CN105440296B - 一种高强度纤维素基纳米复合温度、pH双刺激响应凝胶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度纤维素基纳米复合温度、pH双刺激响应凝胶的制备方法。该凝胶以静电纺丝得到的POSS交联响应性聚合物纳米纤维丝为纤维增强物，将其引入溶解后的纤维素溶液中，通过交联纤维素并冷冻处理形成复合凝胶。该凝胶具有较高强度、在不同温度和pH环境下表现出显著的溶胀性差异，且响应速率快，生物相容性良好，可应用于药物缓释和组织工程领域。

Description

一种高强度纤维素基纳米复合温度、pH双刺激响应凝胶及其 制备方法

技术领域

本发明属纤维素基水凝胶的制备方法，特别是涉及一种具有高强度的，且可对温度和pH值变化实现快速可逆响应的水凝胶的制备方法。

背景技术

高分子凝胶是指三维网络结构的高分子化合物与溶剂组成的体系，其中的高分子以范德华力，化学键力，物理缠绕力，氢键力等连接。由于它是一种三维网络立体结构，因此它不能被溶剂溶解，同时分散在溶剂中并能保持一定的形状。溶剂虽然不能将三维网状结构的高分子溶解，但高分子化合物中亲溶剂的基团部分却可以被溶剂作用而使高分子溶胀，这也是形成高分子凝胶的原因。响应型高分子凝胶是其结构、物理性质、化学性质可以随外界环境改变而变化的高分子凝胶。当这种凝胶受到环境刺激时其结构和特性(主要是体积)会随之响应，如当溶剂的组成、pH值、离子强度、温度、光强度和电磁场等刺激信号发生变化时，或受到特异的化学物质的刺激时，凝胶的体积会发生突变，呈现体积相转变行为。即当凝胶受到外界刺激时，凝胶网络内的链段有较大的构象变化，呈现溶胀相或收缩相，因此凝胶系统发生相应的形变：一旦外界刺激消失时，凝胶系统有自动恢复到内能较低的稳定状态的趋势。

目前，制备水凝胶的高分子主要有两大类：一类为合成高分子，如丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酸酯等；另一类为天然高分子，如海藻酸、淀粉、纤维素、壳聚糖等。天然高分子制备的水凝胶相对于合成高分子具有很好的生物降解性和生物相容性等优点。因此，这些水凝胶可以被用于传送药物，如酶、抗菌素、抗体、疫苗、避孕药和激素等。纤维素是自然界中最丰富的资源，由于其具有生物降解性、生物相容性、安全无毒等特点，已成为制备水凝胶的良好材料。综合来看，尽管天然大分子凝胶体系开发众多，功能多样，但其作为组织工程和药物缓释材料仍有一些共性缺陷，如力学性能普遍较弱、响应性不丰富且无法完全和人体环境契合，随降解发生性能变差等，针对这些共性缺陷，已有一些研究来进行改善。天然大分子凝胶的力学改性主要集中在三个方面：（1）与各种不同合成大分子杂化，如与聚(N-异丙基丙烯酞胺)、聚乙二醇、聚乙烯醇复合等；（2）无机杂化或改性，如与羟基磷灰石纳米粒子复合；（3）互穿网络技术，如细菌纤维素和白明胶的双网络。

但基于基材的改性将对天然大分子本身的性能具有明显的影响，如可找到一种方法在对基体影响较小的前提下，既可实现增强与响应性的引入，同时，可对性能实现较有效的控制，则将是一种理想的模式。

在本专利中，采用一种特殊的纳米纤维植入技术，将响应性性纳米纤维素植入植物纤维基凝胶中，从而实现在不改变凝胶纤基体，即保持纤维素良好生物相容性的同时，实现增强及其内部刺激响应。而在纳米丝的制备中，为进一步提高强度，本发明涉及到多面体低聚倍半硅氧烷( Polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS) 是一种新型的有机无机纳米颗粒, 于1946 年首次合成。1991年在美国空军研究实验室的支持下，Lichtenhan等制备了一系列带官能基的POSS，并将其用于高分子的改性。POSS 的分子通式为(RSiO1.5)₈, 式中的R 是有机取代基, 可以为H、烷基、芳基等惰性基团和乙烯基、氨基等活性基团, 同时分子具有无机骨架且分子尺寸在1~3nm之间。惰性基团可以增大POSS 与聚合物的相容性; 活性基团通过化学改性可以与聚合物或者聚合物单体反应。由于具有这些特性, 所以POSS一问世便受到了极大的关注。并被用于聚合物的改性。而近年来，POSS也被广泛应用于生物领域，并发现具有非常好的生物相容性。同时，POSS也被运用于水凝胶中被用于提高凝胶的解溶涨速率或将功能性引入水凝胶中。采用POSS杂化水凝胶仍有很大的发展空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能水凝胶的制备方法，更是一种具有良好生物相容性和机械性能的，可实现温度和pH值响应的纤维基凝胶的制备方法。

