（生物医学工程专业论文）丙烯酸系敏感水凝胶的合成及性能研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c o n s i d e r a b l er e s e a r c ha t t e n t i o nh a sb e e nf o c u s e do nt h e e n v i r o n m e n t - s e n s i t i v eh y d r o g e l s ( i n t e l l i g e n th y d r o g e l s ) b e c a u s et h e yp o s s e s sg r e a t p o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nm a n ya s p e c t s ，i n c l u d i n gd r u gd e l i v e r ys y s t e m ，e n z y m e i m m o b i l i z a t i o na n db i o m a t e r i a l ss e p a r a t i o na n dp u d f i c a t i o n ，a t e a m o n gt h e m ，t h e p h s e n s i t i v e ，t h e r m o s e n s i t i v e a n dp h t e m p e r a t u r e r e s p o n s i v eh y d r o g e l s h a v e a t t r a c t e dg r e a ti n t e r e s tf r o mb o t hf u n d a m e n t a la n da p p l i c a t i o nf i e l d sa t p r e s e n t ， t h e r e f o r e ，f r o mt h ep o i n to fv i e wo fm o l e c u l ed e s i g n ，as e r i e so fp h s e n s i t i v e ， t h e r m o s e n s i t i v ea n d p h t e m p e r a t u r er e s p o n s i v eh y d r o g e l sw e r ep r e p a r e db a s e do nt h e a c r y l i ca c i dw i t ht h ee x c e l l e n tp hs e n s i t i v i t ya n dn i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ( n i p a ) w i t h t h ee x c e l l e n tt e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y s t u d yo nt h eb a s i cp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，l i k e d e n s i t y , m o l e c u l a rw e i g h t ，e q u i l i b r i u mw a t e rc o n t e n t ，c r o s s l i n kd e n s i t ya n df i x e d c h a r g ed e n s i t ye t c m e a s u r e m e n to ft h es w e l l i n ga n dd e s w e l l i n gu n d e rd i f f e r e n ti o n i c s 仃e n g t ho ft h eh y d r o g e l sw e r ep e r f o r m e d ，a n dt h em e c h a n i s mo ft h er e s p o n s eh a d a l s ob e e nd i s c u s s e d a tl a s t ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h et h r e ek i n d so f h y d r o g e l w e r em e a s u r e d t h em a i nr e s u l t so b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： 1 a st ot h ep hs e n s i t i v eh y d r o g e l ，t h ei o n i cs t r e n g t ha f f e c t si t ss w e l l i n gr a t i o g r e a t l y ，t h es w e l l i n gr a t i od e c r