（应用化学专业论文）聚N异丙基丙烯酰胺共聚物及其互穿网络的制备及性能研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 1 9 8 4 年t 舯a k a 等报道聚n 异丙基丙烯酰胺 p n w a a m 水凝胶在3 2 附 近体积发生相突变行为具有温度敏感特性 引起了人们极大的兴趣 由于 p n i p a a m 这种特性可应用于药物控制释放 酶固定化 金属离子的去除等众多 领域 很快成为人们研究的热点 但如何将p n i p a a m 水凝胶的低临界相变温度 l c s t 从3 2 提高到生理温度3 7 附近 同时又保持较好的温度敏感性仍 是目前研究的一个热点及难点 本文采用辐射法通过二步反应分别制备了聚丙烯酰胺 聚n 异丙基丙烯酰胺 p a a m p n n a a m 及聚乙烯基毗咯烷酮 聚n 异丙基丙烯酰胺 p v p p n t p a a m 水凝胶互穿网络 以电子束为辐射源 分别对a a m p v p 水溶液辐照制得p a a m 及p v p 永凝胶膜 然后采用溶胀吸附法 将脱水后的p a a m 和p v p 水凝胶膜分 别浸泡于不同浓度的n i p a a m 溶液中 待溶胀平衡后取出 进行第二次辐照 最终得到p a a m p n i p a a m 和p 田铆q d m 水凝胶互穿网络 本文还采用电子加速器辐照聚乙烯基吡咯烷酮和n 异丙基丙烯酰胺混合溶 液的方法制得了p p 佣q p a a m 共聚物水凝胶 并采用热化学聚合 交联法制备 了聚甲基丙烯酸n n 甲基氨基乙酯 p d m a e m a 水凝胶及p o l y d m a e m a g o n w a a m 共聚物水凝胶 研究了不同配比对水凝胶性能的影响 特别是不同温度下 水凝胶在不同介 质 如去离子水 不同p n 值缓冲溶液及不同离子强度的水溶液 中的溶胀特性 结果表明上述水凝胶均具有一定的温度 p h 及离子强度敏感性 主要结果如下 p a a m p n i p a a m 互穿网络水凝胶随p a a m 组分的增加 其溶胀率随温度的 改变而变化的幅度减小 即温度敏感性下降 p p 脚a a m 共聚及互穿网络水凝胶的l c s t 则随p v p 含量的增加而升 高 当p v p 含量高达9 0 时 水凝胶随温度的变化仍有较好的响应 因此成功 地将l c s t 提高到 3 7 c 以上面仍保持着良好的温度敏感特性 水凝胶的l c s t 可以通过控制吸入n i p a a m 的量加以调节 p d m a e m a 的l c s t 在5 0 左右 随着n i p a a m 含量的增加 第1 页 上海大学硕士学位论文 h 孙i e m 侧旧从m 共聚物水凝胶的l c s t 向低温方向移动 其变化范围在 3 2 5 0 之间 p a a m p n i p a a m 互穿 p v p p n i p a a m 共聚及互穿网络水凝胶在不同p h 缓冲溶液中的溶胀性能具有两性离子型水凝胶特性 当p h 7 时 其溶胀率随 p h 的升高而上升 而p d m a e m a 及p o l y d c o h i p a a m 若聚水凝胶 的溶胀率则在p h 7 9 之间有一突变的下降过程 上述水凝胶在温度及p h 反复交替变化的情况下 溶胀与消溶胀的变化是反 复可逆的 溶液的离子强度对凝胶的溶胀性能也有显著的影响 p d m a e m a 水凝胶的 溶胀率随离子强度的增加呈线性下降的趋势 而其他大部分共聚物水凝胶 包括 互穿网络 在离子强度为o 1 i m o l l 范围内 均有突变现象 关键词 n 异丙基丙烯酰胺 丙烯酰胺 甲基丙烯酸n n 一二甲基氨基乙酯 聚乙烯基毗咯烷酮 水凝胶 互穿网络 低临界相转变温度 溶胀率 温度敏感 p h 敏感 离子强度敏感 电子加速器 第1 i 页 圭塑奎兰堡圭兰笪兰奎 a b s t r a c t s i n c et a n a k ao b s e r v e dt h a tp o l y n i s e p r o p y l a e w l a m i d e n i p a a m h y d r o g e l e x h i b i tav o l u m ec o l l a p s ea s s o c i a t e dw i t hah y d r o p h i l i c h y d r o p h o b i ct r a n s i t i o nw h e n h e a t e da b o v e3 2 as e r i e so ft e m p e r a t u r es e n s i t i v ep n i p a a mh y d r o g e l sh a v eb e e n i n v e s t i g a t e dw i d e l yi nr e c e n ty e a r s d u et ot h e i rv e r s a t i l ea p p l i c a t i o n si ne a a z y m ea n d c e l li m m o b i l i z a t i o n