聚N-异丙基丙烯酰胺

聚N-异丙基丙烯酰胺（共8篇）

聚N-异丙基丙烯酰胺 篇1

微凝胶是一种具有分子内交联结构的聚合物胶体粒子,相对于水凝胶,具有比表面积大、环境响应速度快和生物相容性好等优点,成为智能高分子材料中极其重要的一员[1]。1986年,Pelton等首次报道了有关温敏性微凝胶聚(N-异丙基丙烯酰胺,简称PNIPAM)的研究成果[2]。此类微凝胶的最大特点是其性能会随外界温度的变化而迅速发生改变[3,4]。PNIPAM微凝胶的发现对刺激响应性微凝胶的发展起到了积极的促进作用[5],其在生物医学材料、生物纳米材料、药物控制释放载体材料和生物传感器材料等领域应用前景广泛。

1 PNIPAM微凝胶的制备

目前,制备PNIPAM微凝胶的方法主要有可控/活性自由基聚合、无皂乳液聚合、沉淀聚合和分散聚合等。

1.1 可控/活性自由基聚合[6,7]

马海红等[8]以异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和4-(2-丙烯酸胺乙基酯)-7-硝基-2,1,3-苯并  唑(NBDAE)为单体,合成了水溶性P(NIPAM-co-NBDAE)微凝胶,并研究了温度对共聚物发光性质的影响。实验结果表明,此水溶性微凝胶的荧光强度在30~34℃发生突变,即当温度低于30℃,看不到荧光,当温度高于30℃,可发出明显绿色荧光。Luo等[9]设计合成了多嵌段和三嵌段2种温敏性PNIPAM微凝胶。研究结果表明,得到的共聚物微凝胶具有明显的热引发药物释放特性,且能让药物有效地作用于病变细胞。由于无毒无害,作为药物载体可以减少对普通细胞的伤害。Du等[10]合成了由PNI-PAM和聚丙烯酸叔丁酯(PtBA)构成的双亲性线型多嵌段共聚物(PNIPAM-PtBA-PNIPAM)m微凝胶。研究发现,微凝胶粒径尺寸随温度上升而减小,但冷却到室温后,微凝胶粒径可恢复到原始尺寸,表现出与PNIPAM相似的温敏性。

1.2 无皂乳液聚合

Reham等[11]通过无皂乳液聚合,合成了由PNIPAM和丙烯酸(AA)构成的微凝胶PNIPAM/AA。研究发现,该微凝胶在电解液浓度为0.1mol/L、pH=3 的条件下,当温度大于34℃时,可转变为高黏性絮凝物。该特性可用于牙齿的修复。Chen等[12]采用此方法成功合成了有机-无机杂化型温敏性PNIPAM-Fe3O4微凝胶。实验结果表明,此杂化微凝胶不但具有可逆的溶胀和解溶胀的温敏性,而且在室温下具有超顺磁性。由于无机微粒的加入,使得到的微凝胶具有一些特殊的性质,如电磁性和荧光性等。Zhu等[13]通过将PNIPAM和苯乙烯(St)的共聚物与PNIPAM接枝,制备了一种血液相容性好且没有毒性的新型微凝胶。该微凝胶有望在血液循环系统疾病的早期诊断和治疗领域得到应用。

1.3 沉淀聚合[14]

李培培等[15]通过沉淀聚合技术合成了NIPAM与AA的共聚物微凝胶,该微凝胶具有温敏性和pH敏感性,且随着丙烯酸含量的增加微凝胶对pH的敏感性增强。赵海峰等[16]将该微凝胶与稀土离子复配,得到了含稀土的微凝胶颗粒。这种纳米级复合材料不但对温度敏感,而且具有光、电、磁等特性。Young等[17]设计合成了纳米尺寸的微凝胶并且研究了其体积相转变行为。结果显示,使用不同的交联剂和共聚单体能有效地控制微凝胶的体积相转变温度和溶胀能力。

1.4 其他聚合方法

分散聚合是一种特殊的沉淀聚合[18],也被一些研究工作者用于微凝胶的合成。蒋小峰等[19]通过分散聚合法制备了PNIPAM温敏性微凝胶。研究发现,分散剂用量和介质极性对微凝胶粒径大小及溶胀比有明显的影响,而交联剂用量不仅对微凝胶粒径和溶胀比有影响,而且对微凝胶的相转变行为也产生明显影响。

吕美丽等[20]通过两步乳液聚合法成功合成了核-壳型复合微凝胶。首先,通过无皂乳液聚合合成St与PNIPAM的共聚物,之后,再通过种子乳液聚合制备聚合物P(St-NIPAM)/PNIPAM微凝胶。

Muratalin等[21]运用反相乳液聚合法,将NIPAM与不同比例的乙烯基咪唑共聚,得到一种新型共聚物微凝胶。研究发现,该微凝胶对金属离子,尤其是铜离子的存在十分敏感。起初随着二价铜离子浓度的升高,微凝胶溶胀,但当二价铜离子浓度过量时,微凝胶收缩。

Hao等[22]通过反相悬浮聚合法,设计合成了一种具有低临界溶解温度的温敏性多孔微凝胶PAM-co-PNIPAM。这种微凝胶具有孔径大、温度响应明显的特点,可用于酶的固定。

2 影响PNIPAM微凝胶性能的因素

目前,有多种表征手段来研究PNIPAM微凝胶的性质[23,24,25,26,27,28]。研究结果表明,不同的结构组成及反应介质对PNIPAM微凝胶的溶胀/收缩行为、粒子形态以及体积相转变温度(VPTT)等都会有不同程度的影响[29,30]。

Yu等[31]制备了PNIPAM-乙基纤维素核壳型微凝胶。研究发现,温度高于体积相转变温度时,微球内溶质分子的释放速率比低于VPTT时快很多,因此,该微球可用作药物释放载体材料。Song等[32]研究了掺杂稀土微晶的PNIPAM微凝胶的性质,发现微晶体的含量越高,在低临界溶解温度(LCST)时的体积相转变越明显,表明复合微凝胶的温敏性受微晶成分的影响很大。

另外,PNIPAM微凝胶的体积相转变温度与微凝胶中PNIPAM的含量及第二单体的性质密切相关。 如对由PNIPAM和丙烯酰胺(AM)组成的微凝胶体系PAM-co-PNIPAM,随着AM/NIPAM投料比的增大,微凝胶的VPTT增大[33]。而对于由半乳糖糖乙烯酯衍生物6-O-乙烯己二酰-D-半乳糖(VAGA)与PNIPAM组成的共聚微凝胶P(NIPAM-co-VAGA),其VPTT值比纯PNIPAM的VPTT高2~5℃,其原因是由于微凝胶中的VAGA部分含有羟基,使得微凝胶更加亲水所致[34]。

影响微凝胶粒径的因素主要包括温度、分散剂及共聚单体的亲水性。温度对微凝胶粒径的影响最为明显,温度高于VPTT,微凝胶呈收缩状态,粒径显著减小;而增加分散剂用量也可导致微凝胶粒径的减小[19];共聚单体对粒径的影响主要取决于单体的亲水性,共聚单体的亲水性好,微凝胶的粒径增大,反之,微凝胶粒径则减小[35]。

3 展望

随着化学合成及修饰技术的不断进步,新型PNIPAM微凝胶的种类将会不断增加,应用范围将不断拓展和更新,其在生物传感器、生物探针、免疫检测、智能纳米材料及pH响应性材料等方面的应用前景广阔[36,37,38]。预计PNIPAM微凝胶的研究重点今后将主要集中在以下几方面:(1)通过改变共聚单体的种类,获得对外界环境刺激响应更加敏感和迅速的PNI-PAM微凝胶;(2)合成具有多响应特性的核壳型PNIPAM微凝胶;(3)研究开发生物相容性好、机械强度高、可生物降解的新型PNIPAM微凝胶。

聚N-异丙基丙烯酰胺 篇2

N-异丙基丙烯酰胺功能性共聚物的结构及特性研究进展

N-异丙基丙烯酰胺共聚物是一种新型的智能材料,可用于制备药物控释材料、酶的固定材料、脱水剂等.概述了N-异丙基丙烯酰胺共聚物及其各类共聚单体的.大分子结构、氢键效应及刺激响应性等特性.

