罗宣干  王坦
                                    (武汉大学化学系，430072)
1前言
    N-异丙基丙烯酰胺(N一isopropylacryl-a而de，NIPA)的线型聚合物(poly一NIPA，PNIPA)的水溶液有一种特性:就是它具有较低临界溶解温度(lower critical solutiontemperature，LCsT)。在这州圆粼31一33℃)、或高于这个温度时，PNIPA的水溶液在一个相当宽的浓度范围内(可高达5%，w/w)可以发生相分离，而当温度低于 LCST时，沉淀的PNIPA又能再迅速溶解。交联的PNIPA水凝胶在犯℃左右也有一个较低临界溶解温度，称为水凝胶的LCST。溶胀的水凝胶在高于这个温度时会发生收缩，而在低于这个温度时会再度溶胀。此温度也称为转变温度、浊点等。NIPA与某些单体形成的共聚物或共聚物水凝胶也具有这种特性(LCST值可能会发生改变)。这种对环境温度敏感的特性引起了人们很大的兴趣。近几年来关于NIPA的均(共)聚物和水凝胶的研究报道越来越多。作者考察了近几年来国内外在这一研究领域取得的最新进展，综述如下。
2合成方法的研究
    为了得到具有特定性能，能满足相应要求的温度敏感聚合物或水凝胶，或者为了能对其结构和性质进行更深人的研究，对其合成方法进行了许多研究。
    制备PNIPA水凝胶的传统方法是使用引发剂和交联剂以实现NIPA单体的引发、聚合和交联。其不足之处是存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。Nogaoko等川在不使用交联剂的情况下通过辐射引发使单体水溶液聚合和交联合成PNIPA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，比传统方法更经济。
    Hoffman等曰在高于LCST的温度下使NIPA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稗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。他们还发现如果在聚合交联时加入少量(约5%，w/w)的轻丙基纤维素作为致孔剂，则可以得到具有更大的孔体积/孔尺寸之比、更快的温度响应性能的水凝胶。
    因为不同的需要，PNIPA水凝胶被制成各种形状，如膜、微球、块、胶乳等。近几年来报导较多的是制成微球。较常用的方法是在剧烈搅拌下使用分散剂进行乳液聚合制备微球。使用的分散剂有十二烷基磺酸钠、氯化三甲基十八烷基钱，聚丙烯酸钠盐等。用这种方法可以得到纳米级的微球。此外也有一些其他方法如沉淀聚合等等也可以制备PNIPA水凝胶微球。
    合成大小均匀的PNIPA水凝胶微球对进行其有关性质的研究和其应用非常有利。Hoffman[3]等采用藻阮化钙凝胶作为聚合的模板，用氧化还原引发剂制备了尺寸和形状均为单分散的PNIPA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阮化钙。
    人们还合成了一些比较特殊的温度敏感PNIPA，如具有超高分子量的聚合物和分子量很低的寡聚体、具有较高吸附能力的含磺酸葡聚糖的PNIPA水凝胶、带有偶氮苯基侧链的PNIPA(可以通过光照引发其水溶液发生等温相分离)、与磷脂偶联的PNIPA(可插入脂质体、胶束、细胞膜与疏水界面之间)等等。
3结构与性能的关系
    近几年来对NIPA系温度敏感聚合物及水凝胶的结构与性能的关系，尤其是对水凝胶的特殊的溶胀行为作了较多的研究。
    Fujishige等l’]合成了一系列在侧链上有不同烷基的丙烯酞胺类聚合物，发现随着侧链烷基长度的不同，这些聚合物在水中的溶解情况可以分为三种类型:在任何温度下都能溶于水;在冷水中溶解而在热水中不能溶解;完全不溶于水。第二种类型即可作为具有温度敏感性质的聚合物，这中间除了侧链烷基为异丙基的NIPA之外，还有侧链烷基为乙基、丙基、环丙基、二乙基、毗咯烷基、呱陡基等的丙烯酞胺类聚合物。聚合物的初级结构决定其发生相变时的温度。一般说来，PNIPA的温度敏感性质比较显著，对它的研究也较多。
