一种基于SiO2的pH响应性复合微凝胶及其制备方法与流程

本发明涉及微凝胶领域，具体涉及一种基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶及其制备方法。

背景技术：

微凝胶是一种颗粒尺寸在微米和纳米之间的高度交联的三维网络结构聚合物胶体颗粒，它能够吸收水分或其他溶剂呈现为凝胶状态，具有粘度小、流动性

好、响应速度快、颗粒尺寸小、吸附能力强、比表面积大、生物相容性高等一系列优点。另外，通过控制其反应条件，可以制备出结构、大小、功能等各不相同的微凝胶，以适应不同的使用要求，已被广泛应用到工业工程、生物医药、组织修复、石油化工、污水处理等各个领域。相对于传统微凝胶，刺激响应性微凝胶由于其在外部环境如温度、pH 值、离子强度、磁场强度等的变化下能快速做出相应的响应行为，发生体积形态的变化，具备传统微凝胶不具有的特殊性质，从而更是众多专家学者研究的重点。

众所周知，pH响应性微凝胶是一种特殊的可注射高分子材料，它在降低pH值，质量分数超过30 wt% 时，具有非常好的流动性，升高 pH 值时，微凝胶颗粒能够迅速溶胀、互穿，形成物理水凝胶，在生物软组织修复方面具有很大的应用前景。但是纵观目前普遍报道的pH响应性微凝胶，往往存在力学强度低、胶粘性差、容易发生迁移、制备困难等不足，此外在合成微凝胶的过程中加入的表面活性剂或者稳定剂往往有毒，需要进行后续处理，不利于大规模工业化生产，这更是大大限制了其在各个领域的应用。因此，开发和研制性能更加优良，毒性低，易于大规模生产的新型微凝胶已经是势在必行。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是针对以上不足，提供一种工艺简单、成本低廉、毒性低、易于控制并大规模生产的基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶及其制备方法，包括以下步骤：

（1）修饰剂对稳定剂SiO₂进行表面修饰

将修饰剂溶液和稳定剂SiO₂溶液混合并搅拌均匀制得改性SiO₂分散液。

（2）Pickering乳液的制备

称取质量范围为2:1~4:1的甲基丙烯酸甲酯（MMA）、甲基丙烯酸（MAA），然后称取双甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA），三者混合均匀，得混合单体；双甲基丙烯酸乙二醇酯的量是甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸总质量的0.1%~1%；将上述制得的改性SiO₂分散液加入到混合单体中搅拌并进行乳化，得到Pickering乳液。

（3）聚合

将上述制得的Pickering乳液和引发剂在30-80℃、搅拌为150-500r/min的充满氮气的反应器皿中混合搅拌，进行聚合反应至混合单体气味消失，冷却得乳液状的复合微凝胶产物。

具体的，所述步骤（1）中的稳定剂SiO₂为28%的SiO₂水溶胶和商品名为Bindzil CC301 的甘油修饰的SiO₂中的一种，其中稳定剂SiO₂ 用量范围为混合单体质量的3.5%-8%。

具体的，所述步骤（1）中所述修饰剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、聚乙二醇、聚乙二醇单甲基丙烯酸酯、甘油、含有环氧基团、端羟基或烯基的硅氧烷偶联剂中的一种。

具体的，所述聚乙二醇分子量≤600，所述聚乙二醇单甲基丙烯酸酯分子量≤600，所述含有环氧基团的硅氧烷偶联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。

具体的，所述步骤（1）中的修饰剂占稳定剂SiO₂的质量范围分别为：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，1%～8%；聚乙二醇，2. 1%～5.5%；聚乙二醇单甲基丙烯酸酯，2%～5%；甘油，5%～10%；γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，1%～2%。

具体的，所述步骤（3）中的引发剂为过硫酸钾-亚硫酸氢钠或过硫酸铵-亚硫酸氢钠的氧化-还原引发剂体系、偶氮二异丁基脒盐酸盐（AIBA）的自由基引发体系的一种，且引发剂用量为混合单体质量的0.1% ～1%。

