任彦荣 霍丹群 侯长军
1重庆大学生物工程学院生物力学与组织工程教育部重点实验室，重庆400044;
2重庆大学化学化工学院，重庆400044
0前言
    聚N-异丙基丙烯酞胺简称PNIPAm，由于其大分子侧链上同时具有亲水性的酞胺基-CONH-和疏水性的异丙基-CH(CH3):，使线型PNIPAm的水溶液及交联后的PNIPAm水凝胶呈现出温度敏感特性。常温下，线型PNIPAm溶解于水中形成均匀的溶液，当温度升高至30~35℃之间的某一温度时，溶液发生相分离，表现出较低的临界溶液温度。wer criticalsolution temperature，简称LcsT)。而交联的PNIpAm水凝胶室温下溶胀，在相变点32oC附近，温度变化不到1℃就可引发高达百倍的体积收缩变化。除了溶胀体积外，凝胶的其它性质，如相互作用参数、模量、折光率、介电常数、光学各向异性等也会同时发生突跃性变化，并且变化往往都具有可逆性。这种由温度敏感性而引起高聚物产生的智能型和记忆效应引起了人们很大的兴趣，成为国际上高分子领域一个新的研究热点。本文对PNIPAm的温敏机理、合成及其应用等方面的研究进行综述。
1 PNIPAm的温敏机理
    在对PNIPAm的研究中，人们最关心的一个问题是它产生温敏特性的机理，这也是当前研究的一个重点。目前较容易被人接受的观点是:PNIPAm分子内具有一定比例的疏水和亲水基团，它们与水在分子内、分子间会产生相互作用。在低温时，PNIPAm与水之间的相互作用主要是酞胺基团与水分子间氢键的作用。在LCST以下，PNIPAm分子链溶于水时，由于氢键及范德华力的作用，大分子链周围的水分子将形成一种由氢键连接的、有序化程度较高的溶剂化层，并使高分子表现出一种伸展的线团结构。随着温度的上升，PNIPAm与水的相互作用参数突变，部分氢键被破坏，大分子链疏水部分的溶剂化层随之被破坏。温度的升高对疏水基团的影响表现在2个方面:一方面疏水基团间的相互作用是吸热的“嫡驱动”过程，即随温度升高，聚合物溶液体系的嫡增加，疏水基团的缔合作用增强;另一方面疏水基团的热运动加剧，疏水缔合作用被削弱，同时水分子的热运动加剧，从而改变了疏水基团周围水分子结构与状态，使水一疏水基团的作用发生变化，疏水缔合作用进一步被削弱。总的结果是，PNIPAm大分子内及分子间疏水相互作用加强，形成疏水层，水分子从溶剂化层排出表现为相变。此时高分子由疏松的线团结构变为紧密的胶粒状结构，从而产生温敏性。PNIPAm的水凝胶温敏性相转变是由交联网络的亲水/疏水性平衡受外界条件变化而引起的川。定性来看，水凝胶的溶胀过程是水分子向凝胶内部扩散与凝胶侧链上亲水基团形成氢键的过程，当温度升高时，氢键振动能增加，破坏氢键的束缚，使之断裂，水凝胶溶胀比则明显减少。这是一个吸热过程，因为大量的结合水从高分子骨架上脱离出来，使水凝胶一水体系嫡增加。
    也有人对PNIPAm水溶液的温敏现象从聚合物溶解过程的热力学来解释:根据Nemethy一Scheraga的疏水相互作用理论，由于氢键的形成，其溶解过程的焙变△H为负值，即为放热溶解，同时溶解过程中，由于水分子包裹在分子链的疏水部分形成较为规则的笼子结构，致使嫡变△S也为负值。由于△G=△H-T△S，当温度较低时，熔和嫡的共同作用可以使△G<O。由此可见，升温不利于溶解，温度较高时会导致△G>O，从而发生相变。许多研究者还通过各种热力学理论对水凝胶的各种敏感性进行了解释，其中与实验现象符合较好的是Ilavsky等修改的FI盯y提出的平均场理论，但这一理论不能预测发生敏感性相转变时的温度、pH值、盐浓度、介质组成浓度等。Tanaka等通过测定聚合物链的持续长度b和有效半径a之比(即代表聚合物链刚性的度量)与敏感性之间的关系，提出了下面的半经验参数S作为有无敏感性的判定依据:

