專利名稱：半互穿網絡可逆pH敏感水凝膠的模板共聚合合成方法
技術領域：
本發明屬于功能高分子領域，特別是涉及模板共聚合法合成半互穿網絡可逆pH敏感水凝膠。
背景技術：
近年來，水凝膠(hydrogel)作為一種智能材料，能感應環境的pH、溫度、離子強度、以及電場等的變化，本身會從收縮狀態變為溶脹狀態，或從溶脹狀態變為收縮狀態，發生體積的顯著變化，同時具備了感應功能和受動功能，因而在生物醫學、藥物應用、酶活性控制、分子分離等方面具有廣泛的應用前景(Synthesis andCharacterization of pH- and Temperature-sensitive Poly(methacrylic acid)/Poly(N-isopropylacrylamide)Interpenetrating Polymeric Networks，JingZhang，Nicholas A.Peppas，Macromolecules，2000，33，102-107。pH和溫度敏感的聚甲基丙烯酸/聚N-異丙基丙烯酰胺互穿網絡聚合物的合成及表征，大分子，2000，33，102～107)。在所有的智能水凝膠中，pH敏感凝膠是人們最關注的凝膠材料之一。
模板共聚合(Template Copolymerization)是在共聚合反應體系中引入一種稱作模板的聚合物，這種模板聚合物可以與體系中的單體或者單體齊聚物發生相互作用(包括氫鍵和靜電相互作用等)，這種作用使單體或齊聚物預先組裝在模板聚合物上，因此模板聚合物的引入可以改變共聚合反應的動力學及產物的微觀結構。多元型水凝膠通常采用共聚合方法得到，但一般的共聚合方法所得到的共聚物凝膠其離子型單體在聚合物鏈中分布為無序狀態，影響凝膠的溶脹/收縮性能，特別是其力學性能和可回復性能較差。本發明采用模板共聚合方法，得到的共聚物凝膠中，在共聚合反應體系中加入一種相反電荷的離子聚合物作為模板，這種相反電荷的離子聚合物可通過電荷作用與離子單體進行復合，使得離子單體在模板上預組裝，在聚合過程中，離子單體的鏈增長反應沿著模板進行，因此所得產物的結構與沒有模板參與的聚合物相比，離子型單體在共聚物鏈中具有較長的序列結構。同時由于模板與共聚合產物之間離子鍵的作用，增進了凝膠的溶脹行為，提高了凝膠的性能，特別是具有良好的力學性能和可回復性能。
發明內容
本發明的目的之一是通過模板識別作用將離子性單體預組裝后與中性單體共聚合，提供一種半互穿網絡可逆pH敏感水凝膠的模板共聚合合成方法。
本發明的目的之二是采用模板共聚合作為分子設計的實施手段，得到一種新型的多嵌段狀半互穿網絡結構的共聚物兩性離子水凝膠。
本發明用模板共聚合法合成pH敏感凝膠，選擇一種對pH敏感的離子單體，以及對應的一種與離子單體帶相反電荷的聚合物作為模板，在交聯劑存在下聚合，得到產物凝膠的結構，除了共價鍵交聯外，同時還存在靜電鍵合作用形成的離子鍵交聯，這種離子鍵交聯的存在，不僅增加了凝膠的強度，同時也增加了對pH的響應能力。由于共聚物中具有對pH敏感的離子單體單元，隨著溶液pH的變化，凝膠內部的離子密度發生變化，當離子密度超過某～值時，凝膠開始溶脹，由于凝膠內相反電荷的離子模板聚合物的存在，可以改變凝膠對pH的響應閥值。
本發明采用模板共聚合法合成半互穿網絡可逆pH敏感水凝膠，這類水凝膠共聚物由多元化合物組成，包括中性單體、離子型單體、交聯劑和模板聚合物。
適用的中性單體選自丙烯酰胺，甲基丙烯酰胺，N-甲基丙烯酰胺，N，N-二甲基丙烯酰胺，N-羥甲基丙烯酰胺，N-羥乙基丙烯酰胺，N-羥丙基丙烯酰胺，N-異丙基丙烯酰胺，丙烯酸羥乙酯，丙烯酸羥丙酯，乙烯基咔唑或乙烯基吡咯烷酮等。
