低温收缩型水凝胶的制备

低温收缩型水凝胶的制备一．国内外研究现状1.应用和开发：近年来,国内外很多学者在它的应用和开发上做了很多工作，下面分几方面对其具体应用分类详述:a.药物的控释温敏性水凝胶可以感应环境温度的变化,改变溶胀-收缩状态来控制药物的释放。温度变化可以是由于机体自身生理状态变化而产生,也可以是人为采取的措施使局部温度发生变化。事实上,PNPAM型凝胶的最低临界温度(LCST)可以通过共聚的和添加剂的加入这两种方法进行调整,当LCST调整到接近人体的生理温度37℃时,它在人体内的活性就能保持更长的时间。b.物料分离生物分离技术原理是利用各种物质本身固有的特性,如物质吸附、结合、渗透等实现物质分离。高分子凝胶因其响应特性成为这一领域的新兴代表。冯霞研究了(PNIPAM-co-GMA-Dex)凝胶对牛血清蛋白(BsA)的浓缩分离效果,发现其对蛋白质溶液有较好的浓缩分离能力。将PNIPAM与具有识别功能的受体的配体(如细胞受体肤或抗体)或生物分子受体结合在一起,结合物混合在多组分溶液中,结合物会与亲和体发生选择性配位。当温度发生较大的变化时,配合物、聚合物一配体/受体结合物就会沉淀出来,达到从溶液中分离出来的效果。另外,通过控制孔径的水凝胶达到分离生化物质的目的。c.酶的固定末端具有官能团的单体(如N-丙烯酞氧基玻拍酸亚胺(NASI)或甲基丙烯酸缩水甘油酷(GMA)、N-丙烯酞胺氧基苯邻二甲酞亚胺(NAPI)),通过普通的自由基聚合,与MPAM合成共聚物,这一类聚合物具有温敏特性,如果要执行酶的固定,就要采用偶合反应,将酶与这类共聚物合成生物大分子,而由于有了PNIPAM的引入,使得该生物大分子也具有温敏特性。另一方面,这种固定化酶的方法,还能合成另外一种酶,这类酶定义为是对温度敏感的溶解一非溶解的固定化酶,它具有提高酶的稳定性、能重复使用,并且易于分离的优点。d.免疫分析采用PNIPAM作载体而建立的免疫分析方法具有均相免疫分析速度快和异相免疫分析灵敏度高的特点。朱庆枝采用偶连的方法,将抗体和PNIPAM聚合,用异硫氰酸萤光素标记羊抗人乙肝表面抗原抗体,创立了夹心型热敏相分离荧光免疫分析乙肝表面抗原的新方法。e.医用生物高分子材料PNIPAM与具有生物活性的大分子聚合,形成聚合物,这是较常见的应用。这一过程将PNIPAM的环境响应、温敏特性传递到生物分子上,使该生物分子成为水溶性的智能聚合物一生物分子结合物。生物医学上应用的主要机理是:PNIPAM的一端或两端的端基及侧链结合上生物分子,而PNIPAM的存在方式可以是水溶性聚合物、接枝在固体载体上的聚合物、以物理方式吸附于固体载体上的聚合物或是水凝胶的某个聚合物链断。f.调光材料Weissman利用PNIPAM的自组装性质,首先是制备了特殊的薄膜材料,当处于高温状态下,PNIPAM会聚集成微球,加剧了光散射的作用,利用这一特性研发出新的具有调光功能的调光材料。另外利用凝胶包埋、嵌段共聚物的自组装等方法,也可以设计制备出其他调光材料。g.其他方面的应用PNIPAM由于具有独特的性质,除了以上应用外,还广泛应用于其他领域。比如在治理沙漠化、反应控制、水合物抑制剂、形状可控凝胶和装饰材料、热记录和热标记功能膜、增稠剂、絮凝剂、金属离子浓集与分离等方面也具有广泛的应用。2.合成方法：目前，PNIPAAm水凝胶的制备途径有多种，按照其成孔机理可分为相分离法、乳液模板法、致孔剂法、聚合物互穿网络法和冷冻聚合法等。a.相分离法相分离法是通过各种手段使得反应溶液或聚合物水溶液产生不同的聚集相，形成聚合物富集相和聚合物贫相而发生相分离，除去溶剂相而在聚合物基体内留下孔洞。相分离法制备的多孔温敏性水凝胶温度响应速率较传统无孔凝胶大幅提高，其溶胀速率提高了5～6倍，为其在药物传输、吸水及传感器方面的应用提供了优势，但热致相分离法制备的多孔水凝胶控释系统不适用于高温下易变性的药物。b.