一种可热致原位凝胶化的互穿纳米水凝胶及其制备方法

本发明属于生物智能材料领域，特别涉及一种可热致原位凝胶化的互穿纳米水凝胶及其制备方法。

背景技术：

1、刺激响应纳米水凝胶是一种智能纳米水凝胶，由于其独特的响应特性、灵活的可调控性和良好的生物相容性，在药物传递载体、生物传感器、组织工程、创伤愈合、光学材料等领域具有广泛的应用前景。其中，温度和ph双敏感纳米水凝胶，在响应外部刺激时能够模拟生物组织进行可逆的膨胀或收缩，常常受到人们的研究关注。

2、可原位凝胶化水凝胶在一定条件下会发生原位溶胶-凝胶化转变，即从可流动的溶液状态转变为不可流动的固体状态。其中物理交联水凝胶是通过物理相互作用连接在一起，不仅避免引入具有毒性化学交联剂，还赋予了材料可逆性(cn112812327b)。li等人(materials horizons,2023,10,4452)利用无规共聚的方法将nipam与疏水性单体n-叔丁基丙烯酰胺结合制备一种二元共聚热敏纳米水凝胶，通过引入空间位阻作用来减缓脱水作用，使纳米水凝胶实现凝胶化。但缺点是，随着疏水性单体或者亲水性单体加入量的不同，会导致无规共聚物的低临界溶解温度(lcst)大幅度变化，较难调控其相变温度。

3、互穿聚合物网络(ipn)是一种由两种或两种以上的聚合物互穿、交织而成的三维网状结构的复合材料。它需要先合成第一种聚合物网络，也称为种子聚合物或种子乳液，然后将组成第二种聚合物网络的单体和交联剂混合后在聚合物网络中引发聚合，这样形成第二聚合物网络的同时又形成互穿网络结构。在互穿网络水凝胶中，两个组分网络之间没有化学键连接，各个聚合物都保持各自原有的性能；同时这两种网络互穿相互影响，在性能上会产生特殊的协同作用，加快智能水凝胶的响应速率。li等人(materials horizons,2021,8(3):932-938.)制备了的互穿型聚(n-异丙基丙烯酰胺)(pnipam)/聚丙烯酸(paa)纳米水凝胶，不仅引入了ph响应性，而且保持了与pnipam相同的lcst。但缺点是，体系中采用的是丙烯酸作为ph响应物，并且互穿后需要引入大量aa才可以实现热诱导凝胶化，而丙烯酸属于3类致癌物，限制了其进一步应用。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种可热致原位凝胶化的互穿纳米水凝胶及其制备方法，该互穿纳米水凝胶具有温度和ph双重响应性，而且利用温度触发能实现可逆的溶胶-凝胶化转变。

2、本发明提供了一种可热致原位凝胶化的互穿纳米水凝胶，所述互穿纳米水凝胶为paphe/pnipam互穿纳米水凝胶或pnipam/paphe互穿纳米水凝胶。

3、进一步的，所述paphe的单体为n-丙烯酰-l-苯丙氨酸aphe。

4、进一步的，所述互穿纳米水凝胶具有温度和ph双重响应性。在水介质中分散良好，该互穿纳米水凝胶的相转变温度(vptt)不随aphe引入量的增多而改变，始终维持在32℃左右。并且，该互穿纳米水凝胶在vptt以上能实现可逆的溶胶-凝胶转变过程：即低温条件下，该互穿纳米水凝胶为可流动的溶液状态，当温度升高至vptt以上时，纳米水凝胶转变为不可流动的水凝胶状态；而当温度下降时，该纳米水凝胶又可恢复为可流动的溶液状态。

5、本发明还提供了一种可热致原位凝胶化的互穿纳米水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

6、(1)通过l-苯丙氨酸和丙烯酰氯合成单体n-丙烯酰-l-苯丙氨酸aphe；

7、(2)将步骤(1)得到的n-丙烯酰-l-苯丙氨酸aphe、交联剂和乳化剂溶解于去离子水中，在氮气氛围下，搅拌，70-80℃保温40-60min，然后加入引发剂，继续反应3-5h，透析，得到聚(n-丙烯酰-l-苯丙氨酸)paphe；

8、(3)将n-异丙基丙烯酰胺nipam、交联剂和乳化剂溶解于去离子水中，在氮气氛围下，搅拌，70-80℃保温40-60min，然后加入引发剂，继续反应3-5h，透析，得到聚(n-异丙基丙烯酰胺)pnipam；