式中:f代表单位有效链上可离子化基团的数目，S>290时，水凝胶会发生敏感性相转变。这一理论的半经验公式中虽然涉及了交联网的结构因素，但仍未能很好地解释敏感性机理。
    目前，虽然人们对温敏的机理已有了初步的认识，但就疏水基团相互作用机理及其与相转变温度的关系而言，定量方面尚有许多问题有待澄清。PNIPAm温度敏感机理仍处在不断的发展和完善中，这一问题的解决无疑将为温度敏感性聚合物及水凝胶的研究开拓到分子设计的领域打下基础。
2 PNIpAm的合成
2.1线型PNIPAm的合成
    线型PNIPAm的合成可采用传统的聚合方法:本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合、以及乳液聚合。一般来说，溶液聚合方便易行阁。以过氧化苯甲酞、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0.001%~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、四氢吠喃、氯仿、苯、乙酸烷基醋等，可单独亦可混合使用，无特别限制，浓度在1%一80%之间。近年来，电离辐射技术在PNIPAm的合成中也得到了应用，用射线辐射聚合的方法在水溶液、PBS缓冲溶液(pH=7.4)和有机溶液(THF)中合成聚N一异丙基丙烯酞胺已经可以实现。伊敏等采用丫射线辐射合成了PNIPAm线型均聚物。从国内外的文献看，线型PNIPAm的合成并不困难，但大家在采用溶液聚合合成PNIPAm的工艺上存在很大的差异:即使使用相同的引发剂，有人在50oC反应10h即可，有人600C反应sh，有的70OC反应6h，有的600C反应24小时，但没有人对具体工艺过程中各种因素，如反应温度、时间、引发剂用量等对合成的PNIPAm的性能包括分子量、分子量分布的影响做深入的研究。
2.2 PNIPAm水凝胶的合成
    制备PNIPAm水凝胶的传统方法是便用引发剂和交联剂以实现NIPAm单体的引发、聚合和交联。常用的交联剂有N，N=亚甲基双丙烯酞胺(Bis)、二甲基丙烯酸乙二醋(EGDMA)、二甲基丙烯酸二甘醇酷(DEGDMA)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PNIPAm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，生产更方便经济。Hoffman等在高于LCST的温度下使NIPAm辐射交联合成了大孔温度敏感水凝胶，与传统方法制备的水凝胶相比，大孔水凝胶具有较大的孔体积/孔尺寸之比和更快的大分子渗透速度，在温度低于LCST时具有更高的溶胀比，温度变化时有更快的退溶胀速度和再溶胀速度。Nogaoka、翟茂林等在不使用交联剂的情况下通过辐射引发使NIPAm单体在水溶液中交联合成了PNIPAm水凝胶，研究发现:通过控制剂量、剂量率、单体浓度等因素可合成所需交联密度的水凝胶，并发现辐射剂量与合成凝胶的扩散系数直接相关。Gehrke等研究了合成条件对PNIPAm水凝胶性质的影响，发现水凝胶的溶胀平衡程度、剪切模量、有效交联密度及透明度等性能均受到合成条件如引发剂浓度、温度、聚合时间等的影响。
    近来报道较多的是把PNIPAm水凝胶制成微球川，常用的方法是反相悬浮聚合法和乳液聚合法。乳液聚合法常采用十二烷基磺酸钠、氯化三甲基十八烷基钱、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。Hoffman等采用藻脱化钙凝胶作为聚合的模板，用氧化还原剂制备了尺寸和形状均为单分散的PNIPAm水凝胶球，合成后可以使用钙鳌合剂很容易地从水凝胶球中除去藻院化钙。最近，郭振良以偶氮二异丁睛为引发剂，在唬拍酸双(2-乙基己醋)磺钠、甲苯、NIPAm、水组成的微乳液中，通过微乳液聚合制备了未交联及交联的PNIPAm超细微粒，颗粒平均粒径约为0.1μm，未交联聚N-异丙基丙烯酰胺粘均分子量为1.38x1o(e6)kg/mol，交联聚N-异丙基丙烯酞胺超细微粒的内比表面积为48.o48m3/g，相对孔径分布为1-10nm，气体最大吸附量为1784.8cm3/g。另外，采用沉淀聚合法也可以得到凝胶微球。