乳液模板法以乳液作为模板，可制得不同孔径的多孔凝胶，且孔分布比较均匀。孔径可以根据乳液中表面活性剂和油的含量进行调节。因此，其可调控性大，操作方便，但在去除模板时需使用大量有机溶液，对环境污染大，因此其在生物医用材料和药物缓控释方面的应用受到限制。c.致孔剂法在水凝胶聚合过程中，添加致孔剂，再用水或酸溶液浸泡凝胶，使致孔剂被溶解掉，而在其原有位置留下孔洞，从而获得多孔结构的方法称为致孔剂法。致孔剂是溶于水的聚乙二醇(PEG)和溶于酸的CaCO和硅胶颗粒口等。这种制备方法的不足之处在于溶解、水洗、浸泡以及去除致孔剂等过程需耗费时间，延长了材料制备周期；同时产物中易残留少量未被洗脱的致孔剂，有致孔剂残留的问题。d.聚合物互穿网络法聚合物互穿网络(IPN或IPNs)是由两种或两种以上聚合物通过网络互穿、交联缠结而形成的一类独特的聚合物共混物或聚合物合金，包括半互穿网络法和全互穿网络法两种。IPN特有的协同作用，能使不同功能的聚合物实现各组分之间性能的互补。因此，将PNIPAAm水凝胶与力学性良好的聚合物通过网络互穿、交联聚合，可得到力学性能良好的多孔PNIPAAm水凝胶。e.冷冻聚合法冷冻聚合法通常是指将反应溶液冷冻至溶剂的冰点温度以下，溶剂凝结成冰晶，而单体从冰晶中被挤压出来，分散在冰晶之间未冻结的微区中，在低温下继续聚合反应。聚合反应完成后，在室温解冻过程中，原冰晶融解，在冰晶原位置形成孔洞，由此形成稳定的多孔结构的水凝胶。由最近的文献报道可知，通过冷冻聚合法可大大提高PNIPAAm水凝胶的温度响应速率和力学强度。同时，冷聚合法因制备工艺简单、环保且不存在致孔剂残留等优点成为研究的热点。f.其他方法Kim等口提出在多孔的藻酸盐凝胶基体中接枝温敏性材料制备多孔的温敏水凝胶。赵祯霞等采用微波辐射法合成了多孔的聚N一异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)水凝胶。3.表征手段：傅立叶红外光谱（FTIR)核磁共振波谱（NMR)紫外可见光谱(UV-Vis)用于表征干态凝胶的结构。可以表征共混体系或INP是否形成新的化学键。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IPN中两种高分子链间是否有氢键形成，核磁共振波谱NMR,紫外可见光谱UV-Vis皆可用于表征水凝胶高分子链的结构。电子显微镜可以表征水凝胶的微观结构、表面形态。激光光散射也可用于表征水凝胶的微观结构。小角中子散射法(SANS),X-衍射法等方法皆可用于水凝胶的结构的研究。常温差热分析方法(DSC)可用于表征水凝胶的结晶结构,低温DSC常用于分析计算水凝胶中水的状态和含量。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。溶胀度的测试是水凝胶性能测试中最为常用的手段,水凝胶的溶胀性质、保水性质、温度及pH响应性质基本都是根据测试其溶胀度的改变来进行研究的。二．选题意义对低温敏感性水凝胶的研究是突破近年来国内外研究热点的一个伟大尝试，一直以来因为其可参考文献少，合成困难故大部分学者对其望而止步，可是我们无法忽视的是当它能够大量生产时所能够带来的诱人应用价值。国内外以往对温敏性水凝胶类物质药物方面的应用基本上只是关注治病救人的临床医学药物，而对于我们赖以生存的农作物确几乎不曾涉及。我们的创新之处就在于将温敏性水凝胶类物质应用于农业生产方面，试想在耕地愈来愈少的现在，有谁还可以忽视农业的发展呢!将温敏性水凝胶类物质应用于农业不仅仅是这一研究方面的创新，同时也会带来一场席卷性农药改革。我们所要研究的温敏性水凝胶类物质同时也要摆脱以往的高温触发的条件。研究出低温水凝胶才是我们的最终目的。三．技术方案1.实验原理：通常,高分子链中含有的疏水基团越多,LCST越低,所以可以通过调整疏水基和亲水基之间的比例或通过疏水性或亲水性单体与PDMAA进行的无规共聚可以改变PDMAA类聚合物的LCST。