（有机化学专业论文）温度与ph双重敏感poly（samconipacoaam）水凝胶的制备及其性能研究.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 由于温度和p h 值是生理、生物和化学系统中的两个重要因素， 兼具温度和p h 值双重敏感特性的水凝胶，作为一种新型的高分子材 料正日益受到关注。然而这些水凝胶由于存在平衡溶胀度低、响应速 度慢且降解产生的酸性物质对某些蛋白质和核酸有毒等问题而使其 应用受到限制。 本文用甲基丙烯酰氯( m c ) 对磺胺二甲嘧啶进行改性，得到磺胺二 甲嘧啶单体( s a m ) ，进而与n - 异丙基丙烯酰胺( n i p a m ) 、丙烯酰胺 ( a a m ) 进行自由基共聚，合成了具有温度及p h 敏感的 p ( s , m v i c o - n i p a m c o a a m ) ( p s n a ) 水凝胶。采用红外光谱( i r ) 对 s a m 和p s n a 干凝胶进行了表征，并用扫描电镜( s e m ) 对凝胶不 同p h 值下的微观结构进行了观察。同时考察了影响凝胶的温敏和p h 敏感特性、溶胀和退胀行为以及释药性能的因素。 实验结果表明，p s n a 凝胶对温度和p h 的脉冲刺激具有可逆响 应性，随着凝胶亲水性的增强，对温度和p h 的响应越灵敏。p s n a 凝胶对温度具有敏感性，随着亲水单体的含量的增加，l c s t 升高。 凝胶在2 5 时比3 7 时p h 敏感性更强。对p s n a 凝胶在不同条件 下的溶胀与退胀行为的分析表明，随着凝胶的亲水性增加，凝胶的初 始溶胀速率和退胀速率加快，平衡溶胀度增大，最终水保留率减少。 释药实验结果表明，随着凝胶亲水性的增强，药物的释药速率加 快，且亲水性药物水杨酸钠的累积释药率比疏水性的牛血清蛋白的累 积释药率高。但牛血清蛋白在起始阶段没有“暴释”现象，释药速率 一直很平稳。药物在2 5 时比3 7 时释放的更快，而在高p h 值条件 下比低p h 值条件下释放的更快。 关键词n 异丙基丙烯酰胺，磺胺二甲嘧啶，温度敏感，p h 敏感凝胶， 药物控制释放 硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t e m p e r a t u r ea n dp h - s e n s i t i v eh y d r o g e l sp o s s e s sg r e a t e rp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s i nf i e l d ss u c ha s d r u gd e l i v e r y a n dc e l l s ，o w i n gt o t e m p e r a t u r ea n dp h v a l u ei st w oi m p o r t a n tf a c t o r so f p h y s i c a l ，b i o l o g i c a l a n dc h e m i c a ls y s t e m s h o w e v e r , s o m eo ft h e i rp o t e n t i a la p p l i c a t i o n sa r e h i n d e r e db yt h e i rl o wm e c h a n i c a ls t r e n g t h ，l o ws w e l l i n gr a t i o ，s l o w r e s p o n s i b i l i t ya n d t h el o w - p he n v i r o n m e n to ft h eh y d r o g e lc a u s e db y t h ed e g r a d a b l ea c i d i cs u b s t a n c ei sk n o w nt ob ed e l e t e r i o u st os o m e p r o t e i n s a n dn u c l e i c a c i d s h y d r o g e l sw e r ep r e p a r e db y r a d i c a l p o l y m e r i s a t i o n i nd m s os o l u t i o no f a c r y l a m i d e ( a a m ) ， n