本發明屬于納米水凝膠的制備領域，特別涉及一種基于互穿網絡結構的載四氧化三鐵納米水凝膠的制備方法。

背景技術：

水凝膠是指一類由物理或化學交聯而形成，可以吸收大量水分并保持其三維結構的軟物質。智能納米水凝膠能響應環境信息，如溫度、pH、磁、光等的微小變化，產生相應的體積變化，因此其在化學傳感器、藥物控釋、物質分離等領域有重要的應用價值。其中，溫度和pH作為兩種重要的環境條件，受到外界關注。而最典型的制備溫敏/pH響應性納米水凝膠的單體為N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)與丙烯酸(AA)，例如Hu等人用PNIPAM與PAA制備具有互穿網絡結構的納米水凝膠，并研究其晶體的有序結構。(Hu Z,Xia X.Hydrogel Nanoparticle Dispersions with Inverse Thermoreversible Gelation.Advanced Materials,2004,16(4):305-309.)；Lai等研究了NIPAM與AA共聚納米水凝膠的活性與穩定性。Lai E,Wang Y,Wei Y,et al.Covalent immobilization of trypsin onto thermo-sensitive poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid)microspHeres with high activity and stability.Journal of Applied Polymer Science,2016,133(21)。

制備刺激響應性水凝膠的方法主要有無規共聚法，核殼結構法，互穿網絡結構法。互穿聚合物網絡是由2種或多種聚合物分子鏈相互貫穿或纏結形成三維網絡結構。在互穿網絡水凝膠中，聚合物之間沒有化學鍵鏈接，各自保持著原有性能，同時，還產生特殊的協同作用，加快智能水凝膠的響應速率，在制備多重響應性水凝膠上受到學者的青睞。

近年來，磁性復合微球作為一種新型的功能高分子材料，由于兼具高分子微球的眾多特性和磁響應性，受到廣泛關注。常見的磁性粒子有Fe₃O₄,CrO₂等金屬氧化物以及CoFe₂O₄等鐵酸鹽類物質。由于Fe₃O₄納米顆粒具有超順磁性、高的磁化率以及良好的生物相容性，在生物醫藥應用方面受到學者們的青睞。然而，傳統的Fe3O4磁性納米顆粒由于其易聚集以及水相不兼容，限制其在各領域的應用，若將磁性納米顆粒裝載于聚合物微球中，不僅使其在水中具有良好分散性，復合微球還兼具超順磁性，最終能廣泛應用于藥物靶向治療、磁共振生物成像等生物領域。例如：Hariom Gupta等將Fe₃O₄裝載于DHA中，并成功應用于磁共振成像。(Gupta H,Paul P,Kumar N,et al.One Pot Synthesis of Water-Dispersible DHA Coated Fe₃O₄Nanoparticles under AtmospHeric Air:Blood Cell compatibility and Enhanced Magnetic Resonance Imaging.Journal of Colloid&Interface Science,2014.)，Malihe Kheirabadi等利用原位聚合將Fe₃O₄包載于hyaluronic acid中，并進行細胞毒性測試。Kheirabadi M,Shi L,Bagheri R,et al.In situ forming interpenetrating hydrogels of hyaluronic acid hybridized with iron oxide nanoparticles.Biomaterials Science,2015,3(11):1466-1474.

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種基于互穿網絡結構的載四氧化三鐵納米水凝膠的制備方法，該方法合成工藝簡單易行、綠色環保；最終產物同時具有pH/溫度/磁三重響應性，能在水中穩定存在，在水介質中分散良好；并且，該復合納米凝膠的體積相轉變溫度(VPTT)不隨親水性單體的引入量以及磁性顆粒的增多而改變(改變量小于1℃)，始終維持在34℃，在藥物負載和控制釋放等領域具有廣闊前景。

本發明的一種基于互穿網絡結構的載四氧化三鐵納米水凝膠的制備方法，包括：

(1)將單體N-異丙基丙烯酰胺NIPAM、交聯劑和乳化劑溶于去離子水中，氮氣氛圍下，攪拌，65～80℃保溫30～50min，然后加入引發劑，繼續反應0.5～4h，透析，得到聚N-異丙基丙烯酰胺PNIPAM；

(2)將交聯劑加入到步驟(1)中PNIPAM的水溶液中，氮氣氛圍下，攪拌，冰浴條件下加入單體丙烯酸AA，攪拌，加入引發劑和催化劑，反應0.5～1.5h，透析，得到PNIPAM/PAA互穿網絡結構納米水凝膠；其中，PNIPAM與AA的質量比為100：2～20；