本发明是通过一下技术方案实现的：

一种高强度纤维素基纳米复合温度、pH双刺激响应凝胶及其制备方法，其过程为：

(1) 响应性聚合物纳米纤维丝的制备：将一定量的(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯)共聚物，催化剂2-乙基-4-甲基咪唑，交联剂八聚(丙基缩水甘油醚)倍半硅氧烷，溶解于1:1质量比例的DMF和THF的混合溶液中，室温下搅拌形成预纺丝液，其中，预纺丝液中(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯)共聚物质量分数为12-20%，八臂环氧丙基笼状倍半硅氧烷的质量分数为2-4%，2-乙基-4-甲基咪唑的质量分数为0.3-0.8%，将预纺丝液置于针电纺设备中，静电纺丝后，纳米纤维丝于真空中加热至160度并干燥4小时，备用；

（2）纤维素的溶解：配制6wt%NaOH 4wt%尿素水溶液，然后用G2漏斗过滤后作为纤维素的溶剂，将一定量的纤维素分散在溶剂中，室温下搅拌5分钟后放入冰箱中冷冻12小时，冻结的固体试样在室温下解冻并搅拌，最终得到无色透明的纤维素溶液。其中纤维素在溶液中的质量比介于6-12%之间；

（3）将（1）中制得的聚合物纳米纤维丝浸入（2）制备的纤维溶解溶液中，加热至45度浸泡4小时；其中聚合物纳米纤维丝的质量为纤维溶解溶液的3.5-6%之间；

（4）将定量的环氧氯丙烷滴加到上述纤维素溶液中，超声震荡5分钟后，在室温下放置1小时，后冷冻混合物-20度24小时，得到凝胶。其中环氧氯丙烷的质量介于溶液中纤维的1.5-3.5%之间；

（5）将凝胶浸泡于清水中12小时，期间换水3次，得到最终水凝胶产物。

进一步，所述所述(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯)共聚物中N-异丙基丙烯酰胺与甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯的摩尔比介于1：0.8-1：0.4之间。

进一步，所述(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯)共聚物的制备方法为：将一定配比的单体N-异丙基丙烯酰胺及甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯溶解于四氢呋喃中，加入引入剂偶氮二异丁腈，于80-100度下反应得到。

进一步，所述(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯)共聚物的分子量介于6000-15000g/mol之间。优选的，分子量为10000-15000g/mol。

进一步，本发明所述N-异丙基丙烯酰胺为典型的温敏单体，其最低转变温度（LCST）约为32°C。在低于LCST温度时，其胺基与水形成氢键，大分子亲水性增强，从而使得分子链呈舒展状态，凝胶吸水，而在高于LCST温度时，氢键破坏，大分子亲水性降低，分子链收缩，凝胶疏水。

进一步，本发明所述甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）为典型pH敏感单体，其分子结构如下所示：

其中的叔胺基可在低温下与水产生氢键，使得分子链在水中呈舒展状态，而高温下氢键破坏，使得分子链在水中呈收缩状态，这使得DMAEMA制备的水凝胶呈现温度响应性。同时，当DMAEMA在酸性环境中（pH＜7），叔胺基将质子化形成离子而变得亲水，碱性条件下（pH〉7）这种质子化被抑制，从而导致此单体具有明显的pH响应性。而具有类型性质的大分子，如乙基丙烯酸二甲氨基乙酯，甲基丙烯酸二甲氨基丙酯等均适用与本专利所描述的制备方法。

