水平旋轉下聚（N—異丙基丙烯酰胺）溫敏凝膠的制備

胡蓉蓉+熊小翠+張瑞連+馬文婷+肖新才

摘要：采用自制的密閉旋轉儀器，在前期基礎上制備了聚（N-異丙基丙烯酰胺）溫敏性凝膠，以提高聚N-異丙基丙烯酰胺的溫敏性。在以聚乙二醇400為致孔劑情況下，對影響溫敏凝膠成型的因素如旋轉速度、交聯劑含量、引發劑含量、致孔劑含量進行了初步探索，結果表明：在親水環境下，ωBIS=5% （w/w）、ωAPS=1%（w/w）、VPEG400=2 mL、轉速100 r/min的條件下進行旋轉反應可獲得較理想的溫敏凝膠。

關鍵詞：聚（N-異丙基丙烯酰胺）；水平旋轉；溫敏凝膠

中圖分類號：TQ427.26

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）14-0272-04

1 引言

溫敏凝膠于20世紀70年代發現后得到廣泛關注[1]。溫敏凝膠是指吸水量在某溫度下會發生突變的一類聚合物，這一溫度指最低臨界溶解溫度（Lower critical solution temperature，LCST），其可實現長期釋藥，廣泛應用于眼部給藥、鼻部給藥、直腸給藥以及注射給藥，在藥學領域中發揮著重要的作用[2]。溫敏凝膠的給藥途徑有口腔用、耳用、鼻用、眼用、皮膚用、聯合應用[3]。

N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）為單體制備的溫敏凝膠是目前研究最多的一類凝膠，在生物分離[4]、藥物控釋[5]、生物降解[6]等方面，溫敏凝膠具有廣泛應用前景。傳統的化學交聯PNIPAM在靜止狀態下合成的凝膠有重力影響，凝膠力學性能差，響應速度慢，限制了藥學、醫學方面的應用[7]，筆者采用前期自制的水平旋轉儀器[8]，制備新型溫敏凝膠，擺脫了重力束縛，克服重力對凝膠的影響。微重力環境就是在其他外力或者重力作用下，引起的加速度可忽略不計的“零重量”情況，因此又稱為零重力，太空環境即屬于微重力環境。近年來，中國微重力科學研究進展飛速，在微重力流體與燃燒、空間生命、空間材料和生物體技術等方面都有新的研究進展[9]，微重力的應用領域也日益廣泛，在醫學[10]、航空航天[11]、測量[12]、植物[13]等領域，且都發揮了重大的作用。模擬微重力環境就是消除重力影響，根據微重力在細胞培養[14]方面作用原理可知，創建微重力環境需要注意水平旋轉的方式創造三維空間，真空的環境以避免剪切力，從而消除重力影響，實現接近理想的微重力環境。

在前期基礎上[8]，探索新型溫敏凝膠的制備，采用自制的密閉旋轉儀器來模擬微重力環境，采用兩頭開的玻璃管為制備容器，加入適量的NIPAM單體，交聯劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）和引發劑過硫酸銨（APS），以超純水溶劑，加入催化劑N，N，N，N-四甲基乙二胺（TMEDA），在水平旋轉下制備的新型溫敏凝膠，具有更大的孔，孔洞結構可以影響凝膠多方面性能，如溶脹率，再溶脹率等，多孔凝膠溶脹性能比無孔凝膠強，提高了響應速率[15]。并且研究了旋轉速度、BIS含量、APS含量、PEG 400含量對凝膠成型的影響，以期得到性能更好的新型溫敏凝膠。

2 實驗方法

2.1 試劑

聚乙二醇400（PEG400，國藥集團化學試劑有限公司），N，N，N′，N′-四甲基乙二胺 （TMEDA），N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM，EP，TCI，東京化成工業株式會社生產），N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS，BIOSHARP），過硫酸銨（APS，AR級，中國醫藥集團上海化學試劑有限公司），超純水。

