（材料学专业论文）三元热敏性聚合物的合成、表征及应用.pdf

摘要 题名：三元热敏性聚合物的合成、表征及应用 研究生：邵丹 导师：倪才华教授 专业：材料学 摘要 以n 一异丙基丙烯酰胺( n i p a l l 】) 、2 一丙烯酰胺基一2 一甲基丙磺酸( a m p s ) 、n - 叔丁基丙 烯酰胺( n t b a ) 为共聚单体，偶氮二异丁腈( a i b n ) 为引发剂，n n 一次甲基双丙烯酰胺( b i s ) 为交联剂，在n ，n 一二甲基甲酰胺( d m f ) 溶剂中，合成了一系列n i p a m a m e s n t b a 三元共 聚热敏性水凝胶，同时合成了该三元线性共聚物。测定了水凝胶在不同温度和不同离子 强度下的溶胀度。通过测定不同温度下的透射率，研究了线型共聚物水溶液的相转变。 考查了聚合物组成和浓度、离子强度、混合溶剂对l c s t 的影响。结果表明：随着憎水 性组分n t b a 含量的增加，共聚物的l c s t 下降增多；对于特定的组成，随着共聚物浓度 的增加，其l c s t 是下降的；n a c l 浓度愈高，共聚物的l c s t 愈低；以甲醇和水作为混合 溶剂，发现共聚物的l c s t 随着甲醇体积分数的增加而降低，但当甲醇体积分数达到5 0 时，共聚物的l c s t 又开始上升，直到超过6 0 不再出现相分离现象；但是当将甲醇换成 四氢呋喃或是1 ，4 一二氧六环时，共聚物的l c s t 随有机溶剂组分增加一直升高，直到加 到6 0 左右不再出现相分离现象。所合成的水凝胶同时具有较高的溶胀度和较好的热敏 性；凝胶在极短的时间内迅速达到融胀平衡，当5 5 。c 时水凝胶的溶胀度降低，说明凝胶 开始了退溶胀的过程，而且溶胀度降低是一个缓慢的过程，一小时后并没有达到完全退 溶胀，这为水凝胶在药物缓释上的应用提供了依据。经过重新溶胀，水凝胶仍能达到接 近初次溶胀的溶胀度，表明水凝胶的重复性能良好；水凝胶的药物释放研究表明随着时 间的进行，释放百分比随之增加，在较长时间达到平衡。缓释效果较好，且缓冲液为碱 性，符合肠道环境。 采用链转移自由基聚合的方法制备p n i p a m 大分子单体，然后分别与双丙酮丙烯酰 胺( d a a ) 和a m p s 反应制备接枝共聚物，以比较无规和接枝共聚物性能上的差异。结果表 明，以巯基乙胺盐酸盐( a e t h c l ) 为链转移剂，既可调控聚合物的分子量，又可引入 端氨基，随着a e t h c l 的减少，大分子单体的分子量增大；不同组成的接枝共聚物具有 着和p n i p a m 基本相同的l c s t ，枝链的温敏性没有受主链的影响，对温度的响应是独立 的；荧光研究p d a a g p n i p a m 溶液的胶束行为时发现c m c 值随p n i p a m 长度增加而略有 增大；研究p a m p s g p n i p a m 时发现，当温度低于l c s t 时，i i h 的值几乎不变，未形成高 分子胶束，高于l c s t 时，i i 1 3 的值随着浓度增加而降低，形成了胶束，而且温度越高， 临界胶束浓度( c r i t i c a lm i c e l l ec o n c e n t r a t i o n ，c m c ) 越小。 关键词：l c s t ；热敏性；水凝胶；溶胀度；胶束；c m c 江南大学硕士学位论文 s u b j e c t ：t h ep r e p a r a t i o n ，c h a r a c t e r i z a t i o na n da p p h c a f i o no f t h e r m o s e n s i t i v e t e r p o l y m e r s p o s t g r a d u a t e ：s h a od a n t u t o r ：n ic a i h u a m a j o r p o l y m e r a b s t r a c t t e r p o l y m e r sb a s e d o nn - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ( n i p a m ) s o d i u m2 - a e r y l a m i d o 一2 - m e t h y l - p r o p a n e s u l p h o n a t e ( a m p s ) a n dn t e r t - b u t y l a c r y l a m i d e ( n t b a ) w e r es y n t h e s i z e d b yf r e er a d i c a lc o p o l y m e r i z a t i o nu s i n g2 , 2 - a z o - b i s i s o b u t y r o n i t r i l e ( a i b n ) a sa ni n i t i a t o r t h es w e l l i n gr a t i o so ft h