（高分子化学与物理专业论文）pnipaambpla共聚物的合成及其水凝胶化性质的研究.pdf

p n i p a a m - b p l a 共聚物的合成及其水凝胶化 性质的研究 专业：高分子化学与物理 硕士生：赖毓霄 指导老师：廖凯荣全大萍 摘要 温敏水凝胶由于其优越的温度敏感性广泛应用组织工程中。温敏水凝胶应用 于临床需要求其最低临界溶解温度( l c s t ) 与人体内温度( 3 7 ) 相近。作为 组织工程应用的温敏水凝胶还必须具备生物相容性以及生物可降解性。温敏水凝 胶可以通过控制形成温敏水凝胶的大分子单体的结构来调控水凝胶的l c s t 和降 解性能 本文以b p o 为引发剂，2 巯基乙醇为链转移剂，合成含端羟基的p n i p a a m 预聚物。以含端羟基的预聚物为大分子引发剂，s n ( o c o z 为催化剂引发丙交脂开 环聚合，通过改变预聚物的分子量和比例合成出合成了预想结构的一系列 p n i p a a m b p l a 嵌段共聚物。p n i p a a m b p l a 嵌段共聚物综合了p n i p a a m 的 温敏性以及p l a 的生物相容性和可降解性两者的优点。利用b - t i r ，1 hn m r 表 征共聚物的结构，g p c 测定共聚物的分子量。 在合成p n i p a a m b p l a 嵌段共聚物的基础上，进一步考察了共聚物的化学 组成对其溶液l c s t 的影响，p n i p a a m - b p l a 嵌段共聚物水溶液显示明显的温 敏特性，其l c s t 为3 2 左右，但随着共聚物的分子参数变化和水溶液浓度的 变化而略有变化：在定共聚物浓度下，p n i p a a m 嵌段分子量相同时，随着p l a 嵌段的增长共聚物的l c s t 略有下降，但相变温区逐渐变窄：亲水一疏水嵌段 的分子量比值相近的共聚物，聚合物水溶液的l c s t 随着共聚物的分子量减小表 现为一个下降的趋势，同时相变温区也加宽；当共聚物的化学组成一定时，共聚 中山大学硕士学位论文 物水溶液的l c s t 随浓度的增大而略有下降。 初步构建了以p n i p a a m b p l a 嵌段共聚物为大分子单体的温敏性水凝胶。 初步研究了p n i p a a m b p l a 嵌段共聚物体外降解性能，预测了共聚物组成对其 降解性能的影响。 以上研究对设计合成具有特定组成和网络结构的满足特定生物医学用途的 可吸收降解聚合物温敏水凝胶有重要意义，为温敏水凝胶从机理研究到实践应用 迈出重要一步。 关键词：温敏水凝胶：p n i p a a m 一6 _ p l a 嵌段共聚物；组织工程：药物控释 一! 些查兰堡主堂竺丝壅 s y n t h e s i sa n dh y d r o g e l a t i o no fp n i p a a m b p l a b l o c kc o p o l y m e r s m a j o r ：p o l y m e rc h e m i s t r ya n dp h y s i c s n a m e ：y u x i a ol a i s u p e r v i s o r ：k a i r o n gl i a od a p i n gq u a n a b s t r a c t t h es u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o f t e m p e r a t u r e s e n s i t i v eh y d r o g e l s i nt i s s u e e n g i n e e r i n gf i e l di ss t r o n g l yl i n k e dt ot h e i re x c e l l e n tt e m p e r a t u r e - s e n s i t i v i t y w h e n d e s i g nac l i n i c a lu s et e m p e r a t u r e s e n s i t i v eh y d r o g e l ，i ti sn e c e s s a r yf o ri t sl o w e r c r i t i c a ls o l u t i o nt e m p e r a t u r e ( l c s t ) t oc l o s et ot h en o r m a lh u m a nb o d y st e m p e r a t u r e ( 3 74 c ) w h e nat e m p e r