（应用化学专业论文）聚N异丙基丙烯酰胺及其共聚物的制备及环境敏感性研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 聚n 一异丙基丙烯酰胺( p n i p a a m ) 凝胶是种典型的热敏性水凝胶，具有 明显的低临界相变温度( l c s t ) 。在l c s t 以下，p n i p a a m 凝胶为亲水溶胀状 态：l c s t 以上为疏水收缩态。加入适当的亲水或疏水性单体合成p n i p a a m 共 聚物水凝胶，可以在一定范围内调节聚合物的l c s t ，还能得到兼具p h 、离子 强度等环境敏感特性的水凝胶。 本文采用”c oy 射线辐射合成p n i p a a m 及其丙烯酰胺( a a m ) 和丙烯酸 c ) 的共聚物水凝胶，并研究了水凝胶在不同介质( 如去离子水、不同离子强 度的水溶液以及不同p h 值的缓冲溶液) 中的溶胀特性及l c s t ；采用乳液聚合 合成p n i p a a m 及其a a _ m 共聚物的水凝胶微球，研究了引发剂、分散剂和交联 荆对凝胶微球粒径的影响，并测定了热敏性变化曲线：采用磁流体代替溶剂，聚 合得到磁性水凝胶微球。 本文的结果表明：辐射合成水凝胶具有温度敏感性，在定范围内，其溶胀 率随温度的升高而下降，其消溶胀过程符合修正的菲克第二扩散定律；在去离子 水中，共聚物水凝胶的低临界相转变温度( l c s t ) 随共聚单体( a a c 、a a m ) 比例的增加而升高，而当共聚单体比例达到一定时，l c s t 变得不明显；p n i p a a m 及其共聚物水凝胶的溶胀率随离子强度的增加有一突变的下降过程；在含有一定 离子强度的溶液中，非离子p o l y ( n i p a a m g o a a m ) 的l c s t 随共聚单体a a m 含量的增加而增加，而离子化的p o l y ( n i p a a m c o a a c ) 的l c s t 却随共聚单体 a a c 含量的增加而下降；溶液的p h 值对凝胶的溶胀性能有显著的影响， p n i p a a m 及其共聚物在不同p h 值缓冲溶液的溶胀性能类似于两性型离子水凝 胶。除温度的变化外，p n i p a a m 及其共聚物水凝胶在p h 及离子强度反复变化 的情况下，也具有反复可逆的溶胀与消浴胀特性。采用n i p a a m 接枝改性的聚 丙烯纤维可在酸性条件下通过变化温度实现对金属离子的吸附与解吸附，这对废 水的净化及离子的回收有着重要意义，这一技术已申请发明专利；采用微乳液聚 合法合成了p n i p a a m 及其a a m 共聚物的水凝胶微球，其粒径随温度增加而减 小，在一定条件下可达纳米级；凝胶微球粒径随引发剂、分散剂用量的增大而减 小，随交联剂用量的增大而增大。 第l 页 一 圭塑查堂堡主兰堡堕苎 关键词：聚n 异丙基丙烯酰胺；n 异丙基丙烯酰胺，丙烯酰胺共聚物；n 异丙基丙烯酰胺丙烯酸共聚物；低f 临界相转变温度；水凝胶：温度敏感：离子 强度；p h 敏感；磁性水凝胶微球 a b s t r a c t p o l y ( n - i s o p r o p y l a c r y l i ca r a i d e ) i sat y p i c a lt h e r m o s e n s i t i v eh y d r o g e lw i t ha l o w e rc r i t i c a ls o l u t i o nt e m p o r a l r e ( l c s t ) w i t hp n i p a a m b e l o wl c s t ，p n i p a a m s h o w ss w e l l i n gb e h a v i o r ，w h i l ea b o v el c s t ，i ts h o w sd e s w e l l i n gb e h a v i o r t h e l o w e rc r i t i c a ls o l u t i o n t e m p e r a t u r e o ft h ep n i p a a mc a l lb e a d j u s t e db y c o p o l y m e r i z a t i o n 、析t lo t h e rm o n o m e r s s o m em o n o m e r sc o u l da l s ob r i n gt h e c o p o l y m e rs o m en e wp r o p e r t i e ss u c ha sp h s e n s i t i v i t ya n di o n i cs t r e n g t hs e n s i t i v i t y e t c t h ep n i p a a ma n di t sc o p o l y m e r so fp o l yr n - i s o p r o p y l a c r y l i ca m i d e c o a c r y l i