    NIPA与其他单体共聚所得的共聚物或水凝胶的性质会随共聚单体的种类和数量的不同而发生不同的改变。
    Hoffman[5}等合成了NIPA与丙烯酸的共聚物水凝胶，这种水凝胶不仅具有温度敏感性质，还具有对环境pH值敏感的性质，即当水凝胶处于酸性条件下时呈收缩状态，而处于弱碱性条件下则呈溶胀状态。共聚的丙烯酸对水凝胶的温度敏感性质也有影响。
    Takeil6]等分别把NIPA与疏水性的甲基丙烯酸丁酷和亲水性的N，N-二甲基丙烯酞胺共聚，发现当增加共聚物中前者的含量时，聚合物的LCST值会降低，而当增加后者的含量时，聚合物的LCST值会升高。疏水性组分增加会引起聚合物LCST植降低，而亲水性组分增加会造成相反的影响，这一性质已为很多报道所证实，而且这种影响对侧链烷基不为异丙基的其他种类的丙烯酞胺类的温度敏感聚合物也基本一样。
    Yu等[v]合成了含少量阴离子或阳离子共聚单体或两者的混合物的NIPA共聚水凝胶，同样发现改性了的水凝胶的LCST值和温度范围与共聚单体的类型和含量密切相关，并且发现即使只加人0.5mol%的共聚单体，得到的水凝胶在溶胀状态下的溶胀比就明显高于均聚PNIPA水凝胶，而在高温下发生收缩后的共聚水凝胶的溶胀比又远低于收缩后的均聚水凝胶。而且这种共聚水凝胶的收缩动力学比均聚水凝胶要快得多，在几秒钟内就可达到收缩平衡状态。
   Yoshioka等合成了含NIPA的嵌段共聚物，研究认为在嵌段共聚物中NIPA的序列长度比共聚单体的含量对共聚物LCST值造成更主要的影响。
    除了温度变化之外，当温度敏感聚合物或水凝胶所处的环境发生其他一些变化时，聚合物的溶解或水凝胶的溶胀行为也会受到影响。
    Zhang等[9’()J在有阴离子、阳离子、两性离子和中性表面活性剂存在时研究了PNIPA水凝胶在水中的溶胀行为，发现中性和两性离子表面活性剂不影响凝胶的溶胀行为，而水中加人的离子型表面活性剂的浓度越高，会造成水凝胶的LCST值越高，溶胀时溶胀程度越大，但当浓度达到某一数值时，LCST值会达到一个饱和值，并且加人的表面活性剂的链越长，这种饱和LCST值越高。他们合成的NIPA-N，N’亚甲基双丙烯酞胺的共聚水凝胶在纯水中LCST值为33.6℃，相变前后体积变化犷溶胀/v收缩为8，而加人3.47 xlo一ZM的十二烷基磺酸钠后，相应的值分别变为88℃和32。加入另外二种表面活性剂也观察到相同的变化，但程度不同。他们研究了十二烷基磺酸钠与水凝胶或均聚物的缔合和非缔合情况，通过电导测定不同温度下十二烷基磺酸钠的离子数量，发现二者相缔合时LCST值升高，并且缔合和非缔合是可逆的。
    Mukae叫等在25oC测量了PNIPA及其共聚物水凝胶在醇(C，一q)一水混合液中的溶胀体积，发现在纯水中溶胀的水凝胶在加人少量醇后先会发生收缩，加人更多的醇时又再度溶胀，显示出一种再进人行为，且凝胶的溶胀行为与醇水混合液的性质相关。他们检验了在水一乙醇溶液中线型PNIPA的酞胺基团间的氢键强度，发现PNIPA的碳基的伸缩振动频率对与混合液中醇组分相关的氢键强度敏感。他们推想聚合物网中有可能存在一个可压缩的构型。
    Inomata等研究了水中有无机盐或有机盐存在时PNIPA水凝胶的溶胀行为，发现无机盐对水凝胶LCST值的影响主要与阴离子的种类有关，而与阳离子的种类关系不大;但嗅化四烷基按盐对LCST值的影响却与其烷基链的长度有很大关系。他们认为这可能是因为聚合物链段对盐的吸附造成的。Yoshioka等也发现温度敏感水凝胶的LCST值受加人的盐的种类和数量的影响，当提高加人的盐的浓度时，能造成盐析的盐类会降低LCST值，而能引起盐溶的盐类会提高LCST值。Hoffman等还发现了不寻常的NaO诱导相变现象，PNIPA水凝胶在临界NaO浓度时会突然收缩，尚未发现其他种类的盐也会造成这种现象，只观察到典型的盐析现象，即当盐浓度提高时水凝胶逐步收缩。他们认为在这种相变中Cl-离子起主要作用。