w a t e rt r e a l l a l d l ta n dd r u gd e l i v e r ys y s t e m d d s h o w e v e r h o w t oa d j u s t e dt 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 皿c s do fp n i p a a mh y d r o g e l s t ob ec l o s et ot h eh u m a nb o d yt e m p e r a t u r e 3 7 c a n dk e e pag o o dt e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t y i m u l t a n e i t yi ss t i l la m a i np r o b l e ma n da t t r a c t sm a n ys c i e n t i s t s i nt h i sp a p e r t h ep o l y a c r y l a m i d e p o l y n i s o p r o p y l a e r y l a m i d e p a a m p n i p a a m i n t e r p e n e t r a t i n gp o l y m e r n e t w o r k g p n h y d r o g e l s a n d p o l y n v i n y l p y r r o l i d o n e p o l y n i s e p r o p y l a c r y l a m i d e p v p p r m a a m i p n h y d r o g e l sw e l ep r e p a r e db ys e q u e n t i a li p n m e t h o du s i n ge l e c t r o nb e a m t h eb a s i c p o l y m e r p o l y a e r y l a m i d e p a a m h y d r o g e l sw e 豫s y n t h e s i z e df i r s tb yi r r a d i a t i n g t h ea q u e o u ss o l u t i o no fa u nu s i n ge l e c t r o nb e a m t h es e c o n dm o n o m e rw 笛 i n t r o d u c e d b ys o a k i n g t h ep a a mf i l mi n t ot h ea q u e o u s s o l u t i o no f n i s o p r o p y l a e w l a m i d e n i p a a m a n dt h ep a a m p n i p a a m p nh y d r o g e l sw e r e o b t a i n e db yi r r a d i a t i n gn i p a a ma q u e o u ss o l u t i o ns w e l l e dp a a mf i l ma g a i nu s i n g e l e c t r o nb e a m l i k e w i s e t h ep v p p n i p a a mi p nh y d r o g e l sw e r es y n t h e s i z e di nt h i s w o r k t h ep v p p n i p a a mc o p o l y m e r sw e r ep r e p a r e db yi r r a d i a t i n gt h ea q u e o u s s o l u t i o nm i x t u r eo f p v pa n dn i p a a mw i t he l e c t r o nb e a ma l s o f u r t h e r m o r e 血ep o l y f n n d i m e t h y l a m i n o e t h y lm e t h a c r y l a t e p d m a e m a a n di t sc o p o l y m e ro fp o l y 叫 n d i m e t h y l a m i n o e t h y lm e t h a c w l a t e c o n i s o p r o p y l a c r y l a m i d e p o l y d m a e m a c o m a a m w e r es y n t h e s i z e db yt h e r m o p o l y m e r i z a t i o n t h ee f f e c to fc o m p o n e n tr a t i oo nt h eh y d r o g e l sw e