專利名稱：一種溫度、pH及磁場三重敏感性的復合微凝膠的制備方法
一種溫度、pH及磁場三重敏感性的復合微凝膠的制備方法技術領域
本發明屬于材料技術領域，具體涉及溫度、PH及磁場三重敏感性的復合微凝膠的制備方法。
背景技術：
環境敏感型微凝膠，又稱智能微凝膠，是指能感知外界環境(如溫度、pH、離子強度、生物分子、光、電場或磁場等)微小變化或刺激，并能產生相應的物理結構和化學性質變化的一類高分子凝膠。鑒于其特殊的環境敏感性，使之在諸多領域展現出應用前景，尤其是在藥物緩釋、蛋白質分離與提純、活性酶包埋、人工肌肉、生物探針及其它功能材料方面，受到了國內外學者的廣泛關注。
在眾多敏感型微凝膠中，溫度或pH敏感的微凝膠因其制備相對簡便，且具有高響應性，已成為當前的研究熱點之一。溫度敏感型微凝膠是指其體積能隨環境溫度改變而變化的微凝膠，可分為熱脹型和熱縮型兩種，關于此類微凝膠的報道主要集中在聚丙烯酰胺類水凝膠的研究上。在pH敏感型微凝膠網絡中，一般含有可離子化的酸性或堿性基團(如-C00H、-NH2、-CONH2或-PO3H基團)，隨著環境pH的改變，這些基團會發生電離，進而引起微凝膠網絡中大分子鏈段間的氫鍵發生解離，進而導致不連續的體積溶脹變化。
現有技術中，典型的溫度敏感型微凝膠為聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)水凝膠，其在相轉變溫度(即低臨界溶解溫度=LCST 32°C )附近發生體積突變。當外界溫度低于LCST時，PNIPAM水凝膠表現出親水性，在水溶液中溶脹，其內部含有較大比例的水分；當外界溫度高于LCST時，PNIPAM水凝膠變得疏水，其內部水分被排擠出來，致使水凝膠體積收縮。近年來，研究者選擇具有環境敏感性的高分子單體與N-異丙基丙烯酰胺進行共聚反應，可制得具有雙重敏感性的復合微凝膠，如丙烯酸，4-乙烯基吡啶、甲基丙烯酸等單體。例如，Huo等采用無皂乳液聚合法制備了不同丙烯酸組成比例的N-異丙基丙烯酰胺-丙烯酸共聚微凝膠(Dongxia Huo, Yana Li, Qingwen Qian, et al.Colloids and SurfaceB:Biointerfaces, 2006, 50:36)。Zhang等以N-異丙基丙烯酰胺和丙烯酸為聚合單體,通過反相懸浮聚合法成功制備了接枝型溫度及pH雙重敏感的微凝膠(Jie Zhang, LiangyinChu, Chan gjing Cheng, et al.Polymer, 2008,49:2595)。Teng 等以 N-異丙基丙烯酸胺、丙烯酸及丙烯氨基-2-脫氧葡萄糖為單體，采用無皂自由基沉淀聚合法制得了負載氨基葡萄糖的溫度、pH及離子強度三重敏感微凝膠(Dayong Teng, Jingli Hou, Xinge Zhang, etal.Journal of colloid and interface Science, 2008, 322:333)。此外，有關溫度及 pH雙重敏感的微凝膠也有中國專利報道。例如，張青松等以酰胺基化合物和羧基化合物為單體，丙烯酰胺基化合物為交聯劑，采用無皂乳液聚合法制備了具有溫度和PH雙重響應性質的納米級微凝膠(公布號:CN101037494A)。
以上方法只是采用增加具有環境敏感性共聚單體來調節復合微凝膠對溫度、pH及離子強度等的響應性，因此制得的產物多為雙重敏感型微凝膠材料。為了拓展此類微凝膠的應用，將具有磁性、光學或電學等性質的無機納米材料與N-異丙基丙烯酰胺進行復合，可獲得具有多重刺激響應性的有機-無機雜化微凝膠材料。例如，Deng等利用偶聯了異硫氰酸熒光素的有機硅烷的水解反應將其負載在納米四氧化三鐵顆粒表面而得到熒光修飾的磁性顆粒，然后選用3-(三甲氧基硅烷)丙基丙烯酸酯對其表面修飾，通過沉淀聚合反應將PNIPAM包覆在熒光磁性顆粒表面，得到具有磁、熱及熒光多重響應性微凝膠(YonghuiDeng, Changchun Wang, Xizhong Shen, et al.Chemistry-A European Journal,2005,11:6006)。Rubio-Retama等采用無皂自由基聚合法制得核/殼型PNIPAM/聚丙烯酸酯微凝膠，再利用鐵離子共沉淀反應在其表面負載超順磁性Y -Fe2O3納米顆粒，制得溫度及磁性雙重響應的雜化微凝膠(Jorge Rubio-Retama, Nikolaos E.Zafeiropoulos, CaterinaSerafinelli, et al.Langmuir, 2007, 23:10280)。另外,涉及具有多重響應性復合微凝膠的制備研究也有中國發明專利報道(公布號:CN1454924A，CN1318539C)。
