一种基于LaponiteRD的pH响应性复合微凝胶及其制备方法与流程

本发明属于微凝胶领域，具体涉及一种基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶及其制备方法。

背景技术：

交联的聚合物三维网络结构空隙中充满作为分散介质的液体（如低聚物、溶质或单体）时，整个体系呈现固态状，这样一种特殊的体系称之为凝胶。凝胶在其相应聚合物的良溶剂中溶胀，其中亲水性凝胶在水中溶胀，形成水凝胶。水凝胶与我们的生产生活息息相关，在人类开始研究凝胶之前就已经在生产和生活中使用凝胶了，但传统合成的水凝胶存在的缺陷，如力学强度差、流动性不好等限制了其应用。

微凝胶是一种尺度上在微米、纳米，颗粒内部高度交联，在分散介质中分散，在良溶剂中颗粒溶胀的小尺度凝胶。与水凝胶相比，微凝胶分散在介质中，粘度小、流动性好、响应速度快、颗粒尺寸小，具有比较特殊的表面特性，如表面积大、吸附能力强等特点，这也决定了其在药物缓释、生物工程、人造器官、光电开关和分子分离等领域具有广阔的应用前景。

甲基丙烯酸甲酯(MMA)和甲基丙烯酸（MAA）为混合体，在交联剂双甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA）的存在下，以十二烷基磺酸钠（SDS）为阴离子表面活性剂，经半饥饿种子乳液聚合反应获得pH响应性复合微凝胶，即poly(MMA/MAA/EGDMA)，微凝胶颗粒具有很好的pH刺激响应溶胀性。对微凝胶表面进行丙烯酰氧基功能化修饰后，升高体系pH值，再进一步反应形成微凝胶之间交联的水凝胶。这种材料在生物软组织修复工程中具有很大的应用潜力。然而在合成这种材料的过程中，采用了SDS为阴离子表面活性剂，而SDS具有很大的细胞毒性，所以在应用前，需要彻底除去SDS。目前采用的方法是透析法去除SDS分子，需要大量的去离子水，造成水源浪费和污染。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述问题，提供一种基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶及其制备方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案具体如下：

一种基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶的制备方法，包括以下步骤：

（1）修饰剂对稳定剂Laponite RD进行表面修饰，以增加其和有机组分的相容性，得到稳定的改性Laponite RD分散液；

（2）Pickering乳液的制备

称取质量比为2:1的甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸，然后称取双甲基丙烯酸乙二醇酯，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%；将上述所得混合单体加到步骤（1）所得稳定的改性Laponite RD分散液中进行乳化，得到Pickering乳液；

（3）聚合

将步骤（2）所得Pickering乳液置于反应瓶中，通氮气排氧，在氮气保护下加入引发剂，50 ℃～80 ℃、搅拌速度180 r/min～300 r/min的条件下聚合反应6 h～9 h，获得乳液状微凝胶分散体系。

优选的，步骤（1）所述修饰剂为3-氨基丙烷磺酸、L-赖氨酸、大豆卵磷脂、聚乙二醇、聚乙二醇单甲基丙烯酸酯、甘油、乙二醇、含有环氧基团或端羟基的硅氧烷偶联剂中的一种。

优选的，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。

优选的，步骤（1）所述修饰过程为：先配制Laponite RD溶液，再配制修饰剂溶液，最后将修饰剂溶液加到已配好的Laponite RD溶液，放置一晚后得稳定的改性Laponite RD分散液。

优选的，步骤（1）中不同修饰剂与稳定剂Laponite RD的质量比分别为：3-氨基丙烷磺酸，0.8%～2.3%；L-赖氨酸，0.8%～1.3%；聚乙二醇，1%～15%；聚乙二醇单甲基丙烯酸酯，1%～15%；甘油，10%～35%；γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，0.8%～1.5%。

