（材料学专业论文）新型聚n异丙基丙烯酰胺类温敏性微凝胶的合成与表征.pdf

东华大掌博士学位论文摘要 摘要 聚( n 异丙基丙烯酰胺) ( p n 删) 类响应性微凝胶胶粒因在药物控制释 放、生物物质分离和光子晶体等领域有着广阔的应用前景，而备受人们关注。制 备流体力学直径( d h ) 小、单分散性好、稳定性高、表面无污染等特征的微凝 胶成为这一领域需要解决的重要课题。本文从分子设计的角度出发，通过改变交 联剂种类、加料方式和聚合方法，以及引入疏水性单体改性等途径以制备小粒径、 单分散性良好的、新型的具有温度响应性能的p n i p a m 类微凝胶；系统地研究 了所得微凝胶的结构形态、单分散性和相转变行为；同时将微凝胶作为添加剂用 于制备具有快速响应性和高力学性能的水凝胶；取得了以下主要研究结果： 1 以m 亚甲基双丙烯酰胺( m b a ) 作为化学交联剂，丙烯酸叔丁酯( t b a ) 为功能性单体，与m 异丙基丙烯酰胺( n i p a m ) 共聚，采用无皂乳液聚合方法 ( s f e p ) 合成出具有温敏性的p o l y ( n i p a m c o t b a ) 微凝胶，详细地研究了m b a 和毋a 含量对p n i p a m 微凝胶结构形态和体积相转变温度( v p t t ) 的影响。结 果表明，p o l y ( n i p a m m b a ) 和p o l y ( n i p a m c o t b 舢微凝胶粒径单分散性好，表 面无污染，水中分散稳定性高，在3 3 左右发生体积相转变。当m b a n i p a m 的摩尔比从5 6 5 增加至2 2 5 8 ，微凝胶的粒径先下降后升高，v p t t 略有增 加，相变温度范围变宽。当t b a n i a p m 的摩尔比从1 2 9 0 增加至 3 8 7 1 ， 胶粒呈有序排列，可形成胶态晶体；v p t t 从3 3 下降到1 8 ，范围变宽；消 溶胀度从2 3 下降至1 2 ，d h 在8 0 0 - 2 0 0 n m 。 2 采用锂蒙脱石( h e c t o r i t e ) 作为物理交联剂，疏水性单体t b a 作为第二 共聚单体，由s f e p 方法制备了p o l y ( n i p a m c l a y t b a ) 微凝胶。结果表明，剥离 的锂蒙脱石片层作为交联剂，是以氢键、离子键或配位键与p o l y n i p a m 分子链 作用，交联点分布均匀，且交联效率高；所得微凝胶分散液经离心后呈淡蓝色， d h 在1 5 0 - - 3 6 0 n m ，v p t t 范围窄化；当h e c t o r i t e n i p a m 的重量比从7 增加至 2 8 时，p o l y ( n i p a m c l a y ) 微凝胶的v p t t 基本维持在3 2 c ，但温度敏感性下降， d a 先下降后增加，消溶胀率先增加后下降；随t b a 含量的增加，p o l y ( n i p a m t b a d a y ) 微凝胶的单分散性增加，温度敏感性降低，d h 先下降后增加，t t 逐渐 东华大掌博士学位论文摘要 下降。 3 采用半间歇无皂乳液聚合方法( s b 。s f e p ) 制备得到低d h 的p n i p a m 和 p o l y ( n i p a m - c o h a c ) 微凝胶。结果表明，相比于传统间歇法( b a t c hm e t h o d ) 制 备的微凝胶，由s b s f e p 制备的微凝胶透明度高、相转变温度范围窄，但单分 散性差；调节滴加速率可制得不同粒径大小的微凝胶；所得p o l y ( n i p a m c o - a a c ) 微凝胶的d h 为6 0 2 3 0 n m ，且随a a c 含量的增加而下降，其羧基主要分布在胶 粒内部，m a c 的加入提高了微凝胶的v p t t ，但温敏性下降；而采用间歇法制备 的核壳型p o l y ( n i p a m c o m a c ) 微凝胶的羧基主要分布在胶粒外部，d h 值在 3 5 0 1 7 0 0 n m 范围，且随m a c 含量的增加而增加；随溶液p h 值的增加，微凝胶 的d h 先增加后略有下降，随温度的升高，d h 下降。 4 采用反相乳液聚合方法制备了具有温敏性的p n i p a m 微凝胶。结果表明， 纯化后的p n i p a m 微凝胶分散液的，t t 仍在3 2 ( 2 左右，但d h 显著下降，在 1 8 0 3 0 8 n m 之间，随温度增加而下降；胶粒的单分散性增加，粒子间排列紧密， 有相互聚集的趋势。 5 分别以半间歇法制备的p n i p a m 和p o l y ( n i p a m c o a a c ) 微凝胶为添加 剂，制备了具有快速响应性和较佳力学性能的p o l y ( n i p a m y m b a ) 和 p o l y ( n i p a m c l a y ) 水凝胶。结果表明，化学交联水凝胶的响应速率有很大提高， 物理交联水凝胶的力学性能明显改善，而两者的? t t 仍维持在3 3 左右。