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温敏性壳聚糖水凝胶

华南理工大学材料科学与工程学院2010级本科生“Biomedical Materials”课程报告

学生班级：10级材料创新班学生姓名：李智豪成绩：

题目：Characteristics and Applications of Natural Biodegradable

Polymer Materials

报告时间：Friday, Mar. 22, 2013

完成者：李智豪

Characteristics and Biomedical Applications of

Injectable Thermogelling Chitosan–Inorganic

Phosphate Solutions

Abstract：

Thermosetting polymers are attractive candidates for biomedical applications as noninvasive therapeutic delivery vehicles. In the present study, the feasibility of developing a neutral physiological temperature setting injectable formulation based on chitosan and an inorganic phosphate salt have been demonstrated. The in situ gelling system was developed by adding different concentrations of dipotassium hydrogen orthophosphate (DHO) to chitosan solution. The resulting solutions have pH in the range of ～7–7.2. The gelling time of the chitosan–DHO solution was determined by incubating the solutions at 37 °C. Depending on the concentrations of DHO added, the gelling time varied from 4 min to 30 h at 37 °C. Addition of various diluents to chitosan–DHO solution did not significantly change the gelling time of the solutions.

Key word：

Thermogelling; chitosan–DHO solution; delivery

Introduction：

Injectable in situ setting hydrogels have tremendous potential as carrier matrices

for a wide range of biomedical and pharmaceutical applications such as drug delivery and tissue engineering.1–3The advantages of injectable gelling systems over preformed matrices include introduction into the body in a minimally invasive manner, ability to provide a good fit, and delivery of bioactive molecules or cells to the defect site under mild conditions.1,2For effective clinical application, injectable systems should be able to gel at mild physiological conditions in a clinically relevant time period. The gel should maintain its integrity for a desired period of time, show good biocompat-ibility, and biodegrade into nontoxic degradation products.1,2Several natural and synthetic polymers have been investigated for developing in situ gelling systems induced by stimuli such as temperature, light, or pH.4–12 Among these, the thermogelling injectable system is one of the most extensively investigated and highly preferred system for in vivo applications.

Chitosan is a biodegradable and biocompatible natural polymer composed of D -glucosamine and N -acetyl-D -glu-cosamine, is attracting a great deal of interest for biomedical applications.16Chitosan is derived from chitin, which is the main component of crustacean exoskeleton and is the second most abundant natural polymer.17The intrinsic properties of chitosan such as solubility in weak acids, biocompatibility, bioadhesivity, enzymatic degradability, and antibacterial activity makes it one of the most preferred biomaterial for developing drug and cell delivery matrices.18 The presence of amino groups in chitosan renders it chemically reactive, and several different types of cross-linking agents have been identified to develop chitosan-based hydrogels. These include chemical cross-linking of chitosan using the amino groups of chitosan and various dialdehydes, ionic cross-linking of chitosan using various ions such as citrates and polyphosphates, and formation of poly-electrolyte complexes using anionic polymers.19–22Among these, ionic cross-linking is highly preferred for biomedical applications, being a simple and mild process and as it avoids the use of toxic chemical cross-linking agents.

The purpose of this study was to evaluate the feasibility of developing a thermal responsive chitosan in situ gelling system using low concentrations of inorganic phosphate salts as the gelling agent and to evaluate the efficacy of the thermogelling system as a cell and or macromolecular delivery matrix.

Materials and Methods

Chitosan from crab shells (minimum 95% deacetylation),dipotassium hydrogen orthophosphate(DHO),acetic acid solution (～2.0%). All other chemicals used were of reagent or pharmaceutical grade obtained from Sigma.

Preparation of Chitosan Solution.Chitosan was dissolved in 0.5% acetic acid solution (～2.0%) under magnetic stirring for 48 h at room temperature. The resulting solution (pH ～ 5.6) was filtered and stored at 4 °C. The viscosity of the solution was found to be 5300 cps when measured at a shear rate of 4 s-1 (Brookfield DV-II + Pro Viscometer).

Preparation of Thermogelling Solution. Chitosan (5 mL) was aliquoted into a glass vial and magnetically stirred in an ice bath. An appropriate amount of

dipotassium hydrogen orthophosphate(DHO), either as a powder (0.075 g/5 mL chitosan) or as a solution (60% in water, pH ～ 8.6) was slowly added to the chilled chitosan solution. The pH of the resulting mixture was found to be in the range of 7–7.2.

Gelling Time Determination.Chitosan solution (5 mL, pH ～5.6) was reacted with different amounts of DHO (0.06, 0.075, 0.09, 0.12 g or equivalent volume) in an ice bath ( ～0 °C) with magnetic stirring for 2 min The pHs of the corresponding solutions were found to be ～7.09±0.03, 7.13±0.05, 7.25±0.02, and 7.3 ±0.04. Test tube inverting method was used to determine the time of sol–gel transition.23 The chitosan–DHO mixture was incubated in a water bath at 37 °C,and time measurements were started. The flowability of the solution was checked every 30 s for 30 min by tilting the vial. The time at which the solution stopped flowing was taken as the gelling time and the values reported are the average of four determinations ±SD.

Rheological Analysis.A controlled-stress rheometer (AR 2000, TA Instruments, Inc.) was used to demonstrate the sol–gel transition property of chitosan–DHO solution at 37 °C by following the viscosity of the solution with time. Briefly, the chilled chitosan–DHO solution containing 0.075 g of DHO was introduced into the rheometer equipped with a parallel plate geometry immediately after preparation. The variation in viscosity was measured as a function of time at 37 °C with a constant oscillation frequency of 1 Hz.

Addition of Diluents. To 5 mL of chitosan in an ice bath was added 0.075 g of DHO with magnetic stirring. The solution was stirred magnetically and different volumes of the diluents were added. The diluents used were water (pH 7.0), phosphate buffered saline (PBS), and minimum essential media (MEM). The gelling time of the resulting solutions were determined using the test tube inversion method.

In Vitro Release Studies.Chitosan–AHP solution was prepared as described earlier (0.075 g of AHP/5 mL chitosan) and appropriate amounts of FITC-dextran/FITC-albumin was added to the solution and gelled at 37 °C. Preweighed FITC-dextran/FITC-albumin loaded circular discs (10, 20, and 30 mg macromolecule/mL of the gelling solution) were placed separately in 10 mL of phosphate buffer saline (PBS) at 37°C in a shaking water bath. At predetermined times, the media was removed and replaced with fresh PBS. The FITC-dextran/FITC-albumin concentration in the release media was determined spectrophotometri-cally at 491 nm and the percentage cumulative release was calculated based on the total FITC albumin content.

Statistical Analysis. Statistical analysis was performed using a one way ANOVA with a minimum confidence level of (p < 0.05) for statistical significance.