采用以上任一制备方法制得的基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶。

本发明的优点是：该制备方法工艺简单、成本低廉、毒性低、易于控制并大规模生产；相对于传统的采用十二烷基磺酸钠（SDS）阴离子表面活性剂制备复合微凝胶的方法，本发明不仅降低了微凝胶的毒性，还节省了成本和水资源，并拓展了其在组织修复工程中的应用。

【附图说明】

图1为实施例1中基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系的扫描电镜图(a)和透射电镜图(b)。

图2（a）为实施例4中基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系的扫描电镜图（MMA/MAA=2/1）,图2（b）为实施例3中基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系的扫描电镜图(MMA/MAA=4/1)。

图3 为实施例5中基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系的扫描电镜图(a)和透射电镜图（b）。

图4（1）为实施例4中质量分数为20%的基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系的流动性随pH值变化图；图4（2）为实施例4中不同质量分数的基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系在pH为8时的流动状态图。

图5为实施例4中不同 pH值对质量分数为20%的基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系的流变性能影响图；其中图5（a）为25℃，震荡频率为1Hz的条件下微凝胶分散体系储能模量G′随应变Strain的变化曲线图；图5（b）为25℃，震荡频率为1Hz的条件下微凝胶分散体系损耗因子随应变Strain的变化曲线图；图5（c）为应变Strain为1%时微凝胶分散体系储能模量G′和损耗因子对pH的变化曲线图。

【具体实施方式】

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合附图通过具体实施例对本发明的技术方案进行进一步介绍和说明。以下实例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

实施例1：

一种以聚乙二醇单甲基丙烯酸酯（分子量360）为修饰剂，制备基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶的方法，步骤如下：

（1）称取3.007g 28%的SiO₂水溶胶，用去离子水稀释至168g得到稳定剂SiO₂溶液。

（2）称取0.0175g 的聚乙二醇单甲基丙烯酸酯溶于10g的去离子水中得到修饰剂聚乙二醇单甲基丙烯酸酯溶液，将所得修饰剂聚乙二醇单甲基丙烯酸酯溶液逐滴加入到步骤（1）所得的稳定剂SiO₂溶液中进行搅拌，持续搅拌12小时，得到聚乙二醇单甲基丙烯酸酯表面改性的稳定剂SiO₂溶液。

（3）称取13.33g甲基丙烯酸甲酯，6.67g甲基丙烯酸，0.02g 双甲基丙烯酸乙二醇酯，混合均匀，持续通氮气10分钟来排除氧气制得混合单体。

（4）将步骤（2）所得聚乙二醇单甲基丙烯酸酯表面改性后的SiO₂溶液倒入带有回流装置的反应器皿内，持续搅拌，通氮气20分钟来排除溶液中的氧气，然后将步骤（3）制得的20.02ｇ混合单体全部加入到反应器皿中，在氮气环境下以400转/分的搅拌速度搅拌10分钟形成乳白色的乳状液后即制得Pickering乳液。

（5）将步骤（4）的反应体系升温至50℃，然后向体系中依次加入过硫酸钾溶液（0.0816g过硫酸钾溶于1g去离子水）和亚硫酸氢钠溶液(0.0204g亚硫酸氢钠溶于1g去离子水)，反应3小时直至混合单体的酸味消失且出现少许甜味，反应完成。

（6）将步骤（5）的反应体系缓慢冷却至水浴温度接近室温，停止搅拌，得到复合微凝胶分散液。

实施例2：

一种以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸为修饰剂，采用种子乳液聚合制备基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶的方法，步骤如下：

（1）称取8.786g 28%的SiO₂水溶胶，用去离子水稀释至100g得到稳定剂SiO₂溶液。

（2）称取0.0502g 的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶于10g的去离子水中得到修饰剂2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液，将所得修饰剂2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液逐滴加入到步骤（1）所得的稳定剂SiO₂溶液中进行搅拌，持续搅拌12小时得到改性后的稳定剂SiO₂溶液。

