CN101857666A

CN101857666A - 一种纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶及其制备方法

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Publication number: CN101857666A
Application number: CN 201010177437
Authority: CN
Inventors: 吕满庚; 李欢
Original assignee: Guangzhou Chemical Co Ltd of CAS
Current assignee: Guangzhou Chemical Co Ltd of CAS
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2010-05-13
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2030-05-13
Also published as: CN101857666B

Abstract

本发明公开了一种纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶及其制备方法。本发明以羟丙基纤维素(HPC)大分子RAFT分子为链转移剂，用可逆加成断裂链转移聚合(RAFT)方法，在有机溶剂中，加入单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和交联剂，60～100℃下反应24～48小时，制备得到纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶。该水凝胶具有可调控的较高力学强度和快速的(去)溶胀性能，可广泛用于生物医用、靶向药物控释、物质分离、生物传感器、开关阀、化学反应控制等领域。

Description

一种纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及聚合物领域，特别涉及一种纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶及其制备方法。

背景技术

聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)是一种典型的具有低临界溶解温度(LCST)的温敏性聚合物。PNIPAM交联得到的水凝胶在LCST附近能够感知外界温度微小的变化并进行突然的吸水或脱水，从而使自身的体积发生不连续的可逆的剧烈的收缩或膨胀。PNIPAM水凝胶已被广泛应用于药物的控制释放、酶固定化、记忆温敏开关、传感器等领域。

传统方法聚合的PNIPAM均聚水凝胶的力学强度差，(去)溶胀平衡时间长，不能直接利用，因此必须对其改性。近年来，活性可控自由基聚合被人们广泛研究用于嵌段、梳状、星形等特殊结构高分子的合成；其中，可逆加成断裂链转移聚合(RAFT聚合)具有单体选择范围宽、反应条件不苛刻、可控性能好等优点。Journal of Polymer Science Part A：Polym Chem 2005，43：2615～2624报道了用RAFT聚合得到梳型接枝PNIPAM水凝胶，这种水凝胶具有快速响应性和很高的溶胀比；但此，这种水凝胶的网络结构强度低，极易被破坏。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种力学强度高、响应速率快的纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶。

本发明的另一目的在于提供一种上述纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶的制备方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶，按重量百分比计包括下述组分：

N-异丙基丙烯酰胺 80％～87.7％

引发剂 0.1～3％

纤维素大分子三硫代酯链转移剂 8.7％～16％

交联剂 2～8％。

所述N-异丙基丙烯酰胺∶纤维素大分子三硫代酯链转移剂的质量比优选为(3～20)∶1；更优选质量比为(5～15)∶1。

所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化苯甲酰或过氧化十二酰中的一种或一种以上混合物。所述引发剂的用量优选为占反应原料总重量的0.5～2％。

所述纤维素大分子三硫代酯链转移剂，是由Z基团带羧基的三硫代酯链转移剂与羟丙基纤维素(HPC)在催化剂作用下制得的；所述Z基团带羧基的三硫代酯链转移剂与羟丙基纤维素中葡萄糖残基单元的摩尔比为1∶(3～20)，优选为1∶(5～15)；所述催化剂为二环己基碳二亚胺(DCC)。所述Z基团带羧基的三硫代酯链转移剂的结构式为式1：

所述交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、二甲基丙烯酸二甘醇酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或一种以上混合物。所述交联剂的用量优选为占反应原料总重量的3～6％。

所述纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶中还包括有机溶剂。所述有机溶剂是N-甲基吡咯烷酮、1，4-二氧六环、N’-二甲基乙酰胺中的一种或一种以上混合物。

一种纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶的制备方法，包括下述步骤：首先将占反应原料总重量的80～87％的N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、占反应原料总重量的0.1～3％的引发剂、占反应原料总重量的8.7～16％的纤维素大分子三硫代酯链转移剂、占反应原料总重量的2～8％的交联剂加入到有机溶剂中，在磁力搅拌下分散均匀，然后抽真空除去氧气通氮气密封，在60～100℃的油浴或空气浴中反应12～48小时；再将所得凝胶泡在去离子水中，去除杂质，得到纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶。

