（有机化学专业论文）温度及ph敏感nipam系ipn凝胶的制备与性能研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 以n - 异丙基丙烯酰胺( n 卫p a m ) 、丙烯酸( a a c ) 、丙烯酰胺( a a m ) 和甲基丙烯酸丁酯( b m a ) 为原料，运用互穿网络技术，合成了三种亲 水性不同的温度及p h 敏感的p a a c p ( n i p a m c o - b m a ) 、 p a a c p n i p a m 和p a a c p ( n i p a m - c o - a a m ) - 耳_ 穿聚合物网络( i p n ) 水凝 胶，通过与共聚凝胶p n i p a m 、p ( n i p a m - c o b m a ) 和 p ( n i p a m - c o - a a m ) 的对比分析，系统研究了n i p a m 系i p n 凝胶的温 敏特性、溶胀和退胀行为、载药与释药性能。 采用红外光谱( 玎r ) 、示差扫描量热法( d s c ) 等手段对n i p a m 系 i p n 凝胶的结构、氢键相互作用和水在凝胶中的存在状态进行了表征 与分析。实验表明，n i p a m 系i p n 凝胶与共聚凝胶相比，由于有效 交联密度大，其强度显著提高，且凝胶疏水性越强，压缩模量增大。 所制i p n 凝胶对温度和p h 的脉冲刺激具有可逆响应性，随着凝胶亲 水性的增强，对温度和p h 的响应越灵敏。并且发现n i p a m 系i p n 凝胶在纯水中具有热胀温敏特性，在酸性条件下( p h - - - 2 2 ) 无温敏特 性，在碱性条件下( p h = 7 4 ) 表现出热缩温敏特性。对n i p a m 系i p n 凝胶在不同条件下的溶胀与退胀行为的分析表明，i p n 凝胶的吸水溶 胀为非f i c k 过程，由高分子链松弛控制溶胀速率。随着凝胶的亲水 性增加，凝胶的初始溶胀速率和退胀速率加快，平衡溶胀度增大，最 终水保留率减少。 载药与释药实验结果表明，随着凝胶亲水性的增强，亲水性药物 水杨酸钠的载药率提高，而增强凝胶的疏水性有利于提高水杨酸的载 药率。分别考察了干态载药凝胶和湿态载药凝胶的释药规律，从凝胶 的溶胀、药物的溶解性、凝胶与药物间的相互作用等方面对n i p a m 系i p n 凝胶的药物释放性能进行了分析。干态载药凝胶的药物释放率 主要与凝胶的亲水性有关，凝胶的亲水性越强，释放率越大。湿态载 药凝胶的亲水性增加有利于水杨酸的释放，但对水杨酸钠的释放率影 响较小。干态载药凝胶在4 5 水中的释药率大于2 5 时的释药率， 而湿态载药凝胶在4 5 时的释药率小于2 5 时的释药率。 关键词n 异丙基丙烯酰胺，互穿聚合物网络沁n ) ，温敏凝胶，p h 敏凝胶，亲水性，溶胀，疏水相互作用，药物控制释放 硕士学位论文a b g r r a c t a b s t r a c t as e r i e so ft e m p e r a t u r ea n dp hr e s p o n s i v ep a a c p ( n i p a m - c o - b m a ) ，p a a c p 卜m ) a 脚a n dp a a c p f n i p a m - e o - a a m ) h y d r o g e l s w i t hd i f f e r e n th y d r o p h i l i c i t yw e r ep r e p a r e df r o mn - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e 0 岫a a m ) ，a c r y l i ca c i d ( a a c ) ，a c r y l a m i d e ( a a m ) a n db u t y l m e t h a c r y l a t e ( b m a ) b yf u l l i n t e r p e n e t r a t i n gn e t w o r k ( f u l l - m n ) t e c h n i q u e ，a n d c o m p a r e dt h e mw i t hh o m o g e n e o u sp n i p 灿n , p ( n i p a m - e o - b m a ) a n d p t n i p a m - c o - a a m ) t h et h e r m o s e n s i t i v i t y , s w e l l i n g ，d e s w e l l i n g ，d r u g l o a d i n ga n dd r u gr e l e a s i n gp r o p e r t i e so f t h e s eh y d r o g e l sw e r es t u d i e di n t h i sa r t i c l e t h es t r u c t u r e ，h y d r o g e nb o n d si n t e r a c t i o na n