c a m i d e ) p o l y0 9 l p a a m c o a a r n ) 】a n dp o l yf n i s o p r o p y l a c r y l i ca m i d e - c o a c r y l i c a c i d ) 【p o l y ( n i p a a m - c o a a c ) 1w e r es y m t t e s i z e db yr a d i a t i o np o l y m e d z a t i o nu s i n g 6 0 c 07 - r a y t h es w e l l i n gb e h a v i o ra n dl c s tw e r ed e t e r m i n e di nt h em e d i ao f d e i o n i z e dw a t e r ，d i f f e r e n ti o n i cs t r e n g t hs o l u t i o n sa n dd i f f e r e n tp hb u f f e rs o l u t i o n s ； t h ep n i p a a ma n dp o l y ( n i p a a m - c o a a m ) h y d r o g e lm i c r o s p h e r e sw e r e s y n t h e s i z e du s i n gm i c r o e m u l s i o np o l y m e r i z a t i o n ，t h ee f f e c to ft h ec o n t e n to f i n i c i a t o r ，d i s p e r s a n ta n dc r o s s l i n k i n ga g e n to nt h ep a r t i c l es i z ew a ss t u d i e da n dt h e t h e r m o - s e n s i t i v i 坶o fm i c r o s p h e r e sw a sm e a s u r e d ；t h ef e r r o f l u i dw a ss u b s t i t u t e df o r s o l v e n tt oo b t a i nt h em a g n e t i ch y d r o g e lm i c r o s p h e r e s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eh y d r o g e l ss y n t h e s i z e db yr a d i a t i o np o l y m e r i z a t i o n ， w h o s ed e s w e l l i n gb e h a v i o r sa c c o r dw i t hm o d i f i e df i c k ss e c o n dl a wo fd i f f u s i o n ，a r e t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e i n d e i o u i cw a t e r ，t h es w e l l i n gr a t i o so ft h es y n t h e s i z e d p o l y m e r sd e c r e a s ew i t ht h er i s i n go ft e m p e r a t u r e ，w h i l et h el c s t s i n c r e a s ew i t ht h e c o m o n o m e r ( a a ma n dh a c ) r a t i ou n t i ii t a r r i v e st oac e r t a i nv a l u e t h ee f f e c to f i o n i cs t r e n g t ho nt h ep n i p a a ma n di t sc o p o l y m e r ss h o w e dt h a tt h es w e l l i n gr a t i o s d e c r e a s e ds h a r p l yw h e nt h ei o n i cs t r e n g t ho ft h es o l u t i o na r r i v e dt oac e r t a i nc r i t i c a l v a l u e m o r e o v e r ，t h el c s to fp o l y ( n i p a a m - c o a a m ) i n c r e a s e sw i t ht h ea a m r a t i ow h i l et h a to fp o l y ( n i p a a m c o - a a c ) d