（高分子化学与物理专业论文）温度敏感性nipaamhema智能材料的制备性能及药物控释应用.pdf

北京化工大学硕士研究生学位论文 温度敏感性n i p l a a m 】哪江a 智能材料的制备， 性能及药物控释应用 摘要 本文通过甲基丙烯酸一羟乙酯饵e m a ) 改性- 异丙基丙烯酰胺 ( n i p 舢气m ) ，研究考察了具有温度敏感性的n l 蛋i a a 枷m a 智能材 料的制备，性能及其药物控释应用。 合成了聚n 异丙基丙烯酰胺均聚物( 珊n p 舢协) 、聚n 异丙基 丙烯酰胺均聚水凝胶( p n i p 鲋皿g c l s ) ；采用偏重亚硫酸钠过硫酸铵 ( n a 2 s 2 0 s 厶世s ) 水溶性氧化还原引发体系制备了具有温度敏感性的 n - 异丙基丙烯酰胺一接枝甲基丙烯酸一羟乙酯( n i p 抽n g m a ) 和 聚n - 异丙基丙烯酰胺甲基丙烯酸一羟乙酯互穿网络水凝胶 ( m p 鼬m i 一腿m a ) 新型生物功能材料；采用过硫酸铵偏重亚硫酸 钠水溶性氧化还原引发体系，以自由基水溶液聚合制备具有温度敏感 的新型n 异丙基丙烯酰胺n 一乙烯基吡咯烷酮温敏性水凝胶 呷p 虬岫唱- n v p ) ；用罗丹明b 作为荧光探针分析研究该类凝胶的温 度敏感相转变过程与机理；并以该类凝胶微球为载体考察了对己酮可 可碱、阿司匹林两种不同药物的控制释放。 论文的主要研究内容如下： 1 通过研究单体浓度，交联剂用量，引发剂用量，氧化剂和还 原剂比例对p n i p f 蚣m 均聚水凝胶溶胀比( s r ) 的影响，探讨了 p n i p a a m 凝胶温敏特性及转变机理。 2 以n i e f 蚣血为聚合模板，过硫酸铵偏重亚硫酸钠氧化还原引 发剂体系，自由基水溶液聚合制备了温度敏感的聚n 异丙基丙烯酰 胺腿m a 水凝胶( p n i p a a r 胡矩m a g e l s ) 。并研究了单体浓度， n i p aa m 用勘雌配比，交联剂用量，引发剂用量，氧化剂和还原剂 北京化工太学硕士研究生学位论文 既m a 水凝胶( p n i p a a m 脏m ag e l s ) 。并研究了单体浓度，n i p a a m h e m a 配比，交联剂用量，引发剂用量，氧化剂和还原剂比例以及不 同反应介质对凝胶温度敏感的影响。 3 采用n 乙烯基吡咯烷酮( n v p ) 与n 姒a m 共聚，在保持较大的 溶胀度与适宜的相转变温度的基础上，改善了p n i p a a m 类水凝胶的耐 盐性，并且该类水凝胶对难溶药物阿司匹林具有增溶缓释作用。 4 利用荧光探针r b 水和乙醇溶液对p n i p a a 、p ( m p a a m g i e m a ) 和p ( n i p a 札- i h e m a ) 水凝胶在相转变前后的微观环境进 行探测，进一步探讨了水凝胶的温敏性机理。 5 以己酮可可碱、阿司匹林为模型药物，利用制备的温度敏感性 凝胶，考察该凝胶对模型药物温度的释放敏感特性。 关键词：聚n 一异丙基丙烯酰胺甲基丙烯酸一羟乙酯水凝胶，聚n 异丙 基丙烯酰胺n 乙烯基吡咯烷酮，温敏性，荧光探针，己酮可 可碱，阿司匹林，药物控释 i i 北京化工大学硕士研究生学位论文 s y n t h e s i s 、c h a r a c t e r i s t i ca n di t sr e l e a s e p r o p e r t l e si nv i t r oo ft h e r m o s e n s i t i v e i n t e l l i g e n tm a t e r i a l sb a s e do n n 1 s o p r o p y l a c r y l a m i d e ，2 h y d r o x y e t h y l m e t h a c r y l a t e a b s t r a c t s y n l l l e s i s 、 c h a r a c t e r i s t i ca n di t sr e l e a s e p r o p e n i e si nv i 们o f t h e r n l o s 朗s i t i v ei n t e l l i g e n tm a t e r i a l sb a s e do nn _ i s o p p y l a c i y l 锄i d e 2 h y d m ) 呼e t h y lm e t l l a c 巧i a t ew e r es t u d i e di i lt h i sp 印e r n - i s o p r o p y l a c r y l a n l i d em o n o m e r 、i t sp o l y m e r sa n db d r o g e l s ，s u c ha s p n l p 曲h y d m g e l s 、n l p a a 栅m a 、n i p a a m ，m 伊h y d r o g e l s ；w e r e s y m h e s i z e da n dm r d l e rt 锄p e r a t u r es e n s i t i v 毋w a ss t u d i e di nt l l i sp 印e r a n o v e lt e m p e r a t u r e 。