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N-异丙基丙烯酰胺系共聚及互穿智能凝胶的研究进展 |
董 晶,陈 莉(天津工业大学材料科学与化学工程学院,天津300160) 自1984年Tanaka等人[1]发现聚N 异丙基丙烯酰胺(poly N isopropylacrylamide,PNIPAM)水凝胶具有温度敏感特性以来,对N 异丙基丙烯酰胺NIPAM的研究引起了人们极大的兴趣.目前,PNIPAM水凝胶的这种特殊的溶胀性能已被应用于药物控制释放、酶固定化和循环吸收剂等领域.但PNIPAM水凝胶的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,因而使其应用领域受到限制.为了克服以上缺点,加强其机械强度,提高其响应性,与其它单体合成共聚或互穿网络共聚物(IPN)水凝胶等就成了一个较为理想的途径.笔者考察了近几年国内外在这一研究领域取得的最新进展,综述如下. 1 合成方法的研究 为了得到具有特定性能并能满足相应要求的温度敏感性水凝胶,或者为了能对其结构和性质进行更为深入的了解,现很多学者对其合成方法进行了研究,也有关于该方面的综述报道[2].本文所述仅限于NI PAM与其他单体形成共聚或IPN水凝胶的合成方法. 水凝胶的合成方法主要有两种:一种为单体(如丙烯酸、丙烯酰胺等)根据自由基聚合原理进行合成;另一种直接对大分子物质(如壳聚糖、聚乙烯醇等)进行后交联合成.合成NIPAM共聚水凝胶一般是选择前种方法;而在合成其IPN水凝胶时,则两种方法均可. 1.1 自由基聚合法 根据自由基聚合原理合成水凝胶是一种比较传统的方法.它是使用引发剂和交联剂以实现NIPAM单体与共聚单体的引发、聚合和交联,这个聚合过程常通过加热完成.其不足之处是存在水凝胶中的引发剂残基和交联剂会对水凝胶的性质造成影响,而且以加热方式很难控制反应程度.Nogaoka等人[3]在不使用交联剂的情况下通过辐射引发使单体水溶液聚合和交联合成了水凝胶.这种方法操作简单,交联度可通过辐射条件来控制,聚合均匀,显示出了很多的优点.另一种常用的方法是氧化还原聚合法.它是在反应溶液中引入氧化还原反应引发体系,以实现凝胶的合成.张先正等人[4]采用过硫酸铵(APS)与N,N,N’,N’ 四甲基乙二铵(TEMED)作为氧化还原引发剂使NIPAM与丙烯酰胺(AAM)体系聚合生成共聚水凝胶.刘郁扬等人[5]则采用APS与亚硫酸氢钠(SBS)作为氧化还原引发剂使NIPAM与N 乙烯基吡咯烷酮体系合成共聚水凝胶.氧化还原体系的选择应根据不同聚合体系的特性来确定. 1.2 IPN法 IPN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.IPN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:一种称为半IPN,其内部只有一种组份是交联的;而另一聚合物以线型链存在,每条线型分子链通过不同网络互穿在产物中.如酸性介质中将壳聚糖(CS)以戊二醛作交联剂与PNIPAM在室温条件下合成的水凝胶[6],因为其凝胶网络中只有CS是交联的,而PNIPAM以大分子链的形式存在,故属于半IPN水凝胶.耿奎士等人[7]以乙二醇二甲基丙烯酸酯作交联剂,以安息香甲醚作紫外光引发剂,将NI PAM与共聚醚氨基甲酸酯脲的混和溶液进行辐射聚合制得的水凝胶同样也是一种半IPN水凝胶.另一种类型是两个组份均以网络形式互穿在一起称为全IPN.全IPN水凝胶由于是两种组分均交联的凝胶,故合成方法有所不同.卓仁禧等人[8]将预先制备的PAA干凝胶浸入到含有交联剂的NIPAM的水溶液中,待小分子充分进入到PAA凝胶内部后再加入引发剂引发体系进行聚合,从而制得PAA/PNIPAMIPN水凝胶. 此外,还有一些特殊的合成方法,如采用冷冻 融溶方法合成NIPAM PVA(聚乙烯醇)水凝胶,这主要是与PVA的特性有关,这种方法合成的凝胶是一种物理交联水凝胶,它在一定范围内具有稳定性. 2 交联剂的研究 合成水凝胶所使用的交联剂需要根据合成方法进行选择.进行自由基聚合时一般选用含有双烯烃的单体,它以较少数量与单体混合共聚从而形成三维网状结构.最常使用的交联剂是N,N 甲基双丙烯酰胺(MBAA)和二乙烯苯(DVB).近来也有一些报道中采用八官能团物质双(己二烯缩醛)乙二醛(glyoxalbis(diallylacetal),GLY)作为交联剂来代替MBAA,从而可以提高共聚水凝胶的溶胀性能,而不影响水凝胶的其他性质.WeiXue等人[9]采用GLY作为交联剂合成NIPAM co AA(丙烯酸)水凝胶,与采用MBAA作交联剂合成的水凝胶相比,这种水凝胶不但保留原有性能,而且还在很大程度上提高了水凝胶的吸水性能,溶胀比最大可为原来的600倍.