e c r e a s ei n s t e a df u r t h e r m o r e ，t h e 第1 1 页 上海大学硕士学位论文 s w e l l i n gb e h a v i o rw a sc o n s i d e r a b l ya f f e c t e db yp h ，w h i c hw t l ss i m i l a rt ot h e a m p o t e r i ch y d r o g e l s t h er e v e r s i b l es w e l l i n gb e h a v i o rc o u l db eo b s e r v e di ft h e m e d i aw a sa l t e r e d t h ep h s e n s i t i v i t yo fp n i p a a mw a sf u r t h e rs t u d i e df o rt h e a b s o p t i o n o fm e t a li o n su n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s w i t hn i p a a mg r a f t e d p o l y p r o p y l e n ef a b r i c i ti si m p o r t a n tt ot h ep u r i t yo fw a s t ew a t e ra n dr e c y c l i n go fi o n t h i st e c h n o l o g yh a db e e na p p l i e df o rap a t e n t t h e 苗z e so fp n l p a a ma n dp o l y ( n i p a a m c o a j u n ) m i c r o s p h e r e s ，w h i c h a l e s y n t h e s i z e db ym i c r o - e m u l s i o n p o l y m e r i z a t i o n ，a r et e m p e r a t u r e s e n s i t i v ea n da b l et ob en a n o g r a d ea ts o m ec e r t a i n c o n d i t i o n s t h es i z e so ft h em i c r o s p h e r e sd e c r e a s ew i t ht h ec o n t e n to fi n i t i a t o r ， d i s p e r s a n t ，b u ti n c r e a s ew i t ht h ec o n t e n to fc r o s s l i n k i n ga g e n ti n s t e a d k e y w o r d s ：p n i p a a m ；p o l y ( n m a a m e o a a m ) ；p o l y ( n n a a m c 0 一a a c ) ； l o w e rc r i t i c a ls o l u t i o nt e m p e r a t u r e ( l c s n ；h y d r o g e l ；t h e r m o s e n s i t i v e ；i o n i c s t r e n g t h ；p h s e n s h i v e ；m a g n e t i ch y d r o g e lm i c r o s p h e r e 第l i j 负 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人己发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：表鸟 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 叁l 导师签名：牝日期：一 上海大学硕士学位论文 第一章前言 水凝胶是可以在水中溶胀却不溶解的类亲水性高分子网络。由于水凝胶在 生物医学领域等方面具有十分广泛的应用前景，因此被认为是当今高分子物理和 化学中最热门的研究课题。 人们在研究中发现，某些凝胶随外部环境如温度、p h 值、光、电场、磁场等 的微小变动，其含水量会发生变化甚至发生相变，从溶胀的亲水状态变成消溶胀 的疏水状态。除了溶胀体积有这种突跃性变化外，凝胶的其他性质( 如相互作用 参数、模量、折射率、介电常数等) 也会发生突跃性变化，这些水凝胶统称为环 境敏感水凝胶或智能水凝胶。其中，有关聚n 异丙基丙烯酰胺( p n i p a a m ) 及 其共聚物水凝胶方面的研究报导最为多见。 1 1 聚n 异丙基丙烯酰胺水凝胶的温度敏感性 1 9 8 4 年，t a n a k a 等嘲等首次报道p n i p a a m 水凝胶具有低临界相变温度 ( l c s t ) 。