水平旋转下聚(N―异丙基丙烯酰胺)温敏凝胶的制备

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 水平旋转下聚(N异丙基丙烯酰胺) 温敏凝胶的制备 摘要：采用自制的密闭旋转仪器， 在前期基础上制淞司郏 N-异丙基丙 烯酰胺）温敏性凝胶，以提高聚 N-异 丙基丙烯酰胺的温敏性。在以聚乙二醇 400 为致孔剂情况下，对影响温敏凝胶 成型的因素如旋转速度、交联剂含量、 引发剂含量、致孔剂含量进行了初步探 索，结果表明：在亲水环境下，BIS=5% （w/w） 、APS=1% （w/w） 、 VPEG400=2 mL、转速 100 r/min 的条件 下进行旋转反应可获得较理想的温敏凝 胶。 中国论文网 /7/view-12990411.htm 关键词：聚（N-异丙基丙烯酰胺） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 ；水平旋转；温敏凝胶 中图分类号：TQ427.26 文献标识码：A 文章编号： 1674-9944（2017）14-0272-04 1 引言 温敏凝胶于 20 世纪 70 年代发现 后得到广泛关注1。温敏凝胶是指吸水 量在某温度下会发生突变的一类聚合物， 这一温度指最低临界溶解温度（Lower critical solution temperature，LCST ） ，其 可实现长期释药，广泛应用于眼部给药、 鼻部给药、直肠给药以及注射给药，在 药学领域中发挥着重要的作用2。温敏 凝胶的给药途径有口腔用、耳用、鼻用、 眼用、皮肤用、联合应用3。 N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）为 单体制备的温敏凝胶是目前研究最多的 一类凝胶，在生物分离4、药物控释5 、 生物降解6等方面，温敏凝胶具有广泛 应用前景。传统的化学交联 PNIPAM 在 静止状态下合成的凝胶有重力影响，凝 胶力学性能差，响应速度慢，限制了药 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 学、医学方面的应用7，笔者采用前期 自制的水平旋转仪器8，制备新型温敏 凝胶，摆脱了重力束缚，克服重力对凝 胶的影响。微重力环境就是在其他外力 或者重力作用下，引起的加速度可忽略 不计的“零重量 ”情况，因此又称为零重 力，太空环境即属于微重力环境。近年 来，中国微重力科学研究进展飞速，在 微重力流体与燃烧、空间生命、空间材 料和生物体技术等方面都有新的研究进 展9，微重力的应用领域也日益广泛， 在医学10、航空航天 11、测量12、 植物13等领域，且都发挥了重大的作 用。模拟微重力环境就是消除重力影响， 根据微重力在细胞培养14方面作用原 理可知，创建微重力环境需要注意水平 旋转的方式创造三维空间，真空的环境 以避免剪切力，从而消除重力影响，实 现接近理想的微重力环境。 在前期基础上8，探索新型温敏 凝胶的制备，采用自制的密闭旋转仪器 来模拟微重力环境，采用两头开的玻璃 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 管为制备容器，加入适量的 NIPAM 单 体，交联剂 N，N-亚甲基双丙烯酰胺 （BIS）和引发剂过硫酸铵（APS） ，以 超纯水溶剂，加入催化剂 N，N，N ， N-四甲基乙二胺（TMEDA） ，在水平 旋转下制备的新型温敏凝胶，具有更大 的孔，孔洞结构可以影响凝胶多方面性 能，如溶胀率，再溶胀率等，多孔凝胶 溶胀性能比无孔凝胶强，提高了响应速 率15。并且研究了旋转速度、BIS 含 量、APS 含量、 PEG 400 含量对凝胶成 型的影响，以期得到性能更好的新型温 敏凝胶。 