9、(4)将nipam和交联剂加入到paphe的水溶液中，在氮气氛围下，搅拌，60-70℃保温40-60min，加入引发剂，反应3-5h，透析，得到paphe/pnipam互穿纳米水凝胶；其中paphe与nipam的摩尔比为1:1.5～9；

10、或者将步骤(1)得到的aphe和交联剂加入到pnipam的水溶液中，氮气氛围下，搅拌，0～5℃保温50min，加入引发剂和催化剂，反应1～2.5h，然后加入naoh溶液中止反应，透析，得到pnipam/paphe互穿纳米水凝胶；其中aphe与pnipam的摩尔比为1:1.5～9。

11、优选的，所述步骤(1)中的合成单体n-丙烯酰-l-苯丙氨酸(aphe)的方法为：将l-苯丙氨酸溶于氢氧化钠溶液中，搅拌，0℃下保温30-40min，然后缓慢加入丙烯酰氯，滴加完毕后，置于室温下搅拌2h，再加入浓盐酸调节ph至2-3，待白色固体析出，抽滤，用去离子水洗涤三次，冷冻干燥，得到n-丙烯酰-l-苯丙氨酸(aphe)。

12、所述l-苯丙氨酸与丙烯酰氯的摩尔比为1:1。

13、优选的，所述步骤(2)和(3)中的交联剂为n,n’-亚甲基双丙烯酰胺bis；乳化剂为十二烷基硫酸钠sds；引发剂为过硫酸铵aps。

14、优选的，所述步骤(2)中的aphe、交联剂、乳化剂和引发剂的质量比为100:1-2:4-5:5-6。

15、优选的，所述步骤(3)中的nipam、交联剂、乳化剂和引发剂的质量比为100:1-2:3.9～15.8:4-5。

16、优选的，所述步骤(4)中的交联剂为n,n’-亚甲基双丙烯酰胺bis；引发剂为过硫酸铵aps；催化剂为焦亚硫酸钠。

17、优选的，所述步骤(4)中的nipam、交联剂、引发剂的质量比为100:3.1～4.0:9；aphe、交联剂、引发剂和催化剂的质量比为10:1:1-2:1-2。

18、优选的，所述步骤(4)中paphe的水溶液浓度为0.1-0.2wt％；pnipam的水溶液浓度为0.1-0.2wt％。

19、优选的，所述步骤(2)-(4)中透析的具体条件为采用超纯水浸泡3～7天，每天换3次水，透析所用透析袋的截留分子量为8000～14000。

20、优选的，所述步骤(4)中paphe/pnipam互穿纳米水凝胶的粒径为200～450nm；pnipam/paphe互穿纳米水凝胶的粒径为150～400nm。

21、互穿纳米水凝胶进行热致凝胶化：取上述透析后的paphe/pnipam互穿纳米水凝胶和pnipam/paphe互穿纳米水凝胶放置在70℃烘箱中，浓缩至质量浓度5％～8％，用少量氢氧化钠调节ph至6.5，随后将其放置在恒温箱中，升温，每个温度点保温5分钟，使其发生热致原位溶胶-凝胶化转变。其中，恒温箱温度范围为25℃～40℃，升温速率为1℃/min。

22、本发明的原理是：

23、本发明分别利用带有羧基和苯环的单体n-丙烯酰-l-苯丙氨酸(aphe)(图1)和单体n-异丙基丙烯酰胺nipam通过乳液聚合的方式制备了ph响应性高分子聚(n-丙烯酰-l-苯丙氨酸)(paphe)和温敏性高分子聚(n-异丙基丙烯酰胺)(pnipam)，再各自引入单体nipam和aphe利用种子乳液乳液聚合的方式，制备了具有温度和ph双重响应性的paphe/pnipam互穿纳米水凝胶和pnipam/paphe互穿纳米水凝胶(图2)。

24、通过亲水性单体aphe在中性或碱性条件下，电离出coo-的特点，增大了纳米水凝胶在相变温度以上的保水能力，同时利用通过互穿结构起到支撑作用，可以减缓互穿纳米水凝胶中pnipam网络的脱水作用，当温度升至相变温度以上时，分子间的疏水吸引作用增强，促进了聚合物链之间相互缠结并形成物理交联位点，从而在一定浓度和温度条件下，该互穿纳米水凝胶可以发生溶胶-凝胶化转变。

25、有益效果

26、本发明制备的互穿纳米水凝胶在水介质中分散良好，不仅具有温度和ph双重敏感性，而且利用温度触发能实现可逆的溶胶-凝胶化转变，相转变温度始终保持在32℃左右，与人体温度相似；采用的制备方法工艺简单、绿色环保，具有良好的应用前景。