e a s e sw i t ht h es a l i n i t yr i s e s ；t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o ft h ep hs e n s i t i v eh y d r o g e lv a r i e sw i t hp hv a l u e ，w h e nt h ep hi sl e s st h a ns i x ，t h e h y d r o g e ls h r i n k s ，a n di t sm e c h a n i c a lf e a t u r ei sb e t t e rt h a nt h es w o l l e ns t a t ew h i c h i n d u c e db yt h eh i g hp hv a l u e ( w h e np hv a l u ei so v e rs i x ) 2 a st ot h eh y d r o g e lr e s p o n s i b l et ot e m p e r a t u r e ，t h ei o n i cs t r e n g t hi st h ek e y f a c t o rw h i c hh a sm u c hi n f l u e n c eo nt h es w e l l i n gr a t i o ，t h ei n f l u e n c ew a yi st h es a m e w i t ht h ep hs e n s i t i v eh y d r o g e l ，t h es w e l l i n gr a t i od e c r e a s e sw i t ht h ei o n i cs t r e n g t h r i s e s ；u s e da c r y l a r n i d ec o p o l y m e r i z e dw i t hn - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ，w h i c hi n c r e a s e s t h el 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 t ) t o4 5 * ( 2 ，a sp u b l i s h e dt h el c s ti s a b o u t3 2 。c ；t e m p e r a t u r ea l s oh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h e r m os e n s i t i v eh y d r o g e l ，w h e nt h et e m p e r a t u r er e a e h e si t sl c s t ，y o u n g sm o d u l u s o f h y d r o g e li m p r o v em u c h ，f o re x a m p l e ，t h es a m p l ei n0 2ma q u e o u ss o l u t i o n ，i t s y o u n g sm o d u l u sc o u l di m p r o v e4 4p e r c e n t i i 墨堡里三查堂堡主堂垡笙塞 3 a st ot h ep h t e m p e r a t u r er e s p o n s i v eh y d r o g e l ，t h ep ha n d t e m p e r a t u r ea r et h e b a s i cp a r a m e t e r st h a ta f f e c tt h ee q u i l i b r i u ms w e l l i n gr a t i o u n d e rt h es a m el o w e rp h v a l u e ，t h es w e l l i n gr a t i od e c r e a s e sw i t ht e m p e r a t u r er i s e s ；a n dt h ei o n i cs t r e n g t h g r e a t l ya f f e c t st h es w e l l i n go ft h ep ht e m p e r a t u r er e s p o n s i v eh y d r o g e l ，b e c a u s et l l e i o ns h i e l d i n ge f f e c te x i s t s ，t h eh i g h e rt h ei o nc o n c e n t r a t i o ni s ，t h el o w e rt h eg w e l l i t l g r a t i oi s k e yw o r d s ：p hs e n s i t i v e ，t h e r m os e n s i t i v e ，p nt h e r m os e n s i t i v e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪言 智能材料是一种新型的高技术尖端材料，是指对环境具有可感知、可响应， 并具有功能执行能力的新材料。