i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ( n i p a m ) a n do fs u l f a m e t h a z i n em o n o m e r ( s a m ) ， n ，n - m e t h y l e n eb i s a c r y a m i d e ( b i s ) w a su s e da sc r o s s l i n k e r sa n da i b na s a ni n i t i a t o r t h e h y d r o g e l sw e r e a b l et o r e s p o n dr a p i d l yt o b o t h t e m p e i a t u r ea n dp h v a l u ec h a n g e s t h et h e r m o s e n s i t i v i t y , p h s e n s i t i v i t y s w e l l i n g ，d e s w e l l i n ga n dd r u gr e l e a s i n gp r o p e r t i e so ft h e s eh y d r o g e l s w e r es t u d i e di nt h i sa r t i c l e t h es t r u c t u r eo fp s n ag e lw a sc h a r a c t e r i z e d b y i n f r a r e d s p e c t r o s c o p y t h ep s n ag e l sh a v es w e l l i n g - c o n t r a c t i n gr e v e r s i b i l i t yi n t h es o l u t i o nw h i c hp hv a l u eo rt e m p e r a t u r ew a sa l t e m a t e d l yc h a n g e d ， a n dp o s s e s sb e t t e rt e m p e r a t u r ea n dp hs e n s i t i v i t i e sw i t ht h ei n c r e a s i n go f h y d r o p h i l i c i t y t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t h y d r o g e l s s h o w n e g a t i v e t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y b o t ha ta c i d i cc o n d i t i o n ( p h = 2 o ) a n dw e a k a l k a l i n ec o n d i t i o n ( p h = 7 4 ) ，h y d r o g e la l s os h o w e dp hs e n s i t i v i t ya t d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e t h es w e l l i n ga n dd e s w e l l i n gk i n e t i c so fp s n a g e l s u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o nw e r es t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e s w e l l i n gr a t ew a sd e p e n d e n to nm a c r o m o l e c u l a rr e l a x a t i o na t2 5 c a n d p h = 7 4 b u td e p e n d e n to nh 2 0m o l e c u l e sd i f f u s i b i l i t y a t3 7 ca n d p h = 7 4 w i t ht h ei n c r e a s i n go fh y d r o p h i l i c i t y , t h ei n i