（3）称取13.33g甲基丙烯酸甲酯，6.67g甲基丙烯酸，0.02g 双甲基丙烯酸乙二醇酯，混合均匀，持续通氮气10分钟来排除氧气制得混合单体。

（4）将步骤（2）所得的改性后的SiO₂溶液倒入已预先通氮气的带有回流装置的反应器皿内，持续搅拌，通氮气20分钟来排除溶液中的氧气。然后称取4g步骤（3）制得的混合单体加入到反应器皿中，在氮气环境下以400转/分的搅拌速度搅拌10分钟形成乳白色的乳状液后即制得Pickering乳液。

（5）将步骤（4）的反应体系升温至50℃，然后向体系中依次加入过硫酸钾溶液（0.063g过硫酸钾溶于1g去离子水）和亚硫酸氢钠溶液(0.0166g亚硫酸氢钠溶于1g去离子水)，反应半小时形成种子溶液。

（6）将步骤（4）中剩余的16.02g混合单体用匀速进液泵以0.25g/分的速度在60分钟内滴加到步骤（5）所得的种子溶液中，持续反应3个小时直至混合单体的酸味消失且出现少许甜味，反应完成，然后将反应体系缓慢冷却至室温，停止搅拌，即可得到微凝胶的分散液。

实施例3：

一种以Bindzil CC301 SiO₂为稳定剂，用氧化-还原引发的Pickering乳液聚合制备基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶方法，步骤如下：

（1）称取Bindzil CC301 SiO₂ 溶液4.25g用去离子水稀释至92.21g得到稳定剂SiO₂溶液，将上述所得的稳定剂SiO₂溶液放置在含有冷凝装置的反应器皿内，以50转/分的搅拌速度进行搅拌，持续通入氮气20分钟来排除溶液中的氧气。

（2）称取13.83g甲基丙烯酸甲酯，3.46g 甲基丙烯酸, 0.16g 双甲基丙烯酸乙二醇酯，混合均匀，持续通氮气10分钟来排除氧气制得混合单体。

（3）将步骤（2）制得的17.45g混合单体全部加入到步骤（1）中盛有稳定剂SiO₂溶液的反应器皿中，在氮气环境下以360转/分的搅拌速度搅拌10分钟形成乳白色的乳状液后即制得Pickering乳液。

（4）将步骤（3）的反应体系升温至45℃，然后向体系中依次加入过硫酸铵溶液（0.1006g过硫酸铵溶于1.01g水中），和亚硫酸氢钠溶液（0.0560g亚硫酸氢钠溶于1.00g水中），持续反应3小时直至混合单体的酸味消失且出现少许甜味，反应完成，然后将反应体系缓慢冷却至室温，停止搅拌，得到微凝胶的分散液。

实施例4：

一种以Bindzil CC301 SiO₂为稳定剂，改变单体比例（MMA/MAA=2/1），用氧化-还原引发的Pickering乳液聚合制备基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶的方法，步骤如下：

（1）称取Bindzil CC301 SiO₂ 溶液20.02g用去离子水稀释至92.21g得到稳定剂SiO₂溶液，将上述所得的稳定剂SiO₂溶液放置在含有冷凝装置的反应器皿内，以50转/分的搅拌速度进行搅拌, 持续通入氮气20分钟来排除溶液中的氧气。

（2）称取20.0g甲基丙烯酸甲酯，10.07g 甲基丙烯酸，0.15g 双甲基丙烯酸乙二醇酯，混合均匀，持续通氮气15分钟来排除氧气制得混合单体。

（3）将步骤（2）制得的30.22g混合单体全部加入到步骤（1）中盛有稳定剂SiO₂溶液的反应器皿中，在氮气环境下以360转/分的搅拌速度搅拌10分钟形成乳白色的乳状液后即制得Pickering乳液。

（4）将步骤（3）的反应体系升温至45℃，然后向体系中依次加入过硫酸铵溶液（0.1005g过硫酸铵溶于1.01g水中）和亚硫酸氢钠溶液（0.0559g亚硫酸氢钠溶于1.00g水中），持续反应3小时直至混合单体的酸味消失且出现少许甜味，反应完成，然后将反应体系缓慢冷却至室温，停止搅拌，得到微凝胶的分散液。

实施例5：

一种以Bindzil CC301 SiO₂为稳定剂，采用偶氮二异丁基脒盐酸盐（AIBA）为引发剂的Pickering乳液聚合制备基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶的方法，步骤如下：