a t u r e - s e n s i t i v eh y d r o g e li su s e di nt i s s u ee n g i n e e r i n gf i e l d ，i t s h o u l da l s ob e o f b i o c o m p a t i b i l i t y a n d d e g r a d a b i l i t y t h e l c s to f t e m p e r a t u r e s e n s i t i v eh y a r o g e l ，b i o c o m p a t i b i l i t ya n dd e g r a d a b i l i t yc a nb ec o n t r o l l e d b yb l o c kc o p o l y m e r ss t n l c n i r e as e r i e so ft h e r m a l l ys e n s i t i v eb l o c kc o p o l y m e r o ，p o l y ( n - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e b - l a c t i d e ) s ( p n i p a a m - b p l a ) ，w e r es y n t h e s i z e db yr i n g o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no f d ，l l a c t i d eu s i n gh y d r o x y t e r m i n a t e dp o l y ( n - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ) ( p n i p a a m ) a s a ni n i t i a t o r ，w h i c hw a sp r e p a r e db y t e l o m e r i z a t i o no fn - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e u s i n g2 - h y d r o x y e t h a n e t h i o la sac h a i n t r a n s f e ra g e n t t h ec o p o l y m e r i z a t i o no f h y d r o x y t e r m i n a t e dp n i p a a mw i t hl a c t i d eh a st a k e n a d v a n t a g e o fb o t h h o m o p o l y m e r sb yc o m b i n i n gt h e t e m p e r a m r e s e n s i t i v i t y o fp n i p a a ma n dt h e b i o c o m p a t i b i l i t y a n d b i o d e g r a d a b i l i t y o fp l a s u c c e s s f u l p r e p a r a t i o n s o f h y d r o x y t e r m i n a t e dp n i p a a ma n dt h ep n i p a a m b p l ab l o c kc o p o l y m e r sw e r e v e r i f i e db yf t 取，1 hn m r , a n d g e lp e r m e a t i o nc h r o m a t o g r a p h y ( g p c ) t h er e s e a r c hf o rt h ee f f e c to fc o m p o s i t i o no ft h eb l o c kc o p o l y m e r so nt h e i r l c s tp r o v e st h a tt h el c s ta n dt h ep h a s et r a s i t i o n t e m p e r a t u r er e g i o no ft h e i 中山大学硕士学位论文 c o p o l y m e r sa r ea f f e c t e db yt h el e n g t ho fp l a