温敏性异丙基丙烯酰胺_二氧化硅透明质酸核壳型杂化微凝胶的合成和体积相变行为

温敏性异丙基丙烯酰胺2二氧化硅透明质酸核壳型杂化微凝胶的合成和体积相变行为左雪芹,徐首红,刘洪来华东理工大学化学系,结构可控先进功能材料及其制备教育部重点实验室,上海200237摘要通过溶胶2凝胶法,利用硅烷偶联剂KH550对纳米SIO2颗粒进行原位改性,使其表面带正电。改性后的SIO2颗粒MSIO2通过静电作用吸附带负电的透明质酸HA形成核壳颗粒HA2MSIO2。进一步在壳层HA链上接枝聚合N2异丙基丙烯酰胺NIPAM制得核壳结构温敏性杂化微凝胶PNIPAM2HA2MSIO2,并用AFM和SEM表征其在云母表面的成膜性能。结果表明HA2MSIO2核壳颗粒平均粒径约为182NM,壳层厚度15NM,其粒径或壳层厚度可以通过改变MSIO2溶液或HA溶液的浓度来调节温敏性PNIPAM2HA2MSIO2微凝胶的体积相变温度为32C,与PNIPAM溶液的最低临界溶解温度LCST一致,在体积相变温度以下旋涂于云母表面的微凝胶呈现球形颗粒,体积相变温度以上旋涂膜可以转变为致密的膜。关键词纳米SIO2透明质酸核壳颗粒温敏性微凝胶中图分类号O629文献标志码A文章编号10082935720100320263207SYNTHESISANDVOLUMEPHASEBEHAVIORSOFTEMPERATURE2SENSITIVEPNIPAM2HA2MSIO2CORE2SHELLHYBRIDEMICROGELSZUOXUE2QIN,XUSHOU2HONG,LIUHONG2LAIKEYLABORATORYFORADVANCEDMATERIALSANDDEPARTMENTOFCHEMISTRY,EASTCHINAUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY,SHANGHAI200237,CHINA32AMINOPROPYLTRIETHOXYSILANEKH550WASUSEDTOMODIFYSIO2NANO2PARTICLESTHROUGHABSTRACTINSITUSOL2GELMETHODTHEN,THEPOSITIVELYCHARGEDSIO2MOLECULESWERECOVEREDBYNEGATIVELYCHARGEDHAMOLECULESTHROUGHELECTROSTATICFORCETOFORMCORE2SHELLNANO2PARTICLESHA2MSIO2FURTHERMORE,N2ISO2PROPYLACYLAMIDENIPAMWASGRAFTEDONTOTHECHAINOFHATOFORMTEMPERATURE2SENSITIVEHYBRIDEMICRO2GELSPNIPAM2HA2MSIO2,WHOSEPROPERTIESOFFILM2FORMINGWERECHARACTERIZEDBYAFMANDSEMRESULTSSHOWTHATTHEAVERAGEDIAMETERANDSHELLTHICKNESSOFHA2MSIO2PARTICLESARE182NMAND15NM,RESPECTIVELYTHEVOLUMEPHASETRANSITIONTEMPERATUREOFTEMPERATURE2SENSITIVEPNIPAM2HA2MSIO2MICROGELSIS32C,WHICHISCONSISTENTWITHTHELOWERCRITICALSOLUTIONTEMPERATURELCSTOFPNIPAMSOLUTIONSTHEMICROGELSARESPHERICALONTHEMICASURFACEUNDERVOLUMEPHASETRANSITIONTEMPERATURE,ANDTHECOMPACTFILMFORMSONTHEMICAABOVEVOLUMEPHASETRANSITIONTEMPERATUREKEYWORDSSIO2NANO2PARTICLEHYALURONICACIDCORE2SHELLPARTICLETEMPERATURE2SENSITIVEMICROGEL生物体的软硬组织因疾病或外伤而引起的缺损,严重地威胁着人类的健康。