（1）称取Bindzil CC301 SiO₂ 溶液2.04g用去离子水稀释至47.01g得到稳定剂SiO₂溶液，将上述所得的稳定剂SiO₂溶液放置在含有冷凝装置的反应器皿内，以50转/分的搅拌速度进行搅拌，持续通入氮气20分钟来排除溶液中的氧气。

（2）称取8.10g甲基丙烯酸甲酯，2.78g 甲基丙烯酸，0.01g双甲基丙烯酸乙二醇酯，混合均匀，持续通氮气10分钟来排除氧气制得混合单体。

（3）将步骤（2）制得的10.89g混合单体全部加入到步骤（1）中盛有稳定剂SiO₂溶液的反应器皿中，在氮气环境下以360转/分的搅拌速度搅拌10分钟形成乳白色的乳状液后即制得Pickering乳液。

（4）称取偶氮二异丁基脒盐酸盐0.0651g，溶于1.05g水中得到引发剂偶氮二异丁基脒盐酸盐溶液，将上述制得的引发剂偶氮二异丁基脒盐酸盐溶液加入步骤（3）的反应体系中，然后将反应体系升温至60℃，持续反应4小时直至混合单体的酸味消失且出现少许甜味，反应完成，然后将反应体系缓慢冷却至室温，停止搅拌，得到微凝胶的分散液。

实施例6：

一种以聚乙二醇（分子量600）为修饰剂，制备基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶的方法，步骤如下：

（1）称取3.007g 28%的SiO₂水溶胶，用去离子水稀释至168g得到稳定剂SiO₂溶液。

（2）称取0.02g 的聚乙二醇溶于10g的去离子水中得到修饰剂聚乙二醇溶液，将所得修饰剂聚乙二醇溶液逐滴加入到步骤（1）所得的稳定剂SiO₂溶液中进行搅拌，持续搅拌12小时，得到聚乙二醇表面改性的稳定剂SiO₂溶液

（3）称取13.33g甲基丙烯酸甲酯，6.67g甲基丙烯酸，0.04g 双甲基丙烯酸乙二醇酯，混合均匀，持续通氮气10分钟来排除氧气制得混合单体。

（4）将步骤（2）所得聚乙二醇表面改性后的SiO₂溶液倒入带有回流装置的反应器皿内，持续搅拌，通氮气20分钟来排除溶液中的氧气，然后将步骤（3）制得的20.04g混合单体全部加入到反应器皿中，氮气环境下以400转/分的搅拌速度搅拌10分钟形成乳白色的乳状液后即制得Pickering乳液。

（5）将步骤（4）的反应体系升温至50℃，然后向体系中依次加入过硫酸钾溶液（0.0816g过硫酸钾溶于1g去离子水）和亚硫酸氢钠溶液(0.0204g亚硫酸氢钠溶于1g去离子水)，反应3小时直至混合单体的酸味消失且出现少许甜味，反应完成。

（6）将步骤（5）的反应体系缓慢冷却至水浴温度接近室温，停止搅拌，得到复合微凝胶分散液。

实施例7：

一种以甘油为修饰剂，制备基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶的方法，步骤如下：

（1）称取3.007g 28%的SiO₂水溶胶，用去离子水稀释至168g得到稳定剂SiO₂溶液。

（2）称取0.075g 的甘油溶于10g的去离子水中得到修饰剂甘油溶液，将所得修饰剂甘油溶液逐滴加入到步骤（1）所得的稳定剂SiO₂溶液中进行搅拌，持续搅拌12小时，得到甘油表面改性的稳定剂SiO₂溶液

（3）称取13.33g甲基丙烯酸甲酯，6.67g甲基丙烯酸，0.03g 双甲基丙烯酸乙二醇酯，混合均匀，持续通氮气10分钟来排除氧气制得混合单体。

（4）将步骤（2）所得甘油表面改性后的SiO₂溶液倒入带有回流装置的反应器皿内，持续搅拌，通氮气20分钟来排除溶液中的氧气，然后将步骤（3）制得的20.03g混合单体全部加入到反应器皿中，氮气环境下以400转/分的搅拌速度搅拌10分钟形成乳白色的乳状液后即制得Pickering乳液。

