CN108250358B - 一种负载微凝胶的多重响应性水凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负载微凝胶的多重响应性复合水凝胶的制备方法，该方法先通过乳液聚合法合成带正电荷的微凝胶，将其分散在单体丙烯酰胺（AAm）与丙烯酸（AAc）的混合溶液中引发聚合后，与带负电荷的三维网状凝胶框架P（AAm‑AAc）通过静电作用结合，得到负载有微凝胶的多重响应性复合水凝胶，该复合水凝胶不但表现出微凝胶的多重刺激响应性，如离子响应性、pH响应性，而且还表现出反常的温度响应性：即随着温度的升高，复合水凝胶在水中的体积逐渐增大。因此，可应用在药物缓释及生物传感等领域。

Description

一种负载微凝胶的多重响应性水凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及一种多重响应性复合水凝胶的制备，尤其涉及一种负载有微凝胶的多重响应性复合水凝胶的制备，主要用于药物缓释以及生物传感等领域。
背景技术
刺激响应型材料，特别是智能响应型水凝胶，在伤口愈合、生物传感以及药物缓释等应用领域的研究已经广泛地引起了科研工作人员的兴趣。水凝胶因其良好的生物相容性及环境响应性而在生物医学领域有着广泛的用途，与传统的单一刺激相比，多重响应性的研究已成为智能响应型水凝胶的重要研究方向之一。
智能微凝胶是一类具有三维网状构型的多重响应型聚合物软材料。其对于外界刺激，如：pH、离子强度、光照、电磁场等通过体积的收缩或溶胀而表现出一定的响应性。迄今为止，对于响应型微凝胶研究最为广泛的就是温敏性的聚氮异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）微凝胶。该温敏性主要是指微凝胶能响应温度的变化而发生体积的收缩或溶胀，即在不同温度下微凝胶粒径变化表现为：当温度高于微凝胶在水中的体积相变温度（VPTT）时，微凝胶粒径减小；当温度低于微凝胶在水中的体积相变温度时，微凝胶的粒径增大。并且研究发现，亲疏水性单体的加入对PNIPAm的体积相变温度也有影响：随着亲水性单体的加入，微凝胶的VPTT向高温迁移，从而扩大了响应性微凝胶的应用范围，提高了微凝胶的实用性。
发明内容
本发明的目的是提供一种负载有微凝胶的多重响应性复合水凝胶的合成方法。
一、复合水凝胶的合成
1、微凝胶的合成
以去离子水为介质，氮气氛围下，在引发剂、交联剂存在下，以氮异丙基丙烯酰胺（NIPAm）与N-乙烯基咪唑（VIm）为单体，于50℃~70℃下反应4~6h；室温冷却，所得反应液置于透析袋中透析54~72h，得到微凝胶。
氮异丙基丙烯酰胺（NIPAm）与N-乙烯基咪唑的摩尔比为1:0.3~1:2。
引发剂为2,2’-偶氮二异丁基脒二盐酸盐，引发剂的用量为单体（NIPAm、VIm）总摩尔量的0.03~0.04倍。
交联剂为1,6-二溴己烷，交联剂用量为单体（NIPAm、VIm）总摩尔量的0.1~0.13倍。
透析袋的分子量为12000~14000。
（2）复合水凝胶的合成
以去离子水为介质，氮气氛围下，在引发剂、交联剂存在下，将丙烯酰胺（AAm）、丙烯酸（AAc）、微凝胶混合后，于40℃~60℃的油浴锅中聚合1.5~2h，得到负载微凝胶的多重响应性的复合水凝胶。
丙烯酰胺（AAm）、丙烯酸（AAc）、微凝胶的摩尔比为1:1:1.5~1:2.3:2.5。
交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（BIS），交联剂的用来量为基质丙烯酰胺（AAm）、丙烯酸（AAc）总摩尔量的0.05~0.1倍。
引发剂为过硫酸钾（KPS），引发剂的用来量为基质丙烯酰胺（AAm）、丙烯酸（AAc）总摩尔量的0.02~0.03倍。
二、复合水凝胶的结构
图1是复合水凝胶的扫描电镜图。从图1中可以看出，通过静电吸引合成的掺杂有微凝胶的复合水凝胶具有互相交联的三维网状多孔结构，并且水凝胶孔壁上负载有呈圆球状的微凝胶。此外，温度对复合水凝胶的结构有一定的影响，即随着温度的升高，带正电荷的温敏性微凝胶的粒径减小，从而使得水凝胶的孔状结构更加明显，孔洞增大，这种多孔结构的存在可为水提供进出水凝胶的通道，具有这种多孔结构的水凝胶将具有快速的溶胀和退溶胀速率。
三、复合水凝胶的响应性能
1、温度响应性能