b l o c ko ft h ec o p o l y m e rc h a i n sa n dt h e a n dm o l e c u l ew e i g h to ft h ec o p o l y m e r s a t e m p e r a t u r e s e n s i t i v eh y d r o g e l h a sb e e n c o n s t r u c t e d u s i n g t h e p n i p a a m 7 7 0 0 - b p l a 7 7 0 0b l o c kp o l y m e r t h er e s e a r c h so ni t sp r o p e r t i e sa n do nt h ei n v i t r od e g r a d a t i o nb e h a v i o ro ft h ec o p o l y m e r sa r eu n d e rw a y o v e r a l l ，c h a n g i n gt h e s t r u c t u r a la n dc h e m i c a l p a r a m e t e r s w i l lm a k et h i sc l a s so f d e g r a d a b l e t e m p e r a t u r e s e n s i t i v eh y d r o g e l sm o r ev e r s a t i l ea n de f f e c t i v ef o raw i d ev a r i e t yo f s p e c i f i cb i o m e d i c a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r e s e n s i t i v eh y d r o g e l s ；p n i p a a m b p l ab l o c kp o l y m e r ； t i s s u ee n g i n e e r i n g ；d r u gc o n t r o l l e dr e l e a s e 中山大学硕士学位论文 第1 章前言 1 组织工程简介 组织工程是利用工程学和生命科学的基本原理，用于天然组织再生，或者开 发能恢复、维持或改善受损或丧失组织和器官功能的生物代替物l 。因此组织工 程综合了细胞生物学、工程学、材料学和临床医学领域，用活细胞和细胞外基质 或骨架构造一个新的功能化组织或器官。 组织工程的三大要素包括细胞、细胞生长的骨架和生长因子。 组织工程的关键是构建细胞和生物材料的三维空间复合体，该结构是细胞获 取营养、气体交换、废物排泄和生长代谢的场所，是新的具有形态和功能的组织、 器官的基础。这就是所谓的细胞外基质( e x t r a c e u u l a rm a t r i x ，e c m ) a 其主要功 能包括以下两点：其一，为体外构建工程组织或器官提供三维的细胞生长支架， 使细胞间形成适宜的空间分布和细胞联系；其二，提供特殊的生长和分化信号， 诱导细胞的定向分化和维持细胞分化舶。理想的组织工程细胞外基质材料必须具 有如下特征3 ，4 1 ：( 1 ) 良好的生物相容性和细胞，材料相互作用；( 2 ) 良好的生物 降解性；( 3 ) 具有三维立体多孔结构：( 4 ) 良好的可塑性和一定的机械强度：( 5 ) 良好的材料，细胞界面。 2 水凝胶及其分类 高分子水凝胶材料是指能迅速吸收及并保持大量水分而又不溶于水的低交 联度材料，具有高分子电解质特性和三维网络结构，是一类集吸水、保水、缓释于 一体并且发展迅速的功能高分子材料嘲。水凝胶不但具有与液体相似的行为， 也同时具有与固体相似的行为，而且水凝胶还具有可膨胀、可渗透、有力学强度、 以及表面光学等多种特性 6 l 。水凝胶具有良好的生物相容性，与疏水聚合物相比， 同被固定化的酶或细胞只有弱得多的相互作用，固定在水凝胶中的生物分子活性 能够保持较长时间”再者水凝胶对氧气、营养和其他可溶性代谢物有高度渗透 的能力，使其不仅为细胞提供物理支撑，而且在细胞的繁殖、分化和成形过程扮 演着重要角色。因此，水凝胶已被广泛应用在生物化学、医学等领域，例如：隐 形眼镜、生物传感器、移植物的内衬、细胞移植和药物控释8 ，9 1 。近年来，水凝 p n i p a a m b p l a 共聚物的合成及其水凝胶化的研究 胶作为组织工程支架材料用于组织和器官的修复与再生引起了特别的关注。 