采用大分子后交联的方法合成水凝胶时,一般是带有官能基团的大分子与含有双官能团的交联剂通过缩合形成凝胶,如天然高分子壳聚糖通过戊二醛作为交联剂合成的凝胶. 3 结构与性能的关系 近几年学术界对NIPAM与其他单体形成的共聚或IPN水凝胶的结构与性能的关系,作了较多的研究.研究发现,共聚单体的种类和数量的不同会对共聚或IPN水凝胶的性质产生不同的影响. 3.1 非离子型温度敏感凝胶 张先正等人[4]使用AAM与NIPAM共聚合成了具有快速温度敏感的水凝胶.亲水单体AAM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AAM含量来提高水凝胶的较低临界溶解温度LCST.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PNIPAM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.这在开关阀和人工肌肉等方面的应用具有重要意义.部分学者将NIPAM与一些其他的丙烯酰胺类单体共聚,合成出了一系列具有特殊性能的共聚物和水凝胶.将NIPAM和侧链含有赖氨酸残基的丙烯酰胺单体共聚,可以合成新型热响应性聚合物,其传感部分由NIPAM和两性电解质赖氨酸残基构成.它的相转变行为可随温度和pH值变化.当有铜离子介入时,含赖氨酸残基的聚合物可与其它分子氨基酸形成三元配位体,其相转变温度因氨基酸的种类而异.此类材料有望在氨基酸种类识别、伸缩响应高分子凝胶材料和化学阀等领域得到应用[10].英国学者[11]分别引入双正丙基丙烯酰胺(DPAM)、双正辛基丙烯酰胺(DOAM)和双十二烷基丙烯酰胺(DDAM)作为共聚单体与NIPAM合成水凝胶.引入以上共聚单体不但可以提高水凝胶的机械性能,还可以增强水凝胶的疏水性能,同时保持了温度敏感的性能.作者还对该类水凝胶在阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)溶液中的溶胀行为作了研究.结果表明:纯水中,PNIPAM水凝胶及经过疏水改性后的NIPAM共聚水凝胶在30~33℃出现了不连续的体积变化.当加入SDS后,这些凝胶的溶胀比以及LCST均得到了提高.这一结果被认为是由于非离子型PNIPAM系列凝胶与SDS溶液混合后转变为聚电解质水凝胶的缘故.当SDS的质量浓度低于0.500时,水凝胶在36~38℃显示了单一的不连续体积变化,而当SDS的质量浓度高于0.500时,水凝胶在36~40℃以及70℃均出现了不连续的体积变化.B.Yildiz等人[12]采用氧化还原法合成了具有孔状结构的NIPAM与N 羟甲基丙烯酰胺(NHMAAm)的共聚水凝胶.他们在合成凝胶过程中引入聚乙二醇(PEG4000)作制孔剂来提高其溶胀及退溶胀速率.与传统方法合成的凝胶相比,当温度低于LCST时,这种凝胶显示了更高的溶胀比、更快的溶胀速率和再溶胀速率.因而,在固定生物催化剂方面具有很好的应用前景. 3.2 阴离子型温度敏感凝胶 Hoffman等人[13]合成了NIPAM与AA的共聚水凝胶,这种水凝胶不仅具有温度敏感性质,还具有对环境pH值敏感的性质,即当水凝胶处于酸性条件下时呈现收缩状态,而处于弱碱条件下则呈现溶胀状态.TatsuyaMotonaga等人[14]引入丙烯酸钠(NaAA)与NIPAM共聚,得到了一种阴离子型水凝胶.其中NaAA是阴离子单体,其含量对水凝胶溶胀比和LCST有明显影响,一般是阴离子单体含量增大,溶胀比增大,LCST升高.此外,卓仁禧等人[8]还利用IPN技术合成了NIPAM/AA的IPN水凝胶.这种IPN水凝胶也同时具有温度敏感性质和pH值敏感性质.更为重要的是,这种IPN水凝胶与传统温度敏感水凝胶的“热缩型”溶胀性能恰好相反,属于“热胀型”水凝胶.在酸性条件(pH=1.4)下,凝胶的溶胀率随着温度的升高而上升,这种特性对水凝胶的应用,尤其是在药物的控制释放领域中的应用具有较重要的意义. 3.3 阳离子型温度敏感凝胶 阳离子型温度敏感水凝胶研究较少,最近才有报道.Beltran等人用甲基丙烯酸(2 二乙胺基)乙酯与NIPAM共聚制备含阳离子的水凝胶;Granger等人用甲基丙烯酸(三甲胺基)丙酯氯化物也制备出了阳离子型温敏水凝胶.目前,国内也有人进行了该方面的研究.王昌华等人[15]合成了含乙烯基吡啶盐的阳离子温敏水凝胶.研究表明:水凝胶的溶胀比和LCST随阳离子单体含量的增大而升高.此外,刘郁扬等人[5]研究了用MBAA作为交联剂,使NIPAM与N 乙烯基吡咯烷酮(NVP)的共聚的水凝胶合成方法及其性能.结果表明:NVP能显著延长共聚体系的凝胶化时间,但对共聚物的LCST的影响并不十分显著.同PNIPAM水凝胶相比,共聚水凝胶具有较好的温度响应性. 