（材料加工工程专业论文）聚丙烯酰胺类功能性水凝胶的制备与性能研究.pdf

东华大学硕士学位论文摘要 聚丙烯酰胺类功能性水凝胶的制备与性能研究 摘要 功能性水凝胶是一种能显著地溶胀于水但不能溶解的三维网络或互穿网络， 它能对外界刺激( 如：温度、p h 、溶剂、光、电场等) 发生特性的响应( 如：体 积、形状、光学、电场等响应变化) 或者具有某些特定功能。 目前对功能性水凝胶的研究主要存在着以下几方面的问题：首先，水凝胶的 平衡溶胀度不高；其次，水凝胶往往没有足够的机械强度以满足实际应用；再次， 水凝胶的响应速度较慢，并且合成方法大多数采用的是化学引发剂引发，导致产 物由于引入了引发剂等杂质而不利于在生物医药上的应用；最后，水凝胶的功能 性比较单一，多数功能水凝胶只具有单个刺激响应性能，不能满足要求多种响应 刺激系统的需要。因此研究高强度、响应速度快、生物相容性好且具有多功能响 应的水凝胶是当前一个重要的课题。 本文在第一部分以n 异丙基丙烯酰胺( n i p a ) 和丙烯酰胺( a m ) 分别作为 聚合单体，通过引入功能性纳米粒子碳纳米管( m w n t ) 来制备具有高力学强度 的导电水凝胶，并全面分析了水凝胶的温度敏感性、溶胀动力学、机械性能以及 导电性能；第二部分主要研究了采用无机粘土作为物理交联剂制备的丙烯酰胺 ( a m ) 、甲基丙烯酸2 羟乙酯( h e m a ) 共聚水凝胶的p h 敏感性、溶胀动力学 以及机械性能，期望其在化学器械、组织工程以及药物释放系统中具有潜在的应 用价值。得到如下的主要研究结果： 1 温敏性p n i p 刖m w n t ，c l a y 复合水凝胶 以无机粘土“l 印o n “ex l s ”为物理交联剂，多壁碳纳米管作为添加粒子，通 过原位聚合制备了物理交联的p n i p 刖m w n t c l a y 水凝胶，研究m w n t 的加入 对该水凝胶的性能影响。结果表明，该凝胶具有多孔结构，并且孔洞的尺寸随着 碳纳米管含量的增加有所增大。碳纳米管含量的增加，使p n i p a 水凝胶的体积 相转变温度( v p t t ) 有所升高，当其含量增加到单体的1 1 2 时，p n i p a 的体 积相转变温度增加到3 7 0 c ( 与人体温度相近) ，并且溶胀性能也有了一定的提高。 凝胶的力学性能也随着碳纳米管的加入有了一定的提高。在含水率为5 0 0 时，m w n t 含量最高的凝胶的断裂伸长高达9 0 0 ，并且抗拉强度也达到0 3 5 m p a ，比没有加入碳纳米管的凝胶的断裂伸长提高了0 5 倍，抗拉强度提高了1 3 倍。 由于碳纳米管本身具有良好的导电性能，因此它的引入使得水凝胶的导电性 东华大学硕士学位论文 摘要 能有一定的增加，在含水率为7 0 0 时，凝胶的电导率最高可达1 0 9m s c m ，并 且含水率的降低使得其导电率有所增加。 2 p a m 脱w n t ，c l a y 复合水凝胶 以无机粘土“l a p 0 1 1 i t ex l s ”和n ，n 亚甲基双丙烯酰胺分别作为物理交联剂 和化学交联剂制备出了具有良好力学性能的p a m 愿压w n t c l a y 水凝胶。研究发 现，该凝胶具有良好的压缩性能，撤去负荷后形变几乎可以瞬间恢复，此外通过 对该凝胶的力学性能测试，表明凝胶的抗拉强度和断裂伸长率随含水率的减小而 增大。在相同含水率的情况下，随着凝胶中碳纳米管含量的增加，其抗拉强度和 断裂伸长率都有所增大。 导电性测试结果表明，在含水率较低的情况下m w n t 具有较高的浓度，有 利于m w n t 形成内部连通的网络，有利于导电粒子的传输，从而使得电导率有 所提高。 3 p a m i i e m 刖c l a y 复合水凝胶 以无机粘土“l a p o n i t ex l s ”为物理交联剂制备了具有p h 敏感性的 p a m h e m a c l a v 水凝胶。s e m 观察到该凝胶具有明显的多孔结构，并且孔洞 分布较为均匀，这也为该凝胶具有良好的吸水性提供了依据。 由于a m 中的酰胺基c o n h 2 较h e m a 中的羟基_ o h 更容易与水分子形 成氢键，所以丙烯酰胺含量较高的凝胶具有较高的溶胀比。通过p h 敏感性测试 可以发现，该共聚凝胶具有敏感的p h 响应性，在p h 值为7 时出现溶胀度最低 点。 p a m h e m c l a y 纳米复合水凝胶具有良好力学性能，在卸去载荷后凝胶形 状可以迅速恢复。在溶胀度为3 5 0 时，丙烯酰胺含量较高的凝胶的断裂伸长率 达到4 0 0 ，抗拉强度可达o 5m p a 。 