优选的，步骤（2）中稳定剂Laponite RD占混合单体的质量比为3.5%～8.5%，所用乳化速度为6000 r/min～11000 r/min，乳化时间为15 min～30 min。

优选的，步骤（3）所用引发剂为过硫酸铵溶液或过硫酸钾溶液和磷酸氢二钾溶液中的一种，且引发剂的用量是混合单体质量的0.1%～1%。

采用本发明制备方法制得的基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶。

本发明的有益效果是：

Laponite RD 是一种人工合成的锂皂石，是无机纳米颗粒，常用作牙膏的触变剂。本发明以Laponite RD为稳定剂，能同时稳定亲油（MMA）、亲水（MAA）和交联剂（EGDMA）组成的混合单体制备的Pickering乳液，并通过聚合反应获得微凝胶分散体系，而且以Laponite RD取代以前使用的SDS，使本发明制备的微凝胶具有流动性强、改变pH值可快速固化、毒性小、环保和节约资源等优点，适用于软组织的修复。

附图说明

图1是一种基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶在不同pH下的湿态粒径大小及粒径分布情况图，其中（a）和（b）是实施例1的附图，（c）和（d）是实施例2的附图。（a）图和（c）图表示不同pH下平均粒径的变化；（b）图和（d）图表示不同pH下粒径分布图。

图2是实施例2中基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶的流动性随pH值的变化图（pH诱导的凝胶化现象，质量分率为6%）。

图3是一种基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶的干态扫描电子显微镜图，其中（a）是实施例1的附图，（b）是实施例2的附图。

图4是实施例1中基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶的透射电子显微镜图。

图5是实施例2中基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶的质量分率为6%的分散体系的流变性能随pH值的变化曲线：其中（a）是在25℃，震荡频率为1Hz的条件下，测得的各样品的储能模量G′随应变量的变化；（b）是在25℃，震荡频率为1Hz的条件下，测得的各样品的损耗因子随应变量的变化；（c）是取应变量为1%时的各样品的储能模量G′值和pH做响应的曲线；（d）是取应变量为1%时的各样品的损耗因子值和pH做响应的曲线。

具体实施方式

实施例1

以聚乙二醇单甲基丙烯酸酯（PEGMA，分子为360）为修饰剂，采用预乳化-聚合的方法制备一种基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶，具体步骤如下：

（1）称取1.508 g Laponite RD，搅拌下缓慢加到138 g去离子水中，直至溶液变透明，得质量分率为1.08%的Laponite RD溶液。

（2）称取0.1005 g的聚乙二醇单甲基丙烯酸酯溶于10 g的去离子水中，得质量分率为1.00%的聚乙二醇单甲基丙烯酸酯溶液。

（3）将步骤（2）所得聚乙二醇单甲基丙烯酸酯溶液在搅拌下逐滴加到步骤（1）所得Laponite RD溶液中，放置一晚进行表面修饰，以增加Laponite RD稳定剂和有机组分的相容性，最后得稳定的改性Laponite RD分散液。

（4）称取16.48 g甲基丙烯酸甲酯，8.27 g甲基丙烯酸，0.24 g双甲基丙烯酸乙二醇酯，混合均匀，得混合单体。

（5）将步骤（4）所得混合单体连续滴加到均质速度为8000 r/min的步骤（3）所得稳定的改性Laponite RD分散液中，滴加过程中出现凝胶化现象时增加均质速度到11000 r/min，然后继续滴加混合单体至混合体系重新变稀，再将均质速度降到8000 r/min，继续滴加完所有混合单体，持续乳化30min后得到Pickering乳液。

（6）将步骤（5）所得Pickering乳液倒入已预先通氮气的带有回流装置的四口瓶内，在搅拌速度50 r/min的条件下通氮气排除乳液中的氧气20 min。升温55℃，液面在氮气保护下将转速升至280 r/min，依次加入过硫酸钾溶液和磷酸氢二钾溶液，所述过硫酸钾溶液的配制方法为称取0.0453 g过硫酸钾溶于1 g去离子水，所述磷酸氢二钾溶液的配制方法为称取0.0239 g磷酸氢二钾溶于1 g去离子水，聚合反应至混合单体的酸味消失且出现少许甜味时结束，大概需要9 h左右。