作 者：夏亚穆 毕文慧 王伟 XIA Ya-mu BI Wen-hui WANG Wei 作者单位：青岛科技大学化工学院,山东,青岛,266042刊 名：化学与生物工程 ISTIC英文刊名：CHEMISTRY & BIOENGINEERING年，卷(期)：200926(6)分类号：O63关键词：N-异丙基丙烯酰胺共聚物 结构 特性

聚N-异丙基丙烯酰胺 篇3

关键词：PNIPAM,温敏,制备,应用,综述

温敏聚合物,即温度响应性聚合物,是最近几十年发展起来的一类新型智能聚合物材料,其能够对温度刺激产生快速响应,从而表现出相分离行为。温敏聚合物按组成可分为温敏均聚物和温敏共聚物,温敏均聚物是一种温敏性单体自聚形成的聚合物。由于组分中只有一种温敏组分,所以临界溶解温度(LCST)变化幅度不大。而温敏共聚物是指温敏组分单体与非温敏组分单体的共聚物,可以含有一种温敏组分单体,也可以含有多种温敏组分单体。不同于均聚物,共聚物的LCST可以通过调节共聚单体的类型实现可控变化,如与亲水性单体共聚可提高LCST,而与疏水性单体共聚可降低LCST。因此,温敏共聚物引起了很多研究者的兴趣。

自从Scarpa等在1967年研究了聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)的热相转变行为以来,以PNIPAM为基础的温敏共聚物一直是研究最多的一类温敏共聚物[1]。PNIPAM系共聚物的应用都与其在水中的LCST有关。对PNIPAM系共聚物,PNIPAM分子内部氢键、分子间氢键及与水分子之间的氢键作用,使PNIPAM链段溶于水,但当温度升高至LCST以上时,PNIPAM部分与水之间的氢键被破坏,分子内和分子间氢键与疏水作用使PNIPAM链段疏水。本研究从2个方面对PNIPAM系温敏共聚物进行综述,首先综述了PNIPAM系温敏共聚物的合成途径,然后介绍了PNIPAM系温敏共聚物在生物医药、絮凝剂、纳米反应器等领域的最新应用进展。

1 PNIPAM系共聚物的制备

在所有温敏共聚物的制备方法中,常用的基本方法是传统自由基聚合(FRP)、活性/可控自由基聚合(CLRP),后者包括原子转移自由基聚合(ATRP)、可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)和单电子转移活性/可控自由基聚合(SET-LRP)等。

1.1 FRP

FRP常用来制备无规或梳子形聚合物。Kuckling等[2]以N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)为单体采用传统自由基聚合合成了一系列(N-异丙基丙烯酰胺)-(N-乙烯基吡咯烷酮)(NIPAM-NVP)无规共聚物,结果表明,调节NIPAM和NVP的摩尔比可以显著改变LCST的大小。Lo等[3]通过将D,L-乳酸接枝到NIPAM和甲基丙烯酸(MMA)上制备出聚(D,L-乳酸)-g-聚(N-异丙基丙烯酰胺-co甲基丙烯酸)[PLA-g-P(NIPAm-co-MAA)],得到的共聚物的LCST大幅度提高。

尽管FRP是合成PNIPAM系共聚物的一种简单方法,但是分子量分布一般比较宽[4],聚合度与结构都无法控制,导致共聚物的LCST难以调节。

1.2 CLRP

CLRP综合了活性聚合和传统自由基聚合的特点,通过控制活性种与休眠种的可逆平衡,实现分子量及其分布的可控和分子结构的可控,可以合成特殊结构和复杂结构的聚合物,现已成为应用较广泛的新型聚合物合成途径。对于PNIPAM系共聚物,CLRP可以通过分子结构的调控实现LCST的可控调节以满足需要,因此显得尤为重要。

1.2.1 ATRP

ATRP的机理是:卤代烃R-X被低价过渡金属卤化物(Mtn-Y/L)夺取卤原子成为-Y/R·,R·引发单体聚合成增长自由基Pn·,增长自由基Pn·又从高价过渡金属卤化物(X-Mtn+1L)获得卤原子而成休眠种Pn-X,休眠种Pn-X与活性种Pn·之间构成动态可逆平衡,便实现可控/活性聚合(图1)。

由于引发剂容易获得,方便使用而且单体适用范围广,所以ATRP广泛应用于PNIPAM系温敏共聚物。Wever等[5]首先合成聚丙烯酰胺(PAM)大分子引发剂,然后引发NIPAM聚合得到聚丙烯酰胺-b-聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PAM-b-PNIPAM)共聚物。除了线形外,星形[6]、梳形[7]、刷子形[8]、树枝形[9]等PNIPAM系聚合物也可以通过ATRP合成。然而,酸类单体和反应活性低的单体不能采用ATRP,而且产物中常含有过渡金属配合物。

1.2.2 RAFT聚合

自从CSIRO的研究人员在1998 年报道了RAFT以来,RAFT已经成为可控/活性自由基聚合中应用最广泛的方法[10],因为几乎所有乙烯基单体都可以在简单条件下实现聚合。RAFT是休眠种和链转移剂之间通过断裂加成反应实现可逆转移的过程,机理如图2所示。

PNIPAM系温敏共聚物采用RAFT合成方法的报道很多。Li等[11]利用一步法和两步法分别制备出N-异丙基丙烯酰胺/N,N-二甲基丙烯胺无规和嵌段共聚物,他们发现二者在水中的行为和形态差异很大。Xu等[12]通过RAFT聚合合成了新型的有机/无机杂化两亲性无规共聚物聚[甲基丙烯酸异丁基多面体低聚倍半硅氧烷-co-N-异丙基丙烯酰胺-co-低聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯-co-2-乙烯基吡咯烷酮]。Chen等[13]首次利用连续RAFT法合成了多重响应的ABCBA型共聚物聚甲基丙烯酸二乙氨基乙酯-b-聚乙二醇-b-聚(N-异丙基丙烯酰胺)-b-聚乙二醇-b-聚甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(PDEA-b-PEG-b-PNIPAM-b-PEG-b-PDEA)。RAFT合成的PNIPAM系温敏聚合物分子量分布窄,分子量可控,常用来合成线性聚合物,但是链转移剂会留在聚合物中,使聚合物染色,从而限制其应用。

1.2.3 SET-LRP

SET-LRP是Percec等[14]于2006 年提出的理论。SET-LRP的机理是基于CuI在极性溶剂中的歧化反应和Cu0的非均相的外层电子转移(OSET)过程促使休眠种到活化种的转变(如图3所示)。SET-LRP所需反应温度低,催化剂少,反应速率超快,产物无色而且分子量分布窄,常用来制备线性聚合物和生物功能接枝聚合物。

Jin等[15]在H2O/THF混合溶剂中利用SET-LRP方法合成聚羟丙基纤维素-g-聚(N-异丙基丙烯酰胺)(HPC-g-PNI-PAM)。结果表明,通过调节H2O/四氢呋喃的比值可控制聚合速率,水含量低时单体转化率也低。康宏亮等[16]通过SET-LRP方法制备了具有双亲性及温度响应性的乙基纤维素接枝聚(N-异丙基丙烯酰胺)共聚物(EC-g-PNIPAm),发现此反应在混合溶剂四氢呋喃/甲醇混合溶剂中活性是可控的。

1.3 其他

随着对聚合物结构的要求越来越高,CLRP之间相互组合或与其他聚合方法结合准确合成结构复杂的高分子已经成为一个新的趋势[2,17]。

Feng等[18]报道了SET-LRP和RAFT组合合成接枝共聚物的方法。Luo等[19]结合开环聚合和可逆加成断裂链转移自由基聚合合成出同时具备生物可降解性和温敏性的线-梳-线形(coil-comb-coil)三嵌段共聚物。

在生物医药等领域,常需要将功能性基团连接在高分子上,而Click化学与CLRP相结合是一个非常有效且通用的途径。Zhao等[20]利用Click法和RAFT成功合成了主链接有芘基团及PNIPAM聚合物链的双亲非对称梳形聚合物。Chen等[21]首先以PEG-Br为引发剂通过ATRP合成了PEG-b-PS-Br,然后PEG-b-PS-Br发生亲核取代,转化为叠氮基封端的PEG-b-PS-N3,最后用Click化学将PEG-b-PS-N3转化为RAFT聚合需要的链转移剂,从而得到聚乙二醇-b-聚苯乙烯-b-聚(N-异丙基丙烯酰胺)-b-聚甲基丙烯酸-N,N-二甲基氨基乙酯(PEG-b-PS-b-PNIPAM-b-PDMAEMA)。

Vora等[22]提出了一种结合RAFT、ROP和Click化学合成杂臂星形聚合物的方法,即叠氮化的链转移剂与烯酸丁酯、聚乙二醇丙烯酸酯和NIPAM单体反应得到叠氮化聚合物,兠-己内酯与双羟基封端的炔烃化合物发生开环聚合生成炔基聚兠-己内酯,二者经Click耦合形成了星形聚合物。后来,Li等[23]采用ATRP、ROP和Click化学合成得到了结构相似的AB2型共聚物。