将制备的水凝胶切成等体积的两份，都置于去离子水中，其中一份置于室温，另一份分别置于室温、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃下进行对比。1h后取出观察各凝胶的体积变化。结果发现：水凝胶均表现出吸水溶胀性。但随着温度的升高，凝胶的体积膨胀较为明显，这与微凝胶的温敏性表现相反。而出现这种反常的原因可能有以下两点：1、随着凝胶温度的升高，含有温敏性单体NIPAm的微凝胶的体积收缩，而微凝胶在聚合过程中充当交联点，随着微凝胶体积的减小，水凝胶的交联密度减小，从而使得水凝胶表现出溶胀性，即表现出水凝胶的体积增大。2、将水凝胶置于去离子水中，由于水凝胶的多孔结构使得水分能够更快地进入或流出。
2、pH响应性能
将制备的水凝胶切成等体积的四份，分别置于由盐酸及氢氧化钠溶液配置的不同的pH（pH=1、2、3、5、7、8、9、10、12、13）溶液中，一段时间后，观察水凝胶的体积变化。可以发现：水凝胶在pH<7的溶液中表现出收缩状态，并且随着溶液pH由1到7，水凝胶收缩越来越不明显；而在碱性溶液中，水凝胶的体积增大，并且随着溶液pH的增大，水凝胶的溶胀程度越来越大。这是由于在酸性条件下，侧基与溶液中的酸之间的氢键作用加强，使得水凝胶本身发生收缩；而在碱性环境中，丙烯酸中的羧酸基团变成了羧酸根离子，即破坏了氢键又使得离子与离子之间的排斥作用增大，从而使得水凝胶表现出溶胀性能。
3、离子响应性能
将制备的水凝胶切成等体积的四份，分别置于等体积等浓度的去离子水、NaCl、CaCl2、FeCl3溶液中，观察水凝胶的体积变化。结果发现，水凝胶在去离子水中与NaCl溶液中的体积变化不明显，而随着阳离子价态的增大，水凝胶的体积明显减小，即在NaCl、CaCl2、FeCl3溶液中，水凝胶的体积依次减小。这是由于丙烯酸中的羧酸基团与阳离子之间的配位程度不同导致的，即羧酸根与三价阳离子之间的作用最强，与一价阳离子之间的作用最弱，而与二价阳离子之间的作用居中，从而使得水凝胶在离子溶液中表现出响应性能。
综上所述，本发明通过乳液聚合法所合成带正电荷的微凝胶，不仅可以对外界刺激表现出一定的响应性，而且还可以与带负电荷的三维网状凝胶框架（PAAm-AAc）通过静电作用结合，得到负载有微凝胶的多重响应性复合水凝胶，该复合水凝胶不但表现出微凝胶的多重刺激响应性，如一定的离子响应性、pH响应性，而且还表现出反常的温度响应性（随着温度的升高，复合水凝胶在水中的体积逐渐增大），因此，可应用在药物缓释及生物传感等领域。
附图说明
图1 掺杂有微凝胶的复合水凝胶的SEM图。
图2为复合水凝胶分别在不同pH溶液中的体积变化图（a.pH=1; b.pH=3; c. pH=8; d. pH=13）。
图3为复合水凝胶分别在去离子水（a）、 NaCl溶液（b）、 CaCl2溶液（c）、FeCl3溶液（d）中的体积变化图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明复合水凝胶的合成方法和性能做进一步说明。
实施例1
（1）微凝胶的合成：将0.2264g（2mmol）NIPAm、27ul（0.3mmol）N-乙烯基咪唑（VIm）置于圆底烧瓶，加入45ml的去离子水，通氮并搅拌20min后，加入5ml的浓度为5mg/mlAIBA（2,2’-偶氮二异丁基脒二盐酸盐）溶液作为引发剂，反应10min后，缓慢加入46ul（0.3mmol）的1,6-二溴己烷作为交联剂，然后置于70℃下加热6h，冷却至室温后，将所得溶液置于透析袋中透析70h，得到45ml微凝胶；
（2）复合水凝胶的合成：取基质丙烯酰胺（AAm）0.1065g（1.5mmol）、丙烯酸（AAc）0.1081g（1.5mmol）、交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）0.0046g（0.03mmol）、引发剂过硫酸钾（KPS）0.0081g（0.03mmol），置于小瓶子中，然后加入1ml去离子水，通氮搅拌20min后，注入1ml上述制备的微凝胶，接着搅拌30min后，置于60℃的油浴锅中加热聚合2h，从而得到负载有微凝胶的多重响应性水凝胶。该水凝胶具有离子响应性、pH响应性，而且还表现出反常的温度响应性。
实施例2