智能材料是近年来发展最快的领域之一。自从 1 9 8 8 年9 月在美国弗吉尼亚大学召开了关于“智能材料结构和数学问题”专题 学术讨论会后，智能材料受到了人们极大的关注。美国、日本、英国、意大利等 国都已成立了智能材料研究机构。我国对智能材料的研究也十分重视，智t i 灵 巧材料及其应用列入了国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 。随着智能材料的不 断发展，己开始应用于医疗、建筑、交通乃至航天航空工业等领域m 。1 。 生物体为高度自组装的智能材料系统，它能响应温度、化学物质等环境条件 变化而发生形态变化，以采取最适当行动维持生命活动，而且生物体此类功能的 实施通常还是在温和条件下进行的。从仿生角度出发的智能材料一刺激响应功能 材料正在由科学发展为技术并孕育新的产业，它涵盖了智能药物释放体系、高效 率的物质分离材料和生物相容性良好的柔性执行元件等方面p j 。 智能材料是具有传感、处理和执行功能的新材料，其中的环境敏感高分子即 智能高分子材料能响应外部刺激，如剥9 1 1 1 、电【1 2 13 1 、磁、力学【1 4 15 1 、能量等 物理刺激和p h 值u 、盐浓度、化学物质u 等化学刺激，使其分子结构和物理 性能发生变化，并涉及其与环境间物质、能量、信息的交换或变换。 1 1 高分子水凝胶的分类 高分子凝胶由含溶剂的三维大分子网络组成，刺激响应性高分子凝胶则能响 应外界刺激，如温度、溶剂组成、p h 值、离子浓度、紫外光、应力、电场和特 异分子或离子的微小变化，其体积产生不连续的变化，即体积相转变。按照其所 受的刺激信号的不同，水凝胶可以分为以下几类： 1 1 1 温度敏感型 温度敏感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 武汉理工大学硕士学位论文 热胀温度敏感性。h i r o k i 等叫合成了聚( n ，n 一二甲基丙烯酰胺一c o 一丙烯酰胺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，高温 时氢键解离，凝胶发生溶胀。聚n 异丙基丙烯酰胺( p n i p a ) 为研究的最详细的敏 感高分子凝胶。低温下它在水中溶解，3 2 c 附近急剧凝聚而析出“1 。转变前 后高分子的亲水性疏水性变化很大，利用分子间相互作用可以对其进行控制。 p n i p a 水溶液在低临界溶解温度( l c s t3 2 c ) 附近，可响应很小的温度变化 而迅速产生可逆的水合一脱水合变化，聚合物侧链上的异丙基对其在水中的温度 敏感及水聚集起着主要作用。当浸渍在水中的交联p n i p a 的凝胶温度高于l c s t 时，其表面立刻退溶胀，形成致密聚合物皮层。 许多研究表明，聚合物凝胶对刺激响应的速率可由凝胶设计而调整。如： 采用含有悬垂链敏感凝胶，其一端自由，易于收缩；以微水凝胶来减小其尺 度使它快速响应；提供水分子通透凝胶的途径。 亲水性单体如丙烯酸( a a c ) 引入p n i p a 网络能抑制疏水聚集使退溶胀加速， 防止皮层形成。 1 i 2p h 值响应性凝胶 p h 响应性水凝胶是其体积随环境p h 值变化的高分子水凝胶。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) ，它们根据环境p h 值变化夺取或释放质子。聚电解质响应性凝胶在受外界p h 值刺激时，其体积产 生很大变化。f i g u r e l 1 为有代表性的p n 敏感的聚丙烯酸( p a a ) 在p h 值高的条 件下电离的示意图，而聚丙烯酸n ，n 一二乙氨基乙酯( p d e a e m ) 在低p h 值时离 子化。利用p h 值敏感性水凝胶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。有文献u 报道了利用这类凝胶作为载体，保护蛋白和多肽类 药物，并且使药物在温和的位置( 如结肠内) 释放，从而实现这类药物经胃肠道给 药的有效性。p n 值敏感凝胶的响应特性，如溶胀转变，可通过在弱聚电解质凝 胶中引入少量疏水性重复单元而实施。它们形成的疏水微区相当于物理交联，能 干扰聚电解质解离所引起的溶胀。疏水基团会使溶胀转变发生位移。丙烯酸r l 烷 基f l 目( n = 8 ，1 2 ，1 8 ) 修饰聚丙烯酸凝胶溶胀的p h 值敏感性研究结果表明，疏水 聚集对凝胶溶胀行为影响显著，增大n 值和酯含量使溶胀转变向碱性介质位移， 因为疏水相互作用使凝胶的收缩态稳定。对甲基丙烯酸酯修饰的甲基丙烯酸 n ，n - 二甲氨乙酯与二乙烯基苯交联的弱碱性聚电解质凝胶的研究也表明，凝胶疏 水性增强则其溶胀转变向低p h 值移动。 