r ei n v e s t i g a t e d e s p e c i a l l y t h es w e l l i n gb e h a v i o ro ft h eh y d r o g e l sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 鹇r es t u d i e di nt h e m e d i ao fd 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 r s o l u t i o n 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 no r t h e r m o p o l y m e r i z a t i o na r eb o t ht e m p e r a t u r e s e n s i t i v ea n dp h s e n s i t i v e i ta p p e a r e dt h a tt h et h e r m a ls e n s i t i v i t yo ft h ep a a m p n i p a a mi p nh y d r o g e l s 第1 l l 页 上海大学硕士学位论文 w e r eg r e a t l yw e a k a n dt h ep h a s et r a n s i t i o nw e r en o to b v i o u sw i t ht h ei n c r e a s i n go f a c r y l a m i d ec o n t e n t h o w e v e r t h el cs ro fp v p p n 口a a mh y d r o g e l si n c r e a s e d 州t i it h ei n c r e a s i n g o fp v pc o n t e n t a n dt h eh y d r o g e ls t i l lk e p te 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 ye v e ni f t h ep v pc o n t e n to ft h ec o p o l y m e rw 笛k e p ta tah i g h e rl e v e l ni n d i c a t e dt h e p o s s i b i l i t yo fg e t t i n gat h e r m o s e n s i t i v eh y d r o g e lw i t ht h el c s ta r o u n d3 7 2b y c o n l r o l l i n gt h er a t i oo f p t op n i p a a m t h el c s to fp d m a e m ah y d r o g e lw a sa b o u t5 0 c 谢l l lt h ei n c o r p o r a t i o n c o p o l y m e r i z u t i o n o fn i p a a mi nt h ec o p o l y m e r t h el c s tw a ss h i f t e dt oal o w e r t e m p e r a t u r e a n dt h el c s to f t h ec o p o l y m e rw a sb e t w e e nt h el c s to f p d m a e m a 5 0 a n dt h el c s to f p n i p a a m0 2 c t h ee f f e c to fp ho nt h eh y d r o g e l ss h o w e dt h a tt h eh y d r o g e l sa r eb o t h p h s e n s i t i v e t h es w e l l i n gb e h a v i o ro ft 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 n p o l y m e r i z a t i o nw a ss i m i l a rt ot h ea m p h o t e f i ch y d r o g e l s t h es w e l l i n gr a t i o s a l e s m a l l e ra tp h7a n da r el a r g e ra tl o w e ro rh i g h e rp r iv a l u e s p d m a e m aa n dp o l y 扛 缸虹凇 c o n i p a a m s h o wp h d e p e n d e n tp h a s et r a n s i t i o na n d e x h i b i tas u d d e n s h r i n k i n gi nv o l