專利名稱：pH及溫度雙重敏感性納米水凝膠及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)境敏感型高分子納米材料領(lǐng)域，具體涉及pH及溫度雙重敏感性N-異丙基丙烯酰胺類納米水凝膠及其制備方法。
背景技術(shù)：
聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)水凝膠是研究得較為廣泛的一類溫敏性材料，該類水凝膠在其最低臨界溶解溫度(LCST32℃)下存在體積相轉(zhuǎn)變當(dāng)外界溫度小于LCST時(shí)，PNIPAM具有親水特性，在水溶液中溶脹，內(nèi)部含有較大比例的水分；當(dāng)外界溫度高于LCST時(shí)，PNIPAM變得疏水，將其內(nèi)部的水分排擠出來，其體積變小。
CN01129696.8，CN01129694.1公開了多孔溫敏性聚(N-異丙基丙烯酰胺)水凝膠的制備方法。CN03144329.X公開了一種N-異丙基丙烯酰胺與甲基丙烯酸葡聚糖衍生物共聚凝膠。武漢大學(xué)卓仁禧等在2004年申請了兩篇專利，一篇關(guān)于含硅氧烷側(cè)鏈的溫度敏感PNIPAM水凝膠的制備，另一篇是關(guān)于生物可降解溫度敏感PNIPAM水凝膠的制備方法(專利申請?zhí)?00410061315.3，20041001 3315.6)。WO2004/066704 A3公開了以N-異丙基丙烯酰胺，乙烯乙二醇二丙烯酸酯為前體，用乳化法制備得到該類水凝膠的微球。而PNIPAM納米水凝膠的制備一般要通過在反應(yīng)體系中加入表面活性劑來加以控制。美國得克薩斯大學(xué)的Ram Mohan KripaRamanan等通過表面活性劑不同的投料比，制備得到了粒徑大小在100nm左右的PNIPAM納米水凝膠以及PNIPAM水凝膠的微球(Ram Mohan Kripa Ramanan，Prithiviraj Chellamuthu，LipingTang.Development of a Temperature-Sensitive Composite Hydrogel for Drug DeliveryApplications.Biotechnology Progress，2006，22118-125)。
大體積的該類水凝膠具有較好的生物相容性，通常用于整容和治療功能損傷如乳房、聲帶等內(nèi)修復(fù)術(shù)，作為提高延長作用的醫(yī)用制劑的組織內(nèi)貯藏部位以及終生堵塞空洞的材料，或是作為藥物控制釋放體系中的藥物載體。CN97191715.9公開了一種用于治療的可移植的丙烯酰胺共聚物水凝膠，該聚合物是多相的，有彈性和可變形的，并且具有含量為至少約80％的平衡水，其可以用于在例如發(fā)育的和成熟的神經(jīng)系統(tǒng)中的組織再生和器官修復(fù)。CN02132409.3公開了一種采用丙烯酰胺單體與交聯(lián)劑N，N亞甲基雙丙烯酰胺在無熱原水溶液中經(jīng)γ射線輻射引發(fā)自由基聚合反應(yīng)而制得一種醫(yī)用水凝膠。
大體積的PNIPAM水凝膠通常對外部環(huán)境中的刺激感應(yīng)慢，阻礙了其更好地應(yīng)用；PNIPAM類的微凝膠對外部刺激感應(yīng)也不靈敏，如鄭州大學(xué)李亞娜等通過無皂乳液聚合得到了N-異丙基丙烯酰胺和丙烯酸的無規(guī)共聚物微凝膠，其pH及溫度敏感性均不是太強(qiáng)，用以表征pH及溫敏性的透光率只能在較窄范圍內(nèi)變化，且突躍不明顯(李亞娜，霍東霞，錢慶文，劉玉坤.pH及溫度敏感性N-異丙基丙烯酰胺-丙烯酸共聚微凝膠的制備與表征.合成橡膠工業(yè)，2005，28(3)222)。