3.4 两性温度敏感凝胶 上述PNIPA系共聚及IPN凝胶虽然都显示一定优越性,但由于它们在水溶液中溶胀行为会因盐离子的引入而降低,因而使其在一些方面的应用受到了限制.由NIPAM与SPV(1 (3 sulphopropyl) 2 vinylpyridinium betaine)合成的水凝胶,由于其共聚单体由阴阳两种离子组成,因而称为两性水凝胶.这种两性水凝胶的溶胀性能在盐浓度低时会升高,而在盐浓度高时会降低,当盐浓度低于1mol/dm3时溶胀比高于其在纯水中的溶胀比[16]. 3.5 其他温度敏感凝胶 天然高分子由于具有很好的生物相容性,在医药、酶固定化、水纯化等方面应用广泛,因此越来越受到研究人员的重视.MingZhangW等人[6,17]合成了壳聚糖(CS)/PNIPAM半IPN和IPN水凝胶,并对其性能进行了研究.发现CS/PNIPAM半IPN和IPN水凝胶不但具有与CS水凝胶相似的性能,而且还都具有温度敏感性,同时克服了均相PNIPAM水凝胶的体积不稳定性,故在分离科学及新型凝胶机器的设计和制备方面有着很重要的意义.Wen FuLee等人[18]对CS/PNIPAM半IPN及IPN水凝胶的药物释放性能进行了研究,发现这类凝胶可以减慢药物的释放及药物在凝胶上的扩散速度.KyunaJu等人[19]采用AAH(aminoethamethiolhydrochloride)作为链转移剂合成了NIPA的氨基远螯聚合物,然后用其与海藻酸盐反应制备了半IPN水凝胶.这种水凝胶具有温度及pH敏感性,并且具有较高的强度,但是由于其结构较为紧密,故溶胀速度较低. 当温度高于LCST时,PNIPAM呈现疏水性,将其与亲水的聚乙二醇(PEG)共聚可制备PNIPAM PEG嵌段共聚物胶束.这种胶束具有温度敏感性,当温度低于嵌段共聚物PNIPAM的LCST时,胶束就溶解.因此,将疏水性的药物载入胶束核内到达体内靶位时,局部降温能使胶束解体而突然释放药物.丙烯酰胺作为NIPAM共聚单体时,有可能提高聚合物的LC ST,使其接近体温,有望用于临床[20,21]. 此外,还有一类特殊的非交联型水凝胶.这类凝胶不是通过化学键交联,而是通过氢键、偶极力、离子相互作用等作用力保持相对稳定的形态,形成物理交联的水凝胶.哈鸿飞等人[22]合成了K 型卡拉胶(KC)/PNIPAM的共混水凝胶.其中KC胶可溶于80℃左右的热水中,降至室温后即形成一种物理交联的水凝胶.作者采用γ射线辐射技术将具有物理网络结构和解离集团的KC与环境敏感的PNIPAM制成共混水凝胶,不仅保持了PNIPAM水凝胶的温度敏感性,而且还增强了它的强度.卓仁禧等人[23]则对温度敏感的NI PAM/PVA(聚乙烯醇)水凝胶的制备及性能进行了研究.其中PVA也是一类物理交联的水凝胶.PVA的亲水性和生物相容性较好,是优良的医用高分子材料,引入PVA制成新型的物理交联的温度敏感水凝胶将具有很好的应用前景. 4 结束语 NIPAM系温度敏感共聚水凝胶及IPN水凝胶是近十年来发展起来的一个较新的研究领域,由于其独特的性能,己引起了国内外越来越多的学者的注意.其在药物控制释放、固定化酶、细胞培养、生物分离等方面的应用也越来越受到了研究人员的重视.探索更有效的合成方法及更优良的共聚单体,对水凝胶的结构进行设计,以使其在实际应用中表现出优越的性能,将会成为今后研究的重要内容. 参考文献: [1] HirokawaY,TanakaT.Volumephase transitioninanon ionicgel[J].JChemPhys,1984,81(12):6379-6380. [2] 罗宣干,王 坦.N 异丙基丙烯酰胺系温度敏感聚合物和水凝胶的研究进展[J].化学通报,1996,(4):10-15. [3] NagaokaN,KubotaH,SafraniA,etal.Synthesisofpoly(N isopropylacrylamide)hydrogelsbyradiationpolymeriza tionandcross linking[J].Macromolecules,1993,26(26):7386-7391. [4] 张先正,卓仁禧.快速温度敏感(N 异丙基丙烯酰胺 co 丙烯酰胺)水凝胶的制备及性能研究[J].高等学校化学学报,2000,21:1309-1311. [5] 刘郁扬,范晓东,邵颖慧.N 异丙基丙烯酰胺/N 乙烯基吡咯烷酮水凝胶的研究[J].功能高分子学报,2000,13:380-385. [6] MingzhenW,JunchaoQ,YuP.Preparationandpropretiesofchitosan poly(N isopropylacryamide)semi IPNhydrogels[J].PolymChem,2000,38:474-481. [7] 耿奎士,方 静,唐明义,等.热敏性互穿网络聚合物[J].化工新型材料,1996,(3):16-21. [8] 卓仁禧,张先正.