eh y d r o g e l sa tv a r i o u st e m p e r a t u r e sa n ds a l ts o l u t i o n sw e r e d e t e r m i n e d 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 s ( l c s t s ) o ft h e1 i n e a rp o l y m e ra q u e o u s s o l u t i o n sw e r ed e t e r m i n e db ym e a s u r i n gt r a n s m i t t a n c eo nu va td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h e i n f l u e n c eo f p o l y m e rc o n c e n t r a t i o n ，p o l y m e rc o m p o s i t i o na n di o n i cs t r e n g t ho nl c s t so f t h e l i n e a rp o l y m e r sw a si n v e s t i g a t e d i ti sf o u n dt h a ta st h eh y d r o p h o b i cc o m p o n e n tn t b aw a s i n c o r p o r a t e di n t ot h et e r p o l y m e r , t h el c s td e e r e a s e d ；f o rt h eg i v e np o l y m e rt h eh i g h e rt h e p o l y m e rc o n c e n t r a t i o nw a s ，t h el o w e rt h el c s tw a s ；t h em o r en a c lw a sa d d e d ，t h em o r et h e l c s td e c r e a s e d ；t h es t u d yf o rl c s t si nm i x e ds o l v e n t so fm e t h a n o la n dw a t e rw a sc a r r i e d o u t i tw a sf o u n dt h a tl c s t so ft h el i n e a rp o l y m e r sd e c r e a s e da st h ec o n t e n to fm e t h a n o l i n c r e a s e ；w h i l et h el c s ts t a r t e dt oi n c r e a s ea sm e t h o n a lc o n t e n tr e a c h e dt o5 0 ( v v ) i n w a t e r w h e nm e t h a n o la c h i e v e d6 0 ( v v ) i nw a t e rt h ep h a s et r a n s i t i o np h e n o m e n o nd i d n t a p p e a r ；b u tw h e nm e t h a n o lw a sr e p l a c e db yt e t r a h y d r o f u r a no rd i o x a n e ，t h el c s t so ft h e l i n e a rp o l y m e r si n c r e a s e dt i l l6 0 ( v v ) o fo r g a n i cs o l v e n t si nw a t e r t h ep h a s et r a n s i t i o n p h e n o m e n o nd i d n ta p p e a r ； 孔eh y d r o g e l s p o s s e s s e db o t hh i g hs w e l l i n g r a t i oa n d t h e r m o s e n s i t i v e t y t h eh y d r o g e l sa c h i e v e de q u i l i b r i u mi ns h o r tt i m e i nh o tw a t e r ( 5 5 c ) t h e h y d r o g e ls t a r t e dd e s w e l l i n ga n di t sd e s w e l l i n gw a sas l o wp r o c e s s r e s w e l l i n gs t u d i e s i n d i c a t e di t sr e p e a t i n gs w e l