溫度敏感型pnipam水凝膠的研究進展

溫度敏感型pnipam水凝膠的研究進展

1pnipam熱敏性的機理聚（n-異丙醇酰胺）被稱為pnipam。在這個大鏈中，具有親水氨基和疏水性異丙基，并將pnimam線性水平線與pnimam水凝膠結合，以顯示溫度敏感的性質。在常溫下,線型PNIPAm溶于水中形成均勻的溶液,當溫度升高至30℃~35℃之間時,溶液發(fā)生相分離,表現(xiàn)出最低臨界溶液溫度(LCST)。在NIPAm聚合過程中加入交聯(lián)劑或經處理產生化學交聯(lián)后,就成為PNIPAm水凝膠。它在室溫下溶脹,而在33℃左右發(fā)生體積相變而收縮。這種由溫度敏感性而引起高聚物產生的智能型和記憶效應引起了人們很大的興趣。在對PNIPAm的研究中,人們最關心的一個問題是PNIPAm產生這種熱敏特性的機理,這也是當前對PNIPAm研究的一個重點。目前較容易被人接受的觀點是:PNIPAm分子內具有一定比例的疏水和親水基團,它們與水在分子內、分子間會產生相互作用。在低溫時,PNIPAm與水之間的相互作用主要是酰胺基團與水分子間氫鍵的作用。PNIPAm分子鏈在LCST以下溶于水時,由于氫鍵及范德華力的作用,大分子鏈周圍的水分子將形成一種由氫鍵連接的、有序化程度較高的溶劑化殼層。隨著溫度上升,PNIPAm與水的相互作用參數(shù)突變,其分子內及大分子間疏水相互作用加強,形成疏水層,部分氫鍵被破壞,大分子鏈疏水部分的溶劑化層被破壞,水分子從溶劑化層的排出表現(xiàn)為相變,產生熱敏性。PNIPAm的水凝膠熱敏性相轉變是由交聯(lián)網(wǎng)絡的親水性/疏水性平衡受外界條件變化而引起的,是大分子鏈構象變化的表現(xiàn)。雖然人們對熱敏的機理已有初步的認識,但就疏水基團相互作用機理及其與相轉變溫度的關系而言,定量方面尚有許多問題有待澄清。本文將從PNIPAm均聚物、共聚物及接枝改性這三方面對此類熱敏性高分子材料的最新研究進展作一較全面的綜述。2pni-p是結合劑的合成和性能2.1pnipam超細顆粒的制備線型均聚PNIPAm熱敏高聚物的合成可采用我們熟知的聚合方法:本體聚合,溶液聚合,懸浮聚合,以及乳液聚合。一般來說,溶液聚合方便易行,常常采用有機溶劑中自由基引發(fā)聚合和水介質中氧化還原引發(fā)聚合的方法。伊敏等人還采用γ射線輻射合成了PNIPAm線型均聚物。在PNIPAm的合成過程中加入交聯(lián)劑,則可以得到PNIPAm凝膠。不使用交聯(lián)劑,通過紫外線、放射線、電子射線、等離子體等射線引發(fā)交聯(lián),也可以得到PNIPAm凝膠。優(yōu)點在于:操作簡單,交聯(lián)度可通過輻射條件來控制,且不污染產品。近來報道得較多的是將PNIPAm水凝膠制成微球,常用的方法是采用十二烷基磺酸鈉、氯化三甲基十八烷基銨、聚丙烯酸鈉鹽等作為乳化劑,在強烈攪拌下進行乳液聚合而成。最近,郭振良以偶氮二異丁腈為引發(fā)劑,在琥珀酸雙(2-乙基己酯)磺酸鈉、甲苯、NIPAm、水組成的微乳液中,通過微乳液聚合制備了未交聯(lián)及交聯(lián)的PNIPAm超細微粒,粒徑約0.1μm。另外,采用沉淀聚合法也可以得到凝膠微球。2.2pnipam水凝膠對PNIPAm均聚物的表征,目前研究工作主要從兩方面來開展:即從一個新的角度來研究,和運用新的技術來研究。ShigeoSasaki等人從化學勢的角度對PNIPAm進行了研究,通過分析不同無機和有機助劑對于PNIPAm凝膠的體積相轉變的影響,發(fā)現(xiàn)水的化學勢與凝膠的體積相轉變密切相關,凝膠的溶脹行為可用水分子的化學勢與它在相轉變點處化學勢的差值很好地表征。A.K.Lele等人從水的角度對PNIPAm進行了研究,認為PNIPAm中的水存在兩種狀態(tài):一種是完全游離的水,其熱力學行為與純水一樣;另一種是與聚合物鏈親水基團通過氫鍵連結的,稱之為結合水。