s e n s i t i v e c 石o n a lb i o m 龇e r i a ln i s o p 叫) y l a a 了l 锄i d e g r a r e d - 2 _ h y d r o x y e 1 y 1m e t h a c r y l a t ep o l y m e r ( n i p a a m g 一邯m a ) u s in g a p s ( a m m o n i u mp e r 蝴a t e ) 烈a 2 s 2 ( ) 5 ( s o d i u m p y r o s u l f t t e ) a sr e d o x i n 主t i a t o rw e r ep r e p a r e di t la 1 1a q i u e o u sm e d i u m ；a1 1 0 v e lt 1 1 e r n l o - s e n s i t i v e p n i p a a 栅m a m t e i p e n e t r a t i n gn e t 、o r kh y d r o g e l sp ( n i p a a m i 髓m a ) w e r ep r e p a r e d 谢mb o t t ln p a a ma i l d 2 _ h y d m x y e m y lm 劬a c 巧l a c e h y d i d g e i s w h i c hw e r e s ”廿l e s i z e db y 雠e - r 甜i c a l a q u e o u s s o l u t i o n p 0 1 y m 鲥z a t i o nu s 洫ga p s ( a m m o n i u mp e r s u l p h a t e ) n a 2 s 2 0 5 ( s o d i 啪 p y r o s u l f i t e ) a sr e d o xi n i t i a t o r i nas i m m t a n e o u si m e 叩e n e t r a t i n gn e t w o r k p r o c e s s an o v e l t e m p 甜刮：l l l - s s i t i v em n c t i q n a l b i o m 缸e r i a l i i l 北京化工大学硕士研究生学位论文 n - i s 叩r o p y l a c 巧l 锄i d e - g 雠e ( 1 _ n v i n y i p y m l i d o n ep o ly m e r ( n i p 舭吼- g - n v p ) u s 吨a p s ( 猢o n i u mp e r s u l p h 砒e 州a 2 s 2 0 5 ( s o m u mp y r o s u l m e ) a s r e d o xi n i t i a t o rw e r ep r e p a r e di na 1 1a q u e o u sm e d i u m ； n l ei n n u c e so ns w e l l i n gr a t i o ，g e l l 抽gt i m ea 1 1 dp h a s e 仃a n s i t i o np o i n t o fp n i r 气a mh y d r o g d sw e r ei n v e s t i g a t e d ，m em e c h a n i s mo ft e r n p e r a t u r e s e n s i t i v h yw a sd i s c u s s e d 劬也e n y t h em i c r o e n v i r o m e n tc o n d t t i o no fm e s e g e l s 甜l dt 1 1 e i r 钯m p e r a m r ep h a s et r a n s n i o nn e a rl c s t 、v e r es t u d i e db yu s i n g n u o r e n s c e n e p r o b e r h o d a m i n e b ， a n dt l l e s ec o n t m l l e dr e l e a s e c h a r a c t e r i s t i c s c o n t a i l l i i l gp e m o x i 每l l i n e a n d a s p i r i n 、e r e s t u d i e d r e s p e c t i v e l ya sm o d e ld m g s t h em a i nc o n t e l l to fr e s e a r c hw a si i s t e da sf o l l o w s ： 1 m o n o m e r c o n c e n t r