適用的離子單體選自丙烯酸，丙烯酸鈉鹽或銨鹽，甲基丙烯酸，甲基丙烯酸鈉鹽或銨鹽，馬來酸，馬來酸鈉鹽或銨鹽，衣康酸，衣康酸鈉鹽或銨鹽，N，N-二甲胺基乙基丙烯酸酯或其鹽酸鹽，N，N-二甲胺基乙基甲基丙烯酸酯或其鹽酸鹽，烯丙基胺或其鹽酸鹽，N-甲基烯丙基胺或其鹽酸鹽，N，N-二甲基烯丙基胺或其鹽酸鹽中的一種等。
適用的交聯劑選自亞甲基雙丙烯酰胺，二烯丙基胺或其鹽，三烯丙基胺或其鹽，亞甲基雙二甲基丙烯酰胺，雙丙烯酸乙二醇酯，雙丙烯酸二縮乙二醇酯，雙丙烯酸三縮乙二醇酯，雙丙烯酸多縮乙二醇酯中的一種等。
適用的模板聚合物屬于水溶性聚合物，選自聚丙烯酸，聚丙烯酸鈉鹽或銨鹽，聚甲基丙烯酸，聚甲基丙烯酸鈉鹽或銨鹽，聚N，N-二甲胺基乙基丙烯酸酯，聚N，N-二甲胺基乙基甲基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨，聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基溴化銨，聚烯丙基胺，聚烯丙基胺鹽酸鹽，聚烯丙基胺溴酸鹽，聚烯丙基胺磷酸鹽，聚N-甲基烯丙基胺，聚N-甲基烯丙基胺溴酸鹽，聚N-甲基烯丙基胺磷酸鹽，聚N，N-二甲基烯丙基胺，聚N，N-二甲基烯丙基胺溴酸鹽，聚N，N-二甲基烯丙基胺磷酸鹽中的一種等。
本發明的半互穿網絡可逆pH敏感水凝膠的模板共聚合方法采用離子型聚合物為模板，離子單體應具有與離子型聚合物相反的電荷，它們通過靜電相互作用形成締合物。這種單體和模板生成的締合物在一定pH范圍內具有水溶性，在共聚合體系中，離子單體預吸附在模板上，而中性單體溶在水相中，采用水溶性自由基引發劑作為共聚反應引發劑。
適用的引發劑選自過氧化氫，水溶性有機過氧化物，過硫酸鹽，水溶性偶氮化合物，氧化還原引發體系。
所述的水溶性有機過氧化物選自異丙苯過氧化氫，叔丁基過氧化氫，二異丙苯過氧化物，二叔丁基過氧化物，過氧化苯甲酸叔丁酯，過氧化苯甲酰，過氧化十二酰。
所述的水溶性偶氮化合物是偶氮二異丁脒鹽酸鹽。
在水溶液中，在引發劑的作用下，單體進行共聚合反應，首先在溶液中引發中性單體聚合，然后當大分子自由基碰到模板后，引發吸附在模板上的離子單體聚合，不斷的重復進行聚合反應，生成具有半互穿網絡交聯結構的水凝膠共聚物。
聚合反應體系中，中性單體和離子單體總質量濃度控制在2～50wt％，尤其是4～25wt％；其中離子單體量占總單體量的5～90mol％，尤其是10～50mol％；水溶性交聯劑的用量為單體總量的0.01～10mol％，尤其是0.1～5mol％；離子型模板聚合物用量為離子單體總量的10～200mol％，尤其是50～150mol％。聚合反應在水溶液中進行，引發劑用量為單體總質量的0.01～5wt％，尤以0.1～3wt％為佳，聚合體系的pH值調整為5.5～10。
本發明的半互穿網絡可逆pH敏感水凝膠的模板共聚合合成方法為在反應器中，依次加入中性單體、交聯劑、離子單體、模板聚合物和去離子水，其中中性單體和離子單體的總質量濃度為2～50wt％，離子單體占總單體量的5～90mol％，交聯劑量為總單體量的0.01～10mol％，模板聚合物的量為離子單體量的10～200mol％。加無機堿溶液調節pH到5.5～10，然后向反應器中通高純氮除氧，通氮時間為20～40分鐘，再加入引發劑，引發劑用量為單體總質量的0.01～5.0％，繼續通氮5～15分鐘，在40～70℃溫度下反應10～20小時，得到白色的交聯聚合物凝膠，將凝膠剪成約1厘米大小的小塊，放入清水中浸泡以去除未反應的單體，適時換水，持續浸泡48～72小時，然后加入丙酮，使凝膠脫水，在30～60℃溫度下真空干燥至恒重，得到干凝膠。
所述的堿選自氫氧化鈉，氫氧化鉀，碳酸鈉，碳酸鉀。