dt h ew a t e rs t a t e so f i p ng e l sw e r ec h a r a c t e r i z e da n da n a l y z e db yi n f r a r e ds p e c t r o s c o p ya n d d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a ti p n g e l sh a v ee x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t yc o m p a r e dw i t he o p o l y m e rg e l s b e c a u s eo fg r e a te f f e c t i v ec r o s s l i n k i n gd e n s i t y w i t ht h ei n c r e a s i n go f h y d r o p h o b i c i t y , t h ec o m p r e s s i o nm o d u l u si n c r e a s e d t h ei p ng e l sh a v e s w e l l i n g - c o n t r a c t i n gr e v e r s i b i l i t y i nt h es o l u t i o nw h i c hp hv a l u eo r t e m p e r a t u r ew a sa l t e r n a t e d l yc h a n g e d , a n di p ng e l sp o s s e s s b e t t e r t e m p e r a t u r ea n dp hs e n s i t i v i t i e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fh y d r o p h i l i c i t y t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti p n g e l ss h o w e dp o s i t i v et e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y i np u r ew a t e r , n e g a t i v et e m p e r a t u r es e n s i t i v i t ya tw e a ka l k a l i n em e d i a ( p h = 7 4 ) a n dn o n - t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t ya ta c i d i cm e d i a ( p h = 2 2 ) t h e s w e l l i n ga n dd e s w e l l i n gk i n e t i c so fn i p a mi p ng e l su n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o nw e r es t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es w e l l i n gb e h a v i o r s o f t h ei p n g e l sc o u l db ew e l ld e s c r i b e dw i t ht h en o n - f i c km e c h a n i s m , t h e s w e l l i n gr a t ew a sd e p e n d e n to nm a c r o m o l e c u l a rr e l a x a t i o n w i t ht h e i n c r e a s i n go fh y d r o p h i l i c i t y , t h ei n i t i a ls w e l l i n gr a t e ，t h ee q u i l i b r i u m s w e l l i n gr a t i oa n dt h ed e s w e l l i n gr a t eo fi p ng e l si n c r e a s e d , w h i l et h e w a t e rr e t e n t i o nd e c r e a s e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fd r u gl o a d i n ga n dd r u gr e l e a s i n g p r o p e r t i e ss h o w st h a tt h es o d i u ms a l i e y l a t el o a d i n gr a t i oo fi p ng e l s i n e