解决交联不确定和不均匀的问题；本发明首创羧基引发环氧氯丙烷开环引入官能基团合成聚丙三醇类水凝胶的方法，该方法制备反应条件温和、操作简便，且很容易通过丙烯酸的用量来控制得到不同溶胀率的凝胶，制备得到的聚丙三醇类水凝胶均匀性高。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种聚丙三醇类水凝胶的制备方法，以环氧氯丙烷为主原料，在强碱和相转移催化剂的作用下，先与丙烯酸反应，生成含丙烯酸基的环氧氯丙烷衍生物；然后加入水和无机强碱，控制水解、开环和消去等反应，制备含丙烯酸基的聚丙三醇寡聚大分子单体；再经光聚合反应制备聚丙三醇类水凝胶。
本发明所采用的技术方案具体如下：
一种聚丙三醇类水凝胶的制备方法，包括以下步骤：常温常压下，按质量份将12~30份无机强碱、0.08~0.12份相转移催化剂和100份环氧氯丙烷充分混合均匀，然后加入12~40份丙烯酸，在0～30℃下搅拌反应18~30h；然后加入去离子水进行水解和开环聚合反应，反应4~6h后加入无机强碱使反应体系的pH为11~12，继续反应40~50h，生成含丙烯酸基的聚丙三醇寡聚大分子单体；接着加入水溶性紫外光引发剂，混合均匀后置于紫外灯下照射5~20min进行光聚合反应，即得到聚丙三醇类水凝胶；其中，所述的水溶性光引发剂的加入量为丙烯酸质量的0.10～0.25%。
所述无机强碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
所述相转移催化剂为十六烷基三甲基溴化铵或四丁基溴化铵。
所述水溶性紫外光引发剂为Irgacure2595。
所述光聚合反应在20～40℃下进行。
所述紫外灯，其波长为365nm，功率为30mWcm-2。
本发明以环氧氯丙烷为主原料，在强碱和相转移催化剂的作用下，先与丙烯酸反应，引入光聚合反应所需的双键和可引发环氧氯丙烷开环的羧基基团，生成了含丙烯酸基的环氧氯丙烷衍生物；然后加入水进行水解和开环聚合反应，之后加入无机强碱进行消去反应，制备含丙烯酸基的聚丙三醇寡聚大分子单体；再经光聚合反应制备聚丙三醇类水凝胶。
本发明改变了聚合单体，采用了先引入光聚合反应所需的双键基团、后聚合的新路线，通过改变丙烯酸的加入量来控制聚丙三醇类水凝胶平衡溶胀率，本发明降低了反应条件的要求，简化了合成操作步骤，提高了双键基团引入可控性、效率和分布均匀性。
本发明具有以下优点和有益效果：
（1）本发明首先将交联基团链接在单体上，然后再利用光聚合反应，解决了交联不确定和不均匀的问题。
（2）本发明通过改变丙烯酸的加入量，可以控制得到不同平衡溶胀率的聚丙三醇类水凝胶。
（3）本发明的主原料环氧氯丙烷来源丰富、价格低廉。
（4）与传统的制备方法相比，本发明无需无水和加热反应条件，具有反应条件温和、操作简便等优点。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，但并不用于对本发明的限制。
实施例1
在150ml烧杯中加入100份环氧氯丙烷、20份氢氧化钠和0.08份十六烷基三甲基溴化铵，于磁力搅拌器上常温（20℃）搅拌，搅拌均匀后投入12份丙烯酸，投入丙烯酸5min后，反应体系开始变浑浊；继续反应18h后，投入60份去离子水，反应体系中的白色不溶物溶解，此时体系为透明均匀溶液；继续反应4h后，投入20份氢氧化钠；继续反应12h后，体系为白色均匀浑浊液，pH=12；继续反应12h后，浑浊液的pH=9，投入质量为丙烯酸0.18%的水溶性光引发剂Irgacure2595，搅拌均匀；将得到的均匀溶液装在一定模型中，置于紫外灯下（365nm,30mWcm-2）照射，10min后即得到均匀的白色聚丙三醇类水凝胶。将水凝胶置于烧杯中，用去离子水浸泡三天，每天更换两次去离子水，得到溶胀充分的聚丙三醇类水凝胶，溶胀平衡后测得其平衡溶胀率为220.16。