关键词：水凝胶，多壁碳纳米管，力学性能，导电性能，p h 敏感性 东华大学硕士学位论文abs打眦 p r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i eso ff u n c t i o n a l p o l y a c r y l a m i d eb a s e dg e l s a b s t r a c t f u n c t i o m lh y d r o g e l sa r et 1 1 r e e - d i l l l e n s i o m lh y d r o p l l i l i cp o l y r n e rn e t w o r ko r i p n t h a te ) ( 1 l i b i tc 1 1 a r a c t e r i s t i cr e s p o i l s et oe ) ( t e m a ls t 岫u l i ( s u c ha s t e m p e r a t u r e ，p h ， s o l v e n t s ，l i g h t ，e l e c t r i c 矗e l d ，e t c ) ，o rp o s s e s ss o m es p e c i f i cf e a t u r e s c u r r e n t l y ，t h e r ea r es o m ep r o b l e m se x i s t i l l gi 1 1t h es t u d yo fm n c t i o m lh y d r o g e l s w h i c hw i l ll l i i l d e rt h e i rp o t e n t i a l 印p l i c 疵1 1 s f i r s t ，t h ee q u i l i b r i u ms w e l l 吨r a t eo f h y d r o g e l s i sn o t h i 曲s e c o n d ，t h eh y d r o g e l su s u a l l yd on o th a v es u m c i e m m e c l l a n i c a ls t r e 呼ht om l f i l lt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o l l t h i r d ，t h er e s p o l l s es p e e do f h y d m g e l si ss 1 0 wa n dc h e 面c a li i l “i a t o ri so f 【e nu s e di i lt h es v n t h e s i sw h i c h1 1 a v e i n u c hd e t r i i n e mo nt h eb i o n l e d i c a l 印p l i c a t i o n s f m a l l y ，t h em a j o r i t yo fm n c t i o n a l h y d r o g e l s1 1 a v e0 1 1 l yas i i l g l es t i i l l u l u s r e s p o n s ep e r f o r m a n c ew t l i c hc a nn o t l e e tt h e r e q u i i e m e n t so fai 眦h i p l er e s p o n s eo fs y s t e m t h e r e f o r ei ti sa ni m p o r t a mi s s u et o d e v e l o ph i g h - s t r e n g t h ，f a s tr e s p o n s e ，g o o db i o c o m p a t i b i l i t ya n dm u n i m n c t i o n a l h y d r o g e l s i nt h ef i r s tp a j to ft h i sp 印e r ，n _ i s o p r o p y l a c r y l 锄i d e ( n i p a ) a n da c r y l a m i d e ( 触订) w a su s e da sm o n o m e rt op r e p a r el l i g hi n e c l l a n i c a ls t r e n g m 矾dc o n d u c t i v i t yh y d r o g e l s b yn r o d u c i n g如n c t i o m lm n oc 训) o n1 1 a n o t u b e s ( m w n t ) t h et e m p e r a t u r e s e l l s i t i v i t y ，s w e l l i i l gd y m m i c s ，i n e c h a i l i c a lp r o p e r t i e sa n de l e c t r i cp r o p e r t i e so ft h e h y d r o g e l sw e r ea m l y z e dmd e t a i l i nt h es e c o n dp 抓，c o p o l y m e r 讫a t i o nh y d r o g e l s w e r es y m h e s i z e d 丹o ma c r y l a r n i d e ( a m ) a n dm e t h y l 一2 - h y d r o x y e t h y l i n e t h a c r y l a t e ( h e m a ) ，w h i c hh a v eg o