2 PNIPAM系共聚物的应用

PNIPAM独特的温度响应性引起研究者的广泛关注和对其应用尤其是共聚物应用的探索。目前,PNIPAM系共聚物的应用领域已由最初的生物医学领域扩展到絮凝剂、纳米反应器等方面。

2.1 生物医学

PNIPAM系均聚物的LCST接近人体温度,因此可以通过共聚单元使基于PNIPAM系共聚物的LCST达到37℃ 附近以满足生物医学领域的应用,生物医学应用一直以来是PNIPAM系共聚物应用研究的热点领域之一。

Wu等[24]以抗癌药物阿霉素(DOX)为模型研究了聚乙二醇-b-聚(甲基丙烯酸羟乙酯-g-丙交酯)-b-聚(N-异丙基丙烯酰胺)[PEG-P(HEMA-PLA)-PNIPAM]接枝共聚物胶束装载能力,并同PEG-b-PLA-b-PNIPAM三嵌段共聚物进行比较,发现前者装载能力更强而且可以很好控制释放DOX。Yang等[25]研究了聚乙二醇-b-聚丙烯酸酯-g-聚(N-异丙基丙烯酰胺)(mPEG-b-PA-g-PNIPAM)喜树碱的热释放行为,体外药物释放实验表明,共聚物胶束可以稳定有效地装载喜树碱,避免了毒性和副作用,而且表现出优良的温度控制释放和靶点释放行为。除了可以实现药物控释,PNIPAM系共聚物还可以用做安全、高效、生物相容性好的基因载体,从而实现基因治疗[26]。

2.2 絮凝剂

矿物加工时面临的最大问题是超细矿物的浮选。由于超细粒子与气泡碰撞的机率很小,微粒不易浮选。常用的方法是使用絮凝剂让微粒聚集。当温度高于LCST时,PNIPAM变得疏水。当此相转变发生在固体悬浮液中时,沉积在固体表面,引起粒子间相互吸引,聚集并实现聚合物分子快速稳定[27]。聚合物所带电荷还可以选择性地絮凝矿物,因此带电荷温敏共聚物是一类很好的絮凝剂。Qiao等[28]利用NIPAM和丙烯酸或丙烯酸二甲氨基乙酯氯化季铵盐共聚合成离子型无规共聚物,并研究了带电类型、电离程度对二氧化硅和氧化铝矿物悬浮液固液分离的影响。

2.3 纳米反应器

以共聚物胶束为纳米反应器,利用胶束自组装过程及胶束可控性的特点可以容易制备出大小可控的纳米材料。PNI-PAM系温敏聚合物也不例外,比如聚N-异丙基丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸(PNIPAM-co-MAA)[29]、聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)-b-聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PDMA-b-PNIPAM)[30]和聚(N-异丙基丙烯酰胺)-co-聚苯乙烯(PNIPAM-co-PS)[31]等都可以做纳米反应器。在高分子化学领域,PNIPAM系共聚物还可作反应型的纳米反应器。Urbani等[32]以PDMA68-b-PNIPAM73-SC(═S)C4H9作纳米反应器制备出窄分子量分布与尺寸可控的聚苯乙烯纳米球。同样,Valade等[33]对比了PDMA68-b-PNIPAM62-SC( ═S)C4H9 和PDMA69-b-PNI-PAM60-SC(═S)C12H25作为纳米反应器的效果。结果表明,后者表现出聚合速率高、分子量分布与粒径分布窄等特点。

3 展望

聚N-异丙基丙烯酰胺 篇4

明胶是一种由氨基酸以肽键相连组成的天然高分子化合物,明胶无细胞毒性,具有良好的生物相容性,在生物体内易降解。另一方面,明胶分子链中含有少量游离氨基,能与马来酸酐发生化学反应,将双键引入明胶分子中。本研究以改性后的明胶作为交联剂与N-异丙基丙烯酰胺反应,制备出新型明胶/聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶。并考察不同交联剂用量水凝胶对外界环境变化的响应情况,同时以牛血清蛋白(BSA)为模型药物,研究其在明胶/聚(N-异丙基丙烯酰胺) (明胶-g-MA)水凝胶中的释放情况。

1实验部分

1.1试剂和仪器

明胶(AR),青海明胶股份有限公司;马来酸酐(AR)、过硫酸铵(APS,AR)、氯化钠(NaCl,AR),国药集团化学试剂有限公司;N-异丙基丙烯酰胺(NIPA,98%),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;N,N,N′,N′-四甲基乙二胺(TEMED,AR), Sigma试剂有限公司;牛血清蛋白(BSA,AR),北京索莱宝科技有限公司;ELISA KIT蛋白定量试剂盒,美国Mlbio试剂有限公司。

恒温磁力搅拌浴(HWCL-1型),郑州长城科工贸有限公司;冷冻干燥箱(FD-2型),北京博医康实验仪器;气浴恒温振荡器,太仓华利达仪器公司;微孔板扫描分光光度计,美国BioTek仪器有限公司。

1.2交联剂的合成

称取10g明胶于100mL烧杯中,加入40mL去离子水,磁力搅拌下加热至40℃使明胶充分溶解。称取0.6g马来酸酐用少量丙酮溶解后缓慢加入明胶溶液中,用30% NaOH调节pH=9.0,40℃ 反应7h后将产物转移至冷冻干燥机中干燥24h,得到交联剂。以三硝基苯磺酸(TNBS)法测定明胶中游离氨基的取代度[6]。

1.3水凝胶制备

按照表1所示的投料比,将交联剂与N-异丙基丙烯酰胺溶于10mL去离子水中,充N2鼓泡15min,除去体系中氧气, 加入引发剂APS及促引发剂TEMED后搅拌30s,静置24h。 将产物用去离子洗涤,除去未反应组分,冷冻干燥后得到明胶/聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶。

1.4溶胀率测定

采用称重法测定水凝胶的溶胀率[7],将水凝胶浸入特定溶液中,溶胀24h后取出,沥干表面水分,称重,根据式1计算溶胀率(SR)。

式中,w0为干燥水凝胶质量,g;w1为充分溶胀后水凝胶质量,g。

1.5载药水凝胶制备及药物缓释

载药水凝胶样品H6-H10分别按照样品H1-H5的投料比,将交联剂与N-异丙基丙烯酰胺溶于10mL 5mg/mL BSA溶液,参照1.3中描述的方法完成后续步骤,制得载药水凝胶。收集洗涤液,用ELISA法测定洗涤液中BSA含量,根据式2计算包封率(E,%)[8]。

式中,m1为反应体系内BSA的总质量,g;m2为洗涤液中BSA的质量,g。

称取一定质量的载药水凝胶于锥形瓶中,加入磷酸盐缓冲液(PBS),将锥形瓶固定在气浴恒温振荡器内,调节转速至100r/min,固定温度为25℃ 或37℃,每隔一段时间取1mL缓冲液。用ELISA法测定缓冲液中BSA含量,计算得到药物累积释放率,作累计释放率对时间的变化曲线。

2结果与讨论

2.1水凝胶的溶胀性

图1是5组水凝胶样品在25℃时的平衡溶胀率。从图1可以发现样品H3,即交联剂含量为45%(wt,质量分数,下同) 时,水凝胶具有最高的溶胀率,无论交联剂用量减少或增加, 水凝胶的溶胀率都迅速下降。水凝胶的溶胀率由水凝胶的交联密度与交联剂本身的吸水性共同决定[9],由于明胶中可供马来酰化反应的氨基较少[10],所以即使TNBS法测得的取代度超过95%,但在实际聚合中,交联剂含量低于45%时,由于交联剂与聚N-异丙基丙烯酰胺形成的交联点过少,两个交联点之间的分子链过长,聚合形成的网状结构间距过大无法使各亲水基团通过协同作用与水分子形成更多氢键。随着交联剂含量升高,两个聚合点间的分子链逐渐缩短,亲水基团通过协同作用与水形成更多氢键,溶胀率逐渐增加。当交联剂高于45%,交联密度增大,聚合点间距过小,水凝胶内亲水基团互相形成氢键,这种分子内氢键随着交联剂用量的增加而增加,水凝胶的溶胀率降低。