Figure 1.Photograph showing the thermogelation of chitosan–DHO solution. (A) Chitosan solution in 0.5% acetic acid. (B) Chitosan–DHO solution (0.075 g of DHO added to 5 mL of chitosan solution in an ice bath and stirred for 2 min followed by incubating at 37 °C for 4 min. (C) Thermogelled chitosan–DHO solution after incubating the chitosan–DHO solution at 37 ° C for 11 min.

Results

Thermogelation of Chitosan Solution in the Presence of AHP. The feasibility of developing a thermogelling chitosan solution in the presence of DHO was demonstrated (Figure 1).17The effect of DHO concentration on the gelling time of the chitosan solution was determined by varying the amount of DHO solution added to chitosan while forming the themogelling solution. Figure 2 shows the gelling time of chitosan–DHO so-lution as a function of the amount of DHO added. The pH of the corresponding solutions varied from ～7.00 to 7.2. As shown in Figure 2, the concentration of DHO has a significant effect on the gelling time of the chitosan–DHO solution. Thus,increasing the DHO concentration significantly decreased the gelling time within the concentration range studied. It has been found that at a lower concentration of 0.045 g of DHO, the solution took ～30 h to gel when incubated at 37 °C (data not shown). However, no significant difference in gelling time was observed between DHO concentrations of 0.075 and 0.09 g.Because our aim was to develop systems with a gelling time of approximately 10 min, 0.075 g of DHO /5 mL of chitosan was used in all the subsequent studies. However, it has been found that increasing the concentration to 0.12 g/5 mL of chitosan could further decrease the gelation time.

Figure 3 shows the thermogelation of chitosan–DHO solution determined as a function of time using oscillatory rheometer. The concentration of the DHO used was 0.075 g. The viscosity of the chitosan–DHO solution was found to increase after ～8 min and showed a significant increase within 15 min of incubation at 37 °C, demonstrating the sol–gel transition.

DHO concentration (gm)

Figure 2.Gelling time of chitosan–DHO solution as a function of the amount of DHO added to the chitosan solution (0.06, 0.075, 0.09, 0.12 g of DHO were added to 5 mL each of chitosan solution). Gelling time was determined by incubating the solutions at 37 °C. Statistical significance at p < 0.05.

Figure 3. Variation of viscosity of chitosan–AHP solution with time as measured using an oscillatory rheometer at a fixed frequency of 1 Hz (0.075 g of AHP was added to 5 mL of chitosan solution).

Effect of Diluents on the Gelation Time of Chitosan–DHO Solution.In addition to the concentration of DHO and the pH of the solutions, the effect of addition of various diluents such as distilled water (pH 7.0), cell culture media (MEM), and PBS were studied. Table 1 shows the effect of diluents on the gelling time of chitosan–DHO solution determined by the test tube inversion method. The ratio of the chitosan to DHO was kept constant in all these determinations. The table shows that dilution of chitosan–DHO using various diluent solutions did not significantly affect the gelling time of the solution under the conditions studied.

Five mL of chitosan solution was treated with DHO solution (DHO 0.075 g), and appropriate volumes of diluents were added and incubated at 37 °C for gelling time

determination

Discussion

Chitosan is an aminated polysaccharide that is soluble in weak acids due to the protonation of the amino groups. Poly- or multivalent anions are therefore extensively used to develop ionically cross-linked chitosan matrices utilizing the cationic nature of acidic chitosan solutions. Acidic solutions of chitosans are stable only up to a pH of about 6.2.20Increasing the pH of chitosan solution above its pK a results in spontaneous gelation of the solution. However, a recent study has shown that neutralization of acidic chitosan solution at low temperature using certain organic phosphates such as βGP can prevent the precipitation of chitosan at a pH above 6.2. These solutions have been shown to transform into a gel as the temperature of the solution was increased. 12,13,14,15,18 In this study, we investigated for the first time the effect of an inorganic phosphate salt on developing a thermogelling neutral injectable chitosan solution.

It has been found that addition of basic DHO solution (pH ～8.6) to chitosan solution at low temperature could increase the pH of the chitosan solution above pH 6.2 without spontaneous gelation. At the concentration of DHO studied, chitosan solutions having pH in the range of 7–7.2 has been prepared at low temperature. Unlike multivalent phosphates such as tripoly-phosphate, which is known to form pure ionic cross-linking with chitosan, the divalent phosphate ions from DHO did not induce a pure ionic cross-linking. The addition of tripolyphosphate to chitosan solution under the same experimental conditions resulted in the rapid gelation of the polymer governed by ionic cross-linking. Thus the addition of DHO salt to chitosan solution is presumably neutralizing the solution without significant electrostatic interactions

between the chitosan chain and the divalent phosphate ion. This is evident from the feasibility of preventing the precipitation of chitosan at higher solution pH due to the addition of DHO and the temperature controlled gelation process of the chitosan–DHO system when incubated at 37°C due to chitosan chain interactions (Figures 1 and 3). The gelation time and pH of the chitosan–DHO solution was found to depend significantly on the concentration of the DHO added (Figure 2). It has been found that low concentrations of DHO (<0.03 g, pH 6.8) did not induce the thermogelation of chitosan and increasing the concentration of DHO correspond-ingly decreases the gelation time and increases the pH of the chitosan–DHO system. Also, no gelation was observed at 37°C when the pH of the chitosan–DHO solution was below 7.00 and the gels formed above pH 7.0 did not show any thermo-reversibility.

Because the thermogelling injectable system has the potential to be used as carrier agents for cells or molecules, the effect of addition of various diluents on the gelling time of chitosan–DHO solution was evaluated. The addition of diluents to the chito-san–DHO system without changing the pH of the system did not significantly change the gelation time (Table 1). This also suggests that the pH is one of the important parameter that determine the temperature setting process in the chitosan–DHO gelling system.

The properties of chitosan solutions are known to depend on many different factors, including molecular weight of the polymer, degree of deacetylation, crystallinity of the polymer, viscosity and concentration of the solution, concentration of acetic acid, and pH. All these parameters can affect the gelling time of the thermosetting system.

Conclusions

An injectable thermogelling solution was developed by the addition of DHO to chitosan solution in acetic acid. The resulting solutions have pH in the range of ～7–7.2. The addition of DHO to chitosan resulted in the formation of near-neutral solution that gelled in a clinically relevant time period when incubated at 37 °C.The chitosan–DHO could function as a prolonged protein delivery vehicle. These studies collectively indicate the good biocompatibility of the chitosan–DHO system and with the potential to function as a carrier matrix for multiple biomedical and tissue engineering applications.