3 PNIPAm的应用
    PNIPAm聚合物及水凝胶由于其对温度的敏感性，在药物释放、固定化酶、物料分离、免疫分析等方面有广阔的应用前景。近年来，国内外对它的应用和开发做了许多研究工作，大量的文献也做了相关报道。
3门药物释放
    药物释放体系就是当人体受疾病困扰时，所需药物就会释放出来;当病情好转时，药物就被封闭。PNIPAm聚合物及水凝胶随温度的变化引起构象的变化，从而可当作温控开关，应用于药物释放体系。交联的水凝胶本身就可作为一种温控释放的药物载体，线型的聚合物多修饰于药物载体上，利用温度控制构象改变，从而促进释放。利用PNIPAm对药物进行控制释放有3种模式:①低温时将PNIPAm水凝胶放人药物溶液中溶胀吸附药物，高温则发生收缩向外排出药物;②开一关模式，在LCST以上时，水凝胶的表面会收缩形成一个薄的、致密的皮层，阻止水凝胶内部的水分和药物向外释放，即处于“关”的状态。而当温度低于LCsT时皮层消失，水凝胶处于“开”的状态，内部药物以自由扩散的形式向外恒速释放;③开一关模式，但与上面的作用正好相反，PNIPAm以支链形式存在于接枝聚合物微球中，在ICST以下，接枝链在水中舒展开来.彼此交叉覆盖，阻塞了微球的孔洞，被包封的药物扩散受阻，处于“关”状态;温度在LCST以上时，接枝链自身收缩，孔洞显现出来，使药物顺利扩散到水中，处于“开”状态。
    You Han Bae，Yeruo okano等以温敏材料NIPAm与甲基丙烯酸丁酷的共聚凝胶(P NIPAm一co一PBNA)作为药物载体，并载上叫噪美辛药物。此给药体系在pH为7.4的磷酸生理盐水缓冲液中进行了温控释药测试，当温度在LCST上下范围(20-30℃)交替变化时，凝胶体系可开关式地控制药物释放。Kim等用PNIPAm共聚水凝胶对肝素进行控制释放以防止血栓，当环境温度升到LCST以上时，水凝胶表面会收缩形成一个薄的、致密的皮层，防止水凝胶内部的水分和药物向外释放，即处于“关”的状态;而当温度低于LCST时，皮层溶胀消失，处于“开”的状态。
3.2酶的固定
    用PNIPAm固定化酶，能制备出对温度敏感的溶解一非溶解固定化酶，易于分离，又能重复使用，酶的稳定性也增加了。通过将NIPAm与官能性的单体如N一丙烯酞氧基苯邻二甲酞亚胺(NAPI)、N-丙烯酞氧基唬拍酞亚胺(NASI)或甲基丙烯酸缩水甘油醋(GMA)共聚，合成官能化的温敏聚合物，这样可通过偶合反应将该聚合物与酶合成有温度敏感性的生物大分子，实现酶的固定。
    Hoffman及steink。等曾分别报道由N-异丙基丙烯酞胺同丙烯酞胺或甲基丙烯酸缩水甘油醋共聚，用于固定天冬酞胺酶及胰蛋白酶，通过改变温度调节其在水中的沉淀或溶解。并且Hoffman认为水凝胶的温度循环可以大大提高酶的效用，被包围的酶的存在也可以改变凝胶网络的溶胀行为。Liu Feng等采用NASI在PNIPAm上固定了糜蛋白酶，固定了酶的水凝胶通过调节体系温度下降或上升的循环可分别打开或关闭酶的活性，这样就可能实现酶活性的开关。Lev IV等研究了PNIPAm偶合胰蛋白酶或辣根过氧化酶而成为一种生物活性化合物，用于药物定位传送。卓仁禧在将糜蛋白酶、蜗牛酶、嗜热菌蛋白酶固定在PNIPAm上及应用方面作了大量研究。Hoshino研究了用PNIPAm共聚物固定淀粉酶，分别测量了固定化酶和自由酶对淀粉溶液的糖化作用，发现固定化酶的活性是自由酶的90%，比传统方法所得固定化酶要高，并且使用后可以通过离心的方法从产物中分离复原，从而重复使用。还有一些报道使用热敏聚合物与水凝胶固定纤维素酶、胰蛋白酶、脂肪酶、俘一半乳糖昔酶等，固定化酶的稳定性均有提高且利于用温度来控制和分离。