图2是水凝胶样品H1、H3和H5在不同温度下缓冲液中的平衡溶胀曲线,从图2可以发现一个与预期结果不同的现象,水凝胶的平衡溶胀率随温度升高逐渐降低,体积相变过程缓慢,没有明显相变过程[11]。在温度较低时,水凝胶中交联剂局部浓度较高,易发生凝胶现象,有利于增加水凝胶的保水性,因此,在低于25℃时,相同温度下水凝胶的平衡溶胀率随交联剂用量增加而升高。温度较高时,水凝胶内聚N-异丙基丙烯酰胺链发生相转变,水凝胶内亲-疏水平衡遭到破坏,分子链发生聚集现象,水分子从孔隙内排出,但交联剂中含有大量亲水基团,水分子外排过程受阻,因此水凝胶平衡溶胀率逐渐降低,无突越现象[11]。

对N-异丙基丙烯酰胺类水凝胶,溶剂中离子强度对水凝胶溶胀性有很大影响[12],此外,明胶的溶解性也随离子强度增加而下降。图3是水凝胶样品H2在不同浓度NaCl溶液中的平衡溶胀曲线,从图3可以发现,随着溶液中NaCl浓度增加, 水凝胶的平衡溶胀率迅速下降。NaCl浓度升高,一方面降低了水的活度,使水凝胶孔隙内与外部渗透压差变小;另一方面溶剂中离子屏蔽了水凝胶网状结构中的离子型亲水基团(如COO-)。从图3还可以看出,随NaCl浓度升高,水凝胶温敏性有所改善,主要是因为交联剂支链含有大量离子型亲水基团,随着NaCl浓度升高,离子型亲水基团逐渐被屏蔽,交联剂对溶胀性的影响降低,水凝胶温敏性增强。

2.2载药水凝胶的药物缓释性能

明胶无细胞毒性,无免疫原性,易降解。将明胶加入水凝胶体系可有效提高水凝胶的降解性、生物相容性和对蛋白类药物的包埋与缓释性能。经计算,所合成的5组载药水凝胶对BSA的包封率均大于98%。图4是25℃时H6、H8和H10等3组载药水凝胶中BSA累积释放率与时间的关系曲线。水凝胶溶胀过程中BSA逐渐从聚合物内通过扩散作用分散到缓冲液中,从BSA的累积释放曲线可以发现,在实验开始的最初1h内,由于水凝胶内存在大量亲水性基团,水凝胶迅速吸水溶胀,包埋在其中的BSA也快速扩散到缓冲液中,因此3组水凝胶内BSA的累积释放率均迅速升高,甚至超过50%。 此后随着水分子向水凝胶内部扩散减缓,BSA的溶出也变慢, 累积缓释率随着时间缓慢增加。对比3组水凝胶的缓释曲线,发现随着交联剂用量增加,BSA的累积释放率逐渐降低, 主要是交联剂的增加导致交联密度升高,水凝胶形成的网状结构孔隙减小,延缓了BSA向外扩散。此外,交联剂对BSA的吸附作用也增加了BSA的溶出难度。

图5是样品H7在分别在25℃和37℃下的累积释放曲线图,温度较高时,水凝胶发生相转变,水凝胶网格间孔隙因异丙基的疏水性而通畅,水凝胶渗透性增强,BSA可以更快的扩散到缓冲液中,因此,高于LCST时,水凝胶内的BSA具有更高的累积释放率。

3结论

以马来酸酐为改性剂对明胶进行化学修饰,将双键引入明胶分子中,并与N-异丙基丙烯酰胺共聚制备了一系列水凝胶。溶胀性测定实验表明,交联剂含量为45%时,水凝胶的平衡溶胀率最高。水凝胶的平衡溶胀率随温度升高逐渐降低, 温敏性随缓冲液离子强度增加逐渐增强。药物缓释实验显示,合成的5种载药水凝胶样品对BSA的包埋率均大于98%,且具有良好的缓释效果,交联剂含量越高,相同时间内的累积释放率越低,缓释时间越长。由于明胶可以改善水凝胶的生物相容性、细胞毒性、免疫原性,并能有效调节水凝胶的生物降解性,因此,这种新型明胶/聚(N-异丙基丙烯酰胺) 水凝胶在药物控释领域具有良好的应前景。

参考文献

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聚N-异丙基丙烯酰胺 篇5

星形聚合物是指具有多条相同或不同的线形臂,从中心核发散出来,且具有三维支化结构的大分子[1]。由于星形聚合物含有多条臂,其可在较小的空间里实现高功能化[1,2,3,4],因此,这类聚合物在生物药学、催化剂载体材料等领域中具有广阔的应用前景[1,3,4]。新型结构与功能的星形聚合物的合成与表征是高分子科学领域的重要研究方向之一[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。本研究基于PNIPAm的热敏性[2,5,7,8,11,12,13,14,15]与CD[2,5,11,12,13,14,16,17]的超分子包合性,设计合成出一类新型的SSPNIPAm-CD星形聚合物。

星形聚合物的主要合成方法有“先臂法”(Arm-first approach)[1,4,9,10]、“先核法”(Core-first approach)[1,2,3,5,6,7,8]及“接枝到法”(Grafting to-approach)[1],其中“先臂法”可直接用原子转移自由基聚合(ATRP)或可逆加成-断链转移(RAFT)法合成出线形大分子,再用双乙烯基单体交联后得到星形大分子[1,4,9,10]。由于RAFT链转移剂本身可以带上羧基[18,19,20,21], 羧基的存在有利于利用酰胺化反应将环糊精键接到星形聚合物上[16,19], 因此,本研究选择RAFT反应由“先臂法”合成SSPNIPAm-CD星形聚合物。

基于以上考虑,本实验用BCSPA作为RAFT链转移剂,首先合成出大分子链转移剂PNIPAm-CTA,再用BIS交联PNIPAm-CTA合成出星形聚合物SSPNIPAm,然后用酰胺化反应将环糊精衍生物键接到星形聚合物上,得到含环糊精的星形聚合物SSPNIPAm-CD。用DSC与荧光光谱研究了星形聚合物的温度敏感性和包合性。

1 实验

1.1 试剂与仪器

N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm),J&KCHEMICA产品,纯度99%;1-羟基苯并三唑(HOBt),J&KCHEMICA产品,纯度98%;2-溴丙酸,ACROS产品,纯度大于99%;丁硫醇,ACROS产品,纯度98%;8-苯胺基-1-萘磺酸铵盐(ANS),ACROS产品,纯度97%;偶氮二异丁腈(AIBN),上海山浦化工有限公司产品,化学纯,用甲醇重结晶后使用;β-环糊精(β-CD),天津博迪化工股份有限公司;对甲基苯磺酰氯(p-TsCl)与N,N′-二环己基碳二亚胺(DCC)为国药集团化学试剂有限公司产品,化学纯;N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)与乙二胺(EDA)均为分析纯。EDA-β-CD按照文献[22]提供的方法合成。

iS10型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR),Nicolet公司,KBr压片法测定;Bruker-AV500 核磁共振仪,以CDCl3或DMSO-d6作溶剂;F-4600荧光分光光度计,日本Hitachi High-Technologies公司,样品池的温度通过低温加热循环槽控制;2910 MDSC型调制式热分析仪(DSC),美国TA公司;807 Dosing Unit型自动电位滴定仪,瑞士Metrohm公司。

1.2 RAFT链转移剂的合成

RAFT链转移剂S-1-丁烷基-S′-(α-甲基-α′-乙酸)三硫代碳酸酯(BCSPA)按文献[21]的方法进行合成。1H-NMR(500 MHz, CDCl3),δ: 0.95(3H, CH3CH2CH2-),1.44(2H, CH3CH2-),1.64(3H, CH3CH(COOH)-),1.69(2H, -CH2CH2S-),3.37(2H, -CH2CH2S-),4.87(1H, -CHS-),10.73(1H, -COOH);DSC法测定BCSPA的熔点为55.1℃(文献值为54.8～55.9℃[21])。

1.3 大分子链转移剂PNIPAm-CTA的合成

将NIPAm(6g)、BCSPA(0.158g)与AIBN(10.88mg)依次溶于18mL二氧六环中,反应混合溶液在磁力搅拌下充氮除氧30min,其间超声3次,每次持续1min。聚合反应在65℃油浴中进行17h。反应结束,待体系冷却到室温后用乙醚沉淀出产物,产物再用THF-乙醚溶解-沉淀纯化1次,样品抽干后置于真空干燥箱中干燥至恒重,得产物3.20g。

1.4 星形聚合物SSPNIPAm的合成

将PNIPAm-CTA(1.20g)、BIS(0.264g)与AIBN(2.82mg)依次溶于10mL DMF中。反应混合溶液在磁力搅拌下充氮除氧30min,其间超声3次,每次持续1min。反应在60℃油浴中进行40h。反应结束,待体系冷却到室温后用热乙醚(约30℃)沉淀出产物,产物再用THF-热乙醚溶解-沉淀纯化1次,样品抽干后置于真空干燥箱中干燥至恒重,得产物1.13g。