（7）将步骤（6）的反应体系缓慢冷却至水浴温度接近室温，停止搅拌，取出产物，得到微凝胶的分散液。

实施例2

以3-氨基丙烷磺酸为修饰剂，采用种子乳液聚合的方法制备一种基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶，具体步骤如下：

（1）称取2.7179 g Laponite RD，搅拌下缓慢加到128 g去离子水中，直至溶液变透明，得质量分率为2.08%的Laponite RD溶液。

（2）称取0.0545 g 3-氨基丙烷磺酸溶于20 g去离子水中，得质量分率为0.27%的3-氨基丙烷磺酸溶液。

（3）将步骤（2）所得3-氨基丙烷磺酸溶液在搅拌下逐滴加到步骤（1）所得Laponite RD溶液中，放置一晚进行表面修饰，以增加Laponite RD稳定剂和有机组分的相容性，最后得稳定的改性Laponite RD分散液。

（4）称取24.05 g甲基丙烯酸甲酯，12.05 g甲基丙烯酸，0.2 g双甲基丙烯酸乙二醇酯混合均匀，得混合单体。

（5）取12 g步骤（4）所得混合单体连续滴加到均质速度为8500 r/min的步骤（3）所得稳定的改性Laponite RD分散液中，滴加过程中出现凝胶化现象时增加均质速度到10000 r/min，然后继续滴加混合单体至混合体系重新变稀，再将均质速度降到8200 r/min，继续滴加完所有混合单体。为保持液面平稳，均质速度再次降到7000 r/min，持续乳化17 min后得到Pickering乳液。

（6）将步骤（5）所得Pickering乳液倒入已预先通氮气的带有回流装置的四口瓶内，在搅拌速度为50 r/min的条件下通氮气排除乳液中的氧气10 min。升温至60℃，液面在氮气保护下将转速升至260 r/min，依次加入过硫酸钾溶液和磷酸氢二钾溶液，所述过硫酸钾溶液的配制方法为称取0.0461 g过硫酸钾溶于1 g去离子水，所述磷酸氢二钾溶液的配制方法为称取0.0277 g磷酸氢二钾溶于1 g去离子水，聚合反应30 min。

（7）将步骤（4）剩余的24.3 g混合单体用匀速进液泵以0.27 g/min的速度在90 min内滴加到步骤（6）所得乳液中，聚合反应再持续6 h。

（8）最后将步骤（7）的反应体系在搅拌下冷却至室温后收取微凝胶的分散液。

实施例3

以甘油为修饰剂，采用种子乳液聚合的方法制备一种基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶，具体步骤如下：

（1）称取2.7059 g Laponite RD，搅拌下缓慢加到147 g去离子水中，直至溶液变透明，得质量分率为1.81%的Laponite RD溶液。

（2）称取1.01 g甘油溶于9 g去离子水中，得质量分率为10.09%的甘油溶液。

（3）将步骤（2）所得甘油溶液在搅拌下逐滴加到步骤（1）所得Laponite RD溶液中，放置一晚进行表面修饰，以增加Laponite RD稳定剂和有机组分的相容性，最后得稳定的改性Laponite RD分散液。

（4）称取24.05 g甲基丙烯酸甲酯，12.05 g甲基丙烯酸，0.04 g双甲基丙烯酸乙二醇酯，混合均匀，得混合单体。

（5）取12 g步骤（4）所得混合单体连续滴加到均质速度为8500 r/min的步骤（3）所得稳定的改性Laponite RD分散液中，滴加过程中出现凝胶化现象时增加均质速度到10000 r/min，然后继续滴加混合单体至混合体系重新变稀，再将均质速度降到8200 r/min，继续滴加完所有混合单体。为保持液面平稳，均质速度再次降到7000 r/min乳化6 min，然后再降至6000 r/min乳化11min后得到Pickering乳液。