2.2 實驗步驟

2.2.1 新型聚（N-異丙基丙烯酰胺）凝膠的制備

采用自制旋轉儀器（如圖1所示）制備聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）溫敏凝膠，以13 cm長、直徑1.5 cm兩頭開的玻璃管為制備容器，稱取2 g的NIPAM單體，一定量的交聯劑BIS和引發劑APS，溶解于20 mL超純水中，通氮氣15 min，之后加入到玻璃管中旋轉，再量取20 μL的TMEDA溶入到3 mL煤油中用注射器注入到玻璃管中，在水平旋轉下反應24 h，制備出BIS、APS含量不同的溫敏凝膠，探索多少含量的引發劑與交聯劑制備的溫敏凝膠性能較好，凝膠成型后取出浸泡在超純水中，隔2 h換一次水，以除去沒有反應的試劑，泡一天后在冰箱冷凍，備用。具體實驗參數見表1。

2.2.2 凝膠形貌的分析表征和測試

凝膠形貌表征：將干燥后樣用鋒利刀片切片表面噴金后，采用掃描電鏡（SEM）觀察凝膠表面形貌、結構。

凝膠溶脹率（SR）：用電子天平秤量在不同溫度（23 ℃、26 ℃、29 ℃、32 ℃、35 ℃、38 ℃）下浸泡的溶脹率（SR）。凝膠在每個溫度下保持8 h后，用循環泵抽凝膠孔洞里的水，然后用濾紙吸干凝膠表面的水分，用天平質量，并記錄下此溫度下的質量Wt。凝膠溶脹率是在具體溫度下達到溶脹平衡時，此溫度下的吸水量與冷凍干凝膠的質量W0之比，公式[16]：

凝膠再溶脹率（RSR）測定：將處理后干燥的樣，浸泡在超純水中，在24 h內，每隔3h測一次質量，測質量前用濾紙吸干凝膠表面的水分，之后秤量此時的凝膠質量，并記錄下此時的凝膠質量Wt，再溶脹率為某時凝膠吸水量與溶脹最終平衡的質量We之比，公式[16]：

凝膠保水率（WR）測定：20℃完全溶脹的凝膠擦干凈表面的水分用電子天平稱量其重W20℃，然后置于40℃恒溫水浴中使其退溶賬， 6 min后取出用濾紙擦表面的水分再稱量其重為Wt，某一時間的凝膠的吸水量與20℃吸收量之比，公式[18]：

3 實驗結果與分析

3.1 PNIPAM溫敏凝膠制備

在以超純水為溶劑的親水環境下，量取一定量的NIPAM與BIS溶解于超純水中，再量取一定量的制孔劑PEG400通N2后注入到玻璃管中在水平旋轉儀器中旋轉，稱量一定量的APS溶于超純水中通N2后用注射器注入到水平旋轉的玻璃管中，反應24 h制備出PNIPAM溫敏凝膠， 其他量不變的情況下，改變引發劑APS的量，從5%、4%、3%凝膠成型，2%半成型，1%未成型，同樣在不改變其他量時，改變交聯劑BIS的量從5%減少到1%，制備出軟硬程度不同的PNIPAM凝膠，5%的BIS較好，如圖2是冷凍干燥后干凝膠測再溶脹率浸泡三天的NIPAM凝膠，未碎，比在疏水環境下制備的NIPAM凝膠性能較好。

3.2 聚乙二醇的量對凝膠的影響

稱量不同量的NIPAM單體及BIS，APS溶入到超純水中，加入致孔劑PEG400，改變致孔劑的量從5 mL到1 mL，凝膠都成型，PEG400量越多越軟，而且凝膠成型時間，力學性能，內部結構不同。如圖3，a是VPEG400=2 mL，mBIS=0.1 g，VTMEDA=20 μL 旋轉成型的PNIPAM溫敏凝膠冷凍干燥后噴金SEM觀察的形貌，而b是VPEG=1mL的SEM圖，對比a，b，VPEG400=2 mLPNIPAM的孔洞更大。實驗表明，PEG400隨著反應的發生內嵌與凝膠內部，并在超純水中浸泡后被水除去，在原有的位置留下孔洞，PEG400的量決定孔洞的數量，并會對水凝膠的性能產生很大影響。PEG400越多會影響凝膠的力學性能，含量不足又難以產生足夠的孔洞，VPEG400=2 mL PNIPAM凝膠有較好的彈性的同時擁有足夠的孔隙[17]。