微 凝胶的加入使得m b a 交联水凝胶网络的孔径增加，数目减少，具有更小粒径 p o l y ( n i p a m c o a a c ) 微凝胶的加入相比于p n i p a m 微凝胶改善效果明显；微凝 胶的d h 越小，离子性基团越多，溶胀度越高；加入微凝胶胶粒后的p n i p a m 水 凝胶在温度刺激下显示出良好的溶胀一消溶胀的可逆性；微凝胶的加入可以提高 p o l y ( n i p a m c l a y ) 水凝胶的拉伸强度。 关键词：微凝胶，水凝胶，肛异丙基丙烯酰胺，丙烯酸叔丁酯，锂蒙脱石，丙烯 酸，无皂乳液聚合，间歇法，半间歇法，反相乳液聚合，体积相转变温度，温敏 性，p h 敏感性。 东华大掌博士学位论文a b s t r a c t s y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no f n o v e l t e m p e r a t u r e - - s e n s i t i v ep o l y ( n - i s o p r o p y l a e r y l a m i d e ) b a s e d m i c r o g e l s a b s t r a c t t h et e m p e r a t u r es e n s i t i v em i c r o g e l sb a s e do np o l y ( n - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ) ( p n i p a m ) h a v eb e e np a i dm u c ha t t e n t i o nf o rt h e i rp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do f d r u gc o n t r o l l e dr e l e a s e ，b i o m a t e r i a ls e p a r a t i o na n dp h o t o n i cc r y s t a l t h ea i mo fm a n y r e s e a r c h e si sm a i n l yf o c u so nt h ep r e p a r a t i o no fm i c r o g e l sw i t hs m a l l e rh y d r o d y n a m i c d i a m e t e r ( d h ) ，g o o dm o n o d i s p e r s i t y , h i g hs t a b i l i t ya n dc l e a ns u r f a c e t h er e s e a r c h i n t e r e s to ft h i sd i s s e r t a t i o ni sc o n c e n t r a t e do nt h ep r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no f n o v e lt e m p e r a t u r e - s e n s i t i v em i c r o g e l sb a s e do np n i p a mb ya d o p t i n gd i f f e r e n t c r o s s - l i n k e r s ，c o m o n o m e r sa n dp o l y m e r i z a t i o np r o c e s s e s t h es t r u c t u r e ，m o r p h o l o g y a n dp h a s et r a n s i t i o nb e h a v i o rw e r es t u d i e di nd e t a i lb ym e a n so ff t i r ，n m r ，s e m ， t e m ，d l s ，u v v i sa n dd s c f u r t h e r m o r e ，t h em i c r o g e lp a r t i c l e sw e r es e v e r e da s a d d i t i v e st op r e p a r et h ep n i p a mh y a r o g e l sw i t hf a s tr e s p o n s er a t ea n db e t t e r m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 as e r i e so ft e m p e r a t u r e s e n s i t i v ep o l y ( n i p a m c o - t b a ) m i c r o g e l sw e r e p r e p a r e db ys u r f a c t a n t - f r e ee m u l s i o np o