t i a ls w e l l i n gr a t e ，t h e e q u i l i b r i u ms w e l l i n gr a t i oa n dt h ed e s w e l l i n gr a t eo f p s n ag e l si n c r e a s e d ， w h i l et h ew a t e rr e t e n t i o nd e c r e a s e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fd r u gr e l e a s i n gs h o w e dt h a tt h ed r u g r e l e a s i n gr a t i o o ft h e d r y 1 0 a d e dp s n ag e l sw a s c o r r e l a t e dw i t h i i h y d r o p h i l i c i t y w i t ht h ei n c r e a s e i n go fh y d r o p h i l i c i t y , t h ed r u gr e l e a s i n g r a t i oi n c r e a s e da n dm o r ef a s t t h ea c c u m u l a t i v er e l e a s eo fh y d r o p h i l i c d r u g s o d i u m s a l i c y l a t e w a sh i g h e rt h a nh y d r o p h o b i cb o v i n es e r u m p r o t e i n t h ea c c u m u l a t i v er e l e a s eo fg e la t2 5 w a sh i g h e rt h a na t3 7 c a n dn e e ds h o r t e rt i m et oa c h i e v ee q u i l i b r i u mo fr e l e a s e t h ea c c u m u l a t i v e r e l e a s eo fg e la t2 5 w a sh i g h e rt h a na t37 a n dn e e ds h o r t e rt i m et o a c h i e v ee q u i l i b r i u mo fr e l e a s e t h er e l e a s i n gr a t i oo ft h ep s n ag e l sa t p h = 7 4 w a sh i g h e rt h a na tp h = 2 o k e y w o r d s n i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ，t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v e ， r e s p o n s i v eh y d r o g e l ，d r u gc o n t r o l l e dr e l e a s e ，s u l f a m e t h a z i n e i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名日期：年一月一日 硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 智能水凝胶简介 第一章文献综述 高分子水凝胶是一种能在水中溶胀并保持大量水分而不溶解的聚合物。由于 水凝胶聚合物网络中充斥有大量的水分，使得整个材料具备了一种流体的性质， 这与充盈有大量水溶液的机体组织及其相似，柔软、润湿的表面以及与组织的亲 和力大大减少了材料对周围组织的刺激，使得水凝胶具有良好的生物相容性。根 据水凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统水凝胶和环境敏感水凝胶两大类。 传统水凝胶对环境的变化不敏感，环境敏感性高分子凝胶的结构、物理性质、化 学性质可以随外界环境如温度、p h 值、溶剂、外加应力、光强度( 可见光和紫外 光) 、电磁场或各种化学、生命物质等的变化而发生可逆突跃性变化 2 1 ，已在药物 控制释放体系、记忆元件开关、人造肌肉、化学存储器、物料分离等领域显示出 良好的应用前景1 3 圳。 