多孔凝膠及其應用
【專利說明】多孔凝膠及其應用
[000。 相關申請的香叉引用
[0002] 本申請要求申請日為2012年8月30日的美國臨時申請61/695, 157的優先權，其 內容在此整體引作參考。
【背景技術】
[0003] 具有=維結構的聚合物凝膠和親水性水凝膠有許多作為基質的重要應用，例如用 于生物醫藥、制藥、農業、生物技術和工業復合材料領域。該些聚合物凝膠和水凝膠由于交 聯具有=維（3D)結構；所述交聯的材料可能不溶于有機溶劑和水。
[0004] 聚合物凝膠和水凝膠可W通過單體或多功能單體借助一種或多種催化劑與交聯 劑聚合制備，聚合有時在高溫下進行。該可能導致高的材料成本和加工成本。
【發明內容】
[0005] 多孔材料尤其是多孔聚合物材料可W有多種用途和應用，例如化學工業中的分離 和純化、生物科學中的細胞培養和固定、藥物中的控制藥物釋放和生物工程中的人造器官。
[0006] 用于農業領域的聚合物材料中至少一些是親水聚合物，例如水凝膠。該種聚合物 (或聚合）材料的機械強度相對較低，通常使得它們不適于用作于農業布置中的多孔材料。 認識到該一點，需要比其他凝膠和水凝膠機械強度更高的多孔水凝膠。
[0007] 根據本發明的一個方面，本發明提供一種多孔聚合物凝膠（例如水凝膠）。根據本 發明的另一方面，本發明提供制造該種凝膠的方法，包括使用特定設計的聚合反應器和例 如使用=維（3D)骨架結構，來增加該凝膠的機械強度并優選地提供更高的吸水性。在一個 該樣的實施例中，3D骨架結構可W通過使用雙交聯系統來構造。
[000引根據本發明的一個實施例，本發明的聚合物材料和多孔聚合物材料可W例如用于 但不限于化學工業中的分離和純化、生物科學中的細胞培養和固定、藥物中的控制藥物釋 放和生物工程中的人造器官。在一個特定實施例中，在此提供的多孔凝膠與無孔水凝膠相 比有多個優點，例如快速吸水性和更高的流體（例如水）容量。
[0009] 根據本發明的一個方面，本發明提供多孔水凝膠的組合物及其制造方法。另外，本 發明的一個實施例提供多孔水凝膠應用的方法，例如在農業領域。
[0010] 根據本發明的一個方面，本發明提供一種水凝膠，包括：一第一聚合物材料，所述 第一聚合物材料包括一衍生自帶有己締基團的單體的聚合物；一帶有除聚己二醇外的聚二 醇的第二聚合物材料；其中，所述水凝膠的孔隙率至少約5%。
[0011] 在一個實施例中，所述第一聚合物材料可W包括一交聯劑。在一個該樣的實施例 中，所述交聯劑選自W下材料組成的組；二己二醇二己締離、二己二醇雙丙酸醋、N，N'-亞 甲基雙丙締酷胺。在一些實施例中，所述第一聚合物材料包括交聯的聚丙締酸。
[0012] 在一個實施例中，所述第二聚合物材料可W是基本上聚合物。在一些實施例中，所 述第二聚合物材料為聚四亞甲基離二醇。在一些實施例中，所述第一聚合物材料通過氨鍵 連接到所述第二聚合物材料。在一個實施例中，所述第二聚合物材料的分子量Mw在約650 至約2000克/摩爾（g/mol)之間。在一些實施例中，所述第二聚合物材料的分子量Mw在 約500至約1000克/摩爾之間。
[0013] 根據本發明又一實施例，所述水凝膠還包括一第=聚合物材料。所述第=聚合物 材料可W是丙締酸的均聚物。在一些情形，所述第=聚合物材料基本上是無孔的。所述第 S聚合物材料的分子量Mw在約250, 000至約1，000, 000克/摩爾之間。在一些實施例中， 所述第S聚合物材料的分子量Mw在約400, 000至約600, 000克/摩爾之間。
[0014] 在一些實施例中，所述水凝膠的孔隙率例如至少約5%、至少約10%、至少約 20%、至少約30%、至少約40%、至少約50%、至少約60%或至少約70%。
[0015] 在一個實施例中，所述單體可W選自下述材料組成的組；丙締酸、甲基丙締酸、己 締醇、醋酸己締醋、丙締酸了醋、丙締酸己締醋、己締基苯甲酸、己締基苯甲醇、己締基棚酸 二了醋、己締基甲酯胺、甲基丙締酸己締醋、己締基化晚、1-己締基-2-化咯燒酬、己締基橫 酸和己締基=甲氧基硅烷。
[0016] 在一個特定實施例中，所述水凝膠可W在一個、兩個、5個、10個、50個或100個吸 水-脫水循環后基本上不變。在一個該樣的實施例中，所述水凝膠的保水容量為所述水凝 膠重量的至少約10倍、至少約20倍、至少約30倍、或至少約50倍。在另一個該樣的實施 例中，所述水凝膠的保水容量例如是所述水凝膠重量的至少約10%、至少約20%、至少約 30%、至少約40%、至少約50%、至少約60%、至少約100%或至少約1000%。
[0017] 在一個實施例中，所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料的重量比可W是約 1:1、約1:2、約1:3、約1:4、約1:5或約1:6。所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料的 重量比可W是約2:1、約3:1、約4:1、約5:1、或約6:1。所述第一聚合物材料和所述第S聚 合物材料的重量比可W是約1:1、約1:1. 2、約1:1. 5、約1:2、約1:2. 5、約1:3、約1:4、約1:5 或約1:6。所述第一聚合物材料和所述第S聚合物材料的重量比可W是約1. 2:1、約1. 5:1、 約 2:1、約 2. 5:1、約 3:1、約 4:1、約 5:1、或約 6:1。