之后，许多研究者试图通过各种热力学理论对水凝胶的敏感性进行解释， 其中与实验现象符合较好的是i l a v s k y 等人修改的由f l o r y 提出的平均场理论，但 这一理论不能预测发生敏感性相转变时的温度、p h 值、盐浓度、介质组成浓度 等。t a n a k a 等【2 ，那通过测定聚合物链的持续长度b 和有效半径a 之比( 即代表聚 合物链刚性的度量) 与敏感性之间的关系，提出了下面的半经验参数s 作为有无 ，i 、4 敏感性的判定依据：s = 兰 ( 2 ，+ 1 ) 4 。式中，f 代表单位有效链上可离子化基 a 团的数目。s 2 9 0 时，水凝胶会发生敏感性相转变。之后h i r o t s u 等h 】建立了数 学模型来解释l c s t ，但后来发现由于参数的理想化处理，部分结果与实验不吻 合。随后有研究( 5 1 报道氢键力是发生l e s t 的决定因素，还有研究表明聚合物网 络内及聚合物与溶剂间的作用力( 如疏水作用力) 可能是其主要 乍用力。近来的 研究6 , 7 1 更趋向于两者并存。目前，对其的解释是认为凝胶中存在氢键和亲z l c 疏 水平衡，如在p n i p a a m 体系中，- - n h c o - - 为亲水基团，而一c h ( c h 3 ) 2 为疏 水基团。在外界温度低于l c s t 时，凝胶网络中高分子链上的亲水基团通过氢键 第1 雨 上海大学硕士学位论文 与水分子结合，凝胶吸水溶胀。温度上升时，这种氢键作用减g ；，而高分子锉中 疏水基团间的相互作用加强，凝胶逐渐收缩。温度上升至l c s t 以上，疏水作 用成为主要作用力，高分子链通过疏水作用互相聚集，凝胶发生相变，溶胀率急 剧下降。所以，可以通过在凝胶的骨架中引入不同亲、疏水基团以改变凝胶网络 的亲水疏水比，而达到改变水凝胶的l c s t 的目的。此外，s c h i l d 等【8 的研究表 明，随着体系无机盐浓度的增加，p n i p a a m 的l c s t 呈下降趋势。而诸如交联 剂用量、聚合介质、凝胶网络的孔径等因素的变化可以改变凝胶的溶胀率和溶胀 速率，但对l c s t 没有明显的改变。目前，虽然人们对温敏的机理已有一定的认 识，但就疏水基团相互作用机理及其与相转变温度的关系而言，定量方面还有一 些问题要解决。 1 2聚n 异丙基丙烯酰胺共聚物水凝胶的环境敏感特性 合成p n i p a a m 共聚物水凝胶的目的有：通过改变亲水疏水单体比例调节聚 合物的l c s t ，以扩大凝胶的应用范围，使其具有温敏性的同时，还具有p h 、 光、磁等环境敏感特性等。 1 2 1温度敏感性p n i p a a m 共聚物 t a n a k a 等【4 1 在研究离子化n 异丙基丙烯酰胺共聚物凝胶的体积相变时发现， 随着丙烯酸钠含量的增加，凝胶的相变温度逐渐提高。之后，b e t t r a n 、h o w a r d 及卓仁禧等许多科学家0 7 h i 都得到了类似的结果。并得到结论：随着体系亲水基 团含量的增加，p n i p a a m 共聚物的l c s t 增加，反之减小。此外，若加入离子 型单体，凝胶的溶胀率有较大增加。 1 2 2p h 敏感性p n i p a a m 共聚物 4 p n i p a a m 与有p h 敏感性的单体( 如丙烯酸等) 共聚，就得到了既有温敏， 又有p h 敏感性的水凝胶。y a n g 等 1 习合成了聚( n - 异丙基两烯酰胺一共一甲基丙烯 酸) 水凝胶。3 7 时，这种凝胶在p h = 5 8 的介质中沉淀，在p h = 6 2 的介质中却吸 水溶胀。利用这种性质，y a n g 等研究了其在免疫测定上的应用。黄月文等”副合 成了聚( n 一异丙基丙烯酰胺一共一丙烯酸) 温度及p h 值敏感水凝胶，并在此水凝 第2 面 上海大学硕士学位论文 与水分子结合，凝胶吸水溶胀。温度上升时，这种氢键作用减弱，而高分子链中 疏水基团间的相互作用加强，凝胶逐渐收缩。温度上升至l c s t 以上，疏水作 用成为主要作用力，高分子链通过疏水作用互相聚集凝胶发生相变，溶胀率急 剧下降。所以，可以通过在凝胶的骨架中引入不同亲、疏水基团以改变凝胶网络 的亲水疏水比，而达到改变水凝胶的l c s t 的目的。此外，s c h i l d 等i8 1 的研究表 明，随着体系无机盐浓度的增加，p n i p a a m 的l c s t 呈下降趋势。而诸如交联 剂用量、聚合介质、凝胶网络的孔径等因素的变化可以改变凝胶的溶胀率和溶胀 速率，但对l c s t 没有明显的改变。目前，虽然人们对温敏的机理已有一定的认 识，但就疏水基团相互作用机理及其与相转变温度的关系而言，定量方面还有一 些问题要解决。 1 2聚n 一异丙基丙烯酰胺共聚物水凝胶的环境敏感特性 合成p n i p a a m 共聚物水凝胶的目的有：通过改变亲水疏水单体比例调节聚 合物的l c s t ，以扩大凝胶的应用范围，使其具有温敏性的同时，还具有p h 、 光、磁等环境敏感特性等。 1 2 1温度敏感性p n i p a a m 共聚物 t a n a k a 等4 1 在研究离子化n 异丙基丙烯酰胺共聚物凝胶的体积相交时发现， 随着丙烯酸钠含量的增加，凝胶的相变温度逐渐提高。