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Ｎ-异丙基丙烯酰胺高分子水凝胶研究进展 |
史海营,李瑞霞,吴大诚(四川大学纺织研究所,四川成都610065)
高分子水凝胶是水溶性高分子经适度交联形成伸缩性三维交联网络与水组成的多元体系,受到环境刺激的时候随之响应,是一种智能高分子材料。根据水凝胶对环境刺激响应的不同,可分为物理刺激响应水凝胶、化学刺激响应水凝胶和多重响应水凝胶[1-3]。正是由于高分子水凝胶环境刺激响应这一智能化功能,使得其在多个领域得以广泛的研究和应用[4]。其中尤为受到关注的是Ｎ 异丙基丙烯酰胺(ＮＩＰＡ)为主体的高分子水凝胶。自上世纪有学者[5,6]报道了聚Ｎ 异丙基丙烯酰胺(ＰＮＩＰＡ)水凝胶的温度响应性和临界相变以后,对这类水凝胶展开了一系列广泛的研究工作,这方面的研究报道与日俱增。本文介绍了近年来国内外这一领域取得的研究进展,综述了合成方法,组分和结构与性能的关系,以及在不同领域内的应用。
1 合成方法的研究
有关ＰＮＩＰＡ高分子水凝胶的合成方法很多学者做了研究,也有相关的综述报道[7,8]。水凝胶的合成主要有传统的自由基聚合、互穿聚合物网络(ＩＰＮ)等方法;以及制备快速响应水凝胶的改进方法。
1.1自由基聚合法
自由基聚合成ＮＩＰＡ水凝胶是比较常用的方法,可选择不同的方法引发自由基聚合,主要有引发剂引发和射线辐射引发。引发剂按照分解方式主要分为氧化还原分解和热分解两类[9]。氧化还原引发是通过引入氧化还原反应来引发体系的聚合和交联。最常用的氧化还原引发剂是过硫酸钾(ＡＰＳ)和四甲基乙二胺(ＴＥＭＥＤ),也有学者用ＡＰＳ与亚硫酸氢钠(ＳＢＳ)做为氧化还原引发剂[10-13]。用作合成ＮＩＰＡ共聚水凝胶的热分解引发剂主要是偶氮二异丁腈(ＡＩＢＮ)[14-17]。引发剂引发自由基聚合虽然简便易行,但水凝胶中残存的引发剂和交联剂会影响水凝胶的性质和应用。而且引发剂反应产生的热量对ＮＩＰＡ水凝胶的聚合也有较大的影响[18]。为了消除这种影响,可以采用γ 射线辐射引发聚合的方法合成ＰＮＩＰＡ水凝胶[19-21]。辐射引发聚合的方法可以通过改变辐射剂量控制交联度,易于操作;不需要引发剂和交联剂,不污染产品;合成的凝胶更均匀。这些优点有利于水凝胶在要求较高的药物控释、生物分离技术及生物医学领域的应用。
1.2ＩＰＮ法
ＩＰＮ是指将两个化学组成不同的组分分别形成各自独立的网络,而两网络相互缠结在一起构成“拓扑键”形成的互穿聚合物网络,主要用于制备双重响应性水凝胶。ＩＰＮ有两种:一种是半互穿聚合物网络(ｓｅｍｉ ＩＰＮ),在交联ＮＩＰＡ时引入不经交联的共聚单体合成水凝胶,会得到ｓｅｍｉ ＩＰＮ水凝胶[22,23]。另一种是全互穿聚合物网络(ｆｕｌｌ ＩＰＮ),Ｃａｒｍｅｎ等[24]采用先合成ＰＮＩＰＡ/壳聚糖(ＣＳ)ｓｅｍｉ ＩＰＮ水凝胶,然后对ＣＳ进行后交联的方法,得到ＰＮＩ ＰＡ/ＣＳｆｕｌｌ ＩＰＮ水凝胶;也可以用先交联共聚单体,后交联ＮＩＰＡ的方法合成ｆｕｌｌ ＩＰＮ水凝胶[25,26]。