他們提出一種擴展格子-流體-氫鍵(LFHB)模型,定量地預測了PNIPAm凝膠在發(fā)生體積變化全過程中結合水的變化。王平首次用圖像處理技術對PNIPAm凝膠在不同工況下的數(shù)據(jù)進行了采集處理,得到了凝膠的各種溶脹曲線和動力學曲線,為凝膠溶脹特性的測定開發(fā)了一種新的方法。ShanyangLin采用一種新的紅外光譜技術(ATR/FT-IR)研究PNIPAm水溶液中的分子相互作用,可以定量地表明:在LCST以下,分子間相互作用主要在水與PNIPAm間發(fā)生;在LCST以上,PNIPAm分子間氫鍵的作用占總的分子間作用的70%,甲基基團的疏水相互作用增長了1.5倍,引發(fā)了體系的聚集沉淀。RainerAppel等人采用拉曼光譜測試乳液聚合的大孔PNIPAm水凝膠網(wǎng)絡結構,認為它是由富水區(qū)(孔洞)和富聚合物區(qū)組成,測得室溫下它們的平均尺寸為75μm和20μm,并研究了它們隨溫度變化的情況。KenjiIto等人采用正電子湮滅壽命光譜研究了PNIPAm水凝膠自由體積的平均尺寸、濃度、大小分布與微觀結構的關系。發(fā)現(xiàn)在LCST以下,凝膠的平均自由體積半徑為均一的0.28nm,但在皺縮狀態(tài)卻有兩種自由體積半徑0.18nm和0.33nm。XuZheng研究了分子量大小和分子量分布不同的PNIPAm水溶液的LCST,發(fā)現(xiàn)LCST隨分子量增大稍有增加,分子量分布會改變濁點曲線的形狀。動態(tài)力學性能試驗表明,相分離時,分子間的疏水結合形成物理交聯(lián)點,均一的液態(tài)變成懸浮的粘彈微凝膠。Suetoh通過DSC定量地研究了PNIPAm凝膠的脫水作用,發(fā)現(xiàn)凝膠的熱性能和它的處理過程有很大的關系。用不同方法處理的兩種水凝膠有著不同的吸熱峰和脫水作用焓,相圖也明顯不同。光散射以及核磁共振技術在PNIPAm的研究中應用非常廣泛。TomohisaNorisuye等人采用光散射監(jiān)測了PNIPAm凝膠及線型聚合物的合成過程。在60°觀察了散射強度與聚合時間的關系,發(fā)現(xiàn)當t≈20min時,散射強度劇升,然后達到一個有較大波動的平臺。但以上現(xiàn)象在單體濃度小于88mmol/L時則沒有,此時即使有交聯(lián)劑,也不形成凝膠。TadashiTokuhiro通過核磁共振光譜研究了非離子型和離子型PNIPAm水凝膠,發(fā)現(xiàn)水凝膠隨溫度上升會經歷非連續(xù)的第一相轉變和連續(xù)的第二相轉變,這與PNIPAm高聚物在水中只有一次相轉變明顯不同。他們從分子角度表征了PNIPAm主鏈和側鏈基團的運動和周圍狀況。FangZeng等通過對PNIPAm/CDCl3和PNIPAm/D2O兩種溶液核磁共振光譜的研究發(fā)現(xiàn):PNIPAm/CDCl3溶液在從16℃升至36℃時是均一的,但酰胺的氫鍵作用會變弱直至消失;PNIPAm/D2O溶液在溫度上升時,有水分子從PNIPAm聚合物親水層中溢出。通過光散射、核磁共振等試驗發(fā)現(xiàn):水溶液中PNIPAm異丙基中的甲基釋放速率隨溫度的增加而減小,表明由于疏水結合,其運動受到了限制。當溶液濃度高于一限定值,疏水結合引起分子間的聚集,成為物理交聯(lián)點,形成網(wǎng)絡結構。分子量和溶液濃度對網(wǎng)絡結構形成有很大作用。吳奇[28,29,30,31,32,33]利用靜態(tài)和動態(tài)光散射相結合的方法,系統(tǒng)地研究了單根PNIPAm線性長鏈在無規(guī)線團和蜷曲球兩個狀態(tài)之間的轉變和球型微凝膠的體積相變。