武汉理上大学硕士学位论文 l o wp h h i g hp h 千c h 2 - - c n + 睾c h z c h 手千l “+ 茅七叫z c h 十 c o o h e 0 0 一 f i g u r e l 一1 p h - d e p e n d e n ti o n i z a t i o no fp o l y ( a e r y l i ca c i d ) 图1 - 1 聚丙烯酸的电离 1 1 3 化学物质响应性凝胶 有些凝胶的溶胀行为，会因特定物质的刺激( 如糖类) 而发生突变。例如药物 释放凝胶体系可依据病灶引起的化学物质( 或物理信号) 的变化进行自反馈，通过 凝胶的溶胀与收缩控制药物释放的通、断。最具有代表性的葡萄糖敏感型智能系 统是利用了p h 值敏感型高分子和葡萄糖氧化酶( g l u c o s eo x i d a s e ) 的系统。在p h 值敏感型高分子组成的水凝胶内包埋葡萄糖氧化酶后，葡萄糖浓度升高时，葡萄 糖受葡萄糖氧化酶作用而变为葡萄糖酸( g l u c o n i ea e i d ) ，凝胶内的p h 降低，凝胶 溶胀，释放出内部所贮存的胰岛素( i n s u l i n ) 。i s h i h a r a 等h 纠用甲基丙烯酸- n ，n 二 乙氨基乙酯( d m a e m ) 、甲基丙烯酸一2 - 羟基丙酯( h p m a ) 、a a m 组成共聚 物制备成葡萄糖氧化酶载体膜，发现葡萄糖存在时膜的透过性增高，能释放出胰 岛素。 1 1 4 电敏感性水凝胶 电敏感性水凝胶一般由交联聚电解质( 分子链上带有可离子化的基团) 高分 子网络构成。只要网络上带有电荷，无论是合成高分子还是天然高分子，所有的 电解质凝胶对电场作用都有反应。比如在接触电场作用下会产生电收缩，网络上 带正电的凝胶，在电场作用下，水从阳极放出：带负电时凝胶中的水从阴极释放。 电解质凝胶在电场作用下的这种收缩现象，是由于水分子的电渗透效果而引起 的。在非接触电场下电解质凝胶则发生弯曲，其行为依赖于胶体中的聚离子浓度。 它们变形是由两个原因引起的：一是凝胶内外离子浓度差引起的渗透压变化；二 是聚合物网络内聚离子浓度减少引起的组分变化。o s a d a 等u 州利用电解质凝胶在 电场中的运动行为成功地研制出了人工爬虫( g e ll o o p e r ) ，在世界上首次使用凝 胶材料人工实现了动物一样的柔软动作。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 5 光敏感性水凝胶 光敏感性水凝胶是由于光辐照而发生体积变化的凝胶。这种凝胶网络中一般 都具有光敏感基团，紫外光照射时，光敏基团发生光异构化或光解离因基团构 象和偶极距变化而使凝胶溶胀。具有光异构化性能的典型化合物是偶氮苯( a z ) 、 三苯甲烷无色染料衍生物，a z 有反式( t r a n s ) 体和顺式( e i s ) 异构体，通过光照射可 以使反式顺式平衡向某一方向移动。其主要特征是分子本身的立体形状发生变 化，而引起长轴方向的长度发生变化。三苯甲烷无色染料衍生物一般呈中性，经 紫外光照射后发生离解而形成抗衡离子。利用这种特性，m a m a d a 等卜叫将三苯甲 烷无色染料衍生物和n 异丙基丙烯酰胺( n i p a ) 共聚制备出光敏感的水凝胶。 在某一温度下，水凝胶在紫外光的照射下发生不连续溶胀，停止照射后发生收缩。 另外，在紫外照射状态下，凝胶随着温度变化显示不连续的体积变化，而紫外光 照射停止时，凝胶的体积变化是连续的。利用这种性质可以将凝胶应用于光能转 化为机械能的执行元件等方面。 1 1 6 磁敏感性水凝胶 磁敏感性水凝胶，顾名思义，就是对磁场敏感的水凝胶。它可借助超声波使 磁性离子在水溶液中分散，制各包埋磁性粒子的高吸水性磁场敏感水凝胶。 k a t o “叫通过在聚n 一异丙基丙烯酰胺中引入7 - f e 2 0 3 ，制备出一种磁响应水凝胶。 该凝胶在磁场改变的条件下，因磁滞损耗而产生热量，从而可将该凝胶应用于化 学机械系统的能量转换器。 以上介绍的都是单一信号响应的水凝胶，根据需要研究者又开发了多重信 号响应水凝胶，研究最多的是双重敏感水凝胶，如倒温度双重敏感水凝胶、光 热敏感水凝胶、电热敏感水凝胶等。其中以p i j 温度敏感水凝胶的研究尤为活跃， 如p a r k 等忡1 用温度敏感的n i p a 与p h 敏感的阳离子单体d m a p a a m 以9 7 3 的摩尔比共聚，制备了p h 和温度敏感水凝胶。结果p h 敏感区在7 4 ，温度敏感 区为3 7 c 凝胶的溶胀度变化最大。卓仁禧等m q 合成了具有温度及p h 双重敏感 的p a a c p n i p ai p n 水凝胶，在酸性条件下，凝胶溶胀度随着温度的升高而增大； 在弱碱条件下，温度低于p n i p a 的临界溶解温度( l c s t ) 时，凝胶的溶胀度随着 温度的上升而增加，当温度达到l c s t 时，凝胶溶胀度急剧下降，并随着温度上 升而下降。h o f f m a n 弘叫等通过接枝共聚也制备了具有温度及p h 双重敏感水凝胶。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 高分子凝胶的溶胀及体积相转变机理 1 2 。1 溶胀理论 高分子凝胶是由具有网状结构( 交联结构) 的高聚物和溶剂组成的。