1987年Tanaka研究小组[4]第一次从理论上解释了PNIPAAM凝胶的不连续体积变化。由于对弹性参数的处理太理想化,他们对非离子型PNIPAAM凝胶的解释与实验不符。随后Prausnitz提出了可压缩的格子模型并引入了氢键作用能,解决了运用Flory-Huggins的理论中的一些不足,解释了非离子型PNIPAAM凝胶的体积相变,然而模型中的参数只适用于部分膨胀度范围。之后他们改进了弹性参数,对离子型凝胶的部分实验事实作了解释[5]。1990年Cussler[6]发现凝胶的膨胀行为具有压力依赖性,所以引入了与体系内聚能密度有关的相互作用能参数,建立了基于可压缩格子模型的状态方程。
   但是到目前为止,还没有一个模型可以解释所有的实验事实。为确定体系中的作用力关系,对凝胶的体积相转变行为还需进一步的实验表征。Prausnitz[5]研究LCST转变时仅仅考虑了聚合物与溶剂的相互作用力——氢键力,而忽略了聚合物分子内部和聚合物分子间的作用关系,所以他们确定的参数不能在所有的温度范围内适用。实验发现,当选择疏水性较低(较高)的烷基时,聚(N-烷基丙烯酰胺)LCST呈上升(下降)趋势,因此凝胶中高分子链之间的疏水性作用力不能忽视。Winnik[7]认为在LCST转变过程中上述氢键力和聚合物的疏水性作用力同样重要,但Fujishige[8]却认为聚合物的疏水性作用是LCST转变的唯一驱动力。是氢键作用或是疏水性作用,还是两者共同的作用驱动了水凝胶LCST的转变,还处于争论之中。1.2　PNlPAAM体积相转变的多元性环境条件的变化或对PNIPAAM共聚改性,会改变PNIPAAM分子链-溶剂间以及高分子链-高分子链之间的作用力关系,从而改变水凝胶的体积相变性质。PNIPAAM水凝胶的体积相变除具有温度的刺激响应性,还可设计成具有pH值、无机盐浓度、溶剂、电场、光等的刺激响应性。这种多元化的刺激响应性质扩展了PNIPAAM体积相转变的可设计性和应用范围,在应用领域有非常实际的意义。例如可设计成化学阀、光阀、传感器等器件用于记忆元件、人工肌肉、智能型膜、药物释放体系等领域。PNIPAAM能够溶解在与之形成氢键的许多溶剂中,如醇、丙酮、二氧六环、DMSO和THF等。但是在有机溶剂中尚未发现PNI-PAAM存在LCST。然而Tanaka小组[9]发现PNIPAAM凝胶的体积相转变具有混合溶剂组成的响应性。在DMSO/水的混合溶剂中,DM-SO含量升至33%时凝胶的体积立即收缩至原来的1%左右,DMSO量达到90%时凝胶重新膨胀。有机溶剂会影响PNIPAAM水凝胶的LCST值。例如在水/THF体系中PNIPAAM的LCST升至72℃[10],然而在水/醇体系中它的LCST却低于32℃[11]。另外,PNIPAAM的LCST还受其他因素的影响。Howard[12]的研究表明随着PNIPAAM分子量的升高以及体系中无机盐浓度的增加,LCST呈下降趋势。Schild[13]证实了增加十二烷基硫酸钠(SDS)的浓度,PNIPAAM的LCST值也呈增加趋势。1%的SDS就足以使PNIPAAM的LCST超过水的沸点。显然在PNIPAAM中引入共聚单体也会改变水凝胶的相变行为。类似于上述聚(N-烷基丙烯酰胺)的LCST变化规律,选择疏水性单体,如N-十六烷基丙烯酰胺[14]作为共聚单体将降低PNIPAAM共聚物的LCST,选择亲水性的阳离子型或阴离子型的共聚单体会提高共聚物的LCST和膨胀度[4,5,15]。Prausnitz[15]还发现PNIPAAM的离子型共聚凝胶的体积相变同时有温敏性和pH值敏感性,实际上是pH值影响了LCST的大小。这样在某一温度下改变体系的pH值,水凝胶的LCST会在这一温度上下变动,结果实现了凝胶的体积相变。由于电场可使离子化的共聚水凝胶发生离子迁移,所以改变外界电场也可实现PNIPAAM共聚凝胶发生不连续的体积膨胀和收缩[16]。