o db i o c o i n p a t i b i l i t y ，w i t hc l a ya sp h y s i c a lc r o s s 1 i i 墩i 1 1 9a g e n t t h ep hs e n s i t i v i t y ，s w e n i n gd y n 锄i c sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ea l s os t u d i e s 觚dt h e p r 0 1 1 1 i s 血g 印p l i c a t i o n s i 1 1c h e m i c a le q u i p m e n t ，t i s s u e e n g i i l e e 血g ，d r u g r e l e a s es y s t e i i l ，e t cc o u l db ee x p e c t e d t h em a mr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t e m p e m t u l l e - s e n s i t i v ep n i m w n t ，c l a yc o m p o s i t eh y d r o g e l an o v e lg e l ，p n i 洲w n t c l a y ，、v a sp r 印a r e dv i ai 1 1s i t u 舶er a d i c a la q u e o u s p o l y m e r i z a t i o n 行o mn i 王 amt h ep r e s e n c eo fc l a y ，a n dm n tw a sa d d e da sf i l l e r s t h e g e l ss h o w e dap o r o u ss t l l l c t u r ea u l dt h es i z eo fp o r o u sb e c a m el 甜g ew i t h i n c r e a s i n gc o n t e mo fm w n t s t h ev ol u m ep h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ( v p t t ) w a s i n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s i n gc o n t e n to fm w nt w h e nm w n tc o m e n tr e a c h e d 1 12 ，t h ev p t tr e a c h e dt o3 7 。c ( c l o s et ob o d yt e m p e r a t u r e ) ，a 1 1 dt h es w e l l i n g l 东华大学硕士学位论文a b s 仃a c t p r o p e r t l e sw e r ei l p r o v e dt os o m ee x t e n t t h em e c l l a 血c a lp r o p e r t i e so ft h eg e l sw e r ea l s oi n c r e a s e dw i t ht h ea d d i i l go f m w n t 珊l e nt h ec o n t e n to fm w n t s 、 ，a si n c r e a s e d 丘o mot o1 19 、矾t h et e n s i l e s t r e n g t ho f t h eg e l si n c r e a s e d 劬m0 1 5t oo 3 5m p a ，a n dt h eg e lw i t hh i g hc o m e n to f m w n tc o u l db ee l o n g a t e dt oi n o r et h a j l9 0 0 w h e nt h ec o n t e n to fw a t e rr e a c h e d 5 0 0 ，w b j c hi i l c r e a s e d0 5t i i l l e so nb r e a l ( m ge l o n g a t i o na n d1 3t i i l l e so nt e i l s i l e s t r e r 培t hc o m p a r e dw i t hn cg e lw i t h o u tm w n t d u et ot h eg o o de l e c t r i c a l p r o p e r t i e s o fc a r b o nm n o t u b e ，t h ec o n d u c t i v e p r o p e r t i e so fh y d r o g e l si i l c r e a s e ds l 逛h t l y t h ec o n d u c t i v i t yo ft h et h eg e lw i t hh 迦h c o m e