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【CN110003369A】一种温敏性纳米水凝胶的制备方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910175879.6 (22)申请日 2019.03.08 (71)申请人西安理工大学地址 710048 陕西省西安市金花南路5号 (72)发明人任鹏刚　张华　 (74)专利代理机构西安弘理专利事务所 61214 代理人曾庆喜 (51)Int.Cl. C08F 120/00(2006.01) (54)发明名称一种温敏性纳米水凝胶的制备方法 (57)摘要本发明公开了一种温敏性纳米水凝胶的制备方法，具体为：首先，利用丙烯酰氯与Pluronic F127羟基的亲核加成反应，制备丙烯酰化F127；再将丙烯酰化F127溶解于去离子水中，加入过硫酸铵，之后置于60℃～65℃的条件下反应12h～ 36h，得到聚合交联的F127纳米胶束溶液，之后再装入透析袋中透析，最后，在-55～-65℃的条件下冷冻干燥24h～48h，得到温敏性纳米水凝胶。该方法通过预交联丙烯酰化F127，形成了纳米结构稳定、化学交联的F127纳米水凝胶。该纳米水凝胶具有可逆的高效温度响应性，转变温度18～ 22℃，适于生理环境的应用。权利要求书1页说明书6页附图1页CN 110003369 A 2019.07.12 C N 110003369 A

权　利　要　求　书1/1页CN 110003369 A 1.一种温敏性纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1，利用丙烯酰氯与Pluronic F127羟基的亲核加成反应，制备丙烯酰化F127；步骤2，将丙烯酰化F127溶解于去离子水中，加入过硫酸铵，之后置于60℃～65℃的条件下反应12h～36h，得到聚合交联的F127纳米胶束溶液；步骤3，将经步骤2后得到的聚合交联F127纳米胶束溶液装入分子量为3000～8000的透析袋中透析3天～5天，最后，在-55～-65℃的条件下冷冻干燥24h～48h，得到温敏性纳米水凝胶。 2.根据权利要求1所述的一种温敏性纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，制备丙烯酰化F127，具体为：步骤1.1，将Pluronic F127溶解于无水二氯甲烷中，并置于0℃～4℃的冰水浴中，加入三乙胺，通入氮气保护15～20min，得到混合液a；步骤1.2，按每秒1滴～2滴的速度向经步骤1.1后得到的混合液a中滴加丙烯酰氯，之后置于0℃～4℃的冰水浴中反应48h～60h，得到反应混合液，再将反应混合液进行过滤，除去滤渣，得到反应液；步骤1.3，向经步骤1.2后得到的反应液中加入石油醚，沉淀15min～30min，之后将得到的固体物质置于真空干燥箱中干燥，得到丙烯酰化F127。 3.根据权利要求2所述的一种温敏性纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1.1中，Pluronic F127、无水二氯甲烷和三乙胺的摩尔比为1：5：10～20。 4.根据权利要求2所述的一种温敏性纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1.2中，丙烯酰氯与混合液a的质量比为1：10～20。 5.根据权利要求2所述的一种温敏性纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1.3中，反应液与石油醚的体积比为1：10～15；干燥温度为25℃～35℃，干燥时间为12h～24h。 6.根据权利要求1所述的一种温敏性纳米水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，丙烯酰化F127、过硫酸铵和去离子水的摩尔比为0.005～0.02：0.001～0.003：100。 2

温敏凝胶

植入释药系统可实现数天到数年的长期稳定释药，在精神卫生疾病治疗、戒毒戒烟、避孕、抗肿瘤等领域有非常重要的临床应用价值。生物相容性好、可生物降解并控制药物释放的水凝胶，被认为是理想的埋植释药骨架材料。以环境响应高分子为骨架的原位凝胶埋植给药系统，可以溶胶形式注射植入，在体内发生溶胶－凝胶相变，形成半固态水凝胶释药骨架，控制药物实现长达数月释放，成为埋植给药的最前沿和重点方向之一接下来我要跟大家分享的是近年国内外在温敏水凝胶原位植入释药系统方面的研究进展，并分析其面临的问题与可能的解决途径原位凝胶是一类以溶液状态给药后，能在用药部位立即发生相转变，由液态转化形成非化学交联半固体凝胶的制剂。药物与凝胶材料可以制成均一、混悬的乳胶稠厚液体或半固体的凝胶剂。凝胶剂具有良好的组织相容性，在给药部位滞留时间长；同时可起到贮存药物，防止药物受环境影响等作用。根据形成机制的不同，可以将原位凝胶分为温度敏感型、pH 敏感型以及离子敏感型等。原位凝胶剂作为一种新型的药物剂型，广泛用于缓释、控释及脉冲释放等新型给药系统，原位凝胶可应用于皮肤、眼部、鼻腔、口腔、阴道、直肠等多种途径给药。现今，原位凝胶给药系统已成为药剂学与生物技术领域的一个研究热点。反向温敏水凝胶在常温下为溶胶，而在体温下迅速转变为凝胶，其容易制备，且相转变速度快，成为最主要原位凝胶材料。我将从三个方面来具体介绍凝胶材料和给药系统的制备：。。。。。。。理想的温敏凝胶材料应具备以下条件: ①在室温下有良好的流动性，黏度一般小于 5 Pa·s，以便注射; ②注射后在体温下迅速发生溶胶－凝胶转变，转变时间一般小于10 min; ③生物相容性: 植入材料及其降解产物无毒性，引起的炎性反应程度低，注射部位无明显异物感; ④良好的载药性能和足够的载药容量; ⑤较高的机械强度和丰富的网络结构; ⑥合适的降解速率和降解动力学特征。最初的原位释药系统大都采用组织工程领域开发的各种凝胶材料。此后，为满足植入释药的一些特殊需求，研究者开发多种新型的温敏水凝胶体系，并对其进行各种改造。目前研究报道的用于植入释药的温敏水凝胶主要包括以下几类: 多糖/盐体系、嵌段聚合物和异丙基丙烯酰胺共聚物。表中列出了各类中研究较多的温敏凝胶系统及其主要特性。近年来，生物相容