l y m e r i z a t i o n ( s f e p ) w i t hn , n - m e t h y l e n e - b i s - a c r y l a m i d e ( m b a ) a sc h e m i c a lg r o s s l i n k e r , a n dt e r t - b u t y la c r y l a t e ( t b a ) a n dn i p a m a sf u n c t i o n a lm o n o m e r s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em i c r o g e l st h u sp r e p a r e dh a d g o o dm o n o d i s p e r s i t y , s u r f a c e - c l e a n ，a n dc o l l o i d a ls t a b i l i t y t h e i rv o l u m ep h a s e t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ( v p l y r ) w a sf o u n dt ob ea r o u n d3 3 。c a st h em o l a rr a t i oo f m b a n i p a mw a si n c r e a s e df r o m5 6 5 t o2 2 5 8 ，t h es i z e so fm i c r o g e lp a r t i c l e s d e c r e a s e di n i t i a l l ya n dt h e ni n c r e a s e d ，a n dt h ev p t tr a n g eb e c a m eb r o a d e r a sm o l a r r a t i ot b a n i p a mw a si n c r e a s e df r o m1 2 9 0 t o3 8 7 1 ，t h ec o l l o i d a lp a r t i c l e s t e n d e dt ob ea r r a n g e do r d e r l y , w h i l et h ev p t td e c r e a s e df r o m3 3 ct o18 。c ，a n dt h e i i i 东华大掌博士学位论文a b s t r a c t d e s w e l l i n gr a t i od e c r e a s e df r o m2 3t o12 ，a n dt h ed hr a n g e df r o m8 0 0 n mt o2 0 0 n m 2 a d o p t i n gh e c t o r i t ea sap h y s i c a lc r o s s l i n k e ra n dt b a a sas t r o n gh y d r o p h o b i c m o n o m e r , p o l y ( n i p a m c l a y t b a ) m i c r o g e l sw e r ep r e p a r e db ys f e pm e t h o d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a te x f o l i a t e dh e c t o r i t ep l a t e l e t sc o u l da c ta sa l le f f e c t i v e m u l t i f u n c t i o n a l c r o s s - l i n k i n ga g e n tt h r o u g hs p e c i f i ch e c t o r i t e p o l y m e r c h a i n i n t e r a c t i o n ，i n c l u d i n gh y d r o g e nb o d ，i o n i cb o n do rc o o r d i n a t eb o n d ，a n dt h ec r o s s l i n k s u n i f o r m l yd i s t r i b u t e d ，h a v i n gh i g hc r o s s l i n k i n ge f f i c i e n c y t h ea p p e a r a n c eo f p o l y ( n i p a m c l a y ) m i c r o g e ld i s p e r s i o n sa f t e rc e n t r i f u g a t i o np r e s e n t e dl i g h tb l u e ，a n d t h ed no ft h em i c r o g e l sw a si nar