聚（N—異丙基丙烯酰胺）微凝膠的流變性能研究

于沖　宋韋汶　劉海濤　宋亞南　王毅

摘要：首先采用無皂乳液聚合法成功制備出粒徑均勻的聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）微凝膠，利用動態(tài)光散射法（DLS）測得微凝膠的粒徑隨溫度的升高而下降，結(jié)果表明：PNIPAM微凝膠具有明顯的溫度敏感性。利用旋轉(zhuǎn)流變儀對微凝膠分散液的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)粘彈性進行了研究，結(jié)果表明：當(dāng)溫度低于體積相轉(zhuǎn)變溫度（VTPP）時，微凝膠呈現(xiàn)出剪切變稀的特性；應(yīng)力、應(yīng)變保持不變，隨著溫度的升高及溫度不變，隨著頻率的增加微凝膠都由液態(tài)變成了粘彈性固體，這可能是由于出現(xiàn)了三維逾滲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)造成的。

關(guān)鍵詞：無皂乳液聚合；微凝膠；溫度敏感性；流變行為；

中圖分類號：O 630 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-0460（2017）01-0011-03

微凝膠是一種具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分子內(nèi)高度交聯(lián)的聚合物，其結(jié)構(gòu)介于支鏈聚合物和宏觀網(wǎng)狀交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之間，微凝膠通常以膠態(tài)形式溶脹于一定溶劑中形成高度分散的體系，一般分散介質(zhì)會因為鍵合作用等形式被鎖在聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，喪失其流動性。對于微凝膠的尺寸尚沒有統(tǒng)一的定義，粒徑大小只要符合50nm～5μm這個范圍內(nèi)的凝膠粒子都可稱為微凝膠。

環(huán)境敏感性微凝膠是當(dāng)外界的環(huán)境（例如：溫度、pH、光、電等）發(fā)生改變時會發(fā)生溶膠-凝膠（sol-gel）轉(zhuǎn)變，即形成（半）固體微凝膠，其具有豐富的相轉(zhuǎn)變行為，特別適用于構(gòu)建原位凝膠系統(tǒng)，即原位形成微凝膠（in situ-forming microgel）。由于其具有簡單的凝膠化過程和對環(huán)境刺激的響應(yīng)性，越來越多專家學(xué)者對原位形成微凝膠體系進行了深入的研究，主要應(yīng)用在不經(jīng)腸的藥物輸送系統(tǒng)、栓塞和組織工程等。其在栓塞和組織工程方面應(yīng)用的主要優(yōu)勢是創(chuàng)口小、易操作、不需要預(yù)設(shè)支架等；而作為藥物載體時，其具有靶向性、增加藥物的生物利用度和降低毒副作用等優(yōu)點。

1 實驗部分

1.1 試劑

N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）分析純東京化成工業(yè)株式會社；

N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）分析純阿法埃莎（天津）化學(xué)有限公司；

過硫酸鉀（KPS）分析純國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器

頂置式電子攪拌器：EuRO-ST D S25，IKA；玻璃恒溫水浴鍋：SYP，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；恒溫振蕩器：SHA-BA，常州澳華儀器有限公司；高速臺式離心機：TGL 20B c，上海安亭科學(xué)儀器廠；數(shù)控超聲波清洗器：KQ-300DE型，昆山市超聲儀器有限公司；透射電子顯微鏡（TEM）：JEM-100CXⅡ日本電子株式會社；冷凍干燥機：FD-1C-50，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱DHG-9140A上海精宏實驗儀器有限公司；傅里葉變換紅外光儀（FI-IR）NEXUS470美國熱電尼高力公司；流變儀ARES2000美國TA儀器公司；

1.3 實驗方案

（1）將6g的NIPAM溶解于裝有150mL二次蒸餾水的燒瓶中、將0.528g的BIS和0.1913gKPS混合溶解在裝有150mL二次蒸餾水的燒瓶中通過超聲震蕩使藥品全部溶解，然后依次倒入帶有機械攪拌器的500mL三口燒瓶中，通入氮氣，密封好并且開啟攪拌器（速度250r/min），通氮氣50min后將三口燒瓶移入70℃恒溫水浴內(nèi)，拔出氮氣管并對裝置進行密閉，在此條件下反應(yīng)6h。