(3)將Fe²⁺與Fe³⁺加入到步驟(2)中PNIPAM/PAA互穿網絡結構納米水凝膠中，攪拌3～12h，室溫下加入氨水，反應1～3h，透析，得到基于互穿網絡結構的載四氧化三鐵納米水凝膠(載有Fe₃O₄的磁性納米凝膠)；其中，Fe³⁺與PNIPAM/PAA互穿網絡結構納米水凝膠的質量比為0.01～0.8：100，Fe³⁺與Fe²⁺的質量比為0.01g～0.3g:0.0037g～0.11g。

所述Fe²⁺與Fe³⁺的來源優選為FeCl₂·4H₂O和FeCl₃·6H₂O。

所述步驟(1)中N-異丙基丙烯酰胺、交聯劑、乳化劑和引發劑的質量比為100：1～3：2～5：3～6。

所述交聯劑為N,N'-甲叉雙丙烯酰胺MBA；乳化劑為十二烷基硫酸鈉SDS；引發劑為過硫酸銨APS。

所述步驟(2)中PNIPAM的水溶液的質量濃度為1.36％。

所述步驟(2)中AA、交聯劑、引發劑和催化劑的質量比為100：10～30：3～6：3～6。

所述交聯劑為N,N'-甲叉雙丙烯酰胺MBA；引發劑為過硫酸銨APS；催化劑為焦亞硫酸鈉Na₂S₂O₅。

所述步驟(3)中氨水濃度為25-30wt％，氨水與Fe³⁺的質量比為(0.01～0.3g：1～5g)。

所述氨水的用量為1～5g。

所述步驟(1)、步驟(2)和步驟(3)中透析的條件為：采用超純水浸泡3-7天，每天換3次水；所用透析袋的截留分子量為8000-14000。

所述步驟(3)中基于互穿網絡結構的載四氧化三鐵納米水凝膠的粒徑為230～565nm。

本發明以制備溫敏性高分子聚(異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)的單體異丙基丙烯酰胺(NIPAM)為單體，以親水性的丙烯酸(AA)為功能單體，采用乳液聚合的方法，實現調節體積pH相轉變的智能性。

本發明利用親水性單體AA在堿性條件下，電離出COO^-的特點，將鐵離子與其絡合作用引入IPN結構納米水凝膠中，通過原位聚合，鐵離子與氨水作用生成Fe₃O₄，成功制備載有Fe₃O₄的磁性納米水凝膠。

有益效果

(1)本發明采用的方法工藝簡單，原料易得，綠色環保，制備所得的互穿網絡結構(IPN)納米水凝膠，不僅比傳統的PNIPAM有更良好的生物相容性，同時親水性單體AA的加入賦予了納米水凝膠pH敏感性；

(2)本發明將Fe₃O₄通過原位聚合載入互穿網絡結構納米水凝膠中，賦予納米水凝膠磁性性能，在藥物控釋，蛋白質分離等領域有很大應用前景；

(3)本發明制備的復合納米水凝膠，同時具備pH/溫度/磁性三重響應性，其中，改變任一組成成分的用量，例如AA或Fe₃O₄，均不影響復合納米水凝膠的體積相轉變溫度，始終保持在34℃左右，與人體溫度相似，使其在生物醫學有很大應用前景，尤其用于體內癌癥治療，藥物傳輸等方面。

附圖說明

圖1是實施例2中載有Fe₃O₄的互穿網絡結構納米水凝膠XRD圖；

圖2是實施例2中載有Fe₃O₄的互穿網絡結構納米水凝膠的體積相轉變的UV-vis圖；

圖3是實施例2中載有Fe₃O₄的互穿網絡結構納米水凝膠的pH響應性粒徑圖；

圖4是實施例1,2,3中載有Fe₃O₄的互穿網絡結構納米水凝膠磁吸附圖；其中，A，B，C分別代表實施例1、實施例2和實施例3。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。

實施例1

取1.9027g NIPAM、0.0355g MBA、0.076g SDS溶于140ml去離子水中，并于室溫下鼓入N₂除氧，磁力攪拌100分鐘；反應溫度升至70℃，并在N₂保護下保溫30分鐘；

然后將0.083g引發劑APS溶于10ml去離子水，加入上述溶液中，保持N₂氣氛，繼續反應4小時；然后把所得反應物浸泡于去離子水中透析7天，每天換三次水，去除殘留反應原料及反應體系中電解質；所用透析袋截留分子量為8000～14000，即得PNIPAM。