a t i o l l ， c r o s s l i n k e rc o n c e n t r a t i o n，i i l i t i a t o r c o n c 锄t r a t i o n ，a i l do x i d a l l 竹e d u c e rm t i oo ns w e l l i n gr a t i o ，g e l l i n gt i m e a n dp h a s et r 锄s i t i o np o i n to ft h es e l 舡印a r e dp 鼢a m h y 出o g e l sw e r e i n v e s t i g a t e d ， b a s e do nt l l e s t u d 弘 廿l em e c h a l l i 锄o ft e m p e r 栅e s e n s i t i v i t yw a sd i s c u s s e df 叶廿1 e r l y 2 an o v e l 幽踯o s e n s m v e 珏珀n i s o p r o p y l a c 巧l 龇i d ep o l 舯e rg e l s ( h e m a 伊n i p a a mg e l s ) w e r ep r e p a r e dw i t hb o t h 皿m aa n d 孙r 麟a m h y d i o g e l sw h i c h 榭s y n m e s i z e db y 盘e e - r 砌c a la q u e o u ss o l u t i o n p 0 1 y m e r i z a t i o nu s i n ga p s ( 猢o i l i u mp e r s u l p h a t e y n a 2 s 2 0 5 ( s o d j 啪 p y r o s u l f l t e ) a sr e d o xi n i t i a t o ri nas i m u l t a l l e o l l si n t e r p e n e n a t i n gn e 时o r k p r o c e s s n ee 髓c t so fm o n o m e rc o n c e n 仃a t i o n ，n i 艄am ， 嘲r a t i o ， c r o s s l i l l 】( e rc o n c e n t r a t i o n ，i i l i t i a t o rc o n c e n t 喇o n a 1 1 do ) 【i d a n 饥e d u c e r r a t i oo n g e ls w e l l i l l gp e r f 0 珊a i l c e i nd i 行黜1 t t e m p e r 砷u r e w e r e d i s c u s s e d 3 p o l y ( n - i s o p r o p y l a c r y l 锄i d e 争v i n y l p y r o l i d o n e ) h y d r o g e l sw e r ep f 印a r e d t h e s w e l l j n g r 砒i o so fp ( n i 酗。a m - g n v p ) h y d r o g e l sw e r el e s s i v 北京化工大学硕士研究生学位论文 d e c r e a s e di na q u e o u se l e c t i o 虮es o l u t i o n s d u et on l ea b i l i t ) ro ff o m l i i l g a s s o c i a t i o nc o m p l e xw i mb i o l o 西c a lm o l e c u l e s ，t h e s eh y d m g e l s 删e d r u ge a s i l yt od i s s 0 1 v e 4 t h em i c r o e n v i r o m e n tc o n d i t i o no fm e s eg e l sa i l d l e i rt e r n p e r a t u r ep h a s e 订a n s i t i o nn e a rl c s tw e r es t u d i e d b yu s i l l g n u o r e n s c e n ep r o b e r h o d 心ebi na q u e o u sa i l d 劬a n o ls o l u t i o n s t h em e c h a n i s mo f t e m p e r a t u r es e n s i t i v i 够w a sd i s c u s s e df h r t i l e r l y 5 p e m o x i 毋l h n ea n da s p i r i na r eu s e da sm o d e lr n e d i c i n e ，m a k m gu s eo f m e s eg e l so ft e n l p e r 咖r e s e n s i t i v i 劬 t o t e s tt h er e l e a s es e n s i t i v e c h a r a c t e r i s t i co f t e m p e r a t u r ea 任色c t e db ym eg e l k e yw o r d s ：p a a m ， 也m p ( n i p a a m - g - n v p ) ，t e m p e r a m r e 。 