首次在實驗上證明一根均聚物長鏈可以蜷曲成一個穩(wěn)定的蜷曲單鏈球以及在無規(guī)線團到蜷曲球兩個狀態(tài)之間存在兩個熱力學穩(wěn)定態(tài)。動力學研究結果否定了蜷曲球內存在高度鏈纏結的假說,提出了與疏水作用不同的新的溶脹收縮機理。NoriyukiTanaka等采用核磁共振研究了PNIPAm水凝膠中水的動力學過程,測試了不同溶脹比的凝膠中重水(包括少量HDO)中HDO的自擴散系數(shù)(DHDO),發(fā)現(xiàn)它也可以表征相轉變溫度。此外,Toshikazu等研究了PNIPAm水凝膠在相轉變后的收縮動力學,發(fā)現(xiàn)緩慢收縮的松弛時間(τA)和達到完全均一的時間(ta)都很長,但兩者的比值卻是保持恒定的。周嘯研究指出:表觀二級動力學方程可以很好地描述水凝膠的溶脹和消溶脹動力學。3輻射共聚改性PNIPAm共聚物的合成與均聚物的合成并無很大差別。若采用溶液聚合,則以所需比例的單體溶于溶劑后即可進行聚合,一般不需特別處理。用γ輻射共聚也是一個可行的方法,姜桂林等在這方面作了研究。合成新型PNIPAm共聚物的主要目的在于:①改變組分從而改變共聚物中親、疏水比例,進一步探索熱敏的機理,改變LCST以擴大應用溫度范圍,研究結構與性能的關系。②擴大共聚物的應用功能,使其不僅具有熱敏性,還具有如對pH、光等敏感的功能。下面分類綜述其最新研究進展。3.1聚合物的熱敏性能JuZhang研究了一系列組分比(100∶0~0∶100)的NIPAm和丙烯酰胺共聚物、均聚物。通過測量表面張力、濁點及相變焓,發(fā)現(xiàn)PNIPAm均聚物有最低表面張力,隨丙烯酰胺含量的增大,表面張力增大,并找到一個模型可以計算共聚物的表面張力。MeiLi合成了用氟碳組分共聚改性的PNIPAm,采用熒光光譜法研究了PNIPAm共聚的疏水結合,并找到了理想的熒光指示劑,可以有效地對疏水結合作用進行研究表征。YubaoZhang也研究了少量含氟碳單體改性的PNIPAm聚合物,發(fā)現(xiàn)當平均每個共聚物上有兩個以上氟碳單體時,鏈內的聚集就很易發(fā)生。MathiasHahn采用不同的陽離子、陰離子及兩性離子通過自由聚合與NIPAm共聚,得到一系列不同分子基團及電荷密度的產物,在不同溶液中運用光散射等方法測試了共聚物的熱敏性。發(fā)現(xiàn)陽離子共聚物LCST變化不大,但陰離子和兩性離子共聚物的LCST明顯增大,在NaCl溶液中相分離的現(xiàn)象格外明顯。MitsuhiroShibayama利用DDS和溶脹試驗,測試了PNIPAm/丙烯酸、PNIPAm/二甲基丙烯酰胺共聚物兩種體系的解疏水締合作用焓(ΔHN),相轉變溫度(TC)及每個NIPAm分子連接水的數(shù)目(n)。發(fā)現(xiàn)兩個體系的ΔHN和TC存在很大差異,ΔHN都隨共聚組分的增加而減小,n與組分沒有太大關系。并發(fā)現(xiàn)丙烯酸的共聚物相變是不連續(xù)的,而二甲基丙烯酰胺共聚物的相變是連續(xù)的。Ricardo應用正電子湮滅壽命光譜測試了一系列不同組分NIPAm/丙烯酰胺聚合物凝膠的自由體積半徑,發(fā)現(xiàn)隨丙烯酰胺組分的增大,自由體積半徑減小。研究表明改變聚合物的相互作用可控制PNIPAm凝膠內的空隙率。NoriyukiKuramoto制備了NIPAm與乙烯基二茂鐵的共聚物,其LCST隨二茂鐵的含量增加而下降。但對二茂鐵氧化則LCST會劇增,因為此時的二茂鐵基團由疏水性變成親水性,并且這個過程是可逆的。兩次LCST的變化幅度隨二茂鐵含量的增加而增加。YanLiu合成了不同組分的PNIPAm與丙烯酸鈉和甲基丙烯酸鈉的共聚物水凝膠,發(fā)現(xiàn)兩種水凝膠都具有可逆的熱敏性,溶脹率是連續(xù)的,有著低組分含鈉單體的水凝膠才表現(xiàn)出LCST,且發(fā)現(xiàn)強電解質的加入提高了凝膠的吸水性。