（2）制得的微球乳液經(jīng)離心沉降后，用滴管吸走上層分散液，將下層固體再用蒸餾水通過超聲震蕩分散成乳液，重復(fù)操作3次。然后取少量乳液分散于二次蒸餾水中，用注射器取微量上述分散液滴于銅網(wǎng)上進行自然干燥，最后用透射電子顯微鏡對微球形貌進行觀察。

（3）取少量PNIPAM微凝膠、將微凝膠用蒸餾水稀釋到合適的濃度之后裝入樣品瓶，利用DLS對微凝膠在16～50℃溫度范圍內(nèi)的粒徑變化進行觀察。

（4）采用TA儀器公司的旋轉(zhuǎn)流變儀對凝膠的流變學(xué)行為進行研究。測試夾具選取40mm不銹鋼制平行板，控溫系統(tǒng)為水浴連接的Peltier系統(tǒng)底板。夾具與底板間隙設(shè)置為500μm，凝膠樣品的儲能模量（G）和損耗模量（G”）的測定均在頻率為1Hz，應(yīng)變均為1%的條件下進行。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 PNIPAM微凝膠的TEM照片

利用無皂乳液聚合法，以N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）為單體，過硫酸鉀（KPS）為引發(fā)劑，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）為交聯(lián)劑，制備出了亞微米級的PNIPAM溫度敏感型微球，在透射電子顯微鏡下對微球形貌進行觀察得到的TEM圖像如圖1。

圖1是PNIPAM微凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。從TEM圖像可以看出，得到的這種微凝膠呈現(xiàn)完美的球形，表面比較光滑，單分散性好，具有亞微米大小。

2.2 用動態(tài)光散射法測得的PNIPAM微凝膠在16～50℃的溫度下的粒徑特征

從圖2可以看出PNIPAM微球粒徑（D）是隨溫度m變化的曲線。開始時粒徑隨溫度變化較小，當(dāng)?shù)竭_一定的溫度之后，微凝膠的粒徑趨于穩(wěn)定，其中達到31℃左右時粒徑大小隨溫度變化明顯，因此，微凝膠表現(xiàn)出的體積相轉(zhuǎn)變溫度（VPTT）大約在31℃，微球具有明顯的溫度敏感性。

2.3 PNIPAM微凝膠的黏度與剪切速率的關(guān)系

從圖3可以看出黏度隨剪切速率的增大而減小，最后趨于平緩，呈現(xiàn)明顯的剪切變稀特性，這是典型的假塑性流體的特征。當(dāng)溫度低于體積相轉(zhuǎn)變溫度（VVIT）時，PNIPAM微凝膠是親水性的，酰胺基團和溶劑水分子因為形成氫鍵使其微凝膠內(nèi)部含有大量的水分，高分子鏈段呈現(xiàn)自然卷曲的構(gòu)象。隨著剪切速率的增大，高分子鏈在外界作用力下不再呈現(xiàn)自然卷曲狀態(tài)，從而，抗形變能力降低，表現(xiàn)出剪切變稀的特性。

2.4 PNIPAM微凝膠動態(tài)溫度掃描曲線

圖4是PNIPAM微凝膠在頻率為1Hz，應(yīng)變?yōu)?%條件下的動態(tài)溫度掃描曲線，由圖可知，儲能模量（G''）與損耗模量（G'）在開始一段時間比較雜亂無章，當(dāng)達到一定溫度后G，G'隨溫度變化明顯，且G隨溫度的變化比G''更劇烈，表現(xiàn)為類似于固體的性質(zhì)，這可能是出現(xiàn)了三維逾滲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)造成的。

2.5 PNIPAM微凝膠動態(tài)溫度掃描曲線

圖5為PNIPAM微凝膠分散體在25℃時的動態(tài)頻率掃描曲線，由圖可知在測定頻率的范圍內(nèi)，樣品的儲能模量（G''）均大于損耗模量（G），G和G＼＼都隨頻率的增大而增大，G比G''隨頻率變化的更明顯，呈現(xiàn)固體的性質(zhì)，這還是由于在高頻下凝膠粒子間的相互作用增強，可能出現(xiàn)了瞬態(tài)的三維逾滲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)造成的。

3 結(jié)論

（1）PNIPAM微凝膠的尺寸大小隨溫度升高而下降，由此可知，微球具有明顯的溫度敏感性。

（2）PNIPAM微凝膠懸浮體的流變行為具有溫度敏感性，同時也受剪切速率和頻率的影響。