1.3快速响应水凝胶的合成
按上述常规方法合成的水凝胶大都有对外界环境刺激响应慢的特点,给水凝胶的应用带来了一定的限制。为了提高水凝胶对环境刺激的响应速率,许多学者对合成方法做了改进,主要有合成具有孔结构的凝胶、在凝胶基体中引入接枝链、对凝胶进行聚合后处理等方法。在合成凝胶时加入成孔剂,可以在凝胶结构中形成大孔或多孔结构,有利于水分子的进出,加快凝胶体积相变,提高凝胶的响应速率[27],常用的成孔剂有聚乙二醇(ＰＥＧ)和硅胶颗粒等。以不同分子量的ＰＥＧ为成孔剂合成具有孔结构的ＰＮＩＰＡ水凝胶时,能提高凝胶的溶胀率和退溶胀率[28,29]。但是当ＰＥＧ的分子量较大时,凝胶内的残余成孔剂不易洗去,而改用纳米级别的硅胶颗粒作成孔剂时,可以经充分的酸处理使硅胶完全溶解,从而解决成孔剂残留问题[30,31]。此外,相分离技术可以形成具有非均相多孔结构的ＮＩＰＡ水凝胶,使水凝胶的溶胀和退溶胀比率/速率都有明显的提高[32-34]。在凝胶基体中引入梳形结构疏水接枝链,可以形成疏水微区,从而增强水凝胶收缩塌陷时网络与水分子间的排斥作用,提高水凝胶的响应速率[35]。将亲水性的聚环氧乙烷接枝到ＰＮＩＰＡ上,亲水性接枝链的加入,会破坏水凝胶退溶胀过程中表面形成的致密层,使水分子能够顺利进出水凝胶[36]。而梳状接枝ＳＡ/ＰＮＩＰＡ水凝胶,形成的表面多孔结构和可运动接枝链使水凝胶能很快达到溶胀平衡和实现快速退溶胀,并且保持合适的机械强度。
先在18℃聚合,然后在-22℃冷冻聚合的两步法和常规聚合后冷处理法合成ＰＮＩＰＡ水凝胶也具有快速响应性,两步法合成的水凝胶由于凝胶网络的多孔性和表面比较光滑,响应速率较高;冷处理凝胶虽然在水中的溶胀速率和一般方法合成的同种水凝胶相比没有改变,但是退溶胀速率却有提高,这可能是由于在冷冻过程中凝胶大分子排列的规整性得到了加强[37-40]。
2 共聚单体与交联剂对水凝胶性能的影响
通过对ＮＩＰＡ基水凝胶中共聚单体和水凝胶性能之间关系的研究,发现共聚单体的性质和含量不同,凝胶的性能会受到不同程度的影响。此外,交联剂的选择与用量也影响到水凝胶的性能。
2.1离子型单体
在离子型ＮＩＰＡ基水凝胶中,研究较多的是阴离子型水凝胶[41,42]。阴离子单体的加入一般会使凝胶的溶胀比增大,这是因为阴离子增加了凝胶网络对水的亲和力。如用二元酸马来酸和ＩＡ做共聚单体,合成的阴离子型水凝胶具有温度和ｐＨ双重响应性,并且凝胶中的特殊酸性基团(二元酸羧基)含量影响水凝胶不同ｐＨ时的容胀率[20,43,44]。ＮＩＰＡ与阳离子单体共聚水凝胶最近才有研究报道,例如用不同取代基团的氯化磷葎做共聚单体的阳离子水凝胶[45,46]。Ｉｓｉｋ等[47]合成了ＮＩＰＡ/ＮＶＩ(Ｎ 乙烯基咪唑)共聚水凝胶,经过盐酸和硝酸质子化后,水凝胶中的ＮＶＩ转为带正电荷的阳离子,得到阳离子型水凝胶,和未经质子化的水凝胶相比,其相转变温度和发生相转变的范围及溶胀率都增大。