1.5 含环糊精星形聚合物SSPNIPAm-CD的合成

将SSPNIPAm(0.40g)首先溶于5mL干燥的DMF中,在冰浴中搅拌10min,然后依次将DCC(49.27mg)与HOBt(32.26mg)溶解于其中。反应体系在冰浴中搅拌25min后,将其移至室温下继续搅拌,在24h后将EDA-β-CD(0.30g)的DMF(4mL)溶液加入到反应体系中,并在室温下再继续搅拌72h。反应结束后,过滤除去不溶物,再用乙醚沉淀出产物,产物过滤抽干后溶于少量的水中,装入透析袋中透析,透析结束,过滤后冷冻干燥,得产物0.28g。

1.6 聚合物表征

1.6.1 分子量测定

用Dawn EOS型凝胶渗透色谱/多角度激光光散射(SEC/MALLS)联用仪(美国Wyatt公司)测定分子量及分子量分布,测试温度为40℃,流速为0.5mL/min,进样量为150μL,流动相为DMF(含LiCl,0.01mol/L)。

1.6.2 DSC测定

玻璃化转变温度(Tg)测定:将干燥的样品置于样品盘中,以20℃/min的速率升温至200℃后快速冷却至室温,然后再以相同的升温速率进行第二次扫描,用第二次扫描所得的DSC曲线确定样品的Tg。

最低临界溶解温度(LCST)测定:将质量浓度为50mg/mL的水溶液样品置于样品盘中并密封,以2℃/min的升温速率从0℃到60℃对样品进行扫描,所得DSC曲线的“Onset”温度确定为样品的LCST。

1.6.3 荧光分析

配制含有不同聚合物浓度的ANS水溶液,待测溶液在20℃放置约40h后进行测定。测试激发波长为350nm, 温度为25℃,数据采集前平衡10min。

2 结果与讨论

2.1 星形聚合物的合成与表征

用“先臂法”合成SSPNIPAm-CD星形聚合物的路线如图1所示,具体步骤包括:①用RAFT链转移剂BCSPA合成出端羧基大分子链转移剂,将其作为臂分子;②继续通过RAFT反应用BIS交联臂分子合成出星形聚合物;③由星形聚合物上的羧基与环糊精衍生物上的胺基发生酰胺化反应合成出含环糊精星形聚合物。

由图1可见,首先由NIPAm发生RAFT反应合成出含有端羧基的大分子链转移剂PNIPAm-CTA。用SEC/MALLS联用仪测得PNIPAm-CTA的Mn、PDI(Mw/Mn)和dn/dc的值分别是6720、1.06与0.0734mL/g(见表1)。用1H-NMR与电位滴定法测定端基确定的PNIPAm-CTA的Mn分别是6930和7020(见表1),这一结果与SEC/MALLS的测定结果能较好地吻合。用BIS交联PNIPAm-CTA后得到了星形聚合物SSPNIPAm,图2为星形聚合物及其前驱体的SEC/MALLS图。由图2可见,相对于PNIPAm-CTA的峰而言,SSPNIPAm的峰移向高分子量方向。用SEC/MALLS测得SSPNIPAm的Mn和Mw/Mn的值分别是69780和1.14(见表1),这一结果清楚地表明BIS已成功地交联了PNIPAm-CTA,形成了核交联的星形聚合物。

在DCC/HOBt催化下,SSPNIPAm上的羧基与环糊精衍生物上的胺基发生酰胺化反应(见图1),合成出了含有环糊精端基的星形聚合物SSPNIPAm-CD。图3是SSPNIPAm与SSPNIPAm-CD的IR谱图。从图3中可以看出,两种样品中均含有PNIPAm的特征吸收峰,即约1650cm-1处酰胺的-C=O伸缩振动吸收峰与约1540cm-1处酰胺的C-N-H面内弯曲振动吸收峰。SSPNIPAm-CD样品在约1038cm-1处出现了β-CD结构单元中C-O-C收缩振动特征峰[2,14,17,22,23,24],表明EDA-β-CD与SSPNIPAm上的羧基发生了缩合反应。图4为SSPNIPAm-CD的1H-NMR谱图,由δ 4.85 处β-CD单元的C(1)-H质子峰与δ 1.15 处-CH3质子峰(该基团来自于NIPAm与BCSPA单元,结构见图1)的强度积分面积比,确定SSPNIPAm-CD中n(NIPAm)/n(β-CD)=81/1。对于PNIPAm-CTA样品,由δ 11.93处-COOH质子峰与δ 3.85处-NHCH(CH3)2质子峰的强度积分面积比,确定PNIPAm-CTA中n(NIPAm)/n(-COOH)=59.2/1。

由表2可见,星形聚合物的形成也影响其玻璃化转变温度,其中大分子链转移剂形成星形聚合物与环糊精键接到星形聚合物上后,各自的玻璃化转变温度均有明显地升高。这是由于大分子一端被交联会导致分子的刚性增大,Tg升高;当环糊精键接到星形聚合物的臂上时,由于其体积较大,所形成的位阻也会引起分子链的刚性增大,Tg进一步升高[2,17,22,23]。因此,如表2所示,大分子链转移剂、星形聚合物与含环糊精的星形聚合物的Tg逐步升高。

2.2 星形聚合物的温敏性

PNIPAm基聚合物水溶液的LCST能用DSC表征[2,14,15,24,25]。图5为星形聚合物与其前驱体水溶液的DSC图(聚合物质量浓度为50mg/mL)。由图5可见,随着温度的升高,在DSC曲线上均出现了一个吸热峰,表明聚合物水溶液随着温度的升高发生了相变,相关数据列于表2。由表2可见,臂分子、星形聚合物、含环糊精的星形聚合物的LCST逐步升高,但发生相变过程的ΔH逐步减小。

均聚PNIPAm水溶液的LCST在32℃附近,引入疏水性结构单元会导致PNIPAm的LCST降低;引入亲水性结构单元会导致PNIPAm的LCST升高。本实验所合成的臂分子PNIPAm-CTA的LCST为24.8℃,低于32℃,这可能是由于疏水的丁烷端基(见图1)所致[26]。当亲水性的环糊精键接到SSPNIPAm上后,得到的SSPNIPAm-CD的LCST进一步提高至32.4℃。

另外,由图5与表2可见,与大分子链转移剂在水溶液中发生相变时的热效应ΔH相比,星形聚合物的ΔH明显降低,这可能是由于相对于大分子链转移剂而言,星形聚合物的形成会引起分子有序性的增加,导致聚合物水溶液发生相分离时的热效应ΔH减小[7]。当将环糊精引入到星形聚合物上时,会减少热敏性PNIPAm链的相对含量,因此,星形聚合物的ΔH进一步减小。

2.3 星形聚合物的超分子包合性

图6为SSPNIPAm/ANS与SSPNIPAm-CD/ANS水溶液的荧光谱图。由图6(a)可见,SSPNIPAm浓度的增加引起ANS发射波长蓝移和荧光强度的增加,如5mg/mL SSPNIPAm的加入导致ANS荧光发射峰由506.4nm移至489.2nm,其荧光强度增至约1.7倍。这是因为在低于PNIPAm LCST的条件下,PNIPAm链与ANS存在着弱的作用[5]。与SSPNIPAm/ANS的谱图相比,SSPNIPAm-CD的添加会导致ANS的发射波长更明显地蓝移及峰强度更显著地提高(见图6(b)),c(SSPNIPAm-CD)=5mg/mL时,ANS荧光发射峰波长为483.2nm,其荧光强度增至约5.8倍。这表明SSPNIPAm-CD中的环糊精微环境具有明显的分子包合作用。

3 结论

以BCSPA作为RAFT试剂,可以合成出大分子链转移剂PNIPAm-CTA;用BIS与其进行RAFT反应后,可以得到相应核交联的星形聚合物SSPNIPAm;SSPNIPAm上的羧基与环糊精衍生物上的胺基发生酰胺化反应后,可以得到含有环糊精的星形聚合物SSPNIPAm-CD。这类聚合物具有热敏性与超分子包合性。

摘要：基于聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)的热敏性与环糊精(CD)的超分子包合性,用可逆加成-断链转移(RAFT)反应,由“先臂法”合成出了SSPNIPAm-CD星形聚合物。用FTIR、1 H-NMR、SEC/MALLS、DSC、荧光光谱与电位滴定对星形聚合物及其前驱体的结构与性能进行了表征。DSC测定表明,星形聚合物的形成与环糊精的引入均会引起其玻璃化转变温度(Tg)的升高;也使其在水溶液中的最低临界溶解温度(LCST)升高,但发生相变过程的热效应ΔH减小。用8-苯胺基-1-萘磺酸铵盐(ANS)作为荧光探针,研究表明星形聚合物具有超分子包合性。