e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fh y d r o p h i l i c i t y , w h i l et h es a l i c y l i ca c i d l o a d i n gr a t i oi n c e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fh y d r o p h o b i c i t y t h er u l eo f 硕士学位论文 a b s l r a c t d r u gr e l e a s i n go fd r y - l o a d e dh y d r o g e l sa n dw e t - l o a d e dh y d r o g e l sw 啪 i n v e s t i g a t e d t h ed r u gr e l e a s i n gp r o p e r t i e sw e r es t u d i e df r o mh y d r o g e l s w e l l i n gp r o p e r t i e s ，d r u gs o l u b i l i t ya n dd r u g - p o l y m e ri n t e r a c t i o n t h e 硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 智能水凝胶的简介 第一章文献综述 高分子凝胶是指一种充满液体的大分子网络，即由网状结构( 交联结构) 的 高聚物和溶剂所组成。它是介于液体和固体之间的三维网络或互穿网络，既有液 体样的运动性和流动性，又具有固体样的形稳性。由于水凝胶对外界条件的刺激 具有感知、传感、处理和驱动能力，具有及时地作出溶胀和收缩应答的智能效应， 使其在分子器件，调光材料，生物活性物质的高效分离，酶和细胞的智能固定化 以及药物可控释放等高新技术领域有广泛应用【l 】 自s c r a p a 等 2 1 于1 9 6 7 年首次观察到线型的卧i p a m 水溶液具有低相转变温 度的热敏现象，1 9 7 8 年t a n a k a 等【3 】发现p n i p a m 水凝胶具有温度敏感性以来， 温敏凝胶引起人们极大的兴趣。1 9 8 4 4 1 年h i r o k a w a 等人首次报道了非离子型的 p n i p a m 在二甲基亚飒的水溶液中有体积相变发生。从此，p n i p a m 以及n 烷基 取代丙烯酰胺成为国际上高分子领域一个新的研究热点，日美等国处于这方面研 究的领先地位。近年来，人们利用引起体积相变的因素作为控制凝胶的手段，进 行了响应性凝胶的研究工作。这种凝胶自身能感知、处理并作功而响应外界环境 细微的变化，将它作为药物载体，作为智能化的药物体系有着广阔的前景 1 1 1 智能水凝胶的分类 水凝胶有各种分类方法嘲，根据高分子交联方式的不同，可分为物理凝胶和 化学凝胶。根据合成材料的不同，水凝胶又分为合成高分子水凝胶和天然高分子 水凝胶。根据水凝胶大小形状的不同，有宏观凝胶与微观凝胶之分。根据水凝膣 对外界刺激的响应情况可分为传统水凝胶和环境敏感水凝胶两大类 6 1 。传统水凝 胶对环境的变化不敏感，而环境敏感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 变化甚至突变的一类高分子凝胶，也称为刺激响应性凝胶。刺激响应性凝胶可根 据刺激信号不同可分为温度敏感性水凝胶、p h 敏感性水凝胶、光敏感性水凝胶、 电场敏感性水凝胶、磁敏感性水凝胶和压敏水凝胶。 ( 1 ) 温敏水凝胶 温敏水凝胶是溶胀比在某一温度会发生突变的一类凝胶，也称为热敏水凝 胶。这种水凝胶的溶胀与收缩强烈地依赖于温度。溶胀比随温度的变化是不连续 硕士学位论文第一章文献综述 的，在某一温度下凝胶体积会发生突跃性变化。按其溶胀机理可以分为热胀温敏 水凝胶、热缩温敏水凝胶。 a 热胀温敏水凝胶：溶胀比在某一温度附近随温度升高发生突变式增加， 当温度降低时，其溶胀比又降低。聚3 - 二甲基( 甲基丙烯酸乙酯) 磺酸丙基胺 ( p d m a p s ) 凝胶是典型的低温收缩型凝胶1 7 1 。除了聚丙烯酰胺外，甲基丙烯酸， 丙烯酸经共聚后形成的水凝胶也具有热胀敏感性。k a t o n o 等 8 1 合成的 p ( a a m e , o - b m a ) p a a e 互穿聚合物网络( i p n ) 水凝胶和t a k a s h i 等【9 i 合成的聚 ( n , n - 二甲基丙烯酰胺c o - 丙烯酰胺c o 甲基丙烯酸丁酯) 与聚丙烯酸的互穿网 络水凝胶均具有高温溶胀，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。 b 热缩温敏水凝胶：在低温下溶胀，在较高温度下收缩，其溶胀比急剧下 降。聚( n - 异丙基丙烯酰胺) ( 孙订p a m ) 凝胶是典型的热缩温敏凝胶，相转变 温度为3 2 c 左右【1 0 1 。n , n - - 7 基丙烯酰胺、n 乙基丙烯酰胺、n 正丙基丙烯酰 胺也具有热缩温敏性【1 1 。