l i n g - d e s w e l l i n gb e h a v i o rw a se x c e l l e n t t h eh y d r o g e l sh a v e p o t e n t i a la p p l i c a t i o n sa ss u p e r a b s o r b e n t sa n dm a t r i x e sf o rd r u gc o n t r o l l e dr e l e a s e 1 1 1 e r e s e a r c ho fd r u gc o n t r o l l e dr e l e a s ei n d i c a t e dt h a ti t se f f e c tw a sg o o da n di tf i te n t e r i c e n v i r o n m e n t p o l y ( n i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ) ( p n i p a m ) m a c r o m o n o m e rw a sp r e p a r e db yt h ec h a i n t r a n s f e rr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n p o l y ( d i a e e t o na c r y l a m i d e ) 一g r a f l - 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 d a a g - p n i p a m ) a n dp o l “s o d i u m 2 一a e r y l a m i d o 一2 一m e t h y l p r o p a n e s u l p h o n a t e ) g r a f t p o l y ( n v i n y l i s o b u t y l a m i d e ) ( p a m p s g - p n i p a m ) w e r es y n t h e s i z e d c o m p a r i n g t h eg r a f t e o p o l y m e rw i t ht h er a n d o me o p o l y m e r , i ti sf o u n dt h a tm o l e c u l a rw e i g h to fp n i p ao l i g o m e r c a nb ec o n t r o l l e db yu s i n ga e t + h c ia st h ec h a i nt r a n s f e ra g e n t t h el c s t so ft h e c o p o l y m e r sw e r en o tc h a n g e ds i g n i f i c a n t l yc o m p a r e dt ot h a to fp n i p a m 1 1 l ef l u o r e s c e n c e s t u d yi n d i c a t e st h a tt h ec r i t i c a lm i c e l l ec o n c e n t r a t i o n ( c m c ) o fp d a a g - p n i p a mi n c r e a s e d a sl e n g t ho fp n i p a mi n c r e a s e d a st e m p e r a t u r ei sl o w e rt h a nl c s t , t h ev a l u eo fi i 1 3k e e p e d c e r t a i n ；a st e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a nl c s t t h ev a l u eo f1 1 1 3d e c r e a s d 丽t ht h ei n c r e a s eo f i i 摘要 c o n c e n t r a t i o n ；a n dt h eh i g h e rt e m p e r a t u r ei s ，t h ec m cl o w e ri s k e y w o r d s ：l c s t ：t h e r m o s e n s i t i v i t y , h y d r o g e l ；s w e l l i n gr a t i o ；m i c e l l e ；c m c i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：2 。叮年6 月乡日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：盈业 导师签名： 日期：肋 第一章绪论 1 。