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一种温敏智能水凝胶

一种温敏智能水凝胶高分子水凝胶指能够在水中溶胀并保持大量水分的不溶性交联聚合物，它具有网络结构。一些水凝胶受到外界环境的刺激，如温度、溶液的组成、pH值、电场等变化时，其结构和性能(一般是体积)会随之发生突变，呈现体积相变(体积的突然收缩或膨胀)行为，从而具有智能功能。其中对温度敏感的水凝胶叫做温敏水凝胶。一、一种典型的温敏水凝胶—PNIPA水凝胶温敏水凝胶的种类很多，其中聚N–异丙基丙烯酰胺(PNIPA)类水凝胶最受关注。PNIPA水凝胶可由N–异丙基丙烯酰胺(NIPA)单体在交联剂、引发剂等存在下聚合生成(如图1所示)。NIPA的侧链中既含有亲水性的酰氨基又含有疏水性的异丙基，NIPA聚合生成网络结构的水凝胶。图1 PNIPA水凝胶的合成低温时，PNIPA水凝胶三维网络结构中存在许多孔隙，水可以占据孔隙，发生吸水溶胀。此时水分子与PNIPA的酰胺基团形成氢键，在聚合物四周形成高度有序的水分子层，聚合物处于伸展状态(如图2左侧所示)。当温度升高至某个温度(叫做最低临界溶解温度LCST，通常在30～35℃范围)时，氢键遭到破坏，包裹在聚合物周围的水分子减少，疏水基团之间的疏水缔合作用增强，水从孔隙中排出，凝胶突然收缩，发生退溶胀(如图2所示)。以上变化过程可逆，收缩的凝胶会随着温度的降低而再次溶胀，恢复原状。图2 PNIPA水凝胶的体积相变示意图 LCST是水凝胶的重要参数，可以通过在聚合过程中加入疏水或亲水的共聚单体、溶剂、简单盐类、表面活性剂等来改变。通常，PNIPA聚合物的疏水部分越多，水凝胶的LCST越高，亲水部分越多则相反。例如，以NIPA与疏水性更强的N，N–二甲基丙烯酰胺为原料，制得的PNIPA水凝胶的LCST随着后者含量的增大而升高。由于PNIPA水凝胶的LCST接近人体温度，它的温敏智能性和记忆效应引起了人们很大的兴趣，在生物医学领域，例如物质分离、药物释放、酶和细胞的固定化等方面有着很好的应用前景。二、PNIPA温敏水凝胶用于酶固化研究

温度敏感性水凝胶的研制与应用

温度敏感性水凝胶的研制与应用杨晶琎（四川理工学院材料科学与化学工程学院）摘要：聚N2异丙基丙烯酰胺(PN IPA)凝胶的研究概况，包括其在化工、医药、纺织等行业中的应用。 Gather N2 isopropyl acrylamide gel (IPA) PN the research situation, including its in chemical industry, medicine, textile, etc. 关键词：水凝胶敏感性热敏性温度 Key words: gel intelligent materials prospects biological 水凝胶热敏性的相关转变与研究：首先观察到水凝胶热敏性的是Tanaka等人[1],用N ,N - 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。后来人们发现温度对其的影响很大，并称其为热敏性。1984年Hirokawa等在非离子水凝胶中也发现了这种相转变, Hoffman和Freltas等也证实了非离子性的聚(N ,N - 二乙基丙烯酰胺)水凝胶和聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶的热敏性相转变[1-3]。所以:敏感性相转变成为一种普遍性。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Flo ry-Huggins 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———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出来,使水凝胶———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[ 7 ,8 ]其中与实验现象符合较好的是Ilavsky 等人修改的由Flo ry 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。Tanaka 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

新型聚(N-异丙基丙烯酰胺)类温敏性微凝胶的合成与表征

新型聚（N-异丙基丙烯酰胺）类温敏性微凝胶的合成与表征聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)类响应性微凝胶胶粒因在药物控制释放、生物物质分离和光子晶体等领域有着广阔的应用前景,而备受人们关注。制备流体力学直径(D_H)小、单分散性好、稳定性高、表面无污染等特征的微凝胶成为这一领域需要解决的重要课题。本文从分子设计的角度出发,通过改变交联剂种类、加料方式和聚合方法,以及引入疏水性单体改性等途径以制备小粒径、单分散性良好的、新型的具有温度响应性能的PNIPAM类微凝胶;系统地研究了所得微凝胶的结构形态、单分散性和相转变行为;同时将微凝胶作为添加剂用于制备具有快速响应性和高力学性能的水凝胶;取得了以下主要研究结果:1.以N,N＇-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)作为化学交联剂,丙烯酸叔丁酯(tBA)为功能性单体,与N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)共聚,采用无皂乳液聚合方法(SFEP)合成出具有温敏性的poly(NIPAM-co-tBA)微凝胶,详细地研究了MBA和tBA含量对PNIPAM微凝胶结构形态和体积相转变温度(VPTT)的影响。结果表明,poly(NIPAM/MBA)和 poly(NIPAM-co-tBA)微凝胶粒径单分散性好,表面无污染,水中分散稳定性高,在33℃左右发生体积相转变。当MBA/NIPAM的摩尔比从5.65%增加至22.58%,微凝胶的粒径先下降后升高,VPTT略有增加,相变温度范围变宽。当tBA/NIAPM的摩尔比从12.90%增加至38.71%,胶粒呈有序排列,可形成胶态晶体;VPTT从33℃下降到18℃,范围变宽;消溶胀度从23下降至12,D_H在800～200nm。2.采用锂蒙脱石(Hectorite)作为物理交联剂,疏水性单体tBA作为第二共聚单体,由SFEP方法制备了 poly(NIPAM/Clay/tBA)微凝胶。结果表明,剥离的锂蒙脱石片层作为交联剂,是以氢键、离子键或配位键与polyNIPAM分子链作用,交联点分布均匀,且交联效率高;所得微凝胶分散液经离心后呈淡蓝色,D_H在150～360nm,VPTT范围窄化;当Hectorite/NIPAM的重量比从7%增加至28%时,poly(NIPAM/clay)微凝胶的VPTT 基本维持在32℃,但温度敏感性下降,D_H先下降后增加,消溶胀率先增加后下降;随tBA含量的增加,poly(NIPAM/tBA/clay)微凝胶的单分散性增加,温度敏感性降低,D_H先下降后增加,VPTT逐渐下降。 3.采用半间歇无皂乳液聚合方法(SB-SFEP)制备得到低D_H的PNIPAM和poly(NIPAM-co-AAc)微凝胶。结果表明,相比于传统间歇法(batch method)制备