本發明采用模板共聚合法合成的半互穿網絡可逆pH敏感水凝膠共聚物具有獨特的優良性能，對pH既具有靈敏的響應性，能快速的發生體積膨脹或者收縮，并具有良好的力學性能，體積變化回復率極高，并且通過調制這類水凝膠共聚物的組成，可以在很大范圍內變化pH的響應閥值，適應不同的使用要求，特別適宜作為藥物或活性物的可控載體，分子分離，酶活性控制，催化劑載體，人工肌肉，固水劑等方面應用。
本發明采用模板共聚合法合成的pH敏感水凝膠，由中性單體，離子單體，模板聚合物及交聯劑組成。其獨特性能體現在由于模板的作用，使得中性單體和離子單體各自具有較長的序列結構，模板與離子單體之間通過靜電鍵合作用增加了凝膠強度，又改變了凝膠的pH響應行為。通過調節共聚物中離子單體及中性單體的配比，或者通過調節模板與離子單體的配比可以改變凝膠溶脹/收縮所對應的pH閥值。如圖1、圖2所示，固定模板與離子單體的配比，增加共聚物中離子單體的含量，可以提高凝膠溶脹/收縮所對應的pH閥值。圖3表明，固定共聚物中離子單體的含量，增加模板與離子單體的配比，同樣可以提高凝膠溶脹/收縮所對應的pH閥值。
模板的引入除了改變凝膠的溶脹pH閥值，增加凝膠的強度，同時還賦予凝膠優良的體積變化回復性，即由pH引起的膨脹和收縮回復程度。由圖4可以清楚的看到，相同組成的凝膠共聚物，采用模板聚合法與采用普通聚合法得到的產物比較，經過多次體積膨脹-收縮往返變化，采用模板聚合得到的凝膠回復率接近100％，而采用普通方法得到的凝膠回復率下降明顯。
凝膠的質量膨脹度(SR)的測定將干凝膠侵在硝酸鈉溶液中，溶液的pH通過加入稀鹽酸或者稀氫氧化鈉溶液調節，質量膨脹度(SR)由下式計算SR＝(mt-m0)/m0其中mt是凝膠在時間t時的質量，m0是最初干凝膠的質量。
圖1.本發明實施例3，4的凝膠組分中陰離子單體含量對凝膠pH溶脹行為的影響。
圖2.本發明實施例5含有陽離子單體的凝膠對pH溶脹行為的影響。
圖3.本發明實施例1，6的凝膠組分中模板與陰離子單體量比對凝膠pH溶脹行為的影響。
圖4.本發明實施例2有模板參與的凝膠(B)膨脹-收縮回復率與無模板參與的凝膠(A)相對比。
具體實施例方式
實施例1丙烯酰胺/丙烯酸/聚烯丙基氯化銨半互穿網絡可逆pH敏感水凝膠共聚物的合成。
在反應器中，加入35.5g(0.50mol)丙烯酰胺，15.43g(0.21mol)丙烯酸，2.01g(0.021mol)聚烯丙基氯化銨，0.11gN，N’-甲叉雙丙烯酰胺，41ml去離子水，用碳酸鈉調節pH為5.5，向反應器通入高純氮30分鐘，加入引發劑偶氮二異丁脒鹽酸鹽0.035g(0.07wt％單體量)，繼續通氮10分鐘，溫度65℃反應15小時，得到白色交聯聚合物凝膠，將此凝膠剪成約1厘米大小的小塊，放在去離子水中浸泡，每隔8小時換水一次，持續浸泡48小時，濾去水，加入丙酮，使凝膠脫水，然后在50℃溫度下真空干燥至恒重，得到干凝膠，此凝膠中丙烯酸與丙烯酰胺摩爾比為0.43/1，丙烯酸與模板聚烯丙基氯化銨的摩爾比為10/1。
實施例2丙烯酰胺/丙烯酸/聚烯丙基氯化銨半互穿網絡可逆pH敏感水凝膠共聚物的合成。
在反應器中，加入0.2g(0.0028mol)丙烯酰胺，1.8g(0.025mol)丙烯酸，4.66g(0.05mol)聚烯丙基氯化銨，0.428g N，N’-甲叉雙丙烯酰胺，95ml去離子水，用氫氧化鉀調節pH為10，加入引發劑過硫酸銨0.1g，40℃反應15小時。后處理過程同實施例1，得到干凝膠，此凝膠中丙烯酸與丙烯酰胺摩爾比為8.93/1，丙烯酸與模板聚烯丙基氯化銨摩爾比為1/2。
實施例3丙烯酰胺/丙烯酸/聚烯丙基氯化銨半互穿網絡可逆pH敏感水凝膠共聚物的合成。