而納米水凝膠對外部刺激如溫度、pH等感應(yīng)靈敏。1986年，Pelton等首次報(bào)導(dǎo)了聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)微凝膠。Zhibing Hu等在Pelton制備微凝膠方法的基礎(chǔ)上，通過反應(yīng)原料中表面活性劑十二烷基硫酸鈉加入量的控制得到粒徑分布在120nm-350nm范圍內(nèi)的聚N-異丙基丙烯酰胺-丙烯酸以及聚N-異丙基丙烯酰胺-丙烯胺納米水凝膠，為形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)水凝膠提供了很好的前體，但其LCST低于34℃(Gang Huanga，Jun Gaoa，Zhibing Hu.Controlled drug release from hydrogel nanoparticle networks Journal of ControlledRelease.2004，94303-311)。WO2004/064816 A1公開了將馬來酸右旋糖酐單酯與NIPA結(jié)合形成具有pH及溫度敏感性的水凝膠，使LCST接近于體溫，但未能將其LCST提高至體溫以上，阻礙了其被更好地應(yīng)用。
因此，現(xiàn)有技術(shù)中的納米水凝膠一般都是對溫度或pH單一敏感型，即使有pH及溫度雙重響應(yīng)能力的水凝膠也由于其顆粒太大，達(dá)不到納米級(jí)，另外，最低臨界溶解溫度一般都小于人體溫，因此限制了其被更好地應(yīng)用；目前還沒有一種既對溫度及pH具有快速的響應(yīng)功能，LCST又能在人體體溫上下一定范圍內(nèi)任意分布的N-異丙基丙烯酰胺類納米水凝膠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有快速pH及溫度雙重響應(yīng)的共聚納米水凝膠，它的粒徑最低可以達(dá)到50nm以下，對溫度，pH具有快速的響應(yīng)，而且其相變溫度可以高于正常生理溫度而低于局部過熱，能夠成為抗腫瘤藥物的優(yōu)異載體。
本發(fā)明公開了一種對pH及溫度雙重敏感性N-異丙基丙烯酰胺類納米水凝膠。其由N-異丙基丙烯酰胺與A共聚而成，得到的PNIPAM-co-A，粒徑為30nm-200nm，最低臨界溶解溫度(LCST)為35℃～45℃，其中A為丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯胺、丙烯酰胺、異丁烯酰胺、乙烯基取代的烯胺或乙烯醇。
A優(yōu)選丙烯酸。
本發(fā)明的PNPAM-co-A納米水凝膠其結(jié)構(gòu)如下所示
該聚合物粘均分子量為1-10萬，m/n的比例為25/2至2/1；A為丙烯酸，甲基丙烯酸，丙烯胺，丙烯酰胺，異丁烯酰胺，乙烯基取代的烯胺或乙烯醇。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種制備具有快速pH及溫度雙重響應(yīng)的共聚納米水凝膠的方法。該方法采用聚合沉淀法，形成聚合物納米粒的單體在交聯(lián)劑、表面活性劑以及引發(fā)劑存在的條件下，于氮?dú)夥諊?，相變溫度以上的反?yīng)溫度的條件下制備而得。該方法設(shè)計(jì)簡單，反應(yīng)介質(zhì)為水，不使用有機(jī)溶劑，后處理簡單，反應(yīng)條件溫和，是一種理想的制備納米水凝膠的方法。
制備方法包括a、將N-異丙基丙烯酰胺單體、A、交聯(lián)劑、表面活性劑溶于水中，通入氮?dú)獬?；b、用水浴加熱；c、向反應(yīng)體系中加入引發(fā)劑，d、在反應(yīng)液自然冷卻后，將反應(yīng)產(chǎn)物裝入截留分子量為1000-10,000透析袋中進(jìn)行透析，透析后，進(jìn)一步凍干即得。
