合成具有各向异性热响应性及亲油/亲水负载能力的聚(N-异丙基丙烯酰胺) Janus 微凝胶

摘要

我们提出一种制备完全由同一种基础材料——聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）构成的Janus微凝胶的方案，其结构具有明显的区室化特征，基于过饱和NIPAAm单体溶液的相分离形成。所合成的Janus微凝胶表现出独特的性质，如各向异性的热响应性以及亲油/亲水性负载能力。

摘要

Janus 微粒是一种具有分区结构的微粒，其两侧具有不同的分子结构和/或功能特性。由于这一独特性质，Janus 微粒已被视为一类新型材料，因而受到多个研究领域的广泛关注。这些微粒的多功能性已在其作为自组装结构单元、电响应驱动器、涂料和化妆品中的乳化剂以及药物递送载体等方面的应用中得到充分体现。本研究介绍了一种详细的实验方案，明确描述了一种基于单一基础材料——聚（N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAAm）。首先生成Janus微液滴 通过 一种基于过饱和水相NIPAAm单体溶液分离的流体动力学聚焦微流控装置（HFMD），并通过紫外光照射引发聚合。所制备的Janus微凝胶完全由相同的基质材料构成，具有清晰可辨的分隔形态，并表现出各向异性的热响应性以及亲油/亲水性负载能力。我们认为，该方法提出了一种新型水凝胶平台，有望用于多功能Janus微凝胶的先进合成。

引言

水凝胶是由亲水性聚合物链构成的网络结构。¹ 近年来，水凝胶领域的研究日益增多，推动了该领域的重要进展，并揭示了其与生物组织的相似性；水凝胶的特性使其能够在保持自身结构的同时吸收大量水分。环境响应性水凝胶也因其能够在外界刺激下可逆地发生溶胀或收缩而被广泛研究。² 多种刺激因素，包括温度^3-5、pH^6,7、光^8,9、电场^10,11以及特定分子（如葡萄糖）^12,13，已被提出用于调控水凝胶的几何形态。在目前已知的多种环境响应性水凝胶中，聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAAm）是一种著名的温敏性水凝胶，当温度超过其低临界溶解温度（LCST）32 °C时，会发生体积收缩。¹⁴ Sasaki et al.¹⁵最近的一项研究报道了PNIPAAm单体NIPAAm在过饱和状态下的有趣液-液相分离现象。根据该研究，将过饱和NIPAAm以10倍摩尔过量的H₂O溶解后，在温度高于25 °C条件下静置，溶液很快分离为两个液相；相比之下，在相同条件下，稀释的NIPAAm则均匀溶解。

由环境响应性水凝胶制成的微粒是药物递送^16,17、催化¹⁸、传感^19,20和光子学²¹

方案

1. 通过光刻技术制备用于流体动力聚焦微流控装置（HFMD）的主模具

1. 根据制造商的说明，使用计算机辅助设计（CAD）软件为 HFMD 设计光刻掩模（图 1a）。
2. 用丙酮、异丙醇（IPA）和去离子水（DI 水）冲洗一片 4 英寸的硅片，以去除硅片表面的有机和无机灰尘。
3. 在 100 W 功率下使用 O₂ 等离子体对硅片清洗 5 分钟，以增强硅片与 SU-8 之间的键合强度。
4. 在硅片上以 3,000 rpm 的转速旋涂 4 ml 负性光刻胶 SU-8 2150，持续 30 秒，以获得 150 μm 的厚度（图 1b 中的 b1）。
5. 将涂有 SU-8 的硅片置于热板上，在 65 °C 下放置 5 分钟，随后将温度设定为 95 °C，并继续加热 30 分钟以完成软烘。
6. 将设计好的光刻掩模覆盖在硅片上，并在掩模对准仪中用紫外光照射（260 mJ cm^-2，在 10 mW cm^-2 下照射 26 秒）（图 1b 中的 b2）。
7. 在热板上进行曝光后烘烤（65 °C 烘烤 5 分钟，然后 95 °C 烘烤 12 分钟）。
8. 将硅片浸入 SU-8 显影液中显影 10 分钟，然后转移至新鲜显影液....