在反應器中，加入6.0g(0.085mol)丙烯酰胺，4.0g(0.056mol)丙烯酸，5.24g(0.056mol)聚烯丙基氯化銨，0.22g N，N’-甲叉雙丙烯酰胺，85ml去離子水，用碳酸鉀調節pH為6.5。加入引發劑偶氮二異丁脒鹽酸鹽0.1g，60℃反應15小時。后處理過程同實施例1，得到干凝膠，此凝膠中丙烯酸與丙烯酰胺摩爾比為0.66/1，丙烯酸與模板聚烯丙基氯化銨摩爾比為1/1。
實施例4丙烯酰胺/丙烯酸/聚N，N-二甲基烯丙基胺半互穿網絡可逆pH敏感水凝膠共聚物的合成。
在反應器中，加入6.0g(0.085mol)丙烯酰胺，6.12(0.085mol)丙烯酸，7.34g(0.085mol)聚N，N-二甲基烯丙基胺，0.33g N，N’-甲叉雙丙烯酰胺，85ml去離子水，用氫氧化鈉調節pH為7，加入引發劑過氧化氫(30％水溶液)0.32g，50℃反應15小時。后處理過程同實施例1，得到干凝膠，此凝膠中丙烯酸與丙烯酰胺摩爾比為1/1，丙烯酸與模板聚N，N-二甲基烯丙基胺摩爾比為1/1。
實施例5丙烯酰胺/N，N-二甲胺基乙基丙烯酸酯/聚丙烯酸半互穿網絡可逆pH敏感水凝膠共聚物的合成。
在反應器中，加入5.0g(0.07mol)丙烯酰胺，5.0g(0.035mol)N，N-二甲胺基乙基丙烯酸酯，2.88g(0.04mol)聚丙烯酸，0.44g N，N’-甲叉雙丙烯酰胺，85ml去離子水，用氫氧化鈉調節pH為6.5，加入引發劑偶氮二異丁脒鹽酸鹽0.15g，60℃反應15小時。后處理過程同實施例1，得到干凝膠，此凝膠中N，N-二甲胺基乙基丙烯酸酯與丙烯酰胺摩爾比為0.5/1，N，N-二甲胺基乙基丙烯酸酯與模板聚丙烯酸摩爾比為0.88/1。
實施例6N-異丙基丙烯酰胺/丙烯酸/聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨半互穿網絡可逆pH敏感水凝膠共聚物的合成。
在反應器中，加入18.24g(0.16mol)N-異丙基丙烯酰胺，5.0g(0.069mol)丙烯酸，8.3g(0.04mol)聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨，0.11g N，N’-甲叉雙丙烯酰胺，85ml去離子水，用氫氧化鈉調節pH為7.5，加入引發劑過氧化苯甲酰與叔丁基過氧化氫各0.05g，55℃反應15小時。后處理過程同實施例1，得到干凝膠，此凝膠中丙烯酸與N-異丙基丙烯酰胺摩爾比為0.43/1，丙烯酸與模板聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨摩爾比為1.73/1。
權利要求
1.一種半互穿網絡可逆pH敏感水凝膠的模板共聚合合成方法，其特征是在反應器中，依次加入中性單體、交聯劑、離子單體、模板聚合物和去離子水，其中中性單體和離子單體的總質量濃度為2～50wt％，離子單體占總單體量的5～90mol％，交聯劑量為總單體量的0.01～10mol％，模板聚合物的量為離子單體量的10～200mol％；加無機堿溶液調節pH到5.5～10，然后向反應器中通高純氮除氧，再加入引發劑，引發劑用量為單體總質量的0.01～5.0wt％，繼續通氮，在40～70℃溫度下反應，得到白色的交聯聚合物凝膠，將凝膠放入清水中浸泡以去除未反應的單體，然后加入丙酮，使凝膠脫水，在30～60℃溫度下真空干燥至恒重，得到干凝膠；所述的中性單體選自丙烯酰胺，甲基丙烯酰胺，N-甲基丙烯酰胺，N，N-二甲基丙烯酰胺，N-羥甲基丙烯酰胺；N-羥乙基丙烯酰胺，N-羥丙基丙烯酰胺，N-異丙基丙烯酰胺，丙烯酸羥乙酯，丙烯酸羥丙酯，乙烯基咔唑或乙烯基吡咯烷酮；所述的離子單體選自丙烯酸，丙烯酸鈉鹽或銨鹽，甲基丙烯酸，甲基丙烯