实施例2
在150ml烧杯中加入100份环氧氯丙烷、15份氢氧化钾和0.08份四丁基溴化铵，于磁力搅拌器上常温（25℃）搅拌，搅拌均匀后投入20份丙烯酸；投入丙烯酸反应5min后体系开始变浑浊；继续反应20h后，投入60份去离子水，反应体系中的白色不溶物溶解，此时体系为透明均匀溶液；继续反应5h后，投入40份氢氧化钾，继续反应12h后，体系为白色均匀浑浊液，pH=12；继续反应12h后，体系为白色均匀浑浊液，此时pH=9，投入质量为丙烯酸0.20%的水溶性光引发剂Irgacure2595，搅拌均匀；将得到的均匀溶液装于一定模型中，置于紫外灯下（365nm,30mWcm-2）照射，10min后即得均匀白色聚丙三醇类水凝胶。将得到的聚丙三醇类水凝胶置于烧杯中，用去离子水浸泡三天，每天更换两次去离子水，得到饱和溶胀聚丙三醇类水凝胶，且体积变化明显，溶胀平衡后测得其平衡溶胀率为109.73。
实施例3
将100份环氧氯丙烷、24份氢氧化钠和0.1份十六烷基三甲基溴化铵投入到150ml烧杯中，于磁力搅拌器上常温（18℃）搅拌，搅拌均匀后投入24份丙烯酸；投入丙烯酸5min后，反应体系开始变浑浊；反应进行1h后，烧杯内溶液越来越浑浊，静置时烧杯底部有白色沉淀，体系pH=6；继续反应24h后，投入60份去离子水，白色沉淀溶解，此时体系为透明均匀溶液；继续反应4h后，投入26份氢氧化钠；继续反应12h后，体系为白色均匀浑浊液，pH=12；继续反应12h后，体系为白色均匀浑浊液，此时pH=9，投入质量为丙烯酸0.22%的水溶性光引发剂Irgacure2595，搅拌均匀；将得到的均匀溶液装于一定模型中，置于紫外灯下照射（365nm,30mWcm-2），10min后即得均匀的白色聚丙三醇类水凝胶。将得到的聚丙三醇类水凝胶置于烧杯中，用去离子水浸泡三天，每天更换两次去离子水，得到饱和溶胀聚丙三醇类水凝胶，且体积变化明显，溶胀平衡后测得其平衡溶胀率为85.05。
实施例4
将100份环氧氯丙烷、30份氢氧化钠和0.1份十六烷基三甲基溴化铵投入到150ml烧杯中，于磁力搅拌器上常温搅拌，搅拌均匀后投入32份丙烯酸；投入丙烯酸5min后，反应体系开始变浑浊；反应进行1h后，烧杯内溶液越来越浑浊，静置时烧杯底部有白色沉淀，体系pH=6；继续反应24h后，投入60份去离子水，白色沉淀溶解，此时体系为透明均匀溶液；继续反应6h后，投入30份氢氧化钠；继续反应12h后，体系为白色均匀浑浊液，pH=12。继续反应12h后，体系任为白色均匀浑浊液，此时pH=9，投入质量为丙烯酸0.20%的水溶性光引发剂Irgacure2595，搅拌均匀；将得到的均匀溶液装于一定模型中，置于紫外灯（365nm,30mWcm-2）下照射，10min后即得均匀的白色聚丙三醇类水凝胶。将得到的聚丙三醇类水凝胶置于烧杯中，用去离子水浸泡三天，每天更换两次去离子水，得到饱和溶胀聚丙三醇类水凝胶，且体积变化明显，溶胀平衡后测得其平衡溶胀率为43.34。
实施例5
将100份环氧氯丙烷、28份氢氧化钾和0.12份十六烷基三甲基溴化铵投入到150ml烧杯中，加入磁子，于磁力搅拌仪上常温搅拌，搅拌均匀后投入40份丙烯酸。投入丙烯酸5min后，反应体系开始变浑浊；反应进行1h后，烧杯内溶液越来越浑浊，静置时烧杯底部有白色沉淀，体系pH=6；继续反应26h后，投入60份去离子水，白色沉淀溶解，此时体系为透明均匀溶液；继续反应5h后，投入32份氢氧化钾；继续反应12h后，体系为白色均匀浑浊液，pH=12；继续反应12h后，体系为白色均匀浑浊液，此时pH=9，投入质量为丙烯酸0.20%的水溶性光引发剂Irgacure2595，搅拌均匀。将得到的均匀溶液装于一定模型中，置于紫外灯（365nm,30mWcm-2）下照射，10min后即得均匀白色聚丙三醇类水凝胶。将得到的聚丙三醇类水凝胶置于烧杯中，用去离子水浸泡三天，每天更换两次去离子水，得到饱和溶胀聚丙三醇类水凝胶，且体积变化明显，溶胀平衡后测得其平衡溶胀率为28.60。
