e-ATRP水相制备温度响应高分子微凝胶——有关高分子微凝胶的新实验设计与实践

介绍一个涵盖高分子化学、电合成与仪器分析等领域的基础实验。本实验基于e-ATRP原理,采用简便易得的电化学反应装置,在水溶液中微量合成温度响应高分子微凝胶,并使用紫外-可见分光光度计和动态光散射仪探究微凝胶的温度响应特性。本实验取材于广受关注且已有较多验证的研究前沿成果,允许拓展合成其他高分子,也可进一步尝试各种电化学技术,简便易行、绿色环保,有助于培养学生的学科交叉融合思维和环保意识,锻炼创新实践能力。     

无皂种子分散聚合法制备单分散双重响应性微凝胶

以N-异丙基丙烯酰胺及2-乙烯基吡啶为主要单体, 采用无皂种子分散聚合法制备了单分散的、具有温度及pH双重响应性能的核-壳结构微凝胶, 并以扫描电镜及动态激光光散射等手段对微凝胶粒子的结构和性能进行了研究. 溶胀行为研究表明, 微凝胶粒子具有独立的互不干扰的温度及pH敏感性能, 其体积相变温度与纯聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)凝胶基本一致, 说明局部分布的弱电离单体不会对PNIPAM凝胶的体积相变温度造成影响.     

智能纳米水凝胶的刺激响应性研究进展

智能纳米水凝胶在药物输送与可控释放、医学诊断、生物传感器、微反应器、催化剂载体等方面有良好的应用前景。结合本课题组近年来的研究成果,分别介绍了具有温度刺激响应性、pH刺激响应性、光刺激响应性、磁场刺激响应性、分子识别刺激响应性和多重刺激响应性智能纳米水凝胶的研究进展。另外,对这几种智能纳米水凝胶目前存在的问题和今后的发展方向提出了一些粗浅的看法。     

温敏性微凝胶的研究技术

温敏性微凝胶因具有尺寸小、对温度的变化响应速度快、渗透性好等优点,所以在许多领域显示出良好的应用前景.温敏性微凝胶的应用性能取决于由其结构所决定的物理化学性能.为了深入了解温敏性微凝胶的结构与性能关系,研究人员利用不同技术手段进行了广泛研究.本文主要综述了显微技术、示差扫描量热技术、光散射技术、中子散射技术、核磁共振及荧光光谱等在温敏性微凝胶结构与性能研究中的应用、主要研究结果,并对微凝胶未来的研究方向提出了一些建议.     

聚N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸共聚微凝胶与Tb(Ⅲ)相互作用的研究

聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)微凝胶是一类具有独特的温度响应性,即具有最低临界溶解温度(LCST)的高分子化合物,由于具有了LCST性能,当PNIPAM微凝胶受热时,在较窄的温度范围内,溶胀于微凝胶内的溶剂被挤出,从而导致微凝胶的粒子尺寸、粒子形态、亲水性、胶体稳定性以及微凝胶分散液的粘度、电泳流动性发生较大改变的现象。     

温敏型微球表面接枝交联复合凝胶的制备及性能

为改善高分子微球复合凝胶响应速率慢及韧性差的缺陷,采用非交联温敏型疏水单体组装的高分子微球作为交联剂,在不外加交联剂的条件下制备微球表面接枝交联聚丙烯酰胺复合凝胶.由于微球内部无化学交联结构,因此可通过自身可逆性结构及形态改变对复合凝胶机械性能和刺激响应特性进行调控.复合凝胶具有良好的韧性,断裂伸长率和断裂强度分别可达2400%和80 k Pa,且凝胶机械强度可通过温度进行调控.由于温敏型微球交联点的存在,采用非敏感型聚丙烯酰胺为基质的复合凝胶对温度具有良好的响应性,其响应速率较传统聚N-异丙基丙烯酰胺有机凝胶提升5~10倍.     

SiO2-HA/PNIPAm核壳温敏微凝胶的合成及其溶胀性能

以SiO₂纳米颗粒为核,以透明质酸（HA）和聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）的杂化凝胶（HA/PNIPAm）为壳制备了一系列无机-有机杂化核壳结构单分散微凝胶.该微凝胶具有很好的温度敏感性,其最低临界转变温度（LCST）在34 ℃附近;该微凝胶具有负触变性,且温度高于LCST时负触变性更明显.用动态光散射（DLS）测定了微凝胶颗粒的水动力学粒径随温度的变化关系,实验数据可以用我们早前建立的硬核高分子凝胶分子热力学模型进行关联计算,结果表明只需较少的模型参数就可较好地描述温度响应的核壳结构高分子凝胶的溶胀行为.     