1 前言 第一章绪论 凝胶是指溶胀了的高分子聚合物相互联结，形成三维空间网状结构，又在网状结构 的空隙中填充了液体介质的分散体系【l 】。水凝胶是指在水中能够溶胀并保持大量水分而 不能溶解的交联聚合物【2 】。根据水凝胶对外界刺激的响应情况，水凝胶可以分为传统水 凝胶和智能水凝胶。前者对环境的变化不敏感，后者由于水凝胶中大分子主链或侧链上 含有离子解离性、极性或疏水性基团，对溶剂组分、温度、p h 值、光、电场、磁场等的 变化能产生可逆的、不连续( 或连续) 的体积变化，因此通过控制高分子凝胶网络的微观 结构与形态，来影响其溶胀或伸缩性能，从而使凝胶对外界刺激作出灵敏的响应，表现 出智能pj i 。由于智能水凝胶能够对外界刺激产生响应，近年来对它的研究和开发工作 异常活跃，成为当今研究的热点，已被广泛用于药物的控制释放和靶向药物、固定化酶 高吸水性材料、细胞分离与培养物质的分离、化学及生物传感器等领域【5 】【6 】。 1 2 智能水凝胶的分类 根据智能水凝胶对外界环境( 温度、p h 值、光、电、压力、磁场等) 微小的变化或 刺激所产生的响应，可将智能水凝胶分为以下几类 7 】： 1 2 1 热敏性水凝胶 这是指能随环境温度变化发生体积突变现象的凝胶。这种凝胶具有一定比例的疏水 和亲水基团，温度的变化可影响这些基团的疏水作用以及大分子链间的氢键作用，从而 使凝胶结构改变，发牛体积变化。 1 2 1p h 值敏感性水凝胶 水凝胶的p h 敏感性最早是由t a n a k a 8 】在测定陈化后的丙烯酰胺的溶胀比时发现的。 k a t c h a l s k y p j 于1 9 4 9 年最早由聚甲基丙烯酸制得p h 敏感性水凝胶。这种水凝胶在高的 p h 值时可吸收自身重量上百倍的水，而p h 下降时逐渐收缩。相应的离子化，使凝胶带 电荷，并使网络中氢键断裂，导致凝胶发生不连续的体积变化。目前国内也有不少人在 这方面做了不少工作。朱雪燕【1 0 】等人在反应溶剂介质( 乙醇) 中，通过加入交联剂以分散 共聚方式合成了甲基丙烯酸单封端聚乙二醇( p e g ) 接枝聚丙烯酸微凝胶【l o 】。 根据p h 敏感性基团的不同，可分为阴离子、阳离子和两性型三类。 1 2 3 光敏感性水凝胶 水凝胶的光敏感性是指凝胶受光刺激而发生的体积相转变现象。目前，这种类型的 水凝胶是由热敏性材料中引入对光敏感的基团制成的。光敏材料的响应性机理有三种： 一种是热敏性材料中的特殊感光分子，将光能转化为热能，使材料局部温度升高，当凝 胶内部温度达到热敏性材料的相转变温度时，则凝胶产生响应；另一种光响应性的机理 垩塑查堂堡主兰竺堡苎 是利用光敏分子遇光分解产生的离子化作用来实现响应性：第三种响应机理是水凝胶材 料中引入了发色基团，由于光照，这些发色团的理化性质( 如偶极矩和几何结构) 发生变 化，因而导致具有发色团的聚合物链的构型的变化，从而导致聚合物性能也发生改变。 1 2 4 压力敏感性水凝胶 水凝胶的压力敏感性最早是由m a r c h e t t i ”】通过理论计算提出来的，其计算结果表 明，凝胶在低压下出现塌陷，在高压下出现膨胀。l e e 等【1 2 】用1 2 的b i s 作交联剂制各 出的聚n 一异丙基丙烯酰胺( p n i p a m ) 凝胶，证实了上述预测。钟兴等研究了压力对聚n 一 正丙基丙烯酰胺( p n n p a ) 、聚n ，n 一二乙基丙烯酰胺( p n d e a ) 及聚n 一异丙基丙烯酰胺 ( p n i p a m ) 三种凝胶溶胀性的影响，发现了这三种凝胶的压敏效应。 1 2 5 生物分子响应水凝胶 目前此类水凝胶主要用于研究开发自动调控胰岛素释放系统，研究较多的是葡萄糖 敏感水凝胶。j o s e p hk o s t ，t h o m a s a 等【1 3 】用羟乙基甲基丙烯酸酯( h e m a ) ，n ，n 一二甲氨基 乙基甲基丙烯酸酯( n d m a e m ) ，t e t r a e t h y l e n e g l y c 0 1 d i m e t h a c y l a t e ( t e g d m a ) 和葡萄糖 氧化酶在冷冻状态下，辐射交联共聚合形成凝胶。此凝胶浸入葡萄糖溶液后，可将葡萄 糖氧化为葡萄糖酸，使p h 下降，从而导致叔氨基质子化而使凝胶溶胀，且溶胀体积随 葡萄糖溶液浓度增大而增大。l e e 掣】制备了另一类型的葡萄糖敏感水凝胶，这些水凝 胶由伴刀豆球蛋白( c o n a ) 交联含葡萄糖的聚合物得到。 1 2 6 盐敏水凝胶 盐敏指在外加盐的作用下，凝胶的膨胀比或吸水性发生突跃性变化。这类水凝胶的 正负带电基团位于分子链的同一侧基上，并以共价键结合在一起，二者可发生分子内和 分子间的缔合作用。小分子盐的加入可屏蔽、破坏大分子链中正负基团的缔合作用，导 致分子链舒展，凝胶的膨胀行为得到改善。l e e 掣”1 6 l 采用反相悬浮聚合法制各了丙烯 酸钠( s a ) 一n ，n 一二甲基( 丙烯酰氧乙基) 氨基丙磺酸( d m a p s ) 和丙烯酸钠( s a ) 一n ，n 一二甲基 ( 丙烯酰胺丙基) 氨基丙磺酸( d m a a p s ) 共聚物水凝胶。