多孔凝膠及其應(yīng)用
【專(zhuān)利說(shuō)明】多孔凝膠及其應(yīng)用
[000。 相關(guān)申請(qǐng)的香叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求申請(qǐng)日為2012年8月30日的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/695, 157的優(yōu)先權(quán)，其 內(nèi)容在此整體引作參考。
【背景技術(shù)】
[0003] 具有=維結(jié)構(gòu)的聚合物凝膠和親水性水凝膠有許多作為基質(zhì)的重要應(yīng)用，例如用 于生物醫(yī)藥、制藥、農(nóng)業(yè)、生物技術(shù)和工業(yè)復(fù)合材料領(lǐng)域。該些聚合物凝膠和水凝膠由于交 聯(lián)具有=維（3D)結(jié)構(gòu)；所述交聯(lián)的材料可能不溶于有機(jī)溶劑和水。
[0004] 聚合物凝膠和水凝膠可W通過(guò)單體或多功能單體借助一種或多種催化劑與交聯(lián) 劑聚合制備，聚合有時(shí)在高溫下進(jìn)行。該可能導(dǎo)致高的材料成本和加工成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 多孔材料尤其是多孔聚合物材料可W有多種用途和應(yīng)用，例如化學(xué)工業(yè)中的分離 和純化、生物科學(xué)中的細(xì)胞培養(yǎng)和固定、藥物中的控制藥物釋放和生物工程中的人造器官。
[0006] 用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的聚合物材料中至少一些是親水聚合物，例如水凝膠。該種聚合物 (或聚合）材料的機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低，通常使得它們不適于用作于農(nóng)業(yè)布置中的多孔材料。 認(rèn)識(shí)到該一點(diǎn)，需要比其他凝膠和水凝膠機(jī)械強(qiáng)度更高的多孔水凝膠。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種多孔聚合物凝膠（例如水凝膠）。根據(jù)本 發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供制造該種凝膠的方法，包括使用特定設(shè)計(jì)的聚合反應(yīng)器和例 如使用=維（3D)骨架結(jié)構(gòu)，來(lái)增加該凝膠的機(jī)械強(qiáng)度并優(yōu)選地提供更高的吸水性。在一個(gè) 該樣的實(shí)施例中，3D骨架結(jié)構(gòu)可W通過(guò)使用雙交聯(lián)系統(tǒng)來(lái)構(gòu)造。
[000引根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明的聚合物材料和多孔聚合物材料可W例如用于 但不限于化學(xué)工業(yè)中的分離和純化、生物科學(xué)中的細(xì)胞培養(yǎng)和固定、藥物中的控制藥物釋 放和生物工程中的人造器官。在一個(gè)特定實(shí)施例中，在此提供的多孔凝膠與無(wú)孔水凝膠相 比有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如快速吸水性和更高的流體（例如水）容量。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供多孔水凝膠的組合物及其制造方法。另外，本 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供多孔水凝膠應(yīng)用的方法，例如在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種水凝膠，包括：一第一聚合物材料，所述 第一聚合物材料包括一衍生自帶有己締基團(tuán)的單體的聚合物；一帶有除聚己二醇外的聚二 醇的第二聚合物材料；其中，所述水凝膠的孔隙率至少約5%。
[0011] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一聚合物材料可W包括一交聯(lián)劑。在一個(gè)該樣的實(shí)施例 中，所述交聯(lián)劑選自W下材料組成的組；二己二醇二己締離、二己二醇雙丙酸醋、N，N'-亞 甲基雙丙締酷胺。在一些實(shí)施例中，所述第一聚合物材料包括交聯(lián)的聚丙締酸。