PNIPAM温敏微凝胶在生物医学领域中的应用研究

水凝胶因其良好的生物相容性及环境刺激响应性而在生物医学领域有着广泛的用途,但仍存在机械强度差、响应速度慢、不能生物降解等缺点。针对这些问题,特别是宏观水凝胶响应慢的问题,我们近年来以具有温度敏感性的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)微凝胶为基础,设计制备了一系列生物材料,分别应用于药物控释、生物传感以及组织工程等生物医学领域。我们设计制备了具有良好葡萄糖敏感性的PNIPAM微凝胶,实现了可自我调控的胰岛素可控释放。以PNIPAM微凝胶为基础,提出了新的聚合胶态晶体阵列光学传感方法,设计制备了多种可快速响应的新型生物光学传感器。实现了PNIPAM微凝胶的实时凝胶化,并将其发展成为一种新型的可注射细胞支架材料。进一步利用该体系的可逆性,提出了制备在药物筛选、肿瘤研究以及组织工程等领域有重要用途的多细胞球的新方法。     

基于互穿网络结构的pH/温度双重刺激响应性微凝胶的研究

室温下采用氧化-还原引发体系,以低交联密度的聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)微凝胶为种子,通过种子乳液聚合法合成由PNIPAM和聚丙烯酸(PAA)形成的具有互穿聚合物网络结构的微凝胶.傅立叶变换红外光谱分析结果表明微凝胶由PNIPAM和PAA两种聚合物组成,透射电镜表征结果证实微凝胶中PNIPAM和PAA两种聚合物形成了互穿网络结构.用动态激光光散射测试不同温度或pH值水介质中微凝胶的粒径,结果发现微凝胶具有良好的pH/温度双重刺激响应性.在水介质pH值大于5.5的情况下,PAA组分对微凝胶的体积相转变温度没有影响;而在水介质pH值为4.0的情况下,由于PAA与PNIPAM之间的氢键作用,微凝胶的体积相转变温度稍微降低.微凝胶中PAA组分含量越高,其pH刺激响应性越显著.     

金属离子/胆酸钠超分子水凝胶特殊温度响应性的机理研究

研究了胆酸钠溶液与金属离子溶液混合自组装而成的水凝胶随温度升高而机械强度增强的独特温度响应性. 利用透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)仪表征了水凝胶中聚集体的微观形貌及分子排列方式. 考察了其流变学行为、荧光性质随温度的变化. 结果表明,升温促进凝胶形成的速率, 并提高凝胶的机械强度. 随着温度的升高, 稀土离子的荧光强度显著增强. 表面张力测量表明, 胆酸钠溶液的临界胶束浓度随温度的升高而略有降低. 综合实验事实, 我们提出随温度升高导致的凝胶强度增强行为是由胆酸钠分子在高温下聚集能力增强的结果.     

温度、pH敏感性核壳结构微凝胶的制备及性质

以无皂乳液分步聚合的方法, 将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)与N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)交联反应3 h, 制得种子乳液, 再向种子乳液中加入甲基丙烯酸(MAA)功能性单体继续反应2 h, 制备了具有温度、pH敏感性的核壳结构微凝胶. 通过透射电子显微镜(TEM)、红外光谱(IR)等表征了微凝胶外貌形态及结构组成, 动态光散射(DLS)测定了微凝胶粒径响应热、pH的变化及微凝胶Zeta电位的变化. 结果表明凝胶形貌为异型核壳结构; Zeta电位与微凝胶粒径随温度、pH变化相关.     

磁性聚苯乙烯微球的制备与性能研究

以聚苯乙烯和二氯甲烷为油相,十二烷基苯磺酸钠 (SDBS) 为表面活性剂,采用溶剂挥发法制备了磁性聚苯乙烯微球.研究了温度、搅拌速度、Fe3O4用量和pH值等操作因素对磁性微球的形貌、粒径和磁学性能的影响.结果表明,采用溶剂挥发法可以制备含有磁性颗粒Fe3O4的磁性微球.磁性微球的粒径,磁响应性能与制备磁性微球的温度、搅拌速率、水溶液的pH值、磁粉用量等操作参数有关.综合考虑微球的粒径大小、分布以及磁响应性得出,在本实验体系中,20℃的操作温度、1000r/min的搅拌速率、弱碱性的水相溶液以及1.5:10 (磁粉:聚苯乙烯) 的比例是制备磁性微球的适宜操作条件.     

聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶微球体积相变的研究

窄分散的聚（Ｎ 异丙基丙烯酰胺）水凝胶微球用乳液聚合方法制备，并用动态和静态光散射对其体积相变进行了研究．与水中聚（Ｎ 异丙基丙烯酰胺）线性单链比较，水中凝胶微球的体积相变温度较高，对温度的响应比较平缓．相变是连续的，有别于大块凝胶非连续的体积变化．在体积相变过程中，凝胶微球始终是密度均一的热力学稳定球体．从相变过程网络密度的变化可以确定，绝大部分的水在收缩过程被排了出来，但在紧缩的凝胶微球中仍含有约７０％的水．     

微凝胶增强两性复合水凝胶的制备与性能

将核壳微凝胶包埋在两性基质中,制备了复合水凝胶(CAH)。 研究发现,利用微凝胶与聚合物链之间的物理缠结作用,可以使复合凝胶具有致密的网络结构,力学性能显著提高;复合凝胶对pH和离子强度敏感,呈现出典型的两性聚电解质凝胶的溶胀行为。 同时微凝胶的存在和特殊的复合结构,可赋予CAH两性凝胶基质所不具有的响应性,并实现在高温下快速响应。     