h u 9 1 i n 和r e g o 【l u 研究了n ，n 一二甲 基n 一( 甲基丙烯酸酯乙基) 氨基丙磺酸( p s p e ) 水凝胶，发现加入盐其膨胀行为得到改善； h u g l i n ”】研究了卜( 磺酸丙基) 一2 一乙烯基吡啶( p s p v ) 水凝胶，发现在一定盐浓度范围内， 随盐浓度增大，膨胀比增大。 1 2 7 电场响应性水凝胶 这种水凝胶由聚电解质高分子构成，在直流电场作用下可发生形变，其响应性与溶 液中自由离子在直流电场作用下的定向移动有关。y a o 等【l9 】对聚( 环氧乙烷共一环氧丙 烷) 一星型嵌段聚丙烯酰胺交联聚丙烯酸互穿网络凝胶在直流电场下的弯曲行为作了深 入研究，发现该凝胶在直流电场下的弯曲行为与电场强度、电解质类型及浓度有关。 t a n a k a 8 j 叫研究了部分水解的聚丙烯酰胺凝胶在电场中的收缩行为。 1 2 8 磁场响应性水凝胶 对磁场感应的智能高分子凝胶由高分子三维网络和磁性流体构成。利用磁性流体的 磁性以及磁性流体与高分子链的相互作用，使高分子凝胶在外加磁场的作用下发生膨胀 和收缩。磁性流体作为凝聚块被固定时，磁性流体所具有的固有特性很难显现。与磁性 2 第一章结论 粉末被固定时的情况相似，当水状磁性流体被封闭在高分子凝胶内时，则保持了超常的 磁性，表现出沿磁场方向伸缩的行为。 1 3 智能水凝胶合成方法 水凝胶能够通过化学引发、辐射引发、接枝、互穿聚合物网络( i p n ) 、聚合物一聚 合物形成配合物等方法置备，目前主要以丙烯酰胺及其衍生物的均聚物和共聚物、丙烯 酸及其衍生物的均聚物和共聚物为丰【2 1 l f 2 2 1 。 用于合成水凝胶的单体丰要有以下几种：丙烯酰胺及其衍生物，包括：n 一取代丙烯 酰胺，n ，n 一双取代丙烯酰胺；丙烯酸及其衍生物，包括丙烯酸，甲基丙烯酸，羟乙基 丙烯酸，丙烯酸钠( 盐) ，丙烯酸酯等；磺酸及其盐类单体，包括苯乙烯磺酸钠，烯丙基 磺酸钠，2 一丙烯酰胺基一2 一甲基丙磺酸等【2 3 1 。智能水凝胶的制备方法主要有： 1 3 1 化学引发聚合 化学引发聚合是最常见的制备水凝胶的方法。对一些水溶性的单体，如丙烯酰胺， 丙烯酸及其衍生物，可以采用自由基引发水溶液聚合制备相应的水凝胶。引发剂可以选 用：无机过氧化物，水溶性氧化一还原引发体系。聚合反应温度、交联剂用量等因素都 影响水凝胶的性能，聚合反应温度过高，反应速率过快，交联度分布不均匀，外观上水 凝胶分相，呈浑浊不透明。一般对于丙烯酰胺、丙烯酸等单体的聚合，温度影响不大， 但以2 0 为宜。 1 3 2 辐射用法聚合 辐射引发聚合是另一种比较常用的置备高聚物水凝胶的方法。用6 0 c o 衰变产牛的r 射线或电子束加速器产生的高能射线作为引发方式，能够使上述所有单体发生聚合。由 于高聚物水凝胶与生物活体组织具有很好的亲和性，因而在生物和医药等领域常将水凝 胶作为一些生物活性分子的载体材料使用。在这些领域内，用辐射引发聚合制备水凝胶 比化学引发聚合具有许多优点：不会因使用化学物质而影响生物分子的活性；在低温下 反应可避免加热聚合而导致生物分子失活。 1 3 3 载体表面的接枝共聚 高聚物水凝胶由于交联密度较低，机械强度一般较差。但若将水凝胶接枝到具有一 定强度的载体上，可大大改善水凝胶的机械强度。接枝共聚中最有效的是采用辐射法， 其他还有化学引发聚合法。通过辐射或引发剂分解产生的初级自由基的转移，在载体表 面形成自由基，再与单体发生聚合，形成接枝型水凝胶。6 0 c o 产生的r 射线穿透力强， 能在载体的表面以及载体内部的一定深度形成接枝。 1 3 4 聚合物一聚合物之间配合物的形成 某些聚合物之间能以氢键作用等方式形成聚合物配合物，如聚丙烯酰胺和聚丙烯酸 低温时因存在氢键作用而形成配合物，配合物析出，凝胶收缩；而当温度升到某临界 点时，配合物中的部分氢键解离。再如利用硼酸可以和顺式二醇化合物选择性结合这一 性质，可以制备硼酸聚合物和聚乙烯醇的配合物。 垩壹查堂堡圭堂垡堡兰 1 3 5 合成新方法 近年来，发展了一些新的聚合方法，如利用高分子功能基间反应( 缩醛反应，加成 反应，缩合反应) 这是因为凝胶分子中存在羟基、羧基、氨基等反应性基团，这些基团 能够通过二次反应来置备水凝胶。另外，酶催化交联法也能用于合成智能水凝胶，该法 具有高效率，高选择性，催化反应条件温和( 一般在常温，常压下) ，不需要使用有毒 交联剂等优点【2 4 】。目前这方面的报道比较少。 1 4 智能性水凝胶的应用 利用高分子凝胶受外界环境刺激而变形的特性，人们设想出各种各样的化学能一机 械能转变装置，例如药物释放系统、化学阀、化学机械、人工触觉系统、光阀、人工肌 肉和执行元件等，引起了世界各国众多研究者的兴趣。 1 4 1 药物释放系统 以智能型水凝胶为载体，将药物附载在其中，可以用于以下几种给药系统：p h 给药 系统，热敏给药系统，生化响应给药系统，渗透控制阀式给药系统，电场敏感性给药系 统【2 5 1 。这类给药系统有望使必要的药物剂量在必要的时间，必要的空间释放，能有效提 高疗效【”j 。 