u m e 砒ar i g h tp i i a b o u tp h 7 9 m o r e o v e r t h er e v e r s i b l es w e l l i n g d e s 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 t e m p e r a t u r e o rp h w a sa l t e r e d f u r t h e m r e t h eh y d r o g e l sa l ei o n i cs t r e n 蚰s e n s i t i v i t y t h es w e l l i n gr a t i oo f t h ep d m a e m a h y d r o g e ld e c r e a s e dl i n e a r l yw i t ht h ei n c r e a s i n go fi o n i cs t r e n g t h b u t o t h e rb y d r o g e l sd e c r e a s e ds h a r p bw h e nt h ei o n i cs t r e n g t ho f t h es o l u t i o na r r i v e dt oa c e r t a i nc r i t i c a lv a l u e k e y w o r d s n i s o p r o p y t a e r y l a m i d e a c r y l a m i d e n n d i m e t h y l a m i n o e t h y l m e t h a c r y l a t e p o l y n v i n y l p y r r o l i d o n e h y d r o g e l i m e r p e n e t r a t i n gp o l y m e rn e t w o r k 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 d s w e l l i n gr a t i o s t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y p r is e n s i t i v i t y i o n i cs t r e n g t hs e n s i t i v i t y d e e 廿o nb e a m 第1 v 页 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 人已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 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 李址导师签名 牝日期 兰盟 上海大学硕士学位论文 第一章前言 水凝胶是能显著地溶胀于水但不溶解于水的一类亲水性高分子网络 由于水 和水凝胶网络中某些官能团的亲和性 水可能以键舍水 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 因此水凝胶能够保持一定的形状 根据水 凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感性水凝胶 传统的水 凝胶对外界环境如温度或p h 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 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 主要 表现在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 i 图1 1 为敏感性水凝胶的体积相交示意圈 h 环境刺激 环境刺激 图1 1 敏感性水凝胶的体积相变示意图 敏感性水凝胶随环境变化而体积变化 或亲水 疏水变化 的特性有可能在 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诱人的应用前景凹 其研究受到了国内外学者的广泛 关注 近年来 有关环境敏感性水凝胶的理论和应用研究都取得了很大的进展 制备水凝胶的常见方法是热化学交联聚合 反应过程需要加入引发剂 交联 剂 并在一定的温度下才可以进行 聚合中常用的化学引发剂有 1 热不稳定 第1 页 上海大学硕士学位论文 的过氧化物 如过硫酸钾 2 氧化还原体系 氧化剂如过硫酸铵 还原剂有亚 铁盐 四甲基乙二胺 t e m e d 等 交联剂常选用n n 一亚甲基双丙烯酰胺 由 于水凝胶的制备受到引发剂 反应温度等条件的影响 所以热化学交联聚合法制 备水凝胶受到了一定程度的限制 辐射交联聚合是应用电离辐射能来引发有机单体 主要是乙烯基单体 的聚 合反应 与热化学交联聚合相比 辐射聚合有如下几个特征 1 反应过程中不需要加入化学引发剂 所得到的聚合物更加纯净 没有引发剂 的残渣 这对合成生物医用高分子材料尤为重要 2 聚合反应易于控制 