进一步，所述2-乙基-4-甲基咪唑分子式如下：

2-乙基-4-甲基咪可催化八聚(丙基缩水甘油醚)倍半硅氧烷上和N-异丙基丙烯酰胺氨基上的环氧基团开环反应。

进一步，所述PNIPA，PDMAEMA的用量不同将影响纳米纤维丝的LCST，因PDMAEMA的LCST较高，故增加PDMAEMA的量将使得纳米纤维丝的LCST提高。

进一步，本发明所述八聚(丙基缩水甘油醚)倍半硅氧烷(OpePOSS)的分子结构如下：

其中，POSS是一种具有笼状结构的无机大分子， OpePOSS中 POSS角落的环氧基团与N-异丙基丙烯酰胺中的氨基发生开环反应，从而引入到聚合物链中起交联作用，具体反应式如下：

当响应性聚合物纳米纤维丝溶胀时，聚合物链在POSS周围有聚集趋势，这种微相的聚集将导致微疏水区域的出现，而这种微区域在凝胶内部将产生很多的纳米-微米孔，将为水的进入提供充分的通道，同时，这种孔洞还叫有利于凝胶表面皮膜效应。所以，POSS的加入将大幅度提高凝胶的解溶涨速率。POSS的引入还将大幅度提高纳米纤维丝的力学强度。

进一步，本发明所述静电纺丝的条件为：溶液流率介于0.6-0.8ml/h，电压介于12-14 kV之间，纺丝距离设定为15-18 cm。

进一步，本发明所述响应性聚合物纳米纤维丝的直径介于500-800nm之间。

进一步，所述环氧氯丙烷加入纤维素溶液中作为纤维素的交联剂，与纤维素反应交联以生成凝胶体。

本发明的有益效果在于：在以纤维素为凝胶基体时保证了凝胶的生物相容性和表面特性，同时，由于内部纳米丝纤维丝的缠绕使得纤维素凝胶的强度大幅提升，同时，在受到不同刺激源刺激时由于POSS的存在，纳米纤维丝本身具有优异的响应速率，而同时，由于纤维素的存在，凝胶本身的体积变化率较小。

本发明所述高强度纤维素基温度、pH双刺激响应纳米复合凝胶性能有如下性能特点：

本发明高强度纤维素基温度、pH双刺激响应纳米复合凝胶内因有纳米纤维丝的缠绕，从而使得凝胶具有较好的力学性能，凝胶在配方范围内，凝胶溶胀率为10倍时（溶胀水质量/干胶=10），凝胶的负载与拉伸强度分别为0.75-2.4N，36.6-147.4KPa，0.5-1.5MPa。

本发明纤维素基凝胶具有可调的LCST，在纯水中的范围为34.8-41.6°C。

本发明之高强度纤维素基温度、pH双刺激响应纳米复合凝胶具有较大的溶胀率和明显的重量转变pH，温度响应，就溶剂中浸泡两天为平衡状态溶胀来测评，20°C环境下，本专利合成配比范围内所制备水凝胶在纯水中的溶胀率（以湿胶/干胶质量比表示，下同）为23.2-32.5, 在pH值为3的酸性缓冲液中溶胀率范围为27.4-35.4, 在pH值为12.7的缓冲液中溶胀率为21.5-29.6。在60°C环境中，凝胶在纯水中溶胀率为12.5-15.1, 在pH值为3的酸性缓冲液中溶胀率范围为14.2-16.8, 在pH值为8.7的缓冲液中溶胀率为18.4-21.5。

本发明之高强度纤维素基温度、pH双刺激响应纳米复合凝胶具有快速解溶胀性（以水凝胶测量即时质量与测前质量的比值表示），在纯水中20°C达到平衡溶胀下，升高温度至于60°C，10分钟内解溶胀率（即凝胶中水重量的降低）可达到15%-30%。同时，凝胶具有良好的形态稳定性，重量解溶胀率为15%-30%时，凝胶的体积减小率分别为7.5%-10%。

附图说明

图1是实施例1中制备的水凝胶的溶胀率（重量比）与温度之间的关系示意图。

图2是实施例1中制备的水凝胶的溶胀率（重量比）与pH值之间的关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步详细阐述，但不应理解为下述各实施例是对本发明上述主题所涉及范围的限制，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明范围。