之后，b e l t r a n 、h o w a r d 及卓仁禧等许多科学家1 7 。1 都得到了类似的结果。并得到结论：随着体系亲水基 团含量的增加，p n i p a a m 共聚物的l c s t 增加，反之减小。此外，若加入离子 型单体，凝胶的溶胀率有较大增加。 1 2 2p h 敏感性p n i p a a m 共聚物 将p n i p a a m 与有p h 敏感性的单体( 如丙烯酸等) 共聚，就得到了既有温敏， 又有p h 敏感性的水凝胶。y a n g 等e 1 2 合成了聚( n 一异丙基丙烯酰胺一共一甲基丙烯 酸) 水凝胶。3 7 c 时，这种凝胶在p h - 5 8 的介质中沉淀，在p h = 6 2 的介质中却吸 水溶胀。利用这种性质，y a n g 等研究了其在免疫测定上的应用。黄月文等 t 3 j 台 商2 t 聚( n 一异丙基丙烯酰胺共一丙烯酸) 温度及p h 值敏感水凝胶，并在此水凝 成了聚( n 一异丙基丙烯酰胺一共一丙烯酸) 温度及p h 值敏感水凝胶，并在此水凝 嚣2 砸 一一 圭塑查兰堡主兰壁兰奎 胶中包埋抗结肠癌药物阿司匹林。宅e p h = 7 4 的介质中，3 7 时阿司匹林在水凝胶 膜中的释放比2 5 时的快，i 面在3 7 c t ，p h = 7 4 的介质中阿司匹林的释放比 p h = 1 0 的快得多，后者在较长时间内还可释放一小部分，因此可将阿司匹林大部 分定向到肠中释放。 1 2 3 光敏感性p n i p a a m 共聚物 光敏p n i p a a m 共聚物水凝胶可以分为2 种，种是在水凝胶中引入光敏成 分，由光异构化反应来实现凝胶的光刺激响应；另一种是通过凝胶对环境的敏感 性实现不同构象凝胶对光的透过率不同。 1 2 3 1 引入光敏成分 光敏成分即光敏变色分子。反应时，此类物质的发色团发生物理化学性质的 变化( 如偶极矩的变化) ，导致聚合物性能的改变。而且这种变化往往可逆。 k u e k l i n g 等【1 4 】对聚( n 一异丙基丙烯酰胺共一丙烯酸) 进行改性，在反应中引入了 具有可逆光化学聚合作用的二苯并吡啶类( a c r i d i z i n i u m ) 发色团，其可进行快速 光交联反应，具有很好的光可逆性，且其聚合物薄膜可以通过光化学反应控制开 关乙c s t 等温引发洛胀消溶胀。 1 2 3 2 利用凝胶的其他环境敏感特性 凝胶由于受环境的变化构象发生改变，对光的透过率随之发生变化。空【1 s u z u k i 等在p n i p a a m 凝胶中引入叶绿二酸。光照时叶绿二酸吸收光使其微环境温度 升高，凝胶收缩。反之，凝胶溶胀。许多学者认为这种材料可被用于制作人工肌 肉、化学开关以及记忆材料。 1 2 4 磁响应性p n i p a a m 共聚物 磁响应凝胶微球是将磁微粒包埋在凝胶中，在磁场作用下，凝胶就会有所响 应。磁性水凝胶微球主要有以下特性： 1 1 表面效应和体积效应：即比表面积效应。随着微球的细化，其粒径达到微米 级甚至纳米级时，比表面激增，微球宫能团密度及选择性吸附能力变大，达到吸 第3 页 上海大学硕士学位论文 附平衡的时间大大缩短，粒子的相对稳定性大大提高。 2 ) 磁效应：具有磁性的微球在外加磁场作用下可以方便地进行分离和磁导向。 当磁性四氧化三铁晶体直径小于3 0 r i m 时，具有超顺磁性，即在磁场中有较强磁 性，没有磁场时磁性很快消失，从而微球能够在磁场中不被永久磁化。 3 ) 功能基特性：生物高分子有多种反应活性功能基团，如- - o h 、- - c o o h 、一 n h 2 ，可连接具有生物活性的物质，特别是在生物医学工程中有很大应用。 磁性水凝胶微球的制备方法主要有：包埋法、单体聚合法和原位法三类： 1 1 包埋法 包埋法是制备磁性高分子微球最早的一类方法，它是将磁性微粒分散于高分 子溶液中，通过雾化、沉积、蒸发等手段得到磁性高分子微球。包埋法又可根据 反应原理有两种制备途径： 共沉淀法反应原理：凡2 + + 2 f e “+ 8 0 h 一- - f e 3 q + 4 h 2 0 山 沉淀氧化法反应原理：凡2 + + 2 0 1 1 一斗f e ( o h ) ，在搅拌的情况下，向f e ( 0 h ) 2 沉淀液中加入双氧水使其氧化生成f e 3 0 , ： f e ( o h ) 2 + h 2 0 2o 凡3 0 4 + 4 h 2 0 一般而言，包埋法得到的磁性微球其磁性粒子( 磁核) 与外壳层的结合主要 通过范德华力( 包括氢键) ；磁粒表面的金属离子与高分子链的螯合作用以及磁 性粒子表面功能基与高分子壳层功能基形成的共价键。利用包埋法制备磁性微 球，方法简单，但所得的粒子粒径分布宽，形状不规则，粒径不易控制，壳层中 难免混杂一些诸如乳化剂之类杂质。 2 1单体聚合法 单体聚合法是在磁性粒子和有孝几单体存在的条件下，根据不同的聚合方式加 入引发剂、表面活性剂、稳定剂等物质聚合制备磁性高分子微球的方法。制造高 分子微球的常规方法，如悬浮聚合、乳液聚合( 包括无皂乳液聚合、种子聚合) 、 分散聚合等，均可应用于磁性水凝胶高分子微球的制备。 