其中交聯(lián)劑為N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺、N，N’-八亞甲基雙丙烯酰胺、N，N’-十二烷亞甲基雙丙烯酸胺、N，N’-二烯丙基酒石酸二酰胺或羥甲基丙烯酸胺。優(yōu)選N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺。
表面活性劑為十二烷基硫酸鈉或C8～11的烷基硫酸鹽。優(yōu)選十二烷基硫酸鈉。
引發(fā)劑為過硫酸鉀、過硫酸銨、偶氮二異丁腈或N，N，N’，N’-四甲基乙二胺。優(yōu)選過硫酸鉀。
透析袋的截留分子量優(yōu)選10,000。
上述制備方法中優(yōu)選在相變溫度以上的反應(yīng)溫度的條件下制備。溫度優(yōu)選70±1℃。
研究發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)過程中，表面活性劑的量是影響納米水凝膠粒徑大小的主要因素；隨著反應(yīng)液中表面活性劑的增多，每個(gè)單體上所吸附的表面活性劑就越多，則單體之間的排斥作用增強(qiáng)，形成長鏈聚合物的機(jī)會(huì)減小，得到的水凝膠的粒徑就會(huì)減小。因而通過表面活性劑量的控制，可以得到所需粒徑范圍的納米水凝膠，不同量的表面活性劑得到的納米水凝膠的粒徑也不同，見圖3。當(dāng)表面活性劑的投料量為N-異丙基丙烯酰胺量的2％-20％(w/w)時(shí)，能制備出粒徑為30nm-200nm的PNPAM-co-A納米水凝膠。
研究還發(fā)現(xiàn)，PNIPAM-co-A納米水凝膠的LCST隨著參與共聚的A(如丙烯酸)比例的增加而提高，見圖4；參與共聚的A，增加了納米水凝膠的親水性，使溶液體系中的氫鍵作用增強(qiáng)，從而破壞氫鍵需要更多的能量，使LCST提高。不同投料比(相對N-異丙基丙烯酰胺)的A(如丙烯酸)可以得到具有不同LCST的PNIPAM-co-A納米水凝膠。當(dāng)N-異丙基丙烯酰胺單體與A的摩爾比為1∶0.08～0.45時(shí)，PNIPAM-co-A納米水凝膠的LCST為35～45℃。并且所制得的納米水凝膠的LCST值可以通過A的加入量來調(diào)節(jié)，如當(dāng)丙烯酸的投料量為N-異丙基丙烯酰胺8mol％時(shí)，制備得到的PNIPAM-co-A的LCST為35℃；相應(yīng)的20mol％丙烯酸對應(yīng)于37℃；30mol％丙烯酸對應(yīng)于41℃；35mol％丙烯酸對應(yīng)于43.5℃。
丙烯酸等A物質(zhì)參與共聚，使納米水凝膠帶上了羧基，pH的改變可以使該類納米水凝膠發(fā)生相變，相變點(diǎn)接近于丙烯酸等的pKa(～4.3)值，見圖5。
在制備中，交聯(lián)劑和引發(fā)劑的投料量均優(yōu)選N-異丙基丙烯酰胺重量的1～5％。
更優(yōu)選的制備方法包含以下過程(1)將N-異丙基丙烯酰胺單體、丙烯酸單體、占單體N-異丙基丙烯酰胺總量1～2％的交聯(lián)劑N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺、十二烷基硫酸鈉溶于蒸餾水中，裝入裝有溫度計(jì)、磁力攪拌裝置、氮?dú)鈱?dǎo)管的三口燒瓶中；(2)以恒速攪拌，并通入氮?dú)獬?，直至氧氣?qū)除干凈；(3)用水浴加熱，將反應(yīng)體系的溫度控制于70±1℃；(4)向反應(yīng)體系中加入引發(fā)劑過硫酸鉀，并將最終反應(yīng)液定容至一定體積，使單體N-異丙基丙烯酰胺的重量濃度為1％，反應(yīng)在4.5小時(shí)之后停止；(5)將反應(yīng)產(chǎn)物裝入透析袋(截留分子量10,000)中進(jìn)行透析兩周，以除去未反應(yīng)的單體、交聯(lián)劑或其它小分子雜質(zhì)。透析完全后，進(jìn)一步凍干即得該納米水凝膠的純品。
