＊黃紫璇 黃玘琛 陳子敬 李楊波 楊瀟 牟鳴薇

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院 湖南 410114）

多數(shù)身體不適第一癥狀表現(xiàn)為高熱，此間進(jìn)行體溫監(jiān)測(cè)是辨別身體健康的重要方法。傳統(tǒng)測(cè)量方式為水銀溫度計(jì)和額溫槍，測(cè)溫耗時(shí)長(zhǎng)且缺乏準(zhǔn)確性，監(jiān)測(cè)效率低。特別對(duì)于嬰幼兒體溫變化經(jīng)常疏于檢測(cè)難以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)孩童身體不適，基于此，實(shí)時(shí)檢測(cè)、便攜、準(zhǔn)確的溫度測(cè)試裝備具有研究意義。本研究制備隨溫度升高而顏色變化的多功能可視化復(fù)合水凝膠。通過(guò)調(diào)控分子構(gòu)型與分子量，實(shí)現(xiàn)水凝膠溫度敏感可控性。將此材料做成貼片，能提高體溫自檢精確度及效率。本材料具有高度生物相容性，無(wú)毒害作用，能做成可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嬰幼兒體溫的水凝膠貼片，當(dāng)兒童體溫升高后貼紙會(huì)變色以及時(shí)提醒監(jiān)護(hù)人檢查孩童健康狀態(tài)。

1.實(shí)驗(yàn)部分

(1)試劑

異丙基丙烯酰胺（NIPAM，＞98%，麥克林），過(guò)硫酸銨（APS，分析純，麥克林），N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA，＞98%，麥克林），十二烷基硫酸鈉（SDS，＞98%，麥克林）。PVA1088，PVA1099，PVA1788，PVA1799，PVA2088，PVA2099，試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。（注：PVA1088表示聚合度1000，醇解度88%的PVA，以此類推。）2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰膽堿（MPC，麥克林），甲基丙烯酸丁酯（BMA，麥克林），對(duì)苯乙烯基硼酸（VPBA，上海浩鴻），4-氰基-4-(硫代苯甲酰)戊酸（CPD，薩恩化學(xué)），2,2’-偶氮二異丁腈（AIBN，麥克林），氘代甲醇（上海泰坦），試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

(2)儀器

循環(huán)水式真空泵，分析天平，恒溫磁力攪拌水浴鍋，紫外可見分光光度計(jì)。電熱恒溫水浴鍋，電子精密天平，85-2恒溫磁力攪拌器，Brookfield黏度計(jì)，立式壓力蒸汽滅菌鍋。真空泵，減壓器，電動(dòng)機(jī)，核磁共振分析儀，WH-3微型旋渦混合儀。

(3)制備過(guò)程

①PNIPAM的制備。聚（n-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）是經(jīng)典的溫度敏感聚合物，最早在20世紀(jì)50年代合成，至今仍是研究和應(yīng)用廣泛的智能聚合物[1]。NIPAM具不飽和C=C雙鍵，可通過(guò)自由基聚合法制備，是溫敏型凝膠PNIPAM的最主要成分。以NIPAM為單體，MBA為交聯(lián)劑，APS為引發(fā)劑，可在70℃條件下制備PNIPAM，合成中添加SDS可改變PNIPAM的LCST。參照包辛未[2]實(shí)驗(yàn)方案，采用乳液聚合法制備PNIPAM，改變SDS加入量調(diào)節(jié)PNIPAM的LCST。稱取1.0g NIPAM于500mL三口燒瓶中，加水?dāng)嚢枞芙狻＜尤?.09g MBA和一定量SDS攪拌溶解。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)溫度，反應(yīng)前采用氬氣換氣，反應(yīng)中持續(xù)攪拌。稱0.1g APS溶于水后加入反應(yīng)液，70℃反應(yīng)5h。反應(yīng)后，將PNIPAM溶液透析2～3d后凍干備用。