（6）将步骤（5）所得Pickering乳液倒入已预先通氮气的带有回流装置的四口瓶内，在搅拌速度为50 r/min的情况下通氮气排除乳液中的氧气10min。升温至60℃，液面在氮气保护下将转速升至260 r/min，依次加入过硫酸钾溶液和磷酸氢二钾溶液，所述过硫酸钾溶液的配制方法为0.0461 g过硫酸钾溶于1 g去离子水，所述磷酸氢二钾溶液的配制方法为称取0.0277 g磷酸氢二钾溶于1 g去离子水，聚合反应30 min。

（7）将步骤（4）剩余的24.14 g混合单体用匀速进液泵以0.27 g/min的速度在90min内滴加到步骤（6）所得乳液中，聚合反应再持续6 h。

（8）最后将步骤（7）的反应体系在搅拌下冷却至室温后收取微凝胶的分散液。

实施例4

以γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷为修饰剂，采用种子乳液聚合的方法制备一种基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶，具体步骤如下：

（1）称取2.77 g Laponite RD，搅拌下缓慢加到128 g去离子水中，直至溶液变透明，得质量分率为2.12%的Laponite RD溶液。

（2）称取0.0277 g γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷溶于20 g去离子水中，得质量分率为0.14%的γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷溶液。

（3）将步骤（2）所得γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷溶液在搅拌下逐滴加到步骤（1）所得Laponite RD溶液中，放置一晚进行表面修饰，以增加Laponite RD稳定剂和有机组分的相容性，最后得稳定的改性Laponite RD分散液。

（4）称取24.05 g甲基丙烯酸甲酯，12.05 g甲基丙烯酸，0.1 g双甲基丙烯酸乙二醇酯混合均匀，得混合单体。

（5）取12 g步骤（4）所得混合单体连续滴加到均质速度为8500 r/min的步骤（3）所得稳定的改性Laponite RD分散液中，滴加过程中出现凝胶化现象时增加均质速度到10000 r/min，然后继续滴加混合单体至混合体系重新变稀，再将均质速度降到8100 r/min，继续滴加完所有混合单体。为保持液面平稳，均质速度再次降到7000 r/min乳化5 min，然后再降至6500 r/min乳化22 min后得到Pickering乳液。

（6）将步骤（5）所得Pickering乳液倒入已预先通氮气的带有回流装置的四口瓶内，在搅拌速度为50 r/min的情况下通氮气排除乳液中的氧气10 min。升温至60℃，液面在氮气保护下将转速升至260 r/min，依次加入过硫酸钾溶液和磷酸氢二钾溶液，所述过硫酸钾溶液的配制方法为称取0.0461 g过硫酸钾溶于1 g去离子水，所述磷酸氢二钾溶液的配制方法为称取0.0277 g磷酸氢二钾溶于1 g去离子水，聚合反应30 min。

（7）将步骤（4）剩余的24.2 g混合单体用匀速进液泵以0.27 g/min的速度在90 min内滴加到步骤（6）所得乳液中，聚合反应再持续6 h。

（8）最后将步骤（7）的反应体系在搅拌下冷却至室温后收取微凝胶的分散液。

实施例5

以L-赖氨酸为修饰剂，采用种子乳液聚合的方法制备一种基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶，具体步骤如下：

（1）称取2.77g Laponite RD，搅拌下缓慢加到128g去离子水中，直至溶液变透明，得质量分率为2.12%的Laponite RD溶液。

（2）称取0.028g L-赖氨酸溶于20g去离子水中，得质量分率为0.14%的L-赖氨酸溶液。

（3）将步骤（2）所得L-赖氨酸溶液在搅拌下逐滴加到步骤（1）所得Laponite RD溶液中，放置一晚进行表面修饰，以增加Laponite RD稳定剂和有机组分的相容性，最后得稳定的改性Laponite RD分散液。