1 2 1 ( 2 ) p h 敏感水凝胶 p h 敏感水凝胶是指溶胀比在某一p n 值发生突跃变化的一类凝胶。一般来 说，具有p h 响应性的水凝胶网络中含有酸性( 碱性) 基团，随着介质p h 值、 离子强度改变，这些基团发生电离，导致网络内大分子链段间氢键的解离，引起 不连续的体积变化。一般丙烯酸类或甲基丙烯酸类聚合物【蚺b 1 在p h 值高的条件 下离子化，而聚( 甲基丙烯酸_ n ，n 二乙氨基乙酯) ( p d m a e m a ) 在低p h 值时离子化。用这些高分子制成凝胶后，可得到p h 值敏感型凝胶。带离解离子 的凝胶容易产生体积相交，因此，调整条件可以制各出因微小p h 值变化而发生 巨大体积变化的智能水凝胶，它们主要用于药物控制释放、生物相容性材料等。 ( 3 ) 光敏性水凝胶 光敏性水凝胶是指凝胶体积在受光刺激时可发生突变的一类水凝胶。在通常 情况下，水凝胶的光刺激溶胀体积变化是由于聚合物链光刺激构型的变化，即其 光敏性部分经光照射转变成异构体引起的1 1 6 1 。此类凝胶在光记录介质，化学传 感器和非线性化学方面应用前景广泛。 ( 4 ) 电场敏感性水凝胶 水凝胶的电场敏感效应是指凝胶随外加直流电场的变化而发生的体积相转 变现象。此类水凝胶中都有可离子化基团，在电场作用下，高分子离子被固定在 网络上不能移动，而低分予离子则在电场下带着周围的水分子一起泳动，引起凝 胶的电收缩【l ? - 2 0 1 ( 5 ) 磁敏感性水凝胶 2 硕士学位论文 第一章文献综述 磁敏感性水凝胶即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，制备包埋磁性粒子的高吸水性磁场敏感水凝胶。k a t o 2 1 l 通过在聚n 异丙基丙烯酰胺中引入y - 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。 ( 6 ) 压敏水凝胶 水凝胶的压敏效应是指凝胶随外界压力的变化而出现的体积相转变的现象。 l 瞄喀人用n ，n - 亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂制备出了聚n 异丙基丙烯酰胺 凝胶，该凝胶的体积随压力变化而变化，他们认为凝胶的体积随压力的变化是由 于压力对该凝胶体系自由能有贡献所致。 1 1 2 智能水凝胶的应用 敏感型水凝胶能够自身感知、处理并响应外界环境的刺激变化，并具有能及 时作出体积溶胀和体积收缩应答的智能功能，因此作为一种智能材料有着良好的 应用前景 ( 1 ) 药物控制释放体系 智能水凝胶根据其特性可以作为药物智能载体，实现药物的固定化和可控释 放。常规的做法是将药物包埋在水凝胶或由其制成的微胶囊中，包埋药物的释放 速度可由凝胶体积的调控来实现，从而实现药物的可控释放，在适当的时间以适 当的速率将药物输送到人体所需的部位。水凝胶可以被设计成诸如盘状、球状、 片状等形状用来作长效释药载体。目前，响应葡萄糖浓度，控制胰岛素释放的药 物传送系统( d d s ) ( d r u gd e l i v e r ys y s t e m ) 的开发研究正迅速地发展，n i p a m 和3 丙烯酰胺苯基硼酸共聚物能响应葡萄糖浓度变化而溶胀收缩，作为胰岛素 的开关型控制释放凝胶体系而受到极大关注。 ( 2 ) 物质分离 智能水凝胶的微结构变化可由p h 、温度、离子强度、光、电、磁的微小改 变所诱发此类微结构的改变能使水凝胶孔径或含水量发生可逆变化。有机物质 或生物物质的稀溶液分离，都存在着设备复杂，成本高等缺点，如用敏感性水凝 胶来分离，具有以下优点：水凝胶容易再生，可反复使用，耗能少，不必高温高 压，特别是可以根据要浓缩和分离的物质大小及分子性质选择设计单体结构和交 联密度。因而，水凝胶在分离工程上用途广泛。 ( 3 ) 组织培养 利用凝胶的温敏性可以制备出性能良好的组织培养系统。y a m a d a 等 2 3 1 在普 通培养皿内壁接枝p n i p a ，用此培养皿在较高温度下培养细胞，其成活率达7 3 ， 3 硕士学位论文第一章文献综述 较传统的酶洗脱法成活率( 1 4 ) 要高得多。 ( 4 ) 酶的固定 利用智能凝胶的刺激响应性能制备出敏感的溶解非溶解固定化酶。卓仁禧 等阱悃p n i p a m 固定了嗜热茵蛋白酶，发现可以实现酶的均相催化和异相分离， 且固定化酶的活性基本不损失。这种酶的固定化方法可以避免使用一些对酶的活 性造成损害的分离手段，还提高了酶的稳定性。 智能型水凝胶还可以用作传感器、可控化学阀门、记忆材料、执行元件、隐 形眼镜、渗透膜、人工肌肉、敏感性能的增稠剂、防腐剂、电阻墨水、电泳母体、 化妆品、涂层、包装、调光材料 2 5 - 2 9 1 等。 总之，智能水凝胶由于其独特的刺激响应特性，已经在很多领域得到了广泛 应用，也吸引了众多学者加入到水凝胶研究的行列。智能水凝胶的合成和应用涉 及学科众多，具有显著的多学科交叉特点，是当今最具挑战的高新技术研究前沿 领域之一。 1 2 温敏凝胶研究进展 在众多的智能凝胶中，温度敏感的聚( n - 异丙基丙烯酞胺) ( p n i p a m ) 水 凝胶目前研究最为广泛。