聚N-异丙基丙烯酰胺 篇6

本实验通过β-CD上羟基与酰溴试剂的适度酯化反应,合成出约有15个引发点的ATRP核引发剂(Br-βCD),即β-CD两端引发点大概相似,用Br-βCD引发 NIPAm合成出约15臂的PNIPAm星状聚合物, 研究了该星状聚合物的温度敏感性及包合性能。

1 实验

1.1 试剂与仪器

N-异丙基丙烯酰胺,99%,Acros Organics;异丙醇,化学纯,郑州派尼化学试剂厂;2-溴-2-甲基丙酰溴,98%,Acros Organics;β-环糊精,生化试剂,天津博迪化工有限公司,在蒸馏水中重结晶3次,然后在110℃真空干燥箱中干燥后使用;N-甲基吡咯烷酮,NMP,分析纯,天津博迪化工有限公司,使用前用分子筛干燥;三-( N,N-二甲氨基乙基) 胺(Me6TREN)按文献[16]的方法合成。

iS10型傅里叶变换红外光谱仪,Nicolet公司,KBr压片法测定;Dawn EOS型凝胶渗透色谱/多角度激光光散射(SEC/MALLS)联用仪,美国Wyatt公司,测定分子量及分子量分布,操作条件为温度40℃,流速0.5mL/min,进样量150μL,流动相为DMF(含LiCl,0.01mol/L);UV-2550紫外可见分光光度计,日本津岛公司,样品池的温度通过池外恒温水浴的循环水控制;Bruker AV-500核磁共振仪,以CDCl3或D2O作溶剂;F-4600荧光分光光度计,日本Hitachi High-Technologies公司,样品池的温度通过低温加热循环槽控制。

1.2 Br-βCD的合成

将β-CD(2.27g,2mmol)首先溶于15mL干燥的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,在冰浴和搅拌条件下将2-溴异丁酰溴(12.9g)的NMP(10mL)溶液加入其中。在冰浴下搅拌1.5h后再置于室温下搅拌1.5h, 随后在60℃油浴中继续搅拌17h。反应结束,待反应体系冷却至室温后,将其沉淀于碳酸氢钠水溶液中,过滤后将沉淀物溶于丙酮,再沉淀于碳酸氢钠水溶液中,抽滤,并多次水洗至中性。最后将所得的Br-βCD样品置于真空干燥箱中干燥至恒重。

1.3 星状PNIPAm的合成

将Br-βCD(0.84g)、Me6TREN (1.12g)及单体NIPAm(12.73g)依次溶于20mL异丙醇中。反应混合溶液在磁力搅拌下通氮气除氧10min, 之后加入溴化亚铜(0.54g),再继续通氮气30min,其间超声3次,每次1min。反应在40℃油浴中进行4h。反应结束,待体系冷却至室温后用乙醚/正己烷沉淀出产物,过滤后将其溶于THF,并通过中性Al2O3柱子除去催化剂。将THF溶液浓缩后,用乙醚沉淀出产物,将产物用THF-乙醚再溶解-沉淀纯化1次,样品抽干后置于真空干燥至恒重。

2 结果与讨论

2.1 引发剂的合成与表征

Br-βCD引发剂的合成是通过β-CD的羟基与酰溴反应完成的[17],其反应如图1(a)所示。图2为Br-βCD的红外谱图,波数1743cm-1为-C=O伸缩振动的强吸收峰,1046cm-1为环糊精中C-O的吸收峰,表明β-CD的羟基已发生了酰化反应。但在图2中波数3575cm-1处仍存在β-CD中未被酯化的-OH伸缩振动的吸收峰,表明在Br-βCD合成中β-CD的羟基被部分酯化。

图3为Br-βCD-的1H-NMR图,δ 2.0为-C(CH3)2Br的质子峰,δ 3.5~6.3为 β-CD的质子峰。通过两者质子峰面积比可以计算Br-βCD环糊精的取代度约为15.4,这也说明Br-βCD中部分羟基被酯化。

2.2 星状聚合物的合成与表征

用Br-βCD作引发剂、CuCl/Me6TREN作催化剂,在异丙醇中引发NIPAm聚合可以合成出星状PNIPAm(β-CD-(PNIPAm)15.4)(见图1(b))。图4为星状PNIPAm的红外谱图,1650cm-1 为酰胺中-C=O伸缩振动的吸收峰,1544cm-1 为酰胺中-N-H的面内弯曲振动的吸收峰,1045cm-1处β-CD的C-O峰强度大大减弱,这表明Br-βCD已成功引发NIPAm聚合。

图5为星状PNIPAm的1H-NMR图,δ 1.17 为PNIPAm侧基-CH(CH3)2-的质子峰,δ 3.93为PNIPAm侧基-CH-(CH3)2-的质子峰,δ 1.61与δ 2.04分别为PNIPAm骨架-CH2-与-CH=的质子峰。图4与图2的结果表明,Br-βCD可以引发NIPAm聚合。

利用SEC/MALLS联用仪对β-CD-(PNIPAM)15.4进行了测试,测定β-CD-(PNIPAm)15.4的dn/dc,其值为(0.0749±0.0011)mL/g。利用SEC/MALLS的测定结果及dn/dc值确定β-CD-(PNIPAm)15.4的数均分子量(Mn)与Mw/Mn分别为52740和1.14,表明本实验所合成的β-CD-(PNIPAm)15.4化合物分子量分布较窄。

2.3 星型聚合物的温度敏感性

图6为星型聚合物β-CD-(PNIPAm)15.4水溶液(1mg/mL)的透光率随温度变化的曲线。由图6可见,当温度升高到35.6℃时,星型聚合物β-CD-(PNIPAM)15.4水溶液的透光率会突减(“Sharp”变化),表现出温度敏感性。如果将透光率降低50%时的温度视为LCST,则星型聚合物在水溶液中的LCST约为36.2℃,比文献[18]的32℃提高了4.2℃。原因可能是在本测试中加热水浴与比色池是分离的,而观测的是水浴温度,导致在同一时刻水浴的温度可能高于比色池的温度。但β-CD-(PNIPAm)15.4水溶液透光率的“Sharp”变化充分说明β-CD-(PNIPAm)15.4具有温度敏感性。PNIPAm的温敏性是由于温度变化引起其亲水与疏水转变所致,当温度低于其LCST时PNIPAm是亲水的,当温度高于其LCST时PNIPAm是疏水的。

2.4 星状聚合物的包合性能

图7为在不同浓度β-CD-(PNIPAm)15.4水溶液中ANS的荧光谱图。由图7可见,当β-CD-(PNIPAm)15.4的质量浓度为0mg/mL、1mg/mL、2mg/mL、4mg/mL与6mg/mL时,ANS荧光发射峰的波长分别为511.2nm、467.8nm、461.4nm、460nm、461nm,并且荧光强度也明显增强。这是由于ANS的荧光特性与周围微环境的极性密切相关,当形成β-CD与ANS的包合物时,将导致ANS荧光发射峰蓝移且荧光强度增强[19]。 因此,图7中加入β-CD-(PNIPAm)15.4所引起的ANS荧光发射峰蓝移且荧光强度增强说明ANS与β-CD-(PNIPAm)15.4发生了包合作用。β-CD-(PNIPAm)15.4/ANS的荧光强度随β-CD-(PNIPAm)15.4浓度的增加而增强,原因是β-CD-(PNIPAm)15.4浓度的增加引起形成β-CD-(PNIPAm)15.4/ANS包合物的浓度增加。因此,可以认为ANS与被PNIPAm臂包围的CD核发生了包合作用,这表明β-CD-(PNIPAm)15.4具有超分子包合性。

3 结论

聚N-异丙基丙烯酰胺 篇7

关键词：聚(N-异丙基丙烯酰胺),温度响应性,蛋白质吸附,厚度

0 引言

聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)是目前研究最多的温度敏感性高分子,其低临界溶解温度(LCST)约为32℃。通过物理或化学方法将PNIPAAm固定在基材表面后,随着温度的改变,表面的许多性质(如浸润性、生物相容性、生物分子黏附性等)会发生响应性变化[1,2]。应用此特性,经PNIPAAm修饰的材料表面已被用于组织工程、细胞培养等领域[3,4]。