实施例1

将7.32g(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯)共聚物，0.27g2-乙基-4-甲基咪唑，1.2g八臂环氧丙基笼状倍半硅氧烷，溶解于50.6g质量比为1：1的DMF和THF的混合溶液中，室温下搅拌30分钟形成预纺丝液，将预纺丝液置于针电纺设备中，溶液流率，电压及纺丝距离设定为0.6 ml/h，13 kV 及 17 cm，纺丝后，响应性聚合物纳米纤维丝于真空中加热至160度并干燥4小时，备用；

（2）纤维素的溶解：配制6wt%NaOH 4wt%尿素水溶液，然后用G2漏斗过滤后作为纤维素的溶剂，称取400g溶液，将32.1g纤维素分散在溶剂中，室温下搅拌5分钟后放入冰箱中冷冻12小时，冻结的固体试样在室温下解冻并搅拌，最终得到无色透明的纤维素溶液；

（3）将（1）中制得的响应性聚合物纳米纤维丝20.4 g浸入（2）制备的纤维溶解溶液中，加热至45度浸泡4小时；

（4）将0.6g环氧氯丙烷滴加到上述纤维素溶液中，超声震荡5分钟后，在室温下放置1小时，后冷冻混合物-20度24小时，得到凝胶；

（5）将凝胶浸泡于清水中12小时，期间换水3次，得到最终水凝胶产物。

所述 (N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯)共聚物中N-异丙基丙烯酰胺与甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯的摩尔比为1：0.5。

所述(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯)共聚物的分子量介于10000-15000g/mol之间。

本实施例高强度纤维素基温度、pH双刺激响应纳米复合凝胶溶胀率为10倍时（溶胀水质量/干胶=10），凝胶的负载与拉伸强度分别为1.54N，76.4KPa，0.98MPa。

在纯水中的LCST为38.6。

本发明之高强度纤维素基温度、pH双刺激响应纳米复合凝胶具的溶胀性如下：20°C环境下，本实施例水凝胶在纯水中的溶胀率（以湿胶/干胶质量比表示，下同）为27.2 在pH值为3的酸性缓冲液中溶胀率范围为31.4, 在pH值为12.7的缓冲液中溶胀率为24.7。在60°C环境中，凝胶在纯水中溶胀率为13.5, 在pH值为3的酸性缓冲液中溶胀率范围为15.4, 在pH值为8.7的缓冲液中溶胀率为19.9。

凝胶在纯水中的溶胀性对温度的响应性及在20°C下在不同pH值溶液中的溶胀率参照图1，图2。

本发明之高强度纤维素基温度、pH双刺激响应纳米复合凝胶具在纯水中20°C达到平衡溶胀下，升高温度至于60°C，10分钟内解溶胀率（即凝胶中水重量的降低）可达到21.4%。同时，凝胶具有良好的形态稳定性，重量解溶胀率为20%时，凝胶的体积减小率分别为8.1%。

实施例2

将11.56g(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯)共聚物，0.41g2-乙基-4-甲基咪唑，2.12g八臂环氧丙基笼状倍半硅氧烷，溶解于81.4g质量比为1：1的DMF和THF的混合溶液中，室温下搅拌30分钟形成预纺丝液，将预纺丝液置于针电纺设备中，溶液流率，电压及纺丝距离设定为0.6 ml/h，13 kV 及 17 cm，纺丝后，纳米纤维丝于真空中加热至160度并干燥4小时，备用；

（2）纤维素的溶解：配制6wt%NaOH 4wt%尿素水溶液，然后用G2漏斗过滤后作为纤维素的溶剂，称取600g溶液，将48.5g纤维素分散在溶剂中，室温下搅拌5分钟后放入冰箱中冷冻12小时，冻结的固体试样在室温下解冻并搅拌，最终得到无色透明的纤维素溶液；

（3）将（1）中制得的聚合物纳米纤维丝20.4 g浸入（2）制备的纤维溶解溶液中，加热至45度浸泡4小时；

（4）将定1.2g环氧氯丙烷滴加到上述纤维素溶液中，超声震荡5分钟后，在室温下放置1小时，后冷冻混合物-20度24小时，得到凝胶；

（5）将凝胶浸泡于清水中12小时，期间换水3次，得到最终水凝胶产物。

所述 (N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯)共聚物中N-异丙基丙烯酰胺与甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯的摩尔比为1：0.65。