所述油浴或空气浴的反应时间优选24～48小时。

所述将所得凝胶泡在去离子水中，是采用5～25℃的去离子水浸泡3～7天，每天不间断换水。

本发明采用的工作原理是：本发明以羟丙基纤维素(HPC)大分子RAFT分子为链转移剂，加入单体N-异丙基丙烯酰胺、引发剂、交联剂、溶剂，用可逆加成断裂链转移聚合(RAFT)制备了羟丙基纤维素大分子接枝聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)水凝胶。该水凝胶由于将羟丙基纤维素以大分子RAFT的方式通过RAFT聚合接枝NIPAM单体引入到水凝胶中，在保持材料快速响应和敏感性的同时，通过调节HPC和NIPAM单体用量比、HPC分子量和HPC大分子上RAFT分子的密度，可以得到不同的溶胀性能。同时，HPC的存在也使水凝胶具有多孔和超孔结构，从而获得理想的溶胀速率。

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

(1)本发明的温敏水凝胶具有可调的溶胀比、快速响应特性、较高的力学强度，其对温度的响应速率非常迅速而且是可逆的，在提高水凝胶力学强度和不改变其敏感性的同时，具有优异的溶胀性能。

(2)本发明的温敏水凝胶具有生物相容性，可以应用于药物靶向控制释放和传感器等领域。

附图说明

图1：37℃下本发明的水凝胶的去溶胀动力学图形。

图2：15℃下本发明的水凝胶的再溶胀动力学图形。

图3：本发明的水凝胶的平衡溶胀比温度依赖性图形。

图4：本发明的水凝胶的DSC热分析图。

(a为不同聚合方式对水凝胶去溶胀动力学性能的影响；b为HPC大分子上不同链转移官能基密度对水凝胶去溶胀动力学性能的影响；c为单体和HPC大分子链转移剂不同投料比对水凝胶去溶胀动力学性能的影响；d为HPC大分子链转移剂中不同分子量HPC对水凝胶去溶胀动力学性能的影响。)

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

在聚合瓶中加入2g单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)，0.02g引发剂偶氮二异丁晴(AIBN)，0.06g交联剂N，N′亚甲基双丙烯酰胺(N，N′-Methylenebisacrylamide)，0.2g羟丙基纤维素大分子RAFT试剂a(RAFT分子密度为每10个葡萄糖残基1个RAFT分子)，12.36g溶剂1，4二氧六环，用水泵抽真空通氮气后密封，加热70℃，48个小时，将交联的凝胶泡在15℃去离子水中浸泡5天每天不间断换水，直到将凝胶中的溶剂、未反应分子和副产物等小分子除尽；然后将水凝胶从水中拿出放在表面皿中，拭去表面水分，放在冰箱中冷冻12h，放入冷冻干燥机中冷冻干燥16个小时，得到冻干的纤维素醚接枝PNIPAM水凝胶NH110a。

该水凝胶40分钟达到去溶胀平衡，2个小时达到溶胀平衡，溶胀比为13.4。

实施例2

在聚合瓶中加入2g单体N-异丙基丙烯酰胺，0.02g引发剂偶氮二异丁晴，0.06g交联剂N，N′亚甲基双丙烯酰胺，0.2g羟丙基纤维素大分子RAFT试剂b(RAFT分子密度为每5个葡萄糖残基1个RAFT分子)，12.36g溶剂1，4二氧六环，用水泵抽真空通氮气后密封，其余步骤同实施例1，得到水凝胶NH110b。该水凝胶40分钟达到去溶胀平衡，2个小时达到溶胀平衡，溶胀比为20.4。