温敏性聚合物二氧化钒复合微凝胶的制备及其智能窗应用

温敏性聚合物/二氧化钒复合微凝胶的制备及其智能窗应用致变色材料能够在环境刺激下改变透光率及颜色,从而调控太阳光透过率, 是理想的智能窗材料,受到学术界和节能建筑业的广泛重视。本文将传统的无机变色材料二氧化钒(VO2)与有机温敏性材料聚N-异丙基丙烯酰胺复合,研究了其作为新型智能窗材料的应用性能;此外,通过改性制备了pH/温度双敏感淀粉,研究了其溶液性质,为开发绿色和廉价的智能窗材料奠定了基础。具体工作如下:(1)采用非传统Stober法成功制备以VO2为核的核壳结构 VO2@SiO2纳米颗粒,通过FTIR,XRD,HRTEM对其结构进行了分析;利用差热分析仪在氧气氛围不同加热速率下研究发现,VO2@SiO2具有良好的抗氧化性,能在 VO2@SiO2在后续的水凝胶体系里稳定存在。同时采用硅烷偶联剂KH570(MPS)对纳米颗粒,通过FTIR、接触角等方法 VO2@SiO2进行表面改性,制得VO2@SiO2@MPS 证明表面改性成功。 (2)通过悬浮聚合,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为表面活性剂,N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)为单体,N,N-亚甲基双丙烯酰胺含量(bis)为交联剂,成功制备了粒径为200 nm左右分布均匀的PNIPAm微凝胶小球,其最低临界溶解温度(LCST)为32℃。当NIPAm含量为 2.5wt%,bis含量为1wt%时,探讨了PVP含量对PNIPAm微凝胶用作智能窗材料时对太阳光调光率的影响。利用动态光散射(DLS)和紫外可见红外光谱仪,对凝胶的粒径、相变速率、不同温度下太阳能调光率效率、高低温循环性能进行了系统研究。当PVP含量为1 g/L时,其平均可视透过率可达34.33%,太阳能调光率为64.99%。然后将VO2@SiO2分散在PVP溶液中,通过悬浮聚合制备了VO2@SiO2@PNIPAm 复合凝胶,得到平均直径为200 nm的复合微凝胶。通过对其太阳能调光率效率、

快速响应温敏水凝胶研究进展_秦爱香

快速响应温敏水凝胶研究进展秦爱香1,2,吕满庚13,刘群峰1,2,张　平1,2 (1中国科学院广州化学研究所,广州　510650;2中国科学院研究生院,北京　100039) 摘要:温敏水凝胶是一类具有广泛应用前景的高分子材料,但是由于传统方法合成的水凝胶响应速率较慢因而限制了其应用,因此近年来围绕提高传统水凝胶的响应速率做了大量研究工作。本文从几个方面综述了近年来快速响应的温敏水凝胶的研究进展,并对有关现象进行了解释和说明。关键词:快速响应;温敏水凝胶;N2异丙基丙烯酰胺所谓温敏水凝胶[1],是指水凝胶的吸水(或溶剂)量在某一温度有突发性变化,即溶胀比(所吸水或溶胀剂的量与干凝胶质量的比)在某一温度会突然变化,此温度称为敏感温度。化学交联的聚N2异丙基丙烯酰胺(PNIPA)水凝胶由于侧链中既含有亲水性的氨基又含有疏水性的异丙基而成为一种典型的温敏水凝胶。该水凝胶在较低临界溶解温度(Lower Critical S olution T em parature,LCST)时显示出体积相转变[2]。当溶胀温度低于LCST时,凝胶吸水溶胀,表现出亲水性;而当温度高于LCST时,凝胶收缩,释放出几乎其吸收的全部水分,由于网络结构中亲水Π疏水平衡的破坏而形成坍塌的、去水化的疏水状态。以N2异丙基丙烯酰胺(NIPA)为单体形成的均聚水凝胶或与其它单体形成的共聚水凝胶均有这样的特性,它们这种对于温度敏感的特性引起了人们很大的兴趣。这种温敏水凝胶可广泛用于药物控制释放、酶的固定化、化学发动机设计、医疗诊断、化学反应控制、记忆元件开关、传感器和力化学转换器等[3～6]。温敏水凝胶的响应速率是评价其性能的最重要参数之一,一般情况下都要求水凝胶具有快速的响应速率。但是,由于传统方法合成的PNIPA水凝胶响应速率较慢[7],考虑到某些特殊应用,如人工肌肉、开关阀等,因此提高PNIPA水凝胶响应速率的研究具有重要意义。近几年来这方面的报道也越来越多[8～52]。虽然国内已有很多关于温敏PNIPA水凝胶的综述[1,5,53～55],但关于快速响应的温敏PNIPA水凝胶的详细论述却很少。本文就近几年来国内外在该领域新的研究方法及取得的进展作简要介绍。 1　制备孔结构水凝胶凝胶溶胀或收缩过程主要是高分子网络吸收或释放溶剂,这是一个慢的扩散过程,而且接近临界点时更慢。但对于一个具有相互连接的孔结构的网络来说,溶剂的吸收或释放通过孔由对流产生,这一过程比非孔凝胶中的扩散过程快。因此,合成具有孔结构的水凝胶可以提高其响应速率。 111　使用成孔剂 Wu等[8]用羟丙基纤维素作为成孔剂在温度高于LCST下合成了大孔PNIPA水凝胶,与传统方法合成的PNIPA水凝胶相比较,大孔PNIPA水凝胶具有较大的孔体积,较大的平均孔尺寸,较快的大分子渗透速度;在温度低于LCST时有更高的溶胀比;显示更快的去溶胀和再溶胀速率,并且去溶胀速率特别快。Zhang等[9,10]利用聚乙二醇(PEG)400作为成孔剂制备了快速响应的温敏性PNIPA水凝胶。Zhuo等[11]用不同分子量(2000～6000)的PEG作为成孔剂,合成大孔的温度敏感性PNIPA水凝胶,极大改善了其溶胀和去溶胀性能,并且讨论了PEG分子量和含量对大孔水凝胶响应动力学的影响。基金项目:中国科学院“百人计划”项目; 作者简介:秦爱香(19822),女,中国科学院广州化学研究所高分子化学与物理专业硕士研究生,研究方向是温敏性水凝胶的合成与研究。 3通讯联系人。E2mail mglu@https://www.wendangku.net/doc/d212978700.html,

温敏性壳聚糖水凝胶

华南理工大学材料科学与工程学院2010级本科生“Biomedical Materials”课程报告学生班级：10级材料创新班学生姓名：李智豪成绩：题目：Characteristics and Applications of Natural Biodegradable Polymer Materials 报告时间：Friday, Mar. 22, 2013 完成者：李智豪 Characteristics and Biomedical Applications of Injectable Thermogelling Chitosan–Inorganic Phosphate Solutions Abstract： Thermosetting polymers are attractive candidates for biomedical applications as noninvasive therapeutic delivery vehicles. In the present study, the feasibility of developing a neutral physiological temperature setting injectable formulation based on chitosan and an inorganic phosphate salt have been demonstrated. The in situ gelling system was developed by adding different concentrations of dipotassium hydrogen orthophosphate (DHO) to chitosan solution. The resulting solutions have pH in the range of ～7–7.2. The gelling time of the chitosan–DHO solution was determined by incubating the solutions at 37 °C. Depending on the concentrations of DHO added, the gelling time varied from 4 min to 30 h at 37 °C. Addition of various diluents to chitosan–DHO solution did not significantly change the gelling time of the solutions. Key word： Thermogelling; chitosan–DHO solution; delivery Introduction： Injectable in situ setting hydrogels have tremendous potential as carrier matrices