②PVA溶液的制備。聚乙烯醇（PVA）是人工合成的高分子化合物，單體為烯醇，溫度大于95℃可溶于水。PVA聚合度越大，溶解度越小，溶解后越黏稠。所需溶解時(shí)間長(zhǎng)，可采用高壓蒸汽滅菌鍋溶解，條件為0.1MPa，121℃，30min。通過(guò)結(jié)合不同分子量及醇解度PVA制備水凝膠并探討成膠后結(jié)構(gòu)及性質(zhì)變化，對(duì)不同PVA的黏度與聚合度、醇解度、濃度、溫度進(jìn)行探究，從而整體調(diào)控復(fù)合水凝膠在應(yīng)用中所需特性。

③PMBV的制備。MPC側(cè)鏈的磷酰膽堿與細(xì)胞膜磷脂雙分子層具有類似結(jié)構(gòu)，具有良好的生物兼容性。為保證水凝膠交聯(lián)成膠，降低反應(yīng)條件，引入VPBA。利用硼酸根可與多基團(tuán)結(jié)合，使其與3～5個(gè)羥基結(jié)合，保證水凝膠的機(jī)械穩(wěn)定性。配置5mL單體總濃度為0.5mol/L的PMBV共3種，各PMBV單體摩爾比為MPC:BMA:VPBA=5:2:3、5:3:2、6:2:2。真空泵抽凈反應(yīng)管中的空氣，注射器植入按比例配置的反應(yīng)液，將反應(yīng)管中氣體抽干并充入氬氣。上述混合物70℃下水浴鍋中反應(yīng)18h～20h，反應(yīng)中隔絕空氣。反應(yīng)后用乙醚:氯仿=1:4混合液進(jìn)行抽提。抽濾后將所得物質(zhì)真空干燥，得到乳白色粉末狀PMBV。

④多功能型復(fù)合水凝膠制備。PMBV具有高親水性，且有疏水性基團(tuán)，能負(fù)載具有驅(qū)蟲效果的精油制備功能復(fù)合型水凝膠。將PNIPAM、PMBV、PVA按一定比例混溶，得到特定溫度響應(yīng)顏色變化的多功能水凝膠。將PMBV溶于水中，1:1混合PNIPAM水凝膠后滴入精油，與PVA水溶液自交聯(lián)，具體操作步驟如下：

A.配置5%的PMBV水溶液。B.PVA水溶液的選取。配置1088、1099、1788、1799、2088、2099六種10% PVA水溶液。取200μL PMBV，分別與200μL 10%的六種PVA溶液震蕩混勻。PVA分子量越大成膠時(shí)間越短。PVA2088和PVA2099加入PMBV瞬間黏度升高，震蕩1～2s后交聯(lián)。PVA1088和PVA1099混合后約4～5s后交聯(lián)，表現(xiàn)為液體停止旋轉(zhuǎn)。因此采用PVA2088、PVA2099進(jìn)行后續(xù)成膠實(shí)驗(yàn)。C.PNIPAM、PMBV、PVA混合。取200μL PNIPAM和PVA等比例混溶，此時(shí)溫敏效果良好，加入200μL PMBV后快速震蕩混勻。

(4)測(cè)試表征

PNIPAM的LCST測(cè)定采用雙光束紫外可見分光光度計(jì)測(cè)試，500nm波長(zhǎng)下單波長(zhǎng)掃描模式測(cè)定PNIPAM水溶液不同溫度時(shí)的光透過(guò)率。合成的PMBV分子結(jié)構(gòu)通過(guò)核磁共振測(cè)波譜儀1H-NMR測(cè)定，以氘代甲醇為溶劑，通過(guò)光譜分析PMBV中各單體組成比。

2.結(jié)果和討論

(1)PNIPAM

①SDS影響LCST。PNIPAM的LCST以人體體溫37℃為目標(biāo)，通過(guò)改變SDS添加量制備不同LCST的溫敏PNIPAM，探究SDS對(duì)PNIPAM水溶液LCST的影響（表1）。由表1可知，PNIPAM的LCST值隨SDS量增大呈升高趨勢(shì)。當(dāng)SDS為0.05g時(shí)，PNIPAM的LCST值在37℃，故采用試樣4。