1 4 2 化学机械 化学机械系统指可将化学能直接转化为机械能或相反地由机械能转化为化学能地 系统2 刀。利用智能高分子凝胶的溶胀一退溶胀还可以实现机械能一化学能之间的转换， 即智能高分子凝胶作为化学机械材料，比如在由聚丙烯酸和水构成的智能高分子凝胶上 加上一定质量的负荷，然后通过调节周围溶液的p h 值或离子强度，使凝胶发生膨胀收 缩，从而将化学能转变为机械能，人们形象地称之为人工肌肉。 1 4 3 化学膜和化学阀 大分子在溶液中的构象除了取决于大分子自身的结构本性外，还与大分子与大分 子、大分子与溶剂之间的相互作用以及大分子溶液所处的外部环境条件有关。对智能型 大分子而言，其构象会因外部某种条件的微小变化而发生突变，而且这种变化可因外部 条件变化的消失而消失。正是基于智能型大分子的这种可控构象变化人们设计制作了各 种截留分子量可调控分离膜【2 ”。 1 4 4 人工触觉系统 根据仿生学的原理，可以利用智能高分子凝胶制成人工触觉系统。人们知道，许多 生物体的传感系统( 如人的皮肤表面、手指) 是通过压电效应来实现传感的。在由聚电解 质构成的凝胶中，同样存在压电效应，采用智能高分子凝胶制成压力传感器就是利用的 这一原理【”。 1 4 5 物料分离 用水凝胶分离化合物具有经济方便之优点，且可用于一些特殊化合物如酶、抗原、 抗体的分离。温敏或p h 敏水凝胶可用于浓缩溶液中的大分子溶质( 如蛋白质、酶) 分离， 4 兰二皇堑堡 同时不影响生物分子的活性，且水凝胶还可重复利用。 1 4 6 吸水材料 由于水凝胶可容纳自身重量高至数百倍的水，而且保水能力很高，即使在一定压力 下仍能保持水分。因此可用作餐巾纸、婴儿尿片、老人失禁材料及个人卫牛用品。另外 在农业上可做为土壤保水剂。一些具有生物相容性的水凝胶在吸收生物试剂、染料和重 金属离子方面也极具潜在实用价值。 1 4 7 在分析和医学诊断等方面的应用 将生物分子固定在与生物传感器物理元件相连的水凝胶表面或内部，可得到牛物传 感器，用来诊断疾病及做日常监测，也可广泛用于工业领域。利用水凝胶来固定抗原，可 用于免疫检测。此外，水凝胶在软性隐型眼镜材料、人造肌肉以及泥浆( 煤浆、钻井泥浆) 的去水化等许多领域也具有广阔的应用前景。 1 5 热敏性水凝胶的发展史 由于本论文的研究主题是热敏性水凝胶，以下着重介绍其发展情况，制各方法和应 用。 热敏性水凝胶是近年来十分引人注目的功能高分子材料热敏性水凝胶也可称为 温度响应高分子凝胶，它对环境的温度变化能产生响应，即当周围环境温度发生变化时， 凝胶自身的性质随之改变。当温度升高到某一值以上时会发生从溶胀的软的透明状态到 消溶胀的不透明状态的变化，在这一温度附近的溶胀比变化往往可达几倍到几十倍。如 果将溶胀温度降到这一温度以下，凝胶状态能发生可逆变化。这一温度称为该水凝胶最 低l 晦界共溶温度( l o wc r i t i c a l s o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，l c s t ) 。除了溶胀体积有这种 突跃性变化之外，凝胶的其他性质( 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【3 们。 首先观察到水凝胶热敏性的是t a n a k a 等人【3 ”，用n ，n 一次甲基双丙烯酰胺交联的 聚丙烯酰胺的水凝胶的溶胀性能在某一临界温度附近，随温度的微小变化，其体积变化 可达几十至几百倍。有关这种相转变的物理机理和本质现在仍不清楚，最初人们认为交 联网上离子化电荷的静电相互作用是凝胶发生热敏性相转变的根本原因。但1 9 8 4 年 h i r o k a w a 等在非离子水凝胶中也发现了这种相变，h o f f m a n 和f r e l t a s 等也证实了非离 子性的聚( n ，n 一二乙基丙烯酰胺) 水凝胶和聚( n 一异丙基丙烯酰胺) 水凝胶的热敏性 相转变田“j 。故水凝胶的敏感性相转变具有一定的普遍性。热敏性水凝胶的这种相转 变过程无法用传统的高分子理论，如f l o r y - h u g g i n s 模型来解释，而只能用相转变过程 中水凝胶骨架上亲水基团、憎水基团以及水之间的相互作用来解释。目前较容易被人接 受的观点是水凝胶的敏感性相转变是由交联网络的亲水一缩水性平衡受外界条件变化 而变化引起的。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。这是一个吸热过程，因为大量的结合水从高分子骨架上脱离 坚壹查堂堡主堂笪丝苎 出来，使水凝胶一水体系熵增加。 许多研究者通过各种热力学理论对水凝胶的各种敏感性进行了解释 1 0 】【1 ，其中与 实验现象符合较好的是i l a v s k y 等人修改的由f l o r y 提出的平均场理论，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 等通过 测定聚合物链的持续长度b 和有效半径a 之比( 即代表聚合物链刚性的度量) 与敏感性 之间的关系，提出了下面的半经验参数s 作为有无敏感性的判定依据： s = ( b a ) 4 ( 2 f + 1 ) 4 ( 1 ) 式中，f 代表单位有效链上可离子化基团的数且。