由于其大分子侧链上同时具有亲水性的酰胺基- c o n h - 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 水 凝胶呈现出温度敏感特性。在常温下，线型p n i p a m 溶于水中形成均匀的溶液， 当温度升高至3 0 一3 5 之间的某一温度时，溶液发生相分离，该温度称之为最 低临界溶解温度( 1 0 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 简称l c s t ) 。n i p a m 聚合过 程中加入交联剂或经处理产生化学交联后，就成为p n i p a m 水凝胶，它在室温下 溶胀，而在相交点3 3 附近，温度变化不到一摄氏度就可引发高达百倍的体积 收缩变化。除了溶胀体积有这种突跃性变化之外，凝胶的其它性质( 如相互作用 参数、模量、折射率、介电常数、光学各向异性等) 也会同时发生突跃性变化， 这些性质的变化往往都具有可逆性。这种由温度敏感性而引起高聚物产生的智能 型和记忆效应引起了人们很大的兴趣，成为国际上高分子领域一个新的研究热点 p 4 l 。 1 2 1 温敏凝胶的制备 ( 1 ) 均聚凝胶的制备 均聚凝胶通常可采用化学引发的溶液聚合法来合成，也可采用辐射引发单体 聚合和交联，交联度可通过辐射强度和时间来控制。其中，化学引发聚合是常见 的制备水凝胶的方法。该法使用引发剂和交联剂，以实现单体的引发、聚合和交 4 硕士学位论文 第一章文献综述 联。常用的交联剂有n n 亚甲基双丙烯酰胺( b i s ) 、二甲基丙烯酸乙二醇酯 ( e g d m a ) 、二甲基丙烯酸二甘醇酯( d e g d m a ) 等。常用的化学引发剂有： 热不稳定的过氧化物，如：过硫酸钾、过硫酸铵等；氧化还原体系，氧化剂 可以选择过硫酸钾、过硫酸铵等，还原剂可以选择亚铁盐、亚硫酸氢钠、四甲基 乙二胺( t e m b d ) 等。此外，聚合反应温度、交联剂用量等因素都影响水凝胶 的性能。 利用辐射技术制备温度敏感性凝胶也是一种有前途的方法。n o g a o k a t 3 s l 等在 不使用交联剂的情况下通过辐射引发使单体在水溶液中交联合成p n i p a m 水凝 胶。h o f f m a n 等 3 6 1 在高于l c s t 的温度下将n i p a m 辐射交联合成了大孔温敏水 凝胶。 ( 2 ) 共聚凝胶的制各 共聚凝胶的合成与均聚凝胶的合成并无很大差别。若采用溶液聚合，则以所 需比例的单体溶于溶剂后即可进行聚合，一般不需特别处理。张先正等人【3 7 】采 用过硫酸铵与n ，n n n 四甲基乙二铵引发n i p a m 与丙烯酰胺体系聚合生成共 聚水凝胶。用y 辐射共聚也是一个可行的方法。翟茂林【3 8 1 人采用y 辐射技术合 成了温度敏感性水凝胶聚n 异丙基丙烯酰胺( p n m 岫) 及它与带活性酯基n - 丙烯酰氧基丁二酰亚胺的共聚凝胶。 ( 3 ) 互穿聚合物网络( n ) 凝胶的制备 i p n 是指将两个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。它是一种特殊的共混物， 即高分子间配合物，是由两种高分子通过次级价键力( 如静电相互作用、氢键及 范德华力等) 发生缔合而构成。它包括全互穿网络( f u l l n ) 和半互穿网络 ( 鲫m i 玎p n ) 两种。两个组份均以网络形式互穿在一起称为全i p n ，也可以用一 种线性高分子填充于另一种交联高分子中构成半i p n 。i p n 内的次价键可以随环 境变化可逆地生成或破坏，从而导致i p n 的溶胀体积发生不连续的变化 3 9 1 。 k 【4 3 】等人对p v a p a ai p n 水凝胶的合成和性能进行了详细的研究。他们 采用不同的方法将p v a 和p a a 进行互穿，这些方法包括：化学方法 c h e m i c a l m e t h o d ( i p n = c ) 、顺序方法 s e q u e n t i a lm e t h o d ( i p n - s e ) 、同步方法 s i m u l t a n e o u s m e t h o d ( i p n s s ) 】及u v 方法【u vm e t h o d ( i p n s - u v ) 等。卓仁禧等人】将预先制备 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 a a 凝胶内部后再加入引发剂引发体系进行聚合，从而制得p a a p n i p ai p n 水 凝胶。由于i p n 水凝胶在较高的温度和不同的液体中具有更高的稳定性，网络 中组分间的相互作用往往产生协同效应，使其性能比单独聚合物网络更优越，因 此合成i p n 结构正日益受到重视。 硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 2 温敏凝胶的结构表征 由于水凝胶对温度、口h 值、电场等刺激具有响应特性，所以水凝胶的结构 特点和表征是进一步了解水凝胶的关键。水凝胶含有复杂的三维网络结构，其中 还包含有大量不同状态的水分子，而且水凝胶的表面常常具有一定的黏性，暴露 在空气中时凝胶网络内水分易挥发等问题使其表征较一般的高分子材料更为困 难。 