这些软骨组织及软骨下骨的自我修复能力有限,多年来,研究者们不断地在探索科学的治疗方法、开发新型的人工软骨修复替代埋植收稿日期2010204220基金项目国家自然科学基金资助项目20736002作者简介左雪芹19842,女,安徽巢湖人,硕士生,研究方向功能高分子材料。E2MAILZUOXUEQIN1984163COM通讯联系人徐首红,E2MAILXUSHOUHONGECUSTEDUCN264功能高分子学报第23卷材料。作为人工软骨修复的替代材料除了必须具有生物相容性、亲和性和无细胞毒性外,还必须具备类似软骨的力学特性,例如低摩擦性、柔韧性、抗磨损性等。近年来高分子水凝胶作为软骨替代材料成为研究的热点,有文献报道聚乙烯醇PVA水凝胶的含水率、压缩弹性模量、压缩强度、摩擦系数等理化性能均与软骨组织接近1。但这种凝胶材料缺乏生物活性2,需要事先根据缺损部位的形状进行体外成型,然后通过手术置入体内,这一过程既有操作上的难度还给病人增加痛苦。为此,有学者提出采用可注射型凝胶,例如多肽黏蛋白凝胶等,该凝胶具有温敏性,在室温下可溶于水,温度上升后发生相变化,沉积析出形成胶状凝聚层3。这类宏观蛋白凝胶虽然解决了生物相容性和手术操作麻烦的问题,但在环境刺激响应速率和力学性能等方面还有不足。为了适应微创外科技术,本文将制备具有一定生物相容性、生物可降解性的智能型核壳结构微凝胶,使其具有多种性能和功能,如PH敏感4、温度敏感5、光敏感等,并应用于组织工程,作为软骨修复替代材料,这种注射型温敏性微凝胶对外界刺激的反应比宏观凝胶材料快得多,可克服宏观蛋白凝胶对环境刺激响应速率慢的缺陷,同时具有良好的生物相容性、亲和性、力学强度和柔韧性,无需事先裁剪可以自行流动成型,尤其适合形状不规则的组织损伤的治疗和修复。本文选择SIO2作为核材料,它不仅具有较好的生物相容性,制备时容易控制其颗粒的大小和分布,还可以增加颗粒的力学性能,而且允许无机金属和有机高分子如具有生物活性、生物相容性的分子在其表面覆盖、包裹,因而在人工皮肤、组织工程支架等生物材料中应用广泛。有机壳材料选择透明质酸HA和聚N2异丙基丙烯酰胺PNIPAM的杂化凝胶,HA是生物体软、硬组织细胞间质的重要基质成份,多与蛋白质结合共同发挥正常的细胞代谢及组织保护的作用,在医疗临床、药物载体、组织工程修复等方面都已有广泛的应用。PNIPAM是目前在生物医药、组织工程领域中被利用最多的温敏材料6,除了具有良好的生物相容性和温度敏感性外,其最低临界溶解温度LCST32接近人体体温,可以在生物体环境中做出响应。本研究结果将为微创手术、体内药物埋置等医疗新概念提供技术和理论指导,为智能型纳、微米颗粒的研制开辟出新的应用领域。1实验部分11实验材料无水乙醇、2氨丙基三乙氧基硅烷KH550、四丁基溴化铵、丙酮和氨水分析纯,国药集团化学试剂有限公司正硅酸乙酯TEOS、过硫酸铵APS、盐酸、氢氧化钠分析纯,上海凌峰化学试剂有限公司甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA,W97、N2异丙基丙烯酰胺NIPAM,W98和N,N2亚甲基双丙烯酰胺MBA,高纯级上海晶纯有限公司HAMN20104,镇江东圆生物技术有限公司透析袋截留量14104,上海绿鸟科技发展有限公司三乙胺分析纯,上海达菲工贸有限公司和桥分公司。