盡管采用以上方法可以獲得環境刺激響應性復合微凝膠，但依然存在某些關鍵的技術問題亟待解決，如制備工藝與成本，制備產物的生物相容性，刺激響應的敏感性等。因此，發展一種設計合理、工藝可行、操作簡單、刺激敏感性的多功能復合微凝膠，在生物、醫學、材料等相關領域具有十分重要的應用價值。迄今為止，尚未見采用沉淀聚合法將具有超順磁性四氧化三鐵顆粒直接包封在基于聚(N-異丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)的微凝膠網絡中，而形成一種同時具有溫度、PH及磁場三重敏感性復合微凝膠的相關中國專利報道。發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種設計合理、工藝可行、操作簡單、成本低，且具有溫度、PH及磁場三重敏感性的復合微凝膠的制備方法。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:一種溫度、pH及磁場三重敏感性的復合微凝膠的制備方法，其特征在于，該方法具體包括以下步驟:
(I)溶解氯化鐵、硫酸亞鐵與硫代乙醇酸形成均質水溶液，保持磁力攪拌下升溫至一定的溫度，逐滴加入氫氧化鈉溶液以調節反應體系至弱堿性，制得大量黑色的納米四氧化三鐵微粒；
(2)取納米四氧化三鐵微粒溶于水，加入引發劑，再用氮氣鼓泡半小時以去除溶解氧，然后將混合體系升溫至反應溫度并保持一定的反應時間，使四氧化三鐵微粒的表面形成引發中心；
(3)將溶解了 N-異丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、交聯劑、表面活性劑的混合水溶液加入步驟(2)所得體系，在某一反應溫度和磁力攪拌下反應一定的時間，制得納米四氧化三鐵被包覆的聚(N-異丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)復合微凝膠。
步驟(I)中所述的氯化鐵、硫酸亞鐵與硫代乙醇酸的摩爾濃度比為1:1: 2 5:1: 6，反應體系的pH為7 8，四氧化三鐵微粒的平均尺寸為10 30nm，反應溫度為20 80 。
步驟⑵中所述的引發劑為過硫酸鉀或過硫酸銨，用量為I 5mg/mL，納米四氧化三鐵微粒的用量為0.1 lmg/mL，反應溫度設定為60 90°C，反應時間為5 30min。
步驟(3)中所述的交聯劑為戊二醛或N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，表面活性劑為十二烷基硫酸鈉或十二烷基磺酸鈉，N-異丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、交聯劑、和表面活性劑之間的質量濃度比為5 10: I: I: 1，攪拌速率為100 500rpm，反應時間為2 10h，反應溫度為60 90°C，復合微凝膠呈球狀，其平均尺寸為200 500nm。
與現有技術相比，本發明采用共沉淀法制備了具有超順磁性的納米四氧化三鐵顆粒，并在其表面形成了引發中心，使溫敏和PH敏單體進行沉降聚合反應將其包覆，制得納米四氧化三鐵被包覆的同時具有溫度、PH及磁場三重敏感性的復合微凝膠。與現有技術相比，本發明設計合理、工藝可行、操作簡單、反應易控制等優點，且制備產物具有三重敏感性，可在藥物控釋、生物傳感、化學分離等生物醫用功能材料領域具有廣泛的研究和應用價值。


圖1為復合微凝膠的結構與溫度/pH調節的溶脹態/收縮態示意圖2為納米四氧化三鐵的透射電子顯微鏡照片；
圖3為復合微凝膠的透射電子顯微鏡照片；
圖4為復合微凝膠在305K時的磁滯回線；
圖5為復合微凝膠的流體力學尺寸隨體系溫度升高而減小的變化曲線；
圖6為復合微凝膠的吸光率隨體系pH值升高而增大的變化曲線。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
實施例1