3 1 原位法 方法首先制得单分散的致密或多孔水凝胶微球，此微球含有可与铁盐形成配 位键或离子键的基团( 如- - n h 2 、- - n h - - 、- - n 0 2 、0 n 0 2 、- - c o o h 等) 。 随后可根据水凝胶微球所具有的不同功能基以不同的方法来制各磁性微球。如直 第4 页 上海大学硕士学位论文 接或分别加入合适比例的二价和三价铁盐溶液，使水凝胶微球在铁盐溶液中溶 胀，升高p h 值，可得到铁的氢氧化物，最后升温至适当的温度，即可得到含有 f e 3 0 4 微粒的磁性水凝胶微球。 用上述方法可得到p n i p a a m 的磁性微球，如n o r i h i r ok a t o i l 等研究了载有 磁微球的热响应凝胶p n i p a a m ，其可以在交流磁场作用下磁滞现象消失放热而 自消溶胀。- f d , 斌等1 1 8 - 2 0 1 合成了f e 3 0 4 p ( s t - n i p a a m ) 微球。该微球除具有一般 磁性微球快速、简便的磁分离特性外，同时还具有热敏特性，作者认为这种复合 微球在生物医学领域及其它领域都可能具有较好的应用前景。 1 2 5 p n i p a a m 的接枝共聚物 p n i p a a m 聚合物的一大弱点就是机械性能差，通过将其接枝到有一定机械 强度的基材上，其应用范围可以大为扩大。此外，在p n i p a a m 高聚物上接枝其 他功能基团，也可以改变它的物理性能、扩大理论研究和应用的范围。 翟茂林等 2 1 - 2 4 】采用辐射技术把p n i p a a m 接枝在棉纤维、p v a 膜、硅橡胶 膜等基材上，并研究了接枝工艺、机理及产物的温敏性能。c h e n 2 5 1 等合成了 p n i p a a n i 和p a a c ( 聚丙烯酸) 的接枝共聚物，得到了一种在很大p h 范围内都 具有温敏相交的新型凝胶。 1 3 n i p a a m 类水凝胶的应用 p n i p a a m 类水凝胶由于其适宜的相变温度和浴胀能力，常应用于生物医学 领域，如药控释放、固定化酶、生物物质分离等等。在其他领域( 如化学阀、折 光材料以及金属离子的富集与分离等等) 也有着广泛的应用。 1 3 1 生物医学领域的应用研究 生物医学领域是p n i p a a m 类水凝胶应用的主要领域，最常见的应用是将具 有生物活性的分子( 生物分子) 与其结合，从而使生物分子具有温敏性以及其他 环境响应性。 第5 负 上海大学硕士学位论文 1 , 3 1 1 药物控释系统 长期以来，医药界一直希望能找到一种方法，可以在需要的时候将需要的药 物定量释放到人体组织。利用智能水凝胶可以顺利实现对病灶周围的温度、化学 环境等异常变化自动感知，自动释放所需量的药物 2 6 - 3 1 】。当身体状况正常时，药 物控释系统恢复原来的状态，重新抑制释放，此系统原理见图卜1 。h o f f m a n 认 为p n i p a a m 水凝胶对药物的控释属“泵出”机理，t l c s t 时，药物随着凝胶的脱水而快速释放。 若药物是疏水的，在t l c s t 时，由于药物 与链段的亲和作用而停止释放。 自反馈系统 图1 1 智能药控释放系统示意图 m e y e r 【3 0 1 等人以聚( n 。异丙基丙烯酰胺共一丙烯酰胺) 为药物载体，外部加 热控制药物的释放，取得了良好的“开关”释放效果。p e p p a s 【32 l 等人合成了同时具 有温度和p h 敏感的聚( n 异丙基丙烯酰胺一共一甲基丙烯酸) 水凝胶，并研究了 链激酶和肝磷脂在此体系中的可逆释放行为。黄月文合成了聚( n 一异丙基丙 烯酰胺一共丙烯酸) 温度及p h 敏感的水凝胶，研究了包埋在此水凝胶中的抗结 肠癌药物阿司匹林的释放，发现其随温度、介质p h 值和药物制剂方式的变化而 显著不同。 p n i p a a m 在药物控制释放上的应用，极大的提高了药物作用的持续性和专 一性，从而提高了药物的药效和安全性，给药物制剂带来了很大的变革。 第6 页 上海大学硕士学位论文 1 3 。1 2 固定化酶 酶可以以不同方式固定在热响应p n i p a a m 水凝胶中，达到用温度控制酶活 性的目的。y a s u i 3 3 等将酶接在p n i p a a m 链端，然后通过化学键合方式固定于 微球表面，微球表面同时还存在一些自由的p n i p a a m 链，这两种p n i p a a m 链 具有不同的相转变温度，如图1 2 所示。自由p n i p a a m 链在3 09 c 左右坍塌，酶 暴露于介质中与底物接触显示较高的酶活性。当温度升高到3 8 。c ，载酶的 p n i p a a m 也坍塌，酶又披包埋，难以发生催化。因此，通过这样巧妙的设计， 把酶具有活性的温度控制在一个较窄的范围内 1 , 3 1 3 生物物质分离 图1 - 2 不同温度下表面变化示意图 利用p n i p a a m 温敏性对生物物质分离是人们常用的方法之一。