张建涛,黄世文,汪璐玲,卓仁禧
(武汉大学化学与分子科学学院,生物医用高分子材料教育部重点实验室,武汉430072)
聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPA)是一种典型的温度敏感水凝胶,在33℃以下吸水溶胀,当外界温度高于33℃时,凝胶收缩失水,发生相变,这一温度称之为较低临界溶解温度(LCST)[1～7].温度敏感PNIPA水凝胶已广泛用于药物控制释放[8]、固定化酶[9]和基因传递[10]等领域.但是,PNIPA凝胶的相变温度不能满足人体37℃的使用要求,将丙烯酸(AAc)、丙烯酰胺等亲水性单体引入凝胶骨架可以提高其LCST.但是引入亲水单体降低了PNIPA凝胶的敏感性,因此需要制备既有合适相变温度,又具有快速敏感性的凝胶.对于一些特殊的应用,如大分子药物的控制释放,要求凝胶有较大的孔径,有利于大分子药物的负载和释放.聚乙二醇是一种水溶性高分子,具有良好的生物相容性,作为合成大孔材料的制孔剂很容易用水洗出,不需其它复杂的操作.本文以聚乙二醇6000为成孔剂,合成了N-异丙基丙烯酰胺/丙烯酸共聚大孔凝胶,AAc组分可以调控凝胶的相变温度,所得凝胶具有快速温度敏感性能.
1 实验部分
1.1 试 剂
N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)购自美国Aldrich公司,使用前用正己烷/甲苯混合溶剂重结晶;丙烯酸(AAc,分析纯),购自上海医药公司,使用前重新蒸馏.聚乙二醇6000(PEG6000)、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(BIS),过硫酸铵(APS)和N,N,N′,N′-四甲基乙二胺(TEMED)等均为分析纯试剂.
1.2 聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸)[P(NIPA-co-AAc)]水凝胶的合成
将一定量的单体NIPA和AAc、交联剂BIS及成孔剂PEG6000溶于2mL水中,于室温(20℃)下以APS和TEMED为引发剂引发聚合反应24h.反应完成后,将所得凝胶在室温下用蒸馏水浸泡3d,每隔几个小时换一次蒸馏水,除去未反应的单体和水溶性杂质.凝胶的合成条件和样品编号见表1.
1.3 表 征
将在水中达到溶胀平衡的NA1和PNA1凝胶真空干燥,样品表面经喷金处理后,用扫描电子显微镜(SEM,Hitachi650)观察其表面形态;将真空干燥的凝胶与KBr研磨压片,测定400～4000cm-1范围内的红外光谱(FTIR,NEXUS670);将凝胶置于不同温度(8℃至56℃)的蒸馏水中浸泡1d,使其充分溶胀,称凝胶的湿重Ws,然后将凝胶干燥,称量凝胶干重Wd,计算水凝胶的溶胀率(SR):SR=(Ws-Wd)/Wd;将室温下充分溶胀的凝胶快速转移到60℃的热水中,记录不同时刻的凝胶质量,测定水凝胶的退溶胀动力学,计算水保留率(WR):WR=100×(Wt-Wd)/(Ws-Wd),Wt是某一时刻凝胶的质量.
2 结果与讨论
2.1 凝胶的合成
APS和TEMED作为氧化还原引发体系广泛应用于水相烯基聚合反应.本文中,加入引发剂以后,反应立即发生,凝胶在几分钟内形成.所得凝胶均匀透明,说明在聚合交联过程中没有发生相分离.关于P(NIPA-co-AAc)凝胶对pH值及离子强度的依赖性已有相关报道[11,12],本文重点讨论加入PEG6000所形成的大孔结构对凝胶温度敏感性能的影响.PEG分子作为模板分子可以用于制备多孔材料[13,14],尚未发现用于合成温度/pH双重敏感水凝胶的报道.如果加入的PEG量太少,不能产生足够的孔,PEG太多又会导致凝胶机械强度降低,实验结果表明,加入150mgPEG可以使得到的凝胶既有足够的孔率,又能保持较好的强度.图1是NA1和PNA1凝胶的扫描电镜照片.
由图1可以看出,加入PEG6000,PNA1具有明显的大孔结构特征.NA1中没有加入成孔剂,表面形貌相对比较致密.PNA1水凝胶在聚合交联过程中,PEG6000分子被嵌入凝胶网络中,在水洗过程中被洗脱.凝胶对合成条件有记忆效应,PEG分子所形成的孔不会因PEG6000的洗脱而消失.PNA2,PNA3和PNA4也有类似的大孔结构.NA1和PNA1凝胶的红外光谱见图2.其红外光谱基本相同,在3200～3600cm-1均出现一个宽峰,属于N—H或O—H收缩振动.从P(NIPA-co-AAc)凝胶的红外光谱中可见典型的酰胺 带(～1649cm-1,CO的收缩振动)和酰胺 带(～1549cm-1,N—H的弯曲振动).1388和1460cm-1为—CH(CH3)2的吸收峰.PNA1红外图谱在1100cm-1没有观察到明显吸收峰,说明PEG6000分子在水洗过程中被洗脱,PNA1凝胶不含PEG6000.NA1凝胶和PNA1凝胶的化学组成基本一致.