用阳离子单体2-甲基丙烯酸(氯化三甲基胺)乙酯(ＭＡＤＱＵＡＴ)与ＰＮＩＰＡ合成的阳离子水凝胶,由于ＭＡＤＱＵＡＴ的加入,增加了水凝胶吸收有毒物质六氰基高铁酸钾及与ＰＡＡ形成聚电解质络合物的能力,在工业净化等领域得以应用[48,49]。此外,乙烯基吡啶盐也可以作为共聚单体合成阳离子型水凝胶[50]。两性离子型ＮＩＰＡ共聚水凝胶也有报道。Ｗｅｉ等[51]合成的ＮＩＰＡ/ＳＰＶ(1 (3 硫代丙烷) 2 乙烯吡啶鎓-甜菜碱)共聚水凝胶,由于ＳＰＶ是同时带有正负电荷的两性离子,称之为两性离子型水凝胶,研究结果表明:ＳＰＶ含量会影响水凝胶的相变温度。高保娇等[50]合成的阴离子ＳＰＡＰＳ(丙烯酸(3 磺酸)丙酯钾盐)、阳离子ＮＶＰ.ＢＦ4(Ｎ 乙烯基吡啶氟硼酸盐)、ＮＩＰＡ三元共聚两性离子型水凝胶,其溶胀比随着凝胶中阴、阳离子的摩尔不同而变化。由此可见,离子型单体的加入对ＮＩＰＡ水凝胶的溶胀性能,相转变温度,环境刺激响应性等都有极大的影响。
2.2非离子型单体
在水凝胶中引入不同的非离子型单体对水凝胶的性能也产生不同的影响。用ＮＩＰＡ与具有不同疏水长链的丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯及丙烯酸十二酯合成不同配比的共聚水凝胶,研究表明随着水凝胶中疏水组分丙烯酸酯含量的增加,水凝胶对温度的敏感性减弱,相转变温度逐渐下降,且酯的疏水链越长,下降速度越快[52,53]。例如,ＮＩＰＡ与Ｎ 取代丙烯酰胺类单体共聚合成的一系列水凝胶,不仅提高了水凝胶的机械性能,增强了水凝胶的疏水性,同时增大了水凝胶的环境刺激响应速率[40,54];用丙烯酰胺与ＮＩＰＡ合成的快速温度响应性水凝胶,可以通过改变丙烯酰胺的含量来提高水凝胶的相转变温度,且丙烯酰胺的引入增大了整个凝胶网络的亲水性和网络孔径,水凝胶的响应速率大大加快[32]。
2.3天然大分子单体
ＮＩＰＡ与非天然单体的共聚水凝胶,在用于生物体时缺乏良好的生物相容性,所以对具有良好生物相容性的天然大分子类单体与ＮＩＰＡ共聚水凝胶的研究开发成了必然。目前研究的与ＮＩＰＡ结合形成水凝胶的天然大分子单体主要有ＣＳ、明胶和其他如ＣＭＣ、ＳＡ等。ＣＳ是甲壳素部分脱乙酰基的产物,具有良好的生物相容性和生物可降解性。用ＮＩＰＡ与ＣＳ合成的ｆｕｌｌ ＩＰＮ和ｓｅｍｉ ＩＰＮ水凝胶,引入的ＣＳ使凝胶具有温度和ｐＨ双重响应性,但对凝胶的相转变温度没有明显影响;并且ＣＳ网络极大的增加了凝胶对药物的亲和力,可对药物控制释放[24,55,56]。也有学者合成的ＰＮＩＰＡ/ＣＳ凝胶在低临界溶解温度时的相转变现象消失,而是进行透明/浊化态转变,克服了ＰＮＩＰＡ均聚水凝胶的体积不稳定性和由此引起的在光学和分离科学等领域的应用限制[15,57]。