12实验方法在传统的溶胶2凝胶法制备纳米SIO27的基础上,用KH550对其121SIO2纳米颗粒的制备与修饰进行原位改性,具体步骤如下在反应器中加入114ML无水乙醇、57ML氨水、38MLTEOS、1MLKH550,在氮气保护下于40C反应10H后离心,分别用乙醇和蒸馏水洗涤,直至产物中无游离KH550存在,将样品真空干燥、研磨后保存,记为MSIO2。HA2MSIO2的制备122取适量MSIO2粉末分散在蒸馏水中,用盐酸调节其PH2,加入到HA溶液中,超声处理5H,产物用蒸馏水透析5D,得到样品HA2MSIO2。PNIPAM2HA2MSIO2的制备123文献8中报道用GMA改性HA可使其链上含有双键,本文借鉴此方法在HA2MSIO2的壳上接枝GMA,具体方法如下在样品HA2MSIO2中加入适量三乙胺、GMA和四丁基溴化铵,其中三乙胺作为催化剂、四丁基溴化铵作为相转移溶剂。将此混合溶液反应24H后,于60C孵化1H,用丙酮将产物沉淀出,再用丙酮和水反复洗涤、沉淀,并冷冻干燥。称量005G上述样品溶解于10ML水中,加入过量NIPAM和MBA,抽真空并通入氮气保护,将反应液温度升到70C,并逐滴加入APS水溶液,反应4H后用蒸馏水透析5D,所得样品记为PNIPAM2HA2MSIO2。19942014CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET左雪芹,等温敏性异丙基丙烯酰胺2二氧化硅透明质酸核壳型杂化微凝胶的合成和体积相变行为265第3期13测试与表征红外光谱FT2IR日本NICOLETMAGANA550傅里叶变换红外光谱仪,采用压片法制备样品,在红外灯下干燥后测试。动态光散射DLS英国MALVERNINSTRUMENTSLTDZETASIZERNANOZS型纳米粒度及ZETA电位分析仪,测试样品均取透析后溶液,MSIO2和HA2MSIO2测试温度为25C,PNIPAM2HA2MSIO2微凝胶测试温度为2044C,每隔2C测一次,每一温度下恒温10MIN,测试微凝胶溶液的透光率用相同的温度范围。形貌及成膜性日本JSM26360LV扫描电镜SEM,上海爱建纳米科技发展有限公司AJ2III型原子力显微镜AFM,日本JEOL21200EX透射电镜TEM。将透析后样品旋涂于云母上,在室温下干燥24H后用SEM和AFM观察形貌,其中AFM采用轻敲模式直接将透析后溶液滴在铜网上,并在室温下干燥24H后做为TEM样品。透光率日本UV21601PC岛津紫外分光光度计,测试样品取透析后溶液,PNIPAM2HA2MSIO2微凝胶测试温度为2044C,每隔2C测一次,每一温度下恒温10MIN。2结果与讨论21FT2IR表征图1是SIO2、MSIO2、HA、HA2MSIO2和PNIPAM2HA2MSIO2的FT2IR图谱。与SIO2相比,MSIO2在3415、3280、1541CM1处出现NH2的振动吸收峰,说明SIO2已经被KH550修饰。HA2MSIO2中3373CM1处是OH的吸收峰,与HA相比,吸收峰向低波数方向移动且变宽1631、1412、1373、612CM1处是HA的特征吸收峰,与SIO2相比10001100CM1处SIO2的特征吸收峰亦存在,说明MSIO2吸附了HA形成核壳结构。PNIPAM2HA2MSIO2中2968CM1处是CH3的特征吸收峰,2923、2868CM1是CH2的特征吸收峰,1653CM1处是酰胺I带的强吸收峰,1534CM1处是酰胺带的吸收峰,说明NIPAM已经在HA2MSIO2的壳层上发生聚合。图1SIO2A、MSIO2B、HAC、HA2MSIO2D、PNIPAM2HA2MSIO2E的FT2IR谱图FT2IRSPECTRAOFSIO2A,MSIO2B,HAC,HA2MSIO2DANDPNIPAM2HA2MSIO2EFIG1图2ZETA电位分布图FIG2ZETAPOTENTIALDISTRIBUTIONSHA2MSIO2核壳颗粒表征HA2MSIO2核壳颗粒的粒径和ZETA电位22221溶胶2凝胶法制备的SIO2纳米颗粒等电点为29,其ZETA电位绝对值随PH升高而增加。