2.2 水凝胶的溶胀率
溶胀率是评价水凝胶性质的一个重要参数.我们研究了温度对凝胶溶胀率的影响.图3是凝胶在水中溶胀率-温度关系图.在LCST以下,大孔PNA水凝胶的溶胀率均比普通NA凝胶高;随着温度的升高,凝胶溶胀率逐渐降低,当温度升高到LCST时,溶胀率急剧降低,发生相转变;丙烯酸含量不同的水凝胶,LCST也不一样,随着丙烯酸含量的增加,凝胶的LCST升高.在PNIPA凝胶体系中PNIPA侧链上含有亲水的酰胺基和疏水的异丙基,存在一个亲水/疏水平衡[15,16].当外界温度在LCST以下时,在疏水基团周围形成一个稳定的水合结构.当温度上升至LCST时,疏水基团间的疏水作用占主导.在大孔PNA凝胶体系中,加入PEG使凝胶具有多孔结构,这种孔结构在LCST以下可以“储存”更多的水分子,所以PNA凝胶的溶胀率均较高.随着AAc含量的增多,水凝胶的LCST逐渐变大.从图3看出,NA1凝胶的LCST大约在37℃,NA2在42℃,NA3在47℃,而NA4在50℃左右.前面提到,PNIPA水凝胶体系内存在一个亲水/疏水平衡,对于共聚凝胶,随AAc组分含量的增加,分子链上亲水部分变大,链亲水性增强,亲水/疏水比变大,导致高分子链和水分子的相互作用增强,破坏凝胶内的水合作用、使疏水基团聚集需要更多的能量,所以随着AAc的增加,凝胶的LCST也随之升高.
在LCST以下水凝胶的溶胀率和AAc含量的关系如图4.随着AAc含量的增加,水凝胶在30℃时的溶胀率逐渐增大.这是因为AAc含量高的凝胶亲水性强,导致与亲水基团结合的水分子变多.PNA系列大孔凝胶溶胀率随AAc含量增加而提高的幅度比普通NA凝胶大,这可能是制备过程中加入的成孔剂PEG6000造成的,大孔凝胶骨架“孔隙”中的自由水分子更多.
2.3 水凝胶的退溶胀动力学
将室温下充分溶胀的凝胶转移到60℃的热水时,凝胶开始收缩失水,其退溶胀曲线见图5.大孔凝胶PNA系列均比普通凝胶NA系列收缩快.在40min时,PNA1～PNA4发生退溶胀,收缩失水分别为97%,97.5%,92%和74%,而NA1～NA4失水仅为54%,83%,65%和51%.当外界温度为60℃时,疏水作用占主导,高分子链开始聚集,凝胶网络收缩,使水分子排出.普 通PNIPA凝胶放入热水中,其表面部分首先去水合,发生相分离,表面形成致密层,阻止水分子的渗出.逐渐增加的内压使凝胶表面出现很多微小气泡[17～19].对于大孔PNA系列凝胶,实验过程中没有观察到表面气泡,由于PNA凝胶具有大孔结构,凝胶表面收缩时并没有形成致密层.退溶胀过程中,大孔结构有利于水分子的挤出,PNA系列凝胶的退溶胀速率均比NA凝胶快.普通PNIPA凝胶2h内仅收缩失水50%[20,21].NA凝胶的退溶胀速率比PNIPA凝胶快,这是因为PNIPA凝胶的表面致密层是由疏水基团的疏水作用形成的,引入亲水性单体AAc可以部分破坏致密层,所以NA1的退溶胀速率比PNIPA快.我们还观察到PNA2在大孔凝胶中收缩最快,NA2在NA系列凝胶中收缩最快.这是因为AAc太少,不能充分破坏致密层;AAc太多,增加了凝胶的亲水性,使疏水作用变弱,影响凝胶的收缩,所以PNA2和NA2的退溶胀速率最快.
2.4 水凝胶的振荡试验
从应用的角度来看,有必要研究凝胶的收缩-再溶胀行为.因为PNA1和NA1的LCST大约在37℃,我们研究PNA1和NA1在30～40℃之间的振荡动力学,振荡动力学曲线如图6.从图6可看出,凝胶在40℃收缩失水在30℃溶胀吸水.这是因为外界温度高于LCST(40℃)时,高分子链收缩失水;低于LCST(30℃)时,高分子链又重新形成水合结构.但是在振荡过程中,PNA1和NA1的水保留率都呈下降趋势,这是由于凝胶的吸水溶胀速率比收缩失水速率慢所致.我们还观察到PNA1的振荡幅度较大,即在相同的时间内失去或吸收的水均比NA1多,与凝胶对温度变化的响应速度一致,这也是由PNA1凝胶的大孔结构造成的.
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