NIPA系温敏凝胶的制备及应用研究进展_李富兰

化学与生物工程2011,Vol.28No.7 Chemistry &Bioen gineering 5 基金项目:四川理工学院人才引进项目(2008R CY J01)收稿日期:2011-04-28 作者简介:李富兰(1974-),女,四川自贡人,硕士,实验师,主要从事应用化学方面的研究。E -mail:lifulan.2008@163.co m 。 doi:10.3969/j.issn.1672-5425.2011.07.002 N IPA 系温敏凝胶的制备及应用研究进展李富兰1,周雪松2,颜杰1,张承红1 (1.四川理工学院材料与化学工程学院,四川自贡643000;2.中橡集团炭黑工业研究设计院,四川自贡643000) 摘要:N -异丙基丙烯酰胺(N IPA )同时具有亲水性的酰胺基和疏水性的异丙基,使其系列聚合物具有优良的温敏智能特性和记忆效应,已在药物缓释、物料分离、酶的固定、生物医学材料等领域得到广泛应用。综述了N IPA 系温敏凝胶的制备方法及应用方面的研究进展,并提出了未来的发展方向。关键词:温敏凝胶;N -异丙基丙烯酰胺;制备;应用中图分类号:T B 381 文献标识码:A 文章编号:1672-5425(2011)07-0005-05 温敏凝胶是指其体积能响应温度变化而发生变化的高分子水凝胶。当温敏凝胶在水或水溶液中溶胀时,随着温度改变其体积发生不连续的变化,在某一临界温度附近,随温度的微小改变,其体积会发生突跃性变化。目前,研究最为广泛的温敏凝胶是热缩型的N -异丙基丙烯酰胺(NIPA)系水凝胶。自1984年H iro -kaw a 等[1]发现聚N -异丙基丙烯酰胺(PNIPA)水凝胶具有温度敏感特性以来,NIPA 系凝胶引起了人们极大的兴趣。PNIPA 水凝胶的低临界溶解温度(LCST )约为33.2e ,接近人体温度,可广泛应用于药物缓释、物料分离、酶的固定、生物医学材料等领域。T ana -ka [2]及Ilman 等[3]从热力学角度对温度刺激响应性水凝胶的体积相转变行为进行了系统的研究,将诱导水凝胶体系发生相转变的分子间相互作用归纳为4类: 疏水作用、范德华力、氢键、离子间作用力,并探讨了离子化对这些作用力的影响。Tanaka 等通过测定聚合物链的持续长度b 和有效半径a 之比(代表聚合物链的刚性)与敏感性之间的关系,提出以半经验参数s 作为有无敏感性的判断依据。事实上,自N IPA 系温敏凝胶问世以来,还没有哪一种理论可以完美地解释其温敏机理,这一领域尚待深入探索。作者在此综述了NIPA 系温敏凝胶的制备和应用研究进展,以期为温敏凝胶的研究工作提供参考。 1 温敏凝胶的制备传统方法制备的NIPA 系温敏凝胶存在响应速度慢、机械强度低等缺陷,为满足应用要求,研究者们通常采用共聚、多孔结构、网络互穿、控制凝胶尺寸等方法改性凝胶。1.1 共聚通过共聚引入不同的基团可以改变温敏凝胶的反应速率、弹性模量和LCST 等各项性能[4,5] 。Salm aso 等[6] 将NIPA 与亲水性的丙烯酰胺共聚制备出LCST 为37e 的温敏凝胶,相变温度与人体温度非常接近,在生物医学上极具应用前景。史向阳等[7]制备了疏水性的丙烯酸酯及丙烯酸胆固醇酯与NIPA 的一系列共聚物,其LCST 比均聚的PNIPA 低。Chear il 等[8]将可降解基团引入凝胶,不仅改变了凝胶的LCST ,还使凝胶兼具生物可降解特性。NIPA 单体与离子性单体共聚也会改变温敏凝胶的多种性能[9,10]。Lee 等[11]改变NIPA 与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸钠(NaAM PS)的摩尔比制备了一系列温敏凝胶,NaAM PS 含量越大,凝胶的LCST 越高,溶胀比也随之提高。H ahn 等[12]采用不同离子单体与NIPA 进行自由基共聚,结果表明,阳离子共聚物水凝胶的LCST 变化不大,但阴离子的引入使凝胶的LCST 明显升高,尤其在NaCl 溶液中相分离现象非常突出,表明阴离子共聚物网络对水的亲和力增加。目前研究较多的也主要是阴离子型水凝胶。 1.2 多孔结构制备具有相互连接孔结构的水凝胶,使溶剂的吸

