第36卷第11期2008年11月化 工 新 型 材 料N EW CH EM ICAL M A T ERIA L S Vo l 136No 111#5#基金项目:国家自然科学基金资助项目(50573061)四川省应用基础研究项目(07JY029-065)西南交通大学科学研究基金资助项目(2006B52)作者简介:邵丽(1985-),女,硕士研究生,研究方向:高分子药物缓控释材料。
联系人:张志斌,教授,硕导,研究方向:生物医用材料。
温敏型聚合物PNIPAAM 的合成及应用研究进展邵 丽 杨 银 邓阳全 张志斌*(西南交通大学生物工程学院,成都610031)摘 要 聚N -异丙基丙烯酰胺(简称PN IP AA M )是一类研究广泛的温敏型功能高分子水凝胶。
从制备方法、应用及其改性这三个方面综述了近年来对P NI PA A m 的研究进展,并提出今后的发展方向。
关键词 PN IP AA M ,快速响应,水凝胶,温敏型The synthesis of thermosensitive poly(N -isopropylacrylamide)and its applicationShao Li Yang Yin Deng Yangquan Zhang Zhibin(College of Bio engineering,Southw est Jiaotong University ,Cheng du 610031)Abstract Po ly (N -isopr opylacr ylamide)is a kind o f ther mosensit ive macr omo lecule hy dr og el.T he pr og resses of t hemetho ds,applicat ions and modifications of P oly(N -isopro py lacr ylam ide)these year s wer e rev iew ed.T he study directio ns for future w ere also pointed o ut.Key words PN IP AA M ,rapid stimul -i respo nse,hy dr og el,ther mosensitive 聚N -异丙基丙烯酰胺(简称PN IP AA M ),由于其大分子链上同时具有亲水性的酰胺基和疏水性的异丙基而具有良好的温敏性能[1]。
PN IP AA M 水凝胶通常在32e 发生体积相转变,即其L CST (最低临界溶解温度)为32e 。
当T >L CST 时,溶胀的凝胶会失水收缩;当T <L CST 时,凝胶则会再度吸水溶胀。
这是因为水分子和NI PA M 基团的强氢键相互作用,升温会破坏氢键而有助于疏水,当溶液温度到达L CST ,聚合物链会从溶解的无规线团状态转变为不溶的疏水球状[2]。
1 PNIPAAM 的制备方法1.1 线型PNIPAAM 的合成线型PN IP AA M 的合成可采用传统的聚合方法,如:本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合以及乳液聚合。
一般来说,溶液聚合方便易行。
以过氧化苯甲酰、过氧化乙酸等过氧化物,偶氮二异丁睛等偶氮化合物为自由基聚合引发剂,其用量占总量的01001%~2%为宜。
所用溶剂一般只要能溶解单体即可,如水、醇类、醚、丙酮、四氢呋喃、氯仿、苯、乙酸烷基酯等,可单独亦可混合使用,无特别限制,浓度在1%~80%之间[3]。
1.2 PNIPAAM 水凝胶的合成制备PN IP A AM 水凝胶的传统方法是使用引发剂和交联剂以实现N IPA A M 单体的引发、聚合和交联。
常用的交联剂有N ,N -亚甲基双丙烯酰胺(Bis)、二甲基丙烯酸乙二酯(EGD -M A)、二甲基丙烯酸二甘醇酯(DEGDM A )等。
这种方法的不足之处在于水凝胶中的引发剂残基和交联剂会对水凝胶的性质造成影响。
不使用交联剂,通过紫外线、放射线、电子射线、等离子体等活性射线进行引发交联,也可以得到PN IP AA M 水凝胶。
这种方法操作简单,交联度可通过辐射条件来控制,没有任何添加成分,不会污染产品,可以一步完成产品的合成与消毒;与传统方法相比,合成的凝胶更均匀,更有利于其性质的研究,生产更方便、更经济[3]。
赵辉等[4]利用微波聚合合成了以P M M A (聚甲基丙稀酸甲酯)为壳的PN IPA A M 超细微粒,发现PM M A 外壳能限制P NI PA A M 链的运动,从而引起微粒的溶胀与收缩。
张青松[5]等运用无机的粘土(用锂蒙脱石合成的)作为物理交联剂,采用无表面活性剂的乳液聚合法合成了P NI PA A M 微凝胶,结果表明:实验在无表面活性剂的条件下,由于锂蒙脱石的作用,胶粒的尺寸在室温下减少到300nm 。
随着交联剂含量的增加,开始时胶粒的直径增加,当锂蒙脱石和NIP A AM 的重量比达到28%时,胶粒的直径变小了。
1.3 PNIPAAM 微球的合成近年来常把PN IPA A M 水凝胶制成微球,常用的方法是采用十二烷基磺酸钠、氯化三甲基十八烷基铵、聚丙烯酸钠盐等作为乳化剂,在强烈搅拌下进行乳液聚合而成[6]。
用不同的聚合方法可以合成不同大小的微凝胶粒子。
制备微凝胶主要有无皂乳液聚合和反相悬浮聚合法。
