合成与表征基于N-乙烯基吡啰烷酮的纳米复合水凝胶，其中添加了纳米SiO2作为增强材料

《Polymer》：Synthesis and characterization of nano-SiO 2 reinforced, N-vinyl pyrrolidone based nanocomposite hydrogels

　　• 从乙烯基吡咯烷酮可以制备出具有良好形态完整性的水凝胶。• 由于乙烯基吡咯烷酮与纳米二氧化硅（nano-SiO2）之间的相互作用，纳米复合材料的孔径增大，其膨胀程度也提高。• 基于VP的纳米复合水凝胶的热稳定性变化很小。

**引言**
水凝胶在刺激响应系统中具有吸收自身重量数千倍的水的能力。近年来，为了减少无机材料的毒性，研究人员开始关注基于有机材料的柔性功能材料[1], [2], [3]。通过添加增强材料，水凝胶的性能得到了提升，使其能够在各种领域得到应用，具体应用取决于所使用的增强材料类型。由于增强材料处于纳米尺度，因此这类材料被称为“纳米复合水凝胶”。在这种结构中，纳米颗粒自组装成三维网络，赋予水凝胶优异的性能。纳米技术领域的研究人员也对纳米复合水凝胶表现出兴趣[4]。水凝胶的聚合物基体与纳米颗粒之间的相互作用不仅增强了纳米复合水凝胶的结构，还提高了其功能性。在适当的条件下，水凝胶能够提供所需的响应。这种可控性对于智能系统、生物机器人工程以及医疗诊断和治疗至关重要。文献中经常提到碳纳米颗粒（如石墨烯）[5]、生物陶瓷材料、导电聚合物纳米颗粒和金属氧化物作为纳米增强材料。这些颗粒可以很容易地与多种聚合物结合。水凝胶的孔结构是由聚合物中的交联剂形成的，这种结构使得这种结合成为可能。通过聚合物-纳米增强设计可以实现特定目标；例如，如果希望获得优异的电学性能，可以专门设计相应的系统；同样，如果需要材料具备优异的机械性能，聚合物基体提供了设计灵活性（例如通过制备不同的共聚物来实现）[6], [7]。纳米复合水凝胶具备所需的功能性，进一步的发展为其未来应用开辟了新的可能性[8]。N-乙烯基化化合物是一类重要的化学品，因为它们在聚合方面具有很高的多样性[9]。乙烯基吡咯烷酮由Walter Reppe在20世纪初发现，Polyvinyl吡咯烷酮也是由Reppe首次合成的[9], [10]。PVP是一种水溶性非离子聚合物，在食品安全、生物相容性、环境友好性和化学稳定性方面表现出色，广泛用于制药、化妆品、食品、涂料和光敏材料的生产。生产PVP的方法有很多种，其中最常见的是辐射法、Reppe法和自由基聚合技术。与其他方法不同，自由基聚合技术在生产过程中易于控制，可以立即调整以达到所需的分子量和物理化学参数。在自由基引发剂的存在下，单体通过自由基链反应在最佳反应温度下转化为聚合物。原位聚合技术的另一个优点是在聚合过程中交联剂和增强材料同时存在于系统中，从而实现同步合成。这种可塑性的能力对于智能系统、生物机器人工程以及医学诊断和治疗至关重要。文献中提到的纳米增强材料还包括生物陶瓷材料、导电聚合物纳米颗粒和金属氧化物等，这些颗粒可以与多种聚合物结合。

**纳米复合水凝胶**
纳米复合水凝胶由于含有纳米颗粒，不仅结构更加牢固，而且功能更加多样。在适当的条件下，它可以提供所需的响应。这种可控性在智能系统、生物机器人工程以及医学领域尤为重要。纳米复合水凝胶在的环境改善、净化、药物递送等方面具有潜在应用价值[23], [24]，同时由于其独特的离子特性，还可以作为催化支撑材料[23]。介孔材料（孔径范围2至50纳米）由于具有较大的孔径，能够促进气体和液体的快速扩散[22]。氨基修饰的纳米二氧化硅（SiO2）由于其含有硅醇基团，可以与聚合物的活性位点形成氢键，从而增强纳米复合水凝胶的结构的完整性[21]。它们因可重复使用性和环境友好性而在相关研究中受到青睐[22]。然而，这种材料也存在一些缺点，如胺泄漏、热降解和可扩展性问题[22]。通过使用稳定添加剂来提高热稳定性的胺的性能也得到了研究[22]。本研究的结果表明，这种复合结构在多个应用领域具有潜力。与其他样品相比，含有氨基修饰纳米二氧化硅的PVP纳米复合水凝胶在环境改善、药物递送等方面具有独特优势[23], [24]。

**实验方法**
本实验使用了以下材料：纳米二氧化硅（15-20纳米，99.5%，Skys纳米材料）、通过长烷基链修饰的纳米二氧化硅（10-20纳米，99.8%，Skys纳米材料）、硅藻土（ET?矿业公司）、N-乙烯基吡咯烷酮（VP，Sigma-Aldrich）、蒸馏水、N,N-亚甲基双丙烯酰胺（N,N-MBAAm，Sigma-Aldrich）和偶氮二异丁腈（AIBN，Merck）。

**膨胀性能**
纳米复合水凝胶的膨胀百分比（S%）通过以下公式计算：
m0为初始干燥聚合物质量，mt为t时间后的膨胀聚合物质量。当达到平衡状态时，膨胀水凝胶达到最大膨胀值。纳米复合水凝胶的膨胀性能见表1。表中的所有数据均基于作者先前发表的公式[44]进行计算。

**分析方法**
采用Perkin Elmer Spectrum 100型号FT-IR instruments进行FT-IR分析，波数范围为4000-400 cm-1，采用ATR模式，扫描次数为4次，分辨率为4 cm-1。XRD分析使用Panalytic/Empyrean XRD设备进行，所有样品的2Θ检测范围为10-60°。SEM分析使用Carl Zeiss Supra 40VP型号FESEM设备进行，样品表面经过Qourum品牌涂层处理以确保导电性。

**结果讨论**
FT-IR分析揭示了样品的化学键结构。图2展示了两种不同纳米二氧化硅颗粒的FT-IR光谱：一种是氨基修饰的亲水性纳米二氧化硅颗粒，另一种是中性形式的纳米二氧化硅颗粒。在1750 cm-1至2250 cm-1范围内的特征谱线是区分两种颗粒的关键。

**结论**
所有纳米复合水凝胶的合成实验条件均统一设定。在确定纳米二氧化硅在水凝胶中的行为后，选择了一种天然存在的、成本较低的火山岩——硅藻土，将其掺入VP水凝胶中。由于硅藻土中含有高比例（约75%）的二氧化硅，这有助于了解二氧化硅在硅藻土中的行为。

**作者贡献声明**
Fatma Ozge GOKMEN：负责写作、审稿和编辑工作，以及原始草稿的撰写和实验研究。Nursel PEKEL BAYRAMGIL：监督、项目管理、方法论、数据整理、概念化
伦理审查：本研究无需伦理审查。
利益声明：作者声明与任何金融机构或个人在此文章中不存在利益冲突。
数据可用性声明：作者确认支持本研究结果的数据可在文章及补充材料中找到。
资金情况：本研究未获得任何机构的财政资助。
利益冲突声明：作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢：我们感谢Bilecik Seyh Edebali大学中央研究实验室提供FT-IR、FESEM和TGA测量设备。
Fatma Ozge GOKMEN | Nursel PEKEL BAYRAMGIL