将光敏性的单体如LeCN衍生物[17]、叶氯酸钠盐[18]或偶氮化合物[19]与NIPAAM共聚,光照将会影响共聚高分子链的亲水性或疏水性。例如2%的LeCN衍生物与NIPAAM共聚,可见光下共聚物的LCST为30.0℃,UV照射下其LCST变为32.6℃。那么如果共聚水凝胶的温度设定在32℃,UV光光闸的开闭将引起水凝胶的体积相转变。Masahiro[20]合成了含11.6mol%冠醚-6的PNIPAAM共聚物,发现Na+、K+等金属离子微小浓度的变化可促使这种共聚物水凝胶发生体积相转变。
2　PNIPAAM在分离领域中的应用研究
   改变环境温度,PNIPAAM分子链伸展、卷曲,亲水性疏水性的不连续转变性质可以用于膜的智能化设计。利用PNIPAAM体积相转变的多元性,可以设计出光、电、化学环境响应性的分离系统。分离体系中溶质、溶剂等也会对温敏性元件的行为产生影响。目前,PNIPAAM在分离领域中的应用主要有下面几个方面。
2.1　可再生性萃取水凝胶
    萃取凝胶可以吸收小分子,使高分子溶液得到浓缩。温敏型凝胶具有可逆相转变性,所以可以方便地再生、反复使用且极具经济性。由于操作条件温和,特别适用于生物大分子的浓缩和提纯。Roberto[21]研究了PNIPAAM萃取凝胶对不同分子量化合物的选择分离性。发现98%的尿素可以和溶剂一样被凝胶萃取吸收,而高分子量化合物几乎不能够进入凝胶的交联网络。通过不同分子量的聚氧化乙烯醚(PEO)的分离实验,得出了分离效率随交联密度的增加、溶质分子量的增加而增加的结论。例如PEO-400(400是分子量)的分离效率只有10%,PEO-18500为80%,而PEO-60000的分离效率可达96%。认为凝胶的交联网络起到了过滤器的作用,但由于凝胶内各处交联密度的不均匀性,对高分子量化合物的分离效率也不可能达到100%。根据相似的原理,PNIPAAM萃取凝胶还被用于大豆蛋白质/小分子杂质的分离[22],以及汽油/水的分离[23]。另外通过考察溶质对PNIPAAM萃取凝胶体积相转变的影响,发现pH值、无机盐对凝胶影响较小,但高浓度的NaCl会减小凝胶的膨胀比[21]。
2.2　温敏性水凝胶膜
    PNIPAAM可以直接制备成水凝胶膜,也可以接枝于高分子膜表面,制成刺激响应型膜。PNIPAAM用于智能型膜,主要利用它的两个特点:温度改变引起的体积相变和分子链亲水性疏水性的转变引起的膜表面性质的变化。Feil[24]将NIPAAM与5%的甲基丙烯酸丁酯(BMA)共聚制成水凝胶膜,由于BMA的疏水性强于NIPAAM,所以水凝胶的LCST低于32℃,16℃至25℃间的温度变化可以引起水凝胶10倍以上的体积变化。计算表明温度升高会减小凝胶的网眼尺寸。利用不同温度下不同溶质扩散速率的差别,成功地将溶质分子量分别为376、4400和150,000的混合物分离开。Feil得出了水凝胶膨胀比与溶质扩散速率的线性关系,认为分离过程符合凝胶的自由体积理论。Nonaka[25]运用溶液接枝的方法制成了PNIPAAM-g-PVA膜,不同的热处理温度导致PVA的结晶度不同,膜的膨胀比也不同。用不同分子尺寸的聚氧化乙烯醚进行分离实验,实验结果的规律性与Feil[24]的实验相似,依赖于溶质的分子尺寸和PNIPAAM-g-PVA膜的网眼尺寸的大小,分离过程可用自由体积理论进行解释。但是对亲水性不同的正丁醇和特丁醇的分离实验表明,在PNIPAAM发生体积相转变的同时,膜的亲水性疏水性的变化也是必须考虑的因素,对正丁醇和特丁醇的分离会产生影响。
2.3　温敏性接枝膜
