溫度對聚(N-異丙基丙烯酰胺)水凝膠內部結構及性能影響的研究

顏明飛，王月鑫，傅 敬，周穎梅

徐州工程學院化學化工學院，江蘇徐州 221018

溫度敏感型水凝膠是指體積隨溫度變化而變化的聚合物水凝膠，發生相變的溫度被稱為最低臨界轉變溫度(LCST)[1]。在許多情況下，環境溫度會自然地發生變化，并易于設計控制，因此溫敏型水凝膠成為目前最受關注的一種智能水凝膠功能材料。其中聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)是研究較多的溫度敏感性水凝膠之一[2]。其分子側鏈上同時含有親水性的酰胺基和疏水性的異丙基，在32 ℃左右發生可逆的非連續體積相轉變[3]。PNIPAAm水凝膠的這種特殊的溶脹性能已被用于藥物的控制釋放[4-5]、酶反應控制[6]和循環吸收劑[7]等領域。在某些實際應用中，例如靶向給藥輸送系統、開關閥等，需要水凝膠能夠對溫度的變化做出快速響應。因此對于提高水凝膠響應速率的研究具有重要意義。近年來，為加快水凝膠的響應速率，研究工作者們紛紛從形態和結構兩方面上對傳統凝膠進行改性。劉曉華等[8]以不同粒徑的CaCO3粒子為成孔劑，合成了快速響應的溫敏性聚(N-異丙基丙烯酰胺)水凝膠。秦愛香等[9]在低溫(15 ℃)下在羥丙基甲基纖維素(HPMC)的水溶液中進行聚合/交聯反應合成了新型的溫敏性PNIPAAm水凝膠，通過性能測試發現，該凝膠與傳統凝膠相比，具有較高的溶脹率及較快的收縮速率。陳兆偉等[10]以2種不同粒徑的硅膠顆粒為致孔劑，通過自由基聚合制備凝膠/硅膠復合體，所得凝膠基體經充分酸處理后使致孔劑硅膠完全溶解，從而在水凝膠內部形成孔洞結構，大大地提高了溫度響應速率。劉文濤等[11]采用輻照聚合方法，以PEG作為致孔劑，制備了具有快速響應性能的多孔PNIPAAm復合水凝膠，并以阿司匹林為模型藥物，對水凝膠的藥物緩釋性能進行了初步研究。這些方法都需要在制備過程中引入其他物質，制備完成后還需要用合適的溶劑洗去引入的雜質。本文嘗試在3種不同溫度下合成PNIPAAm水凝膠，通過控制溫度使水凝膠具有不同的內部微觀結構從而使水凝膠的性能發生改變。該方法方便易行，不需要引入雜質。

1 實驗部分

1.1 試劑

N-異丙基丙烯酰胺(NIPA)，分析純，日本興仁株式會社；N,N-亞甲基丙烯酰胺(BIS)，分析純，日本和光株式會社；過硫酸銨(APS)，分析純，天津福晨市化學試劑廠；氮氣(99.99%)，徐州氣站。

1.2 測試與表征

采用德國梅特勒儀器有限公司EL204型電子天平稱量水凝膠質量的變化；采用日本電子株式會社JSM-840型掃描電鏡(SEM)對水凝膠的內部微觀結構進行觀察；采用德國布魯克公司ALPHA型紅外光譜分析儀(FT-IR)測定水凝膠的化學組成；采用美國TA公司Q20型差示掃描量熱儀(DSC)測定水凝膠的LCST。

1.3 實驗過程

1.3.1水凝膠的制備

稱取一定量的單體NIPA、APS、BIS加入5 mL的玻璃具塞試管中，再加入定量的去離子水，充氮氣氛圍下攪拌使固體全部溶解，分別放于0，25，60 ℃的恒溫水浴中，對應標記為Gel 0、Gel 25和Gel 60，除了Gel 60，其他2種凝膠均加促進劑TEMED。試管加塞子密封反應24 h后取出凝膠，先用去離子水反復沖洗數遍，然后再將凝膠置于去離子水中浸泡，每隔24 h 換水1次，以除去未反應的雜質。4 d后將凝膠切片，備用。凝膠代號及投料量見表1。

表1 PNIPAAm水凝膠的投料組成

1.3.2性能測試及表征

將水凝膠浸泡7 d后，真空干燥箱中70 ℃下烘干。充分研磨后，用KBr壓片，分別測定其紅外光譜。

采用DSC分析法來測定凝膠的LCST。取約10 mg室溫下充分溶脹的水凝膠放在鋁坩堝內，蓋上蓋子，壓片后放入樣品池中。升溫范圍為20～45 ℃，升溫速率為3 ℃/min，干燥N2氣氛，樣品的LCST定義為吸熱峰的初始溫度。