s e n s i t i v i 吼n u o r e n s c e n ep r o b e ，p e n t o x i f y l h n e ，a s p i 血， c o n 缸d 1 1 e dd e l i v 吖 v 北京化工大学位论文原刨性声明 y8 8 1 8 7 s 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导f ， 独立进行研究工作所取得的成果。除义中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：奄仁口期：堡生二三l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工人学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，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，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在三年解密后适用 奉授权书。非保密论义注释：本学位论文不属于保密范围，适用奉授 权书 作者签名： l ；，饿p 出么! 么! z 2 丝! ： 北京化工大学硕士研兜生学位论文 1 1 文献综述 第一章绪论 智能材料是集自检测( 传感) 、自判断和自结论( 处理) 功能于一体的材料。材料 智能行为的本质是，材料接受温度、化学、电场、光等外部信号的刺激后，材料的 结构、能量状态发生变化而作出响应的过程。智能材料的分类方法有很多种。根据 材料的来源，智能材料包括金属系智能材料、无机非金属系智能材料以及高分子系智 能材料。温敏型高分子属于智能高分子材料中的一类。其具有多重结构层次，易 于分子和结构设计这些因素均有利于实现材料的智能化设计。当受到外界环境的 物理，化学乃至生物信号变化刺激时，其某些物理或化学性质会发生突变的聚合物， 也常被称为“刺激响应性聚合物”、“环境敏感性聚合物”等。 青岛贞人口j 对智能型f 彘分子作了综述。目前具确温度、p h 值、无机盐浓度、溶 剂、电场、光等刺激一响应性的高分子相继被发现。智能型高分子常含有取代酰胺、 醚键、羟基等官能团，如聚( n 一异丙基丙烯酰胺) ( p n i p a a m ) 、聚丙烯酰胺( p 心m ) 粱乙烯基甲基醚( p v m e ) 、聚氧化乙烯醚( p e 0 ) 、聚丙烯酸( p a a c ) 、羟丙基纤维素 ( h p c ) 、聚乙烯醇一醋酸乙烯酯共聚物( p v a 、等。智能高分子可以被设计成化学阀、 传感器等器件，用r 智能型膜、记忆元件、人工肌肉、药物释放体系等多种领域。 近年来，分子生物学、细胞生物学、基因工程、医学科学和材料科学的发展， 使人们对生物体加深了认识，确定了多种蛋白质、肽、核酸和多糖类等生物大分子 的结构，阐明了其功能；认识到生物体中许多组织大都以纵横交错的大分予网络和 液体构成的凝胶状态存在，具有类似水凝胶的结构，如人体器官内壁粘液层、眼的 玻璃体和角膜、细胞外基质等均为凝胶状组织。当牛物组织受到温度、化学物质等 刺激时形状和物性发生变化，进而呈现响应的功能。它对刺激的响应是分子水平的， 即分子的形态、高次结构和组装体结构均发生变化。这为从仿生角度构思研制智能 性生物材料指明了方向”l 。 刺激响应性高分子凝胶的构思就源于仿生。刺激响应性高分子凝胶是结构、物 理性质、化学物质可以随外界环境改变而变化的凝胶。其是由三维网络结构( 交联 结构) 的高浆物和溶剂组成的，网络可以吸收溶剂而溶涨。当这种凝胶受到环境刺 激时就会随之响应，即当溶液的组成、p h 值、离子强度或外界温度、光强度( 紫外 光或可见光) 、电场等刺激信号发生变化时，或受到特异的化学物质刺激时，凝胶就 光或可见光) 、电场等刺激信号发生变化时，或受到特异的化学物质刺激时，凝胶就 北京化工大学硕士研究生学位论文 会发生突变，呈现相转变行为。这种响应体现了凝胶的智能性。兼有液体形态和固 体形态的水凝胶还有很多功能特性，如溶胀性、机械性、渗透性、表面特性等，这些性 质为水凝胶在医学、农学、生物工艺学等方面的应用提供了广泛的应用前景。由于 这种诱人的特性，智能水凝胶必将作为崭新的材料应用在人造肌肉、微机械、分离膜、 生物材料、药物控释体系领域中。 1 9 6 8 年t h a k a 等人首次发现了陈化的用n ，n - 亚甲基双丙烯酰胺交联的聚丙 烯酰胺水凝胶的溶胀性能在某一临界温度附近时，随温度的微小变化会发生急剧的 突跃性变化，其变化梯度可达几十至几百倍。