明胶(Ｇｅｌ)是胶原的适度降解产物,其蛋白质结构决定了它有优异的生物功能和生物降解性以及良好的生物相容性,是一种性能优良的生物医用材料。ＮＩＰＡ与明胶合成的ｆｕｌｌ ＩＰＮ水凝胶,其环境响应性和相转变温度受水凝胶组分含量的影响,并且交联后的明胶网络保留了明胶的生物降解性,水凝胶可以在ｐＨ=9.6的碱性条件下发生降解[58-61]。其他天然大分子单体如ＣＭＣ,ＳＡ和Ｋ 型卡拉胶与ＮＩＰＡ合成的水凝胶,其环境响应性溶胀性能以及机械性能都得到不同程度改善[22,23,62]。此外,还有其他特殊单体可以和ＮＩＰＡ合成共聚水凝胶。如日本学者将金属钌(Ｒｕ)以三(2,2-双吡啶)钌(Ｒｕ(ｂｐｙ)3)的乙烯基取代衍生物形式引入到ＰＮＩＰＡ凝胶中合成了自振荡水凝胶,有望用于微驱动软件、微泵、及与细胞循环或人生物律动同步的系统[63]。
2.4交联剂对水凝胶性能的影响
自由基聚合和ＩＰＮ法合成ＮＩＰＡ类水凝胶时,一般要加入交联剂。交联ＮＩＰＡ的交联剂最常用的是Ｎ,Ｎ 亚甲基双丙烯酰胺(ＢＩＳ),大多自由基聚合方法都是采用ＢＩＳ做交联剂。近来Ｗｅｉ等[37,51,54,64,65]采用八官能团物质双(己二烯缩醛)(ＧＬＹ)替代ＢＩＳ为交联剂合成了一系列的ＮＩＰＡ共聚水凝胶,与采用ＢＩＳ为交联剂合成的水凝胶相比,ＧＬＹ很大程度上提高了水凝胶的溶胀和吸水性能,而不影响其他性质。也有学者用四甘醇二丙烯酸酯(ＴＥＧＤＡ)做交联剂[55]。天然大分子类单体和ＮＩＰＡ合成ＩＰＮ水凝胶时,一般是采用含有双官能团的物质为天然大分子的交联剂,如前述明胶和壳聚糖为单体的水凝胶大都是用戊二醛来交联其中的大分子,也可用甲醛[62]交联壳聚糖网络。交联剂的用量不宜太多,太多的交联剂会降低凝胶的溶胀率。
3 ＰＮＩＰＡ高分子水凝胶的应用
ＰＮＩＰＡ高分子水凝胶感知、响应外界环境微小变化的这一特性,使得其作为一种智能材料有良好的应用价值和前景。目前,ＰＮＩＰＡ高分子水凝胶在不同领域内的应用得到了广泛的研究和探讨。
3.1医学材料
ＰＮＩＰＡ高分子水凝胶在医学材料领域的应用主要有药物控制释放、组织工程、医用附属材料等,应用较多的是药物控制释放体系[66]。Ｚｈｕａｎｇ等[67]合成了ＰＮＩＰＡ/ＮＶＰ水凝胶,利用ＮＶＰ与药物形成络合物的性质,能够将难溶药物阿司匹林在生理条件下完全溶解、释放,并且能够延长释放时间,充分发挥药物的效能。ＰＮＩＰＡ与改性β ＣＤ合成的水凝胶,其中的β ＣＤ部分同样能够与药物缔合,把药物包埋在水凝胶内,形成水凝胶 药物络合物,使水凝胶对药物的吸收能力和释放比率得到明显提高[68,69]。ＰＮＩＰＡ/ＩＡ水凝胶在药物释放体系的应用也得到了较多的研究[20,43,44,70,71]。