溶胀度的测试是表征水凝胶性能最为直观的手段，通常用量体积法或称重法 测定溶胀前后水凝胶的体积变化。它较为直观地反映出水凝胶的溶胀性质、保水 性质、温度及p h 响应性能。 示差扫描量热分析方法( d s c ) 常用于表征水凝胶的结晶结构 4 s l 、测试水凝 胶均聚物和共聚物的转化温度t g 以及共聚物组成变化对t 窖的影响，也可用于研 究水凝胶中水的状态和含量【妊4 9 1 。力学拉伸实验可测试水凝胶的力学性能如拉伸 强度、断裂伸长率和弹性模量。动态力学分析如d m t a 等可以测试水凝胶的储 能模量( e - ) 和损耗模量( e ) 5 0 i 。 分子光谱是表征聚合物化学和物理特性最常用的物理方法之一红外光谱 ( 取) 、核磁共振波谱( n m r ) 、紫外可见光谱( u v ) 可用于表征干态凝胶的结 构、表征水凝胶中的亲水基团，以及亲水基团的差异和数量对水凝胶吸水能力的 影响。通过一些基团特征峰值的漂移以及吸收峰的强弱变化，可以确定i p n 中 两种高分子链间是否有新的作用力形成【5 ”。而拉曼光谱( r a m a n ) i 捌则可以表征 湿态水凝胶的结构。同时，核磁共振波谱哪州、紫外可见光谱岱习皆可用于表征 水凝胶高分子链的构象和交联结构。 x 射线衍射法用于研究水凝胶内部结晶结构【裕”。电子显微镜如透射电镜 ( t e m ) 、环境扫描电镜( e s e m ) 可以表征水凝胶的内部形态结构及表面形貌 s s - 6 2 。原子力显徽镜( a f i v l ) 是用一个微小的探针扫描试样的表面，通过控制 及检测探针与试样表面间的相互作用力而形成试样的表面形态像阻蜘。利用荧光 探针可研究凝胶的疏水微斟酌删。 1 2 3 凝胶的温敏机理研究进展 在对p n i p a m 的研究中，人们最关心的一个问题即是p n i p a m 产生这种温 敏特性的机理，这也是当前对p n i p a m 研究的一个重点。虽然人们现在对水凝胶 的敏感性机理还不十分清楚，但仍有许多研究者通过各种热力学理论对此进行了 有益的探讨。目前较容易被人接受的观点是：p n i p a m 分子内具有一定比例的疏 水和亲水基团，它们与水在分子内、分子间会产生相互作用。在低温时p n i p a m 6 硕士学位论文 第一章文献综述 与水之间的相互作用主要是酰胺基团与水分子问氢键作用。在l c s t 以下， p n i p a m 分子链溶于水时，由于氢键及范德华力的作用，大分子链周围的水分子 将形成一种由氢键连接的、有序化程度较高的溶剂化壳层，并使高分子表现为一 种伸展的线团结构。随着温度上升，p n i p a m 与水的相互作用参数发生突变，部 分氢键被破坏，大分子链疏水部分的溶剂化层被破坏。温度的升高对疏水基团的 影响表现在两个方面：一方面疏水基团问的相互作用是吸热的。熵驱动”过程， 即随温度升高，聚合物溶液体系的熵增加，疏水基团的缔合作用增强；另一方面 疏水基团的热运动加剧，疏水缔合作用被削弱，同时，水分子的热运动加剧，从 而改变了疏水基团周围水分子结构与状态，使水疏水基团的作用发生变化，疏 水缔合作用进一步被削弱。总的结果是p n i p a m 大分子内及分子间疏水相互作用 加强，形成疏水层，水分子从溶剂化层排出表现为相变。此时高分子由疏松的线 团结构变为紧密的胶粒状结构，发生了c o i l - g l o b u l e 转变，从而产生温敏性 p n i p a m 的水凝胶温敏性相转变是由交联网络的亲水性疏水性平衡受外界条件 变化而引起的，是大分子链构象变化的表现【酗吼1 定性上来看，水凝胶的溶胀过 程是水分子向凝胶内部扩散与凝胶侧链上亲水基团形成氢键的过程，当温度升高 时，氢键振动能增加，破坏氢键的束缚，使之断裂，水凝胶溶胀比则明显减少 许多研究者还通过各种热力学理论对水凝胶的各种敏感性进行了解释，其中 与实验现象符合较好的是h a v s i 嘲等人修改的由f l o r y 提出的平均场理论，该理 论从热力学角度解释了水凝胶的敏感性行为，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 l 7 3 1 等通过测定聚合物 链的持续长度b 和有效半径a 之比与敏感性之间的关系，提出了下面的半经验参 数s 作为凝胶有无敏感性的判定依据：s = ( b a ) 4x ( 2 f + 1 ) 4 ，式中f 代表单位有效 链上可离子化基团的数目，s 2 9 0 时，凝胶会发生敏感性相转变；8 0 ，导致凝胶发生相变。 2 3 3 凝胶的力学性能研究 由表2 5 和表2 - 6 可以看出，i p n 凝胶的压缩模量和有效交联密度明显高于 p n i p a m 共聚凝胶，且凝胶的压缩模量和有效交联密度随凝胶疏水性的增强而增 大。说明通过i p n 合成技术或在凝胶体系中引入疏水单体来提高凝胶的力学性 能的有效性和可行性。 表2 - 4i ，n i p a m 共聚凝胶的有效交联密度 t a b l e2 - 4e f f e c t i v ec r o s s l i n k i n gd e n s i t i e so f p n i p a mc o p o l y m e rh y d r o g e l s 这是由于疏水单体b m a 的引入增大了大分子链之间的缠绕程度，降低了水 凝胶的含水量，增加了凝胶网络的交联程度，使得聚合物刚性增强，分子链自由 旋转受到阻碍，链段之间引力增大，材料的力学强度明显提高。