[0012] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述第二聚合物材料可W是基本上聚合物。在一些實(shí)施例中，所 述第二聚合物材料為聚四亞甲基離二醇。在一些實(shí)施例中，所述第一聚合物材料通過(guò)氨鍵 連接到所述第二聚合物材料。在一個(gè)實(shí)施例中，所述第二聚合物材料的分子量Mw在約650 至約2000克/摩爾（g/mol)之間。在一些實(shí)施例中，所述第二聚合物材料的分子量Mw在 約500至約1000克/摩爾之間。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例，所述水凝膠還包括一第=聚合物材料。所述第=聚合物 材料可W是丙締酸的均聚物。在一些情形，所述第=聚合物材料基本上是無(wú)孔的。所述第 S聚合物材料的分子量Mw在約250, 000至約1，000, 000克/摩爾之間。在一些實(shí)施例中， 所述第S聚合物材料的分子量Mw在約400, 000至約600, 000克/摩爾之間。
[0014] 在一些實(shí)施例中，所述水凝膠的孔隙率例如至少約5%、至少約10%、至少約 20%、至少約30%、至少約40%、至少約50%、至少約60%或至少約70%。
[0015] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述單體可W選自下述材料組成的組；丙締酸、甲基丙締酸、己 締醇、醋酸己締醋、丙締酸了醋、丙締酸己締醋、己締基苯甲酸、己締基苯甲醇、己締基棚酸 二了醋、己締基甲酯胺、甲基丙締酸己締醋、己締基化晚、1-己締基-2-化咯燒酬、己締基橫 酸和己締基=甲氧基硅烷。
[0016] 在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述水凝膠可W在一個(gè)、兩個(gè)、5個(gè)、10個(gè)、50個(gè)或100個(gè)吸 水-脫水循環(huán)后基本上不變。在一個(gè)該樣的實(shí)施例中，所述水凝膠的保水容量為所述水凝 膠重量的至少約10倍、至少約20倍、至少約30倍、或至少約50倍。在另一個(gè)該樣的實(shí)施 例中，所述水凝膠的保水容量例如是所述水凝膠重量的至少約10%、至少約20%、至少約 30%、至少約40%、至少約50%、至少約60%、至少約100%或至少約1000%。
[0017] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料的重量比可W是約 1:1、約1:2、約1:3、約1:4、約1:5或約1:6。所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料的 重量比可W是約2:1、約3:1、約4:1、約5:1、或約6:1。所述第一聚合物材料和所述第S聚 合物材料的重量比可W是約1:1、約1:1. 2、約1:1. 5、約1:2、約1:2. 5、約1:3、約1:4、約1:5 或約1:6。所述第一聚合物材料和所述第S聚合物材料的重量比可W是約1. 2:1、約1. 5:1、 約 2:1、約 2. 5:1、約 3:1、約 4:1、約 5:1、或約 6:1。
[001引在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述第一聚合物材料可W增加所述水凝膠的吸水速率。在 一些實(shí)施例中，所述水凝膠的吸水速率為不含所述第一聚合物材料的水凝膠組合物的吸水 速率的至少1.5倍。在一些其他實(shí)施例中，所述水凝膠的吸水速率為不含所述第一聚合物 材料的水凝膠組合物的吸水速率的至少2倍。
[0019]在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的多孔交聯(lián)聚合物材料可W通過(guò)油包 水型乳液聚合和水包油性溶液乳液來(lái)制造。在一個(gè)該樣的特定實(shí)施例中，所述交聯(lián)聚合物 材料的吸水速率和動(dòng)力學(xué)可W理想地與所述聚合物材料的多孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，并受到所述聚合 物材料的多孔結(jié)構(gòu)的影響。在一個(gè)該樣的實(shí)施例中，所述多孔交聯(lián)聚合物材料可W例如包 括水凝膠。在一個(gè)情形，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的多孔材料可W理想地具有相對(duì)大的表 面積和/或比表面積和在所述材料內(nèi)的理想的高孔隙率和空隙或空的空間。在根據(jù)本發(fā)明 的一個(gè)實(shí)施例的多孔聚合物材料內(nèi)的該些孔或空間可W理想地增強(qiáng)液體進(jìn)入聚合物顆粒 來(lái)吸附，W及觀察到的吸附速率。