a n g ef r o m15 0 n mt o3 6 0 n m v o l u m ep h a s e t r a n s i t i o no c c u r r e di nan a r r o w t e m p e r a t u r er a n g e a st h ew e i g h t r a t i oo f h e c t o r i t e n i p a mi n c r e a s e df r o m7 t o2 8 ，t h ev p t to fp o l y ( n i p a m c l a y ) m i c r o g e ls t i l lr e m a i n e da r o u n d3 2 cb u tt h et e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yb e c a m ew e a k e r , a n dt h ed ni n c r e a s e da f t e ri n i t i a ld e c r e a s ew h i l et h ed e s w e l l i n gr a t i ow a so nt h e c o n t r a r y i n a d d i t i o n ，w i t hi n c r e a s i n g t b a c o n t e n t , t h em o n o d i s p e r s i t y p o l y ( n i p a m t b a c l a y ) m i c r o g e l sw a si m p r o v e d ，b u tt h et e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y b e c a m ew e a k e r , t h ed nw a si n i t i a l l yd e c r e a s e da n dt h e ni n c r e a s e dw h i l et h ev p t to f t h em i c r o g e l sw a sd o w n w a r d s 3 s e m i - b a t c hs f e pm e t h o dw a s a d o p t e d t o p r e p a r e p n i p a ma n d p o l y ( n i p a m - c o - a a c ) m i c r o g e l s ，w h i c hh a dl o wh y d r o d y n a m i cd i a m e t e ra n dh i g h t r a n s p a r e n c y , a n dn a r r o wp h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eb u tp o o rm o n o d i s p e r s i t y t h e p a r t i c l e s i z ec o u l db ec o n t r o l l e d b yt u n i n g f e e dr a t e t h ed r iv a l u e so f p o l y ( n i p a m c o - a a c ) m i c r o g e ld i s p e r s i o n st h u sp r e p a r e dr a n g e d f r o m6 0 n mt o 2 3 0 n m ，a n dd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n ga a cc o n t e n t t h ec a r b o x y lg r o u p so fw h i c h m a i n l y d i s t r i b u t e di nt h ei n t e r i o ro fc o l l o i d a lp a r t i c l e s a sac o m p a r i s i o n , t h e m i c r o g e l so fp o l y ( n i p a m - c o a a c ) p r e p a r e db yt r a d i t i o n a l b a t c hm e t h o d ，t h e c a r b o x y lg r o u p so fw h i c hm a i n l yd i s t r i b u t e di nt h eo u t e r , t h eo n v a l u e sr a n g e df r o m 3 5 0 n mt o17 0 0 n m ，w h i c hi n c r e a s e dw i t l li n c r e a s i n ga a cc o n t e n tw h e r e a sd e c r e a s