纳米SIO2颗粒在PH4的水溶液中能稳定分散。由于SIO2表面带负电,与同样带负电的HA之间相互排斥,为此本文用KH550对SIO2进行修饰,改变其表面带电情况。经KH550修饰后的MSIO2的ZETA电位随PH增加绝对值逐渐减小,PH2时平均粒径为152NM,ZETA电位为497MV。19942014CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET266功能高分子学报第23卷图2中的SIO2、MSIO2的ZETA电位分布亦说明SIO2经过KH550修饰后,带电情况发生逆转,这是MSIO2颗粒表面的NH2基团在酸性条件下质子化生成NH3,使其表面带正电而引起的变化。而HA在水溶液中带负电,其ZETA电位为425MV,受MSIO2表面的正电荷吸引而吸附在其表面,形成核壳结构颗粒。将PH2的MSIO2与HA反应后制得的HA2MSIO2的平均粒径为182NM,ZETA电位为247MV。加入HA后,MSIO2颗粒平均粒径增加了30NM,表面电荷发生了反转。图3是MSIO2和HA2MSIO2的粒径分布结果,由图可见,HA2MSIO2粒径分布和MSIO2相似,粒径略有增大,HA2MSIO2核壳颗粒的壳层厚度约为15NM。图3MSIO2和HA2MSIO2的粒径分布图4HA质量浓度对HA2MSIO2粒径分布影响FIG3SIZEDISTRIBUTIONSOFMSIO2ANDHA2MSIO2FIG4EFFECTOFHACONCENTRATIONSONTHESIZEDISTRIBUTIONSOFHA2MSIO2HA2MSIO2的粒径和表面ZETA电位与反应液中MSIO2和HA的质量浓度有关。当HA的质量浓度为05G/L时,将MSIO2的质量浓度由0016G/L增加到004G/L,HA2MSIO2的粒径逐渐减小,分别为243、225、182NM,相应的ZETA电位为396、261、247MV。当MSIO2的质量浓度增加到008G/L时,颗粒发生絮凝,这是因为当反应体系中MSIO2质量浓度较小时,每个MSIO2颗粒上吸附的HA分子数相对较多,可形成较厚的HA壳层,并带有比较多的负电荷,颗粒之间因较强的静电排斥作用而得到稳定当MSIO2的质量浓度增大时,核的个数增加,每个核表面分摊到的HA分子数就减少,HA壳层则变薄当HA分子链所带负电荷几乎和MSIO2颗粒表面所带正电荷相当时,复合颗粒呈电中性状态,容易发生失稳而絮凝。因此,本文固定MSIO2质量浓度为004G/L,通过改变HA质量浓度,所得HA2MSIO2的粒径分布如图4所示。随着HA质量浓度增加,粒径分布向右近似平行移动,粒径逐渐增加,平均粒径分别为169、182、197NM,颗粒表面吸附的HA随之增多,壳厚度增加。根据文献10,HA在溶液中为螺旋双链状,在很低的质量浓度下也能通过链表面的憎水区域发生分子内链接,从而形成三维网络状结构,在界面上则表现为层层吸附聚集,根据本实验结果可以推测,HA是层层吸附在MSIO2颗粒表面的。222HA2MSIO2核壳颗粒的形貌图5是MSIO2和HA2MSIO2的SEM图。由图可知,MSIO2颗粒大小均一,分散性良好,平均粒径大约是130150NM,HA2MSIO2颗粒大小均一,部分颗粒壳层粘连,平均粒径大约为160180NM,与图3所示结果接近。图5MSIO2A和HA2MSIO2B的SEM图FIG5SEMIMAGESOFMSIO2AANDHA2MSIO2B19942014CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET左雪芹,等温敏性异丙基丙烯酰胺2二氧化硅透明质酸核壳型杂化微凝胶的合成和体积相变行为267第3期图6是HA2MSIO2的TEM图,从图中看出核壳结构,深色部分是MSIO2核层,粒径大约为140NM,浅色部分是HA壳层,厚度大约18NM,也与DLS测试结果15NM大致吻合图3所示。