CN105175750B - 一种水凝胶微球的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水凝胶微球的制备方法，步骤（1）：合成含有双烯体基团的聚合物；步骤（2）：合成含有亲双烯体基团的聚合物；步骤（3）：将上述制备的聚合物分别溶解于水中，混合后搅拌，得到透明的溶液；将步骤（3）中形成的溶液通过喷雾干燥仪，得到水凝胶微球。本发明通过将Diels‑Alder反应应用于水凝胶微球的制备中，通过喷雾干燥制备化学交联的水凝胶微球，操作简单方便，无需有机溶剂、乳化剂、催化剂或引发剂，在干燥过程中发生Diels‑Alder反应形成化学交联，得到水凝胶微球，通过调节大分子双烯体、亲双烯体的组成、结构、浓度和喷雾干燥仪的参数来控制微球的大小、结构、性能，在水凝胶微球的制备中具有广泛的应用前景。

Description

一种水凝胶微球的制备方法

技术领域

本发明涉及水凝胶微球的制备技术领域，具体为利用喷雾干燥，通过Diels-Alder点击反应制备水凝胶微球的方法。

背景技术

水凝胶微球是指直径在纳米级至微米级，形状为球形或其他几何体的水凝胶或复合水凝胶，其形貌可以是实心、空心、多孔、洋葱型等。水凝胶微球与宏观水凝胶相比具有许多优点，比如可以提高智能水凝胶的响应速度；可以通过水凝胶微球的组装构筑高级结构及复杂功能的水凝胶；能够制备可注射的药物控释载体及组织工程材料。因此，近年来，人们对水凝胶微球的制备、性能及应用格外关注。水凝胶微球的制备方法有多种，可以以单体为原料，包括乳液聚合、沉淀聚合等，也可以以聚合物为原料，包括聚合物的乳液交联、大分子自组装、喷雾干燥、超临界等。

喷雾干燥就是将料液经雾化器雾化成小液滴，并通过与热空气直接接触的方式得到粉末的一个干燥过程。所喷液体具有很好的流动性，可以是乳浊液或者悬浮液,也可以是熔融液。根据自身需求,可将产品制成粉末、颗粒或空心球。相比其他干燥方式，喷雾干燥的优势很突出：操作简便，条件易控制；液体可以直接干燥成粉末，可实现一步合成；干燥室有一定的负压，保证了干燥环境的清洁，产品不会有污染；产品的纯度和质量较高；有利于大规模生产，且提高生产效率。

传统的化学反应过程中会用到有机溶剂、催化剂或引发剂，作为生物医用材料有引起细胞毒性的潜在危险。另外，通过传统化学方法形成的水凝胶微球结构不易精确控制，这会影响水凝胶微球对环境刺激的响应速度；化学过程的副反应也会影响水凝胶的使用性能。因此，在制备水凝胶微球时选择合适的化学反应是十分重要的。在制备水凝胶微球的过程中涉及到的化学反应，直接影响水凝胶微球的使用和性能。

Diels-Alder反应作为点击化学反应的一种，具有可靠、高效、产率高、选择性好等特点，在合成结构需精确控制的聚合物中具有明显的优势，有利于赋予材料复杂的功能。Diels-Alder反应是共轭双烯与含烯键或炔键化合物的环加成反应，是最有效和通用的合成六元环化合物的方法之一，具有原子经济性，可以在温和条件下进行，一般不需要催化剂，水溶液对其有促进作用。Diels-Alder具有可逆性，通过该反应得到的聚合物很容易通过温度控制分解成为低聚物或解聚成原来的单体，从而在自修复材料的制备中有着广泛的应用。有关Diels-Alder反应用于聚合物合成的报道较多，但反应一般在有机溶剂中进行，在水相中反应合成聚合物的研究报道相对较少。

因此，提供一种操作简单方便，不需催化剂或引发剂，也不需要乳化剂，通过基于Diels-Alder反应的喷雾干燥方法来制备水凝胶微球的制备方法，已经是一个值得研究的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供了将Diels-Alder反应应用于水凝胶微球的制备中，通过喷雾干燥法制备水凝胶微球的制备方法。该方法具有简单易操作，无需有机溶剂、催化剂或引发剂，也不需要乳化剂，所得产品的纯度和质量较高，有利于大规模生产。