且i p n 凝胶是 在p ( n i p a m - e o - b m a ) 、p n i p a m 和p ( n i p a m - c o - a a m ) 凝胶的基础上引入另一网 络p a a c ，两网络相互缠结导致i p n 凝胶的有效交联密度远远大于均聚、共聚凝 胶。 表2 - 5p n i p a mi p n 凝胶的有效交联密度 t a b l e2 - 5e f f e c t i v ec r o s s l i n k i n gd e n s i t i e so f p n i p a mi p nh y d r o g e l s 2 4 小结 本章运用互穿网络技术，合成了具有不同亲疏水性的温度及p h 敏感的 p a a c p ( n i p a m - e o - b m a ) 、p a a c p n i p a m 和p a a c p ( n i p a m c , o - a a m ) 互穿 聚合物网络( i p n ) 水凝胶，并将它们与p n i p a m 均聚凝胶、p ( n i p a m - e o - b m a ) 硕士学位论文 第二章n i p a m 系i p n 凝胶的制各与表征 和p ( n i p a m - c o - a a m ) 共聚凝胶进行比较，采用瓜和d s c 对凝胶进行了表征， 测定了凝胶的有效交联密度，得出以下结论： ( 1 ) i r 分析表明，p a a c p ( n i p a m - c o b m a ) 、p a a c p n i p a m 和p a a d p ( n w a m - c o - a a m ) 凝胶具有i p n 结构。聚丙烯酸的羧基与酰胺基团存在氢键相 互作用。 ( 2 ) d s c 分析表明，可冻结结合水的含量远远小于可冻结自由水的含量。 随着凝胶亲水性的增强，可冻结自由水的含量增多 ( 3 ) i p n 凝胶与共聚凝胶相比，由于有效交联密度大，其强度显著提高， 且凝胶疏水性越强，压缩模量增大。 硕+ 学位论文 第三章n i p a m 系i p n 凝胶的温度p h 敏感性研究 第三章n i p a m 系i p n 凝胶的温度p h 敏感性研究 3 i 前言 聚n 异丙基丙烯酰胺( p n i p a m ) 是一种典型的温敏水凝胶，其体积相转变 温度在3 3 c 左右。当环境温度在3 3 附近变化时，p n i p a m 水凝胶的性质会发 生突变，基于这种特性，它在药物控制释放、酶的固定化及物质分离提纯等方面 有着诱人的应用前景。但在许多情况下仅有一种响应性是不能满足需要的。随着 多肽药物、基因药物的出现，人们对既有p h 响应性又有温度响应性的水凝胶的 制各及应用越来越感兴趣。 互穿聚合物网络( n ) 是两种或两种以上交联聚合物相互贯穿而形成的交 织聚合物网络，可看成是一种特殊形式的聚合物共混物。i p n 网络中各聚合物网 络既相互独立又相互依赖的特性将最终决定i p n 水凝胶具有不同于共聚物的性 能。各网络自身的性能以及网络间的相互作用，都对i p n 凝胶的温敏，p h 敏性 能有着重要影响。 本章在上章的基础上，对合成的n i p a m 系i p n 凝胶的温度及p h 敏感性进 行了研究，同时，考察了凝胶的亲水性对凝胶温敏、p h 敏性能的影响。 3 2 实验部分 3 2 1 温度敏感性测定 将合成后浸泡至溶胀平衡的凝胶切成1 0 c r u x l 0 c m x 0 5 c m 的小块，分别置于 不同温度的缓冲溶液( 用n a 2 h p 0 4 和柠檬酸配制p h = 2 2 和p h = 7 4 的缓冲溶液) 和蒸馏水中，待凝胶溶胀平衡后取出，用滤纸擦去表面水份立即称重。测试结束 后，将凝胶自然晾干，再在真空干燥器中烘干至恒重，称重。分别测不同温度下 水凝胶的平衡溶胀度，得到平衡溶胀度的温度依赖性曲线。作体积收缩( 或溶胀) 开始后最大斜率处的切线和最小斜率处的切线，两切线交点对应的温度为相转变 温度，最大斜率的大小说明凝胶对温度的敏感程度【9 蚋。凝胶溶胀度( 歙) 定义为： s r = ( m 。- m d ) m d公式( 3 1 ) 式中，为凝胶达到溶胀平衡时凝胶的质量，m d 为干凝胶的质量。 硕士学位论文第三章n i p a m 系i p n 凝胶的温度p h 敏感性研究 3 2 2p f i 敏感性测定 将凝胶样品分别置于不同p h 值的缓冲溶液中，待凝胶溶胀平衡后，分别测 凝胶在不同p h 值溶液中的平衡溶胀度，得到平衡溶胀度的p h 依赖性曲线 3 2 3 温度脉冲响应测试 预先将凝胶在的2 5 c 蒸馏水中溶胀至平衡，然后交替置于4 5 ( 2 和2 5 p h = 7 4 的缓冲溶液中，每隔0 s h 取出凝胶，测其溶胀度，作溶胀度与时间的关 系曲线。 