[001引在一個特定實施例中，所述第一聚合物材料可W增加所述水凝膠的吸水速率。在 一些實施例中，所述水凝膠的吸水速率為不含所述第一聚合物材料的水凝膠組合物的吸水 速率的至少1.5倍。在一些其他實施例中，所述水凝膠的吸水速率為不含所述第一聚合物 材料的水凝膠組合物的吸水速率的至少2倍。
[0019]在一個實施例中，根據本發明的一個實施例的多孔交聯聚合物材料可W通過油包 水型乳液聚合和水包油性溶液乳液來制造。在一個該樣的特定實施例中，所述交聯聚合物 材料的吸水速率和動力學可W理想地與所述聚合物材料的多孔結構有關，并受到所述聚合 物材料的多孔結構的影響。在一個該樣的實施例中，所述多孔交聯聚合物材料可W例如包 括水凝膠。在一個情形，根據本發明的一個實施例的多孔材料可W理想地具有相對大的表 面積和/或比表面積和在所述材料內的理想的高孔隙率和空隙或空的空間。在根據本發明 的一個實施例的多孔聚合物材料內的該些孔或空間可W理想地增強液體進入聚合物顆粒 來吸附，W及觀察到的吸附速率。在一個特定的示例性實施例中，可W通過乳液聚合將多孔 結構引入和/或形成在根據本發明的一個實施例的聚合物材料中。在一個該樣的實施例 中，乳液系統例如包括一包括單體和交聯劑的水相和一包括有機溶劑的有機相。在使用該 樣的乳液系統和乳液聚合的實施例中，可W產生具有理想的高機械強度和理想的快速的吸 水速率的多孔聚合物顆粒。
[0020] 根據本發明又一方面，本發明提供一種制造多孔水凝膠的方法，包括：在一反應容 器里提供一帶有己締基團的單體、一交聯劑、一有機溶劑、一包括聚丙締酸的第一聚合物和 一帶有除聚己二醇外的聚二醇的第二聚合物材料；混合所述混合物。在一個實施例中，所述 第一和/或第二聚合物材料中可W基本上是聚合物。
[0021] 在一個特定實施例中，所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料的重量比為約 1:1、約1:2、約1:3、約1:4、約1:5或約1:6。在其他實施例中，所述第一聚合物材料和所述 第二聚合物材料的重量比為約2:1、約3:1、約4:1、約5:1或約6:1。
[0022] 在又一個實施例中，所述方法還包括加熱所述混合物。在一些實施例中，在約50°C至90°C之間加熱所述混合物至少1小時或至少2小時。
[0023]在一個實施例中，所述單體選自下述材料組成的組；丙締酸、甲基丙締酸、己締醇、 醋酸己締醋、丙締酸了醋、丙締酸己締醋、己締基苯甲酸、己締基苯甲醇、己締基棚酸二了 醋、己締基甲酯胺、甲基丙締酸己締醋、己締基化晚、1-己締基-2-化咯燒酬、己締基橫酸和 己締基S甲氧基硅烷。另外，所述聚丙締酸可化源自回收利用的聚丙締酸。
[0024]在一些實施例中，所述溶劑可W是甲苯。
[0025]根據本發明又一方面，本發明的一個實施例提供一種農業方法，包括；在一塊±壤 里提供水凝膠，所述水凝膠的孔隙率至少約5 %、至少約10 %、至少約20 %、至少約30 %、至 少約40%、至少約50%或至少約60%。
[0026]在一個該樣的實施例中，所述水凝膠可W包括=種聚合物材料：一包括基本上多 孔的聚丙締酸的第一聚合物材料、一包括聚四亞甲基離二醇的第二聚合物材料和一包括基 本上無孔的聚丙締酸的第=聚合物材料。在一些實施例中，所述第一聚合物材料為交聯的 聚丙締酸。所述第二聚合物材料可W是基本上均聚物。在一些實施例中，所述第二聚合物 材料為聚四亞甲基離二醇。所述第=聚合物材料可W是基本上均聚物。在一些實施例中， 所述第=聚合物材料為聚丙締酸。
[0027]在一些實施例中，所述水凝膠在一個、兩個、5個、10個、50個或100個吸水-脫水 循環后基本上不變。在又一實施例中，所述水凝膠的保水容量為所述水凝膠重量的至約少 10倍、20倍、30倍或50倍。在又一實施例中，所述水凝膠的保水容量為所述水凝膠重量 的至少約10%、至少約20%、至少約30%、至少約40%、至少約50%、至少約60%、至少約 100 %、或至少約1000%。
[002引在一個實施例中，所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料的重量比為約1:1、 約1:2、約1:3、約1:4、約1:5或約1:6。在又一實施例中，所述第一聚合物材料和所述第二 聚合物材料的重量比為約2:1、約3:1、約4:1、約5:1或約6:1。在又一實施例中，所述第一 聚合物材料和所述第S聚合物材料的重量比為約1:1、約1:1. 2、約1:1. 5、約1:2、約1:2. 5、 約1:3、約1:4、約1:5或約1:6。在又一實施例中，所述第一聚合物材料和所述第S聚合物 材料的重量比為約1. 2:1、約1. 5:1、約2:1、約2. 5:1、約3:1、約4:1、約5:1或約6:1。
[0029]根據本發明又一方面，本發明的一個實施例提供一種系統，包括：一種子容器，所 述種子容器由一