23PNIPAM2HA2MSIO2微凝胶表征231PNIPAM2HA2MSIO2微凝胶的温敏性PNIPAM2HA2MSIO2微凝胶溶液在室温下呈澄清状态,在温度较高时出现浑浊,温度再次降低到室温时又重现澄清,表现出微凝胶对温度的敏感性和变化过程的可逆性。图7是PNIPAM2HA2MSIO2微凝胶粒径随温度的变化曲线。20C时微凝胶的平均粒径为368NM随着温度的升高,微凝胶粒径逐渐减小在32C左右粒径发生明显下降36C以后微凝胶粒径趋向恒定值,粒径大约只有176NM,与HA2MSIO2的尺寸接近当温度由44C降低到20C时,微凝胶粒径又逐渐增大,且升温和降温的溶胀曲线基本重合,说明所得微凝胶的溶胀具有可逆性。图6HA2MSIO2的TEM图FIG6TEMIMAGEOFHA2MSIO2PNIPAM2HA2MSIO2微凝胶粒径随温度的变化曲线DIAMETERSOFPNIPAM2HA2MSIO2MICROGELPARTICLESASAFUNCTIONOFTEMPERATURESPNIPAM2HA2MSIO2微凝胶透光率随温度的变化曲线图7FIG7图8PNIPAM2HA2MSIO2FIG8TRANSMITTANCESOFMICROGELPARTICLESASAFUNCTIONOFTEMPERATURES浊度法表征温敏性微凝胶体积相转变是定性考察微凝胶溶胀性的有效方法之一11。测定不同温度下微凝胶的透光率,可以了解温度变化时微凝胶的相转变行为。微凝胶网络内部的吸水量决定了它的溶胀度,由于微凝胶与体相水之间折射指数的差异,进而影响微凝胶溶液的浊度。图8是PNIPAM2HA2MSIO2微凝胶透光率随温度的变化曲线。当温度低于微凝胶的体积相变温度时,微凝胶网络含水量大且处于溶胀状态,与体相水之间的折射指数相差较小,透光率大随着温度的升高,由于氢键被破坏,微凝胶的疏水作用增强,微凝胶网络的含水量减少,呈收缩状态,与体相水之间的折射指数差增加,透光率降低。由图可知,约32C时,微凝胶透光率出现明显的下降趋势温度达40C以上时,微凝胶的透光率逐渐趋向稳定当温度再由44C降低到20C时,实验证明微凝胶透光率的变化是可逆的。上述实验结果表明,PNIPAM2HA2MSIO2微凝胶的体积相变温度在32C附近,与PNIPAM溶液的最低临界溶解温度接近,低于该温度微凝胶发生溶胀,反之则发生收缩,且这种体积相变过程是可逆的。说明该核壳结构型杂化微凝胶的体积相变主要是由PNIPAM壳层的体积相变导致的。232PNIPAM2HA2MSIO2微凝胶的成膜性SINGH12等用AFM表征了PNIPAM微凝胶在苯二甲酸乙二酯PET表面的成膜性。研究结果表明PNIPAM微凝胶受紫外灯照射后发生交联,可以在PET表面形成致密的凝胶膜KAZAKOV13等曾用AFM观察覆盖在脂质体表面的NIPAM2N2乙烯咪唑共聚物“纳米膜”FITZGERALD14等用AFM表征PH敏感微凝胶在云母和玻璃表面的成膜性。研究结果表明中性条件下微凝胶呈颗粒状分布,酸性条件下微凝胶可以成膜,碱性条件下微凝胶则由膜转化为颗粒状。本文用AFM和SEM两种方法考察了微凝胶的成膜性。将微凝胶溶液旋涂在云母表面,室温下干燥24H后分别用AFM和SEM观察其形貌,然后将样品浸入37C水中1H,取出后在37C烘箱中干燥12H,再用AFM和SEM观察。图9是PNIPAM2HA2MSIO2微凝胶在25C和37C下的AFM图和SEM图。19942014CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET268功能高分子学报第23卷由AFM图可知,25C时的云母表面有球形颗粒存在,粒径大约230NM,经过37C热水处理后云母表面颗粒状结构消失,出现了平整而致密的膜。