n to fm w n ta _ t t a h l e dt o1 0 9m s c mw h e nt h ec o n t e n to fw a t e rr e a c h e d7 0 0 a n dt h el o w e rw a t e rc o m e mi n a d ei tf - u r t h e ri 1 1 c r e a s e 2 p a m 小w n r c l a yc o m p o s i t eh y d m g e i p a m m w n t c l a y 、a sp r e p a r e dv i ai i ls i t u 丘e er a d i c a la q u e o u sp o l y m e r i z a t i o n i nt h eh y b r i dg e l s ，t h ec l a ya c t e da s 劬c t i o n a lc r o s s l i n k e ra n db i sp l a y e dt h er o l eo f c h e m i c a lc r o s s l i r l l 【e r t h eg e l sh a dg o o dc o m p r e s s i o np e r f o r i i l a n c ea n d 、v e r ea b l et or e c o v e r yi n s t a n t l y a f e rr e m o v i i 玛t h el o a d i tw a sf b u i l dt 斌，i 1 1t h eh i g hr a t i oo fw a t e r ，a cg e l sa p p e a r e d l o wt e n s i l es t r e n 舀ha n de l o n g a t i o n w h i l et h em e c h a n i c a lp r 叩e n i e so ft h ea c g e l s t e n d e dt ob ei i l c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s i i l go fw a t e r t h er e s u l t so fc o n d u c t i v i t ys h o w e dt h a tm w n t 如r m e da 缸e r n a ic o n d u c t i v e n e t w o r ki 1 1t 1 1 ec a s eo fl o ww a t e rc o m e n t 3 c 叩o l y m e d 觋t i o np a m i i e m 刖c l a yg e l s as e r i e so fp hs e n s i t i v eh y d r o g e l sw e r ep r e p a r e d t h eg e l sp o s s e s s e do b v i o u s p o r o u ss t r u c t u r ea u l dt h ed i s t r i b u t i o no fp o r e sw a su n i f o r mw h i c hr e s u n e di nt h eh i g h s 、v e l l i n gr a t i o t h eg e lw i t hh i g hc o n t e n to f a mh a dah i g hs w e l l i l l gr a t i oa sar e s u ho f t h ea i n i d eg r o u p ( 一c o n h 2 ) i 1 1a mi se a s i e rt of o n nh y d r o g e nb o n d st h a nt h eh y d r o x y l g r o u p ( - o h ) i i lh e m a t h ec o p o l y m e rg e ls h o w e dt h el o w e s td e g r e eo fs w e l l i n g r a t i oi 1 1t h ep hv a l u eo f7 ，w h i c hi n d i c a t e di th a das e n s i t i v er e s p o n s eo f p h t h eg e l sh a dg o o dc o n l p r e s s i o np e r f o r m a n c ea n dw e r ea b l et or e c o v e r yi 1 1 s t a l l t l y a f c e r r e m o v i n gt h el o a d t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h eg e lw i t hh i g hc o n t e mo fa mw a s 0 5m p aa i l dt h eb r e a k m ge l o n g a t i o nc o u l