而与亲水性共聚单体(如丙烯酞胺)聚合可以升高共聚物的LCST,与疏水性共聚单体聚合则降低LCST。2.实验选材：单体：N，N-二甲基丙烯酰胺；疏水型共聚单体的选择：丙烯酸丁酯丙烯酸酯类单体与NIPAM的共聚物中,酯基上的烷基对共聚物LCST影响能力大于丙烯酸酯A位上的烷基,前者对增大共聚物的疏水性贡献更大。中文名称:甲基丙烯酸甲酯英文名称:Methylmethacrylate分子式:C5H8O2分子量:100.12性状无色液体，易挥发。Melting_point-48℃Boiling_point100~101℃相对Density0.9440折射率1.4142flash_point10℃溶解性溶于乙醇、乙醚、丙酮等多种有机溶剂。微溶于乙二醇和水。中文名称：丙烯酸乙酯英文名称：Ethylacrylate分子式：C5H8O2；CH2=CHCOOC2H5分子量：100.12易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。与氧化剂能发生强烈反应。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。容易自聚，聚合反应随着温度的上升而急骤加剧。温度超过20℃，能聚合积热，引起爆炸。中文名：丙烯酸丁酯，又称丙烯酸正丁酯，简称BA英文名：n-butylacrylate分子式：C7H12O2相对分子量：128.17结构式：H2C=CHCOOCH2CH2CH2CH3危险性类别：第3.3类高闪点易燃液体熔点：-64.6℃沸点：145.7℃溶解性：不溶于水，可混溶于乙醇、乙醚稳定性：稳定聚合危害：随温度升高，贮存时间的延长，自聚倾向加剧避免接触条件：光照、受热禁忌物：强酸、强碱和强氧化剂中文名称：甲基丙烯酸丁酯英文名称：ButylMethacrylate（简写：BMA）分子式:C8H14O2甲基丙烯酸丁酯性质分子量:141.1882毒理性1、急性毒性：小鼠腹腔LD50：1490mg/kg;兔经皮LD50：11300mg/kg;大鼠经口LD50：20g/kg大鼠吸入LC50：19689mg/m3，4小时2、刺激性：皮肤10000mg/kg(open)3、对眼睛、呼吸系统及皮肤有刺激性，接触皮肤引起过敏。4.跟皮肤接触可能会引起敏化。5.如果被吞食，可能会造成肺部损伤6.易燃。从图3可以看出:(1)在所考察的4种丙烯酸酯中,MMA对LCST的影响最小,而BA和BMA的影响最大。考虑到BMA毒性较大，因此选择BA作为共聚物。引发剂：过硫酸铵（APS）白色结晶或粉末。无气味。干燥纯品能稳定数月，受潮时逐渐分解放出含臭氧的氧，加热则分解出氧气而成为焦硫酸铵。易溶于水，水溶液呈酸性，并在室温中逐渐分解，在较高温度时很快分解放出氧气，并生成硫酸氢铵。3.实验步骤：4.除杂过程：5.性能测试：四．表征性质：随温度的升高水溶性升高,即温度高于LCST时呈膨胀状态,温度低于LCST时呈收缩状态。农药的包裹与释放：物理吸附法：将预先制备好并纯化后的聚合物浸泡于蛋白质药物的水溶液,通过物理吸附以达到蛋白质药物在聚合物和溶液中的平衡分布,从而实现蛋白质药物固定于水凝胶中。（本项目以农药颗粒代替蛋白质药物）在当环境温度伸到其LCST值以上时,水凝胶的表面会收缩形成一种薄的致密的皮层,阻止水凝胶内部的水分和药物向外释放,即水凝胶处于开/关的状态。而温度低于LCST时,皮层溶胀消失,水凝胶处于关/开的状态,内部的药物以自由扩散的形式向外恒速释放。很明显,这种开关控制作用仅对大分子药物较好,小分子药物即使在阀门关闭状态也能通过扩散作用透过溶胀的水凝胶,产生一定量的释放。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。