將室溫下充分溶脹的凝膠樣品拭去表面水分，放在液氮淬冷12 h，冷凍真空干燥。取其新鮮斷面表面噴金，20 kV電壓下，通過掃描電子顯微鏡觀察其內部微觀結構。

用稱重法測定水凝膠溶脹比(Sr)隨溫度的變化。溫度范圍是20～60 ℃。將水凝膠樣品在每個溫度下保持1 h后，用潤濕的濾紙拭干水凝膠表面帶出的水分稱重。Sr=[(mt-md) /md]×100%，式中mt是不同溫度下充分溶脹的水凝膠的質量，md是真空干燥后干凝膠的質量。

將在室溫下溶脹平衡的水凝膠快速轉移至60 ℃ 去離子水中，此時水凝膠會收縮失水發生去溶脹。每隔一定時間，用同上方法測定水凝膠的質量mt，直至其質量不再變化。由該式計算水凝膠的保水率(WU)，WU=[(mt-md) /ms]×100%。ms為溶脹平衡時水凝膠的含水量。

2 結果與討論

2.1 PNIPAAm水凝膠的結構表征

圖1是3種水凝膠的FT-IR譜，它們基本相同。1 100 cm-1附近為—CH(CH3)2中的C—C的收縮振動峰；1 400 cm-1附近有1個非常尖銳明顯的吸收峰，為—CH(CH3)2上雙甲基的對稱振動耦合分裂而形成的峰；1 600 cm-1附近為為酰胺基的羰基的收縮振動峰；3 000 cm-1附近處為次強酰胺帶的倍頻收縮振動峰；3 200～3 600 cm-1范圍內出現2個較寬的吸收峰，源于N—H或O—H鍵的收縮振動。可以看出，水凝膠的主要功能基團是親水的酰胺基(—CONH2)和疏水的異丙基(—CH(CH3)2)，說明在3種不同的溫度下均成功地合成了 PNIPAAm水凝膠，合成溫度的不同僅僅是改變了水凝膠的內部結構，對于產物的化學組成并沒有影響。

圖1 PNIPAAm水凝膠的紅外光譜

2.2 PNIPAAm水凝膠的DSC測定

PNIPAAm水凝膠是典型的溫度敏感性水凝膠。分子鏈體系中存在著親水基團和疏水基團。當溫度較低時，酰胺基與水分子之間存在較強的氫鍵作用，表現出良好的親水性，凝膠呈現溶脹狀態。當溫度升高至一定值，疏水作用開始增強，高分子鏈劇烈收縮并相互纏結。凝膠體積收縮，發生不連續相變同時伴隨吸熱現象。圖2為3種水凝膠的DSC，從圖中可以看出，所有水凝膠的LCST都在31 ℃左右，并沒有明顯的差異。這是由于水凝膠的體積相轉變是由凝膠網絡中親水基團與疏水基團的相互作用引起的[12]，雖然制備的溫度不同，但是不影響凝膠結構中2種基團的比例，即它們的化學結構相同，所以它們的LCST大致相同。由于Gel 60和Gel 25 2種水凝膠含水量較多，所以出現的熱吸收峰較寬。

圖2 PNIPAAm水凝膠的DSC曲線

2.3 PNIPAAm水凝膠的表面形態

利用SEM觀察水凝膠的內部結構，結果見圖3。發現3種凝膠的內部微觀結構截然不同。之所以造成這樣差異，可能主要源于制備溫度的不同。在0 ℃合成，由于環境溫度低，反應進行緩慢，不會產生大量的熱。水被保留在聚合物網絡中，干燥后形成了一個個封閉的孔洞。從斷面來看，具有很多凹面。而且表面光滑，說明交聯比較緊致。這樣的結構使凝膠具有一定的硬度和彈性。在25 ℃合成，當加進去TEMED后，聚合反應快速進行，反應放出大量的熱，使體系溫度上升至水凝膠的LCST之上，導致相分離現象發生。凝膠內部形成細密的蜂窩狀孔洞結構并且這些孔洞相互貫通，凝膠的硬度變差。在60 ℃合成，由于環境溫度比較高，所以不用加TEMED，由熱引發自由基聚合。在聚合過程中，水被分離出聚合網絡。整個體系被分成具有大量乙烯基的富聚合區和存在大量水的貧聚合區。富聚合區由于較高濃度的乙烯基提高了交聯反應和復合交聯反應的幾率，導致高度交聯的形成，從而在凝膠末端形成類似微凝膠的區域。而貧聚合區，因為有大量的水，所以只能發生輕度交聯，最終使得聚合網絡上的微凝膠之間有很大的空隙。并且PNIPAAm大分子由于體系溫度高于LCST而從水中分離。以上因素造成了該凝膠內部微觀結構的不均勻性，并存在相互貫通的大孔，如同漁網。這樣的結構使水凝膠比較柔軟。