db em o r et h a n4 0 0 w h e nt h ec o n t e n to f w a t e rr e a c h e d35 0 i v 奎竺奎兰堡士学位论文a b s t r a c t 一 ： s 1 1 iz h a n ( m a t e r i a lp r o c e s s 吨e n g m e r 吨) s u p e r v i s e db ya s s o c p r o j i nj u l l l l o n g k e y w o r d s ：h y d r o g e l ，m w n t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y ，c o n d u c t i v i t y ，p hs e n s i t i v e v 东华大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 水凝胶是一种由三维网络结构的高分子化合物与水溶剂组成的体系，它是由 亲水性高分子交联而成的一类特殊的湿软性材料，这种具有三维网络结构的亲水 性高分子材料能够在水中显著溶胀但不溶解。同时水溶剂可能以键合水、束缚水 和自由水等形式存在于高分子网络之中而失去流动性，因此高分子水凝胶能够维 持一定的形状1 1 1 ( 见图1 1 ) 。自2 0 世纪4 0 年代以来，有关水凝胶的合成、理化 性质以及在生物化学、医学等领域中的应用研究十分活跃【2 】。因它所带来的巨大 经济效益和社会效益，所以世界各地对水凝胶的研究、开发、应用和生产呈现一 派欣欣向荣的景象。 上个世纪7 0 年代，美国麻省理工学院的p r o a k a 等人发现，轻度离子化 的聚丙烯酰胺凝胶在水丙酮溶液中随着温度的变化会有奇特的转变。在低温下， 凝胶可由透明逐渐变得混浊，最终呈不透明状；加热时，它又转为透明。进一步 的研究表明，溶剂浓度或温度的微小变化可使凝胶突然溶胀到原来尺寸的数倍或 收缩成致密结构的物质。该可逆过程与聚合物网络的体积相转变有着密切的联系 d 】。因此，可以利用这种特性，制备各种智能型的水凝胶。 图1 1 水凝胶网络示意图 f i g 1 1p h o t o g r a p ho fh y d r o g e in e t w o r k 1 2 水凝胶的分类 水凝胶种类繁多，按照不同的标准具有不同的分类方法。目前主要是按照凝 1 - 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 胶的尺寸、高分子网络的交联方式和对外界条件的刺激响应性来进行分类的。 1 2 1 按凝胶尺寸分类 根据水凝胶尺寸的不同，可以将其分为微凝胶和块状凝胶。微凝胶是指尺寸 在纳米级至微米级范围内的凝胶材料。由于微凝胶兼具纳米材料的小尺寸效应和 湿软材料特性，所以在生物医学领域有着广泛的应用。块状凝胶尺寸一般较大， 成宏观块状，比较容易进行直观的观察。但是由于其体积较大，会造成凝胶基体 内交联点分散不均匀，因此同一块状凝胶的不同位置性能上会产生一定的差异。 此外，传统块状水凝胶的溶胀及退溶胀速率都较慢，因此对外界刺激响应的速率 也较慢。 1 2 2 按凝胶交联方式分类 根据凝胶交联方式的不同，可将其分为物理交联水凝胶和化学交联水凝胶。 物理交联水凝胶是分子链之间通过物理相互作用而形成的，如：静电作用、氢键、 范德华力、大分子链间的缠结等。但是这种凝胶的交联结构是非永久性的，在外 界条件改变的情况下，有可能会被破坏。化学交联的水凝胶是指分子链通过化学 键相互作用交联而形成的三维网络结构。这种交联结构比较稳定，但是一般情况 下具有较差的力学性能。 1 2 3 按对外界刺激响应分类 根据对外界刺激的响应情况，水凝胶可分为传统的水凝胶和环境敏感性水凝 胶。传统的水凝胶对环境( 如温度或p h 值等) 的变化不敏感，而环境敏感性水 凝胶又常被称为智能水凝胶，是指自身能感知外界环境( 如温度、p h 值、光、 电、压力等) 微小的变化或刺激，并能产生相应的物理结构和化学性质变化的一 类高分子水凝胶。由于敏感性水凝胶的这种智能性使之有可能在众多领域得以应 用，尤其是在药物的缓释、蛋白质的分离提纯、活性酶的包埋和人工肌肉等方面 有着广阔的应用前景 4 5 ，其研究受到了国内外学者的广泛关注。近年来，有 关智能水凝胶的理论和应用研究都取得了很大的进展 6 。这里主要介绍以下三 类智能水凝胶。 1 2 3 1 温敏性水凝胶 温敏性水凝胶是指对外界温度变化能够产生有效响应的一类智能水凝胶材 料，即当外界环境温度变化时凝胶自身的性质会发生特定的变化，该凝胶也往往 具有一定比例的亲疏水性基团。根据其在水中的溶解性行为不同，温敏性水凝胶 可以分为以下两类：l c s t 体系和u c s t 体系。l c s t ( l o w e rc r i t i c a ls 0 1 u t i o n t e m p e r a t u r e ) ，即水凝胶的最低临界共溶温度或体积相转变温度，这种体系的凝 胶体积会随环境温度的变化而出现突变，并且溶胀率随温度的变化是不连续的， 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 当温度达到l c s t 时凝胶的体积会突然收缩与膨胀，这种温敏水凝胶在最近5 1 0 年里已经进行了较为深入的研究【7 】。