在外科手术中容易引起手术中出血和手术后组织粘连,临床通常用纤维蛋白胶和透明质酸盐(ＨＡ)做止血胶和防粘连药物,但是纤维蛋白胶容易引起血液感染而ＨＡ会很快生物降解从伤处脱落。Ｏｈｙａ等[72]合成了ＰＮＩＰＡ/ＨＡ和ＰＮＩＰＡ/Ｇｅｌ水凝胶,分别通过老鼠盲肠术后防粘连和狗肝脏出血点的止血实验发现,这两种水凝胶很好的克服了前述问题。ＰＮＩＰＡ水凝胶还可以和细胞形成细胞 高分子络合物,在组织工程方面得以应用。在ＰＮＩＰＡ/ＣＳ水凝胶内,人的间充质干细胞经软骨形成分化后,可以在膀胱黏膜层生成软骨结构,有望作为细胞修复技术用于临床治疗输尿管回流疾病[73,74]。此外,将ＮＩＰＡ接枝在棉纤维上后再交联ＮＩＰＡ,形成ＰＮＩＰＡ水凝胶/纤维体系,棉纤维可以使凝胶具有固态形状,同时可以通过凝胶的孔结构和溶胀行为调节纤维的吸收/释放行为,使棉纤维具有良好的吸收能力和通透性,可以用做绷带及其他用途[75]。3.2生物材料ＰＮＩＰＡ水凝胶作为生物材料在生物大分子萃取分离,酶的固定化等新技术领域的应用已有研究[76,77]。近来,Ｃｈａｍｐ等[78]首先报道了ＰＮＩＰＡ/ＡＡ水凝胶作为生物材料对细菌的分离作用。他们选用表皮葡萄球菌作为模型,用ＰＮＩＰＡ/ＡＡ水凝胶在水分散稀溶液对其进行了富集分离,结果表明,水凝胶不但对细菌有很高的分离效率,同时还保持了细菌的生存能力。ＰＮＩＰＡ水凝胶作为抗菌生物材料也有研究,Ｎｏｎａｋａ等[45]合成了ＰＮＩＰＡ与三烷基 4 苯乙烯基氯化磷葎(ＴＲＶＢ)共聚水凝胶,在水凝胶含有较大含量的ＴＲＶＢ时,水凝胶具有较高的抗奥里斯葡萄球菌活性。利用ＰＮＩＰＡ水凝胶的多孔结构和异丙基支链与蛋白质的疏水反应,可以实现对蛋白质牛凝血酶 2的重折叠,极大的提高凝血酶的活性,并且易于操作,损耗低,水凝胶可重复利用,是一种新型的蛋白质复性方法[79]。
3.3化学机械阀及感应元件
具有温度、ｐＨ、离子强度等多重环境响应性的ＰＮＩＰＡ水凝胶,也可用作控制液体流动的化学机械阀。当液体流经有ＰＮＩＰＡ水凝胶组成的调节装置时,水凝胶响应液体温度或者ｐＨ等的变化而产生相变,形成自动调节液体流动的智能开关,这样水凝胶就同时起到感应系统和驱动系统的作用,省去了带动驱动系统的能源装置[80,81]。Ｏｋｔａｒ等[82]在ＰＶＡ水凝胶薄膜内植入ＰＮＩＰＡ和ＰＮＩＰＡ/ＡＡ水凝胶微粒,作为对溶液中铅离子和铜离子的化学感应元件。因为铅离子或铜离子能够使ＡＡ去质子化,引起凝胶微粒对溶剂亲和力下降,而亲和力的微小变化就可以引起凝胶微粒溶胀行为的较大改变,从而引起ＰＶＡ薄膜浊度的变化,是一种可视感应元件。
4 结束语
ＮＩＰＡ类高分子水凝胶这一智能性材料正引起国内外越来越多的学者的注意,有关其合成方法、结构与性能的关系等方面的研究已经取得了一定的进展。但是如何通过分子设计和有效的合成方法制备结构与性能更优良的水凝胶,特别是如何通过结合天然大分子合成更具生物相容性和更好环境响应性的水凝胶,将是今后研究的关键问题。相信随着对ＮＩＰＡ类高分子水凝胶研究的深入,必将促进其在生物、医学材料等领域的广泛应用。(参考文献82篇略)
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