实施例6
将100份环氧氯丙烷、30份氢氧化钠和0.12份四丁基溴化铵投入到150ml烧杯中，加入磁子，于磁力搅拌仪上常温搅拌，搅拌均匀后投入60份丙烯酸；投入丙烯酸20min后，反应体系开始变浑浊；反应进行1h后，烧杯内溶液越来越浑浊，静置时烧杯底部有白色沉淀，体系pH=6；继续反应29h后，投入60份去离子水，白色沉淀溶解，此时体系为透明均匀溶液；继续反应6h后，投入20份氢氧化钠；继续反应12h后，体系为白色均匀浑浊液，pH=9。继续反应12h后，体系有白色絮状沉淀，此时pH=9，投入质量为丙烯酸0.16%的水溶性光引发剂Irgacure2595，搅拌均匀；将得到的均匀溶液装于一定模型中，置于紫外灯（365nm,30mWcm-2）下照射，10min后即得白色凝胶，不均匀，内含少许白色沉淀。将得到的白色凝胶置于烧杯中，用去离子水浸泡三天，每天更换两次去离子水，得到饱和溶胀透明凝胶，且体积变化不明显，溶胀平衡后测得其平衡溶胀率为27.99。
由上述实施例可知，随着丙烯酸投入量的加大，制备得到的聚丙三醇类水凝胶平衡溶胀率越来越小，说明本发明可以通过控制丙烯酸投入量，来制备得到不同平衡溶胀率的聚丙三醇类水凝胶，且反应条件温和、操作简便。
理论上，水溶性光引发剂均可实现光聚合的目的，出于生物应用的考虑，上述实施例中选取使用FDA批准可用于生物医学领域的光引发剂--Irgacure2595作为水溶性光引发剂，但并不用于对本发明方法的限制。
Claims (6)
1.一种聚丙三醇类水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：常温常压下，按质量份将12～30份无机强碱、0.08～0.12份相转移催化剂和100份环氧氯丙烷充分混合均匀，然后加入12～40份丙烯酸，在0～30℃下搅拌反应18～30h；然后加入去离子水进行水解和开环聚合反应，反应4～6h后加入无机强碱使反应体系的pH为11～12，继续反应40～50h，生成含丙烯酸基的聚丙三醇寡聚大分子单体；接着加入水溶性紫外光引发剂，混合均匀后置于紫外灯下照射5～20min进行光聚合反应，即得到聚丙三醇类水凝胶；其中，所述的水溶性紫外光引发剂的加入量为丙烯酸质量的0.10～0.25％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述无机强碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述相转移催化剂为十六烷基三甲基溴化铵或四丁基溴化铵。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述水溶性紫外光引发剂为Irgacure2595。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述光聚合反应在20～40℃下进行。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述紫外灯，其波长为365nm，功率为30mWcm-2。
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