结果

图3a 展示了用于合成Janus微凝胶的实验装置示意图 通过 手足口病。富含氮相和贫氮相被精确地注入HFMD中作为核心流体1和2，随后在鞘流矿物油的作用下，由于瑞利毛细不稳定性，在孔口处合并并断裂形成Janus微液滴。因此，成功生成了由富含氮相和贫氮相组成的Janus微液滴，如图所示 图 3b微滴的直径为 190 μm 变异系数（CV）小于2%。由于两相稳定分离，可观察到Janus微液滴内部清晰的区室化形态。需要注意的是，两相彼此不混溶，且相间扩散几乎可忽略不计。通过调节注射泵对每种单体溶液的流速，可控制微液滴内富氮相与贫氮相的体积比，如图所示。 图3c随后通过紫外光照射引发富含氮和贫氮单体溶液中添加的光引发剂，从而分别诱导富含氮相和贫氮相聚合形成PN-富含氮和PN-贫氮。

讨论

通常使用两种互不相溶的基础材料来合成 Janus 微凝胶。直到最近，由相同基础材料组成的 Janus 微凝胶鲜有报道，且已报道的 Janus 微凝胶由于组分材料之间的混溶性干扰，未能形成清晰的内部形貌^{35, 36}。在本实验方案中，我们展示了一种完全由单一基础材料 PNIPAAm 构成的 Janus 微凝胶的合成方法，其具有明确分隔的结构。

作为合成Janus微凝胶的关键步骤，我们引入了过饱和NIPAAm单体溶液的相分离现象。从相分离现象中收集到的富N相和贫N相溶液互不相溶，且富N相与贫N相之间的扰动几乎可以忽略不计。在HFMD中，Janus微液滴内富N相与贫N相的这种不相溶性得以保持，即使在聚合反应后，Janus微凝胶的形貌仍然得以保留。

我们采用高频微滴（HFMD）方法来合成 Janus 微凝胶，因为该方案能够以每小时 10⁵ 个 Janus 微凝胶的速率简便地制备单分散的 Janus 微凝胶。本研究中新设计的 HFMD 已被合理构建，可用于制备尺寸在数百微米量级的 Janus 微.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
硅片	LG Siltron	4"，测试等级	用于母模制作的晶圆
丙酮	Samchun Pure Chemical	A0097	清洗硅片
异丙醇（IPA）	大贞化学 &和金属	5035-4404	清洗硅片
水纯化系统	默克密理博	EMD Millipore RIOs Essential 5	准备  去离子水
O2 等离子体机器	飞秒科学	VITA-A	清洗硅片
SU-8 2150 负性光刻胶	MicroChem	Y111077 0500L1GL	用于母模制作的光刻胶
加热板	Misung Scientific	HP330D，HP150D	烘烤 SU-8
SU-8 显影液	Microchem	Y020100 4000L1PE	制备 SU-8
用于光刻的掩模对准系统	Shinu Mst Co.	CA-6M	光刻技术
Sylgard 184 硅酮弹性体试剂盒	道康宁	1064891	PDMS 铸造
实验室等离子表面处理仪	Electro-technic Products Inc.	Model BD-20AC	PDMS 空气等离子体处理
NN-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）	Sigma-Aldrich	415324-50G	单体
N,N'-甲叉双丙烯酰胺（MBAAm）	Sigma-Aldrich	146072-100G	NIPAAm交联剂
4-(2-羟基乙氧基)苯基-(2-羟基-2-丙基)酮，Irgacure 2959	BASF	55047962	NIPAAm的光引发剂
ABIL EM 90	赢创工业集团	201109	用于油的表面活性剂
涡旋混合器	Scientific Industries Inc.	Vortex-Genie 2	混合
Tygon 管	Saint-Gobain	I.D. 1/32"，O.D. 3/32"，壁 1/32"	连接注射器与HFMD的管路
紫外光源	滨松	点光源 LC8	NIPAAm 到 PNIPAAm 的聚合反应
注射器，NORM-JECT（3 ml）	Henke-Sass Wolf GmbH	22767	材料的装载
注射泵	KD Scientific	KDS 型号 200	材料灌注
Tegitol Type NP-10	Sigma-Aldrich	NP10-500ML	用于水的表面活性剂
油红O	Sigma-Aldrich	O0625-25G	富氮相染料
油蓝N	Sigma-Aldrich	391557-5G	富氮相染料
黄色食用色素	埃登镇 F&B	NA	贫氮相染料
绿色食用色素	埃登镇 F&& B	NA	贫氮相染料
电源	安捷伦	E3649A	热电模块电源
热电模块	帕尔帖	FALC1-12710T125	温度控制
离心机	Labogene	1248R	微水凝胶的沉降
24孔板	SPL Life Sciences	32024	用于观察的储液池
光学显微镜	尼康	ECLIPSE 80i	光学观察
图像分析软件	IMT i-Solution Inc.	iSolutions DT	半径测量