h e s “n s 等于1 9 7 8 年发现聚( n 异丙基 丙烯酰胺) p o l y ( n i s o p m p y i a c r y l a m i d ep n i p a a m ) 】的水溶液表现出( 1 0 w e rc r i t i c a i s 0 1 u t i o n t e m p e r a t i l r e ) l c s t 最低临界溶液温度，在临界温度以下，p n i p a a m 溶于水 中形成均匀的溶液，在温度升高至3 2 以上，溶液发生相分离【4 】。1 9 8 4 年t h a k a 等报道了p n i p a a m 水凝胶在3 3 附近其溶胀性能髓外界温度的微小变化，会发生 急剧的突跃性变化【5 】o 对p p a a m 的研究引起了人们极大的兴趣。目前，p n i p a a m 水凝胶的这种特殊的温度敏感溶胀性能己被研究应用于药物控制释放、分离、酶固 定化和循环吸收剂等领域。 近年来出现了多肽、基因等多种具备特定疗效的功能药物，这些药物或半衰期 短促，或只能在体内特定位置释放，不宜采用口服、皮下注射或滴注等一般给药途 径，需要借助于合成高分了或天然高分了改性水凝胶等特殊控释系统。因此，温敏 性水凝胶的制备及其应用得到了人们的广泛关注。 本文主要介绍p n i p a a m 类水凝胶及其温度敏感改性材料的种类、研究概括和 发展趋势、及其在药物控释体系上的应用。 1 1 1p n 皿怂m 的研究进展 1 1 1 1p n l p a a m 的体积相转变机理研究 高分子凝胶的智能化探索是智能型高分子领域的重要研究课题。水凝胶的膨胀 行为或者收缩行为与其网络结构和溶剂的性质有关。凝胶的膨胀行为由以下几个因 素决定：( 1 ) 水凝胶体系的混合自由能：( 2 ) 高分子链的弹性压力；( 3 ) 低分子离子产生 的膨胀压力： l c s t ) 下，苯胺被吸附 到凝胶上，而且盐的加入使苯胺吸附量增大，表明外加盐可以使凝胶的l c s t 降低。 t g p a r k 等【2 i j 研究发现补p a a m 凝胶在n a c l 水溶液中能够诱发相转变现象。 在某一温度下，存在一个n a c i 的临界浓度使凝胶出现急剧收缩，凝胶的水含量则随 n a c j 溶液的浓度变化明显，凝胶仅在1 5 2 3 的范围内就出现相转变，随着温度升 高，临界浓度下降且l f 缶界浓度与温度呈线性关系，说明随着温度上升，要引起凝胶 相转变需要较少量的n a c l 即可，通过对比非交联p n l p a a m 的l c s t 与n a c l 溶液浓度 的关系，发现l c s t 与n a c i 溶液的临界浓度有着密切的关系。由于其它钠盐( 如n a 2 s 0 4 ， n a s c n 和n a i ) 及脲不能引起相转变现象，所以他们认为p n i p a a m 发生相转变可能 与c l _ 有关。此外，他们还发现随n a 2 s 0 4 浓度增大，凝胶的l c s t 会下降，将其归因 于盐析效应。对n a s c n ，比较有意思的结果是，在较低的浓度范围内，凝胶溶胀率 随盐浓度增大略有上升，以3 5 为界，温度小于3 5 时，温度高上升趋势大：温度大 于3 5 时，温度高上升趋势小，他们对该现象解释为s c n 一结合水和破坏水结构的能 力与其浓度有关。 h i n o n a t a 等口副考察了外加盐对聚n 一异丙基丙烯酞胺凝胶的体积相转变及对其 线性聚合物溶液浊点的影响。研究表明，对无机盐而言，对转变温度起决定性影响 的是阴离子而非阳离子，例如，c l ，b r 一，i 一都引起浊点下降，下降速率c 1 一 b r 一 i 一，而对于碘化物体系，在浓度约小于5 1 0 - 2 m o l g 时，浊点先略有上升，而后在高 浓度范围内又下降。他们研究了阴离子粘度系数( v b c ) 与相转变温度变化的关系，发 北京化工大学硕士研究生学位论文 现转变温度的变化与阴离予的v b c 成线性关系，随着v b c 的增大，相转变温度减小。 h k a w a s a k i 等【2 3 1 研究了不同温度下盐在p n l p a a m 凝胶和外部盐溶液之间的分 布。发现凝胶体积相转变与盐在凝胶内外的分布有关。通过研究溶质的分配系数k 发现小于转变温度时，盐在凝胶内部与外部溶液中的分配几乎相等；大于转变温度 时，盐被完全塌缩的凝胶排斥，排斥程度与盐的种类有关。指出由温度决定的 p n i p a a m 的非极性性质影响了溶质与凝胶之间的相互作用，阴离子对体积相转变的 影响比阳离子大。 过渡金属离子有较强的配合作用，p n i p a a m 凝胶的体积相转变可能会对它们的 吸附有影响。j l e h t o 等 2 4 】研究了非均相n i p 从m 及其共聚物凝胶对z n “，n ”，c r 3 + ， c r ”的吸附，发现凝胶对以上各种离子都有吸附。n i p a a m 凝胶对离子的选择吸附能 力为z n ” c r 3 + n i ” c r 6 + ，但吸附能力都较低，且凝胶的体积相转变对离了吸附 行为没有影响。