（4）称取24.05 g甲基丙烯酸甲酯，12.05 g甲基丙烯酸，0.1 g双甲基丙烯酸乙二醇酯混合均匀，得混合单体。

（5）取12 g步骤（4）所得混合单体连续滴加到均质速度为8500 r/min的步骤（3）所得溶液中，滴加过程中出现凝胶化现象时增加均质速度到10000 r/min，然后继续滴加混合单体至混合体系重新变稀，再将均质速度降到8100 r/min，继续滴加完所有混合单体。为保持液面平稳，均质速度再次降到7000 r/min乳化5min，然后再降至6500 r/min乳化22min。

（6）将步骤（5）所得Pickering乳液倒入已预先通氮气的带有回流装置的四口瓶内，在搅拌速度为50 r/min的情况下通氮气排除乳液中的氧气10min。升温至60℃，液面在氮气保护下将转速升至260 r/min，依次加入过硫酸钾溶液和磷酸氢二钾溶液，所述过硫酸钾溶液的配制方法为称取0.0461g过硫酸钾溶于1g去离子水，所述磷酸氢二钾溶液的配制方法为称取0.0277g磷酸氢二钾溶于1g去离子水，聚合反应30min。

（7）将步骤（4）剩余的24.2 g混合单体用匀速进液泵以0.27g/min的速度在90 min内滴加到步骤（6）所得乳液中，聚合反应再持续6 h。

（8）最后将步骤（7）的反应体系在搅拌下冷却至室温后收取微凝胶的分散液。

实施例6

以聚乙二醇（分子量600）为修饰剂，采用预乳化-聚合的方法制备一种基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶，具体步骤如下：

（1）称取2.77g Laponite RD，搅拌下缓慢加到128g去离子水中，直至溶液变透明，得质量分率为2.12%的Laponite RD溶液。

（2）称取0.14g 聚乙二醇溶于20 g去离子水中，得质量分率为0.70%的聚乙二醇溶液。

（3）将步骤（2）所得聚乙二醇溶液在搅拌下逐滴加到步骤（1）所得Laponite RD溶液中，放置一晚进行表面修饰，以增加Laponite RD稳定剂和有机组分的相容性，最后得稳定的改性Laponite RD分散液。

（4）称取24.05g 甲基丙烯酸甲酯，12.05g 甲基丙烯酸，0.1g 双甲基丙烯酸乙二醇酯混合均匀，得混合单体。

（5）将步骤（4）所得混合单体连续滴加到均质速度为8000 r/min的步骤（3）所得溶液中，滴加过程中出现凝胶化现象时增加均质速度到11000 r/min，然后继续滴加混合单体至混合体系重新变稀，再将均质速度降到8000 r/min，继续滴加完所有混合单体，持续乳化30min。

（6）将步骤（5）所得乳液倒入已预先通氮气的带有回流装置的四口瓶内，在搅拌速度50 r/min的条件下通氮气排除乳液中的氧气20min。升温55℃，液面在氮气保护下将转速升至280 r/min，依次加入过硫酸钾溶液和磷酸氢二钾溶液，所述过硫酸钾溶液的配制方法为称取0.0453g过硫酸钾溶于1g去离子水，所述磷酸氢二钾溶液的配制方法为称取0.0239g磷酸氢二钾溶于1g去离子水，聚合反应至混合单体的酸味消失且出现少许甜味时结束，大概需要9h左右。