实施例3

在聚合瓶中加入2g单体N-异丙基丙烯酰胺，0.02g引发剂偶氮二异丁晴，0.06g交联剂N，N′亚甲基双丙烯酰胺，0.2g羟丙基纤维素大分子RAFT试剂c(RAFT分子密度为每15个葡萄糖残基1个RAFT分子)，12.36g溶剂1，4二氧六环，其余步骤同实施例1，得到水凝胶NH110c。该水凝胶40分钟达到去溶胀平衡，2个小时达到溶胀平衡，溶胀比为11.3。

实施例4

在聚合瓶中加入1g单体N-异丙基丙烯酰胺，0.02g引发剂偶氮二异丁晴，0.06g交联剂N，N′亚甲基双丙烯酰胺，0.2g羟丙基纤维素大分子RAFT试剂a(RAFT分子密度为每10个葡萄糖残基1个RAFT分子)，6.18g溶剂1，4二氧六环，用水泵抽真空通氮气后密封，其余步骤同实施例1，得到冻干的纤维素醚接枝PNIPAM水凝胶NH15a。该水凝胶40分钟达到去溶胀平衡，2个小时达到溶胀平衡，溶胀比为38。

实施例5

在聚合瓶中加入1.5g单体N-异丙基丙烯酰胺，0.015g引发剂偶氮二异丁晴，0.045g交联剂N，N′亚甲基双丙烯酰胺，0.1g羟丙基纤维素大分子RAFT试剂a(RAFT分子密度为每10个葡萄糖残基1个RAFT分子)，8.24g溶剂1，4二氧六环，其余步骤同实施例1，得到冻干的纤维素醚接枝PNIPAM水凝胶NH115a。该水凝胶40分钟达到去溶胀平衡，2个小时达到溶胀平衡，溶胀比为14。

实施例6

在聚合瓶中加入2g单体N-异丙基丙烯酰胺，0.02g引发剂偶氮二异丁晴，0.06g交联剂N，N′亚甲基双丙烯酰胺，0.2g羟丙基纤维素大分子RAFT试剂aRT-M(RAFT分子密度为每10个葡萄糖残基1个RAFT分子，HPC型号为RT-M，分子量约为150000)，12.36g溶剂1，4二氧六环，用水泵抽真空通氮气后密封，其余步骤同实施例1，得到冻干的纤维素醚接枝PNIPAM水凝胶NHRT-M110a。该水凝胶40分钟达到去溶胀平衡，2个小时达到溶胀平衡，溶胀比为24。

实施例7

在聚合瓶中加入2g单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)，0.02g引发剂偶氮二异丁晴，0.06g交联剂N，N′亚甲基双丙烯酰胺，0.2羟丙基纤维素大分子RAFT试剂aRT-J(RAFT分子密度为每10个葡萄糖残基1个RAFT分子，HPC型号为RT-J，分子量约为40000)，12.36g溶剂1，4二氧六环，其余步骤同实施例1，得到水凝胶NHRT-J110a。该水凝胶40分钟达到去溶胀平衡，2个小时达到溶胀平衡，溶胀比为9.8。

实施例8

在聚合瓶中加入1g单体N-异丙基丙烯酰胺，0.01g引发剂偶氮二异丁晴，0.03g交联剂N，N′亚甲基双丙烯酰胺，0.2g羟丙基纤维素大分子RAFT试剂c，12.36mg溶剂1，4二氧六环，其余步骤同实施例1，得到冻干的纤维素接枝水凝胶NH15c。该水凝胶40分钟达到去溶胀平衡，2个小时达到溶胀平衡，溶胀比为25。

实施例9

在聚合瓶中加入2g单体N-异丙基丙烯酰胺，0.02g引发剂过氧化苯甲酰，0.06g交联剂N，N′亚甲基双丙烯酰胺，0.2g羟丙基纤维素大分子RAFT试剂a，12.34g溶剂N-甲基吡咯烷酮，抽真空通氮气后密封，加热60℃，48个小时，其余步骤同实施例1。