（1）微凝胶的合成：将0.2264g（2mmol）NIPAm、27ul（0.3mmol）N-乙烯基咪唑（VIm）置于圆底烧瓶，加入45ml的去离子水，通氮并搅拌20min后，加入5ml的浓度为5mg/mlAIBA（2,2’-偶氮二异丁基脒二盐酸盐）溶液作为引发剂，反应10min后，缓慢加入46ul（0.28mmol）的1,6-二溴己烷作为交联剂，然后置于70℃下加热6h，冷却至室温后，将所得溶液置于透析袋中透析70h，得到45ml微凝胶；
（2）复合水凝胶的合成：取基质丙烯酰胺（AAm）0.0639g（0.9mmol）、丙烯酸（AAc）0.1513g（2.1mmol）、交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）0.0092g（0.06mmol）、引发剂过硫酸钾（KPS）0.0162g（0.06mmol），置于小瓶子中，然后加入1ml去离子水，通氮搅拌20min后，注入1ml上述制备的微凝胶，接着搅拌30min后，置于60℃的油浴锅中加热聚合2h，从而得到负载有微凝胶的多重响应性水凝胶。该水凝胶具有离子响应性、pH响应性，而且还表现出反常的温度响应性。
实施例3
（1）微凝胶的合成：将0.2264g（2mmol）NIPAm、27ul（0.3mmol）N-乙烯基咪唑（VIm）置于圆底烧瓶，加入45ml的去离子水，通氮并搅拌20min后，加入5ml的浓度为5mg/mlAIBA（2,2’-偶氮二异丁基脒二盐酸盐）溶液作为引发剂，反应10min后，缓慢加入46ul（0.23mmol）的1,6-二溴己烷作为交联剂，然后置于70℃下加热6h，冷却至室温后，将所得溶液置于透析袋中透析70h，得到45ml微凝胶；
（2）复合水凝胶的合成：取基质丙烯酰胺（AAm）0.0852g（1.2mmol）、丙烯酸（AAc）0.1297g（1.8mmol）、交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）0.0069g（0.045mol）、引发剂过硫酸钾（KPS）0.0122g（0.045mmol），置于小瓶子中，然后加入1ml去离子水，通氮搅拌20min后，注入1ml上述制备的微凝胶，接着搅拌30min后，置于60℃的油浴锅中加热聚合2h，从而得到负载有微凝胶的多重响应性水凝胶。该水凝胶具有离子响应性、pH响应性，而且还表现出反常的温度响应性。

Claims (7)

1.一种负载有微凝胶的多重响应性复合水凝胶的合成方法，包括以下工艺步骤：
（1）微凝胶的合成：以去离子水为介质，氮气氛围下，在引发剂2,2’-偶氮二异丁基脒二盐酸盐、交联剂1,6-二溴己烷的存在下，以氮异丙基丙烯酰胺与N-乙烯基咪唑为单体，于50℃~70℃下反应4~6h；室温冷却，所得反应液置于透析袋中透析54~72h，得到微凝胶；
（2）复合水凝胶的合成：以去离子水为介质，氮气氛围下，在引发剂过硫酸钾、交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的存在下，将丙烯酰胺、丙烯酸、微凝胶混合后，于40℃~60℃的油浴锅中聚合1.5~2h，得到负载有微凝胶的多重响应性复合水凝胶。
2.如权利要求1所述一种负载有微凝胶的多重响应性复合水凝胶的合成方法，其特征在于：步骤（1）中，氮异丙基丙烯酰胺与N-乙烯基咪唑的摩尔比为1:0.3~1:2。
3.如权利要求1所述一种负载有微凝胶的多重响应性复合水凝胶的合成方法，其特征在于：步骤（1）中，引发剂为2,2’-偶氮二异丁基脒二盐酸盐，引发剂的用量为单体总摩尔量的0.03~0.04倍。
4.如权利要求1所述一种负载有微凝胶的多重响应性复合水凝胶的合成方法，其特征在于：步骤（1）中，交联剂为1,6-二溴己烷，交联剂用量为单体总摩尔量的0.1~0.13倍。
5.如权利要求1所述一种负载有微凝胶的多重响应性复合水凝胶的合成方法，其特征在于：步骤（1）中，透析袋的分子量为12000~14000。
6.如权利要求1所述一种负载有微凝胶的多重响应性复合水凝胶的合成方法，其特征在于：步骤（2）中，交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，交联剂的用量为基质丙烯酰胺、丙烯酸总摩尔量的0.01~0.02倍。
7.如权利要求1所述一种负载有微凝胶的多重响应性复合水凝胶的合成方法，其特征在于：步骤（2）中，引发剂为过硫酸钾，引发剂的用量为基质丙烯酰胺、丙烯酸总摩尔量的0.01~0.02倍。
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