HyunSeokChoi合成了不同組分比的NIPAm、乙基(N-丙烯基)甘氨酸(ENAG)共聚物亞微粒凝膠,采用光子相關光譜研究了它們的溶脹行為,發(fā)現(xiàn)共聚物凝膠的LCST隨ENAG組分的增加而降低。從Flory-Huggins理論和Flory-Rehner理論出發(fā),提出一種可很好地預測共聚物水凝膠溶脹行為的模型。史向陽合成了一系列NIPAm和長鏈丙烯酸酯及丙烯酸膽固醇酯的共聚物,證實了該類共聚物在水溶液中能形成膠束,且形成的都是相類同的膠束內核,發(fā)現(xiàn)共聚物的LCST隨組分的變化不明顯,但都比均聚PNIPAm的低。利用熒光探針法和L-B技術研究了NIPAm和丙烯酸十八酯的共聚物熱敏現(xiàn)象,并研究了用這種共聚物包覆的脂質體的溫控釋放行為。Bhalerao采用γ-射線技術制備了PNIPAm與聚環(huán)氧乙烷共聚物的水凝膠,這種水凝膠可制成任意形狀、尺寸,溶脹時還具有很好的機械強度,具有很大的應用潛力。3.2聚合物電解質許多研究人員對既對pH敏感又具熱敏的共聚物非常感興趣。EtsuoKokufuta合成了四種不同結構的P(NIPAm/AAc)凝膠,測試了在pH=3和pH=10時,凝膠的膨脹及與溫度的關系,發(fā)現(xiàn)電荷分布對凝膠的膨脹行為有很大影響。這一結論不能用傳統(tǒng)的滲透壓理論來解釋,但用交聯(lián)PNIPAm疏水結合導致微觀相分離的理論則可以解釋。另外,試驗表明羧基和酰胺之間的氫鍵在pH=3時對凝膠的收縮有很大的影響。MiKyongYoo研究發(fā)現(xiàn):NIPAm-co-AAc共聚物的濁點受pH值、丙烯酸含量、聚合物電解質溶液的種類強烈影響,從疏水性角度出發(fā),分析了聚合物電解質對PNIPAm共聚物LCST產生不同影響的原因。卓仁禧合成了聚(丙烯酸)/PNIPAm互穿聚合物網(wǎng)絡水凝膠,并研究了在酸、堿條件下凝膠溶脹率隨溫度變化的不同趨勢,該水凝膠在弱堿性條件下的溶脹率遠大于酸性條件下的溶脹率。JingZhang研究了聚甲基丙烯酸/PNIPAm互穿網(wǎng)絡結構,發(fā)現(xiàn)兩種組分有著相對獨立的熱敏和pH敏感性。膜的滲透率測試表明:溫度和pH值對滲透率有很大的影響,不同大小的藥物透過膜時存在明顯的尺寸排除現(xiàn)象。MeganSpafford制備了一個新型的pH敏感且熱敏的共聚物,其中NIPAm起熱敏作用,甘氨酸鏈段起pH敏的作用。這種聚合物被證明對脂質體包覆的染料釋放具有很好的調節(jié)作用。TakashiAoki采用3-丙烯酰胺苯基硼酸、N-(3-二甲基氨丙基)丙烯酰胺與NIPAm共聚,與純PNIPAm相比高分子主鏈上多了苯基基團和氨基基團,使其有了對葡萄糖的敏感性:增加葡萄糖濃度則共聚物的LCST降低,從而可以通過改變外界葡萄糖的濃度來改變共聚物的LCST。這種共聚物可制成對葡萄糖的靈敏元件,應用于對葡萄糖敏感的胰島素的控制釋放很有前途。史向陽合成了NIPAm和丙烯酰胺基偶氮苯的共聚物,發(fā)現(xiàn)側基含有偶氮苯基的水溶性共聚物包覆的脂質體具有明顯的光控釋放性能。丁小斌研究了在醇/水溶劑中、四氧化三鐵磁流體存在下,采用分散聚合法,通過苯乙烯與NIPAm共聚合成Fe3O4/P(St-NIPAm)微球,該產物除具有磁分離特性外,同時還具有了熱敏特性。4接枝聚合物膜的熱敏性能PNIPAm聚合物也有許多弱點,機械性能差是其中之一。將NIPAm接枝到有機械強度的基材上,其應用范圍可以大為擴大。同時,在PNIPAm高聚物上接枝其它功能基團,也可以改變它的物理性能,擴大應用范圍。實現(xiàn)接枝反應最常用的方法是采用化學偶聯(lián)劑和輻射技術。MingzhenWang等人把PNIPAm通過戊二醛接枝到甲殼素上,得到一種新型的凝膠。