由于温度和p h 是生理、生物和化学系统中的两个重要因素1 6 1 ，近年来关于单 一的温敏和p h 敏的响应性水凝胶报道较多【7 8 】，然而随着人们对材料功能要求的 不断提高，单一响应性凝胶越来越不能满足一些如生物传感器等特殊领域的应 用，人们希望获得能够同时对两种或两种以上外界刺激产生多重响应的凝胶，其 中以p h 和温度双重敏感凝胶的研究尤为活跃【9 】。下面主要就温度与p h 敏感凝胶 凝胶和温度、p h 双重敏感凝胶的研究进展进行介绍。 1 2 温敏凝胶的研究进展 温敏性水凝胶是指其体积能随温度变化的高分子水凝胶，可分为热胀型温敏 感性水凝胶和热缩型温敏感性水凝胶。前者是指水凝胶的溶胀度在最低临界溶解 温度附近随温度发生突变式增加，大分子链因水合而伸展：后者是指水凝胶在较 高温度下大分子链聚集而收缩，溶胀度急剧下降，而在低温时则发生溶胀。 聚丙烯酰胺水凝胶以及甲基丙烯酸、丙烯酸经共价交联聚合后形成的水凝胶 均具有热胀温度敏感性。h i r o k i 等【l0 j 合成了聚( n ，n 二甲基丙烯酰胺( 2 0 丙烯酰 胺c o 甲基丙烯酸丁酯) 与聚丙烯酸的互穿网络水凝胶。这种凝胶具有高温溶胀， 低温收缩的温度响应行为。原因是低温时凝胶网络内形成氢键，体积发生收缩， 硕士学位论文第一章文献综述 高温时氢键解离，凝胶发生溶胀。而聚n 异丙基丙烯酰胺、聚n ，n 二乙基丙烯 酰胺、聚n 乙基丙烯酰胺、聚n 正丙基丙烯酰胺、聚环氧乙烷类水凝胶等均具 有热缩温度敏感性。其中，聚n 异丙基丙烯酰胺( p n i p a a m ) 水凝胶是此类凝胶 的一个典型代表，原因是这类凝胶结构中存在亲水疏水平衡区域，低温时高分 子链与水发生水合而溶解于水，凝胶发生溶胀；高温时高分子链中的疏水性基团 之间的结合力增强，同时与水之间的氢键引力强弱，凝胶发生收缩。 马小梅等【l l , 1 2 】利用二缩三乙二醇单甲基丙烯酸酯( t r e g m a ) 作为共聚单体 与n i p a 共聚制备温敏性微凝胶，结果表明，所制备的微凝胶具有较好的温敏性， 且体积相变温度较纯p n i p a 微凝胶更接近人体正常体温，在生物材料方面显示 出良好的应用前景；后又选择含有活性羟基的亲水单体多缩乙二醇单甲基丙烯酸 酯( p e g m a ) 、甲基丙烯酸羟z j 酉匕( h e m a ) 和n i p a 交联共聚，制备了侧链含有功 能性羟基、链长不同的温敏性微凝胶。研究发现，亲水单体h e m a 和p e g m a 的 引入对微凝胶的去溶胀性能有不同的影响，p e g m a 的引入使得微凝胶的体积相 转变温度升高。l e e 等【l3 】采用不同摩尔比的- 异丙基丙烯酰胺与2 丙烯酰胺基 2 甲基丙烷磺酸钠( n a ap s ) 反应，合成出一系列温敏性水凝胶，其l c s t 随着 n a a m p s 含量的增加而提高且凝胶的溶胀比也增大。j u 等【1 4 j 比较了梳型 ( p n i p a g 海藻酸盐) 接枝水凝胶和p n i p a 海藻酸盐s e m i i p n 水凝胶的p h 温度响 应行为，实验表明：由于存在可自由移动的接枝链，梳型接枝水凝胶在大约1 0 m i n 内达到溶胀和去溶胀平衡，而s e m i i p n 水凝胶的溶胀和去溶胀速度较慢。k i m 等【l5 】用硝酸铈铵为引发剂制备了壳聚糖与n i p a 的接枝物和共混物，并研究了两 种产物的温敏性能。 朱文等【1 6 , 1 7 带i 得了一种新型可生物降解的温敏凝胶微粒。先用p o l o x a m e r s 与丙交酯( d 上一l a c t i d e ) 共聚，再用丙烯酰氯封住两端，形成大分子单体，最后 将含有引发剂和交联剂的大分子单体溶液滴加到分散剂中，搅拌下交联聚合得到 凝胶微粒。用显微镜观察凝胶微粒体积随温度的变化，发现3 0 左右变化最大， 4 0 时凝胶微粒的体积比4 时缩小了5 0 ，这表明温度逐渐升高时，p p o 链段 疏水作用增强，凝胶微粒体积收缩，交联网络孔径缩小；凝胶微粒能在3 7 下 的p b s 溶液中降解，降解失重5 0 需要5 2 d 。 l e e 等【1 8 】利用p o l o x a m e r s 两端具有较强活性的羟基，接上丙烯酸，再用紫外 光照射交联。由于p o l o x a m e r s 本身具有温敏性能，在l o 和3 7 时，凝胶的溶 胀度不同，并且随温度升高，溶胀度减少。此凝胶能缓慢降解是因为连在 p o l o x a m e r s 两端的酯在水溶液中会慢慢水解。