CN104974297A - 三重响应型淀粉基微凝胶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三重响应型淀粉基微凝胶及其制备方法。本发明主要是以pH敏感性C₆位定点氧化淀粉、温度敏感性NIPAM(N-异丙基丙烯酰胺)为原料，采用反相乳液聚合方法，制得C₆位定点氧化淀粉与PNIPAM半互穿网络微凝胶，即所述三重响应型淀粉基微凝胶。本发明的三重响应型淀粉基微凝胶为球形颗粒，粒径为15-25μm，具有pH、温度和离子强度三重敏感性以及良好的生物相容性和生物可降解性，在营养物质的保护、药物控释、蛋白质分离和纯化等领域具有广泛用途，同时其制备工艺简单可控，反应条件温和，适于规模化生产。

Description

三重响应型淀粉基微凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种淀粉基微凝胶，特别是一种三重响应型淀粉基微凝胶及其制备方法，属于淀粉深加工技术领域。

背景技术

智能微凝胶指受外界条件(如：温度、pH、光、离子强度、电场或磁场等)的改变而做出相应刺激响应性的微凝胶。根据原料来源不同，微凝胶可以分为合成微凝胶和天然微凝胶。大多数微凝胶是由合成大分子制备，如PMA、PVCL、PDEA和PAA等，然而这种大分子具有生物降解性差，生物相容性差，有一定的毒性等缺点。天然大分子因其生物可降解，生物相容性好，无毒等优点，越来越受到人们的重视。

同时，聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)温敏性微凝胶的研究尤为引人注目，其临界相转变温度在32℃左右，当温度低于其临界相转变温度时，PNIPAM微凝胶高度溶胀，而当温度在临界相转变温度以上时，微凝胶会发生收缩现象，溶胀程度突然降低。利用PNIPAM制备的微凝胶具有典型的温度敏感性，人们期待制备具有多种刺激响应性质的多功能微凝胶，因此将温敏性的物质PNIPAM与其他智能材料的环境敏感性结合起来制备双重敏感性微凝胶成为研究的热点课题。但目前尚未有关于基于天然大分子的多重敏感性微凝胶的报道。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种三重响应型淀粉基微凝胶及其制备方法，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

一种三重响应型淀粉基微凝胶的制备方法，其包括：以pH敏感性C₆位定点氧化淀粉、温度敏感性聚N-异丙基丙烯酰胺为原料，采用反相乳液聚合方法，制得C₆位定点氧化淀粉和N-异丙基丙烯酰胺半互穿网络微凝胶，即所述三重响应型淀粉基微凝胶。

在一较为优选的实施方案之中，所述制备方法还可包括：

(1)利用微波场对淀粉乳乙醇溶液进行处理，获得非晶颗粒态淀粉；

(2)利用TEMPO(2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧自由基)、NaClO及NaBr混合体系对非晶颗粒态淀粉的C₆位伯醇羟基进行定点氧化，获得C₆位定点氧化淀粉；

(3)配置水相溶液A，且每100ml的所述水相溶液A中包含1-2g C₆位定点氧化淀粉、95-100mmol单体N-异丙基丙烯酰胺、3-5mmol交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)和余量的去离子水；

(4)在保护性气氛中，将水相溶液A缓慢滴加入匀速搅拌的油相乳液中，且水相溶液A与油相乳液的体积比为1：10-2:10，待水相溶液A与油相乳液混合均匀后，再缓慢滴加入包含有引发剂和/或催发剂的水相溶液B，充分搅拌混合后，于0-3℃以400-500转/分钟的速度匀速搅拌反应12h，之后以5000转/分钟以上的速度离心10min以上，去除上清液，用去离子水反复清洗，再干燥至恒重。

较为优选的，步骤(2)包括：将步骤(1)所获的非晶颗粒态淀粉制成乳液，并加入TEMPO和NaBr,在0℃加入NaClO，并添加碱性物质保持反应介质的pH值为10，反应2-4h后，将反应液缓慢加入到乙醇中沉淀，过滤，洗涤，真空干燥，获得所述C₆位定点氧化淀粉。

在一更为具体的实施案例之中，步骤(2)具体包括：向浓度约30wt％的非晶颗粒态淀粉乳100mL中加入0.02-0.05g TEMPO和0.4-0.5g NaBr，控制温度为0℃，再加入浓度为20wt％的NaClO溶液60-75mL，并滴加碱性溶液，例如浓度约0.1mol/L的NaOH溶液保持反应介质的pH值为10，反应2-4小时，将反应液缓慢加入到乙醇中沉淀，过滤，洗涤，在40℃下真空干燥。