认为离子吸附可能与凝胶的n 原子有关，提出对于均相共聚物凝胶在 l c s t 上下的吸附行为可能会有所不同。 a d u r a n d 等1 2 5 1 研究了聚丙烯酸钠、聚丙烯酸接枝于p n l p a a m 的聚合物在水溶 液中，盐、葡萄糖、己醇、s d s 等的加入对升温变稠现象的影响，发现通过改变外 部条件可控制接枝聚合物的升温变稠行为。研究k 2 c 0 3 ，葡萄糖、己醇对p p a a m 浊点( c p ) 影响的结果表明，它们都能够降低p n i p a a m 溶液的c p ，随着三种外加剂浓 度的增大，c p 持续下降，c p 与外加剂浓度基木上保持线性关系。三种物质对c p 的降 低能力为：葡萄糖 丙三醇 乙醇 甲醇 脲，丁醇的影响非常强，甲醇的影响较小，而脲几乎对转变温度不产生 影响，并且发现以上这些低分子物质对p n l p a a m 的摩尔转变热几乎没有影响。但是， 研究发现少量的二甲基亚矾( d m s o ) 在降低凝胶的l c s t 、增大体积变化程度的同时， 还会大i 嘱度降低摩尔相转变热，他们认为d m s 0 是一种质子惰性溶剂，与水分子的 作用方式可能不同，可能是水合水分子会被d m s o 分子取代，从而降低了转变热。 他们把小分子物质对转变温度和转变热的影响解释为疏水水合以及疏水作用，亲水 性和疏水性基团在这些物质存在时很大程度的提高了包围它们的水合结构，即小分 6 北京化r 人学硕士研究生学位论文 子物质在水溶液中将与本体水作用，通过水合降低熵值，使转变温度下降。 h i n o n a t a 等【2 2 】发现四烷基溴化铵的烷基链长度对p n i p a a m 的转变温度影响很 大，碳链长度不同，浊点变化趋势也不同，c 4 基本保持不变，c 2 ，c 3 使浊点上升，且 c 3 c 2 ：c l 、c o 、c 5 使浊点下降，他们猜测是盐在聚合物链段上的吸附所致，他们 认为由于n + 可以形成偶极子而烷基有疏水作用，所以四烷基溴化铵既具有结构制造 者的性质又兼有结构破坏者的性质，也就是说，随着烷基链的增长，盐可能会由结 构破坏体向结构形成体转变。还讨论了烷基季铵盐与v b c 的关系，因为烷基季铵离子 的v b c 一般很大且为正，它可以降低转变温度或浊点，但他们没有发现该现象，他们 解释为，由于烷基与p n i p a a m 的异丙基之间的疏水作用增强了离子向聚合物链段的 吸附，吸附离子就象聚合物上的固定电荷，最终导致转变温度上升。 k m u k a e 【2 7 j 在2 5 测量了p n i p a a m 及其共聚物水凝胶在醇( c 广c 4 ) 一水混合液 中的溶胀体积，发现在纯水中溶胀的水凝胶在加入少量醇时发生收缩，加入更多的 醇时又再度溶胀，显示出一种再进入行为，且凝胶的溶胀行为与醇一混合液的性质 相关。它们检验了在水一乙醇溶液中线性p n i p a a m 的酞胺基团问的氢键强度，发现 p n i p a a m 的伸缩震动频率对与混合液中醇组分相关的氢键强度敏感。它们推想聚合 物中有可能存在一个可压缩的结构。 许多学者还从新的角度研究了p n i p a a m 聚合物的体积相转变行为。s s a r a k i 等 郾1 从化学势的角度对p n i p a a m 进行了研究，通过分析不同无机助剂( n a c l ，k a ) 和 有机助剂( 蔗糖、葡萄糖) 对p n l p a a m 水凝胶体积相转变的影响，发现水的化学势与 凝胶的体积相转变密切相关，凝胶的溶胀行为可以用水分子的化学势与它在相转变 点的化学势差值很好的表征。 a k l e l e 等【2 圳从水的角度对p n i p a a m 进彳亍了研究，认为p n l p a a m 凝胶中的水 存在两种状态：一种是完全游离的水。其热力学行为与纯水一样：另一种是与聚合物 链段亲水基团通过氢键结合的，称为结合水。他们提出了一种扩展格子一流体一氢 键( l f h b ) 模型，定量预测了凝胶在发生体积变化过程中结合水的变化。 1 1 1 3p n i p a a m 的结构与体积相转变机理的关系 在众多合成和天然凝胶体系中，研究表明，造成非连续体积相转变的主要驱动 力被认为是侧链的疏水相互作用以及高分子网络间氢键的突然增强。根据f l o r y h u g g b 理论，在相转变点，聚合物溶剂间的相互作用参数增加，致使p p a a m 发 生非连续的体积收缩。不仅温度影响p n i p a a m 的体积相转变现象，小分子物质， 北京化工大学硕士研究生学位论文 p h 值及电荷密度的变化均可使相转变发生。 早期k o k u 缸a 川等通过研究了聚丙烯酰胺聚丙烯酸的体积相转变，认为此类 凝胶相转变行为是受氢键推动的。并认为是四种类型的力在凝胶相转变中起类似生 物学上分子间力的作用，并称之为“凝胶相转变统一理论”。 表卜l 凝胶相转变统理论中的四种力 范德华力 疏水力 在丙酮和水q - 的在水中的聚 聚丙烯酰胺凝胶n 一异丙基丙烯酰胺凝胶 氢键离子力 在水中的在水巾的 p a a p a mi p n 阳离子阴离子凝胶 k u b o t a k 等合成了一系列在侧链上有不同烷基的丙烯酰胺类聚合物，发现随 着侧链烷基长度的不同，这些聚台物在水中的溶解情况可以分为三种类型：在任何温 度下都能溶于水：在冷水中溶解而在热水中不能溶解：完全不溶于水。