其突出的优 点有： 1 1 可以利用相变温度实现高效率的萃取分离； 第7 磺 上海大学硕士学位论文 2 ) 水凝胶容易再生、可反复使用； 3 ) 耗能很少，操作方便； 4 ) 不会使被分离物质发生变性或中毒； 5 ) 可根据被浓缩分离的生物物质的尺寸和性质设计凝胶的交联密度或单体结 构。 h o f f m a n 3 4 d 7 研究组曾合成了p n i p a a m 与蛋白质a ，链酶抗生物素蛋白突 变体n 4 9 c 、e l1 6 c 等的耦合物，应用p n i p a a m 的热响应性来控制亲和分离人 体免疫球蛋白，生物素等。 p n i p a a m 在生物医学领域上的应用还有诸如免疫分析、作为医用生物高分 子材料等等。随着研究的深入，其应用的范围还会越来越广泛。 1 3 2 1 化学阀 利用水凝胶在其l c s t 上下的明显差异，用多孔玻璃和p n i p a a m 可制备具 有类似阀门一样功能的超滤膜，通过温度控制分离不同尺寸的分子，且有很高的 选择性。机理如图1 - 3 所示 1 , 3 2 2 遮光材料 图1 3 化学阀选择分离示意图 在两玻璃板或两透明塑料薄膜制成的夹套中，灌入p n i p a a m 类热敏高聚物 溶液，就可制成遮光板，这种遮光板可在不同温度下白浊化达到遮光的目的。机 第8 页 一士塑奎茎堡圭兰垡堡塞 理如图l 一4 所示。这类高分子材料可以应用在遮光玻璃、高层建筑的调光调温方 面。 户_ d r - w h f t e 皿。瑶 t 强蛸p 啪嗽抛l 鼻 均h ts c a t t e r i n gs t a t e ( l o w e r t e m p e r a t u r e )( h i g h e r t e m p e r a t u r e ) 图1 4 光敏玻璃示意图 1 3 2 3 金属离子富集与分离 由于p n l p a a m 链段可能与某些金属离子络合，从雨达到分离溶液中金属离 子并富集的目的。陈捷【3 8 】等人采用预辐射接枝法，将n i p a a m 接枝在聚丙烯纤 维上，用以吸附水中的某些金属离子，发现接枝n i a a i n 的聚丙烯纤维有一个显 著的特点：它在较低温度( 2 0 0 c ) 和较低p h 条件下有利于z n “、f e 2 + 等离子的 吸附，而在较高温度( 5 0 。c 左右) 条件下则发生解吸附同时可富集金属离子。 并将该技术申请了专利。 此外，p n i p a a m 还有很多方面的应用，如应用于温度控制凝胶渗透色谱、 液相色谱的填料，用于化妆品、脱色剂等精细化工领域。随着p n i p a a m 温敏高 分子材料的深入研究，相信其应用前景将会越来越广阔。 1 , 4 本文的研究内容 本论文的主要目的是以p n l p a a m 为主体合成一种具有靶向性的热敏性控 制释放药物的载体。 由于p n i p a a m 的相变温度在3 2 。c 附近，而作为用于人体药控释放载体， 一般希望其相变温度能够达到或略高于人体温度。所以分别加入亲水性单体 a a m ( 非离子型单体) 和a a c ( 离子型单体) ，通过辐射聚合得到两种共聚物 第9 贝 上海大学硕士学位论文 水凝胶。并比较不同介质( 如去离子水、不同离子强度的溶液以及不同p h 的缓 冲溶液) 及温度对共聚物水凝胶溶胀率和l c s t 的影响。 在此基础上，用乳液聚合法制备得了p n i p a a m 和a a m 的共聚物水凝胶微 球；研究了引发剂、交联剂和分散剂含量对微球粒径的影响，测定了微球在不同 温度下粒径分布的变化。用磁流体与n i p a a m 单体的混合液为分散相，聚合得 到具有靶向性的热敏凝胶微球，并初步测定了释药释放特性。 第j o 页 上海大学硕士学位论文 2 1 实验仪器 第二章实验部分 1 电子静电加速器( v a nd eg r a f t 型，上海先锋电器厂) 2 6 0 c 州辐射源( 1 6 0 k c ) ( 上海核新辐照厂) 3 f a l 0 0 4 型电子天平( 精度o 0 0 0 1 9 ) ( 上海精密科学仪器有限公司) 4 s b 2 2 0 0 型超声波清洗器( 上海必能信超声有限公司) 5 j b 5 0 d 型增力电动搅拌机( 上海标本模型厂) 6 c s 5 0 1 型超级恒温器 2 3 f d 1 型冷冻干燥机( 北京德天佑科技发展有限公司) 2 4 ，2 x z 2 一l 型旋片真空泵( 上海华连医疗器械有限公司) 2 5 各种常规化学实验仪器 第1 i 页 上海大学硕士学位论文 2 2 实验材料与药品 1 丙烯酸( a a c ，c p ，级) ( 中国医药集团上海化学试剂公司) 2 丙烯酰胺( a a c ，c p 级) ( 中国医药集团上海化学试剂公司) 3 ，n 异丙基丙烯酰胺( n i p a a m ，c p 级) ( 日本京畿大学嘉悦勋教授赠) 4 过硫酸钾( k 2 s 2 0 8 ，a r 级) ( 中国爱建现成试剂厂) 5 n ，n 亚甲基双丙烯酰胺( b i s ) ( c 7 h l o n 2 0 2 ，c p 级) ( 中国医药集团上海 化学试剂公司) 6 十二烷基硫酸钠( s d s ，c p 级) ( 中国医药集团上海化学试剂公司) 7 氯化铵( n h 4 c l ，a r 级) ( 中国巨化集团公司试荆厂) 8 氢氧化钠( n a o h ，a r 级) ( 上海试剂厂) 9 。