在一個(gè)特定的示例性實(shí)施例中，可W通過(guò)乳液聚合將多孔 結(jié)構(gòu)引入和/或形成在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的聚合物材料中。在一個(gè)該樣的實(shí)施例 中，乳液系統(tǒng)例如包括一包括單體和交聯(lián)劑的水相和一包括有機(jī)溶劑的有機(jī)相。在使用該 樣的乳液系統(tǒng)和乳液聚合的實(shí)施例中，可W產(chǎn)生具有理想的高機(jī)械強(qiáng)度和理想的快速的吸 水速率的多孔聚合物顆粒。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明又一方面，本發(fā)明提供一種制造多孔水凝膠的方法，包括：在一反應(yīng)容 器里提供一帶有己締基團(tuán)的單體、一交聯(lián)劑、一有機(jī)溶劑、一包括聚丙締酸的第一聚合物和 一帶有除聚己二醇外的聚二醇的第二聚合物材料；混合所述混合物。在一個(gè)實(shí)施例中，所述 第一和/或第二聚合物材料中可W基本上是聚合物。
[0021] 在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料的重量比為約 1:1、約1:2、約1:3、約1:4、約1:5或約1:6。在其他實(shí)施例中，所述第一聚合物材料和所述 第二聚合物材料的重量比為約2:1、約3:1、約4:1、約5:1或約6:1。
[0022] 在又一個(gè)實(shí)施例中，所述方法還包括加熱所述混合物。在一些實(shí)施例中，在約50°C至90°C之間加熱所述混合物至少1小時(shí)或至少2小時(shí)。
[0023]在一個(gè)實(shí)施例中，所述單體選自下述材料組成的組；丙締酸、甲基丙締酸、己締醇、 醋酸己締醋、丙締酸了醋、丙締酸己締醋、己締基苯甲酸、己締基苯甲醇、己締基棚酸二了 醋、己締基甲酯胺、甲基丙締酸己締醋、己締基化晚、1-己締基-2-化咯燒酬、己締基橫酸和 己締基S甲氧基硅烷。另外，所述聚丙締酸可化源自回收利用的聚丙締酸。
[0024]在一些實(shí)施例中，所述溶劑可W是甲苯。
[0025]根據(jù)本發(fā)明又一方面，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供一種農(nóng)業(yè)方法，包括；在一塊±壤 里提供水凝膠，所述水凝膠的孔隙率至少約5 %、至少約10 %、至少約20 %、至少約30 %、至 少約40%、至少約50%或至少約60%。
[0026]在一個(gè)該樣的實(shí)施例中，所述水凝膠可W包括=種聚合物材料：一包括基本上多 孔的聚丙締酸的第一聚合物材料、一包括聚四亞甲基離二醇的第二聚合物材料和一包括基 本上無(wú)孔的聚丙締酸的第=聚合物材料。在一些實(shí)施例中，所述第一聚合物材料為交聯(lián)的 聚丙締酸。所述第二聚合物材料可W是基本上均聚物。在一些實(shí)施例中，所述第二聚合物 材料為聚四亞甲基離二醇。所述第=聚合物材料可W是基本上均聚物。在一些實(shí)施例中， 所述第=聚合物材料為聚丙締酸。
[0027]在一些實(shí)施例中，所述水凝膠在一個(gè)、兩個(gè)、5個(gè)、10個(gè)、50個(gè)或100個(gè)吸水-脫水 循環(huán)后基本上不變。在又一實(shí)施例中，所述水凝膠的保水容量為所述水凝膠重量的至約少 10倍、20倍、30倍或50倍。在又一實(shí)施例中，所述水凝膠的保水容量為所述水凝膠重量 的至少約10%、至少約20%、至少約30%、至少約40%、至少約50%、至少約60%、至少約 100 %、或至少約1000%。
[002引在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料的重量比為約1:1、 約1:2、約1:3、約1:4、約1:5或約1:6。在又一實(shí)施例中，所述第一聚合物材料和所述第二 聚合物材料的重量比為約2:1、約3:1、約4:1、約5:1或約6:1。在又一實(shí)施例中，所述第一 聚合物材料和所述第S聚合物材料的重量比為約1:1、約1:1. 2、約1:1. 5、約1:2、約1:2. 5、 約1:3、約1:4、約1:5或約1:6。在又一實(shí)施例中，所述第一聚合物材料和所述第S聚合物 材料的重量比為約1. 2:1、約1. 5:1、約2:1、約2. 5:1、約3:1、約4:1、約5:1或約6:1。
[0029]根據(jù)本發(fā)明又一方面，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供一種系統(tǒng)，包括：一種子容器，所 述種子容器由一