敏感性高分子及水凝胶

敏感性高分子及水凝胶摘要：本文介绍了几类敏感性高分子及其水凝胶。主要包括pH 敏感水凝胶、温度敏感水凝胶、温度及pH 双重响应水凝胶、光响应水凝胶、磁场响应水凝胶等的性质及其研究进展。简要介绍了敏感性高分子及其水凝胶的性质、制备方法、应用及其发展前景。 1 引言近年来，随着信息，生命，环境，航空航天等领域科学技术的飞速发展，人们对材料性能的要求越来越高。因此，一批性能特异的新功能材料相继问世，敏感性材料就是其中的一类。对环境具有可感知，可响应，并具有功能发现能力的高分子和水凝胶被称之为环境敏感性高分子（environment sensitive polymers）和环境敏感性水凝胶（environment sensitive hydro gels）[ 1]。与传统的高分子和水凝胶不同，这类高分子和水凝胶的某些物理或化学性质可因环境条件的变化而发生突变。因此，这类高分子也被称为“刺激响应性高分子（stimuli-responsive polymers）”、“灵巧性高分子(smart polymers)”或“智能性高分子（intelligent polymers）”,相应的水凝胶被称为“刺激响应性水凝胶（stimuli-responsive hydro gels）”、“灵巧性水凝胶（smart hydro gels）” 和“智能性水凝胶（intelligent hydro gels）”[2]。与高分子不同，凝胶是一类可保持一定几何外形，同时具有固体和液体某些性质的胶体分散体系。它是软物质（soft materials）存在的一种重要形式，是介于固体和液体之间的一种物质形态。凝胶体系由胶凝剂（gelators）所形成的三维网络结构和固定于其中的大量溶剂组成。敏感性水凝胶[3] 是一种亲水性高分子交联网络,它能够感知外界环境的微小变化(例如温度、pH、离子强度、光、电场和磁场等) ,并通过自身体积的膨胀和收缩来响应外界的刺激. 敏感性水凝胶的上述特点使其在药物控制释放、物质分离提纯、活性酶包埋和生物材料培养等方面有广泛应用前景。 2 敏感性高分子及其水凝胶的种类和性质 1989 年，高木俊宜[4]最先提出了智能材料（intelligent materials）概念。随后，美国的Newnham 教授提出了与之类似的灵巧材料（smart materials）概 1 念。敏感性高分子和敏感性水凝胶是智能材料家族中的重要成员。凝胶有不同的分类方法。根据溶剂的不同，凝胶分为有机凝胶（organgels）和水凝胶（hydrogels）。以适当的方式脱除溶剂后的凝胶为干凝胶（xerogels）。根据凝胶的大小不同，有（宏观）凝胶和微凝胶（microgels）之分。根据凝胶对环境条件变化响应的不同，凝胶分为传统凝胶和敏感性凝胶。根据凝胶力学性能的不同，凝胶分为弹性凝胶和刚性凝胶。同样，根据维系凝胶三维网络结构力的本性不同，凝胶分为物理凝胶和化学凝胶。敏感性高分子水凝胶在受到刺激时，其性质会发生突变。根据刺激信号的不同，相应的水凝胶被称为化学物质敏感性水凝胶、pH 敏感性水凝胶、温敏性水凝胶、光敏性水凝胶等。敏感性水凝胶的研究涉及学科众多，具有显著的多学科交叉特点，是当今最具有挑战的高技术研究前沿领域之一。 2.1 敏感性高分子及其水凝胶的种类 2.1.1 温度敏感性高分子及其水凝胶温敏性高分子是研究最多，也是最重要的一类敏感性高分子。这类水凝胶结构中具有一定比例的亲水性和疏水性基团，温度的变化可以影响这些基团的疏水作用和大分子链之间的氢键作用，从而改变水凝胶的网络结构，产生体积相变。温敏水凝胶有高温收缩和低温收缩两种类型[5]。聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPA）是典型的高温收缩型水凝胶，对其响应机理的一般解释是，当温度升高时疏水相相互作用增强，使凝胶收缩。线型聚N－异丙基丙烯酸酰[PNIPAM]是一种典型的温敏性高分子，在水溶液中具有独特的热行为，其大分子链上同

天然温敏性高分子药物载体材料

天然温敏性高分子药物载体材料摘要：对环境刺激响应的刺激性响应材料在药物运输方面有重要的作用。本文旨在介绍几种天然温敏性高分子在药物运输方面的应用，并对此天然高分子与合成高分子在药物运输中的优缺点。关键词：天然高分子药物载体温敏性一．前言刺激性响应材料因其对环境有特殊的响应而得到人们的关注，随着近几年医用高分子材料的发展，人们已可以根据特定的生理需求来制造药物载体[1]。刺激性响应高分子也叫智能高分子、环境响应高分子，当外界环境发生微小变化时，它们能迅速地发生相应的物理化学变化，根据响应因素的不同，可以分为光响应高分子、超声响应高分子、PH响应高分子、温度响应高分子等等。这些高分子在外界因素发生改变时，它们可能发生疏水/亲水转变、构象转变、溶解度改变、胶束化等等[2]。因此可以将高分子做为药物载体，从而对药物释放进行有效的控制。这这些刺激性响应材料中，温敏性高分子是研究最广泛的，所以本文将重点介绍几种温敏性天然高分子在药物载体上的应用（见表1）。二．温敏性高分子在控制药物释放上的应用

温敏性高分子是在微观上分子随着温度发生微小改变，从而达到宏观上材料性能的改变的一类材料。这些材料一般都具有低临界溶液温度（LCST），或高临界溶液温度（UCST）。LCST的材料在温度较低时可以溶解，当加热至LCST以上时，分子从溶液中析出，经历一个溶胶-凝胶的相转变；而UCST材料正好相反，在低温时材料不能溶解，当加热至UCST以上时，材料溶解[3]。LCST和UCST 材料都可以作为药物载体，LCST共聚高分子可以简单地与药物混合，然后再室温下，用注射器将溶液注入体内，人体温度的加热作用使材料经历一个溶胶-凝胶转变，将药物包裹在材料内，从而在需治疗的位置上提供一种药物缓释作用[4]。而UCST材料则需要在病变部位加上红外激光或超声来辅助加热，从而将药物才材料中释放出来[5-7]。温敏性药物载体有许多优点，如不需要侵入性手术植入和绕过生理障碍，从而达到特定的治疗位点[8]。另外，载体可以防止药物被酶或体内环境降解，体内药物的溶度也可以通过控制药物的释放速度来调节，因此可以避免简单注射所带来的治疗低效和体内药物浓度过高而导致的毒化作用等问题。理想的药物治疗情况如图1所示。三．几种天然温敏性高分子 1. 弹性蛋白多肽（ELPs）

