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高浓度PNIPAAm纳米凝胶分散体的多重相行为研究

张丹  
【摘要】: 随温度的变化,高浓度的聚N-异丙基丙烯酰胺纳米凝胶(PNIPAAm Nanogel)分散体表现出多重相态变化。纳米凝胶的分子结构、粒径、介质环境等众多因素都对这种多重相态变化有强烈影响。高浓度纳米凝胶分散体特殊的相态、流变学性质在生物医学工程领域中具有广泛的应用前景,如做为可注射的原位胶凝材料、介入治疗血管栓塞材料等。本文研究的PNIPAAm纳米凝胶是平均粒径在150~600 nm的水凝胶纳米粒,其分散体具有显著的触变性和快速温度响应性。主要研究内容和结果如下: (1)用沉淀聚合法制备了四种表面活性剂用量不同的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)纳米凝胶,动态光散射(DLS)检测其粒径分别为573.4 nm、340.6 nm、247.7nm、192.5 nm,且单分散性好。用扫描电镜表征纳米凝胶低温干燥颗粒的表面形貌特征,结果与动态光散射表征结果相吻合。用原子力显微镜表征纳米凝胶高温干燥颗粒的表面形貌,发现粒径对纳米凝胶的收缩行为有影响,粒径小的纳米凝胶粒子收缩后仍为球形,粒径大的收缩后则形成不规则的皱缩体。 (2)用动态光散射法测定纳米凝胶的粒径随温度的变化。四种不同粒径的纳米凝胶体积相转变温度均为32℃,体积相转变是可逆的,但溶胀过程较消溶胀过程具有滞后性。根据粒径随温度的变化计算出溶胀率随温度的变化,制作溶胀率关于温度的变化曲线,结果发现四种纳米凝胶达到溶胀平衡所需的温度区间以粒径最大的样品为最大;另外溶胀达到平衡时,各样品的溶胀率随粒径降低而增大。用时间扫描的UV-Vis分光光度法研究纳米凝胶体积相转变的动力学过程,发现四种纳米凝胶的消溶胀体积相转变均在100s之内完成,溶胀动力学曲线较消溶胀过程具有滞后性。 (3)用瓶倒转法结合目视法研究了四种粒径的PNIPAAm纳米凝胶的高浓度分散体的温敏相行为。高浓度的PNIPAAm纳米凝胶分散体随粒径、温度、浓度的不同可表现出6种相状态,分别是半透明的溶胀凝胶、均一透明的流体、黏性流体、不透明的溶胀凝胶、物理交联的凝胶网络、相分离的胶体流体。其中247.4 nm和192.5 nm的两种纳米凝胶的15%分散体可在37℃水中形成稳定的物理交联的凝胶网络并保持自己的形态,即用于介入治疗血管栓塞剂时能形成稳定的栓塞。高浓度的PNIPAAm纳米凝胶分散体的黏度变化同样反映了粒径对其的影响:粒径较大的两种PNIPAAm纳米凝胶分散体在温度较低时有较大的黏度,随温度增加,黏度降低;而粒径较小的两种PNIPAAm纳米凝胶分散体在温度较低时黏度较小,随温度增加,在发生体积相转变时黏度急剧增大。这四种高浓度的PNIPAAm纳米凝胶分散体都具有明显的剪切变稀特性。 (4)研究了非离子型造影剂碘帕醇对PNIPAAm纳米凝胶的影响。动态光散射法发现碘帕醇的加入能够使纳米凝胶低浓度分散体粒子的粒径较同样条件下未加碘帕醇的样品增大,且碘帕醇浓度越大这种趋势越明显;碘帕醇加入后纳米凝胶粒子的体积相转变温度升高。瓶倒转法结合目视法观测纳米凝胶高浓度分散体加入碘帕醇以后的相行为,发现碘帕醇的加入使相分离温度升高5℃。用黏度计(DV-Ⅱ+pro,Brookfield)研究纳米凝胶分散体加入碘帕醇后的流变学行为,发现碘帕醇的加入不会增加纳米凝胶分散体的黏度,也不改变其剪切变稀的性能。 总之,本文所研究的聚N-异丙基丙烯酰胺温敏纳米凝胶分散体是一种新型的温敏材料,随着温度的变化,其表现出多重相行为。对其多重相行为的研究具有重要意义。


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