3 2 4p a 脉冲响应测试 预先将凝胶在2 5 、p h = 7 4 的缓冲溶液中溶胀至平衡，然后交替置于p h - 2 2 和p h = 7 4 的缓冲溶液中，每隔0 5 h 取出凝胶，测其溶胀度，作溶胀度与时间的 关系曲线。 3 3 结果与讨论 3 3 1 凝胶的温度敏感性 图3 1 显示了i p n 凝胶在水中的平衡溶胀度与温度的关系。 蕾饕柚马一 t e a v a m a e i 。c 图3 - 1p n i p a m i p n 凝胺在水中的平衡溶胀度随温度的变化 f j 晷3 - 1e q u i l i b r i u ms w e l l i n gr a t i o sa saf u n c t i o no f t e m p e r a t u r ef o rp n i p a mi p ng e l si nw a t e r 图3 - 2 显示了p n i p a m 共聚凝胶在水中的平衡溶胀度与温度的关系。 硕士学位论文第三章n i p a m 系册q 凝胶的温度，p h 敏感性研究 图3 - 2 p n i p a m 共聚凝胶在水中的平衡溶胀度随温度的变化 f i g 3 - 2e q u i l i b r i u ms w e l l i n gr a t i o sa sa 劬c 6 0 no f t e m p e r a t u r ef o rp n l p a mc o p o l y m e rg e l si n w a t e r 由图3 - 2 可知，三种亲水性不同的共聚凝胶的溶胀度均随着温度的升高而下 降，表现出明显的热缩温敏特性。体积相转变温度是溶胀度随温度下降得最快时 所对应的温度，以凝胶溶胀曲线最大斜率的切线与溶胀平衡所达到的水平线的交 点的横坐标，作为凝胶的体积相转变温度。由图3 - 2 可得p ( n i p a m - c o b m a ) 、 p n i p a m 和p ( n i p a m - c o - a a m ) 水凝胶的相转变温度分别为2 8 5 、3 5 1 和3 9 7 ，即随着凝胶亲水性的增加，凝胶的相转变温度升高。而各凝胶对温度的敏感 性可通过溶胀曲线的最大斜率( s t ) 判断，p ( n i p a m - c o b m a ) 、p n i p a m 和p ( n i p a m - e o - a a m ) 水凝胶溶胀曲线的最大斜率分别为1 2 5 8 8 9 、- 2 8 4 7 6 5 和 - 2 1 0 5 8 6 ，所以凝胶温敏性的强弱顺序为p n i p a m p ( n i p a m - c o - a a m ) p ( n i p a m - c o - b m a ) 。 由图3 1 可知，与共聚凝胶不同，三种i p n 凝胶的平衡溶胀度均随温度的升 高而增大，表现为热胀温敏特性，但温敏性较共聚凝胶有所下降。 p a a c p ( n i p a m - c o b m a ) 、p a a c p n i p a m 和p a a c p ( n i p a m - c o a a m ) n n 凝胶溶 胀曲线的最大斜率分别为0 1 7 1 7 3 、0 3 7 1 4 9 和0 5 8 2 1 5 ，温敏性大小顺序为： p a a c p ( n i p a m - c o - a a m ) p a a c p n i p a m p a a c p ( n i p a m - e o b a r n ) 。 这是由于互穿网络中各聚合物网络除保持各自独立的特性外，又能够相互影 响。i p n 凝胶是在共聚凝胶网络中引入了另一网络p a a c ，p a a c 凝胶具有热胀温 敏性刖j ，温度较低时p a a c 网络的高分子链中羧基之间存在氢键作用，使整个网 络中的p a a c 高分子链相互缠绕，呈收缩状态，而随着温度的上升，这种氢键作 用被削弱，缠绕的p a a c 高分子链逐渐解开后分散到水溶液中，进而导致网络的 溶胀率也随之上升 4 4 1 。而共聚网络具有热缩温敏性，会因温度的上升而疏水作 用增强，促使p n i p a a m 凝胶的溶胀比下降【l i l l ；另一方面，温度较低时。网络 硕士学位论文第三章n i p a m 系m n u p h 敏感性研究 p a a c 中的羧基与共聚网络中的酰胺基团之间也存在氢键作用，使凝胶呈收缩状 态。随着温度的升高，氢键断裂，两个网络间的相互作用力减小，整个凝胶网络 趋于松驰，溶胀比上升1 4 j 。在这几方面的共同作用下最终导致i p n 水凝胶表现为 热胀温敏性，且随着共聚网络亲水性的增大，i p n 凝胶对温度的敏感性增强。 由图 3 1 可得p a a c p ( n i p a m - c o b m a ) 、p a a c p n i p a m 和 p a a c p ( n i p a m - c o - a a m ) 水凝胶的相转变温度分别为2 8 4 、3 4 8 和4 0 5 。 即随着凝胶亲水性的增加，凝胶的相转变温度升高，这与对应的共聚凝胶的相转 变温度基本一致，说明网络p a a c 的引入并不会显著改变凝胶的相转变温度。 图3 - 3 显示了i p n 凝胶在p h = 2 2 缓冲溶液中的平衡溶胀度与温度的关系。 圈3 - 3p n i p a mi p n 凝胶在p