第二种类型即 可作为具有温度敏感性质的聚合物，这中间除了侧链烷基为异丙基的n i p a a m 之外， 还有侧链烷基为乙基、丙基、环丙基、二乙基、吡咯烷基等的丙烯酞胺类聚合物。 并认为聚合物的初级结构决定其发生相变时的温度。 i n o m a t a 【”】等研究了n 取代基团分别是异丙基，正丙基，环丙基的一系列的不同 n 取代基聚丙烯酰胺水凝胶的温度敏感性能。n 一正丙基疏水性最强，相变温度也最 低，而n 一环丙基的疏水性最弱，结果其水溶液无明显的相变。但因n 取代基的变 化很小，相变温度仅为l o 以内。作者认为n 取代丙基的表面积越大，疏水相互作 用越大，则相变热越大，即凝胶发生体积相变的温度随取代基空间体积的增大而依 次下降。 童真等p 列则为了研究疏水相互作用对相交温度的影响，也选用酰胺上的两个氢 原子全被甲基取代的d m a 与n i p a a m 共聚，d m a 单体之间无法形成氢键。而甲 基的体积小于异丙基，所以d m a 均聚物疏水性远小于p m 队a m ，完全溶于水。得 出结论：在相变温度以下，p n i 队a m 分子链溶于水时由于氢键及范德华力的作用， 大分子链周围的水分子将形成一种由氢键连接的、有序化程度较高的溶剂化壳层。 由于氢键的形成，其溶解过程的焓变h 为负值，即为放热溶解。同时，在溶解过 程中，由于水分子包裹在分子链的疏水部分( 异丙基) 形成较为规则的笼子结构，致 使熵变s 也为负值。这样，当温度较低时焓和熵的共同作用可以使g 0 ，从而发生相变。从分子结构的角 度看，这是由于升温破坏了部分氢键，使大分子链疏水部分的溶剂化层被破坏，水 分子从溶剂化层排出，而疏水部分互相聚集形成疏水结合，宏观上表现为相变。 r a e 【3 4 1 等从热力学角度出发，通过研究一系列不同n 一取代烷基的交联聚丙烯酰 胺水凝胶聚合物和水的相互作用参数z 与温度的关系曲线，认为低温下凝胶吸水依 赖与水分子和酰胺基团间的氢键作用而不是亲水作用。由聚合物和乙醇的相互作用 参数z 与温度的关系曲线得出对同时含有亲水疏水两种基团( 酰胺基烷基) 的凝 胶网络，乙醇都可作为良溶剂。因此z 值不会随温度发生显著变化，但随凝胶中烷 基亲水性的增加，z 值也依次增大。 k a t a k a i 【3 5 】等通过研究疏水基团位置不同但组成完全相同的水凝胶相转变行为 得出结论：凝胶的相转变行为强烈地依赖于疏水基团在侧链中的位置。 m u e l l c r ( 3 6 j 则研究了n ，n 一二甲基丙烯酰胺( d m a ) 与c j c 4 烷基丙烯酸酯共聚时 水凝胶的膨胀性能的变化情况。结果表明，随着丙烯酸酯含量的增加，水凝胶的相 转变温度逐渐减小；同时，随着取代基体积的增大，相转变温度也不断减小，这与 上面的分析一致。 k a 、v 嬲a k j 3 7 】等考察了p n ip ：a a m 与丙烯酸钠盐( a a ) 共聚物凝胶在不同p h 值 溶液的体积相转变行为。p h 7 5 时，体积随温度呈连续变化。他们认为：碱性时分布在 高分子链的丙稀酸钠盐完全离予化，p n l 鼢a m 上的疏水基团相互作用不能克服增 加的抗衡离子渗透压，因此体积变化由非连续性向连续性转变。 高伟【3 8 j 等认为凝胶体系与水的相互作用决定其溶胀对温度的依赖性。低温时凝 胶与水的作用主要是酰胺基团与水分子间氨键作用：随温度的升高，相互作用参数z 突变，使得凝胶溶胀度突变，临界温度下，凝胶发生相转变；温度继续上升凝胶网 络中分子间和分子内侧基间亲合作用增强，z 变化较小。 王明珍 1 刀等通过研究外加盐种类及浓度对p n i p a a m 水溶液最低临界溶解温度 ( l c s t ) 的影响。认为随外加盐浓度的增加，降低了p n i p a a m 链的柔性，从而使 p n i p a a m 水溶液的l c s t 降低，降低程度不仅与体系的离子强度有关，而且与外加盐 的本性有关n a 2 s 0 4 ，n a 3 p 0 4 ，n a 2 c 0 3 等无机盐对其影响最为显著。 周楠时【3 9 等认为十二烷基硫酸钠加入使得p n i p a a m 的l c s t 上升的原因是当共 聚物线团转变为紧缩球时，疏水基团翻转到表面，s d s 上的烷烃链吸附在上面，形 成稳定的微乳液，防止了温度高于l c s t 时发生相分离和凝聚沉淀，因而溶液仍然是 透明且热力学稳定的。并由此制备了单链微凝胶乳液。并定量的研究了不同浓度s d s 9 北京化工大学硕七研究生学位论文 对单链微凝胶l c s t ，粘度等的影响。得出结论，浓度越低，乳液粘度越大；浓度越 高，l c s t 向高温方向移动； 协a k a 等【4 川在有阴离子、阳离子和两性离予和中性表面活性剂存在时研究 p n i p a a m 水凝胶在水中的溶胀行为。研究发现两性离了和中性表面活性剂不影响凝 胶在水中的溶胀行为，而加入阴、阳离子型表面活性剂却有较大的影响，加入的浓度 越高，水凝胶的l c s t 值越高，溶胀比越大，但当浓度增加到一定程度后，l c s t 达 到一饱和值。