SEM图亦说明微凝胶在体积相变温度以下25C呈球形颗粒状,在体积相变温度以上37C在云母表面形成膜。图9PNIPAM2HA2MSIO2微凝胶的AFM和SEM图FIG9AFMANDSEMIMAGESOFPNIPAM2HA2MSIO2MICROGELSPNIPAM2HA2MSIO2微凝胶在云母表面的成膜过程可以用如图10所示的机理予以说明在体积相变温度以下25C,微凝胶壳层PNIPAM的酰胺基团和水分子之间由于氢键作用15吸收大量水分子而溶胀,在云母表面以颗粒状存在当旋涂膜通过37C水处理后,并在同样温度下干燥,此时温度在体积相变温度以上,微凝胶与水分子之间的氢键作用被破坏,水分从微凝胶中释放,微凝胶发生收缩而紧密排列形成致密膜。图10微凝胶成膜示意图FIG10DIAGRAMOFMICROGELSFILMFORMATION3结论1KH550对SIO2纳米颗粒进行原位改性后,SIO2纳米颗粒表面带正电,平均粒径为152NM,吸附带负电的HA后形成厚度约为15NM的核壳结构颗粒。2通过改变MSIO2和HA的质量浓度可对颗粒壳层厚度进行调控。3温敏性微凝胶PNIPAM2HA2MSIO2的体积相变温度为32C,与PNIPAM的LCST相当。4在体积相变温度以下旋涂于云母表面的微凝胶呈现粒径约230NM的球形颗粒状,经过37C的水处理后,旋涂膜可以转变为致密的膜。19942014CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET左雪芹,等温敏性异丙基丙烯酰胺2二氧化硅透明质酸核壳型杂化微凝胶的合成和体积相变行为269第3期参考文献MADSENBL,NOERHH,CARSTENSENJPLONG2TERMRESULTSOFPERIOSTEALTRANSPLANTATIONINOSTEOCHONDRITISDISSECANSOFTHEKNEEJORTHOPEDICS,2000,2332232226王明波,李玉宝,牟元华,等纳米羟基磷灰石/聚乙烯醇/明胶复合水凝胶的结构与性能研究J功能材料,2006,379147721480MEYERDE,KONGGA,DEWHIRSTMW,ETALTARGETINGAGENETICALLYENGINEEREDELASTIN2LIKEPOLYPEPTIDETOSOLIDTUMORSBYLOCALHYPERTHERMIAJCANCERRESEARCH,2001,614154821554TANBH,TAMKC,LAMYC,ETALOSMOTICCOMPRESSIBILITYOFSOFTCOLLOIDALSYSTEMSJLANGMUIR,2005,2110428324290BRADLEYM,RAMOSJ,VINCENTBEQUILIBRIUMANDKINETICASPECTSOFTHEUPTAKEOFPOLYETHYLENEOXIDEBYCOPOLYMERMICROGELPARTICLESOFN2ISOPROPYLACRYLAMIDEANDACRYLICACIDJLANGMUIR,2005,214120921215ZHANGWANGQING,SHILINQI,WUKAI,ETALTHERMORESPONSIVEMICELLIZATIONOFPOLYETHYLENEGLYCOL2B2POLYN2ISOPROPY2LACRYLAMIDEINWATERJMACROMOLECULES,2005,3813574325747HIRAMATSUH,OSTERLOHFEPH2CONTROLLEDASSEMBLYANDDISASSEMBLYOFELECTROSTATICALLYAINKEDCDSE2SIO2ANDAU2SIO2NANOPARTICLECLUSTERSJLANGMUIR,2003,19177003