温度及pH敏感聚(丙烯酸)/聚(N 异丙基丙烯酰胺)互穿聚合物网络水凝胶的合成及性能研究[J].高分子学报,1998,(1):39-42. [9] WeiXue,SimonChamp,MalcolmBHuglin.Newsuperab sorbentthermoreversiblehydrogels[J].Polymer,2001,42:2247-2250. [10] 杨大智.智能材料与智能系统[M].天津:天津大学出版社,2000.237-239. [11] WeiXue,IanWHamley.Thermoreversibleswellingbe haviourofhydrogelsbasedonN isopropylacrylamidewithahydrophobiccomonomer[J].Polyme,2002,43:3069-3077. [12] YildizB,IsikB,KisM.SynthesisofthermoresponsiveN isopropylacrylamide N hydroxymethlacrylamidehydrogelsbyredoxpolymerization[J].Polymer,2001,42:2521-2529. [13] DongLC,HoffmanAS.Anovel approachforpreparationofpH sensitivehydrogelsforentericdrugdelivery[J].JControlledRelease,1991,15(2):141-152. [14] TatsuyaMotonaga,MitsuhiroShibayama.StudiesonpHandtemperaturedependenceofthedynamicsandhetero genitiesinpoly(N isopropylacrylamide co so diumacry late)gels[J].Polymer,2002,43:8925-8934. [15] 王昌华,卢英先,曹维孝.阳离子型温敏水凝胶的合成和性质[J].高分子学报,1998,(2):236-240. [16] WeiXue,SimonChamp,MalcolmBHugling.Thermore versibleswellingbehaviorofhydrogelsbasedonN iso propylacrylamidewithzwitterioniccomonomer[J].Euro peanPolymerJournal,2001,37:869-875. [17] MingzhenW,YuF,DaodaoH.Preparationandproper tiesofchitosan poly(N isopropylacrylamide)full IPNhy drogels[J].Reactive&FunctionalPolymers,2001,48:215-221. [18] WenfuLee,YingjouChen.StudiesonpreparationandswellingpropertiesoftheN isopropylacrylamide/chitosansemi IPNandIPNhydrogels[J].JournalofAppliedPoly merScience,2001,82:2487-2496. [19] HeeKyungJu,SoYeonKim,SeonJeongKim.pH/tem perature respongsivesemi IPNhydrogelscomposedofalgi nateandpoly(N isopropylacryl amide)[J].JournalofAp pliedPolymerScience,2002,83:1128-1139. [20] 余耀庭.生物医用材料[M].天津:天津大学出版社,2000.310-312. [21] ToppMDC,DijkstraPJ.Thermosensitivemicelle form ingblockcopolymersofpoly(ethyleneglycol)andpoly(N isopropylacrylamide)[J].Macromolecules,1997,30:8518-8520. [22] 张艳群,哈鸿飞.氯化钠相转变K 型卡拉胶/N 异丙基丙烯酰胺共混凝胶的辐射合成及性质研究[J].高分子学报,2001,(4):485-488. [23] 张先正,卓仁禧.温度敏感聚(N 异丙基丙烯酰胺)/聚(乙烯醇)水凝胶的制备及性能研究[J].高等学校化学学报,2000,21:1776-1777. |
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