    此外，还有文献报道了pH值、聚电解质、聚乙烯醇、全氟辛酸等等对PNIPA或其水凝胶的影响。在对以上得到的实验结果进行解释时，多数作者认为是由于加人的物质影响了温度敏感聚合物和水凝胶的内部疏水基团相
互作用，而这种相互作用是PNIPA具有温度敏感性质的一个重要原因。
    otake在压力簇250MPa条件下检验了压力对PNIPA和丙烯酸-NIPA共聚物的水溶液的相分离现象的影响，发现随压力升高，LCST值先升高而后下降，共聚物有比均聚物高的极值温度和压力;还发现均聚物的LcsT值变化曲线与其浓度无关，而共聚物的LCST值变化曲线则随浓度降低向更高的温度和压力方向移动。他们认为在高压下PNIPA水溶液的LCST值对压力的依赖性中，疏水基团相互作用不是主要因素。
    Gehrke等研究了合成条件对PNIPA水凝胶性质的影响，发现水凝胶的溶胀平衡程度、剪切模量、有效交联密度和透明度等性能都受合成条件如引发剂类型和浓度、聚合温度、模的几何形状、聚合时间等的影响，有时影响还较大。他们认为是由于水凝胶的微细结构对这些因素很敏感，反应的程度对得到的水凝胶的性质可能也有较大影响，尤其是当水凝胶的交联度很高时。
    Hirotsu等发现NIPA-丙烯酸的共聚水凝胶的溶胀平衡程度和相变温度与样品的形状有关，如表面曲率越大，则溶胀时的溶胀比越大，LCST值越高，但是中性的PNIPA水凝胶对形状没有这样强的依赖性，其结论是这种对形状的依赖性是离子型水凝胶表面含的离子造成的。
    现代实验手段已广泛用于对温度敏感聚合物和水凝胶的研究。荧光分析是一种常见的手段。如WIlullk等将自旋标记物和荧光染料连接在PNIPA主链上，从而可以通过荧光光谱研究PNIPA的结构和性质。荧光探针可以进人水凝胶内部，反映其内部环境。此外，光散射、小角中子散射、高分辨印MASNMR、电泳、差热分析、粘度测量、表面张力和接触角测量等实验手段也被应用。
4应用开发研究
    温度敏感NIPA聚合物和水凝胶具有随环境温度变化而发生溶解和溶胀状态突变的特殊性质，这种特性使它具有良好的应用前景，近几年来国内外对它的应用和开发作了许多研究工作。
4.1当温度高于或低于PNIPA水凝胶的
    LCST值时，水凝胶分别处于收缩或溶胀状态，水凝胶的状态变化时，水中溶解的物质会随水分被水凝胶吸附和释放，因此使用PNIPA水凝胶能够实现通过温度调节对物质的吸附和释放进行控制。
    PNIPA水凝胶的这种性质使它成为一种很有前途的药物控制释放材料。利用它进行药物控制释放有二种模式。早期是将水凝胶在低温下放人药物溶液中溶胀以吸附药物，吸附了药物的水凝胶在高温发生收缩后向外排水，同时将药物排出，如图l所示。

    这种模式最初由Hoffnlan等人提出，由于它较好地满足了药物控制释放的要求，近几年又有了进一步的发展，对其释药机理也有了更深入的研究。通常都选用NIPA与甲基丙烯酸烷基醋共聚得到的水凝胶。
    Yoshida等12122]发现在这种模式中药物不仅通过扩散也通过对流的方式向外释放。他们用曲折孔模型建立药物释放模式，模拟了不同压力一「药物释放速度的几种情况。发现改变聚合物的化学结构和温度梯度会诱导水凝胶产生不同的压力波动，影响释放类型的"开”与“关”状态的改变。还发现与NIPA共聚的甲基丙烯酸烷基醋的烷基链长度是控制表面皮层的厚度和密度、控制药物的“开一关”渗透的一个重要参数。
    Kim等圈用PNIPA共聚水凝胶对肝素进行控制释放以防治血栓，发现肝素的释放动力学受凝胶组分和装填时的温度的影响，与凝胶的溶胀动力学相关，肝素的释放类型受凝胶表面皮层扩散能垒的温度依赖性影响。