    水凝胶膜的机械强度不够,不能满足某些膜分离领域的要求。基于这种考虑,Iwata[26]用等离子体技术将PNIPAAM接枝在聚偏氟乙烯(PVDF)微滤膜的表面。水通量实验表明PNIPAAM接枝物仍然具有体积相转变性质,改变温度时膜的通透性会发生不连续变化。I-wata认为PNIPAAM接枝聚合物主要分布在PVDF膜的表面,接枝率不同将导致接枝膜的通透机理发生变化,如Fig.2所示。接枝率较低时属压力渗透机理:T<LCST时,PNIPAAM分子链伸展,形成的水合层将膜孔遮盖,增加压力也不易增加水的透过性;T>LCST时,PNI-PAAM分子链卷曲,膜孔暴露,膜的通透性对压力变化变得非常敏感。接枝率较高时属扩散渗透机理:T<LCST时,PNIPAAM形成较厚的水合层,亲水性溶质主要以扩散的方式透过;而T>LCST时,PNIPAAM接枝层脱水并且变得致密化,溶质不易以扩散的方式透过。Okahata[27]报道了在NaCl、萘磺酸水溶液中PNIPAAM接枝尼龙微滤膜的变温透过性能,结果与上述Iwata报道的高接枝率情况相符。

Liang等人[28]研究了玻璃表面PNIPAAM接枝层接触角的温敏性变化过程,证实了在LCST附近几度的温升确实使玻璃的表面经历了从亲水性到疏水性的转变。基于这种思想,Seida[29]通过改变温度,得出PNIPAAM水凝胶对苯甲酸有吸附、脱附的行为。Kawaguchi[30]合成了PNIPAAM水凝胶微球,希望利用PNI-PAAM的亲水性和疏水性的差别能够对蛋白质进行分离。发现在25℃和40℃时,PNI-PAAM水凝胶微球对人体γ-球蛋白(HGG)的吸附能力相差5倍。这样在40℃水凝胶对HGG吸附,降温到25℃时,HGG脱附,实现了HGG的分离。利用温敏型水凝胶对酶、蛋白质等物质进行富集或分离,具有操作方便、操作温度低、经济性好(温敏性水凝胶可再生)等优点。水凝胶膜的交联结构,决定了它对环境信号响应较慢、溶质渗透速率也较馒的特点。ChoiYJ等[31,32]用等离子体技术在聚烯烃微滤膜上接枝了PNIPAAM线型聚合物,希望能克服上述缺点。长期以来一直认为等离子体只能活化材料的表面区域,但王晓琳的实验表明,利用等离子体技术不仅可以在微滤膜的表面,而且能在微滤膜(壁厚1mm、孔径0.1μm的PE管式微滤膜)的膜孔中接枝上PNIPAAM聚合物。利用显微红外等技术,发现膜剖面上的(膜孔中)接枝物主要分布在距膜的外表面向内约200μm的区域内。这样,膜孔中PNIPAAM分子链的伸展与卷曲对膜孔起到了开关或控制膜孔孔径的作用,可以根据溶质的分子尺寸大小进行分离;同时利用膜孔中PNIPAAM分子链亲水性疏水性的变化,对分子尺寸相当但亲水性有差别的溶质进行吸附脱附分离,如Fig.3所示。利用管式膜组件流通量大的特点,可以提高生产效率,在温敏型膜的设计、实用化方面前进了一步。
2.4　药物控释系统
   长期以来,医药界一直希望能找到一种方法,可以在需要的时候将需要的药物量投入至需要的人体器官。利用智能型高分子可以实现对病灶周围的温度、化学环境等异常变化自动感知,自动释放所需量的药物。当身体正常时,药物控释系统恢复原来的状态,重新抑制释放。智能释放系统原理见Fig.4。Hoffman等人[32]认为PNIPAAM水凝胶对药物的控释属“泵出”机理,T<LCST时凝胶处于膨胀状态,药物以慢速自由扩散方式释放,T>LCST时,药物随着凝胶的脱水而快速释放。Okano[33]将疏水性的药物填充于PNIPAAM水凝胶中,释放方式与Hoffman方式相反。T<LCST时疏水性药物以慢速自由扩散方式释放,T>LCST时疏水性药物由于与疏水性的PNIPAAM分子链亲和性好而停止扩散。当然也可以利用上述PNIPAAM接枝膜的分离机理来实现药物控释,Satu[34]研究了PNIPAAM-g-PVDF膜对不同分子量药物的温敏性释放行为,符合文献[26]所述机理。如前所述的PNIPAAM体积相转变的多元性以及PNIPAAM智能型膜的多种透过模式,给设计药物控释系统带来了很大的自由度,例如可以设计成温度、pH值或其他化学物质刺激响应型的药物控释系统。