具有网状 结构的高聚物不能为溶剂所溶解，但能吸收大量溶剂而溶胀。交联高聚物的溶胀 过程，实际上是两种相反趋势的平衡过程：溶剂力图渗入到网络内使体积膨胀， 导致三维分子网络的伸展；同时，交联点之间分子链的伸展降低了它的构象熵值， 分子网络的弹性收缩力，力图使分子网络收缩。当这两种相反的倾向相互抵消时， 就达到溶胀平衡。高分子凝胶的溶胀特性与溶质和溶剂的性质、温度、压力以及 网络的交联度有关。它们的定量关系可用f l o d h u g g i n s 渗透压( 7 【) 公式表示： 死= - r t v 。e ￥+ l n ( j + ) 七x 矿 七v r tf o 5 ( g o ) ：+ r t n 驿r n s ，矗j 、一、 或 兀。讯l 竹珏+ 7 b 式中尺为气体常数，r 是绝对温度，v 。为溶剂的摩尔体积，z 为高聚物和水( 溶剂) 的相互作用参数，帅为网络的体积分数，l f ，表示无规线团聚合物链的体积分数， 和虬引分别为凝胶和溶液中离子的总浓度，v 是v = 咿。时单位体积组成链的 数目。 式l 一1 表明，凝胶的渗透压兀是由大分子链一水( 溶剂) 相互作用兀l ( 第项) 、 大分子网络的橡胶弹性兀2 ( 第二项) 及聚合物水凝胶网络内外离子浓度差 兀3 ( 第三项) 构成。因此，可借助高分子凝胶网络结构、形态的微观控制，来影 响其宏观的溶胀或收缩，以及能量转化的形式。研究表明，渗透压是凝胶溶胀的 推动力。 1 2 2 体积相转变机理 凝胶的体积相转变是指溶液中凝胶的体积随外界环境因子( 溶剂组成、离子 强度、p h 值、温度、光和电场等) 变化产生不连续变化的现象。凝胶相转变可以 是由溶胀相转为收缩相，或由收缩相转为溶胀相。转变开始是连续的，但在一定 条件下能产生体积变化达数十倍到数千倍的不连续转变( 即突变) 。这种相转变类 似于物质的液气相变。某些高分子凝胶正是因为可以发生体积相转变，才具有某 种智能行为，因此体积相转交是我们讨论各种响应性凝胶的基础。 武汉理工大学硕士学位论文 水凝胶的体积相转变类似于气体一液体间的相转变，天然和合成凝胶大都存 在相转变，凝胶网络可由物理或化学交联形成。其体积相转变取决于范德华力、 疏水相互作用、氢键和静电相互作用等分子相互作用的微不平衡。 科研人员用光散射技术考察了平均直径o 1 o 2 u m 球型微凝胶在不同温度 下的溶胀行为。实验中没有观察到微凝胶像组成相同的大尺寸凝胶那样发生非连 续体积变化。他们认为高分子凝胶实际上发生的是连续的体积相转变。在高分子 凝胶中，存在分子量分布很宽的亚链，凝胶可看作是由不同亚网络组成，每一亚 网络具有不同的交联点间分子量。当温度变化时，由长亚链组成的亚网络将首先 经历相转变。不同亚链长的亚网络将在不同的温度下发生相转变。相转变温度的 宽分布将使实际的凝胶发生连续性相转变。但实际上，科研人员确实观察到大尺 寸凝胶的非连续体积变化。他们认为，由于大尺寸凝胶具有较高的剪切模量，少 量的长亚链的收缩并不能立即造成凝胶尺寸的变化。随着温度的升高，不同的亚 链收缩产生的应力累积到一定程度使剪切模量不能维持宏观尺寸时，凝胶体积突 然坍塌。但对于微凝胶，由于其较小的剪切模量无法抵抗初始亚链收缩产生的应 力，因而随温度上升体积呈现连续性变化。 1 3 与体积相转变相关的几种作用力 高分子凝胶之所以能随环境刺激因子变化而发生相转变，是因为体系内存在 几种相互作用力：范德华力、氢键、疏水相互作用力及静电作用力。正是由于这 些力相互组合和竞争使凝胶溶胀或收缩，因而产生体积相转变。 ( 1 ) 范德华力 范德华力一般包括三部分：取向力、诱导力、色散力。在大的溶质分子间近 距离的相互作用为色散力。它在非极性有机溶剂体系的凝胶中起重要作用。 ( 2 ) 氢键 含氧、氮等负电性大的原子的凝胶大分子，容易形成氢键，它在凝胶相转变 中作用很大。当形成氢键对，大分子将以特定方式排列而收缩，温度升高时氢键 容易破坏，因此凝胶往往在较高温度下溶胀。 ( 3 ) 静电相互作用力 静电相互作用力源于大分子链上电荷基团的正、负离子相互吸引。例如弱酸 性的丙烯酸和强碱性的季铵盐合成两性凝胶时，当介质接近中性时凝胶收缩，在 p h 高的碱性和p h 低的酸性条件下溶胀。原因是凝胶处于中性时，其弱酸性和 强碱性离子基团解离，正、负离子间产生静电引力作用，凝胶收缩。而在碱性或 酸性介质中，电离基团只能单方解离，凝胶网络上的正一正、负一负电荷相斥， 凝胶溶胀。 6 茎堡里三奎堂堡主堂焦堡苎 一 ( 4 ) 疏水相互作用力 以上所述的三种相互作用力是我们熟悉的基本作用力，但是随着生命科学的 发展，生物大分子间相互作用的研究有了很大进展。如美国麻省理工学院的田中 丰一教授提出了一种新的观点：他认为凝胶的不连续体积相转变是溶胀力和收缩 力相互竞争的结果。由于分子间相互作用力的微妙平衡，使凝胶网络构象发生变 化。斥力为主时凝胶溶胀，引力占主导地位则凝胶收缩。他还指出，生物大分子 间存在四种基本相互作用，除了范德华力、氢键和静电( + 一) 相互作用外，还存 在疏水相互作用力。 1 4 水凝胶的发展现状 近年来高分子凝胶作为软和湿件( s o f ta n dw e tw a l c s ) 材料成为智能高分子材 料的重要研究领域。