聚合物微凝胶研究进展

微凝胶是一种具有交联网络结构的聚合物胶体粒子,处于良好溶剂中的刺激响应型微凝胶会受某些外界环境的刺激,产生溶胀-消溶胀响应行为,具有快速、可逆的相变特性和较好的生物相容性。本文综述了近年来国内外微凝胶的研究现状,介绍了互穿网络型、核-壳型和含有纳米粒子的复合型微凝胶的结构、特性和制备方法,阐述了微凝胶在药物控制释放、催化反应体系、生物传感器等方面的应用,探讨了聚合物微凝胶领域的研究前景和所面临的问题。     

光响应性微凝胶的分子设计和智能材料构筑

微凝胶能够在外界刺激下改变自身尺寸,是一类重要的智能材料构筑基元。光刺激具有可远程控制、能快速切换等特点,在刺激响应性材料的设计中受到了广泛关注。将光刺激响应性基元引入到微凝胶体系,可以得到一系列具有重要应用前景的智能材料。本文综述了近年来光响应微凝胶的研究进展,总结了赋予微凝胶光响应性的四种分子设计,包括光致异构化型、光致生热型、光致(解)交联型、光致生酸型;介绍了光响应微凝胶在调光材料、药物控释、信息显示和自修复凝胶等领域的应用;展望了该领域的研究方向、发展和应用前景。     

pH响应性阳离子微凝胶-纳米Pd催化剂的制备及性能

以聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)为大分子稳定剂,通过乳液聚合制备稳定性良好的具有pH响应性聚甲基丙烯酸二乙基氨基乙酯(PDEA)微凝胶,以其为模板将一定量的四氯钯酸钠(Na2PdCl4)溶液通过静电作用充分络合到高分子微凝胶的网络结构中,并以NaBH4为还原剂,原位合成法制备pH响应性阳离子微凝胶-纳米Pd催化剂.利用透射电镜(TEM)、动态光散射(DLS)、紫外-可见分光光度计(UV-Vis)、热重分析(TGA)和X射线衍射仪(XRD)分别对阳离子微凝胶-纳米Pd催化剂的形貌、pH响应性、静电力、Pd负载量和Pd晶型进行了表征及分析.结果表明,制备得到的纳米Pd的平均粒径约为3.5 nm;紫外吸收光谱图中,PDEA-Na2PdCl4复合体系在波长280 nm出现吸收峰,证明PdCl42-与微凝胶之间存在相互作用力;pH响应性阳离子微凝胶-纳米Pd催化剂还原4-硝基苯酚具有很好的催化活性,其催化活性与微凝胶网络的pH响应性有一定关系.此外对阳离子微凝胶-纳米Pd催化剂循环使用的状况进行了初步研究.     

不同结构形态二氧化硅/高分子复合微凝胶材料制备研究

敏感性二氧化硅/高分子微凝胶复合材料既具有二氧化硅良好的化学稳定性、低毒性和易于功能性,又具有敏感性高分子微凝胶对外界环境(如温度、pH等)的刺激响应特性,因而广泛应用于药物控释、吸附分离、载体和微反应器等重要领域。本文根据二氧化硅和敏感性高分子复合结构的不同,对二氧化硅/高分子核-壳型复合微凝胶、高分子/二氧化硅核-壳型复合微凝胶及杂化网络结构二氧化硅-高分子复合微凝胶等三类复合材料的制备研究进展进行较为详尽地阐述和分析。     

仿凝集素微凝胶的制备及葡萄糖响应特性

葡萄糖响应高分子微凝胶有望用于设计构建可持续检测葡萄糖并输出反馈的系统,但如何实现高选择性识别水环境中葡萄糖是较大挑战.本工作优化了仿凝集素(s-Lectin)的合成路线,通过迈克尔加成、酰胺缩合等,4步合成出s-Lectin,进而将其包裹于聚异丙基丙烯酰胺(pNIPAM)交联网络中,制备得到新型的葡萄糖响应微凝胶.随着葡萄糖浓度在0～30 mmoL范围内逐渐增大,浊度法研究表明该仿凝集素微凝胶水溶液消光度呈现持续降低的趋势,而动态光散射法测试结果显示仿凝集素微凝胶粒径变大,即微凝胶发生了溶胀.进一步采用动态光散射法研究对葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖等的识别选择性,结果表明仿凝集素微凝胶仅在水溶液中加入葡萄糖时发生溶胀,而在加入果糖、甘露糖、半乳糖等时则几乎没有发生粒径变化,展示出可高选择性识别水环境中葡萄糖的特性,有望用于血糖检测.     

响应性凝胶及其在药物控释上的应用

综述近年来在响应性凝胶材料研究方面的进展，介绍了能感应ｐＨ、温度、光、电场以及生化物质等外界因素变化的响应性凝胶的结构特点与响应机理，同时介绍了此类凝胶应用于药物控制释放方面的研究近况。