(1)无皂乳液聚合法无皂乳液聚合是在传统乳液聚合的基础上发展起来的一项聚合反应新技术,它是指在反应过程中完全不加乳化剂或仅加入微量乳化剂(其浓度小于临界胶束浓度CM C)的乳液聚合过程。
和传统乳液聚合相比,无皂乳液聚合产物具有以化工新型材料第36卷下特点:不使用乳化剂,免去了去除乳化剂的后处理;制得的乳胶粒表面洁净;制得的乳胶粒子的粒径单分散性好;可以通过粒子设计使粒子表面带有各种功能基团而广泛用于生物、医学、化工等领域[7]。
(2)反相悬浮聚合法反相悬浮聚合是用非极性溶剂为连续相,水溶性单体以滴加的方式加入到油相中,并借助于强力搅拌及分散剂的作用以细小颗粒的形态分散于油相中,形成/油包水0型的悬浮液,从而进行聚合。
反相悬浮聚合法具有反应易于控制、产物呈小颗粒状、后处理容易等优点。
但采用反相悬浮聚合法合成PN IP A AM温敏性智能微球少有报道[8]。
王国伟[10]采用反相悬浮聚合的方法合成了粒径均一的智能水凝胶,并分别采用激光光散射和偏光显微镜对微凝胶的尺寸进行了表征,得到了一致结果。
PN IP AA M水凝胶的响应速率是一个极为重要的参数,在很多情况下都要求其对外界温度刺激具有较快的响应速率,这就大大限制了温敏性P N IPA A M智能水凝胶的使用范围。
因此,提高其响应性一直是智能水凝胶研究的一个重要课题[9]。
秦爱香等[10]以N-异丙基丙烯酰胺为单体、N,N.-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂、过硫酸铵为引发剂、N,N,N.,N.-四甲基乙二胺为加速剂,在不同浓度的羧甲基纤维素的水溶液中,在低温下聚合/交联制备了PN IP A AM水凝胶。
与传统水凝胶相比,该水凝胶的溶胀性能有所提高,并且对温度的变化具有较快的响应速率。
刘晓华等[11]以不同粒径的CaCO3粒子为成孔剂,合成了PN IPA A M水凝胶,研究表明,该水凝胶在温敏膨胀或收缩时,具有较好的响应速率。
2PNIPAAM的应用PN IP AA M聚合物及水凝胶由于其对温度的敏感性,在药物释放、调光材料、组织培养、固定化酶等方面有广阔的应用前景。
2.1药物释放PN IP AA M对药物进行控制释放有以下3种情况:¹在PN IPA A M水凝胶体系中,当T>LCST时,水凝胶的表面会发生收缩,导致表面的水化层收缩,形成薄的致密皮层。
这种致密的皮层阻止了PN IP AA M水凝胶内水分和药物向外释放;当T<LCST,水凝胶表面皮层溶胀,此时药物可以从体系中释放。
º在以PN IPA A M分子链接枝的聚合物微球体系中,当>L CST时,P N IPA A M的接枝链会在水中伸展,彼此之间交叉覆盖,导致微球孔洞的阻塞。
包裹在微球内的药物扩散释放受阻;当T<L CST时,接枝的大分子链会进行自身收缩,微球表面的孔洞会显现出来,药物可以顺利地扩散到水中,达到控制释放目的。
»在低温条件下,将制得的PN IPA A M水凝胶溶于药物溶液中,通过凝胶溶胀吸附药物。
高温条件下,凝胶体系发生体积收缩,药物会以向外排出的方式控制药物释放[12]。
朱雪燕等[13]通过自由基聚合法合成了聚(N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸)二元水凝胶,该二元水凝胶的L CST随丙烯酸含量的增加而上升,而碱性条件下的溶胀性能远远优于酸性条件。
遴选出的一合适配方在模拟人体体温和胃肠液pH值的条件下进行了阿司匹林缓释实验,发现以凝胶颗粒为药物载体,能更好地达到药物长期有效释放的目的。
胡林等[14]采用等离子诱导填孔接枝聚合法将PN IP AA M 开关接枝到聚偏氟乙烯膜(P VDF)膜孔上,同自由基聚合法制备的PN IP A AM交联水凝胶结合,组成了一种温度感应复合型控制释放膜系统,该复合膜系统具有良好的温度感应特性,优于单独的开关膜控制释放系统或是单独的交联水凝胶控制释放系统。
2.2调光材料利用P NI PA A M的环境敏感行为可以设计制备调光材料,H u Zhibing[15]发现,P N IPA A M凝胶对可见激光的透过能力可通过沿同一方向的红外线辐照强度来调节。
这是由于红外辐照使得凝胶局部变热溶解,凝胶结构部分遭到破坏,凝胶内部结构变得不均一,出现塌陷微区,当微区大小与激光波长相当时,入射激光被散射,导致凝胶对可见激光的透过率降低。
基于这种性质,这种材料可被用于制作自动调光玻璃。
Weissman[16]制备了调光材料,他们利用PN IP AA M的自组装性质制备了一种薄膜材料,高温下PN IP A AM聚集成微球,使光线的散射增加,达到调光的目的。
另外利用嵌段共聚物的自组装、凝胶包埋等方法,也可以设计制备出其他调光材料[17-20]。
2.3组织培养PN IP A AM的分子构象取决于温度,温度低于32e时, PN IP A AM分子呈伸展状,分子表面呈亲水性;反之当温度高于32e时,分子构象为收缩型,分子表面呈疏水性。
据此,可将P NI PA AM接技于固体表面,通过调节温度可以改变固体表面的亲水性。
根据这一原理,Y amazaki[21]将P NI PA AM与胶原蛋白偶联得到新型细胞培养基,成功地培养了人工纤维细胞球。
2.4固定化酶用温敏性水凝胶固定的酶,有可能用于热负反馈机制来控制反应的温度和速率,如对放热反应来说在反应点处的温度很难控制,尤其是当温度上升导致不利的副反应时,如果用温敏凝胶固定的酶催化剂,当T>LCST时,水凝胶收缩而关闭反应;T<L CST时,水凝胶又可溶胀而打开反应。