溫度、pH及磁場三重敏感性的復合微凝膠的結構與溫度/pH調節的溶脹態/收縮態過程參見圖1，詳細的制備步驟如下:將0.2mol氯化鐵、0.1mol硫酸亞鐵與0.3mol硫代乙醇酸溶于IOOmL去離子水，在磁力攪拌下升溫至60°C，逐滴加入NaOH溶液調節反應體系為pH7.5，得到大量黑色四氧化三鐵納米粒，升溫至80°C陳化30min，然后高速離心分離，反復洗滌，真空干燥，得到磁粒子干粉。稱取IOmg磁粒子干粉溶于IOOmL去離子水，加入20mg過硫酸鉀，通氮氣30min,在磁力攪拌下升溫至70°C并保持lOmin。最后加入溶解了 IOOmgN-異丙基丙烯酰胺，IOmg甲基丙烯酸，IOmg N, N-亞甲基雙丙烯酰胺和IOmg十二燒基硫酸鈉的IOmL混合水溶液,在300rpm的攪拌速率下反應6h,得到磁性納米四氧化三鐵微粒包覆的聚(N-異丙基丙烯酰胺-甲基丙烯·酸)復合微凝膠。產物通過透析袋滲析以去除未反應的單體及雜質，然后分散在磷酸緩沖溶液中。
采用透射電子顯微鏡觀察磁性納米四氧化三鐵微粒和磁性納米四氧化三鐵微粒被包覆的聚(N-異丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)復合微凝膠的形貌與尺寸，四氧化三鐵微粒呈規則球型，平均尺寸為IOnm ;復合微凝膠呈規則核/殼球型，內部黑色物質為納米微粒，外層淺色物質為聚合物，整體平均尺寸為250nm(參見圖2和圖3);采用振動樣品磁強計測定復合微凝膠的遲滯回線以確定其超順磁性，該曲線表現出極小的矯頑力與頑磁，最大飽和磁化強度為62.5emu/g(參見圖4)，采用動態光散射儀測定復合微凝膠的流體力學尺寸與體系溫度的關系，在29 41°C之間，復合微球的尺寸隨溫度的升高急劇減小(參見圖5);采用紫外-可見分光光度計測定復合微凝膠的吸光率與體系pH的關系，在pH4 11之間，復合微球的吸光值隨PH的升高快速增大(參見圖6)。
實施例2
詳細的制備步驟如下:將0.3mol氯化鐵、0.2mol硫酸亞鐵與0.5mol硫代乙醇酸溶于IOOmL去離子水，在磁力攪拌下升溫至75°C，逐滴加入NaOH溶液調節反應體系為PH8.0，得到大量黑色四氧化三鐵納米粒，升溫至85°C陳化30min，然后高速離心分離，反復洗滌，真空干燥，得到磁粒子干粉。稱取15mg磁粒子干粉溶于IOOmL去離子水，加入25mg過硫酸鉀，通氮氣30min,在磁力攪拌下升溫至75°C并保持lOmin。最后加入溶解了 150mgN-異丙基丙烯酰胺，15mg甲基丙烯酸，15mg N, N-亞甲基雙丙烯酰胺和15mg十二燒基硫酸鈉的15mL混合水溶液,在400rpm的攪拌速率下反應8h,得到磁性納米四氧化三鐵微粒包覆的聚(N-異丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)復合微凝膠。產物通過透析袋滲析以去除未反應的單體及雜質，然后分散在磷酸緩沖溶液中。復合微凝膠的性能表征方法同實施例1。
實施例3
詳細的制備步驟如下:將0.2mol氯化鐵、0.2mol硫酸亞鐵與0.4mol硫代乙醇酸溶于IOOmL去離子水，在磁力攪拌下升溫至70°C，逐滴加入NaOH溶液調節反應體系為PH7.5，得到大量黑色四氧化三鐵納米粒，升溫至80°C陳化30min，然后高速離心分離，反復洗滌，真空干燥，得到磁粒子干粉。稱取IOmg磁粒子干粉溶于IOmL去離子水，加入20mg過硫酸鉀，通氮氣30min,在磁力攪拌下升溫至75°C并保持IOmin。最后加入溶解了 200mgN_異丙基丙烯酰胺，20mg甲基丙烯酸，20mg N, N-亞甲基雙丙烯酰胺和20mg十二燒基硫酸鈉的25mL混合水溶液,在500rpm的攪拌速率下反應IOh,得到磁性納米四氧化三鐵微粒包覆的聚(N-異丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)復合微凝膠。產物通過透析袋滲析以去除未反應的單體及雜質，然后分散在磷酸緩沖溶液中。復合微凝膠的性能表征方法同實施例1。
實施例4