本發(fā)明制備方法的優(yōu)點(diǎn)在于合成工藝簡單，得到的一系列PNIPA-co-A納米水凝膠，其粒徑可以任意控制在30～200nm范圍內(nèi)；PNIPA-co-A共聚納米水凝膠對溫度具有快速的響應(yīng)能力，并且可以使LCST在35-45℃范圍內(nèi)任意調(diào)整；同時(shí)，PNIPA-co-A共聚納米水凝膠對于pH還具有敏感性，這可以對溫度敏感性起到協(xié)同作用。


圖1PNIPAM納米水凝膠的紅外光譜圖。
圖2本發(fā)明的PNIPAM-co-AA共聚納米水凝膠的紅外光譜3PNIPAM-co-A粒徑隨不同投料比的表面活性劑十二烷基硫酸鈉的變化4反應(yīng)中加入不同量的單體丙烯酸對納米水凝膠的相變溫度的影響圖5反應(yīng)中所加入不同量的單體丙烯酸所得納米水凝膠的pH與透光率的關(guān)系注其中I、II、III、IV、V分別為投料中丙烯酸所占N-異丙基丙烯酰胺摩爾百分比為8％、20％、35％、40％、45％。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1將3.7770g N-異丙基丙烯酰胺，0.18mL丙烯酸，0.0690g N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺，0.3366g十二烷基硫酸溶于230mL水溶液加入裝有電動(dòng)攪拌裝置、溫度計(jì)及裝有N2導(dǎo)管的500mL三口燒瓶中。以400轉(zhuǎn)/分鐘的速率攪拌，并通入N2充分除氧后，用水浴加熱。加入0.0624g過硫酸鉀的水溶液，將反應(yīng)液定容至370mL，于70℃反應(yīng)4h。得到的產(chǎn)物用蒸餾水充分透析(透析袋，截留分子量為10,000)后，然后進(jìn)行冷凍干燥，得到粒徑大小為110nm±15nm的PNIPAM-co-AA(丙烯酸)納米水凝膠，LCST為35℃，紅外光譜圖見圖2。
實(shí)施例2將3.7770g N-異丙基丙烯酰胺，0.81mL丙烯酸，0.0690g N，N’-十二烷亞甲基雙丙烯酸胺，0.6366八烷基硫酸鈉溶于230mL水溶液加入裝有電動(dòng)攪拌裝置、溫度計(jì)及裝有N2導(dǎo)管的500mL三口燒瓶中。以400轉(zhuǎn)/分鐘的速率攪拌，并通入N2充分除氧后，用水浴加熱。加入0.0624g過硫酸銨的水溶液，將反應(yīng)液定容至370mL，于70℃反應(yīng)4h。得到的產(chǎn)物用蒸餾水充分透析(透析袋，截留分子量為10,000)后，然后進(jìn)行冷凍干燥，得到粒徑大小為48nm±10nm的PNIPAM-co-AA(丙烯酸)納米水凝膠，LCST為43.8℃。
實(shí)施例3將3.7770g N-異丙基丙烯酰胺，0.30mL丙烯胺，0.0690g N，N’-二烯丙基酒石酸二酰胺，0.6366g十烷基硫酸鈉溶于230mL水溶液加入裝有電動(dòng)攪拌裝置、溫度計(jì)及裝有N2導(dǎo)管的500mL三口燒瓶中。以400轉(zhuǎn)/分鐘的速率攪拌，并通入N2充分除氧后，用水浴加熱。加入0.0624gN，N，N’，N’-四甲基乙二胺的水溶液，將反應(yīng)液定容至370mL，于70℃反應(yīng)4h。得到的產(chǎn)物用蒸餾水充分透析(透析袋，截留分子量為10,000)后，然后進(jìn)行冷凍干燥，得到粒徑大小為95nm±10nm的PNIPAM-co-NH2(丙烯胺)納米水凝膠，LCST為39.3℃。