3.3物料分离
    利用PNIPAm的温敏性可制作具有温度敏感的功能膜、多孔玻璃以及具有“开关”能力的温度敏感超滤膜，常用于物料的分离。这类膜有许多优点:容易再生、耗能少、不必高温高压，也不会使蛋白质中毒，有利于生物物质的分离以及稀溶液的分离，可根据要求浓缩和分离的物质的分子尺寸或分子性质来设计凝胶的交联密度和单体单元结构。由此可见，当用热敏性水凝胶来分离物质时，只需在水凝胶的LCST附近反复升温或降温，使水凝胶反复选择性吸收和释放就可以达到分离目的。尤其是阴离子型温敏水凝胶PNIPAm分离不同分子量的化合物，分离效果很好，且被分离物的分子量越大分离效果越好。
    金蔓蓉等用PNIPAm凝胶对牛血清蛋白、兰葡聚糖、碱性蛋白酶以及人体激素溶液进行浓缩萃取实验，结果表明具有良好的实用前景。王锦堂研究了PNIPAm凝胶对蛋白质和酶的分离效率在相转变温度附近发生突跃，显示出很好的浓缩分离能力。Freltas等用热敏性水凝胶分离出稀水溶液中的葡萄糖等物质，其效率可达96%以上。Hoffman等用包埋有甲基丙烯酸的热敏性水凝胶成功地分离了带有正电荷的甲基兰稀水溶液，他们也成功地通过在热敏性水凝胶网上引人抗体来有选择地除去溶液中的抗原配体。
3.4免疫分析
    采用PNIPAm作载体而建立的免疫分析方法具有均相免疫分析速度快和异相免疫分析灵敏度高的特点。周平将单克隆抗体与PNIPAm共价连接，建立了以溶解性可调节高分子为载体的酶免疫分析方法，对血清样品中的HbsAg进行了检测，灵敏度高，效果好。朱庆枝将PNIPAm和抗体偶连，用异硫氰酸荧光素标记羊抗人乙肝表面抗原抗体，建立了夹心型热敏相分离荧光免疫分析乙肝表面抗原的新方法，评价了抗体在PNIPAm上的固化效率和非特异性吸附情况，结果认为该方法具有分析快速、免疫球蛋白对载体的非特异性吸附小等优点，有一定的临床应用价值。LiuFeng基于PNIPAm与醋酸一硝酸纤维素膜的特异性吸附作用，将抗体与PNIPAm共价结合，再接枝固定到纤维素膜上，建立了聚合物膜联免疫分析法，利用PNIPAm的温度敏感性达到均相免疫反应，异相分离的目的，实验表明，对人血清中乙肝表面抗原的检测灵敏度高达1.0μg/ml。
3.5医用生物高分子材料
    PNIPAm可以与生物大分子进行偶合反应，传递温敏性，制成生物功能性材料。赵建青通过轻基化和接枝PNIPAm制备了热敏性聚苯乙烯盒，当环境温度低于LCST时，盒内表面亲水，细胞可快速生长;高于LCST时，则盒内表面疏水，让细胞脱附。此外还有人把PNIPAm应用于细胞培养支持体材料，将PNIPAm和胶原的共扼产物涂在培养基上，在高于LCST时进行细胞培养，达到目的后在LCST以下时，PNIPAm溶解，细胞则和培养基分离。这种方法简单方便，在培养鼠原肝细胞、人胆管癌细胞、人真皮成纤维细胞、牛主动脉内壁细胞等应用中取得了满意的效果。
    PNIPAm由于具有独特的性质，除了以上应用外，还广泛应用于其他领域，比如形状记忆材料、化学阀、遮光材料、热记录和热标记、反应控制、装饰材料等。
4结束语
    PNIPAm是近年来发展起来的一种新型智能材料，其潜在的应用价值已吸引了众多的研究者。为加快其实用化步伐，以后的研究工作还要进一步阐明其刺激响应机理，合成温度响应更加灵敏的聚合物，开发能实际应用、产生经济效益的智能材料。我们相信，随着研究和开发工作的进一步深人，在不久的将来，热敏性PNIPAm将在化工、医学、生物、材料领域中起着不可替代的作用。