释药测试表明：起初的一星期内， 药物会快速释放，并伴随暴释；随后一段时间内药物会持速释放；药物的释放速 率可通过p o l o x a m e r s 的量来控制。张先正等【l 州以n i p a 和d e x t r a n a l l y l i s o c y a n a t e 2 硕士学位论文第一章文献综述 ( d e x a 1 ) 共混，经光照交联得到一种部分降解的温敏凝胶。d s c 表明：凝胶的 l c s t 伴随d e x - a 1 成分的增加而升高。随着d e x a 1 量的增大，凝胶的表面形态 也发生变化，微孔结构会变的越来越不明显；机械强度也随之增强。与p n i p a 凝胶相比，此类凝胶的温敏性增强，可快速并能控制地响应外部温度的变化。 黄晓等【2 0 1 首先合成出以甲基丙烯酸羟乙酯封端的聚乳酸一葡萄糖低聚物 ( d e x 1 a c t a t e h e m a ) ，此低聚物中间段聚乳酸可水解，再将n i p a 与此物质共聚， 形成一种可部分降解的温敏凝胶。此类凝胶在3 2 便发生相转变，其溶胀度和 降解程度依赖水介质的温度和凝胶中不同成分的含量。b a c 等【2 l j 以热敏材料n 异丙基丙烯酰胺( n i p a m ) 与甲基丙烯酸丁酯( b m a ) 的共聚凝胶p ( n i p a m - c o b m a ) 作为药物载体，并载上吲哚美辛药物。此给药体系在p h = 7 4 的磷酸生理盐水缓 冲液中进行了温控释药测试，当溶液温度高于l c s t 时，凝胶处于收缩状态，形 成致密表面层阻止药物的释放；而在温度低于l c s t 时，凝胶膨胀，使药分子较 快地扩散到溶液中。当温度在凝胶的l c s t 上下范围( 2 0 3 0 c ) 交替变化时，凝胶 体系可开关式地控制药物释放。 1 3 p h 敏感凝胶的研究进展 p h 敏感性高分子材料可因p h 值的变化而产生体积或形态改变。这种变化是 基于分子水平及大分子水平的刺激响应性，具有可重现特性。这类凝胶是通过线 性聚合物之间交联或互穿网络而形成体型大分子网络结构，大分子网络中含有大 量易水解或质子化的酸碱基团( 如羧基、氨基等) ，随着介质p h 值、离子强度改变， 这些基团会发生电离，造成凝胶内外离子浓度发生改变，破坏凝胶内部的氢键， 导致网络内大分子链段间氢键的解离，使凝胶中网络的交联点减少，凝胶溶胀， 孔径变大，产生不连续的溶胀体积变化，从而表现为网络结构和电荷密度随介质 p h 的变化而变化。 p h 敏感性水凝胶一般含有c o o 。、o p o 弘、- n h 计、s 0 3 + 等阴阳离子基团。 以聚丙烯酸为例，在高于丙烯酸的p k a ( 4 2 8 ) 时，羧基c o o 。呈解离状态，亲水性 增加；而低于p k a 时，c o o h 基团的亲水性降低。所以改变p h 值将引起丙烯 酸类水凝胶的体积相变。在聚合中加入交联剂也可影响其膨胀行为，所以p h 敏 感性水凝胶的聚合所用的单体必须含有c o o 、o p o 孓、n h ”、s 0 3 + 等阴阳离 子基团，并且在聚合过程中要加入交联剂。这类水凝胶根据敏感性基团的不同可 分为阴离子、阳离子和两性离子三种类型【2 2 】。 阴离子型p h 敏感性水凝胶的可离子化基团一般为c o o h ，对聚丙烯酸类水 凝胶而言，羧酸基为弱酸，因此发生溶胀突跃的p h 较高。p h 敏感性受到凝胶 内聚丙烯酸离解平衡、网链上离子静电排斥作用及凝胶内外d o n n a n 平衡影响， 3 硕士学位论文 第一章文献综述 这些因素均与p h 和离子强度有关，其中静电排斥作用为主要影响因素。 阳离子型p h 敏感性水凝胶的可离子化基团一般为氨基，如n n 二甲基乙 基氨乙基甲基丙烯酸甲酯、乙烯基吡咯和丙烯酰胺，其p h 敏感性主要来自于氨 基的质子化，氨基越多，水凝胶水化作用越强，平衡溶胀比越大，其溶胀机理与 阴离子型相似。 两性p h 敏感性水凝胶同时含有酸碱基团，如苯磺酸钠和甲基丙烯酰胺丙基 三甲基氯化铵共聚得到的水凝胶，其p h 敏感性来源于高分子网络上的两种基团 离子化，羧基在高p h 时离子化，胺在低p h 时离子化，故两性水凝胶在高低p h 处均有较大的溶胀比，而在中间p h 处其溶胀比较小。与前面两种不同，它在所 有p h 范围均存在溶胀，而不需要存在最低p h 要求，同时它对离子强度的变化 更敏感。 