e d w i 廿lr a i s i n gt e m p e r a t u r e ，a n dc h a n g e df r o mh i g ht ol o wv a l u e sw i t l li n c r e a s i n gp h v a l u e s 4 an o v e lm e t h o dv i ai n v e r s ee m u l s i o np o l y m e r i z a t i o n ( i e p ) w a sa d o p t e dt o i v 东华大学博士掌位论文a b s t r a c t p r e p a r et e m p e r a t u r es e n s i t i v ep n i p a mm i c r o g e l s ，w h i c hr e m a i n e da v p t ta r o u n d3 2 t h ed a o f m i c r o g e lp a r t i c l e st h u sp r e p a r e dw a sr a n g e df r o m18 0 n mt o3 0 8 n m ，a n d d e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e t h em o n o d i s p e r s i t yo ft h ec o l l o i d a lp a r t i c l e s w a si m p r o v e d ，w h i c ha r r a n g e di no r d e rb u tt e n d e dt oa g g r e g a t ee a c ho t h e r 5 t w ok i n d so fm i c r o g e l sb a s e do np n i p a ma n dp o l y ( n i p a m c o a a c ) p r e p a r e db ys b - s f e pm e t h o dw e r eu s e da sa d d i t i v e st op r e p a r ec h e m i c a lc r o s s l i n k e d p o l y ( n i p a m m b a ) a n dp h y s i c a l c r o s s - l i n k e d p o l y ( n i p a m c l a y ) h y d r o g e l s c o m p a r e dt o an o r m a lp n i a p mh y d r o g e l t h em i c r o g e l i m p r e g n a t e dp n i p a m h y d r o g e l se x h i b i tf a s tr e s p o n s er a t ea n dg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw h e r e a st h e v p t t so fw h i c hs t i l lr e m a i n e da r o u n d3 3 t h ei n t r o d u c t i o no ft h em i c r o g e l p a r t i c l e si n c r e a s e dt h ep o r es i z e so fp o l y ( n i p a m m b a ) h y d r o g e l s w i t hr e d u c i n gp o r e n u m b e r s t h e e f f i c i e n c y o fi m p r o v i n gr e s p o n s i v e p r o p e r t i e sb yi n c o r p o r a t i n g p o l y ( n i p a m c o - a a c ) m i c r o g e li sm u c hb e t t e rt h a nt h a to fp u r ep n i p a mm i c r o g e l s t h es m a l l e rt h ed ha n dm o r ei o n i cg r o u p sc o n t a i n gi nt h em i c r o g e l s ，t h eh i g h e ri nt h e s w e l l i n g r a t e s i n a d d i t i o n ，t h eh y d r o g e l st h u sp r e p a r e d e x h i b i t e d g o o d s w e l l i n g - d e s w e l l i n gr e v e r s i b i l i t yu n d e rt h es t i m u l u so ft e m