[发明专利]一种温度-pH双敏凝胶微球及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及功能高分子材料及生化分离、固定化酶载体领域。更具体地说，涉及一种具有温度-pH双敏性的凝胶微球。

本发明还涉及上述凝胶微球的制备方法。

本发明还涉及上述凝胶微球的应用。

背景技术

智能水凝胶是由亲水的三维交联高分子网络和介质(水)共同组成的物理化学性能和结构随外界环境的改变(如温度、pH、光电场、磁场等)而发生变化的高分子聚集体，在化工、医药、机械等领域应用极为广泛。聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)是一种典型的温敏性高分子，是温敏水凝胶最常用的材料之一。其水凝胶在临界溶解温度(LCST)附近(约32℃)发生可逆亲疏水性转变，当温度高于LCST时表现为疏水性，当温度低于LCST时表现为亲水性。在固定化酶、药物控释、细胞培养、生化分离、微反应器等领域具有广阔的应用前景。随着对材料功能要求的不断提高，研究开发具有多重刺激响应性的“杂交型”智能材料已成为该领域的重要发展方向。N-异丙基丙烯酰胺与其它单体接枝或共聚可得到具有双重敏感性的水凝胶，温度和pH分别为极易实现的物理刺激和化学刺激，因此制备温度-pH双重敏感性的水凝胶备受关注。

水凝胶在应用过程中，其对外界刺激的响应速率是一个极为重要的参数。水凝胶膨胀和收缩达到平衡所需的时间与水凝胶的线型尺寸密切相关，水凝胶膨胀和收缩的特征时间τ∝R²/D，其中R为水凝胶线性尺寸，D为水凝胶协同扩散系数。目前文献报道的PNIPAM水凝胶大多为大块水凝胶和纳米凝胶球。大块凝胶由于其刺激响应速度慢、比表面积小、机械性能差等诸多缺点，使其应用受到很多限制，而纳米凝胶虽然解决了上述问题，但在应用时仍存在很多不足，若作为分离介质，单独使用时不易收集，柱内使用会带来非常高的柱压，这些都是纳米尺度颗粒所无法回避的问题。与纳米凝胶及大块凝胶相比，微米级凝胶微球由于其介于纳米尺度和宏观尺度之间，兼具两者的优点且克服了两者的不足，刺激响应速度快、具有较大的比表面积且不易团聚，具有良好的机械性能等诸多优良性能，在诸多领域发挥着越来越重要的作用。制备小粒径微球的方法通常有沉淀聚合法和悬浮聚合法。沉淀聚合法制备的通常为1微米以下的纳微凝胶球，这就大大限制了凝胶球的应用；而悬浮聚合法制备时则存在以下问题，即不能采用常规的热引发方式引发聚合，这是由于常规热引发聚合温度(60-70℃)远高于PNIPAM的LCST，W/O乳液内水相的NIPAM聚合后会发生相转变，原来吸附于亲水性表面的乳化剂不一定能吸附于疏水性表面，破坏乳液的稳定性，出现大量沉淀，沉淀后的聚合物团聚成块状，不能得到凝胶微球。因此，整个聚合过程需要保持低温(聚合温度须小于PNIPAM的LCST)。虽然目前报道的紫外线辐射光引发聚合法可以在低温下引发聚合，但紫外光引发聚合不可避免地存在一些缺点，例如受到紫外光穿透能力的限制，要求聚合体系体积不能太大，否则不易穿透，造成聚合体系聚合不均匀，若要增大光强度，虽可增强穿透能力，但又会带来体系温度升高、生物活性物质变性等一系列问题，因此紫外光引发聚合制备规模受到限制。

另外，凝胶微球的尺寸均一性是刺激响应一致性的重要保证，目前凝胶微球制备多用机械搅拌及均质乳化法，制备所得的微球粒径不均一、大小不可控。对温度刺激的响应不一致，且易造成包埋率及固载量低，这些都会对应用效果产生影响。因此，需要开发新的微米级特别是尺寸均一微米级凝胶微球制备方法，以满足智能水凝胶快速、一致响应的实际需求。

水凝胶微球在应用过程中，孔径是一个非常重要的参数，孔径不仅影响水凝胶微球对温度的响应速率，还影响其作为载体时的应用性能：在作为固定化酶载体时，孔径大小直接影响酶固载量及底物进出水凝胶的速率，进而影响催化效率；在作为药物载体时，孔径大小对药物包埋率及释药行为都有重要影响；在细胞培养及生化分离应用中，水凝胶的孔径也是非常重要的参数。因此，对水凝胶孔径的控制显得非常必要。如果可以控制水凝胶的孔径，就可以根据需要设计所需孔径的大小，然后制备所设计孔径的水凝胶。这对于实现按需可控制备及拓展水凝胶的应用都将有重要意义。