所述(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯)共聚物的分子量为10000-15000g/mol。

本实施例高强度纤维素基温度、pH双刺激响应纳米复合凝胶溶胀率为10倍时（溶胀水质量/干胶=10），凝胶的负载与拉伸强度分别为1.98N，88.5KPa，1.25MPa。

在纯水中的LCST为39.4°C。

本发明之高强度纤维素基温度、pH双刺激响应纳米复合凝胶具的溶胀性如下：20°C环境下，本实施例水凝胶在纯水中的溶胀率（以湿胶/干胶质量比表示，下同）为29.6，在pH值为3的酸性缓冲液中溶胀率范围为32.5, 在pH值为12.7的缓冲液中溶胀率为23.6。在60°C环境中，凝胶在纯水中溶胀率为12.7, 在pH值为3的酸性缓冲液中溶胀率范围为16.2, 在pH值为8.7的缓冲液中溶胀率为20.2。

本发明之高强度纤维素基温度、pH双刺激响应纳米复合凝胶具在纯水中20°C达到平衡溶胀下，升高温度至于60°C，10分钟内解溶胀率（即凝胶中水重量的降低）可达到19.7%。同时，凝胶具有良好的形态稳定性，重量解溶胀率为20%时，凝胶的体积减小率分别为9.2%。

Claims (3)

1.一种高强度纤维素基纳米复合温度、pH 双刺激响应凝胶的制备方法，其特征在于：制备过程包括以下步骤：

(1) 响应性聚合物纳米纤维丝的制备：将一定量的 (N- 异丙基丙烯酰胺 - 甲基丙烯酸N，N- 二甲基氨基乙酯 ) 共聚物，催化剂 2- 乙基 -4- 甲基咪唑，交联剂八聚 ( 丙基缩水甘油醚) 倍半硅氧烷，溶解于质量比例为 1:1 的 N，N- 二甲基甲酰胺和四氢呋喃的混合溶液中，室温下搅拌形成预纺丝液，其中，预纺丝液中 (N- 异丙基丙烯酰胺 - 甲基丙烯酸 N，N- 二甲基氨基乙酯 ) 共聚物质量分数为 12-20%，八聚 ( 丙基缩水甘油醚 ) 倍半硅氧烷的质量分数为2-4%，2- 乙基 -4- 甲基咪唑的质量分数为 0.3-0.8%，将预纺丝液置于针电纺设备中，静电纺丝后，纳米纤维丝于真空中加热至 160 度并干燥 4 小时，备用；

（2）纤维素的溶解：配制 6wt%NaOH、4wt% 尿素水溶液，然后用 G2 漏斗过滤后作为纤维素的溶剂，将一定量的纤维素分散在溶剂中，室温下搅拌 5 分钟后放入冰箱中冷冻 12小时，冻结的固体试样在室温下解冻并搅拌，最终得到无色透明的纤维素溶液，其中纤维素在溶液中的质量比介于 6-12% 之间；

（3）将（1）中制得的聚合物纳米纤维丝浸入（2）制备的纤维溶解溶液中，加热至 45 度浸泡 4 小时；其中聚合物纳米纤维丝的质量为纤维溶解溶液的 3.5-6% 之间；

（4）将定量的环氧氯丙烷滴加到上述纤维素溶液中，超声震荡 5 分钟后，在室温下放置1 小时，后冷冻混合物 -20 度 24 小时，得到凝胶，其中环氧氯丙烷的质量介于溶液中纤维的1.5-3.5% 之间；

（5）将凝胶浸泡于清水中12小时，期间换水3次，得到最终水凝胶产物。

2.如权利要求 1 所述高强度纤维素基纳米复合温度、pH 双刺激响应凝胶的制备方法，其特征在于，所述 (N- 异丙基丙烯酰胺 - 甲基丙烯酸 N，N--二甲基氨基乙酯 ) 共聚物中 N- 异丙基丙烯酰胺与甲基丙烯酸 N，N-二甲基氨基乙酯的摩尔比介于 1 ：0.8 -1 ：0.4之间。

3.如权利要求 1 所述高强度纤维素基纳米复合温度、pH 双刺激响应凝胶的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝的条件为：溶液流率介于 0.6-0.8ml/h，电压介于 12-14 kV之间，纺丝距离设定为 15-18 cm。