实施例10

在聚合瓶中加入2g单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)，0.02g引发剂偶氮二异庚晴，0.06g交联剂二甲基丙烯酸乙二醇酯，0.2羟丙基纤维素大分子RAFT试剂a，11.24g溶剂N，N-二甲基乙酰胺，抽真空通氮气后密封，加热100℃，48个小时，其余步骤同实施例1。

对比例

对比例是分别用传统自由基聚合的不含HPC的PNIPAM水凝胶(PNIPAM)和不含HPC的小分子三硫代酯链转移剂RAFT聚合制备得到的温敏性水凝胶(PNIPAM(RAFT))，制备条件同HPC接枝PNIPAM温敏性水凝胶制备方法一样。

性能测试例

将实施例制备得到的纤维素接枝温敏性水凝胶，与对比例制备得到的不含纤维素RAFT的温敏性水凝胶PNIPAM、PNIPAM(RAFT)进行性能测试：

(1)去溶胀动力学试验：将水凝胶在15℃去离子水中达到溶胀平衡，快速转移至37℃去离子水中，水凝胶会收缩失水发生去溶胀。每隔一定时间，测定水凝胶的重量W_t，直至其重量接近恒定。由下式计算水凝胶中水的保留率(Water Retention，WR)WR＝(t时刻凝胶的重量-干凝胶的重量)/(溶胀平衡状态凝胶的重量-干凝胶的重量)。作水凝胶WR～t关系曲线，即得水凝胶在37℃的去溶胀(收缩)动力学曲线，如图1所示。在图1中，a为聚合方法对水凝胶去溶胀动力学的影响；b为纤维素大分子上RAFT分子不同密度对水凝胶去溶胀动力学的影响；c为不同投料比对水凝胶去溶胀动力学的影响；d为羟丙基纤维素不同分子量对水凝胶去溶胀动力学的影响。由图1可见，NH15a与PNIPAM(RAFT)具有相似的去溶胀动力学特征，在前2分钟内就能释放90％以上的结合水，而传统PNIPAM水凝胶10min只能释放不到50％的水。NH110a与传统PNIPAM水凝胶的去溶胀动力学相似。随着纤维素大分子上RAFT分子密度增加，水凝胶的去溶胀速率和程度都有所增加；随着纤维素大分子RAFT含量的增加，水凝胶的去溶胀速率和程度也明显提高。

(2)再溶胀动力学实验：再溶胀速率(the reswelling ratio，简称rSR)：rSR＝100×(W_t-W_d)/W_d(W_d是干凝胶重量)。图2中，a为聚合方法对水凝胶再溶胀动力学的影响；b为纤维素大分子上RAFT分子不同密度对水凝胶再溶胀动力学的影响；c为不同投料比对水凝胶再溶胀动力学的影响；d为羟丙基纤维素不同分子量对水凝胶再溶胀动力学的影响。由图2可见，NH15a与PNIPAM(RAFT)水凝胶具有相似的再溶胀动力学性能，在初始5分钟内能够几乎达到溶胀平衡，溶胀比为41和45，为所有凝胶中最高。NH110b、NHRT-M110a和传统PNIPAM水凝胶能够达到20左右的溶胀比，但是溶胀速率与NH15a和PNIPAM(RAFT)相比较慢。NH110a、NH110c、NH115a和NHRT-J110a的再溶胀速率都很快，能够在前5分钟达到接近平衡，但是溶胀比相对较低。