取15ml PNIPAM溶液，稀釋十倍，加入0.3203g MBA，N₂保護下磁力攪拌30min；冰浴下加入1.523g AA，磁力攪拌20min；然后將0.1023g APS和0.1023g Na₂S₂O₅分別溶于5ml去離子水，依次加入上述溶液，保持氮氣氛圍，持續反應40min；

然后把所得反應物浸泡于去離子水中透析7天，每天換三次水，去除殘留反應原料及反應體系中電解質；所用透析袋截留分子量為8000～14000，即得PNIPAM/PAA互穿網絡納米水凝膠(IPN結構納米水凝膠)。

取50g IPN結構納米水凝膠，室溫下加入0.0288g Fe³⁺，N₂保護下機械攪拌4h；加入0.086g Fe²⁺，N₂保護下機械攪拌30min；然后加入3g氨水(25wt％)，保持氮氣氛圍，持續反應3h；然后把所得反應物浸泡于去離子水中透析7天，每天換三次水，去除殘留反應原料及反應體系中電解質。所用透析袋截留分子量為8000～14000。即得載有Fe₃O₄的互穿網絡結構納米水凝膠。

實施例2

取1.9027g NIPAM、0.0355g MBA、0.076g SDS溶于140ml去離子水中，并于室溫下鼓入N₂除氧，磁力攪拌100分鐘；反應溫度升至70℃，并在N₂保護下保溫30分鐘；

然后將0.083g引發劑APS溶于10ml去離子水，加入上述溶液中，保持N₂氣氛，繼續反應4小時；然后把所得反應物浸泡于去離子水中透析7天，每天換三次水，去除殘留反應原料及反應體系中電解質。所用透析袋截留分子量為8000～14000。即得PNIPAM。

取15ml PNIPAM溶液，稀釋十倍，加入0.3203g MBA，N₂保護下磁力攪拌30min；冰浴下加入2.5043g AA，磁力攪拌20min；然后將0.1023g APS和0.1023g Na₂S₂O₅分別溶于5ml去離子水，依次加入上述溶液，保持氮氣氛圍，持續反應40min；然后把所得反應物浸泡于去離子水中透析7天，每天換三次水，去除殘留反應原料及反應體系中電解質。所用透析袋截留分子量為8000～14000。即得PNIPAM/PAA互穿網絡納米水凝膠(IPN結構納米水凝膠)。

取50g IPN結構納米水凝膠，室溫下加入0.0288g Fe³⁺，N₂保護下機械攪拌4h；加入0.086g Fe²⁺，N₂保護下機械攪拌30min；然后加入3g氨水(25wt％)，保持氮氣氛圍，持續反應3h；然后把所得反應物浸泡于去離子水中透析7天，每天換三次水，去除殘留反應原料及反應體系中電解質。所用透析袋截留分子量為8000～14000。即得載有Fe₃O₄的互穿網絡結構納米水凝膠。

實施例3

取1.9027g NIPAM、0.0355g MBA、0.076g SDS溶于140ml去離子水中，并于室溫下鼓入N₂除氧，磁力攪拌100分鐘；反應溫度升至70℃，并在N₂保護下保溫30分鐘；

然后將0.083g引發劑APS溶于10ml去離子水，加入上述溶液中，保持N₂氣氛，繼續反應4小時；然后把所得反應物浸泡于去離子水中透析7天，每天換三次水，去除殘留反應原料及反應體系中電解質。所用透析袋截留分子量為8000～14000。即得PNIPAM。

取15ml PNIPAM溶液，稀釋十倍，加入0.3203g MBA，N₂保護下磁力攪拌30min；冰浴下加入1.523g AA，磁力攪拌20min；然后將0.1023g APS和0.1023g Na₂S₂O₅分別溶于5ml去離子水，依次加入上述溶液，保持氮氣氛圍，持續反應40min；然后把所得反應物浸泡于去離子水中透析7天，每天換三次水，去除殘留反應原料及反應體系中電解質。所用透析袋截留分子量為8000～14000。即得PNIPAM/PAA互穿網絡納米水凝膠(IPN結構納米水凝膠)。

取50g IPN結構納米水凝膠，室溫下加入0.0553g Fe³⁺，N₂保護下機械攪拌4h；加入0.0184g Fe²⁺，N₂保護下機械攪拌30min；然后加入3g氨水(25wt％)，保持氮氣氛圍，持續反應3h；然后把所得反應物浸泡于去離子水中透析7天，每天換三次水，去除殘留反應原料及反應體系中電解質。所用透析袋截留分子量為8000～14000。即得載有Fe₃O₄的互穿網絡結構納米水凝膠。