發(fā)現(xiàn)PNIPAm的引入對純甲殼素凝膠的凝膠速率、溶脹比等性能幾乎沒有影響,甚至在PNIPAm的含量占總量的25%時也是這樣。但此水凝膠明顯具有了熱敏性能,在30℃以下透明,在32℃以上變濁。TakamasaNonaka等人研究了NIPAm-甲基丙烯酸共聚物接枝于PVA上,測定在不同的溫度下膜的膨脹率,發(fā)現(xiàn)該膜對溫度的依賴性不同于PVA-g-NIPAm膜,從內部結構上分析了兩種共聚物膜存在不同膨脹行為的原因。李亦文在PVA表面輻射接枝NIPAm,考察對比了PVA和PVA-g-NIPAm兩種材料的細胞相對增殖度值和對細胞形態(tài)學的影響,從細胞相容性的角度肯定了對PVA的智能化改性。LiangLiang用硅烷偶聯(lián)劑處理玻璃表面,在其上通過紫外光接枝交聯(lián)PNIPAm,得到小于320nm的PNIPAm層,從而使玻璃表面在低溫(<30℃)表現(xiàn)為親水性,在高溫(>40℃)表現(xiàn)為疏水性,其相轉變溫度大約在35℃,范圍為8℃。李軍、翟茂林采用輻射技術把PNIPAm接枝在棉纖維、PVA膜、硅橡膠膜上,研究了接枝工藝、機理及產物的熱敏性能,為它們的應用作了理論研究。GuohuaChen等人采用兩種途徑把熱敏的PNIPAm接枝于對pH敏感的聚丙烯酸主鏈上,在寬廣的范圍內都具有熱敏性,從而得到了一種既pH敏感又熱敏的高聚物。AlainOurand采用二步法合成了聚丙烯酸上接枝PNIPAm的高聚物,其水溶液在溫度高于PNIPAm的LCST時,粘度有很大的提高,對不同的物理化學參數(shù)(共聚物濃度、切變速率)和結構特性(支鏈長度)影響升溫變稠的行為進行了研究。GuopingChen通過在PNIPAm端基和支鏈上接上感光基團,使其能在光作用下發(fā)生化學反應交聯(lián),得到水凝膠。這樣通過光刻法就可以簡單且有效地控制水凝膠的微觀結構。YuzoKaneko把聚氧化乙烯接枝到PNIPAm水凝膠上,發(fā)現(xiàn)此水凝膠在相轉變溫度以上時,可在10min內完成收縮,而PNIPAm凝膠則需要一個月才行。JanneVirtanen研究了在不同條件下,把聚氧化乙烯接枝到PNIPAm上。發(fā)現(xiàn)接枝上的聚氧化乙烯量和溶液濃度決定了接枝產物水溶液的熱行為。Durand研究了聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸接枝于PNIPAm的聚合物在水溶液中,鹽、葡萄糖、己醇、表面活性劑等的加入對升溫變稠現(xiàn)象的影響,發(fā)現(xiàn)通過改變外部的條件可控制接枝聚合物的升溫變稠行為。5具有良好的應用前景PNIPAm聚合物及水凝膠由于它的溫度敏感性而具有良好的應用前景。近年來,國內外對它的應用和開發(fā)作了許多研究工作,許多文獻在這方面作了報道,在此只著重談論在生物醫(yī)學工程上的幾點應用:5.1開-開-關模式利用PNIPAm凝膠對藥物進行控制釋放有三種模式:一是低溫時將PNIPAm水凝膠放入藥物溶液中溶脹吸附藥物,高溫則發(fā)生收縮向外排出藥物的方式;二是開-關模式,在LCST以上時,水凝膠的表面會收縮形成一個薄的,致密的皮層,阻止水凝膠內部的水分和藥物向外釋放,即處于“關”的狀態(tài)。而當溫度低于LCST時皮層溶脹消失,水凝膠處于“開”的狀態(tài),內部藥物以自由擴散的形式向外恒速釋放;三也是“開-關”模式,但與上面的作用正好相反,PNIPAm以支鏈形式存在于接枝聚合物微球中,在LCST以下,接枝鏈在水中舒展開來,彼此交叉覆蓋,阻塞了微球的孔洞,被包封的藥物擴散受阻,處于“關”狀態(tài);溫度在LCST以上時,接枝鏈自身收縮,孔洞顯現(xiàn)出來,使藥物順利擴散到水中,處于“開”