磷酸氢二钠( n a 2 h p 0 4 1 2 h 2 0 ，a r ，级) ( 上海新华化工厂) l o 磷酸二氢钠( n a h 2 p 0 4 2 h 2 0 ，a r 级) ( 上海虹光化工厂) 1 1 柠檬酸( c 6 h 8 0 7 h 2 0 ，a r 级) ( 上海试剂厂) 1 2 盐酸( h c l ，a r 级) ( 上海振兴化工二厂) 1 3 氯化钾( k c l ，a r 级) ( 中国医药集团上海化学试剂公司) 1 4 氯化钠( n a c l ，a r 级) ( 中国苏州振兴化工厂) 1 5 氨水( n i - h o h ，a r 级) ( 上海试剂四厂昆山分厂) 1 6 无水乙醚( c 4 h l o o ，a r 级) ( 上海马陆制药厂) 1 7 丙酮( c 3 h 6 0 ，a r 级) ( 中国医药集团上海化学试剂公司) 1 8 无水乙醇( c 2 h 5 0 h ，a r 级) ( 上海振兴化工厂) 1 9 高纯氮气( 上海比欧西气体工业有限公司) 2 0 液氮( 上海比欧西气体工业有限公司) 2 1 考马斯亮兰r 2 5 0 ( c o o m a s s i eb r i l l i a n tb l u e ) ( q u 国医药集团上海化学试剂公司 进口分装) 2 2 2 的p v a 磁流体( 由上大材料系刘引烽老师提供) 第1 2 页 上海大学硕士学位论文 2 3 实验原理 2 3 1 辐射引发自由基聚合及交联1 3 9 】 乙烯基单体自由基聚合是一个典型的链式反应，其反应历程由链引发、链增 长和链终止阶段组成。 单体辐射聚合与以引发剂化学引发聚合过程的主要区别在链引发阶段。在辐 射聚合中不需加入引发剂，靠电离辐射能通过电离和激发过程生成活性粒子( 自 由基，离子) 引发聚合反应( 如下) 。在链增长和链终止阶段，则无明显区别。 电离辐射( 丫射线或电子束) 可以引发单体分子电离或激发 m，、 ，拼+ + e m p + 们+ 这些初级粒子通过如下反应生成若干短寿命活性中间粒子 m + + e 一呻m ”( 高能激发态) m + f 或m ”) 一r 1 + r 2 m + 8 一斗m 砖十e 一寸p 二，( 溶剂化电子) 这些活性粒子的寿命都很短，聚和反应即由这些活性粒子引发。 目前，多数学者认为辐射交联是以自由基反应为主，以聚乙烯为例，自由基 机理可写成如下的通式： 2 一饼2 饼2 饼2 一、 一一饼2 耳删2 一 一c bt c h c , qt 一 2 3 2 乳液聚合【4 0 】 4 0 年代，h a r k i n s 提出的乳液聚合机理被视为聚合的经典理论。聚合前，体 系内每升大约有1 0 2 1 个单体溶胀的胶束( 6 1 0 n m ) 和1 0 ”个单体液滴( 1 9 m ) 。 在聚合初期( 成核期) ，体系中胶束微粒的数目为单体液滴数目的1 07 倍，而且， 比表面积非常大，水相自由基立即被胶束吸附，引发胶束内的单体隳合形成聚合 物粒子，即胶束成核。当单体转化率达到1 0 2 0 时，体系内的乳化剂分子几 乎全部吸附于聚合物粒子表面，而水相中的乳化剂浓度则下降到临界胶束浓度 上海大学硕士学位论文 ( c m c ) 以下，不再形成新的聚合物粒子。此后，体系内的聚合物粒子数目维 持恒定，而单体继续由大液滴经水相扩散进入聚合物粒子进行补充。所以，聚合 反应恒速进行，此为聚合的恒速阶段。当转化率达到6 0 7 0 时，单体液滴全 部消失，剩余的单体存在于聚合物微粒中，被聚合物粒子吸附，使得聚合物粒子 溶胀，聚合反应速度开始逐步下降，此为聚合的降速期。最终，乳胶中的聚合物 粒子尺寸为0 1 哪，浓度为1 0 ”个l 。 2 4 实验方法 2 4 1 辐射法制备水凝胶 将总重为3 9 不同配比的单体混合物( 见表1 和表2 ) 溶入2 7 m l 去离子水 中，采用6 0 c o7 - 射线( 3 0 0 k c i ，上海核新辐射厂) 在传动状态室温下进行辐照， 剂量为2 5 k g y 。辐射聚合合成p n i p a a m 、p o l y 呷p a a m c o a a c ) 及p o l y ( n i p a a m c o a 舡n ) 水凝胶。将制得的凝胶切成大约1 0 5 x 2 m m 的小片，用去离 子水浸泡、洗涤，以除去未反应单体，然后烘干并放入干燥器待用。 2 4 2 乳液聚合制备磁性水凝胶微球 2 , 4 2 1 聚n 异丙基丙烯酰胺水凝胶微球的制备 将1 9 2 9 n i p a a m 、0 0 3 6 5 9 交联剂m b a 和o 0 3 1 4 5 9 分散剂s d s 加入到1 2 0 m l 去离子水中。反应在四口瓶中进行，在通氮条件下搅拌4 0 m i n ，除去溶液中的氧 气，然后升温至7 0 。c ，加入00 7 6 8 9 引发刘k p s ，反应行4 h ，得到聚( n 一异丙 基丙烯酰胺) 水凝胶微球，表观为浅蓝色透明