2 实验方法 2.1 试剂 聚乙二醇 400（PEG400，国药集 团化学试剂有限公司） ，N，N，N，N- 四甲基乙二胺 （TMEDA ） ，N- 异丙基 丙烯酰胺（NIPAM，EP ，TCI，东京化 成工业株式会社生产） ，N，N-亚甲基双 丙烯酰胺（BIS ，BIOSHARP） ，过硫酸 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 铵（APS，AR 级，中国医药集团上海 化学试剂有限公司） ，超纯水。 2.2 实验步骤 2.2.1 新型聚（N-异丙基丙烯酰 胺）凝胶的制备 采用自制旋转仪器（如图 1 所示） 制备聚（N-异丙基丙烯酰胺） （PNIPAM）温敏凝胶，以 13 cm 长、 直径 1.5 cm 两头开的玻璃管为制备容器， 称取 2 g 的 NIPAM 单体，一定量的交 联剂 BIS 和引发剂 APS，溶解于 20 mL 超纯水中，通氮气 15 min，之后加入到 玻璃管中旋转，再量取 20 L 的 TMEDA 溶入到 3 mL 煤油中用注射器 注入到玻璃管中，在水平旋转下反应 24 h，制备出 BIS、APS 含量不同的温敏 凝胶，探索多少含量的引发剂与交联剂 制备的温敏凝胶性能较好，凝胶成型后 取出浸泡在超纯水中，隔 2 h 换一次水， 以除去没有反应的试剂，泡一天后在冰 箱冷冻，备用。具体实验参数见表 1。 2.2.2 凝胶形貌的分析表征和测 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 试 凝胶形貌表征：将干燥后样用锋 利刀片切片表面喷金后，采用扫描电镜 （SEM）观察凝胶表面形貌、结构。 凝胶溶胀率（SR）：用电子天平 秤量在不同温度（23 、26 、29 、 32 、35 、38 ）下浸泡的溶胀率 （SR） 。凝胶在每个温度下保持 8 h 后， 用循环泵抽凝胶孔洞里的水，然后用滤 纸吸干凝胶表面的水分，用天平质量， 并记录下此温度下的质量 Wt。凝胶溶 胀率是在具体温度下达到溶胀平衡时， 此温度下的吸水量与冷冻干凝胶的质量 W0 之比，公式 16： 凝胶再溶胀率（RSR）测定：将 处理后干燥的样，浸泡在超纯水中，在 24 h 内，每隔 3h 测一次质量，测质量 前用滤纸吸干凝胶表面的水分，之后秤 量此时的凝胶质量，并记录下此时的凝 胶质量 Wt，再溶胀率为某时凝胶吸水 量与溶胀最终平衡的质量 We 之比，公 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 式16： 凝胶保水率（WR）测定：20 完全溶胀的凝胶擦干净表面的水分用电 子天平称量其重 W20，然后置于 40恒温水浴中使其退溶账， 6 min 后 取出用滤纸擦表面的水分再称量其重为 Wt，某一时间的凝胶的吸水量与 20 吸收量之比，公式18 ： 3 实验结果与分析 3.1 PNIPAM 温敏凝胶制备 在以超纯水为溶剂的亲水环境下， 量取一定量的 NIPAM 与 BIS 溶解于超 纯水中，再量取一定量的制孔剂 PEG400 通 N2 后注入到玻璃管中在水 平旋转仪器中旋转，称量一定量的 APS 溶于超纯水中通 N2 后用注射器注入到 水平旋转的玻璃管中，反应 24 h 制备出 PNIPAM 温敏凝胶， 其他量不变的情 况下，改变引发剂 APS 的量，从 5%、4%、3%凝胶成型，2% 半成型，1%未 成型，同样在不改变其他量时，改变交 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 联剂 BIS 的量从 5%减少到 1%，制备出 软硬程度不同的 PNIPAM 凝胶，5%的 BIS 较好，如图 2 是冷冻干燥后干凝胶 测再溶胀率浸泡三天的 NIPAM 凝胶， 未碎，比在疏水环境下制备的 NIPAM 凝胶性能较好。 