溫度/pH 雙重響應(yīng)性納米微膠囊的制備及表征

胡振興，徐斌斌，聶王焰，周藝峰，陳鵬鵬

(安徽大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 綠色高分子材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

環(huán)境響應(yīng)型材料是一類能夠?qū)ν饨绛h(huán)境中的刺激信號(hào)如光、溫度、離子強(qiáng)度、pH 值和磁場(chǎng)等的變化而產(chǎn)生快速響應(yīng)，在結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)上發(fā)生突變的新型功能性聚合物材料。其在藥物控釋、組織工程、吸附劑、化學(xué)和生物傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1-3］。由于溫度和pH 是最常見的刺激信號(hào)，在人體組織環(huán)境中不同部位的pH 值、溫度會(huì)有細(xì)微的差異，所以制備同時(shí)具有pH 和溫度雙重響應(yīng)性的納米材料成為目前研究的熱點(diǎn)［4-6］。pH/溫度雙重響應(yīng)型納米微膠囊最常見的制備方法是同時(shí)引入聚丙烯酸和PNIPAM 分別作為pH 敏感及溫度敏感單元。Liang 等［7］同時(shí)引入上述兩種敏感單元，在不添加表面活性劑的條件下制備了pH/溫度雙重敏感納米凝膠，所得凝膠的粒徑可以通過改變外界pH 和溫度來(lái)進(jìn)行調(diào)控。

本文以丙烯酸(AA)為pH 敏感單體，NIPAM 為溫敏單體，通過細(xì)乳液聚合制備了溫度/pH 雙重響應(yīng)性P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊，對(duì)納米微膠囊的結(jié)構(gòu)、形貌進(jìn)行了表征，并研究了不同AA 含量對(duì)P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊的溫度響應(yīng)性及pH敏感性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

丙烯酸(AA)、過硫酸鉀(KPS)、苯乙烯(St)、十六烷(HD)、N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)、pH 緩沖劑均為分析純;正辛烷、十二烷基硫酸鈉(SDS)均為化學(xué)純。

NEXUS-870 型紅外光譜儀;JEM-2100 型透射電子顯微鏡;Zetasizer Nano S90 型高靈敏納米粒度分析儀。

1.2 溫度/pH 響應(yīng)性P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊的制備

將0.4 g NIPAM、3. 33 g St、0. 6 g HD、0. 4 g DVB 及0.33 g 正辛烷組成的有機(jī)相與0.2 g 乳化劑SDS、150 mL pH 緩沖液組成的水相混合，磁力攪拌5 min，弗魯克乳化機(jī)乳化15 min 后，在冰浴中超聲分散15 min 得到單體細(xì)乳液。將細(xì)乳液加入250 mL 三口燒瓶中，攪拌并通入N2，升溫至70 ℃，加入0.3 g 引發(fā)劑KPS 開始聚合，反應(yīng)4 h 后加入AA100/200/300 μL(記為A-1、A-2、A-3)，繼續(xù)反應(yīng)2 h。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 FTIR 表征 乳液離心干燥后，經(jīng)KBr 壓片，采用紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 TEM 表征 乳液用無(wú)水乙醇稀釋，滴到銅網(wǎng)干燥成膜，采用透射電子顯微鏡觀察納米微膠囊的形貌。

1.3.3 粒徑分布表征 乳液用蒸餾水稀釋后，采用高靈敏納米粒度分析儀測(cè)試樣品的粒度分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

圖1 中a、b、c 分別是通過配方A-1、A-2 及A-3制備的溫度/pH 雙響應(yīng)性P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊的紅外譜圖。

圖1 A-1(a)，A-2(b)，A-3(c)P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊的紅外譜圖Fig.1 FTIR spectra of P(NIPAM-co-AA)nanocapsules for A-1(a)，A-2(b)and A-3(c)

由圖1 可知，2 924，2 852 cm－1處是飽和C─H的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 494，1 451 cm－1處是苯環(huán)上C─C伸縮振動(dòng)吸收峰，754，697 cm－1處為苯環(huán)上C─H的吸收峰，表明產(chǎn)物中苯乙烯的存在。1 642，1 548 cm－1為酰胺Ⅰ和酰胺Ⅱ的特征吸收峰，1 384 cm－1是異丙基的特征吸收峰，表明產(chǎn)物中NIPAM 的存在。從譜線a 到譜線c，1 730 cm－1處的羰基特征吸收峰強(qiáng)度逐漸變強(qiáng)，表明納米膠囊囊壁中AA 的存在，且AA 含量增多。