詳細的制備步驟如下:將0.4mol氯化鐵、0.2mol硫酸亞鐵與0.6mol硫代乙醇酸溶于IOOmL去離子水，在磁力攪拌下升溫至75°C，逐滴加入NaOH溶液調節反應體系為PH8.0，得到大量黑色四氧化三鐵納米粒，升溫至85°C陳化30min，然后高速離心分離，反復洗滌，真空干燥，得到磁粒子干粉。稱取20mg磁粒子干粉溶于IOOmL去離子水，加入25mg過硫酸鉀，通氮氣30min,在磁力攪拌下升溫至75°C并保持lOmin。最后加入溶解了 IOOmgN-異丙基丙烯酰胺，IOmg甲基丙烯酸，IOmg N, N-亞甲基雙丙烯酰胺和IOmg十二燒基硫酸鈉的20mL混合水溶液,在400rpm的攪拌速率下反應8h,得到磁性納米四氧化三鐵微粒包覆的聚(N-異丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)復合微凝膠。產物通過透析袋滲析以去除未反應的單體及雜質，然后分散在磷酸緩沖溶液中。復合微凝膠的性能表征方法同實施例1。
實施例5
詳細的制備步驟如下:將0.5mol氯化鐵、0.3mol硫酸亞鐵與0.8mol硫代乙醇酸溶于IOOmL去離子水，在磁力攪拌下升溫至75°C，逐滴加入NaOH溶液調節反應體系為PH8.0，得到大量黑色四氧化三鐵納米粒，升溫至85°C陳化30min，然后高速離心分離，反復洗滌，真空干燥，得到磁粒子干粉。稱取20mg磁粒子干粉溶于IOOmL去離子水，加入25mg過硫酸鉀，通氮氣30min,在磁力攪拌下升溫至75°C并保持lOmin。最后加入溶解了 150mgN-異丙基丙烯酰胺，15mg甲基丙烯酸，15mg N, N-亞甲基雙丙烯酰胺和15mg十二燒基硫酸鈉的15mL混合水溶液,在500rpm的攪拌速率下反應12h,得到磁性納米四氧化三鐵微粒包覆的聚(N-異丙基丙 烯酰胺-甲基丙烯酸)復合微凝膠。產物通過透析袋滲析以去除未反應的單體及雜質，然后分散在磷酸緩沖溶液中。復合微凝膠的性能表征方法同實施例1。
實施例6
一種溫度、pH及磁場三重敏感性的復合微凝膠的制備方法，該方法具體包括以下步驟:
(I)溶解氯化鐵、硫酸亞鐵與硫代乙醇酸形成均質水溶液，保持磁力攪拌下升溫至20°C，逐滴加入氫氧化鈉溶液以調節反應體系至弱堿性，制得大量黑色的納米四氧化三鐵微粒；所述的氯化鐵、硫酸亞鐵與硫代乙醇酸的摩爾濃度比為1:1: 2，反應體系的pH為7，四氧化三鐵微粒的平均尺寸為10 30nm。
(2)取納米四氧化三鐵微粒溶于水，加入引發劑，再用氮氣鼓泡半小時以去除溶解氧，然后將混合體系升溫至反應溫度60°C并保持30min，使四氧化三鐵微粒的表面形成引發中心；所述的引發劑為過硫酸鉀或過硫酸銨，用量為lmg/mL，納米四氧化三鐵微粒的用量為 0.lmg/mL。
(3)將溶解了 N-異丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、交聯劑、表面活性劑的混合水溶液加入步驟(2)所得體系，在60°C和磁力攪拌下反應10h，制得納米四氧化三鐵被包覆的聚(N-異丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)復合微凝膠，所述的交聯劑為戊二醛或N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，表面活性劑為十二烷基硫酸鈉或十二烷基磺酸鈉，N-異丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、交聯劑、和表面活性劑之間的質量濃度比為5: I: I: 1，攪拌速率為lOOrpm，復合微凝膠呈球狀，其平均尺寸為200nm。
實施例7
一種溫度、pH及磁場三重敏感性的復合微凝膠的制備方法，該方法具體包括以下步驟:
(I)溶解氯化鐵、硫酸亞鐵與硫代乙醇酸形成均質水溶液，保持磁力攪拌下升溫至80°C，逐滴加入氫氧化鈉溶液以調節反應體系至弱堿性，制得大量黑色的納米四氧化三鐵微粒；所述的氯化鐵、硫酸亞鐵與硫代乙醇酸的摩爾濃度比為5: I: 6，反應體系的pH為8，四氧化三鐵微粒的平 均尺寸為10 30nm。
(2)取納米四氧化三鐵微粒溶于水，加入引發劑，再用氮氣鼓泡半小時以去除溶解氧，然后將混合體系升溫至反應溫度90°C并保持5min，使四氧化三鐵微粒的表面形成引發中心；所述的引發劑為過硫酸鉀或過硫酸銨，用量為5mg/mL，納米四氧化三鐵微粒的用量為 lmg/mL。