用穿透性大的y 射线 聚合反应可均匀连续进行 防止了 局部过热和不均一的反应 3 可在常温或低温下进行 在辐射聚合反应中链引发活化能饵i 很低 与反应温 度无关 这在制备包埋生物分子的水凝胶时独具优势 能使生物分子在低温 下固定而仍保持活性 4 生成的聚合物分子量和分子量分布可以用剂量率等聚合条件加以控制 5 辐射聚合能有效改性原聚合物 如进行两步反应可制备具核一壳结构的互穿网 络型的水凝胶 1 2 智能水凝胶的应用 1 2 1 药物控制释放系统 药物的固定化和可控释放是智能水凝胶在生物医学上应用的一个主要研究 领域 药物分子可以通过物理的或者化学的方法包埋于敏感性水凝胶中 如将干 的水凝胶浸泡于药液中而使药液渗入水凝胶 物理方法 或者通过酶与水凝胶骨 架上的活性基团之间的反应而将酶固定于水凝胶中 化学方法 被包埋的药物通 过水凝胶对外界环境的响应来实现控制释放 有许多研究者将水凝胶在低温下放 入药物溶液中溶胀以吸附药物 然后在高温时收缩排斥水和释放药物 这种模式 的缺点是溶胀时药物也扩散 收缩时释放药物又太快 很难达到所希望的缓释 长效和零级释放的要求 当聚合物中引入疏水组分之后 聚n 异丙基丙烯酰胺 p n i p a a m 水凝胶便具有另一种释药模式 当环境温度升到其低临界相变温 第2 页 上海丈学硕士学位论文 度 l c s t 以上时 水凝胶表面形成一个薄而致密的皮层 阻止凝胶内部的水 和药物向外释放 此时水凝胶处于 关 的状态 当温度低于l c s t 时 皮层溶 胀消失 水凝胶处于 开 的状态 内部的药物以自由扩散的方式向外快速释放 此即药物控释的 开 关 模式 h o f f m a n 等人i 7 合成了p n i p a a m 及 p n i p a a m c o m a a c 利用此模式研究了v b l 2 和肌红蛋白的控释 结果表明 这种模式较好地满足了药物控释的要求 o k a n o t s i 将疏水性的药物填充于 p n i p a a m 水凝胶中 温度低于l c s t 时 疏水性药物以慢速自由扩散方式释放 温度高于l c s t 时 疏水性药物由于与疏水性的p n i p a a m 分子链的亲合性好而终 止扩散 此外 敏感性水凝胶还可以直接制备成水凝胶膜或接枝于高分子膜的表 面 制成刺激响应性膜材料 由环境的变化来改变膜的通透性从而控制药物的释 放 图1 2 是一种具阀给药装置 药物贮库由没有渗透性的聚四氟乙烯组成 在 具有释药孔的阀门里 温敏水凝胶作为控释膜 当温度 l c 盯时 水凝胶收 缩 阀门区有很大的自由空间 阀门处于开放状态 药物释放 这种给药装置的 优点是可以通过改变阀门和释药孔的数目来调节药物的释放速率和释放量 1 2 2 物料分离 一九匡 l c s t 药蜮 k s t 蕾被毪水萎皎酲 兰訇 图1 2 温敏具阀给药装置示意图 分离过程是化学工业的 个关键过程 以往这个过程都是通过蒸馏 结晶等 方法来实现的 尽管膜分离和超滤等技术也广泛应用到这一领域 但存在着设备 复杂 成本高等缺点 尤其表现在分离有机物质或生物物质的稀溶液上 而将敏 感性水凝胶应用在分离领域 则具有很多优点州 1 1 操作条件温和 无需高温高 压 耗能少 而且也不会使活性分子失活 特别适用于生物大分子的分离和浓缩 第3 页 圭查查兰堡圭 坠笙苎 2 可根据要求浓缩和分离的生物物质的分子尺寸或分子性质来设计凝胶的交联 密度和单体单元结构 3 敏感性水凝胶对环境的智能响应具有可逆性 可以方 便地再生 反复使用 具有很好的应用前景 例如我们可以使用温度敏感性水凝胶来分离大小不同的生物分子 如图1 3 所示 这种分离过程只需在水凝胶的最低相转变温度皿c s d 附近反复升温 降温 使水凝胶对生物分子选择性吸收 解吸 就可以达到分离目的 方法简单 经济 无需特殊的设备 圈1 3 温度敏感性水凝胶分离溶液中大小不同生物分子的示意图 金曼蓉等 lo 用阶订吧舢妞对牛血清蛋白 碱性蛋白以及人体激素溶液进行浓缩萃 取实验 结果表明凝胶萃取对于浓缩和制备贵重生化制品很有效 尤其有利于保 持被处理药物的生物活性 王锦堂等 4 1 通过用p n i p a a m 凝胶对蛋白质和酶的分 离研究表明 p n i p a a m 的分离效率在相转变温度附近发生突跃 显示出很好的 分离能力 h o f f r n m a n t 4 1 研究组曾合成了阶皿从m 与蛋白质a 链酶抗生物素蛋 白突变体n 4 9 c e 1 1 6 c 等的耦合物 应用p n i p a a m 的熟响应性来控制亲和分离 人体免疫球蛋白 生物素等 1 2 3 酶的固定与免疫分析 敏感性水凝胶在酶的固定与免疫分析上得到了广泛应用 通过酶与水凝胶骨 架上的活性基团之间的反应可以将酶固定于水凝胶中 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 卓仁禧等0 5 1 6 1 将糜 第4 页 上海大学硕士学位论文 蛋白酶 蜗牛酶 嗜热菌蛋白酶固定在p n i p a a m 上并在应用方面作了大量研究 制备了一种温度敏感的溶解一沉淀固定化酶 既实现了相分离 避免酶的失活 又可均相催化 1 9 8 7 年 h o f f m a n 等 1 7 1 