可视化温敏变色型实时体温监测复合水凝胶的制备与应用

＊黄紫璇 黄玘琛 陈子敬 李杨波 杨潇 牟鸣薇

（长沙理工大学 食品与生物工程学院 湖南 410114）

多数身体不适第一症状表现为高热，此间进行体温监测是辨别身体健康的重要方法。传统测量方式为水银温度计和额温枪，测温耗时长且缺乏准确性，监测效率低。特别对于婴幼儿体温变化经常疏于检测难以第一时间发现孩童身体不适，基于此，实时检测、便携、准确的温度测试装备具有研究意义。本研究制备随温度升高而颜色变化的多功能可视化复合水凝胶。通过调控分子构型与分子量，实现水凝胶温度敏感可控性。将此材料做成贴片，能提高体温自检精确度及效率。本材料具有高度生物相容性，无毒害作用，能做成可实时监测婴幼儿体温的水凝胶贴片，当儿童体温升高后贴纸会变色以及时提醒监护人检查孩童健康状态。

1.实验部分

(1)试剂

异丙基丙烯酰胺（NIPAM，＞98%，麦克林），过硫酸铵（APS，分析纯，麦克林），N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA，＞98%，麦克林），十二烷基硫酸钠（SDS，＞98%，麦克林）。PVA1088，PVA1099，PVA1788，PVA1799，PVA2088，PVA2099，试剂均为国产分析纯。（注：PVA1088表示聚合度1000，醇解度88%的PVA，以此类推。）2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱（MPC，麦克林），甲基丙烯酸丁酯（BMA，麦克林），对苯乙烯基硼酸（VPBA，上海浩鸿），4-氰基-4-(硫代苯甲酰)戊酸（CPD，萨恩化学），2,2’-偶氮二异丁腈（AIBN，麦克林），氘代甲醇（上海泰坦），试剂均为国产分析纯。

(2)仪器

循环水式真空泵，分析天平，恒温磁力搅拌水浴锅，紫外可见分光光度计。电热恒温水浴锅，电子精密天平，85-2恒温磁力搅拌器，Brookfield黏度计，立式压力蒸汽灭菌锅。真空泵，减压器，电动机，核磁共振分析仪，WH-3微型旋涡混合仪。

(3)制备过程

①PNIPAM的制备。聚（n-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）是经典的温度敏感聚合物，最早在20世纪50年代合成，至今仍是研究和应用广泛的智能聚合物[1]。NIPAM具不饱和C=C双键，可通过自由基聚合法制备，是温敏型凝胶PNIPAM的最主要成分。以NIPAM为单体，MBA为交联剂，APS为引发剂，可在70℃条件下制备PNIPAM，合成中添加SDS可改变PNIPAM的LCST。参照包辛未[2]实验方案，采用乳液聚合法制备PNIPAM，改变SDS加入量调节PNIPAM的LCST。称取1.0g NIPAM于500mL三口烧瓶中，加水搅拌溶解。加入0.09g MBA和一定量SDS搅拌溶解。实时监测反应温度，反应前采用氩气换气，反应中持续搅拌。称0.1g APS溶于水后加入反应液，70℃反应5h。反应后，将PNIPAM溶液透析2～3d后冻干备用。

②PVA溶液的制备。聚乙烯醇（PVA）是人工合成的高分子化合物，单体为烯醇，温度大于95℃可溶于水。PVA聚合度越大，溶解度越小，溶解后越黏稠。所需溶解时间长，可采用高压蒸汽灭菌锅溶解，条件为0.1MPa，121℃，30min。通过结合不同分子量及醇解度PVA制备水凝胶并探讨成胶后结构及性质变化，对不同PVA的黏度与聚合度、醇解度、浓度、温度进行探究，从而整体调控复合水凝胶在应用中所需特性。

③PMBV的制备。MPC侧链的磷酰胆碱与细胞膜磷脂双分子层具有类似结构，具有良好的生物兼容性。为保证水凝胶交联成胶，降低反应条件，引入VPBA。利用硼酸根可与多基团结合，使其与3～5个羟基结合，保证水凝胶的机械稳定性。配置5mL单体总浓度为0.5mol/L的PMBV共3种，各PMBV单体摩尔比为MPC:BMA:VPBA=5:2:3、5:3:2、6:2:2。真空泵抽净反应管中的空气，注射器植入按比例配置的反应液，将反应管中气体抽干并充入氩气。上述混合物70℃下水浴锅中反应18h～20h，反应中隔绝空气。反应后用乙醚:氯仿=1:4混合液进行抽提。抽滤后将所得物质真空干燥，得到乳白色粉末状PMBV。

④多功能型复合水凝胶制备。PMBV具有高亲水性，且有疏水性基团，能负载具有驱虫效果的精油制备功能复合型水凝胶。将PNIPAM、PMBV、PVA按一定比例混溶，得到特定温度响应颜色变化的多功能水凝胶。将PMBV溶于水中，1:1混合PNIPAM水凝胶后滴入精油，与PVA水溶液自交联，具体操作步骤如下：