s 2 9 0 时，水凝胶会发生敏感性相 转变。这一理论的半经验公式中虽然涉及了交联网的结构因素，但仍未能很好地解释敏 感性机理。 目前水凝胶敏感机理仍处在不断的发展和完善中，这一问题的解决无疑将为敏感性 水凝胶的研究开拓到分子设计的领域打下基础。 1 6 热敏性水凝胶的应用 由于热敏性水凝胶随温度的变化能快速吸收和释放水而体现其开关性能，因此除了 传统的应用( 如前述) 外，在生物化学、机械、医学等许多领域中具有广泛的应用前景 【3 5 1 。 ；o 一一鼢躐 豳寺盛 ：镶| 漱羲 辍琏徽 。”、。”一 一* +。一一 一 一一“ 一“一 图1 1 热敏性水凝胶用于吸附溶液中蛋白质分子或细胞过程的示意图 1 6 1 热敏性水凝胶应用于生物医用材料 将热敏性水凝胶应用于生物医用材料是一个很有前途的研究方向。将具有生物活性 的分子或细胞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) 。这种水凝胶可用于疾病的诊断和治疗，并可 重复使用，在实用中有很多优越性，图1 1 为表面具有热敏性的水凝胶用于吸收溶液中蛋 白质分子过程的示意图。 6 具有各种功能的生物制剂、化学药品，如酶、药物、农药、化肥等的传统使用方法 有许多的缺点，利用率低且易造成环境污染。可控释放技术就是制成一个特定的系统( 通 常用固定化的方法) 使该系统内包埋的活性制剂可在一定的时间内按原先设定的速度释 放，图1 2 为热敏性水凝胶用于缓释放的各种途径，通过改变环境的温度、p h 值等条件 还可关闭释放，这样形成了一个“关闭一释放”系统，这是且前药物释放系统d d s ( d r u g d e l i e v e r ys y s t e m s ) 体系研究的主要方向。d d s 体系用于生物医学中主要是用作生物感 知触头、缓释开关等。比如包埋有胰岛素的水凝胶可通过体内糖的升降自动地调节胰岛 素的释放。 图i 2热敏性水凝胶用于药物缓释放的各种途径 1 6 2 热敏性水凝胶用于化学工业方面 热敏性水凝胶用于化学工业方面主要是用于分离。分离过程是化学工业的一个关键 过程，以往这个过程都是通过蒸馏、结晶方法来实现的。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。图1 3 为用热敏性水凝胶分离溶液中不同分子尺寸物质的方法示意图， 图1 4 为用具有亲合配基( a b ) 的热敏性水凝胶分离溶液中分子性质不同的物质。 用敏感性水凝胶来分离，则有如下优点：1 ) 容易再生。2 ) 耗能少。不必高温高压， 也不会使蛋白质中毒，有利于生物物质的分离以及稀溶液的分离。3 ) 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。 7 江南大学硕士学位论文 攮# 女謦 鲁# 图1 3用热敏性水凝胶分离溶液中不同分子尺寸物质的方法示意图 由此可见。当我们用热敏性水凝胶来分离物质时，只需在水凝胶的最低相转变温度 ( l c s t ) 附近反复升温或降温，使水凝胶反复选择性吸收和释放就可以达到分离目的。 f r e l t a s 等用热敏性水凝胶分离出稀水溶液中的葡萄糖等物质，其效率可达9 6 以上。 h o f f m a n 等人用包埋有甲基丙烯酸的热敏性水凝胶成功地分离了带有正电荷的甲基兰稀 水溶液，他们也成功地通过在热敏性水凝胶网上引入抗体来选择地除去溶液中的抗原配 体。 热敏性水凝胶还可以用来控制化学反应速度，其原理是将具有催化活性的热敏性水 凝胶放在需要催化的体系中，利用热反馈原理来控制反应速度。此外，热敏性水凝胶在机 械方面可用来制作记忆原件开关、传感器、力化学转换器等。 兽 。：+ ； “- i ， 图1 4热敏性水凝胶分离溶液中分子性质不同的物质的方法示意图 1 7n 一异丙基丙烯酰胺体系水凝胶 目前研究较多的是聚n 一异丙基丙烯酰胺( p n i p a m ) 这种水凝胶，目前制备热敏性水 凝胶最主要和常用的是聚( n 一异丙基丙烯酰胺) ( n i p a m ) ，它是一种典型的温度敏感性 8 第一覃绪论 材料，其线性聚合物的水溶液在3 3 。c 左右中有一个低临界溶液温度( l c s t ) 。当制备成交 联型水凝胶时，在l c s t 温度附近，发生体积相变。大多数研究丰要集中在不同l c s t 凝 胶的合成及改变凝胶的l c s t 、凝胶对外界环境变化的响应速度及溶胀比，从而满足实际 应用的需要。改变l c s t 的方法有： 1 7 1 改变亲水疏水单体比值 通常条件下，温敏凝胶能够产生低温溶胀高温收缩的现象，但不同凝胶的l c s t 不同， 溶胀比也不同。在不同的应用场所，人们一直希望得到有适当l c s t 和溶胀比的凝胶。改 变凝胶分子中亲水疏水基团的比值是改变l c s t 的有效途径之一。