(3)將溶解了 N-異丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、交聯劑、表面活性劑的混合水溶液加入步驟(2)所得體系，在90°C和磁力攪拌下反應2h，制得納米四氧化三鐵被包覆的聚(N-異丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)復合微凝膠，所述的交聯劑為戊二醛或N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，表面活性劑為十二烷基硫酸鈉或十二烷基磺酸鈉，N-異丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、交聯劑、和表面活性劑之間的質量濃度比為10: I: I: 1，攪拌速率為500rpm，復合微凝膠呈球狀，其平均尺寸為500nm。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種溫度、PH及磁場三重敏感性的復合微凝膠的制備方法，其特征在于，該方法具體包括以下步驟: (1)溶解氯化鐵、硫酸亞鐵與硫代乙醇酸形成均質水溶液，保持磁力攪拌下升溫至一定的溫度，逐滴加入氫氧化鈉溶液以調節反應體系至弱堿性，制得大量黑色的納米四氧化三鐵微粒； (2)取納米四氧化三鐵微粒溶于水，加入引發劑，再用氮氣鼓泡半小時以去除溶解氧，然后將混合體系升溫至反應溫度并保持一定的反應時間，使四氧化三鐵微粒的表面形成引發中心； (3)將溶解了N-異丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、交聯劑、表面活性劑的混合水溶液加入步驟(2)所得體系，在某一反應溫度和磁力攪拌下反應一定的時間，制得納米四氧化三鐵被包覆的聚(N-異丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)復合微凝膠。
2.根據權利要求1所述的一種溫度、pH及磁場三重敏感性的復合微凝膠的制備方法，其特征在于，步驟(I)中所述的氯化鐵、硫酸亞鐵與硫代乙醇酸的摩爾濃度比為1:1: 2 5:1: 6，反應體系的pH為7 8，四氧化三鐵微粒的平均尺寸為10 30nm，反應溫度為20 80°C。
3.根據權利要求1所述的一種溫度、pH及磁場三重敏感性的復合微凝膠的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述的引發劑為過硫酸鉀或過硫酸銨，用量為I 5mg/mL，納米四氧化三鐵微粒的用量為0.1 lmg/mL，反應溫度設定為60 90°C，反應時間為5 30min。
4.根據權利要求1所述的一種溫度、PH及磁場三重敏感性的復合微凝膠的制備方法，其特征在于，步驟(3)中所述的交聯劑為戊二醛或N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，表面活性劑為十二烷基硫酸鈉或十二烷基磺酸鈉，N-異丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、交聯劑、和表面活性劑之間的質量濃度比為5 10: I: I: 1，攪拌速率為100 500rpm，反應時間為2 IOh,反應 溫度為60 90°C，復合微凝膠呈球狀，其平均尺寸為200 500nm。
全文摘要
本發明涉及一種溫度、pH及磁場三重敏感性的復合微凝膠的制備方法，該方法具體包括以下步驟首先，以硫醇為穩定劑，采用共沉淀法使混合的二價/三價無機鐵鹽在堿性水溶液中水解，制得具有超順磁性的納米四氧化三鐵微粒；然后，以N-異丙基丙烯酰胺為溫敏單體，甲基丙烯酸為pH敏單體，在引發劑、交聯劑和表面活性劑的共同作用下發生沉降聚合反應，制得具有溫度、pH及磁場三重敏感性的磁性納米四氧化三鐵被包覆的聚(N-異丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)復合微凝膠。與現有技術相比，本發明設計合理、工藝可行、操作簡單、反應易控制等優點，且制備產物具有三重敏感性，可在藥物控釋、化學分離等生物醫用材料領域具有廣泛的應用價值。
文檔編號C08F220/06GK103242494SQ20131020241
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月27日 優先權日2013年5月27日
發明者萬錒俊, 桂日軍, 李慧麗, 金輝 申請人:上海交通大學