PNIPAM温敏微凝胶在生物医学领域中的应用研究_张拥军

收稿：２０１２－０８－３０；修回：２０１２－０９－１４；基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏｓ．２０７４４００１，２０７７４０４９，２０９７４０５０，２１１７４０７０），科技部国际科技合作项目（Ｎｏ．２００７ＤＦＡ５０７６０），天津市科技支撑计划国际科技合作项目（合同号：０７ＺＣＧＨＨＺ０１２００）及教育部“新世纪优秀人才支持计划”（Ｎｏ．ＮＣＥＴ－１１－０２６４）资助；作者简介：张拥军（１９７１－），男，教授，主要从事水凝胶生物医用材料的基础及应用研究；＊通讯联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｏｎｇｊｕｎｚｈａｎｇ＠ｎａｎｋａｉ．ｅｄｕ．ｃｎ，Ｔｅｌ：０２２－２３５０１６５７．ＰＮＩＰＡＭ温敏微凝胶在生物医学领域中的应用研究张拥军＊，关　英，罗巧芳，刘鹏霄，甘添天，王东东，邢淑滢，廖　望，张娅彭，程　丹（功能高分子材料教育部重点实验室，南开大学化学学院高分子化学研究所，天津　３０００７１）摘要：水凝胶因其良好的生物相容性及环境刺激响应性而在生物医学领域有着广泛的用途，但仍存在机械强度差、响应速度慢、不能生物降解等缺点。针对这些问题，特别是宏观水凝胶响应慢的问题，我们近年来以具有温度敏感性的聚Ｎ－异丙基丙烯酰胺（ＰＮＩＰＡＭ）微凝胶为基础，设计制备了一系列生物材料，分别应用于药物控释、生物传感以及组织工程等生物医学领域。我们设计制备了具有良好葡萄糖敏感性的ＰＮＩＰＡＭ微凝胶，实现了可自我调控的胰岛素可控释放。以ＰＮＩＰＡＭ微凝胶为基础，提出了新的聚合胶态晶体阵列光学传感方法，设计制备了多种可快速响应的新型生物光学传感器。实现了ＰＮＩＰＡＭ微凝胶的实时凝胶化，并将其发展成为一种新型的可注射细胞支架材料。进一步利用该体系的可逆性，提出了制备在药物筛选、肿瘤研究以及组织工程等领域有重要用途的多细胞球的新方法。关键词：水凝胶；微凝胶；药物控释；生物传感；细胞支架引言水凝胶是能在水中溶胀而不溶解的交联的亲水性高分子网络。由于其高的含水量及与人体结构的相似性，水凝胶常常具有良好的生物相容性，特别是一些水凝胶还具有环境刺激响应性，因此在生物医药领域，如药物控释、生物传感、组织工程等诸多方面有广泛的应用，在疾病预防、诊断、治疗等方面发挥着重要作用［１，２］。但水凝胶在许多方面仍存在不足，还不能完全满足生物医学领域的需要。例如，水凝胶的机械强度常常较差。合成的高分子水凝胶常常不具有生物可降解性。虽然水凝胶的生物相容性很好，但仍需进一步提高以满足实际需要。特别是宏观凝胶响应速度慢的问题，极大限制了水凝胶生物材料的实际应用。此外，利用新原理新方法设计制备新型的水凝胶生物材料，更好地解决生物医学领域的新问题，也是科研工作者面临的挑战。针对上述问题，近年来一些课题组进行了深入的研究，在高强度水凝胶［３］等方面取得了显著进展。我们课题组则以解决水凝胶生物材料响应慢的问题以及设计制备新型水凝胶生物材料作为近年工作的核心。我们提高水凝胶响应速度的主要手段是使用具有微纳米尺度的凝胶，即粒径几十纳米至几微米的微凝胶。早在１９７９年，Ｔａｎａｋａ和Ｆｉｌｌｍｏｒｅ［４］就指出，凝胶溶胀速度与凝胶尺寸的平方成反比，因此微纳米尺度的凝胶响应速度要远快于宏观凝胶。以此为基础我们设计制备了多种可快速响应的新型药物控释载体和生物传感器。微纳米尺度的凝胶还可作为结构单元进行进一步的组装，得到的组装体具有单独粒子所不具备的新功能，从而大大扩展其在生物医学领域的应用。我们的主要研究思路如图１所示［５］。我们研究的微凝胶主要是聚Ｎ－异丙基丙烯酰胺（ＰＮＩＰＡＭ）微凝胶。线形ＰＮＩＰＡＭ是典型的温敏性高分子，在室温下ＰＮＩＰＡＭ能很好地溶解在水中，当温度升高至特定温度就会发生由亲水到疏水的转变，从而从水中析出。这一转变温度被称为临界最低溶解温度（ｌｏｗｅｒ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ＬＣＳＴ）。ＰＮＩＰＡＭ的ＬＣＳＴ约为３２℃。和线形的ＰＮＩＰＡＭ一样，ＰＮＩＰＡＭ微凝胶同样具有温敏性。 ·６２· 高分子通报２０１３年１月　 DOI:10.14028/https://www.wendangku.net/doc/d212978700.html,ki.1003-3726.2013.01.013

温度敏感性材料基本原理及其应用

N-异丙基丙稀酷胺(NIPAM)是温敏型凝胶PNIPAM的最主要的组成部分。NIPAM单体分子式为C6H11N0,常温下为白色片状晶体,溶点为60℃分子量为113.18。它含有不饱和C=C双键,在水溶液中可以打开进行自由基聚合从而得到高分子量的聚合物。NIPAM及聚合物的结构式如图1所示。

图1 N-异丙基丙烯酰胺单体及其聚合物的结构式 NIPAM单体聚合后得到聚N-异丙基丙稀醜胺(PNIPAM),聚合物大分子侧链上同时存在着亲水性的醜胺基和疏水性的异丙基两部分。一般而言,在常温下,亲水基团与水分子之间由于强烈的氧键作用力,使PNIPAM分子链溶于水。随着温度的升高,部分氢键作用力逐渐减弱,而PNIPAM 高分子链中的疏水作用力不断增强[4]。当达到一定温度时,在疏水基团的相互作用下,高分子链互相聚集,发生体积相转变,并吸收热量;但当水溶液温度降低时,它又能够可逆地恢复到原来的状态而发生溶胀。这一相变温度称为低临界溶解温度(Low Critical Solution Temperature,LCST),也称为低相变温度或池点温度。PNIPAM不管以线型还是交联形式存在,都会在低临界溶解温度处体积收缩发生相转变,展现出温度敏感性能。在LCST附近,PNIPAM凝胶的其他性质如折射率、介电常数、表面能等也会发生突变,同时也具有可逆性[5]。 1.2.2 PNIPAM类温敏性高分子凝胶的温敏机理大多数研究者认为，PNIPAM具有温敏性能与其物质的结构有关。PNIPAM分子内具有一定比例的疏水性的异丙基和亲水性的酰胺基。在温度低于LCST时,PNIPAM高分子链中酰胺基与周围水分子间存在着强烈的氢键作用力(亲水作用力),使高分子链与溶剂具有较好的亲和性,此时PNIPAM高分子链呈现出伸展状态,即在LCST以下吸水溶胀。温度上升,当温度升高至LCST 以上时,水分子与酰胺基之间的亲水作用力减弱,PNIPAM分子链中异丙基间的疏水作用力得以加强,当温度升高至LCST以上时,PNIPAM高分子链中的疏水作用逐渐加强并起主导作用,使得高分子链通过疏水作用互相聚集,形成疏水层,导致水分子排出发生相转变,此时高分子链由疏松的线团结构转变为紧密的胶粒状,产生温敏性。凝胶在宏观上表现为在相转变点附近,温度不到一摄氏度就可以引起数倍甚至数百倍的体积变化。图2温敏性相转变的示意图。图2 温敏性水凝胶相转变示意图 1.3 PNIPAM类智能水凝胶的合成方法根据凝胶的性质、合成方法及用途等的不同,PNIPAM水凝胶可以分为两个大类:宏观水凝胶和微凝胶。

温敏性壳聚糖水凝胶

【CN110003369A】一种温敏性纳米水凝胶的制备方法【专利】

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壳聚糖-甘油磷酸钠温敏凝胶及其缓释性能研究.

一种温敏智能水凝胶

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新型聚(N-异丙基丙烯酰胺)类温敏性微凝胶的合成与表征

温敏性聚合物二氧化钒复合微凝胶的制备及其智能窗应用

快速响应温敏水凝胶研究进展_秦爱香

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