通过聚异丙基丙烯酰胺 n i p m 曲 与抗体或抗原的偶 联 将它的温敏性应用于免疫分析当中 创建了一种新的分离分析方法 即沉淀 免疫分析法 其方法是通过聊m 与抗体或抗原的偶联 利用高聚物特有的 温敏性 在温度低于l c s t 时 免疫反应快速发生 当温度高于l c s t 时 利用高 速离心 分离出反应物 并进行测定 整个方法包括以下几个过程 1 一抗连 接到聊m a a m 骨架上 2 二抗与标记物相连 3 在温度低于l c s t 时 一抗高 分子结合物 二抗探针结合物和生物体液样品混合反应 4 升温至l c s t 以上 使免疫复合物沉淀 5 分离测定 由于反应复合物与原料的分离 避免了均相 免疫分析中的相互干扰问题 而分析测定在分离之后进行 故其灵敏度与其它的 异相免疫分析相当 沉淀免疫分析法集中了均相与异相免疫分析的优点 可在临 床诊断 生物体液的分析等方面得到应用 周平掣1 埘将单克隆抗体与p n i p a a m 共价键合 对血清样品中的i m s a g 进行了检测 发现这种均相反应 异相分离的 模式具有均相免疫分析速度快 异相免疫分析灵敏度高的优点 1 2 4 其它领域 智能水凝胶还在其它众多领域具有广阔的应用价值 如化学膜和化学阀 吸 水材料 化学机械器件 调光材料等 h a r u o 1 9 l 嵩0 作了一种智能玻璃 其机理就 是利用了水凝胶可逆热敏特性 达到可逆智能遮光目的 1 3 智能水凝胶的研究进展 1 3 1 p h 敏感性水凝胶 1 9 8 0 年 t a n a k a 首次报导陈化后的丙烯酰胺凝胶具有p h 敏感性 引起了 人们极大的兴趣 随后有关p h 敏感性水凝胶的报导越来越多 p h 敏感性水凝胶 网络中一般含有可离子化的酸性或碱性基团 随着介质p h 值改变 这些基团会 发生电离 导致网络内大分子链段间氢键的解离 产生不连续的溶胀体积变化 第5 页 上海大学硕士学位论文 这类水凝胶根据敏感性基团的不同可分为阴离子 阳离子和两性离子三种类型 阴离子型p h 敏感性水凝胶的可离子化基团一般为 c o o h 对聚丙烯酸类水 凝胶而言 一般在p h 值较低的介质中处于收缩状态 在p h 值处于弱酸至弱碱之 间时 溶胀率急剧增大 当介质的碱性再大时 凝胶又处于收缩态 这主要是因 为在介质的p h 值较低时 此类水凝胶可离子化基团的离解度低 静电斥力对凝 胶的溶胀几乎没有贡献 此外在p 壬王值较低下 阴离子基团之间存在较强的氢键 使得凝胶缠绕在一起呈收缩态 水分子难以进入凝胶叫 随着口h 值升高 中和 作用增强 离解度迅速增大 静电斥力使网络形变加大 溶胀率逐渐增大 当p h 继续升高时 此时离解度趋于完全 而且随着胶内 外离子浓度基本相等 胶外 的渗透压趋于零 凝胶逐渐收缩阎 此外 交联剂用量 单体浓度以及交联剂的 官能度数会直接影响网络的结构 对凝胶的溶胀率有很大的影响 国内的陆大年 等采用自由基水溶液聚合法合成了聚丙烯酸水凝胶 并较系统地探讨了原料配比 及交联剂对p h 敏感性的影响 徐晖等 2 q 合成了具有p h 敏感性的甲基丙烯酸 p o l o x a m e r 的共聚物水凝胶 研究了氢溴酸右美沙芬和维生素b 1 2 在其中的扩散 行为 表明该水凝胶可以控制药物在皿i 值较低的介质中基本不释放 中性或碱 性介质中 药物以较快的速率释放 通过改变共聚物中单体的组成可以调节凝胶 的平衡溶胀率和凝胶中药物的扩散系数 阳离子型p h 敏感性水凝胶的可离子化基团一般为氨基 如n n 一二甲基 乙基氨乙基甲基丙烯酸甲酯 乙烯基吡啶和丙烯酚胺 其p h 敏感性主要来自氨 基的质子化 氨基越多 水凝胶水化作用越强 平衡溶胀率越大 其溶胀机理与 阴离子型相似 s i e g e l 鲫等研究了阳离子型p h 敏感性聚胺共聚物水凝胶释放咖啡 因的实验 研究表明当p h 值降低时 聚合物中的氨基离子化 导致凝胶膨胀释 放出咖啡因 两性p h 敏感性水凝胶同时含有酸碱基团 其p h 敏感性来源于高分子网络上 的两种基团离子化 酸性基团在高p h 时离子化 碱性基团在低p h 时离子化 故 两性水凝胶在高低p h 值处均有较大的溶胀率 而在中间p h 值处其溶胀率较小 与前面两种不同 它在所有p h 范围均存在溶胀 同时它对离子强度的变化更敏 感 上海大学的陈捷老师等瞄1 采用辐射法制备了壳聚糖 丙烯酸共聚水凝胶 其 在低p h 和高p h 值处都有较好的溶胀性能 而在中间p h 值溶胀率较低 此外还用 辐射法制备了聚n 异丙基丙烯酰胺 发现这一典型的温度敏感性水凝胶同时还具 第6 页 上海大学硕士学位论文 有p h 敏感性 其在低p h 和高p h l 直处的溶胀率要高于中间p h 值处网 1 3 2 温度敏感性水凝胶 1 9 8 4 年t a n a k a 2 8 1 报道了聚n 异丙基丙烯酰胺o n m a a m 水凝胶具有温敏性 特征 在低温下溶胀 在高温下收缩 其特点是存在一个温度转变区域 低临 界相变温度皿c s d 当水凝胶在低于这一温度时凝胶溶胀 超过该温度则体积迅 速收缩 此后 关于温敏水凝胶的报道日渐增多 但主要集中在聚n 异丙基丙烯 酰胺类水凝胶 许多研究者采用了各种热力学理论 并建立数学模型来试图解释 水凝胶的这种敏感性 啦舯 