另外一类凝胶随着外界温度的变化，颜色会 发生一定的变化，颜色开始变化的温度也就是u c s t ( u p p 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 ) 。 1 9 8 4 年，1 柚a k a 等人发现，聚异丙基丙烯酰胺( p n i p a ) 在较小的温度范围 内可表现出明显的疏水和亲水变化。p n i p a 的临界溶解温度下限( l c s t ) 在 3 2 0 c 左右。如果在几毫升水中滴入几滴p n i p a ，随着温度的升高，水凝胶收缩， 其溶胀率急剧下降，因为p n i p a 类水凝胶，在温度低于l c s t 时，在水中形成 良好的水化状态；温度升高，由于高分子链的疏水作用互相聚集，体积收缩，因 此水凝胶呈收缩状( 如图1 2 ) 。p n i p a 的温敏性与它的结构有关，p n i p a 的分 子结构存在着疏水基团c h ( c h 3 ) 2 以及亲水基团- n h c o 两部分，其分别对 应于凝胶内部的亲水、疏水区域。在外界温度低于其l c s t ( 3 2 0 c 左右) 时，凝 胶网络中高分子链上的亲水基团通过氢键与水分子结合，导致水凝胶吸水溶胀。 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得以加强。 温度上升至其l c s t 以上时，高分子链间的疏水作用起主导作用，高分子链通过 疏水作用互相聚集，此时水凝胶发生相转变，其溶胀度突然急剧下斛引。 。_ - - _ _ _ _ i 蔼媛降楣： 耄 j 一 膊胀状骞( 亲水馕收缩靛蕊e 麓水幢) h z 啦j 泞 图1 2 温敏水凝胶p n i 对温度变化的响应 f i g 1 2t h er e s p o n s eo f t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v eg e lt ot e m p e r a t u 托 对于u c s t 类水凝胶，学者也做了很多的研究。聚二甲基( 甲基丙烯酰氧乙 基) 亚丙基磺酸铵凝胶( p d m a p s ) 便是一种u c s t 凝胶，低于这个温度时 p d m a p s 由于存在分子内和分子间的相互作用而以卷曲的状态存在，使得其在 水中存在相分离而成浑浊状；高于这个温度时，分子热运动起主要作用，p d m a p s 分子内和分子间作用力消失，分子链呈伸张状态，凝胶颜色变得透明【9 j 。a o k i 等报道了一种丙烯酰胺与n ，n 二甲基丙烯酰胺共聚而得的互穿网络结构水凝 胶，该凝胶在高温下存在一种“打开”的状态，而在低温下变回了“关闭”状态， 因此被广泛应用于可逆释放领域l l 。 1 2 3 2p h 值敏感性水凝胶 p h 敏感水凝胶是指凝胶的体积随介质p h 值变化而变化的凝胶，该凝胶的 3 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 大分子网络中通常含有酸性( 碱性) 基团，随介质的p h 值、离子强度的改变而 发生电离，使得分子链段中氢键解离，体积发生不连续的改变。 水凝胶的p h 敏感性最早是由t a n a k a 【1 1 】在测定陈化后的丙烯酰胺的溶胀率时 发现的。k a t c h a l s k v 于1 9 4 9 年由聚甲基丙烯酸制得p h 敏感性水凝胶：这类水 凝胶中含有大量易水解或质子化的酸、碱基团，如羧基和氨基。这些基团的解离 受外界p h 的影响：当外界p h 变化时，这些基团的解离程度相应改变，造成内 外离子浓度改变；另外，这些基团的解离还破坏水凝胶内相应的氢键，使水凝胶 网络的交联点减少，造成水凝胶网络结构发生变化，引起水凝胶溶胀。k o t a l ( a 刘 等制备了具有p h 响应的智能水凝胶，利用聚环氧乙烷与聚丙烯酸形成互穿网络， 在较高的p h 时，聚丙烯酸中羧基电离为羧基负离子，从而在网络结构中产生电 荷的排斥，凝胶的溶胀度有所提高；在低p h 时聚丙烯酸中羧基没有发生电离， 并且与聚环氧乙烷间形成分子间的氢键作用，使凝胶的交联密度提高，溶胀性能 降低。p h 敏感性水凝胶还广泛应用于药物的控制释放体系，l e e 【1 4 】等制备了聚羟 乙基甲基丙烯酸甲酯为基体的水凝胶，通过与其他单体共聚实现其p h 敏感性， 用于药物的控制释放。在最近的研究中，多重响应性凝胶，例如p h 和温度双重 敏感性 1 5 】，p h 和离子强度敏感性凝胶引起了人们的广泛关注。勋b a r z 等以n i p a 和天然氨基酸为单体，采用自由基聚合得到一种双重功能性响应的水凝胶。这种 双重响应性凝胶在温度为2 0 5 0 0 c 和p h 为2 1 2 的范围内会分别产生明显的体积 变化。h a r a g u c h i 【1 6 】等首次提出采用n i p a 和线性p a a 为单体，在物理交联剂c l a y 的作用下合成一种半互穿网格的水凝胶。该凝胶不仅对温度和p h 的变化产生迅 速的响应，并且还具有较高的力学强度，使得其在生物医药和组织工程领域有着 潜在的应用价值。 