本发明的目的是这样实现的：

一种水凝胶微球的制备方法，其具体制备方法步骤如下：

步骤（1）：合成含有双烯体基团的聚合物；

步骤（2）：合成含有亲双烯体基团的聚合物；

步骤（3）：将步骤（1）和步骤（2）中合成的大分子双烯体和大分子亲双烯体溶解于水中，得到不同浓度的透明溶液；

步骤（4）：打开喷雾干燥仪，设置进口温度、进样量、抽气速度、空气流量等参数，待进口温度恒定后，将进样管放入蒸馏水中，喷入水，至进口温度再一次恒定后，将步骤（3）中形成的透明溶液进行喷雾干燥，收集样品；对样品的溶胀率及凝胶质量分数进行测定。

所述的步骤（1）中的聚合物包括亲水单体和含有呋喃环的单体形成的共聚物，为二元共聚物或多元共聚物；所述的亲水单体包括N,N-二甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、（甲基）丙烯酸和马来酸；

所述的步骤（2）中的大分子亲双烯体中含有马来酰亚胺基团；所述的马来酰亚胺基团通过氨基苯酚或氨基酸与马来酸酸酐反应制备而成；

所述的步骤（3）中的溶液混合时应控制浓度、温度及时间；所述的步骤（3）中的溶液应控制合适的质量浓度，且在0-25℃低温下贮存，总的质量浓度为2%，5%、10%、15%；

所述的步骤（4）中的样品进行凝胶质量分数的测定后，当凝胶质量分数低，可将微球在烘箱中加热提高凝胶质量分数；

通过喷雾干燥制备水凝胶微球，在干燥的过程中或干燥后进一步加热通过发生Diels-Alder反应进行交联制备水凝胶微球；

通过调节大分子双烯体、亲双烯体的组成、结构、浓度和喷雾干燥仪的参数来控制微球的大小、结构、性能。

积极有益效果：本发明利用Diels-Alder反应通过喷雾干燥法制备水凝胶微球，操作简单方便，无需有机溶剂、催化剂或引发剂，只需要加热就可形成化学交联，形成水凝胶微球，通过控制喷雾干燥的条件，可使微球颗粒大小均匀，粒度可控，在水凝胶微球的制备中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实例1中水凝胶微球的交联反应示意图；

图2为本发明实例1得到的微球的偏光显微镜图片；

图 3为本发明实例 2中水凝胶微球的偏光显微镜图片；

图4为本发明实例2中水凝胶微球的交联反应示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的说明：

一种水凝胶微球的制备方法，其具体制备方法步骤如下：

步骤（1）：合成含有双烯体基团的聚合物；

步骤（2）：合成含有亲双烯体基团的聚合物；

步骤（3）：将步骤（1）和步骤（2）合成的大分子双烯体与大分子亲双烯体溶解于水中，得到透明的溶液。

步骤（4）：打开喷雾干燥仪，设置进口温度、进样量、抽气速度、空气流量等参数，待进口温度恒定后，将进样管放入蒸馏水中，喷入水，至进口温度再一次恒定后，将步骤（3）中形成的进行喷雾干燥，收集样品。对样品的溶胀率及凝胶质量分数进行测定。

所述的步骤（1）中的聚合物包括亲水单体和含有呋喃环的单体形成的共聚物，为二元共聚物或多元共聚物，该共聚物具有温敏、pH敏感等智能响应性，从而通过该方法可以制备具有对外界环境具有刺激响应性的智能水凝胶微球；所述的亲水单体包括N,N-二甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、（甲基）丙烯酸、衣康酸、马来酸等。

所述的步骤（2）中的大分子亲双烯体中含有马来酰亚胺基团；所述的马来酰亚胺基团通过氨基苯酚或氨基酸与马来酸酸酐反应制备而成；通过氨基酸与马来酸酐的反应，可以得到含马来酰亚胺基团的分子，即N-（氨基酸）-马来酰亚胺，然后将N-（氨基酸）-马来酰亚胺接在事先设计合成的含有羟基的共聚物上；