蛋白质吸附是自然界存在的一种非常普遍但又十分复杂的现象,生物功能材料表面所吸附蛋白质的种类、数量及活性将直接影响其与生命体的相容性和功能诱导[5]。对于蛋白质纯化分离以及药物控制释放等应用领域,需要材料表面能够随着外部环境因素的变化实现对蛋白质的吸附与解吸附。温度是应用最广泛的环境刺激因素,因为温度的变化不仅易于控制,而且可以方便地在体内和体外进行应用[6]。因此,研究具有温敏性的PNIPAAm改性表面与蛋白质之间的相互作用,以及该相互作用随温度变化的规律,不仅具有重要的基础研究价值,并在诸多生物医用领域还具有潜在的应用前景。

聚合物接枝层的厚度是影响其改性表面性质的重要因素之一。研究表明,亲水性聚合物[7,8,9]的接枝层厚度将直接影响表面阻抗蛋白质非特异性吸附的能力。因此,本实验通过表面引发原子转移自由基聚合(ATRP)的方法制备了一系列具有不同接枝层厚度的PNIPAAm改性表面。选择尺寸、等电点相差较大的两种蛋白质——纤维蛋白原和溶菌酶作为模型蛋白质,研究了在不同温度下PNIPAAm接枝层厚度对改性表面与蛋白质相互作用的影响。

1 实验

1.1 试剂

单晶硅片(n型掺杂,(100)取向,厚度为0.56mm)切割成固定面积(0.5cm×0.5cm)的方形膜片备用。N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm,Acros公司)经甲苯/正己烷重结晶纯化;溴化亚铜(CuBr,Fluka公司)用冰乙酸搅拌洗涤12h,抽滤后真空干燥;3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)、2-溴异丁酰溴(BIBB)、N,N,N,N,N-五甲基二乙烯三胺(PMDETA)均购于Aldrich公司并直接使用;纤维蛋白原( Fibrinogen,MW=341kDa) 购于Calbiochem公司;溶菌酶(Lysozyme,MW=14.7kDa)购于Sigma公司;125 I(以NaI形式存在)购于成都中核高通同位素股份有限公司;其它试剂均为分析纯,使用前按照标准方法进行纯化处理。

1.2 PNIPAAm改性表面的制备

图1为通过表面引发ATRP技术在硅表面接枝PNIPAAm的合成路线。首先将硅片用“Piranha”溶液(由浓硫酸和双氧水按7∶3的体积比进行配制)在90℃浸泡清洗2h,而后用大量去离子水清洗硅片,氮气吹干。将清洗干净的硅片用UV光照10min后加入到盛有20mL甲苯的锥形瓶中,在氮气保护下将0.4mL APTES滴加到反应体系中。滴加完毕后,在80℃反应过夜使表面氨基化。反应结束后,将硅片分别用甲苯、丙酮、去离子水、丙酮超声清洗2min,氮气吹干。将氨基化的硅片加入到盛有20mL二氯甲烷和1mL三乙胺的锥形瓶中,在氮气保护下封口。在冰浴环境下,将1mL BIBB滴加至反应体系,反应1h后在室温下继续反应至过夜使表面固定引发剂。反应结束后,将硅片分别用二氯甲烷、丙酮、去离子水、丙酮超声清洗2min,氮气吹干。将2.5g NIPAAm、0.064g CuBr和0.28mL PMDETA加入到10mL甲醇和去离子水混合溶液(体积比为4∶1)中得到反应溶液,并通入微弱氮气流30min以排出其中的氧气。将反应溶液和盛有表面固定了引发剂的硅片的称量瓶转移到充满氮气的真空手套箱,将反应溶液倒入称量瓶在室温下进行反应,反应时间分别为10min、30min、60min、120min、240min,得到的表面用P-X表示,X代表反应时间(min)。最后将接枝了PNIPAAm的硅片用去离子水浸泡过夜,超声清洗2min,氮气吹干。

1.3 改性表面表征

采用ESCALAB MK II 型X光电子能谱仪(XPS,VG Scientific公司)测试改性表面的化学组成;采用M-88光学椭圆偏振仪(J.A. Woollam公司)测量聚合物的接枝层厚度;采用带有温控装置的C201型接触角仪(梭伦技术有限公司)表征改性表面在室温(23℃)和37℃时的浸润性。每种样品平行测定6次,求其平均值。

1.4 蛋白吸附测试

采用同位素标记法测定表面的蛋白质吸附量,具体方法见文献[10]。将蛋白质(纤维蛋白原或溶菌酶)进行125 I标记,利用125I的示踪作用来定量测试其吸附情况。先将样品浸泡于磷酸盐缓冲溶液(PBS,pH = 7.4,下同)中过夜,然后将其取出放入96孔板中,加入0.25mL标记过的蛋白质溶液(1mg/mL,PBS),室温或37℃静置浸泡3h后取出。样品用0.25mL PBS溶液静置浸泡洗涤3次(10min/次),滤纸吸干后转入样品管,放入Wallac 1480 Wizard型伽马计数器(Perkin Elmer公司)中测试放射量,将放射量通过计算转换成吸附蛋白质的质量。每种样品取3片同时测试,取平均值,蛋白质的吸附量以μg/cm2表示。

2 结果与讨论

2.1 PNIPAAm改性表面表征

接枝PNIPAAm后的硅片表面化学组成可以通过XPS表征数据得出。表面m(C)∶m(N)∶m(O)=73.0∶12.4∶14.6,与PNIPAAm的理论值75.0∶12.5∶12.5十分接近,表明表面基本上被PNIPAAm接枝层所覆盖。表1为PNIPAAm接枝层厚度随反应时间的变化。

接枝PNIPAAm后表面具有了浸润性的温度响应性(见图2)。随着温度从23℃升高到37℃,表面水接触角值增大,疏水性增强。这种浸润性的转变主要源于不同温度下PNIPAAm分子内氢键和分子间氢键的竞争[11]。当温度低于LCST时(23℃),PNIPAAm分子链表现出一种伸展的构象,分子键中的-NH-和C=O基团能与水分子形成分子间氢键从而使表面呈现出亲水性;而当温度高于LCST时(37℃),PNIPAAm分子链则表现出一种收缩的构象,-NH-和C=O基团相互之间形成分子内氢键从而失去水分子,表面呈现出疏水性。从图2还可以看出,PNIPAAm接枝层厚度的变化对表面的浸润性也产生了一定影响。接触角差值随厚度的增加而增大,表明浸润性的温度响应性增强。这可能是由于分子量较高的PNIPAAm分子链在LCST附近的构象转变程度也较大,即温度响应性较强[12]。

2.2 蛋白质吸附测试

纤维蛋白原和溶菌酶是大小、等电点差异都比较大的两种蛋白质[9],因此本实验选择它们作为模型蛋白质研究PNIPAAm接枝层厚度对蛋白质吸附的影响。如图3所示,基本上所有厚度的样品在37℃的蛋白质吸附量都高于23℃的蛋白质吸附量,表现出一定的温度响应性。此外,除了P-10表面,随着PNIPAAm接枝层厚度的增加,在37℃时蛋白质的吸附量以及吸附量随温度升高而增加的比率(由23℃升高到37℃)也有一定程度的增加(见图4)。该结果与接触角结果一致,表明在LCST以上表面疏水性的增强是导致蛋白质吸附量增加的主要原因,即疏水作用是吸附的主要驱动力[13]。而37℃时P-10表面蛋白质吸附量较高可能是由于PNIPAAm接枝层较薄,不能完全覆盖基材表面,导致一部分蛋白质穿过PNIPAAm分子链直接吸附到基材表面所致。

从图3和图4中还可以看出,PNIPAAm改性表面对不同尺寸的蛋白质的吸附也不同。与尺寸较大的纤维蛋白原相比,尺寸较小的溶菌酶在表面的吸附量较高,但吸附量随温度升高而增加的比率反而较低。这种蛋白质吸附的尺寸依赖性可以通过经典的Halperin模型[14]和Norde模型[15]来解释。蛋白质在聚合物刷改性表面的吸附可以分为以下3种类型:初级吸附,一般发生在接近基材的表面;二级吸附,一般发生在聚合物链的外部;三级吸附,一般发生在聚合物链之间的空隙(如图5所示)。对于尺寸较小的蛋白质,主要以初级吸附和三级吸附为主;而对于尺寸较大的蛋白质则以二级吸附为主。因此,对于尺寸较小的溶菌酶,无论PNIPAAm分子链呈现哪种构象,大部分蛋白质都能够穿过分子链而被直接吸附到基材表面,与纤维蛋白原相比,其吸附量较高而吸附量增加的比率较低。