圖3 PNIPAAm水凝膠在干燥狀態的SEM圖

2.4 PNIPAAm水凝膠的溫度敏感性

當外界溫度變化時，凝膠通過自身體積的變化而做出感應。平衡溶脹比Sr是評價水凝膠性能的最重要參數之一。在PNIPAAm水凝膠網絡中，側鏈中同時存在親水性基團(—CONH2)和疏水性基團(—CH(CH3)2)。當溫度低于LCST時，水通過水分子與親水部分之間的氫鍵與側鏈相互作用，這些氫鍵在疏水基團周圍形成了穩定的、水化的殼層，水凝膠開始溶脹。當溫度高于LCST時，異丙基的疏水性使得凝膠的鏈段聚集，結合的水分子被釋放出來，凝膠坍塌，體積收縮。圖4表明了3種水凝膠的Sr與溫度的依賴關系。當溫度在LCST之下時，Gel 60的溶脹率最大，Gel 0的溶脹率最小，這是由于Gel 60水凝膠如同漁網狀的結構可以容納更多的水，Gel 25水凝膠的多孔結構也能容納比Gel 0更多的水，所以它們的溶脹率都比較高。當溫度高于LCST時，由于Gel 0水凝膠交聯緊密，孔洞不相互貫通，隨著溫度的升高，孔洞逐漸縮小，最后完全封閉，水分子被封閉在網絡中很難排出。所以它仍保持較高的溶脹率且高于其他2種水凝膠。而其他2種水凝膠由于具有相互貫通的孔洞，所以水分子可以快速地被釋放出來。其中Gel 60因為孔洞較大，交聯不緊密而最先達到收縮平衡。

圖4 PNIPAAm水凝膠溶脹比隨溫度的變化曲線

2.5 PNIPAAm水凝膠的去溶脹動力學

水凝膠的去溶脹動力學曲線如圖5所示。

圖5 PNIPAAm水凝膠的去溶脹動力學

由圖5可看出，水凝膠Gel 0的響應速率最慢，在1 min內僅失去了約53%的水分，18 min后依然不能完全排除水分，在收縮過程中觀察到凝膠表面出現大量氣泡。這是因為當溫度在LCST上時，水凝膠疏水基團間的疏水相互作用得以加強，從而在凝膠表面形成了較厚的疏水致密層，阻礙了內部水分子向外擴散[13]。從而在水凝膠表面出現了氣泡，以彌補增加的內壓。Gel 25和Gel 60水凝膠由于孔的存在破壞了這種疏水致密層的形成，因此水分子可以快速釋放出來。它們在收縮過程中，并無觀察到凝膠表面有氣泡生成。水凝膠Gel 60的去溶脹速率比Gel 25水凝膠更快，在1 min內失去了約81%的水分，水凝膠Gel 25在1 min內失去了約62%的水分。這可能是因為Gel 25具有均質的蜂窩狀孔洞結構，存在著三維立體約束力，使得它的體積變化不會太快。而Gel 60內部是不均勻的漁網狀大孔結構，結構松散，并且具有大量的亞微米尺寸的似微凝膠組分。這些似微凝膠蔟具有大量的自由端，這種結構很類似與梳型嫁接凝膠，它們可以自由收縮而不受任何約束力，因此可以對于溫度的變化作出快速的響應。

2.6 PNIPAAm水凝膠的脈沖響應性

圖6為3種水凝膠在25 ℃和60 ℃交替刺激下的溶脹-收縮曲線。在相同的時間內3種水凝膠的溶脹行為均有較好的重現性。但是它們的變化幅度有較大的差異。其中水凝膠Gel 60對溫度交替刺激的響應性最快，其次是水凝膠Gel 25。這正是由于它們內部的網絡中存在水分子通道，有利于水分子的進出。孔洞越大，水分子進出越快。水凝膠Gel 25在第2次重復溶脹時，溶脹率在5 min內，不能達到最初值，分析原因可能是因為該凝膠均質細密的孔洞形成了三維約束力，所以再次溶脹時需要較長的時間，在5 min內難以達到較高的溶脹率，所以，第2次的溶脹率遠遠小于初始溶脹率，并且在以后的重復試驗中，溶脹率逐漸減小。而Gel 60水凝膠由于結構松散，所以在較短的時間內均表現出較高的溶脹和去溶脹率，重復性最好。而Gel 0水凝膠內部是封閉的孔洞，所以水分子不能自由出入，溫度敏感性遠遠小于其他兩種水凝膠。正是這種不敏感性，在復溶脹-去溶脹測試中，溶脹率變化幅度最小。

圖6 PNIPAAm水凝膠在溫度25 ℃和60 ℃交替刺激下的溶脹-收縮曲線

3 結論

1)在0，25，60 ℃3種不同溫度下成功制得PNIPAAm水凝膠。

2)通過改變制備溫度，可以有效地改變水凝膠的內部微觀結構。當制備溫度遠遠低于水凝膠的LCST時，可以形成交聯緊致，內部具有封閉孔洞結構的水凝膠。當制備溫度接近水凝膠的LCST時，水凝膠內部形成均質互通孔洞結構，隨著溫度進一步升高(高于水凝膠的LCST時)，水凝膠內部孔洞變大，形成漁網狀結構。

3)水凝膠的內部結構對水凝膠的性能有很大影響。通過性能測試發現，內部具有孔洞結構的Gel 60和Gel 25水凝膠具有較高的溶脹率和去溶脹率。其中Gel 60的溶脹率和去溶脹率最高。脈沖響應性實驗進一步證明Gel 60水凝膠具有較高的溫度敏感性和重復性。