3.2 聚乙二醇的 量对凝胶的影响 Q 量不同量的 NIPAM 单体及 BIS，APS 溶入到超纯水中，加入致孔 剂 PEG400，改变致孔剂的量从 5 mL 到 1 mL，凝胶都成型， PEG400 量越多 越软，而且凝胶成型时间，力学性能， 内部结构不同。如图 3，a 是 VPEG400=2 mL，mBIS=0.1 g，VTMEDA=20 L 旋转成型的 PNIPAM 温敏凝胶冷冻干燥后喷金 SEM 观察的形貌，而 b 是 VPEG=1mL 的 SEM 图，对比 a，b，VPEG400=2 mLPNIPAM 的孔洞更大。实验表明， PEG400 随着反应的发生内嵌与凝胶内 部，并在超纯水中浸泡后被水除去，在 原有的位置留下孔洞，PEG400 的量决 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 定孔洞的数量，并会对水凝胶的性能产 生很大影响。PEG400 越多会影响凝胶 的力学性能，含量不足又难以产生足够 的孔洞，VPEG400=2 mL PNIPAM 凝胶 有较好的弹性的同时拥有足够的孔隙 17。 3.3 旋转对温敏凝胶的影响 水平旋转下制备新型温敏凝胶， 旋转转速对凝胶成型有很大影响，转速 过快，凝胶不易成型，多次试验探究得 知 100 r/min 转速适宜，如图 3，b 是 VPEG400=1 mL 旋转成型的 PNIPAM 温敏凝胶 SEM 图，c 是 VPEG400=1 mL 未旋转成型的 PNIPAM 温敏凝胶冷 冻干燥后 SEM 图，b、c 对比旋转与未 旋转孔洞有明显区别，在微重力环境下 旋转的 PNIPAM 温敏凝胶 SEM 图孔洞 大，且多，孔洞疏松，结构明显，这样 的结构为水的进出提供通道17，而 c 未旋转的 PNIPAM 凝胶孔洞小，且少， 致密。说明微重力环境对凝胶的成型有 很大影响。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 3.4 PNIPAM 温敏凝胶溶胀率的 测定 率曲线，PNIPAM 温敏凝胶响应 性依赖于温度，随温度收缩与溶胀。随 温度升高，凝胶溶胀率呈下降趋势，当 温度继续升高时，凝胶的溶胀率急剧下 降，32时明显收缩脱水，32是最低 溶解温度（LCST） 。当温度高于 LCST 时，凝胶的溶胀率逐渐变小，高于 38 时，凝胶溶胀率接近于零；温度低于 LCST 时，PNIPAM 新型凝胶溶胀率明 显比普通凝胶大。 3.5 PNIPAM 温敏凝胶再溶胀率 测定 将冷冻干燥后的干凝胶在 26 的超纯水中浸泡，吸水溶胀 24 h 左右达 到溶胀平衡，通常吸水自身重量的十倍 甚至数十倍，图 5 为 PNIPAM 温敏凝 胶在超纯水中测定的再溶胀率曲线，如 图可知，开始阶段 PNIPAM 新型凝胶吸 水溶胀率大于普通凝胶，具有较快的溶 胀速度，初步认为是旋转的情况下制备 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 的 PNIPAM 新型温敏凝胶，吸水更快。 3.6 PNIPAM 温敏凝胶保水率测 定 将 PNIPAM 温敏凝胶在 20 （低于 LCST）与 40（高于 LCST） 恒温水浴中交替放置，每 6 min 测一次 重量，循环交替称量，6 个周期（72 h） ， 目的是探究凝胶对温度的响应情况18。 凝胶在超纯水中反复溶胀，发生周期性 的溶胀-退溶胀，图 6 为 PNIPAM 温敏 凝胶保水率曲线，由图可知 VPEG400=1 mL 与 VPEG400=2 mL 新 型温敏凝胶的保水率比普通温敏凝胶较 好， 且 VPEG400=2 mL 新型温敏凝胶 具有更好的保水率。 4 结论 本文采用自制的水平旋转仪器， 亲水环境超纯水为溶剂，引发剂为 APS， 交联剂为 BIS，N-异丙基