2.2 透射電鏡分析

圖2 是通過配方A-3 制備的溫度/pH 雙重響應(yīng)性P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊的透射電鏡圖。

圖2 P(NIPAM-co-AA)納米膠囊(A-3)的透射電鏡圖Fig.2 TEM image of P(NIPAM-co-AA)from A-3

由圖2 可知，P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊形貌完整，具有明顯的核殼結(jié)構(gòu)，平均粒徑160 nm，壁厚為24 nm。

2.3 pH 響應(yīng)性分析

溫度25 ℃時(shí)，pH 值對(duì)P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊(A-3)粒徑的影響見圖3。

圖3 pH 值對(duì)P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊(A-3)粒徑的影響Fig.3 Effect of pH value on particle size of P(NIPAM-co-AA)nanocapsules for A-3

由圖3 可知，隨著pH 值的增大，P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊的粒徑先增大后減小。當(dāng)pH 值從4 增大到9，納米微膠囊的粒徑從112 nm 增大至220 nm;而當(dāng)pH 值繼續(xù)增大時(shí)，納米微膠囊的粒徑有所減小。這是因?yàn)樵谳^低pH 下，PAA 的羧基是以非離子狀態(tài)存在，電離度很小，且羧基與PNIPAM的酰胺鍵之間存在氫鍵作用，使高分子鏈段之間相互吸引，納米微膠囊處于收縮狀態(tài)，此時(shí)粒徑較小;當(dāng)pH 值升高時(shí)，羧基容易去質(zhì)子化而顯負(fù)電荷［8］，分子鏈上電荷的增加提高了鏈段內(nèi)部的靜電排斥力，從而增大了納米微膠囊的粒徑。

而當(dāng)pH 值＞9，溶液堿性較強(qiáng)時(shí)，小分子電離生成的自由陽(yáng)離子濃度高，大量的陽(yáng)離子在聚合物鏈段端基周圍形成了一層離子氛，從而屏蔽了聚合物分子鏈段之間的靜電斥力［9-10］，導(dǎo)致納米微膠囊粒徑減小。

2.4 溫度響應(yīng)性分析

圖4 是溫度對(duì)P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊(A-3)在pH=4 的條件下粒徑的影響。

由圖4 可知，當(dāng)溫度從25 ℃上升到40 ℃，納米微膠囊的粒徑并沒有發(fā)生明顯的變化;當(dāng)溫度從40 ℃上升到50 ℃時(shí)，納米微膠囊的粒徑發(fā)生突躍式的減小，說明其最低臨界溶解溫度(LCST)在該溫度區(qū)間內(nèi)。當(dāng)溫度低于LCST 時(shí)，PNIPAM 鏈段上的酰胺基團(tuán)與水分子之間形成氫鍵，具有較強(qiáng)的親水性，鏈段伸展，納米微膠囊的粒徑較大;當(dāng)溫度高于LCST 時(shí)，納米微膠囊表現(xiàn)出疏水性，PNIPAM 鏈段的水合作用被分子內(nèi)的氫鍵所取代，鏈段收縮，導(dǎo)致納米微膠囊的粒徑急劇減小［11］。結(jié)果表明，P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊(A-3)具有良好的溫度響應(yīng)性，且最低臨界溫度在40 ～50 ℃。

2.5 AA 含量對(duì)P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊pH及溫度響應(yīng)性的影響

不同AA 用量P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊(A-1，A-2，A-3)在pH =4 ～9、溫度25 ～60 ℃范圍內(nèi)的粒徑分布見表1。

由表1 可知，不同AA 用量的P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊均具有良好的pH 響應(yīng)性及溫度響應(yīng)性。