s h i b a y a m a 掣3 6 1 用 热收缩法分别研究了n 一异丙基丙烯酰胺( n i p a m ) 与丙烯酸( a a c ) 和n ，n - 二甲基丙烯酰胺 ( d m a a ) 共聚温敏凝胶的热敏性，说明随着共聚物中亲水单体a a c 含量的增加，凝胶的 l c s t 呈不连续增加，当a a c 含量达到一定量时，凝胶的l c s t 可以达到6 0 。c ，远大于 p n i p a m 的3 1 ；而对于d m a a 单体，随着d m a a 含量的增加，凝胶的l c s t 持续增加，d m a a 为一定量时，l c s t 最高为4 0 。 1 7 2 改变凝胶内部结构 聚合方法不同也可以改变凝胶的l c s t 和响应速度等。z h u o 等【3 7 】通过在低温下( 一1 8 ) 聚合交联的方法，合成一种p n i p a m 温敏水凝胶，该凝胶内部具有孔隙，且分子链网络 均匀，与普通凝胶相比，该凝胶在室温下表现出很大的溶胀比及溶胀收缩速度。z h u o 掣3 8 1 还采用先在低温下冷处理p n i p a m 凝胶溶胀体，然后室温融化的方法得到一种快速收缩凝 胶，但该凝胶内部大分子排列规整，使其很难重新吸水溶胀。 1 7 3 改变凝胶溶胀剂 温敏水凝胶( 如p n i p a m ) 能够在与其能形成氢键的许多溶胀剂，如醇、丙酮、d m s o 和 t h f 等中溶胀，但在有机溶剂中尚未发现其存在l c s t 。t a n a k a 等发现p n i p a 的体积相转 变具有混合溶剂组成的依赖性。如在d m s o 水的混合溶剂中，d m s o 含量升高到3 3 时， 凝胶的体积收缩至原来的1 左右，d m s o 量达到9 0 时，凝胶重新膨胀。有机溶剂的存在 也会影响p n i p a m 水凝胶的l c s t 值。如在水t h f 体系中p n i p a m 的l c s t 升至7 2 ，而 在水醇体系中它的l c s t 却低于3 2 c 3 9 1 。 1 8 大分子单体 大分子单体( m a c r o m o n o m e r 或m a c r o m e r ) 是由m i i k o v i c h 等在上世纪七十年代首次 提出来的。它是一类特殊的聚合物，通常由两部分组成，一部分是高分子主链，具有聚 合物的物理特性，另一部分是末端反应官能团，具有聚合反应活性。大分子单体是末端 含可聚合基团的线形聚合物，通过大分子单体的共聚可以非常方便地获得支链分子量均 一的接枝共聚物，改变大分子单体的加入量能够控制接枝共聚物的支化密度，大分子单 体还可以用于合成嵌段共聚物和聚( 大分子单体) 高接枝密度的支化聚合物，因此大分子 单体在合成结构规整共聚物方面占据非常重要的地位。【删 大分子单体与单体一样也有烯类型和缩合类型，其中烯类型单体最为常见，应用也 9 望堕查堂塑主堂竺丝茎 较为广泛。常见的烯类型单体有：聚苯乙烯大分子单体、聚异丁烯大分子单体、聚乙酸 乙烯酯大分子单体、聚甲基丙烯酸酯大分子单体、聚丙烯酸酯大分子单体、聚乙烯醇大 分子单体、聚甲基丙烯酸大分子单体、聚丙烯酸大分子单体、聚n 一异丙基丙烯酰胺大分 子单体、聚n 一乙烯基烷酰胺大分子单体、聚2 一乙烯吡啶大分子单体、聚4 一乙烯一n 一正丁 基溴吡啶大分子单体、聚乙烯吡咯烷酮大分子单体等。除烯类型大分子单体以外，还有 可进行开环聚合的内酯型和环醚型大分子单体、可进行开环易位聚合的降冰片烯型大分 子单体、可进行氧化偶联的吡咯型和噻吩型大分子单体以及可进行缩聚反应的大分子单 体，只要是存在的小分子单体，皆可以通过适当的高分子合成手段获得相应的大分子单 体。 大分子单体可以通过多种方法来制备。烯类型大分子单体的合成可通过活性聚合引 发剂法、活性聚合终止剂法、自由基聚合链转移法，原予转移自由基聚合( a t r p ) 来完 成 4 m 6 1 。离子型聚合和基团转移聚合虽然可以很好地控制大分子单体的分子量，但是它 们的实验合成条件一般都苛刻，因此许多研究涉及采用自由基聚合制备大分子单体。在 自由基聚合中含官能团的链转移剂如巯基乙酸，通过链转移反应生成末端含羧基的聚合 物，进一步与甲基丙烯酸缩水甘油酯反应则生成甲基丙烯酰型的大分子单体【4 ”，采用该 种方法已制备出n 一异丙基丙烯酰胺大分子单体。自由基聚合的链转移直接使用烯丙基硫 醇可以一步制备出烯丙基型大分子单体；使用巯基乙醇作为链转移剂可合成出端羟基聚 合物，进一步与甲基丙烯酸酰氯反应生成甲基丙烯酰型的大分子单体 4 ”。 1 9 立题依据 关于n i p a m 体系水凝胶的研究，国内外已有报道。p n i p a i f i 水凝胶的l c s t 在3 3 左右， 当用于药物释放时，适合人体环境，然而纯的聚( 肛异丙基丙烯酰胺) 水凝胶溶胀度不高， 通常不超过3 0 ( g g ) 。因此当作为一种高吸水性材料应用时受到限制。为了增加其溶 胀度，人们曾经将n i p a m 与亲水性的单体如丙烯酸钠等共聚，虽然可以提高溶胀度，但 是其体积相变温度却升高许多，无法满足应用的要求。所以我们再加入憎水性单体降低 l c s t 以适合人体环境。2 一丙烯酰氨基一2 一甲基丙磺酸( a m p s ) 由于结构中含有强电离的、 水溶性的磺酸基团，因此其水凝胶表现出良好的p h 独立性。为了