酸鈉鹽或銨鹽，馬來酸，馬來酸鈉鹽或銨鹽，衣康酸，衣康酸鈉鹽或銨鹽，N，N-二甲胺基乙基丙烯酸酯或其鹽酸鹽，N，N-二甲胺基乙基甲基丙烯酸酯或其鹽酸鹽，烯丙基胺或其鹽酸鹽，N-甲基烯丙基胺或其鹽酸鹽，N，N-二甲基烯丙基胺或其鹽酸鹽中的一種；所述的交聯劑選自亞甲基雙丙烯酰胺，二烯丙基胺或其鹽，三烯丙基胺或其鹽，亞甲基雙二甲基丙烯酰胺，雙丙烯酸乙二醇酯，雙丙烯酸二縮乙二醇酯，雙丙烯酸三縮乙二醇酯或雙丙烯酸多縮乙二醇酯；所述的模板聚合物選自聚丙烯酸，聚丙烯酸鈉鹽或銨鹽，聚甲基丙烯酸，聚甲基丙烯酸鈉鹽或銨鹽，聚N，N-二甲胺基乙基丙烯酸酯，聚N，N-二甲胺基乙基甲基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨，聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基溴化銨，聚烯丙基胺，聚烯丙基胺鹽酸鹽，聚烯丙基胺溴酸鹽，聚烯丙基胺磷酸鹽，聚N-甲基烯丙基胺，聚N-甲基烯丙基胺溴酸鹽，聚N-甲基烯丙基胺磷酸鹽，聚N，N-二甲基烯丙基胺，聚N，N-二甲基烯丙基胺溴酸鹽或聚N，N-二甲基烯丙基胺磷酸鹽。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的引發劑用量為單體總質量的0.1～3wt％。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征是所述的引發劑選自水溶性有機過氧化物，過氧化氫，過硫酸鹽或水溶性偶氮化合物。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征是所述的有機過氧化物選自異丙苯過氧化氫，叔丁基過氧化氫，二異丙苯過氧化物，二叔丁基過氧化物，過氧化苯甲酸叔丁酯，過氧化苯甲酰或過氧化十二酰。
5.根據權利要求3所述的方法，其特征是所述的水溶性偶氮化合物是偶氮二異丁脒鹽酸鹽。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的中性單體和離子單體總質量濃度控制在4～25wt％。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的離子單體量占總單體量的10～50mol％。
8.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的水溶性交聯劑的用量為單體總量的0.1～5mol％。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的離子型模板聚合物用量為離子單體總量的50～150mol％。
全文摘要
本發明屬于功能高分子領域，特別是涉及模板共聚合法合成半互穿網絡可逆pH敏感水凝膠。用模板共聚合法合成pH敏感凝膠，選擇一種對pH敏感的離子單體，以及對應的一種與離子單體帶相反電荷的聚合物作為模板，在交聯劑存在下聚合，得到產物凝膠的結構，除了共價鍵交聯外，同時還存在靜電鍵合作用形成的離子鍵交聯，這種離子鍵交聯的存在，不僅增加了凝膠的強度，同時也增加了對pH的響應能力。由于共聚物中具有對pH敏感的離子單體單元，隨著溶液pH的變化，凝膠內部的離子密度發生變化，當離子密度超過某一值時，凝膠開始溶脹，由于凝膠內相反電荷的離子模板聚合物的存在，可以改變凝膠對pH的響應閥值。
文檔編號C08F220/26GK1834125SQ20051001144
公開日2006年9月20日 申請日期2005年3月18日 優先權日2005年3月18日
發明者吳飛鵬, 張玉璽, 李妙貞, 王爾鑑 申請人:中國科學院理化技術研究所