P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊的最低臨界溫度(LCST)均在40 ～50 ℃，且LCST 隨AA 含量的增大而升高。這是因?yàn)橛H水性單體AA 提高了共聚物的親水性，使聚合物與水分子之間形成的氫鍵數(shù)增加，而破壞這些氫鍵則需要更強(qiáng)的能量，導(dǎo)致聚合物的LCST 升高［12］。

P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊的粒徑隨pH 值的增大而增大，且隨AA 含量的增大，粒徑增大更明顯。這是因?yàn)樵趬A性條件下PAA 的羧基更容易去質(zhì)子化而帶負(fù)電，使聚合物由于靜電斥力而呈膨脹狀態(tài)，導(dǎo)致體積增大。

表1 P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊(A-1，A-2，A-3)的粒徑分布Table 1 Particle size distribution of P(NIPAM-co-AA)nanocapsules for A-1，A-2 and A-3

3 結(jié)論

(1)通過細(xì)乳液聚合制備了具有溫度和pH 雙重響應(yīng)性的P(NIPAM-co-AA)納米微膠囊，納米微膠囊具有明顯的核殼結(jié)構(gòu)，平均粒徑約為168 nm。

(2)親水性單體AA 的引入，提高了P(NIPAMco-AA)納米微膠囊對(duì)pH 的敏感性;同時(shí)P(NIPAMco-AA)納米微膠囊具有良好的溫度響應(yīng)性，但LCST 略有升高。

［1］ Bilalis P，Efthimiadou E K，Chatzipavlidis A，et al.Multiresponsive polymeric microcontainers for potential biomedical applications:Synthesis and functionality evaluation［J］.Polymer International，2012，61(6):888-894.

［2］ Xiao C，Ma P，Geng N.Multi-responsive methylcellulose/Fe-alginate-g-PVA/PVA/Fe3O4microgels for immobilizing enzyme［J］. Polymers for Advanced Technologies，2011，22(12):2649-2652.

［3］ Mu B，Liu P，Li X，et al.Fabrication of flocculation-resistant pH/ionic strength/temperature multiresponsive hollow microspheres and their controlled release［J］. Molecular Pharmaceutics，2012，9(1):91-101.

［4］ Fundueanu G，Constantin M，Ascenzi P. Preparation and characterization of pH-and temperature-sensitive pullulan microspheres for controlled release of drugs［J］. Biomaterials，2008，29(18):2767-2775.

［5］ Suchao-in N，Chirachanchai S，Perrier S.pH-and thermomulti-responsive fluorescent micelles from block copolymers via reversible addition fragmentation chain transfer(RAFT)polymerization［J］. Polymer，2009，50(17):4151-4158.

［6］ Chuang C Y，Don T M，Chiu W Y.Synthesis of chitosanbased thermo-and pH-responsive porous nanoparticles by temperature-dependent self-assembly method and their application in drug release［J］. Journal of Polymer Science Part A-Polymer Chemistry，2009，47(19):5126-5136.

［7］ Zhang Q，Zha L，Ma J，et al.A novel route to prepare pHand temperature-sensitive nanogels via a semibatch process［J］. Journal of Colloid and Interface Science，2009，330(2):330-336.

［8］ Guo J，Yang W，Wang C，et al. Poly(N-isopropylacrylamide)-coated luminescent/magnetic silica microspheres:Preparation，characterization，and biomedical applications［J］.Chemistry of Materials，2006，18(23):5554-5562.

［9］ 李振泉，曹緒龍，宋新旺，等. pH 響應(yīng)P(AM-co-AA)/PAAC 半互穿網(wǎng)絡(luò)微凝膠的合成及表征［J］.功能高分子學(xué)報(bào)，2008，21(1):17-19.

［10］宮藝，劉慶林，朱愛梅.聚(N-異丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸)/Fe3O4復(fù)合微球的制備及表征［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2012，28(3):140-144.

［11］Li P，Zhu A M，Liu Q L，et al.Fe3O4/poly(N-isopropylacrylamide)/chitosan composite microspheres with multiresponsive properties［J］.Industrial ＆ Engineering Chemistry Research，2008，47(20):7700-7706.

［12］謝銳，褚良銀，曲劍波.pH 響應(yīng)型微囊膜的研究與應(yīng)用進(jìn)展［J］.膜科學(xué)與技術(shù)，2005，25(1):69-73.