如美国麻省理工学院从凝胶的体积相转变的研究，来阐明大 分子间相互作用的协同与凝胶刺激响应性的关系，且在此基础上设计并制备了温 敏凝胶、超吸水凝胶和分子识别凝胶等敏感凝胶；日本北海道大学对合成高分子 凝胶的结构进行研究，试图优化其性能，并着重于化学机械系统的研究。 现在能响应刺激溶胀的凝胶聚合物网络已开发成软、湿有机技术。各先进国 家的政府、企业、学者对此刺激响应材料的研究与开发甚为关注。他们试图将生 物体组织所具有的智能型刺激响应功能引入工业材料，利用智能材料来节省能源 并与环境协调。目前，有些开发中的智能高分子材料的应用有待理论研究的深入 和拓宽，并进一步改善智能高分子材料对刺激的响应特性，如响应速率、力度及 可靠性等。 1 5 敏感水凝胶的应用 因为智能水凝胶能够感应环境的变化，同时本身会从收缩状态变为溶胀状 态，发生体积的显著变化，而且也具备溶胀感应功能和受动功能。兼有液体形态 和固体形态的水凝胶还有许多功能特性，如机械性、渗透性、表面性等，这些性 质为水凝胶在医学、农学、生物学等方面的应用提供了可能。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柔性执行元件、人造肌肉、微机械、 分离膜、生物材料、药物控释体系等领域中。在此，将简要介绍智能水凝胶在以 下几个方面的应用。 武汉理丁大学硕士学位论文 1 5 1 物质分离 利用p n i p a 水凝胶的可逆相变特性可用于溶液中物质的分离。c u s s l e r 等” 将收缩的p n i p a 水凝胶放入稀溶液中，先在低温下吸水、过滤，然后于高温下 收缩失水、再放入溶液中低温吸水，如此循环反复，即可在温和的条件下进行物 料分离，避免直接加热溶液而导致活性物质失活。结果表明，溶质的分子量越高 则浓缩的效果越好。金曼蓉等p 利用p n i p a 水凝胶对牛血清蛋白b s a ( m w ，5 9 万) 和兰葡聚糖b d ( m w ，2 0 0 万) 溶液进行浓缩，得出与上述一致的结论，对b d 的分离效率可达9 8 以上，对b s a 因表面吸附效率相对较低。f e i l 等”将n i p a 与5 的甲基丙烯酸丁酯( b m a ) 共聚制成水凝胶膜，由于b m a 的疏水性强于 n i p a ，所以水凝胶的相转变温度低于3 2 ，而在1 6 至2 5 间的温度变化可以 引起水凝胶1 0 倍以上的体积变化。计算表明温度升高会减小凝胶网眼尺寸，利 用不同温度下不同溶质扩散速率的差异，成功地将溶质分子量分别为3 7 6 ，4 4 0 0 和1 5 0 ，0 0 0 的混合物分离并得出了水凝胶溶胀度与扩散速率的线性关系，认为分 离过程符合凝胶的自由体积理论。 1 5 2 催化剂与载体的灵巧化 一般均相催化剂在反应系统温度升高时活性增高，放热反应可能失控。若将 催化剂键合在温敏聚合物链上，温度超过l c s t 时，聚合物不溶，催化剂与反应 物分离，反应停止或减慢，反应放热减少，等温度下降到l c s t 以下时，聚合物 再溶解，催化剂又与反应物接触，反应继续。同时，催化剂的回收再利用也容易 了许多，并且保持了催化剂的催化效率。b e r g b r e i t e r t j z l 开发了2 7 3 启动2 9 8 失活的铑系加氢催化剂，将铑键合在聚乙二醇这种温敏聚合物上，对放热反应实 施精密控制。 1 5 3 药物缓释 长期以来，医学界一直希望能找到一种方法，可以在需要的时候将所需的药 物量注入到人体器官适当的部位。利用智能水凝胶可以实现对病灶周围的温度、 化学环境等异常变化自动感知并自动释放所需量的药物。当身体正常时，药物控 释系统恢复原来的状态，抑制药物释放。这种方式不但提高了药物的药效，降低 了药物的毒副作用，同时还可有效解决治疗方面的一些问题，如不必每天准时定 量服药，避免外科手术等。b a e 等【”1 合成了具有温敏性的聚n i p a c o 甲基丙烯 酸丁酯( b m a ) 水凝胶，以吲哚美辛为模型药物进行了药物的控制释放研究，发现 在2 0 。c 时，药物以零级或一级动力学释放；当温度升高到3 0 。c 时，药物停止释 武汉理工大学硕士学位论文 放。同时发现引入疏水性单体b m a 会增加凝胶收缩时所产生致密层的致密性， 使凝胶作为控制释放开关阀作用更加灵敏。具有p h 敏感的凝胶可以在肠道内较 高的p h 环境中释放药物，以防止对酸敏感的药物经胃时被强酸性胃液所分解或 者药物对胃造成刺激。h o f f m a n 等p 叫将对胃有刺激作用的吲哚美辛包埋在 p ( n i p a c o a a c ) 共聚物水凝胶中，使其在胃中不释放、于肠中释放，这对某些口 服药物有较大的应用前景。同样，癌症病灶呈酸性，p h 敏感的凝胶附载药物可 以进行定点释放达到更佳的治疗效果。电敏感的凝胶具有开一关特性，l e e 等”“ 用p a a p v ai p n 水凝胶在电场下对茶碱进行了释放，通过调节电场强度、药物 的离子性、离子基团含量以及释放介质的离子强度来控制药物的释放量和释放速 率。有关凝胶对药物的释放研究，迄今己有大量文献报道p ”1 ，在此不再赘述。 1 5 4 组织培养 如前所述，p n i p a 的分子构象取决于温度，温度低于3 2 时，p n i p a 分子 呈伸展状，反之当温度高于3 2 时，分子构象为塌缩型。