實(shí)施例4將3.7770g N-異丙基丙烯酰胺，0.02g丙烯酰胺，0.0690g N，N’-八亞甲基雙丙烯酰胺，0.6366g十一烷基硫酸鈉溶于230mL水溶液加入裝有電動(dòng)攪拌裝置、溫度計(jì)及裝有N2導(dǎo)管的500mL三口燒瓶中。以400轉(zhuǎn)/分鐘的速率攪拌，并通入N2充分除氧后，用水浴加熱。加入0.0624g偶氮二異丁腈的水溶液，將反應(yīng)液定容至370mL，于70℃反應(yīng)4h。得到的產(chǎn)物用蒸餾水充分透析(透析袋，截留分子量為10,000)后，然后進(jìn)行冷凍干燥，得到粒徑大小為86.1nm±12nm的PNIPAM-co-acylamide(丙烯酰胺)納米水凝膠，LCST為38.4℃。
權(quán)利要求
1.一種納米水凝膠，其特征是由N-異丙基丙烯酰胺與A共聚而成，粒徑為30nm-200nm，最低臨界溶解溫度為35℃～45℃，其中A為丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯胺、丙烯酰胺、異丁烯酰胺、乙烯基取代的烯胺或乙烯醇。
2.權(quán)利要求1的納米水凝膠，其中A為丙烯酸。
3.權(quán)利要求1或2的納米水凝膠的制備方法，包括a、將N-異丙基丙烯酰胺單體、A、交聯(lián)劑、表面活性劑溶于水中，通入氮?dú)獬酰籦、用水浴加熱；c、向反應(yīng)體系中加入引發(fā)劑，d、在反應(yīng)液冷卻后，將反應(yīng)產(chǎn)物裝入截留分子量為1000-10,000透析袋中進(jìn)行透析，透析后凍干即得。
4.權(quán)利要求3的制備方法，其中交聯(lián)劑是N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺、N，N’-八亞甲基雙丙烯酰胺、N，N’-十二烷亞甲基雙丙烯酸胺、N，N’-二烯丙基酒石酸二酰胺或羥甲基丙烯酸胺。
5.權(quán)利要求3的制備方法，其中表面活性劑是十二烷基硫酸鈉或C8～11的烷基硫酸鹽。
6.權(quán)利要求3的制備方法，其中引發(fā)劑為是過硫酸鉀、過硫酸銨、偶氮二異丁腈或N，N，N′，N′-四甲基乙二胺。
7.權(quán)利要求4、5或6的制備方法，其中交聯(lián)劑是N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺、表面活性劑是十二烷基硫酸鈉、引發(fā)劑是過硫酸鉀。
8.權(quán)利要求3的制備方法，其中N-異丙基丙烯酰胺單體與A的摩爾比為1∶0.08～0.45。
9.權(quán)利要求3的制備方法，其中表面活性劑的量是N-異丙基丙烯酰胺重量的2～20％。
10.權(quán)利要求3的制備方法，其中交聯(lián)劑或引發(fā)劑的量是N-異丙基丙烯酰胺重量的1～5％。
全文摘要
本發(fā)明涉及環(huán)境敏感型高分子納米材料領(lǐng)域，具體涉及pH及溫度雙重敏感性N－異丙基丙烯酰胺類納米水凝膠及其制備方法。本發(fā)明的納米水凝膠粒徑為30nm一200nm，最低臨界溶解溫度(LCST)為35℃～45℃，用本發(fā)明的制備方法可以任意調(diào)節(jié)粒徑和LCST。
文檔編號(hào)C08F220/56GK1847273SQ20061003929
公開日2006年10月18日 申請日期2006年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月5日
發(fā)明者顧月清, 陳海燕, 錢志余, 李清增 申請人:中國藥科大學(xué)