3.3 旋轉對溫敏凝膠的影響

水平旋轉下制備新型溫敏凝膠，旋轉轉速對凝膠成型有很大影響，轉速過快，凝膠不易成型，多次試驗探究得知100 r/min轉速適宜，如圖3，b是VPEG400=1 mL 旋轉成型的PNIPAM溫敏凝膠SEM圖，c是VPEG400=1 mL未旋轉成型的PNIPAM溫敏凝膠冷凍干燥后SEM圖，b、c對比旋轉與未旋轉孔洞有明顯區別，在微重力環境下旋轉的PNIPAM溫敏凝膠SEM圖孔洞大，且多，孔洞疏松，結構明顯，這樣的結構為水的進出提供通道[17]，而c未旋轉的PNIPAM凝膠孔洞小，且少，致密。說明微重力環境對凝膠的成型有很大影響。

3.4 PNIPAM溫敏凝膠溶脹率的測定

率曲線，PNIPAM溫敏凝膠響應性依賴于溫度，隨溫度收縮與溶脹。隨溫度升高，凝膠溶脹率呈下降趨勢，當溫度繼續升高時，凝膠的溶脹率急劇下降，32℃時明顯收縮脫水，32℃是最低溶解溫度（LCST）。當溫度高于LCST時，凝膠的溶脹率逐漸變小，高于38℃時，凝膠溶脹率接近于零；溫度低于LCST 時，PNIPAM新型凝膠溶脹率明顯比普通凝膠大。

3.5 PNIPAM溫敏凝膠再溶脹率測定

將冷凍干燥后的干凝膠在26 ℃的超純水中浸泡，吸水溶脹24 h左右達到溶脹平衡，通常吸水自身重量的十倍甚至數十倍，圖5為 PNIPAM溫敏凝膠在超純水中測定的再溶脹率曲線，如圖可知，開始階段PNIPAM新型凝膠吸水溶脹率大于普通凝膠，具有較快的溶脹速度，初步認為是旋轉的情況下制備的PNIPAM新型溫敏凝膠，吸水更快。

3.6 PNIPAM溫敏凝膠保水率測定

將PNIPAM溫敏凝膠在20℃（低于LCST）與40℃（高于LCST）恒溫水浴中交替放置，每6 min測一次重量，循環交替稱量，6個周期（72 h），目的是探究凝膠對溫度的響應情況[18]。凝膠在超純水中反復溶脹，發生周期性的溶脹-退溶脹，圖6 為PNIPAM溫敏凝膠保水率曲線，由圖可知VPEG400=1 mL與VPEG400=2 mL新型溫敏凝膠的保水率比普通溫敏凝膠較好， 且VPEG400=2 mL新型溫敏凝膠具有更好的保水率。

4 結論

本文采用自制的水平旋轉儀器，親水環境超純水為溶劑，引發劑為APS， 交聯劑為BIS，N-異丙基丙烯酰胺為單體，PEG400為致孔劑，TMEDA為催化劑，轉速為100r/min，制備了PNIPAM新型溫敏凝膠。對新型溫敏凝膠成型的條件如APS、BIS、PEG和旋轉速度進行了初步探索。結果表明：親水環境下制備的PNIPAM溫敏凝膠性能較好，ωBIS=5%（w/w）、ωAPS=1%（w/w）、VPEG400=2 mL、轉速n=100 r/min，此條件下制備出了新型溫敏凝膠。

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