（7）将步骤（6）的反应体系缓慢冷却至水浴温度接近室温，停止搅拌，取出产物，得到微凝胶的分散液。

图谱分析

图1所示为一种基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶的粒径随pH值的变化曲线，其中图（a）和图（b）是以PEGMA为修饰剂（实施例1），采用预乳化-聚合的方法制备的微凝胶。微凝胶颗粒较小，粒径分布相对较窄，在pH为4～7的范围内，微凝胶粒径随pH升高而增大，原因为随pH升高，颗粒表层的羧基逐渐电离为羧酸根离子，增大了微粒的亲水性，颗粒表层溶胀，颗粒粒径增大；但当体系pH＞7后，粒径反而随pH升高而降低，原因为颗粒之间在乳液中有部分聚集。在低pH值时，颗粒表层的羧酸根之间的相斥作用不足以克服颗粒间的聚集，而在高pH值时，颗粒内部的羧基也被电离，羧酸根离子密度增大，产生了较强的相斥作用，迫使颗粒间解聚，测量的粒径反而变小。图（c）和图（d）是以3-氨基丙烷磺酸为修饰剂（实施例2），采用种子乳液聚合的方式制备的微凝胶，所得微凝胶粒径在微米级。低pH（pH＝5.6左右）时颗粒之间有团聚现象，测量粒径较大（9.25 ），之后随pH升高粒子间解聚，测量粒径变小， pH升至6.7时，测量粒径达到最小值（4.62 ）。而后粒径随pH升高而增大，直到pH＝8.3时微凝胶颗粒达到了最大溶胀率。

图2是实施例2中基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶的流动性随pH值的变化图（pH诱导的凝胶化现象，质量分率为6%）。初始状态是水直接稀释后的微凝胶分散体系（此时pH约为5），标注pH的样品是加NaOH调节微凝胶分散体系后的pH值。从图中明显看到质量分率为6%的基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶，当pH调节到7.5时，微凝胶颗粒亲水溶胀，颗粒间相互挤压、互穿，形成了非流动的粘稠凝胶。

图3所示为一种基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶的干态扫描电子显微镜图。其中图（a）是以PEGMA为修饰剂（实施例1），采用预乳化-聚合的方法制备的微凝胶。从图（a）可以看出，微凝胶颗粒较小，形状不规则，颗粒间有粘连现象。图（b）是以3-氨基丙烷磺酸为修饰剂（实施例2），采用种子乳液聚合的方式制备的微凝胶。从图（b）可以看出，所得微凝胶粒径多数在5μm以下，形状不规则，且可以明显观察到颗粒类似“菜花”状的紧密结构。

因此可以确定采用预乳化-聚合和种子乳液聚合两种模式，尽管都可以形成宏观上分散良好的基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶，但聚合机理明显不同。

图4是实施例1中一种基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶的透射电子显微镜图。由图可以推测采用预乳化-聚合的方法制备的微凝胶中Laponite RD分布均匀，且Laponite RD确实可以起到稳定有机单体液滴的作用。

图5是实施例2中质量分率为6%的基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶的流变性能随pH值的变化曲线，其中图（a）和图（b）是在25℃，震荡频率为1Hz的条件下，测得的各样品的储能模量G′和损耗因子随应变量的变化。G′和的大小反应出微凝胶分散体系随pH变化的情况。从图（a）和图（b）可知，pH≤7时，微凝胶分散体系的储能模量G′值很低，且>1，说明体系为流动态；pH＝7.5时，G′值增至约6000Pa，约=0.08，说明此时体系变为凝聚态。图（c）和图（d）分别是取应变为1%时的各样品的G′和值和pH做响应的曲线，由图可直观看到基于Laponite RD的pH响应性复合微凝胶在各pH值下的流变性能，即pH≤7，体系为流动态，pH在7～9范围内，微凝胶颗粒由外到内是逐渐溶胀的过程。在pH≥10后，微凝胶颗粒逐渐解聚，表现为G′开始下降。

如果作为生物软组织修复等低pH环境下的原料使用，少量交联剂的微凝胶就可以满足需要，但若需要长期在pH≥10的环境下使用，则需更多的交联剂。