所述的步骤（3）中的溶液应控制合适的浓度，且在0-25℃低温下贮存，总的质量浓度为2%、5%、10%、15%；

通过喷雾干燥制备水凝胶微球，在干燥的过程中或干燥后进一步加热通过发生Diels-Alder反应进行交联制备水凝胶微球；

通过调节大分子双烯体、亲双烯体的组成、结构、浓度和喷雾干燥仪的参数来控制微球的大小、结构、性能。

实施例1

如图1、图2所示，将N, N-二甲基丙烯酰胺（DMA）和马来酸糠酰胺（MFA）以投料摩尔比为10:1的比例加入到三口烧瓶中，以二氧六环为溶剂，AIBN为引发剂，氩气保护下70℃反应8h。反应结束后反应液浓缩、无水乙醚沉淀、抽滤、干燥，得白色粉末。即大分子双烯体，DMA-MFA；

以马来酸酐和β-丙氨酸为原料，乙酸为溶剂，回流1.5小时，冷却，旋蒸除去醋酸，残余液溶于纯水中，乙酸乙酯萃，旋蒸，残余固体用二氯甲烷重结晶．得到MI。然后将PEG-2000和MI溶于二氯甲烷中，以DCC为脱水剂，制备大分子亲双烯体PEG-MI

配制质量总浓度为5%、10%的DMA-MFA与PEG-MI溶液，室温下贮存备用，打开喷雾干燥仪，设置参数：进口温度为150℃，进样量pump%为40%，抽气速度为100%，空气流量为40mm(600L/h)，待进口温度恒定后，将进样管放入蒸馏水中，喷入水，至进口温度再一次恒定后，将100 mL配好的溶液倒入烧杯中，将进料管从蒸馏水切换所配溶液，对其进行喷雾干燥。待溶液全部用完，记录出口温度，再一次喷入蒸馏水清洗喷嘴和管路，防止样品堵塞管路或喷嘴。关闭进口温度Inlet和pump%,至温度降至60℃左右，关闭泵、空气流量计和抽气机，收集样品。最后对仪器进行清洗。测微球的凝胶体积分数和溶胀度。

实施例2

如图3所示，将N, N-二甲基丙烯酰胺（DMA）和糠酯（FM）以投料摩尔比为5:1的比例加入到三口烧瓶中，以甲苯为溶剂，AIBN为引发剂，氩气保护下70℃反应8h。反应结束后反应液浓缩、无水乙醚沉淀、抽滤、干燥，得白色粉末。即大分子双烯体，DMA-FM；

以马来酸酐和α-丙氨酸为原料，乙酸为溶剂，30℃下反应6h后抽滤得N-（异丙酸基）马来酰胺酸（AMA），接着将AMA在甲苯中加入三乙胺快速回流制备N-（异丙酸基）马来酰亚胺（AMI)； 然后将PEG-2000和AMI溶于二氯甲烷中，以DCC为脱水剂，制备大分子亲双烯体PEG-AMI

配制质量总浓度为2%，5%的DMA-FM与PEG-AMI溶液，室温下贮存备用，打开喷雾干燥仪，设置参数：进口温度为150℃，进样量pump%为20%，抽气速度为100%，空气流量为40mm(600L/h)，待进口温度恒定后，将进样管放入蒸馏水中，喷入水，至进口温度再一次恒定后，将100 mL配好的溶液倒入烧杯中，将进料管从蒸馏水切换所配溶液，对其进行喷雾干燥。待溶液全部用完，记录出口温度，再一次喷入蒸馏水清洗喷嘴和管路，防止样品堵塞管路或喷嘴。关闭进口温度Inlet和pump%,至温度降至60℃左右，关闭泵、空气流量计和抽气机，收集样品。最后对仪器进行清洗。

实施例3

如图4所示，在100mL三口瓶中按比例分别加入一定量的N-异丙基丙烯酰胺、糠酯和N, N-二甲基丙烯酰胺，然后加入适量二氧六环和偶氮二异丁腈，氮气保护下70℃ 反应24 h。反应完毕后用无水乙醚沉淀，抽滤，得白色固体即共聚物，真空干燥至恒重，得到大分子双烯体。