但有关这种相转变的物理机理和本质现在仍不清楚 对其的解释一般是认为凝胶中存在氢键和亲水 疏水平衡阻3 0 如在p n i p a a m 体 系中 一n h c o 一为亲水基团 而一c i 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p 蝴 张先正等人嗍使用从m 与n p 垴共聚合成了具有快速 温度敏感的水凝胶 亲水单体a a m 的加入提高了整个凝胶网络的亲水 疏水比 其与水分子形成的氢键数目增加 需要较多能量才能破坏这些氢键 故可通过改 变a a m 含量来提高水凝胶的低临界相变温度l c s t 同时 这种水凝胶由于其非 均相的结构 致使水凝胶网络孔径较传统p n i p a a m 水凝胶网络的孔径大 有利 于内部水分子扩散出来 因而具有较快的响应速率 王昌华p 6 l 利用丙烯酸 3 磺 酸钾 丙酯 s p a p 作为阴离子 与n i p a a m 在少量交联剂m b a 存在下共聚 制备 的p n i p a a m c o s p a p 的l c s t 在人体温度0 7 c 附近 此外 凝胶的l c s t 还跟 外界体系的无机盐浓度 p h 值等因素有关 s c h i l d l 3 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 许多研究表明 有些水凝胶的溶胀率随温度的升高而增加 反之则降低 表 现为热胀性 这种特性对于水凝胶的应用 尤其在药物的控制释放领域的应用有 重要意义 王昌华口 报道的经共价交联的聚丙烯酰胺存放一段时间 在4 2 丙 第7 页 上海大学碰士学位论文 酮 水混合溶剂中 随温度升高 在2 5 c 附近溶胀率发生突变 并增至约l o 倍 卓仁禧等m 恰成了聚 丙烯酸 共 丙烯腈 水凝胶 其在高温下的溶胀率明显大于 低温下的溶胀率 这类凝胶受热溶胀可能是由于凝胶网络内存在特殊作用力 如 氢键等 随着温度的升高 这种作用力减弱甚至消失 导致网络不断伸展 溶 胀率增大 高青雨嗍合成y p o q v p c o i h p a p a a 穿网络水凝胶 在弱碱性条 件下 嶂瑚 1 8 的缓冲液中 水凝胶的溶胀率随温度升高而大大提高 表现出热 胀性行为 其认为水凝胶外水的渗透压会随水温度的升高而迅速增大 导致溶胀 率增大 1 3 3 温度和p h 双重敏感性水凝胶 由于环境的复杂性 近年来人们对具有多重敏感性水凝胶的研究越来越感兴 趣 这方面的研究主要集中在对温度和p h 双重敏感的水凝胶 h o f f r m 锄 4 0 1 把酸性 的a a c 弓i 入具有温敏性酶鼢i 卫p a a m 凝胶中 辐射合成t p n i p a a m c o a a c 水 凝胶 兼具证痢温敏性 把对胃有刺激作用的吲哚美辛药包埋在此凝胶中 在 胃液的p h 值1 4 时 只有少量药物释放 但在肠液的p h i 7 4 时药物很快释放 因 此可减少药物对胃的刺激作用而达到定向释放的目的 t a e 4 l l 以具有温敏性的 n i p a a m 和具有p h 敏感性的n n 甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺为单体共聚 形 成的水凝胶在p h 7 4 下 温度为3 t c 时发生相交 胰岛索在其中的释放发生明显 变化 黄月文等1 4 2 合成了聚 n 异 丙基丙烯酰胺 共一丙烯酸 温度及p h 值敏感 水凝胶 并在此水凝胶中包埋抗结肠癌药物阿司匹林 研究表明在证i 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 而在3 7 c 下 p h 7 4 的介质中阿司匹林的释放比p h 1 0 的快得多 因此可将阿司匹林大部分定向到肠 中释放 1 3 4 电敏感水凝胶 某些高分子水凝胶在电场刺激下会发生体积相转变现象 o s a d a 等 4 4 1 独具 匠心地合成了在电场作用下不仅可以改变形状 还可以像黄鳝一样移动的电响应 凝胶 在o s a d a 的实验中 表面活性剂的阳离子由于电泳向阴极移动 与凝胶上 的阴离子作用而形成复合物 导致渗透压的变化而引起各相异性的收缩 凝胶向 第8 页 上海大学硕士学位论文 阳极弯曲 如果调整电场方向 可以得到向阴极弯曲的凝胶 电敏感水凝胶一 般由交联电解质 带有可离子化基团 网络组成 其溶胀易受电场 或电流 影 响 在此类凝胶中 荷电基团的抗衡离子在电场中迁移 凝胶网络内外离子浓度 的变化引起渗透压的变化 导致凝胶体积或形状改变 不同的水凝胶具有不同的特性 如p n i p a a m 有温敏性 但其缺点是在溶胀 状态下过于柔软 难以定型 同时凝胶的体积变化较慢 因而使其应用受到限制 眦 有p h 敏感性 但其强度较差易碎裂 聚乙烯醇 p v a 有很好的力学强度 及弹性等 因此 对水凝胶进行改性 使其兼具多种良好的性能是很必要的 也 是目前研究的重点 制备互穿网络聚合物 口 水凝胶就成了一个较为理想的途 径 i p n 是指将两个或两个以上化学上不同的组份分别形成各自独立的网络 而 两网络相互缠结在一起构成 拓扑键 形成的互贯穿网络聚合物 i p n 既可以由单 体共聚而成 