3 结论

聚N-异丙基丙烯酰胺 篇8

二甲基二烯丙基氯化铵无毒高效、水溶性好、电荷密度高, 其单体与丙烯酰胺的共聚物 (简称PDA) 不仅具有良好的吸附性、耐温性、抗剪切性和耐酸碱性, 还具有很好的絮凝性, 被广泛应用于污水处理行业中。

本文选择过硫酸铵-亚硫酸氢钠作为引发剂, 控制阳离子度为30%, 研究了不同的起始含量、聚合温度、引发剂加量和络合剂EDTA加量对聚合产物的黏度和絮凝性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

该实验用到的主要仪器有:JJ-6数显电动搅拌器 (金坛市医疗仪器厂) 、NDJ-1旋转黏度计 (上海精科仪器公司) 、DK-S28电热恒温水浴锅 (上海森信实验仪器有限公司) 、TE-124S分析天平 (北京赛多利斯仪器有限公司) 、SGZ-2型号数显激光浊度仪 (上海悦丰仪器仪表有限公司) 。

该实验用到的主要试剂有:过硫酸铵 (分析纯, 汕头西陇化工厂) 、亚硫酸氢钠 (分析纯, 北京益利精细化学品有限公司) 、丙烯酰胺 (分析纯, 北京益利精细化学品有限公司) 、二甲基二烯丙基氯化铵 (工业级, 凯米拉 (宜兴) 化学品有限公司) 。

1.2 PDA共聚物的制备

称取一定量的单体AM、DMDAAC放于烧杯中, 加入一定量的水, 待溶解后, 将溶液转移到三口瓶中并搅拌, 同时, 通入大量氮气使装置处于氮气正压状态, 排除氧气。20 min后, 加入一定量的引发剂A (亚硫酸氢钠) , 分散10 min后再滴加一定量的引发剂B (过硫酸铵) , 然后将水浴升高至聚合反应温度。在此温度下反应3 h后, 直接升温到熟化温度继续反应3 h, 得到产物胶体, 待其干燥后测定特性黏度和絮凝性能。

1.3 分析方法

1.3.1 黏度测定

采用NDJ-1旋转黏度计测定。将被测液体倒入测样容器中, 使转子液面标志和液面相平。打开电机开关, 转动变速旋钮, 将其对准速度指示点, 使转子在液体中旋转 (20~30 s) , 待指针趋于稳定按下指针控制杆, 计数固定下来后再关闭电机, 读取读数记为α。刻度盘读数与转子对应系数的乘积为溶液的黏度 (m Pa·s) , 即:

式 (1) 中:η——所测得的黏度;

K——系数;

α——指针所指读数。

1.3.2 絮凝性测定

量取1000NTU浊度硅藻土模拟水样100 m L, 在其中加入一定量的聚合氯化铝 (PAC) , 快速搅拌2 min、慢速搅拌2 min后, 再加入一定量的聚合物溶液, 继续慢速搅拌2 min, 之后停止搅拌并观察、记录矾花的大小和沉降时间。30 min后取上清液用浊度仪测定其浊度。

2 结果与讨论

2.1 单体起始含量

控制聚合物的阳离子度为30%, 鉴于过硫酸铵-亚硫酸氢钠引发体系的活化能较低 (40~60 k J·mol) , 可以在较低的温度下引发聚合。在聚合温度定为30℃、熟化温度定为60℃、引发剂定为0.3%的条件下, 改变单体的起始含量, 产物黏度随起始含量变化的趋势如图1所示。由图1可知, 聚合产物的黏度随着单体起始含量的增加而增大, 当单体起始含量在30%以下时, 聚合物的黏度比较低;当单体起始含量超过40%时, 由于聚合产物的黏度过大, 反应中不能及时散热, 所以, 容易发生爆聚。

比较不同单体起始含量的PDA产物的絮凝性能, 结果如表1所示。在保证每组实验所加PDA的固含量相同的前提下, 当单体起始含量为35%和40%时, PDA产物的絮凝效果接近;当单体起始含量在30%以下时, PDA的絮凝性能相对较差。为了避免反应时发生爆聚, 因此, 认为单体起始含量为35%时, 聚合产物絮凝性能最佳。

2.2 聚合温度对产物黏度和絮凝性能的影响

在控制阳离子度为30%、单体起始含量为35%、熟化温度暂定为60℃、引发剂为0.3%的条件下, 改变反应聚合的温度, 产物黏度随聚合温度的变化趋势如图2所示。由图2可知, 随着聚合温度的增加, 产物黏度呈现出先升高后降低的趋势, 当聚合温度为35℃时, 聚合物的黏度达到了最大值17 000 m Pa·s。

比较不同聚合温度合成的PDA的絮凝性能, 实验结果如表2所示。综合考虑除浊效果和沉降时间后, 当聚合温度为35℃时, 合成的PDA絮凝效果最佳。

2.3 引发剂的加量对产物黏度和絮凝性能的影响

在控制阳离子度为30%、单体起始含量为35%、聚合温度暂定为35℃、熟化温度暂定为60℃的条件下, 调节引发剂的加量, 产物黏度随引发剂加量的变化趋势如图3所示。随着引发剂加量的增加, 聚合产物的黏度呈逐渐降低的趋势。当引发剂加量为0.1%时, 黏度最大达到38 000 m Pa·s。在此条件下, 产物的黏度过大, 不能够自由流动, 不利于工业生产。当引发剂加量超过1%时, 产物的黏度过低。出现这种情况的原因可能是当引发剂加量较少时, 聚合活性中心较少, 每条活性链所能聚合的单体单元数会增加, 从而可能会形成较长的分子链;当引发剂加量过多时, 聚合活性中心较多, 每条活性链所能聚合的单体单元数会降低。因此, 最佳引发剂加量应在0.3%~0.5%之间。

通过比较不同引发剂加量合成PDA的絮凝效果实验可知, 当引发剂加量为0.5%时, PDA聚合物的絮凝性能最佳。因此, 引发剂的最佳加量为0.5%.

2.4 EDTA加量对产物黏度的影响

考虑到实验所用的丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵单体中含有杂质, 可能会对聚合反应产生影响, 所以, 采用EDTA络合去除杂质。当控制阳离子度为30%、单体起始含量为35%、聚合温度为35℃、熟化温度为60℃、引发剂为0.5%时, 调节EDTA加量, 产物黏度随EDTA加量的变化趋势如图4所示。随着EDTA加量的增加, 产物黏度呈现出先升高后降低的趋势, 当EDTA加量为0.005%时, 聚合物黏度达到最大值9 900 m Pa·s;当EDTA加量超过了0.01%后, 聚合物的黏度会降低到2 700 m Pa·s以下。聚合助剂EDTA不仅能络合单体溶液中的金属离子, 消除它们间的阻聚作用, 还能够有效地提高引发效率。但是, 当EDTA过量时, 由于其本身的阻聚作用, 会发生阻碍反应, 降低聚合物的分子量。

比较不同EDTA加量下合成的PDA的絮凝性能, 综合考虑除浊效果和沉降时间, 确定EDTA加量为0.005%时, 合成的PDA效果最佳。EDTA加量对PDA产物絮凝性能的影响如表4所示。

3 结论

30%阳离子度的二甲基二烯丙基氯化铵-丙烯酰胺共聚物 (PDA) 在单体起始含量35%、聚合温度为35℃、熟化温度为60℃、引发剂加量为0.5%、EDTA加量为0.005%的条件下, 得到的PDA产物的黏度为9 900 m Pa·s, 特性黏度为4.05 d L/g, 并且具有显著的絮凝效果。

摘要：探讨了在二甲基二烯丙基氯化铵-丙烯酰胺共聚物 (PDA) 合成过程中单体起始含量、引发剂加量、聚合温度和EDTA加量对产品黏度、絮凝性能的影响。确定了PDA合成的最佳工艺条件, 单体起始含量为35%, 聚合温度为35℃, 引发剂为0.5%, EDTA加量为0.005%.由此可知, PDA产物的特性黏度为4.05dL/g, 具有较好的絮凝性能。

关键词：丙烯酰胺,二甲基二烯丙基氯化铵,黏度,絮凝性能

参考文献

[1]张跃军, 顾学芳.二甲基二烯丙基氯化铵与丙烯酰胺共聚物的研究[J].进展精细化工, 2002, 19 (9) :521-527.

[2]章诗芳, 曾文江.聚丙烯酰胺应用于饮用水处理研究[J].精细与专用化学品, 2001 (15) :12-14.

[3]贾旭, 张跃军, 余沛芝.聚二甲基而烯丙基氯化铵的控制聚合方法[J].石油化工, 2008, 37 (1) :49-54.