在100mL三口烧瓶中，将N-异丙基丙烯酰胺、N, N-二甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸乙二醇酯进行共聚，得到N-异丙基丙烯酰胺、N, N-二甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸乙二醇酯三元共聚物，然后将制备的三元共聚物与AMI进行酯化反应制备此三元共聚物亲双烯体。

配制一定浓度的三元共聚物双烯体与三元共聚物亲双烯体的溶液，打开喷雾干燥仪，设置参数，制备具有温度敏感性的水凝胶微球。

2009年以来，我们课题组报道了一系列基于水相中Diels-Alder反应制备的水凝胶，讨论了反应温度、反应时间等条件对水凝胶性质的影响。研究结果表明，采用Diels-Alder反应合成水凝胶，方法简单易行，反应条件温和，不需要催化剂或引发剂，而且可以通过调节温度或活性基团的含量，来控制凝胶化时间和凝胶化程度。结合Diels-Alder反应的特点—点击性、可逆性和水的加速作用等，本发明将Diels-Alder反应应用于水凝胶微球的制备中，通过喷雾干燥法制备了水凝胶微球。该方法具有简单易操作，无需有机溶剂、催化剂或引发剂，也不需要乳化剂，所得产品的纯度和质量较高，且有利于大规模生产。

本发明将Diesl-Alder反应应用于水凝胶微球的制备，通过喷雾干燥制备了水凝胶微球，操作简单方便，无需有机溶剂、催化剂或引发剂，只需要加热就可形成化学交联，形成水凝胶微球，通过控制喷雾干燥的条件，可使微球颗粒大小均匀，在水凝胶微球的制备中具有广泛的应用前景。

以上实施案例仅用于说明本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代及改进等，均应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种水凝胶微球的制备方法，其特征在于，具体制备方法步骤如下：

步骤（1）：合成含有双烯体基团的聚合物；

步骤（2）：合成含有亲双烯体基团的聚合物；

步骤（3）：将步骤（1）和步骤（2）中合成的大分子双烯体和大分子亲双烯体溶解于水中，得到不同浓度的透明溶液；

步骤（4）：打开喷雾干燥仪，设置进口温度、进样量、抽气速度和空气流量参数，待进口温度恒定后，将进样管放入蒸馏水中，喷入水，至进口温度再一次恒定后，将步骤（3）中形成的透明溶液进行喷雾干燥，收集样品；对样品的溶胀率及凝胶质量分数进行测定。

2.根据权利要求1所述的一种水凝胶微球的制备方法，其特征在于：所述的步骤（1）中的聚合物包括亲水单体和含有呋喃环的单体形成的共聚物，为二元共聚物或多元共聚物；所述的亲水单体包括N,N-二甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、（甲基）丙烯酸和马来酸。

3.根据权利要求1所述的一种水凝胶微球的制备方法，其特征在于：所述的步骤（2）中的大分子亲双烯体中含有马来酰亚胺基团；所述的马来酰亚胺基团通过氨基苯酚或氨基酸与马来酸酸酐反应制备而成。

4.根据权利要求1所述的一种水凝胶微球的制备方法，其特征在于：所述的步骤（3）中的溶液混合时应控制浓度、温度及时间；所述的步骤（3）中的溶液应控制合适的浓度，且在0-25℃低温下贮存，总的质量浓度可以为2%、5%、10%、15%。

5.根据权利要求1所述的一种水凝胶微球的制备方法，其特征在于：所述的步骤（4）中的样品进行凝胶质量分数的测定后，当凝胶质量分数低，可将微球在烘箱中加热一段时间后提高凝胶质量分数。

6.根据权利要求1所述的一种水凝胶微球的制备方法，其特征在于：通过喷雾干燥制备水凝胶微球，在干燥的过程中或干燥后进一步加热通过发生Diels-Alder反应进行交联制备水凝胶微球。

7.根据权利要求1所述的一种水凝胶微球的制备方法，其特征在于：通过调节大分子双烯体、亲双烯体的组成、结构、浓度和喷雾干燥仪的参数来控制微球的大小、结构、性能。