1 2 3 3 光响应性水凝胶 光响应性水凝胶是指能随着感应外界光变化而发生体积改变的凝胶。当凝胶 网络中具有光敏感基团，在光辐照时，光敏基团发生理化性质的改变，比如基团 构象和偶极距变化，从而导致凝胶的体积相转变。通常在对温度或p h 值敏感的 水凝胶中添加具有光异构化性能的典型化合物，比如偶氮苯，三苯甲烷衍生物等， 来制备光响应性水凝胶【1 。7 1 。t h a k a 【1 8 】等制备了一种叶绿酸和p n i p a 的共聚水凝 胶，在可见光的照射下，叶绿酸产生大量的热，由于p n i p a 在高于3 2 0 c 时体积 会发生突变，因此在光照射下凝胶收缩。w e s t 和k u m a c h e v 【”】报道了一种以n i p a 和a m 为共聚单体，通过引入金纳米粒子而制得了一种在近红外波数范围内具 有光响应性的纳米复合水凝胶。可以发现该共聚凝胶伴随着激光打开和关闭会迅 速的产生体积变化，在药物释放领域有着潜在的应用价值。 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 水凝胶的合成技术 从聚合物出发制备水凝胶有物理交联和化学交联两种。化学交联是在聚合物 水溶液中添加交联剂，如在p v a 水溶液中加入戊二醛可发生醇醛缩合反应从而 使p v a 交联成网络聚合物水凝胶。物理交联通过物理作用力如静电作用、离子 相互作用、氢键、链的缠绕等形成。也可以由单体聚合制备水凝胶，通常在聚合 体系中加入交联剂，如自由基聚合。 1 3 1 化学交联 化学交联是指用在引发剂引发下，通过化学交联剂将单一单体聚合或多单体 共聚制备水凝胶的方法。交联聚合中常用的化学引发剂有：( 1 ) 热不稳定的过 氧化物； ( 2 ) 氧化还原体系，氧化剂如过硫酸铵或过氧化氢，还原剂有亚铁盐、 焦亚硫酸钠或四甲基乙二胺( t e m e d ) 。而常用的交联剂有：n ，n 亚甲基双丙 烯酰胺( b i s ) 、三缩丙二醇二丙烯酸酯( t p g d a ) 、乙二酰双酰肼( a d d h ) 、 戊二醛、环氧氯丙烷、对苯二醛、甲醛等。 通过化学交联形成的水凝胶其共同点是分子链间靠共价键或配位键形成的 三维网络，与物理交联法制得的水凝胶不同的是它具有一定的热稳定性【2 0 1 。 1 3 2 物理交联 由于交联剂不仅会影响包覆物质的完整性，而且经常是有毒的化合物，因此 化学交联水凝胶使用之前必须除去未反应的交联剂。而制备物理交联凝胶则可以 避免使用交联剂，因此近年对于物理交联水凝胶的兴趣越来越浓。物理交联水凝 胶的另一个优点是可以原位( n s i t u ) 形成凝胶：物理交联水凝胶在一定条件下 是高分子溶液，当条件( 如温度、p h 等) 改变时，形成凝胶。 通过物理交联法形成的水凝胶其共同点是分子链间通过氢键和微晶区形成 三维网络，即物理交联点，这些交联点随温度等外界条件的变化而变化。它的形 成可以通过多种方式，如疏水相互作用、结晶作用、氢键作用及蛋白质相互作用 等。例如，两亲的嵌段和枝接共聚物在水中能自聚形成类似高分子胶束和凝胶的 有序结构，而有序结构的形成是由于高分子的疏水链段发生疏水缔合作用的缘故 口1 1 1 4 水凝胶材料的功能及应用 高分子凝胶与无机材料微球或者生物脂质体相比具有很多优点，如价廉、对 外界非响应因素的稳定性好、易功能化、制备简单，所以其在组织工程，药物释 放，记忆元件，化学储存器，生物微反应器件等方面具有潜在的应用价值( 表 1 1 ) 。尤其是考虑到水凝胶具有一定的生物相容性，所以在生物医药方面的开发 5 - 东华大学硕士学位论文第一章绪论 已成为研究热点。 表1 1 智能凝胶的应用 7 i a b l e1 1t h ea p p l i c a t i o n so fi n t e u i g e n th y d r o g e i s 领域用途 传感器 光、热、p h 和离子选择传感器，免疫检测，生物传感器，断裂 传感器 驱动器人工肌肉，微机械 显示器可由任意角度观察的热、盐或红外敏感显示器 光通信温度和电场敏感光栅，用于光滤波器和光控制 药物载体信号控制释放，定位释放 大小选择分离稀浆脱水，大分子溶液增浓，膜渗透控制 生物催化活细胞固定，可逆溶胶生物催化剂，反馈控制生物催化剂，传质 强化 生物技术亲合沉淀，两相体系分配，制各色谱，细胞脱吸 智能催化剂温敏反应“开”和“关”催化系统 智能织物热适应性织物和可逆收缩织物 智能调光材料室温下透明、强阳光下变混浊的调光材料，阳光部分散射材料 智能粘合剂表面基团富集随环境变化的粘合剂 1 4 1 药物可控释放 在生物制药上，传统的给药方式如使用片剂、胶囊及针剂等，给药后药的浓 度起伏较大且使用时间有限，只能频繁的小剂量给药，因而给患者造成极大不变， 而以智能微凝胶作为药物载体，可减少服药次数，屏蔽药物的刺激性气味，通过 外界条件人为控制药物计量，提高药物疗效，并且可以降低药物的成本【2 2 1 。 p n i p 枞的某些共聚凝胶的l c s t 与人体温度接近，能自动感应病原体或热源 ( 如发热、肿瘤) 存在下人体温度变化，使凝胶产生体积相变，药物释放速度加 快；当身体正常时，则回复原状，释药速度下降，形成应答式释药系统，从而实 现药物在病灶区的定时定点可控释放，最大限度的降低药物的不良反应。如将 p a a g p n i p a m 微凝胶用于阿霉素的温控药物释放时，先使胶粒装载药物，当温 度低于3 5 。