p a r k 2 3 】以具有温度敏感的n i p a m 与具p h 敏感的阳离子单体n ，n 二甲基氨 基丙基甲基丙烯酰胺( d m a p a a m ) 按9 7 3 的摩尔比共聚得到的水凝胶在p h 为 7 4 且温度为3 7 时发生相变，凝胶的溶胀度变化最大，胰岛素在其中的释放发 生明显改变。c h e n 等【2 4 】通过二次接枝法，在预辐射聚丙烯( p p ) 薄膜上先后接枝聚 合了丙烯酸( a a e ) 和丙烯酰胺( a a m ) ，制得了一种p p g a a c a am 水凝胶互穿网 络，经过测试这种水凝胶具有较明显的p h 敏感性。其中a a c 和a a m 的接枝率均 为5 0 0 左右的水凝胶互穿网络样品的溶胀率在p h 5 时，溶胀率随p h 增大而增大；而p h 在2 5 范围内 溶胀率较小，且当p h = 4 时出现最低值，溶胀率不足1 倍，这种p h 敏感性水凝 胶在控制某些反应或药物控释等方面，具有较大的应用前景。林友文等瞵j 制备了 n 。2 ( 2 磺酸基苯甲基) 壳聚糖( s b c s c ) ，实验结果表明，在p h = 7 4 的人工肠液和 p h = 1 0 的人工胃液中s b c s g 的溶胀收缩具有可逆性，显示出良好的p h 敏感性， 有望作为p h 敏感口服结肠定位给药系统的药物载体。 徐晖等【3 4 】研究了由泊洛沙姆和聚甲基丙烯酸共聚物制备的水凝胶的性质及 其用于胰岛素口服给药的降血糖作用。结果发现，这种水凝胶具有p h 敏感的性 质，糖尿病大鼠口服给予含胰岛素的聚合物后有明显的剂量依赖的降血糖作用， 这种水凝胶有望用作药物传递的载体。 陈兆伟等【3 5 】制得了快速响应的多孔聚m 异丙基丙烯酰胺丙烯酸) 共聚水凝 胶，在p h 敏感性退胀动力学研究中首次发现，该类多孔共聚水凝胶具有脉冲式 的退胀过程，这一形式的退胀目前在国内外关于多孔凝胶的报道中鲜见，该性能 在特殊的药物缓释领域具有潜在的应用前景。 1 4 p h 和温度双重敏感凝胶研究进展 由于温度和p h 值是生理、生物和化学系统中的两个重要因素，兼具温度和 p h 值双重敏感特性的水凝胶，作为一种新型的高分子材料正日益受到关注【3 6 ，3 7 1 。 实现温度及p h 响应性的方法有许多种，可以将温度响应性单体和p h 响应 性单体共聚，也可两类聚合物互相接枝，或者制成互穿网络，也可制备成特殊结 构来实现。 ( 1 ) 共聚结构 为制备p h 及温度敏感性高分子凝胶，较多采用两种单体共聚，一种含有对 p h 敏感的可电离基团如m a c ，另一种含有对温度敏感的亲疏水基团如n i p a m 。 该方法操作简单，是制备此类凝胶最常用的方法。具有共聚结构的智能凝胶一般 为线性聚合物、水凝胶和微凝胶( 或称微球) 。 袁金芳等【3 8 】合成的乙烯基吡咯烷酮( n v p ) 和甲基丙烯酸n ，n 二甲胺乙酯 6 硕士学位论文第一章文献综述 ( d m a e m a ) 共聚水凝胶的相分离温度随d m a e m a 含量的增加而升高，随p h 值的 增大而减小且相变敏锐。在适当的交联剂浓度下，共聚水凝胶有较敏感的溶胀 退胀行为。在碱性条件下，随温度的升高迅速退胀；而在酸性条件下，则无退胀 行为。 l e b o n 等【3 9 1 用圆二色谱图( c d ) 研究了p h 和温度敏感n i p a a m 共聚n 异丁烯 酰基l 亮氨酸凝胶。在2 1 0 2 5 0 r i m 的区域中可见p h 和温度敏感聚电解质链内明 显相转变：2 2 0 n m 处在0 0 0 1 mp h = 4 0 5 5 的柠檬酸和醋酸缓冲液中，随温度的增 长n i p a a m 共聚n 异丁烯酰基亮氨酸水溶液( 其中9 0 9 含量的n i p a a m ) 在c d 谱图中有很好的s 形增长；与浊点观测的转变温度相比，此现象发生温度较低说 明了是个协作转变；高p h 时c d 曲线改变变化不明显，说明了体系随p h 变化的特 性。 m o t 0 i k 喀a 等【4 0 】将阴离子单体丙烯酸钠( s a ) 与n p m 共聚得到一种阴离子型 水凝胶。随着s a 含量的增加，水凝胶的平衡溶胀比( s r ) 增大，l c s t 升高；当水 凝胶处于酸性条件下时呈现收缩状态，而处于弱碱条件下则呈现溶胀状态。 l i u 等t 4 l 】用顺丁烯二酸酐( m a h ) 对具有分子包结能力p 环糊精( 1 3 c d ) 进行化 学改性，合成出了丁烯二酸单酯化p c d 单体( m a h p c d ) 。通过氧化还原自由基 引发m a h p c d 与n i p a a m 聚合，合成出含p c d 结构单元的新型水凝胶。