在一较为优选的实施方案之中，该制备方法可以包括：将主要由体积比为1-2:8-9的吐温-80与司班-80混合形成的混合表面活性剂与正己烷按体积比2-5:995-998混合，在保护性气氛之中以400-500转/分钟的速度搅拌，25-30℃乳化2-4h，获得所述乳化油相。

在一较为优选的实施方案之中，所述水相溶液B采用含有引发剂、催发剂、三偏磷酸钠的水溶液。

进一步的，所述引发剂可优选自但不限于过硫酸铵。

进一步的，所述催发剂可优选自但不限于N,N,N',N'-四甲基乙二胺。

进一步的，所述非晶颗粒态淀粉的结晶度为零，且保持完好颗粒形态。

进一步的，所述C₆位定点氧化淀粉的氧化仅发生在淀粉分子的C₆位上，且氧化度为80％-95％。

进一步的，前述保护性气氛可以是氮气气氛、惰性气体(如Ar)气氛等。

由前述任一种方法制备的三重响应型淀粉基微凝胶，所述凝胶为粒径在15-25μm的球形颗粒，并具备pH、温度和离子强度三重敏感性。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

(1)本发明三重响应型淀粉基微凝胶为C₆位氧化淀粉与PNIPAM半互穿网络微凝胶，具有球形形态，粒径分布为15-25μm，具有pH(酸碱)、温度和离子强度三重敏感性以及良好的生物相容性和生物可降解性，安全无毒，在营养物质的保护、药物控释、蛋白质分离和纯化等领域具有广泛用途。

(2)本发明制备工艺简单可控，反应条件温和，适于规模化生产。

具体实施方式

本发明的一个方面涉及一种三重响应型淀粉基微凝胶的制备方法，其以pH敏感性C₆位氧化淀粉、温度敏感性NIPAM(N-异丙基丙烯酰胺)为原料，采用反相乳液聚合方法，制备C₆位氧化淀粉和PNIPAM(聚(N-异丙基丙烯酰胺))半互穿网络微凝胶。

在一较为典型的实施方案之中，该制备方法包括：

(1)非晶颗粒态淀粉的制备

利用微波场对淀粉乳乙醇溶液进行处理，得到非晶颗粒态淀粉。

(2)C₆位定点氧化淀粉的合成

利用TEMPO/NaClO/NaBr体系对非晶颗粒态淀粉C₆位伯醇羟基进行定点氧化，得到C₆位定点氧化淀粉。

(3)配制油相乳液

该油相乳液的组成及配制方式可以采用业界已知的任何合适类型及方式。

例如，可以将吐温-80与司班-80按体积比1-2:8-9混合，配制成混合表面活性剂，之后将所述混合表面活性剂与正己烷等有机溶剂按体积比2-5:995-998混合，在保护性气氛，例如在有氮气通入的条件下，以400-500转/分钟的速度搅拌，25-30℃乳化2-4h以上，制成乳化油相。

(4)配制水相溶液

水相溶液A(按每100ml计算)：将1-2g氧化淀粉、95-100mmol单体NIPAM(N-异丙基丙烯酰胺)和3-5mmol交联剂BIS(N,N′-亚甲基双丙烯酰胺)溶解到100mL去离子水中。

水相溶液B：将2-5mmol引发剂过硫酸铵(APS)、0.5-0.8mL催发剂TEMED(N,N,N',N'-四甲基乙二胺)和0.2-0.4g三偏磷酸钠溶解到去离子水中。

(5)反相乳液聚合制备淀粉基微凝胶

在保护性气氛中，例如在通入氮气的条件下，将水相溶液A缓慢滴加到匀速搅拌的油相乳液中，待混合均匀后，再缓慢滴加水相溶液B，充分搅拌混合后，置于0-3℃以400-500转/分钟的速度匀速搅拌反应12h，以不低于5000转/分钟的速度离心10分钟以上，去除上清液，用去离子水反复清洗，真空干燥至恒重。