p e r a t u r ea n di m p r o v e d t e n s i l es t r e n g t ho ft h ep o l y ( n i p a m c l a y ) h y d r o g e l s q i n g s o n gz h a n g ( m a t e r i a ls c i e n c e ) s u p e r v i s e db yp r o f b o r u nl i a n g p r o f l i u s h e n gz h a k e yw o r d s ：m i c r o g e l ，h y d r o g e l ，n - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e , t e r t - b u t y la c r y l a t e ， h e c t o r i t e ，a c r y l i ca c i d ，s u r f a c t a n t - f r e ee m u l s i o np o l y m e r i z a t i o n ，b a t c hm e t h o d ， s e m i b a t c hm e t h o d ，i n v e r s ee m u l s i o np o l y m e r i z a t i o n ，v o l u m ep h a s et r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e ，t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y , p hs e n s i t i v i t y v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本 人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：球肖帜 日期： 2 0 0 9 年7月i l e l 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密d 。 学位论文作者签名：砍青祛指导教师签名：抑 日期：瑚年1 月l 亨日 日期：矽对年，月日 东华大掌博士掌位论文 1 1 引言 在尊一一宴厶j 臣j 弟一早三有了匕 水凝胶是一种介于液体和固体之间的能显著地溶胀于水并保持大量水分但 不溶解于水的亲水聚合物，作为一类“软材料 在自然界中广泛存在【l 】。比如人 体7 0 都是水分，这些水并非以液态形式存在，而表现为高分子凝胶。目前，对 温度【2 1 、p h 值3 1 、光 4 1 、斛5 1 或化学物质【6 】等具有响应性的智能型水凝胶倍受人 们关注，但因其尚存在响应速率慢等缺点而大大限制了水凝胶的应用【7 1 。t a n a k a 等【8 】研究表明，水凝胶溶胀或收缩达到平衡所需的时间与水凝胶的线性尺寸的平 方呈正比( f 芘r 2 d ) ，因此具有亚微米尺寸的水凝胶纳米粒子( 简称微凝胶) 得到了广泛的研究。由于微凝胶特殊的结构、小的尺寸和较高的表面积，以及相 当快的刺激响应性，在诸如药物控制释放、光电开关、酶的固定、蛋白质的吸收、 组织工程、化学存储器、人造肌肉和分子分离等方面显示出良好的应用前景【9 - 1 3 1 。 具有温度响应性的聚( n - 异丙基丙烯酰胺) ( p n i p a m ) 微凝胶由于相变温度 在3 2 左右，接近人体的生理温度，因而研究最为深入【1 4 】。但自身存在的宽相 变温度、低稳定性、交联密度不均一和较大的流体力学直径等缺点【l5 1 ，限制了其 进一步应用的领域，因此各种各样的物理和化学改性，以及寻求新的合成方法已 成为目前研究的热点【1 每19 1 。 本章主要对微凝胶的定义、分类、发展现状、合成途径、化学结构、性能表 征、应用领域以及目前存在的问题作一简单介绍，最后提出本论文的研究课题及 主要研究内容。 1 2 微凝胶的发展概况 1 2 1 凝胶的定义与分类 凝胶是指三维网状结构的聚合物内部充满液体介质所形成的分散体系，由液 体和聚合物网络组成，通常液体被聚合物网络封闭其中，失去流动性。因此，与 聚合物溶液不同，聚合物凝胶能够像固体一样，具有一定的形状【2 0 1 。 对于凝胶，根据大小可分为大块凝胶和微凝胶；根据高分子网络里所含液体 第l 页 成分可分为水凝胶和有机凝胶；根据网络键合方式的不同可分为物理凝胶和化学 凝胶；根据材料来源的不同可分为合成水凝胶和天然水凝胶；根据对外界环境刺 激的响应则可分为化学信号刺激( 如p h 、化学或生物物质等) 响应性凝胶和物 理信号刺激( 如温度、光、电、磁等) 响应性凝胶【2 1 1 。 1 2 2 微凝胶研究现状 微凝胶是一种分子内高度交联的聚合物胶体粒子，其内部结构为典型的网络 结构，通常以胶态形式溶胀于一定溶剂中且高度分散。目前一般认为微凝胶的粒 径在5 0 n m 至5 1 t m 之间【2 2 1 。