溶胀研 究结果表明，该水凝胶具有较好的p h 、温度及离子强度敏感性；并且水凝胶在 较高羧基( c o o n ) 含量和弱碱环境中，仍能表现出明显的温敏性，且与丙烯酸共 聚凝胶相比，带有高羧基含量的p o l y ( m a h d c d ) 在p h = 7 4 时对温度最为敏感。 h o f f m a n 等【4 2 】将酸性a a 引入具有温敏性的p n i p a a m 水凝胶中，辐射合成了 p ( n i p a a c o a 舢，兼具p h 值和温敏性，将对胃有刺激作用的吲哚美辛药包埋在 此水凝胶中，在胃液的p h 值为1 4 时，只有少量药物释放，但在肠液的p h 值为7 4 时药物很快释放。因此可减少药物的副作用而达到定向释放的目的。t a e 等【4 3 j 以 具有温敏性的n i p a a m 和具有p h 值敏感性的n ，n 二甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺 为单体共聚，形成的水凝胶在p h 值为7 4 下，在温度为3 7 c 时发生相变，胰岛素 在其中的释放发生明显变化。 h o a r e 等1 4 4 以n i p a m 和醋酸乙烯酯( v a a ) 为单体合成了对温度和p h 值快速 响应的功能化微凝胶，该微凝胶相比于以往的a a c - n i p a m 、m a a - n i p a m ，在 非常窄的p h 值范围内离子化，并且在达到离子化时表现出更大的体积胀大倍数。 在热感应过程中也出现了不同的现象：当共聚物微凝胶全部质子化时，它表现出 与p n i p a m 均聚物一样急剧、高的热响应体积收缩：但是当共聚微凝胶全部离子 化时，即使很少量的微凝胶，它的体积相转变温度( v p t t ) 也能迅速迁升到比 p n i p a m 均聚物更高的温度。 7 硕士学位论文第一章文献综述 j o n e s l 4 5 】合成了丙烯酸与n i p a a m 的无规共聚物并用可见光吸收度和d s c 对 其温度敏感和酸敏感行为进行了研究，发现无论a a c 在共聚物中的比例如何，随 p h 的升高，l c s t 移向高温。并认为是由于随p h 值、温度的升高，c o o h 对c o o 。 的比例下降，离子化程度升高，减少内部和分子间氢键的生成，提高共聚物的亲 水性，从而提高了共聚物的l c s t 。 r a c h a e l l 4 6 j 等合成了马来酸n i p a a m 的共聚凝胶及丙烯酸n i p a a m 共聚凝 胶，发现前者比后者有更大的溶胀能力。在p h 缓冲液中相同羧基含量时有几乎 同样的l c s t 响应；且l c s t 的增长在第一个羧基完全离子化时是增长的，p h 的 增加导致了第二个羧基离子化，并仅对给定位置的电荷浓度增长有作用。认为 l c s t 是由于n i p a a m 的不连续链长决定，溶胀能力是由沿链长的酸性基团决定 的。由于双质子酸共聚单元仅使溶胀能力的温敏表现稍微下降，所以其可作为酸 敏温敏的潜在基体。 唐黎明等【4 7 】以l ，6 六亚甲基二异氰酸酯( h d i ) 为原料制备了端丙烯酸酯基阴 离子型聚氨酯( p u ) ，通过该预聚物与n i p a a m 共聚交联，制备了一种同时对p h 及温度敏感的水凝胶。作者认为由于水凝胶的p h 敏感性是由网络中的羧基含量 及网络密度共同决定，在高p u 用量下，s r 主要受羧基含量的影响；而在低p u 用 量下，s r 主要受网络密度影响，因此出现了一个最低的s r 值。可见该水凝胶在 中性和碱性环境中都具有明显的温度敏感性。其l c s t 均出现在大约2 7 ，低于 n i p a a m 均聚物的l c s t ( 3 2 ) ，进一步升高温度，s r 开始缓慢增加，显示出阴 离子型水凝胶的特性而在酸性环境中，由于水凝胶强烈收缩，其温度敏感性不 明显。随着p u 比例的降低，水凝胶由透明状逐步过渡到半透明状，并且体积收 缩率逐渐增大，直至凝胶破裂，表明聚氨酯的引入可改善水凝胶的强度。 ( 2 ) - f f 穿网络结构 互穿聚合物网络( i p n ) 是由两种或两种以上聚合物网络相互穿透或缠结所形 成的一类独特的化学共混网络合金体系，其中一种网络是在另一种网络的存在下 现场聚合或交联形成的。当只有一种聚合物交联时，其产物称为半互穿聚合物网 络( s e m i i p n ) 。i p n 的制备可以采用相互溶解搅拌、溶胀和乳液聚合等技术。 