（5）将步骤（4）的反应体系升温至50℃，然后向体系中依次加入过硫酸钾溶液（0.0816g过硫酸钾溶于1g去离子水）和亚硫酸氢钠溶液(0.0204g亚硫酸氢钠溶于1g去离子水)，反应3小时直至混合单体的酸味消失且出现少许甜味，反应完成。

（6）将步骤（5）的反应体系缓慢冷却至水浴温度接近室温，停止搅拌，得到复合微凝胶分散液。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

【图谱分析】

图1为实施例1中基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系的扫描电镜图(a)和透射电镜图（b）。由图可知，以端基含有碳碳双键的有机物质为SiO₂修饰剂，经Pickering乳液聚合反应制得的基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系颗粒分布较为均匀，颗粒大小约200nm左右，微凝胶颗粒间粘连较严重，且明显观察到分散液中含有游离的SiO₂。另外从宏观上可以看出微凝胶分散液呈现稳定的白色乳液状，流动性也较好。

图2（a）为实施例4中基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系的扫描电镜图（MMA/MAA=2/1）,图2（b）为实施例3中基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系的扫描电镜图(MMA/MAA=4/1)。对比观察可得调整甲基丙烯酸甲酯（MMA）和甲基丙烯酸（MAA）的单体比例对微凝胶分散体系的颗粒与形貌有很大的影响。总体而言，微凝胶分散体系的颗粒大小随微凝胶分散体系中甲基丙烯酸甲酯（MMA）的含量的升高而降低，但微凝胶分散体系的临界体积相变的pH（即微凝胶的Pka）随甲基丙烯酸甲酯（MMA）的含量的升高而升高，如甲基丙烯酸甲酯（MMA）和甲基丙烯酸（MAA）的质量比为2:1（实施例4）的微凝胶分散体系的Pka值约为7.5，甲基丙烯酸甲酯（MMA）和甲基丙烯酸（MAA）的质量比为4:1（实施例3）的微凝胶分散体系的Pka值约为8.5。

图3 为实施例5中基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系的扫描电镜图(a)和透射电镜图（b）。由图可知，以偶氮二异丁基脒盐酸盐（AIBA）为引发剂制备的基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系，即使微凝胶分散体系的质量分数很高时粘度也很低，这样有利于制备高质量分数的基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系。此外我们还可以看出由此种方法制备的基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系呈单分散性，颗粒大小均匀，粒径约为1。

图4（1）为实施例4中质量分数为20%的基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系的流动性随pH值变化图；图4（2）为实施例4中不同质量分数的基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系在pH为8时的流动状态图。由图可知，在pH值较低时，即便是质量分数很大的微凝胶分散体系流动性也是很强；当pH值大于7.5后，质量分数超过7%的微凝胶分散体系由流动态转变成了凝固态。综上可得:基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系具有良好的pH值响应性。

图5为实施例4中不同 pH值对质量分数为20%的基于SiO₂的pH响应性复合微凝胶分散体系的流变性能影响图；其中图5（a）为25℃，震荡频率为1Hz的条件下微凝胶分散体系储能模量G′随应变Strain的变化曲线图；图5（b）为25℃，震荡频率为1Hz的条件下微凝胶分散体系损耗因子随应变Strain的变化曲线图；图5（c）为应变Strain为1%条件下微凝胶分散体系储能模量G′和损耗因子对pH的变化曲线图。由图可知微凝胶分散体系的储能模量G′随pH值升高而升高，损耗因子随pH值升高而降低。当pH值小于7.0时，微凝胶分散体系的损耗因子大于1，且微凝胶分散体系呈典型的流动状态；当pH值大于7.5后，微凝胶分散体系的损耗因子小于1，且微凝胶分散体系由典型的流动态转变为固相凝聚态，当pH值达到7.7时，微凝胶分散体系形成稳定的凝胶态，且储能模量G′和损耗因子保持一个稳定值。另外，由储能模量G′与pH值曲线变化的中间取值我们可以估计实施例4微凝胶的pKa约为7.5。