环境响应性微凝胶是指因温度、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、离子强度等外部因素发 生变化，微凝胶内部发生溶剂的挤出或溶胀，从而导致微凝胶的体积发生膨胀或 收缩，并引起如孔隙度、流变性、折光指数、表面电荷密度和胶体稳定性等许多 物理或化学性质变化的一类微凝胶2 3 之5 1 。 1 9 7 8 年c h i b a n t e 等制备得到温敏性的p n i p a m 水性微凝胶【2 酬，随后大量研 究表明，环境的某些变化都可能导致微凝胶体积的显著变化，近三十年来，在 p e l t o n 2 7 1 、t a n a k a 2 引、l y o n 【2 9 1 、s n o w d e n 3 0 1 、a d l e r 31 1 、w u 3 2 1 、h u t 3 3 】和s a u n d e r s 3 4 】 等人的推动下，微凝胶的研究和应用在国内外得到了快速发展【3 5 。7 】，涉及不同种 类和性能的微凝胶文献呈指数增长。微凝胶的发展历史参见表1 。 表1 1 微凝胶的发展历史 t a b l e1 - 1t h ed e v e l o p m e n to f m i c r o g e l s n a m ee v e n t 1 9 3 4 s t a u d i n g e r 、h u s e m a n n 在甲苯等良溶剂中进行苯乙烯与二乙烯基苯的溶液聚 合，得到了一种分子内交联聚合物微粒。 l9 4 8s c h u l z e 、c r o u c h 1 9 4 9b a k e r 19 4 9 k a t c h a l s k y 1 9 5 6 s c a r p a 1 9 7 8t a n a k a 19 8 4 h i r o k a w a 、t a n a k a 1 9 8 6p e l t o n 1 9 8 8f u n k e 观察到苯乙烯仃。二烯共聚物的可溶产物在凝胶化以后 粘度大幅度降低。 首次将s c h u l z e 和c r o u c h 所得共聚物称为微凝胶，并最先 发表了有关微凝胶的论文。 制得聚甲基丙烯酸( p m a a ) p i - i 敏感水凝胶。 首次观察到线型p n i p a m 水溶液具有低相转变温度。 首次发现陈化用亚甲基双丙烯酰胺交联的聚丙烯酰胺 水凝胶的温度敏感性，提出凝胶相转变的热力学理论。 首次报道非离子型p n i p a m 在二甲基亚砜的水溶液中有 体积相转变发生。 首次报道了温敏性p n i p a m 微凝胶的制备和表征。 正式定义微凝胶为尺寸在l 一1 0 0 n m 的交联聚合物颗粒。 第2 页 东华大掌博士学位论文 目前 粒径在5 0 n m - 5 p m 之间的凝胶粒子均可称为微凝胶；具有 生物相容性、多响应性、烷基取代丙烯酰胺类微凝胶成 为国际上高分子领域的研究热点。 目前，具有良好生物相容性、多重响应性功能的尤其是能够同时对两种或两 种以上外界刺激产生响应的智能微凝胶已成为这一领域的重要发展方向【3 8 郴】。其 中，p h 和温度双重敏感性微凝胶的制备和性能表征是研究热点之一，这是由于 p h 和温度变化在许多实际应用中是最容易得到又便于操作的两种刺激信号，而 且是生理、生物和化学系统中的两个重要因素，特别在人体体液这种复杂的环境 中，微凝胶同时受到p h 和温度等多重刺激作用。该产物通常由具有温度依赖特 性的单体( 以异丙基丙烯酰胺n i p a m 为代表) 和可离子化的酸性( 碱性) 基团单体 ( 以丙烯酸a a c 及其衍生物为代表) 聚合而成，常用的单体参见表2 。 表1 - 2 制备p h 、温度敏感性微凝胶的单体 t a b l e1 - 2t h em o n o m e r sf o rp r e p a r i n gp ha n dt h e r m o s e n s i t i v em i c r o g e l s 丙烯酰胺a a哌啶基丙烯酰胺p r a 甲基丙烯酰胺m m a氧化乙烯醚 e o 温度敏m - 二甲基丙烯酰胺 n d m a乙烯基甲基醚啪 感性微m 二乙基丙烯酰胺n d e a羟丙基纤维素h p c 一 凝胶制- 异丙基丙烯酰胺 n i p a _ 乙烯基吡咯烷酮 v p 备单体- 正丙基丙烯酰胺 n n p a 甲基丙烯酸2 吗啉基乙酯m p e m a _ 叔丁基丙烯酰胺n t b a乙烯醇v a - 环丙基丙烯酰胺 c p a 丙烯腈 a n p h 敏 丙烯酸( a a c ) 、甲基丙烯酸( m a a ) 、苯乙烯磺酸、4 一戊烯酸( p a c ) 、 感性微甲基丙烯酸m 一二甲基胺乙酯( d m a e m a ) 等，其中在结构中一般多含有 凝胶制 一c o o h 、- n h 或一c o n h 2 基团，随介质p h 值、离子强度改变而发生电离，导 备单体致网络内大分子链段间氢键的解离，引起不连续的溶胀体积变化。 1 2 2 1 温度响应性微凝胶 温敏性微凝胶是能响应环境温度变化而发生相转变的聚合物胶体粒子。