c h e n 掣4 8 】制备了n i p a a m 丙烯酸钠互穿网络凝胶和共聚凝胶，共聚凝胶刺 激响应性强烈的依赖于丙烯酸钠的含量，i p n 则展示了各自网络的独立溶胀和热 行为，合成i p n 凝胶的顺序和溶剂影响i p n 的溶胀能力，但不影响其温度和p h 响应范围，合成i p n 时第一个网络的可扩展性影响最后凝胶的溶胀性能，但不 管合成条件如何，p n i p a a m 和p a c n a 都是相分离的，后者不能改变p n i p a a m 的热转变温度及转变范围，但却提高了i p n 的耐热性。 z h a n g 等【4 9 j 将n i p a a m 与交联剂、引发剂在p v a 溶液中化学交联，制备了 8 硕士学位论文第一章文献综述 p n 口a a m p v as e m i i p n 水凝胶，结果发现该凝胶不仅具有较高的溶胀度而且还 具有较快的响应速率。利用i p n 技术不仅可以提高水凝胶的机械强度、调节水 凝胶的响应速率，而且可以形成具有双重响应性的水凝胶( 如温度p h 双重响应性 水凝胶) 。卓仁禧等【5 0 】合成了具有温度和p h 双重敏感的聚丙烯酸聚( n 异丙基丙 烯酰胺) 互穿网络水凝胶。研究发现，这类i p n 水凝胶在弱碱性条件下的溶胀度 大于在酸性条件下的溶胀度。在酸性条件下，随着温度的升高，溶胀度升高。与 传统温度敏感性水凝胶“热缩型 溶胀性能相反，它属于“热胀型 水凝胶，这 种特性对水凝胶的应用，尤其是在药物控制释放领域中的应用具有较重要的意 义。 i p n 聚合物不仅具有相互独立的p h 敏感和温度敏感特性，而且两敏感组分之 间可以产生一定的协同作用，可加快凝胶的响应速率。z h a n g 等【5 l 】采用顺序紫外 光引发聚合得到了具有p h 和温度敏感的聚甲基丙烯酸聚州异丙基丙烯酰 胺) ( p m m a p n i p a m ) 互穿网络水凝胶，研究发现该凝胶在31 左右及p h 值为5 5 时表现出溶胀转变，即在p n i p a m 的l c s t 和p m a a 的p k a 附近，水凝胶呈现p h 和温敏双重响应性，说明i p n 水凝胶中的两组分具有相对独立的热敏和p h 敏感性 互穿网络结构，这一结论有d s c 实验的结果证明，且温度和p h 值对凝胶膜的渗 透率有很大的影响，不同尺寸的模型药物渗透i p n 膜时，i p n 网络表现出显著的 尺寸排阻现象。实验表明，模型药物在生理学状态为3 7 c 、p h 值为7 4 时具有最强 的渗透性，这在膜分离和药物释放中很有价值。 y a o 等【5 2 以i p n 技术制备了壳聚糖基的水凝胶，并对该水凝胶进行了深入 系统地研究。由于在i p n 水凝胶中，两个组分网络之间没有化学键，各聚合物 网络具有相对的独立性，可以保持各自的一些性能，同时两种网络的互穿会产生 比单一网络更高的机械强度，这种相互独立又相互依赖的特性决定了i p n 水凝 胶具有特殊的溶胀性能，因此i p n 水凝胶的制备及性能的研究对于水凝胶的推 广具有更深远的意义。 吉静等【5 3 l 制备了不同配比的双重敏感明胶聚n 异丙基丙烯酰胺( g e l a t i n p n i p a m ) i p n 水凝胶。在相同p h 条件下，随着n i p a m 含量的增加，明胶含量的 降低，该凝胶的温敏性提高，相变温度范围变窄。当g e l a t i n p n i p a m 配比为0 5 0 5 时，其相变温度不变，但其相变区域变窄。这是由于在两种单体形成的互穿网络 中，明胶大分子上所带的c o o h 、- n h 2 等亲水基团的亲水作用，削弱了p n i p a m 的温敏相变过程，造成相变区域变宽，但明胶的加入并不影响水凝胶的l c s t 值。 动力学研究表明，在温度高于l c s t 时，明胶含量越高，水凝胶的溶胀度及溶胀 速度越大；当温度低于l c s t 且质量比为5 5 ，其溶胀速度最大。 朱健【5 4 】等制备了对温度和p h 值具有双重敏感性的p a a n a p n i p a a m 互穿 9 硕士学位论文第一章文献综述 网络材料。当溶液的p h 值升高时，丙烯酸中的羧基发生离解反应形成羧基阴离 子。阴离子与水的亲和力要远远高于未离解的羧基，所以互穿网络的溶胀度在 p h 值为5 5 左右从5 左右突增到4 0 左右，增加了8 倍。明显高于以往文献中所 报道的类似材料的变化值。显示了互穿网络对p h 的良好响应性能。与p n i p a m 的温敏性相比较发现，互穿网络溶胀度不像p n i p a a m 在l c s t