又可以通过大分子后交联形成 它有两种类型 一种称为 i p n 其内部只有一种组份是交联的 而另一聚合物以线形链存在 每条线形分子链通 过不同网络互穿在产物中 另一种类型是两个组份均以网络形式互穿在一起称为 全皿n 喘有的强迫互容作用能使两种性能差异很大或具有不同功能的聚合物形 成稳定的结合 从而实现组分之间性能的互补 同时烈的特殊细胞状结构 界 面互穿 双相连续等结构形态特征 又使得它们在性能或功能上产生特殊的协同 作用 因此口n 为制备新材料又开辟了一条新途径 卓仁禧等人p 5 锵预先制备的 p a a 干凝胶浸入到含有交联剂的n i p a a m 的水溶液中 待小分子充分进入到p 从 凝胶内部后再加入引发剂引发体系进行聚合 从而制得了既有温度敏感性又有 p h 敏感性的p a a p n i p a i mi p n 水凝胶 这种水凝胶在弱碱性条件下的溶胀率远 大于酸性条件下的溶胀率 在酸性条件下 p h 1 4 i 0 1 表现为热胀水凝胶 而在碱性条件下 p h 7 4 i 0 1 1 表现为热缩水凝胶 高青雨 3 9 1 制备了互穿网络 水凝胶q n v p c o p h p a p a a 具有温度及p h 双重敏感性特征 李文俊等人f 以 壳聚糖 c s 及聚丙烯酸口从 为原料 制成了一种以聚电解质配合物c s p a a 为基 第9 页 上海大学硕士学位论文 础的s e m i i p n 水凝胶膜 实验表明 该水凝胶膜不仅对皿i 变化非常敏感 对离 子也显示出特殊的刺激响应性 l u 等人 4 刀辐射合成了n m a 耐孙办i 硎水凝 胶 不仅具有温度敏感性还具有很好的机械强度 亚甲基兰释放实验表明其缓释 效果要好于p n i p a a m 水凝胶 磁性水凝胶微球是近二十年来发展起来的一种新型功能高分子材料 其在药 物和基因输送方面具有许多优越性 其粒径为微米级甚至纳米级 比表面增大 微球官能团密度及选择性吸附能力变大 达到吸附平衡的时间大大缩短 粒子的 相对稳定性大大提高 作为药物载体具有载药量大 可提高药物的稳定性的特点 且微球可以穿过肿瘤组织内皮细胞进入组织间隙和细胞内 在细胞水平和 或亚 细胞水平供药 磁性水凝胶微球在外加磁场作用下可以方便地进行分离和磁导 向 这使其在物质分离和靶向给药方面具有诱人的应用前景 磁性水凝胶微球的制备方法 l l 主要有 包埋法 单体聚合法和原位法三种 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 单体聚合法是在 磁性粒子和有机单体存在的条件下 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 原位法首先是制得单分散的水凝胶微球 使水凝 胶微球在铁盐溶液中溶胀 微球中的基团 如一n h 一 与铁盐形成配位键或离 子键 然后升高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 采用上述方法丁小斌等 4 9 5 1 1 合成了f 白o 徊 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 同时还具有温敏特性 将该温敏性 磁性微球用于人血清白蛋白 璐a 的吸附 解吸研究 结果显示微球对蛋白质的吸 附 解吸具有明显的温度依赖性 可以用来分离 纯化蛋白质 酶等生物分子 n o r i h i r ok a t o s 2 l 等制备了载有磁微球的热响应凝胶p n 口a a m 其可以在交流磁 场作用下放热而自消溶胀 上海大学的陈捷等 5 3 辐射反相乳液聚合法制得了稳定 的p v p 磁性水凝胶微球 并包埋了抗癌药物平阳霉素进行了体外药物释放和动物 试验 研究表明磁性水凝胶微球具有明显缓释性和靶向性 可以实现在肿瘤部位 第l o 页 上海大学硕士学位论文 缓慢释放药物的目的 1 4 本文研究内容 本论文的主要目的是以温度敏感性的p n i p a a m 为主体 通过共聚或形成 i p n 水凝胶的方法制备环境敏感性水凝胶 以期得到相变温度能达到或略高于人 体生理温度 3 7 的智能水凝胶 为药物控释系统提供温度敏感性的载体 以电子束加速器为辐射源通过二步反应辐射合成了p a a m p n i p a a m 及 p v p p n i p a a m 互穿网络水凝胶 此外 还通过电子加速器辐照聚乙烯基吡咯烷 酮和n 异丙基丙烯酰胺混合溶液的方法合成了p v p p n i p a a m 共聚水凝胶 许多文献报导了聚甲基丙烯酸n n 甲基氨基乙酯 p d m a e m a 水凝 胶也具有温度敏感性 其在水中的l c s t 在5 0 附近 高于p n i p a a m 的l c s t 3 2 1 2 因此 若将这两种温度敏感的物质共聚很可能得到l c s t 在3 2 5 0 之间的温度敏感性水凝胶 有关这方面的研究很少 本文通过热化学共聚法合 成了p d m a e m a 及p o l y d m a e m a c o n i p a a m 共聚水凝胶 水凝胶的溶胀性能是本文的一个主要研究内容 主要研究了不同配比对水凝 胶性能的影响 特别是不同温度下 水凝胶在不同介质 如去离子水 不同d h