实验证明，构象塌缩 时，分子表面呈疏水性；而构象伸展时，分子表面里亲水性。据此，可将p n i p a 接枝于有关固体表面，通过调节温度可以改变固体表面的亲水性。基于这一原理， y a m a d a 等t 4 u l 在普通培养皿内壁接枝p n i p a ，用此培养皿在较高的温度下培养细 胞，由于细胞表面的亲酯性，培养细胞一直黏附在培养皿。当细胞成熟后，冷却 培养皿到约3 0 ，培养皿表面性质改变，细胞自动脱落，将脱落的细胞在新的 培养皿上扩大培养，成活率约达7 3 ，较之传统的酶洗脱法成活率( 1 4 n o ) 要高得 多。y a m a d a 认为，这种新方法经济、方便，很有实用价值。基于同一原理， y a m a z a k i 一叫将p n i p a 育胶原蛋白偶联得到新型细胞培养基。由于p n i p a 构象 的温敏性，此培养基在3 2 以下时表面呈亲水性，这样在细胞成熟后，可通过 改变温度收集细胞。不过这时，细胞层卷曲成微球状，形成多细胞球。为了得到 可控大小的细胞球，y a m a z a k i 等利用预先设计好的光罩，用紫外光辐照培养基 使蛋白部分交联，利用细胞只在未交联区域生长这一性质控制细胞生长区域，这 样细胞长成后，改变培养基温度就可以得到具有理想体积的多细胞球。y a m a z a k i 利用这种技术成功地培养了成人纤维细胞球。 1 5 5 酶的固定 6 0 年代后酶的固定化技术得到了较大发展，为酶制剂的应用创造了有利条 件。固定化酶最显著的优点是在保证酶的一定活力的前提下，反应产物易于分离， 酶的稳定性增加且又能重复使用。 h o s h i n o 等【4 2 】在碱性条件下将淀粉酶固定在n i p a 和甲基丙烯酸缩水甘油酯 9 武汉理工大学硕士学位论文 的共聚物上，分别测量了固定化酶和自由酶对淀粉溶液的糖化作用，发现固定化 酶的活力是自由酶的9 0 ，比传统的固定化方法所得固定化酶保留活力高，并且 使用后可以通过离心的方法从产物中分离复原，可重复使用。 r o u x 掣”1 研究了接枝在末端烷基化的n i p a 上p h 敏感的脂质体的表面性 质及对钙的药释放动力学，p h 敏感的脂质体在血清中保持了敏感特性，在中性 环境中，聚合物的阻碍作用使得脂质体能在体外循环保持的时间更长久。在老鼠 的体外实验中，血浆一时间曲线上展示的循环时间是理论计算时问的1 6 倍。 1 5 6 其它 凝胶体系的应用是非常广泛的，当然应用不会局限于体积相变这一单独的现 象，而是追求凝胶微观结构与其物理、化学、生化、力学等特性的最佳耦合。利 用凝胶在外部环境下的变形，人们已设计出各种各样的化学机械能量转换系统 ( c h e m o m e c h a n i c a ls y s t e m ) ，如人造肌肉、化学阀、人工触角系统等。 纵观高分子凝胶的发展趋势，人们在理论方面的研究较少，对其应用前景尤 其在生物医学领域的应用则倍受关注，可以预测随着智能凝胶研究的进一步深 入，不久将会有更多的新技术获得应用。 1 6 本课题的研究背景和内容 水凝胶有许多实用的化学和物理性能，因此，它作为一种智能聚合物已经在 应用方面进行了很多研究。例如，生物材料，生物酶和细胞的固定，药物释放系 统，生物分离器，重金属和染料的吸收剂。本研究的目的是对比在不同离子强度 溶液中水凝胶的溶胀行为及在不同离子强度溶液中的机械性能，因为溶胀特性对 于水凝胶来说是非常重要的一项性能。本人用传统自由基聚合的方法合成p h 敏 感、温度敏感及p h 温度双重敏感水凝胶。测试了水凝胶的各种基本物理化学参 数，机械性能及计算其弥散系数，并探讨其响应机理。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章p h 敏感水凝胶的合成及性能测定 2 1 实验材料 丙烯酸 分析纯 丙烯酰胺分析纯 亚硫酸氢钠分析纯 过硫酸铵分析纯 异丙基丙烯酸乙烯醇酯分析纯 以上药品未经纯化，直接使用。 2 2 合成方法 北京新光化学试剂厂 天津市化学试剂一厂 上海化学试剂公司 上海化学试剂公司 进口分装 将丙烯酰胺( a a m ) 4 5 9 ，丙烯酸( a a c ) 0 5 9 和异丙基丙烯酸乙烯醇酯 ( e g d m a ) 0 2 5 9 溶解在1 0 m l 去离子水中，在其中加入引发剂( 0 2 a p s 溶 液和0 2 s b s 溶液) ，将充分混合好的溶液用注射器注入特制的玻璃模具中， 在5 0 。c 的条件下保存约3 小时，待其完全固化后从模具中取出聚合物，将其浸 泡在去离子水中，以除去未反应的单体。每隔几个小时换水一次。约一个星期左 右，待水凝胶完全溶胀后，用打孔器打成直径为8 m m ，厚度为2 m m 左右的圆片。 放入烘箱( 8 0 ) 干燥备用。 2 3 性能测试 2 3 1 平衡态密度的测量 平衡态密度( e q u i l i b r i u md e n s i t y ) 可使用配有测密度元件的电子天平进行测 量，通过分别称量已经达到饱和状态的水凝胶片在空气中质量( ) 和在水中的质 量( ) ，计算出水凝胶的密度，公式如下： d e n s i t y = w l p w ( w i - w 2 ) p 。