表1 不同表面活性劑量的改性凝膠的投料量

②PNIPAM的溫敏特性。PNIPAM在低于和高于LCST時(shí)出現(xiàn)不同的應(yīng)答反應(yīng)，PNIPAM溶液為0.03g/mL時(shí)在冰水和熱水中反應(yīng)最明顯。PNIPAM水溶液于低LCST 10℃及以下冷水中呈無(wú)色透明狀，于高于LCST 37℃及以上熱水中呈白色沉淀狀，溶液不透明，且交換環(huán)境溫度后顏色變化迅速且明顯，因此本研究制備的PNIPAM具有良好溫敏特性。

(2)PVA

①PVA的黏度與聚合度、醇解度的關(guān)系。6種PVA溶解分別制得相應(yīng)的水凝膠，濃度為10%，室溫下通過(guò)Brookfield黏度計(jì)測(cè)定其黏度如圖1所示。

圖1 PVA的聚合度，醇解度與黏度變化圖

隨著聚合度的增大，聚乙烯醇水溶液的黏度也呈現(xiàn)出變大趨勢(shì)；隨著醇解度的增大，聚合度與黏度也呈現(xiàn)出正相關(guān)的變化趨勢(shì)，且醇解度對(duì)黏度的影響更大。

②PVA的黏度與濃度關(guān)系。用相同的方法處理2%，4%，6%，8%的PVA1088，PVA1099，得到黏度隨濃度變化數(shù)據(jù)，得到圖2所示的折線圖。

圖2 PVA的黏度與濃度關(guān)系圖

PVA黏度隨濃度的增加而增大，其中PVA1088線性關(guān)系較好。但PVA1099系列線性關(guān)系不夠明晰，根據(jù)文獻(xiàn)了解可能由于未考慮聚合物本身鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)[3]。

③PVA的黏度與溫度關(guān)系。采用水浴加熱法將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的1088，1099，1788，1799四體系PVA加熱到80℃，隨室溫冷卻，每隔5℃測(cè)一次黏度，通過(guò)測(cè)定其黏度隨溫度變化得到PVA黏度隨溫度變化關(guān)系圖（圖3）[4]。由圖3可見，PVA黏度隨溫度降低呈升高趨勢(shì)，且PVA分子量越大，其黏度變化趨勢(shì)越明顯[5-9]。

圖3 PVA黏度與溫度關(guān)系圖

(3)PMBV表征

H-NMR證明合成PMBV各單體結(jié)構(gòu)比與預(yù)期一致（圖4），PMBV523由約50% MPC、20% BMA、30% VPBA組成[10-11]。

圖4 PMBV523核磁圖譜

(4)多功能型復(fù)合水凝膠

將PNIPAM、PMBV、PVA三者按比例震蕩混勻后，倒置觀察成膠情況，圖5為復(fù)合水凝膠在冷熱水中的對(duì)比圖。

圖5 冷熱水中復(fù)合水凝膠對(duì)比圖

復(fù)合水凝膠成膠速度快，膠體穩(wěn)定，圖中左邊為置于冷水（10℃，低于LCST）的水凝膠，右邊為置于熱水（37℃，高于LCST）的水凝膠，顏色變化快。雖PMBV具有疏水性，但試驗(yàn)時(shí)未能將精油負(fù)載進(jìn)膠體中，可能由所選精油的水溶性效果不佳造成。

3.總結(jié)與展望

PNIPAM已成為溫敏材料研究的熱點(diǎn)，但PNIPAM難以自然降解、響應(yīng)速度慢、機(jī)械強(qiáng)度不夠等缺點(diǎn)嚴(yán)重限制其應(yīng)用。本研究對(duì)不同分子量和醇解度的PVA進(jìn)行探究，得到溫度和分子結(jié)構(gòu)對(duì)其水溶液的影響。實(shí)驗(yàn)證明，改變各單體比例能調(diào)節(jié)PMBV分子鏈結(jié)構(gòu)，改變AIBN濃度，可調(diào)節(jié)PMBV分子鏈長(zhǎng)度。PMBV疏水性基團(tuán)可負(fù)載疏水熒光染料，如ANS和pyrene等，制備得到熒光水凝膠。將PNIPAM、PVA、PMBV混溶后合成的多功能復(fù)合型水凝膠溫敏效果良好，對(duì)人體無(wú)毒害，溫變效果明顯且迅速，有望制成皮膚貼片用于成人和兒童體溫自查與監(jiān)測(cè)。