    还有其他一些类型的共聚PNIPA水凝胶用于药物的控制释放。如NIPA与丙烯酸的共聚水凝胶还具有pH值毓惑的胜质，可以用于药物靶向释放，可以控制包含的药物在经过胃时不释放，到达肠后才释放。还有报导研究了激素、葡聚糖、乙酞苯胺、牛血清蛋白、甲基橙、炔诺酮等物质在温度敏感水凝胶中的吸附、释放、扩散和渗透行为。PNIPA水凝胶还被用来富集纤维素、蛋白质、富集水中的PO4-以方便测量和被用来做吸收剂、脱气体剂、絮凝剂等。
4. 260年代后酶的固定化技术得到了较大发展，为酶制剂的应用创造了有利条件。固定化酶最显著的优点是在保证酶的一定活力的郁提「，具有反应产物易分离，酶的稳定性增加且又能重复使用。如果使用PNIPA来固定化酶，就能制备出对温度敏感的溶解一非溶解固定化酶。
    Hoshino等在碱性条件卜将淀粉酶固定在NIPA和甲基丙烯酸缩水t一t油醋的共聚物仁，分别测量了固定化酶和自由酶对淀粉溶液的糖化作用，发现固定化酶的活力是自由酶的90%，比传统的固定化方法所得的固定化酶的保留活力要高，并且使用后可以通过离心的方法从产物中分离复原，能够重复使用。
    卓仁禧等固用PNIPA固定了嗜热菌蛋白酶，测试了固定化酶与自由酶在各种环境下的活力，发现可以实现酶的均相催化和异相分离，即利用温度高于LCST时PNIPA在底物溶液中沉淀，通过离心使固定化酶与底物和产物分离，而且在这个过程中，固定化酶的活力基本不损失。这种酶的固定化方法可以避免使用一些对酶的活性造成损害的分离手段，还提高了酶的稳定性，还用PNIPA水凝胶固定了糜蛋白酶，固定化酶具有较高的保留活力，并且由于水凝胶的温度敏感性质，酶的活力也可随温度表现为“开”、“关”的性质。
    还有文献报道使用温度敏感聚合物和水凝胶固定过纤维素酶、胰蛋白酶、脂肪酶、β-D-葡糖昔酶、β-半乳糖昔酶，固定化酶的稳定性均有提高，并且利于用温度来进行控制和分离。
    卓仁禧等125]利用PNIPA与纤维素膜的特异性吸附作用，将抗体与PNIPA共价结合，再固定在纤维素膜上，建立了聚合物酶联免疫分析法和聚合物酶联免疫印迹法，利用PNIPA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分别高达1 x 10-10/cm3和1 xl0-9/cm3，并且具有快速、简便的优点。
4.3温度敏感的PNIPA还经常应用于做细胞培养支持体材料l西一到。其方法是将PNIPA和胶原的共扼产物涂在培养基上，在高于LCST的温度下进行细胞培养，当细胞的数目达到所需要的范围后，将温度降到LCST以卜，这时PNIPA溶解，细胞则会和培养基分离。这种方法简单、方便，不需要使用传统的分离方法，如使用肝素、EDTA等作分离剂，而且PNIPA不会对细胞产生不利影响。文献报道已使用这种技术培养过人真皮成纤维细胞、鼠原肝细胞、薄壁和非薄壁的鼠活细胞、人胆管癌细胞、人表皮衍生成纤维细胞、卵母细胞、牛主动脉内壁细胞等，均取得了令人满意的效果。
4.4利用PNIPA的温度敏感性可用它来制作具有温度敏感性能的功能膜。如用多孔玻璃和PNIPA水凝胶制备具有“开关”能力的温度敏感超滤膜囚，它所能通过的分子的分子量和溶液的渗透速度在LCST上下会迅速发生改变。这类膜能够通过温度控制分离不同尺寸的分子，有很高的选择透过性。将NIPA与乙烯基二茂铁共聚闺，再涂上一层电解质，这样制得的膜具有将温度信息转化为电化学信息和可用电来控制膜相变和相变温度的功能。温度敏感膜还用于电泳和化学阀等。
4.5 NIPA的均(共)聚物或水凝胶还有很多其他应用，如:用于温度控制凝胶渗透色谱、液相色谱的填料、合成模拟生物活性的纤维蛋白胶原、易用冷水除去的皮肤粘附带、伤口贴、温度敏感的增稠剂、防染剂、电阻墨水、电泳母体、化妆品、用作涂层、包装和生物医用材料等。
    NIPA系温度敏感聚合物和水凝胶是近十年发展起来的一个较新的研究领域，由于其具有广阔的应用前景，已引起越来越多的研究人员的注意，近几年来这方面的研究报道大量增加，其中日、美等国处于这方面研究的领先地位。国内已有人从事这一领域的研究，但在开发和应用方面做得还不够，这是一个很有发展前途的领域，值得国内化学工作者注意。