为水的密度 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 平均分子量的测量 平均分子量( a v e r a g em o l e c u l a rw e i g h t ) 可以通过测量达到溶胀平衡态的水 凝胶的弹性模量助，从下面公式计算出网状水凝胶的平均分子量m c m c = 3 p r t e i ， p 为平衡态水凝胶的密度 2 3 3 交联密度的测量 交联密度【“】( c r o s s l i n kd e n s i t y ) p ) 【 p 。= m o i v l c m o 为重复单元的摩尔分子量 2 3 4 平衡态水含量的测量 平衡态水含量( e q u i l i b r i u mw a t e rc o n t e n t ) 如下定义： e w c 鼍阡t w d ) 砜x 1 0 0 阢为水凝胶平衡态溶胀后的质量，而矾是干胶的质量。 2 3 ，5 固定电荷密度的测量 本实验采用酸碱滴定法【4 5 】测量电荷密度( f i x e dc h a r g ed e n s i t y ) 。将干燥的 水凝胶在研钵中磨成微细粉末，放入锥形瓶中，用一定体积的去离子水浸泡3 天， 在凝胶颗粒都达到溶胀平衡后。取上层澄清液，用o o lm o l i n a o h 的标准溶液 进行滴定。酚酞作为指示剂。 2 3 6 离解p h 值测量 将干燥的凝胶磨成微细粉末后，置入锥形瓶中，然后在每份装有粉末的锥形 瓶中分别加入5 0 m l 不同离子强度的n a c i 溶液。浸泡3 天以达到平衡。用0 o l m o l 1n a o h 的标准溶液进行滴定，同时使用酸度计测定该溶液的动态的p h 值。 2 3 7p h 值与凝胶溶胀的关系 水凝胶首先在去离子水中达到平衡态，称量质量并记录。再将水凝胶片放入 不同离子强度的p h 缓冲溶液中，当凝胶达到平衡后，记录质量变化，然后再次 更换p h 溶液，如此测量在多组p h 缓冲溶液下达到平衡态的水凝胶的质量。水 凝胶的质量变化率( w e i g h tv a r i a t i o n ) 定义如下： w e i g h tv a r i a t i o n = ( 1 e e - w t ) i w e 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 既是在去离子水中达到平衡态时的质量，耽是在不同p h 缓冲溶液中达到平衡 态时的质量。 2 3 8 弥散系数的测量 如图f i g u r e2 - 1 所示装置，采用带有横隔膜的处于伪平衡状态的小池来测量 n a c l 在水凝胶中的弥散系数。小池由两部分组成，一个直径为6 2 c m 的水凝胶 片，其预先在去离子水中达到溶胀平衡态，放在两个平行的圆环塑料片中间，周 围用螺丝固定。将5 0 m l 的n a c l 溶液注入上面的容器，3 0 0 m l 的去离子水注入下 面的容器。两个容器同时开动搅拌，下面容器中的n a c i 的浓度使用配有氯离子 选择电极的酸度计进行测量。 f i g u r e2 - 1 d i a g r a mo f d i f f u s i o nc e l l 图2 - 1 弥散系数测量装置 在不同的时间间隔内测量下面容器中n a c l 浓度，已知小池中溶液的体积， 所以n a c l 质量( 脚可以计算出来。经过几分钟的实验，n a c l 质量( 脚对时间( t ) 的曲线图可以做出，此曲线的斜率即为a - d s c ，已知有效的水凝胶的面积( ， 厚度( ，n a c l 溶液的浓度( c ) ，可以计算出弥散系数( d ) 。 2 3 9 扫描电镜( s e m ) 观察 将分别在不同p h 缓冲溶液中达到吸水平衡的水凝胶样品用滤纸擦去其表 面水分，放入液氮中淬冷后转入冷冻干燥机中除水，然后切取干燥后的凝胶表面 喷金，用j s m - 5 6 0 0 l v 扫描电镜在10 k v 加速电压下观察其表面形态。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 0 杨氏模量的测量 将合成的水凝胶切成约7 m m w x 2 m m h x 4 0 m m l 凝胶试样，然后将切好的试 样放于去离子水中纯化除杂，在测试之前放入不同离子强度( 0 2 m ，o 6 m ，1 0 m ) 的p h 缓冲溶液中达到平衡状态。 测量采用的是动态力学性能分析仪( p e r k i ne l m e rd i a m o n ds i id m a ) ，可以施 加的最小力为1 0 0 n ，螺栓驱动的传动装置的位移为1 0 m m ：k o 1 u m ，杨氏模量的 数值可以直接从计算机中读出。 2 3 11 泊松比的测量 泊松比的测量 泊松比的定义如下： m m o ， ，o 其中a m 为横向的变化值，m o 为试样宽度方向的距离，为轴向的变化量，o 为试样长度方向的距离，测量所用的水凝胶试样为矩形，其横截面积约为 l o m m x 2 m m 。 采用悬挂重物法来测量泊松比，即先记录下未挂重