温敏 性微凝胶分子结构中通常含有一定比例的疏水基团和亲水基团，温度的变化会破 坏大分子链之间或大分子链与水之间的氢键作用，从而引起分子链的亲疏水性 发生改变，微凝胶伴随着体积相转变，相变时的温度即为体积相转变温度( v p t t ) 或低临界溶解温度( l c s t ) 4 1 】。相变温度以下微凝胶体积较大，表面电荷密度 低，水凝胶含水量高，微球与水介质之间的折光指数差别小；相变温度以上，微 凝胶体积收缩，表面电荷密度增加，微凝胶与水介质之间的折光指数差也大大增 第3 页 加，如图1 1 【2 7 1 。 鬻毒 t v p t tt v p w 8 2 3 0 w a t e r 图1 - 1 热响应性微凝胶相变前后示意图 图1 - 1as c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t h e r m o - r e s p o n s i v em i c r o g e l sb e l o wa n da b o v et h ev p t t 目前，受到普遍关注的温敏性微凝胶是p n l p a m 4 2 。4 3 1 ，由于其大分子侧链上 同时具有亲水性的酰胺基一c o n h 一和疏水性的异丙基- - c h ( c h 3 ) 2 ，使线型 p n i p a m 的水溶液及交联后的p n i p a m 微凝胶在3 2 附近发生相转变而产生体 积收缩，由亲水性转变为疏水性，分子链由扩展构象变为收缩。一般而言，在外 界温度低于3 2 时，亲水基团与水分子之间存在较强的氢键作用，使高分子链 具有良好的亲水性，体积膨胀；温度上升时，这种氢键作用逐渐减弱，而高分子 链中疏水基团间的相互作用得以加强，如图1 2 所示。当温度高于3 2 c 时，高分 子链通过疏水作用互相聚集，体积收缩，发生相转变，同时伴有吸热现象。 图1 - 2 温度诱导的p n i p a m 相转变 图1 - 2i l l u s t r a t i o no ft e m p e r a t u r ei n d u c e dp n i p a mp h a s et r a n s i t i o n 1 2 2 2p h 响应性微凝胶 p h 响应性微凝胶是能随环境p h 值变化而发生相转变的聚合物胶体粒子。 这类凝胶大分子网络中具有可解离成离子的基团( 羧基、磺酸基或氨基等) ，能 根据环境p h 值变化夺取或释放质子，由于网络中增加了离子，离子强度的变化 引起体积的变化5 1 。利用p h 值响应性的这种性质可以方便地调节和控制凝胶 内药物的扩散和释放速率。p 从和p m a a 是公认的对p h 敏感的聚合物。n a g a o k a 第4 页 东华大学博士学位论文 掣蛔通过辐射引发合成了p a a 微凝胶；朱雪燕等【4 刀以分散共聚方式制备了甲基 丙烯酸单封端聚乙二醇接枝聚丙烯酸微凝胶。 1 2 3 高分子凝胶的溶胀和体积相变 在凝胶中同时存在两种相反的趋势，即渗透压的存在使溶剂分子渗入到高分 子网络中，从而使网络节点间的链段伸展；高分子链的粘弹性使网络节点间的链 段收缩。当两种相反作用对消时，溶胀达到平衡。即，其溶胀性质与构成它的网 络结构及其所包含溶剂的性质密切相关，溶剂对高分子网络结构亲和力越好，越 易于溶胀。此外，交联度也决定着其溶胀度，交联度越高，平衡溶胀度越小。当 然，温度和压力等环境因素也对其平衡溶胀度有一定影响【4 引。 1 9 7 8 年t a n a k a 4 9 。5 0 1 在研究聚丙烯酰胺水凝胶时发现具有温度敏感性及溶剂 浓度敏感性，随后提出了关于凝胶相转变的热力学理论，并认为，憎水作用、范 德华力、氢键和静电作用力的合力决定着凝胶是吸收水还是排斥水。由于这四种 力的大小随温度发生变化，因此在一定温度下凝胶中溶胀的水会排出，体积收缩 发生相转变，这一温度即为温度刺激响应性水凝胶的v p t t 。 就通过热力学理论对水凝胶的敏感性的解释而言，与实验现象符合较好的是 h a v s k y 等【5 i 】修改的由f l o r y 提出的平均场理论，他提出了可半定量预测敏感性相 转变前后凝胶中聚合物体积分数矽：变化方程：j 一t ) 3 唬= o 。石与办之间存在 范德华环状曲线关系是水凝胶产生敏感性相转变的必要条件。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【5 2 - 5 3 1 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，提出了将半经验参数s 作为有无敏 感性的判定依据：s = ( b a ) 4 ( 2 f + 1 ) ，( f 代表单位有效链上可离子化基团的 数目) 。s 2 9 0 时聚合物及水凝胶会发生敏感性相转变，而s 5 时可以观测到微凝胶的动力学半径发生较大的变化。 h a t t o 等1 0 6 】首先按s t o b e r 方法制备t - 氧化硅( s i 0 2 ) 模板粒子，并以s i 0 2 为 种子，以n i p a m 为单体、m b a 为交联剂、k p s 为引发剂合成了s i 0 2 ( c o r e ) p n i p a m ( s h e l l ) 核壳型微凝胶，并由光子相关光谱( p c s