c 时，接枝在p a a 表面的p n i p a m 溶胀，微球表面呈致密结构无缝 隙，包在微球内的药物不能释放；而当温度高于3 5 。c 时，接枝在p a a 表面的 p n i p a m 收缩使表面露出缝隙，释放出药物【2 3 1 。 水凝胶释放药物的机理有许多种，见图1 3 。有的是将药物包埋于凝胶内部， 进入人体后，由于存在浓度差而开始缓慢释放，见图1 3a 。有的是凝胶本身是 可降解的，在降解过程中释放药物，如图1 3b 。还有一些是通过凝胶在体液中 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 不断溶胀给药的，如图1 3c 。目前研究最多的是采用环境敏感的水凝胶来控制 药物输送，其优点是对外部微弱的变化响应灵敏，具有可逆性而且便于控制释放 速率。采用温敏性的高聚物，如交联的p 似i p a a m c o b m a ) 凝胶，p n i p a a m 和p t m e g 互穿聚合物网络( i p n s ) 可以制备出具有“开”和“关”两种状态的药物 释放体系【2 4 1 ( 图1 4 ) 。将凝胶置于一个多孔的刚性微容器，低温下是“关”的 状态，当升高温度时，凝胶发生体积相转变，变成“开”的状态，通过这个过程 达到控制药物释放的目的。k i m 等【2 5 】设计制备了以p d m a e m a 和p e a a m 的混 合物为载体，以氢化可的松为模型药物的药物释放微球，研究了氢化可的松从微 球中的p h 温度诱导释放，由于在两种聚合物的混合物中，温度敏感的分子间相 互作用的减弱，使氢化可的松在较低温度下具有高的释放率。随着介质酸性的增 强，微球中高聚物混合物的l c s t 升高，导致高聚物混合形成的络合物离解，从 而氢化可的松逐步释放。 一 ( a ) ：一面一二 ：商洲葛“= 妇韵：。i - 一： ( b )( c ) 图1 3 几种不同的水凝胶释放药物机理 】n g 1 3t h ed r u gr e l e a s em e c h a n i s mo f s e v e r a lg e l s e x f e m a ls i g l l a l o f f o n 图1 4 温敏型凝胶药物释放机理 f i g 1 4t h ed r u gr e l e a s em e c h a n i s mo ft e m p e r a t u r e - s e n s i t i v eg e l s 1 4 2 在组织工程方面的应用 组织工程是一门新兴交叉学科，涉及医学、生物学、材料学等领域。高分子 水凝胶是目前与人体组织器官性能最为接近的人工合成材料，首先高分子水凝胶 含有大量的水分，与人体的组织器官在结构上具有良好的匹配性；其次是高分子 水凝胶对水分子和氧气良好的透过性，使其具有优异的生物相容性。因此，高分 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 子水凝胶在组织工程上有着非常好的应用前景忙6 1 。 y a o 【2 7 】等将明胶和壳聚糖进行交联，得到一种可替代皮肤和软骨组织的水凝 胶支架材料，由于明胶和壳聚糖均属于天然高分子材料，因此此复合凝胶显示了 优异的生物相容性，明胶的加入进一步改善了凝胶与细胞的相容性，壳聚糖则提 供了支撑的作用。 目前被研究者广泛关注的另一类生物高分子凝胶是多肽凝胶。合成多肽水凝 胶的优势在于多肽具有比蛋白质更规整的氨基酸排列和可选择的氨基酸残基种 类。r a c h a e l 【2 8 。2 9 】等通过光聚合制备了p v a 水凝胶，将纤维细胞均匀地植入3 m m 厚的p v a 水凝胶中，研究了细胞的自下而上状况，并用细胞吸附多肽r g d s 对 p v a 水凝胶进行功能化修饰，发现有助于增强细胞的吸附和分散。而且可以通 过注射的方式得到预期的材料，避免了外科手术植入。p a l 【s t i s 【3 0 】等利用白组装的 方法合成了两嵌段共聚多肽，一端为亲水性的赖氨酸或谷氨酸，另一端为疏水性 的亮氨酸或缬氨酸，研究发现此多肽具有多孔的交联网状结构，并且存在异构微 观结构，因此在较高的多肽浓度下，可得到刚性的凝胶支架材料。 1 4 3 生物感应器件 采用光刻蚀或模板法可以使水凝胶比较容易地和其它器件结合，这就赋予了 它更宽的应用领域。水凝胶可以作为一个功能元件应用于微反应器中，比如生物 传感器，生物阀门等。以光交联的p e g 基的凝胶为例【3 1 1 ，利用这种凝胶对外界 环境敏感性，可以应用于微流体的管道中作为控制流体出入的枢纽。当在常态下， 凝胶没有溶胀，周围的液体可以从通道中流过，一旦环境发生变化，凝胶溶胀就 能阻止液体的流动，从而控制特定分子或细胞的分布。 1 4 4 电容器 w a d a 等人分别采用以水凝胶聚合物和k o h 水溶液作为电极的磺化聚丙 烯分离器制备出了双电层电容器( e d l c ) ，利用循环伏安法以及充放电循环测 试，发现采用水凝胶聚合物作为电极的电池的电容较高，并且具有很高的稳定性。 实验装置如下图( 图1 5 ) ： 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 22 (