本发明的另一个方面涉及利用前述方法制备的三重响应型淀粉基微凝胶，其形态结构为球形，粒径分布为15-25μm，所得微凝胶的体积在pH值3-6的范围内随pH值增加而增加，最大可达105倍，微凝胶在34.5℃发生相转变，离子强度小于0.5M时，微凝胶的体积随离子强度的增加而减少，离子强度大于0.5M时，微凝胶的体积保持不变。即所得淀粉基微凝胶具备pH、温度和离子强度三重敏感性。

本发明利用具有pH敏感性的C₆位定点氧化淀粉和热敏性的NIPAM为原料，通过反相乳液聚合，合成淀粉基微凝胶，所获微凝胶兼具天然大分子的生物可降解，生物相容性好，无毒等优点，且具有三重敏感性，在营养物质的保护、药物控释、蛋白质分离和纯化等领域具有广泛应用前景。

以下结合若干较为典型的实施例对本发明的技术方案作进一步的解释说明。

实施例1

(1)取20g蜡纸玉米淀粉，分散到100mL质量分数为50％的乙醇溶液中，得到淀粉乳乙醇溶液，利用微波场对淀粉乳乙醇溶液进行处理，微波功率1000W，处理时间20分钟，得到非晶颗粒态淀粉；在带有搅拌器、滴液漏斗、温度计的三口烧瓶加入30％的上述制备的非晶颗粒态淀粉乳100mL，加入0.02g TEMPO和0.4g NaBr,冰水浴控制温度，通过滴液漏斗加入20％NaClO溶液60mL，并滴加0.1mol/L的NaOH溶液保持反应介质的pH为10。反应2-4小时，将反应液缓慢加入到乙醇中沉淀，过滤，洗涤，在40℃下真空干燥。得到C₆位定点氧化度为80％的氧化淀粉。将上述制备的1g氧化淀粉、95mmol单体NIPAM和3mmol交联剂BIS溶解到100mL去离子水中，混合均匀，配制水相溶液A；将2mmol引发剂过硫酸铵(APS)、0.5mL催发剂TEMED和0.2g三偏磷酸钠溶解到10mL去离子水中，混合均匀，配制水相溶液B。将水相溶液A缓慢加入到1000mL含有0.4mL吐温-80和1.6mL司班-80的正己烷中，400-500转/分钟充分搅拌混合均匀，再缓慢滴加水相溶液B，充分搅拌混合后，置于冰水浴中400-500转/分钟匀速搅拌反应12h。5000×g离心10分钟，去除上清液，用去离子水反复清洗10次，真空干燥至恒重，合成的淀粉基微凝胶为球形，经高分辨率TEM观察，其粒径分布为15-23μm，且所得微凝胶体积在pH 3-6随pH增加而增加，最大可达105倍，微凝胶在34.5℃发生相转变，离子强度小于0.5M时，微凝胶的体积随离子强度的增加而减少，离子强度大于0.5M时，微凝胶的体积保持不变。即所得淀粉基微凝胶具备pH、温度和离子强度三重敏感性。

实施例2

取25g蜡纸玉米淀粉，分散到100mL质量分数为50％的乙醇溶液中，得到淀粉乳乙醇溶液，利用微波场对淀粉乳乙醇溶液进行处理，微波功率1200W，处理时间30分钟，得到非晶颗粒态淀粉；在带有搅拌器、滴液漏斗、温度计的三口烧瓶加入30％的上述制备的非晶颗粒态淀粉乳100mL，加入0.05g TEMPO和0.5g NaBr,冰水浴控制温度，通过滴液漏斗加入20％NaClO溶液75mL，并滴加0.1mol/L的NaOH溶液保持反应介质的pH为10。反应4小时，将反应液缓慢加入到乙醇中沉淀，过滤，洗涤，在40℃下真空干燥。制备得到C₆位定点氧化度为95％的氧化淀粉。将上述制备的1g氧化淀粉、95mmol单体NIPAM和3mmol交联剂BIS溶解到100mL去离子水中，混合均匀，配制水相溶液A；将2mmol引发剂过硫酸铵(APS)、0.5mL催发剂TEMED和0.2g三偏磷酸钠溶解到10mL去离子水中，混合均匀，配制水相溶液B。将水相溶液A缓慢加入到1000mL含有0.4mL吐温-80和1.6mL司班-80的正己烷中，400-500转/分钟充分搅拌混合均匀，再缓慢滴加水相溶液B，充分搅拌混合后，置于冰水浴中400-500转/分钟匀速搅拌反应12h。5000×g离心10分钟，去除上清液，用去离子水反复清洗10次，真空干燥至恒重，合成的淀粉基微凝胶为球形，其粒径分布为18-25μm，所得微凝胶体积在pH 3-6随pH增加而增加，最大可达105倍，微凝胶在34.5℃发生相转变，离子强度小于0.5M时，微凝胶的体积随离子强度的增加而减少，离子强度大于0.5M时，微凝胶的体积保持不变。即所得淀粉基微凝胶具备pH、温度和离子强度三重敏感性。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。又及，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明技术方案和技术构思做出其它各种相应的改变和变形，而这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种三重响应型淀粉基微凝胶的制备方法，其特征在于包括：主要以pH敏感性C₆位定点氧化淀粉、温度敏感性N-异丙基丙烯酰胺为原料，采用反相乳液聚合方法，制得C₆位定点氧化淀粉和N-异丙基丙烯酰胺半互穿网络微凝胶，即所述三重响应型淀粉基微凝胶。