A.配置5%的PMBV水溶液。B.PVA水溶液的选取。配置1088、1099、1788、1799、2088、2099六种10% PVA水溶液。取200μL PMBV，分别与200μL 10%的六种PVA溶液震荡混匀。PVA分子量越大成胶时间越短。PVA2088和PVA2099加入PMBV瞬间黏度升高，震荡1～2s后交联。PVA1088和PVA1099混合后约4～5s后交联，表现为液体停止旋转。因此采用PVA2088、PVA2099进行后续成胶实验。C.PNIPAM、PMBV、PVA混合。取200μL PNIPAM和PVA等比例混溶，此时温敏效果良好，加入200μL PMBV后快速震荡混匀。

(4)测试表征

PNIPAM的LCST测定采用双光束紫外可见分光光度计测试，500nm波长下单波长扫描模式测定PNIPAM水溶液不同温度时的光透过率。合成的PMBV分子结构通过核磁共振测波谱仪1H-NMR测定，以氘代甲醇为溶剂，通过光谱分析PMBV中各单体组成比。

2.结果和讨论

(1)PNIPAM

①SDS影响LCST。PNIPAM的LCST以人体体温37℃为目标，通过改变SDS添加量制备不同LCST的温敏PNIPAM，探究SDS对PNIPAM水溶液LCST的影响（表1）。由表1可知，PNIPAM的LCST值随SDS量增大呈升高趋势。当SDS为0.05g时，PNIPAM的LCST值在37℃，故采用试样4。

表1 不同表面活性剂量的改性凝胶的投料量

②PNIPAM的温敏特性。PNIPAM在低于和高于LCST时出现不同的应答反应，PNIPAM溶液为0.03g/mL时在冰水和热水中反应最明显。PNIPAM水溶液于低LCST 10℃及以下冷水中呈无色透明状，于高于LCST 37℃及以上热水中呈白色沉淀状，溶液不透明，且交换环境温度后颜色变化迅速且明显，因此本研究制备的PNIPAM具有良好温敏特性。

(2)PVA

①PVA的黏度与聚合度、醇解度的关系。6种PVA溶解分别制得相应的水凝胶，浓度为10%，室温下通过Brookfield黏度计测定其黏度如图1所示。

图1 PVA的聚合度，醇解度与黏度变化图

随着聚合度的增大，聚乙烯醇水溶液的黏度也呈现出变大趋势；随着醇解度的增大，聚合度与黏度也呈现出正相关的变化趋势，且醇解度对黏度的影响更大。

②PVA的黏度与浓度关系。用相同的方法处理2%，4%，6%，8%的PVA1088，PVA1099，得到黏度随浓度变化数据，得到图2所示的折线图。

图2 PVA的黏度与浓度关系图

PVA黏度随浓度的增加而增大，其中PVA1088线性关系较好。但PVA1099系列线性关系不够明晰，根据文献了解可能由于未考虑聚合物本身链式结构[3]。

③PVA的黏度与温度关系。采用水浴加热法将质量分数为10%的1088，1099，1788，1799四体系PVA加热到80℃，随室温冷却，每隔5℃测一次黏度，通过测定其黏度随温度变化得到PVA黏度随温度变化关系图（图3）[4]。由图3可见，PVA黏度随温度降低呈升高趋势，且PVA分子量越大，其黏度变化趋势越明显[5-9]。

图3 PVA黏度与温度关系图

(3)PMBV表征

H-NMR证明合成PMBV各单体结构比与预期一致（图4），PMBV523由约50% MPC、20% BMA、30% VPBA组成[10-11]。

图4 PMBV523核磁图谱

(4)多功能型复合水凝胶

将PNIPAM、PMBV、PVA三者按比例震荡混匀后，倒置观察成胶情况，图5为复合水凝胶在冷热水中的对比图。

图5 冷热水中复合水凝胶对比图

复合水凝胶成胶速度快，胶体稳定，图中左边为置于冷水（10℃，低于LCST）的水凝胶，右边为置于热水（37℃，高于LCST）的水凝胶，颜色变化快。虽PMBV具有疏水性，但试验时未能将精油负载进胶体中，可能由所选精油的水溶性效果不佳造成。

3.总结与展望

PNIPAM已成为温敏材料研究的热点，但PNIPAM难以自然降解、响应速度慢、机械强度不够等缺点严重限制其应用。本研究对不同分子量和醇解度的PVA进行探究，得到温度和分子结构对其水溶液的影响。实验证明，改变各单体比例能调节PMBV分子链结构，改变AIBN浓度，可调节PMBV分子链长度。PMBV疏水性基团可负载疏水荧光染料，如ANS和pyrene等，制备得到荧光水凝胶。将PNIPAM、PVA、PMBV混溶后合成的多功能复合型水凝胶温敏效果良好，对人体无毒害，温变效果明显且迅速，有望制成皮肤贴片用于成人和儿童体温自查与监测。