他们也研究了十二烷基磺酸钠与水凝胶或均聚物的缔合和非缔合情况， 发现二者相缔合时l c s t 值升高，并且该缔台现象也是可逆的。 1 1 1 4p n i p a a m 温敏响应的表征方法和机理 对p n i p a m 水溶液的研究丰要集中在温度响应性方面，采用的研究手段主要有 紫外可见光谱法，荧光光谱法，光散射法，粘度法，示差扫描量热法( d s c ) 等。 1 1 1 4 1 紫外一可见光谱法 s c a r p a 等【4 1 】于1 9 6 7 年发现2 的p n i p a a m 水溶液在3 1 左右具有可逆的溶解一 沉淀现象，这是文献中首次报道关于p n i p a a m 水溶液的温敏性相转变。此后，用紫 外一可见光谱法测定透光率便成了常用的研究物质的低临界溶液温度( l c s t ) 的方 法。由于升高温度达到溶液的l c s t 时，溶液会由透明变浑浊，因此，又常称l c s t 为 该溶液的云点，而用紫外一可见分光光度计测量透光率确定l c s t 的方法又叫云点法。 云点，即为溶液透光率发生突变时的温度，但是，由于一般情况下透光率发生 突变有一温度范围，因此不同的文献报道中确定云点的标准并不完全一样，如有 选择固定波长( 5 0 0 n m ，6 0 0 n m 等) 的透光率作为标准的，还有选择4 0 0 8 0 0 m n 一段波长 的平均透光率作为标准的。测量波长的选择决定能探测到的聚合物沉淀体的最小尺 寸。对于均聚物的水溶液而言，在整个可见光部分其透光率的变化基本相同，所以， 测定透光率的选择对测量结果的影响不大。但当体系中存在表面活性剂、盐等添加 剂时，或通过共聚使得疏水基团进入聚合物链时【4 2 郫l ，由于分子链的收缩，导致聚 集得到的颗粒的尺寸大小可能会小于观察波长，所以这时云点会随观察的波长不同 而有所变化。另外，云点的测量还受测量时升温速率的影响，升温速率过快则相转 变滞后，测得的云点相对较高。对于溶液的浓度而言，若不是太低，浓度变化对云 点测量的影响不大【4 3 州j 。 北京化1 二太学硕士研究生学位论文 1 1 1 4 2 示差扫描量热法( d s c ) 对于紫外一可见光谱法，只有聚合物聚集形成的颗粒粒径大小达到观察波长的 长度时，才能测量确定云点。这种测定依赖于波长，而且对相变的反映也是间接的。 因此在h e s k i n s 和g “l l e t 【4 5 】报道了p n 口a a m 水溶液被观测后，示差扫描量热法( d s c ) 的方法便被普遍应用于相转变的研究中。 d s c 测定的是相转变发生时的热效应，所以能更直接、准确地反映相转变。o s c 测定的l c s t 与云点法测定的结果基本一致，而且在升温速率3 0 小时的范围内， 测得的相转变温度基本不变。一般情况下，测量选用的加热速率为1 5 小时。测 量得到的吸热峰的性质在0 4 4 o m g m 1 的浓度范围内是不变的。但由于该相变发生 时吸热量很小( 6 3 k j m 0 1 重复单元) ，仅一个氢键键能的数值大小，因此，必须采用 极为灵敏的d s c 仪器。 1 。1 1 。4 3 光散射 光散射法可以得到溶液中大分子的尺寸、形态以及相互作用情况等信息。因此 光散射法能够提供比云点法、d s c 法更多的微观信息。光散射仪器最初的使用是为了 测定p n i p a a m 的分予量，h e s k i n s 和g u i l l “4 5 】报道，从2 5 加热到3 3 时，聚合物 的表观分予量增加了4 5 倍，这表明3 3 有聚集现象发生。此后还有人用静态光散 射法研究极稀溶液中聚合物分子链的相转变情况嗍。h 的t s u l 【4 7 1 使用m w = 1 3 6 1 07 的p n i p a a m 样品，用准动态光散射法溅定了该样品2 7 u g m l 水溶液的相转变。 他们观察到3 4 时聚合物发生相转变，直径从1 0 0 0 a 减小到6 0 0 a ，这证明相转变过程 是一种分子内的过程。当温度上升到3 9 时，溶液变浑浊，这是由于己收缩的聚合 物发生了聚集，从而使得溶液变浑浊。因此，光散射法为解释p n i p 从m 相转变的微 观变化提供了很多证据。 1 1 1 4 4 粘度法 对p n i p a a m 粘度的研究也是首先由h e s l d j _ l s 和g u i l l e t t l 4 5 】报道的。随着温度的上 升，p n i p a a m 的溶液特性粘度降低，但物质的m v 却是增加的，他们由此推断p n i p a a m 分子链在l c s t 以下是呈舒展的线团状，而非棒状。p n l p a a m 的水溶液浓度很高时 ( 1 0 2 5 、v t 9 6 ) 呈弹性，且加热到l c s t 以上时，不是出现聚合物的沉淀，而是整个溶液 体系变浑浊，呈凝胶状。若在聚合物中引入少量的n 一十六烷基丙烯酞胺，则这种疏 北京化工大学硕士研究生学位论文 水修饰的聚合物在相对较低的浓度下就可出现以上所述的现象。此外，十二烷基磺 酸钠等表面活性剂的加入也可以大大增加溶液的粘度。因此，可应用以上两种现 象，在聚合物溶液的低浓度下，通过引入疏水基团或添加表面活性剂来控制溶液粘 度，具有较好的潜在的应用