(3)水凝胶的平衡溶胀比(SR)的测量：用称重法测定水凝胶在2～45℃的平衡溶胀比。SR是某温度下水凝胶达到溶胀平衡状态时水的质量W_s与真空干燥至衡重时凝胶的质量W_d之比：SR＝W_s/W_d。图3a为聚合方法对水凝胶溶胀比的影响，可以看出，单纯小分子RAFT聚合的PNIPAM水凝胶PNIPAM(RAFT)，溶胀比很高，但是这种水凝胶十分脆弱，吸水后甚至不能保证承受自身重量而保持形状；而本发明水凝胶中，质量比m(HPC大分子链转移剂)∶m(NIPAM)＝1∶5时，所得水凝胶的溶胀比堪比PNIPAM(RAFT)水凝胶，这说明本发明所得水凝胶达到优异的溶胀程度，同时也提高了水凝胶的力学强度。图3c是不同投料比对溶胀比的影响，说明当纤维素大分子RAFT的比例提高时，溶胀比会超越小分子RAFT聚合得到的水凝胶或与其相当，这可能是由于，当纤维素大分子RAFT含量为1/10和1/15时，接枝的分子大多被交联剂连接，而当维素大分子RAFT含量为1/5时，就有剩余的没有被交联的接枝分子链成为自由摇摆链。图3b是纤维素大分子上RAFT分子不同密度对水凝胶溶胀比的影响，可见随着每个HPC分子上RAFT分子密度的增加，溶胀比性能提高。图3d是不同HPC分子量对水凝胶溶胀比的影响，可以看出随着分子量的增加，溶胀比性能提高。

(4)水凝胶的DSC分析：测定前先让水凝胶达到溶胀平衡。测定范围20℃～40℃，升温速率为2℃/min，干燥氮气气氛，流率50ml/min，结果如图4。由图4可见，RAFT分子的密度、羟丙纤维素分子量、以及NIPAM与RAFT纤维素的投料量对LCST均没有明显影响，虽然HPC有一定亲水性，但LCST还是取决于PNIPAM的亲疏水平衡。

Claims

1.一种纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶，其特征在于按重量百分比计包括下述组分：

N-异丙基丙烯酰胺 80％～87.7％

引发剂 0.1～3％

纤维素大分子三硫代酯链转移剂 8.7％～16％

交联剂 2～8％。

2.根据权利要求1所述的纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶，其特征在于：所述N-异丙基丙烯酰胺∶纤维素大分子三硫代酯链转移剂的质量比为(3～20)∶1。

3.根据权利要求1所述的纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶，其特征在于：所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化苯甲酰或过氧化十二酰中的一种或一种以上混合物。

4.根据权利要求1所述的纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶，其特征在于：所述纤维素大分子三硫代酯链转移剂，是由Z基团带羧基的三硫代酯链转移剂与羟丙基纤维素在催化剂作用下制得的；所述Z基团带羧基的三硫代酯链转移剂与羟丙基纤维素中葡萄糖残基单元的摩尔比为1∶(3～20)；所述催化剂为二环己基碳二亚胺。

5.根据权利要求1所述的纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶，其特征在于：所述交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、二甲基丙烯酸二甘醇酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或一种以上混合物。

6.根据权利要求1所述的纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶，其特征在于：所述纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶中包括有机溶剂；所述有机溶剂是N-甲基吡咯烷酮、1，4-二氧六环、N’-二甲基乙酰胺中的一种或一种以上混合物。

7.一种权利要求1～6任一项所述的纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶的制备方法，其特征在于包括下述步骤：首先将占反应原料总重量的80～87％的N-异丙基丙烯酰胺、占反应原料总重量的0.1～3％的引发剂、占反应原料总重量的8.7～16％的纤维素大分子三硫代酯链转移剂、占反应原料总重量的2～8％的交联剂加入到有机溶剂中，在磁力搅拌下分散均匀，然后抽真空除去氧气通氮气密封，在60～100℃的油浴或空气浴中反应12～48小时；再将所得凝胶泡在去离子水中，去除杂质，得到纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶。

8.根据权利要求7所述的纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶的制备方法，其特征在于：所述油浴或空气浴的反应时间为24～48小时。

9.根据权利要求7所述的纤维素醚接枝改性温敏性水凝胶的制备方法，其特征在于：所述将所得凝胶泡在去离子水中，是采用5～25℃的去离子水浸泡3～7天，每天不间断换水。