2.根据权利要求1所述的三重响应型淀粉基微凝胶的制备方法，其特征在于包括：

（1）取淀粉分散到乙醇水溶液中得到淀粉乳乙醇溶液，其中淀粉与乙醇溶液的质量体积比为20-25g/100ml，利用微波场对淀粉乳乙醇溶液进行处理，微波功率为1000-1200W，处理时间20-30min，得到非晶颗粒态淀粉；

（2）利用2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧自由基、NaClO及NaBr混合体系对非晶颗粒态淀粉的C₆位伯醇羟基进行定点氧化，获得C₆位定点氧化淀粉；

（3）配置水相溶液A，且每100ml的所述水相溶液A中包含1-2g C₆位定点氧化淀粉、95-100mmol单体N-异丙基丙烯酰胺、3-5mmol交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺和余量的去离子水；

（4）在保护性气氛中，将水相溶液A缓慢滴加入匀速搅拌的油相乳液中，且水相溶液A与油相乳液的体积比为1:10-2:10，待水相溶液A与油相乳液混合均匀后，再缓慢滴加入包含有引发剂和/或催发剂的水相溶液B，充分搅拌混合后，于0-3℃以400-500转/分钟的速度匀速搅拌反应12h以上，之后以5000转/分钟以上的速度离心10min以上，去除上清液，用去离子水反复清洗，再干燥至恒重。

3.根据权利要求2所述淀粉基微凝胶的制备方法，其特征在于：所述淀粉包括蜡质玉米淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉或小麦淀粉中的任意一种或两种以上的组合。

4.根据权利要求2所述的三重响应型淀粉基微凝胶的制备方法，其特征在于步骤（2）具体包括：将步骤（1）所获的非晶颗粒态淀粉制成乳液，并加入TEMPO和NaBr,再在0℃加入NaClO，并添加碱性物质保持反应介质的pH值为10，反应2-4h后，将反应液缓慢加入到乙醇中沉淀，过滤，洗涤，真空干燥，获得所述C₆位定点氧化淀粉。

5.根据权利要求2所述的三重响应型淀粉基微凝胶的制备方法，其特征在于包括：将主要由体积比为1-2:8-9的吐温-80与司班-80混合形成的混合表面活性剂与正己烷按体积比2-5:995-998混合，在保护性气氛之中以400-500转/分钟的速度搅拌，25-30℃乳化2-4h，获得所述乳化油相。

6.根据权利要求2所述的三重响应型淀粉基微凝胶的制备方法，其特征在于所述水相溶液B采用含有引发剂、催发剂、三偏磷酸钠的水溶液。

7.根据权利要求6所述的三重响应型淀粉基微凝胶的制备方法，其特征在于所述引发剂包括过硫酸铵，所述催发剂包括N,N,N',N'-四甲基乙二胺。

8.根据权利要求2所述的三重响应型淀粉基微凝胶的制备方法，其特征在于所述非晶颗粒态淀粉的结晶度为零，且保持完好颗粒形态。

9.根据权利要求1或2所述的三重响应型淀粉基微凝胶的制备方法，其特征在于所述C₆位定点氧化淀粉的氧化仅发生在淀粉分子的C₆位上，且氧化度为80%-95%。

10.由权利要求1-9中任一项所述方法制备的三重响应型淀粉基微凝胶，所述凝胶为粒径在15-25μm的球形颗粒，并具备pH、温度和离子强度三重敏感性。