近年来大量具有智能性质的新型水凝胶，能对外界环境的变化如：温度、酸 度、压力、光、盐浓度、压力、磁场、生物大分子等引起的刺激有不同程度的应 答，同时水凝胶的形状、相、力学、渗透速率、识别性能等随之发生敏锐响应， 即突越性变化，并且，随刺激因素的可逆性变化，水凝胶的突越性变化也具有可 逆性1 0 】。称之谓环境敏感性水凝胶其广泛应用于固定化酶、物料萃取、细胞培 养、温敏开关和药物的控制释放等领域，1 2 1 ，其中，温敏水凝胶和p h 敏水凝胶在 环境响应性高分子材料中独树一帜，占据十分重要的位置正因为水凝胶拥有以 上种种性质，自它被发现以来一直受到科学界的广泛关注，而且它在我们的生活 中也应用良多。 水凝胶的分类方法有很多种，根据水凝胶网络键合的不同，可分为物理凝胶 和化学凝胶：( 1 ) 物理凝胶是通过物理的作用力如静电作用、范德华力、氢键、 链的缠绕等形成的，这种凝胶是非永久性的，通过加热凝胶可转变为溶液，所以也 被称为假凝胶或热可逆凝胶。许多天然高分子在常温下呈稳定的凝胶态。如k 型角 叉菜胶、琼脂等【l2 j ；在合成聚合物中，聚乙烯醇( p v a ) 是一典型的例子，经过冰冻 融化处理，可得到在6 0 以下稳定的水凝胶【1 4 1 ；( 2 ) 化学凝胶是由化学键交联形成 的三维网络聚合物，是永久性的，又称为真凝胶。 根据合成水凝胶的原料来源可降水凝胶分为： ( 1 ) 天然水凝胶，如胶原、 明胶、透明质酸类水凝胶等：( 2 ) 合成水凝胶，如聚乳酸及其共聚物类水凝胶、 聚丙烯酸及其衍生物类水凝胶，聚环氧乙烷及其共聚物类水凝胶、聚乙烯醇等【l 引。 根据水凝胶在体内能否降解，水凝胶也可分为：( 1 ) 可降解水凝胶，这类 水凝胶在体内能被体内环境分解，如水解或酶解l “，其分解产物能被生物体通过 新陈代谢排出体外，这类水凝胶有：聚乳酸类水凝胶，聚s 一己内酯类水凝胶等； ( 2 ) 不可降解水凝胶，这类水凝胶在体内能被稳定的长久保存，不分解，这类 水凝胶主要有：聚丙烯酸类水凝胶，聚乙烯醇类水凝胶等。 根据水凝胶对外界刺激的应答情况，水凝胶又可分为：( 1 ) “传统”水凝胶， 这类水凝胶对环境的变化不特别敏感；( 2 ) “智能”水凝胶，也称环境敏感性水凝 胶，这类水凝胶在相当广的程度上对于环境微小的物理化学刺激，如温度、电场、 磁场、光、p h 、离子强度、压力等，能够感知、处理并可作功来响应外界环境刺 2 中山大学硕士学位论文 激。它们这种对环境刺激的响应性使之作为新型功能材料成为当今研究的热点， 并广泛应用于固定化酶、物料萃取、细胞培养、温敏开关和药物的控制释放等领 域。 根据环境敏感性水凝胶对环境改变的响应又可分为单一响应性水凝胶和双 重响应性水凝胶：( 1 ) 单一响应性凝胶有：温度响应性水凝胶又称温敏水凝胶， p h 响应性水凝胶又称酸敏水凝胶，除此之外还有压敏水凝胶，电场敏感性水凝胶， 以及生物分子响应性水凝胶； ( 2 ) 双重响应性水凝胶有：温度p h 敏感性水凝胶， 磁性热敏性水凝胶，光热敏感性水凝胶等。 目前，在组织工程领域，被研究最多的智能型水凝胶还是可体内降解的温敏 性水凝胶以及酸敏水凝胶。其中温敏水凝胶根据其体积在其最低临界溶解温度 ( l o w e rc r i t i c a ls o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，l c s t ) 1 9 1 附近发生突然的收缩和膨胀，温 敏凝胶又分为高温收缩型和低温收缩型。 ( 1 ) 高温收缩型水凝胶( n e g a t i v e l yt e m p e r a t u r e s e n s i t i v eh y d r o g e l ) 在低温 下溶胀度高，高温下溶胀度低的属于高温收缩型水凝胶，此类凝胶研究最多的是 聚n _ 异丙基丙烯酰胺( p n i p a a m ) 。p n i p a a m 有较低的l c s t ( 3 2 。c ) f 1 9 域相转变 温度( t t r ) 在p n i p a a m 中存在亲水疏水平衡，一n h c o - 为亲水基团，而一c h ( c h ，) ： 为疏水基团，对应于凝胶内部的亲水、疏水区域2 0 1 当温度低于其l c s t 时，水分子 通过氢键与p n i p a a m 中的亲水基团相连，水凝胶吸水高度溶胀；而当温度在 l c s t 以上时，氢键的作用减弱，水凝胶会剧烈收缩，溶胀程度突然减少。 p n i p a a m 水凝胶在外观上呈现出由无色透明到白浊不透明的变化，因此这个温 度又称为浊点( c p ) 2 1 1 , 这种现象主要是因为温度上升导致熵变而引起的2 2 1 。 p n i p a a 水凝胶的这种特殊的溶胀性能已被应用于药物的控制释放吲、酶的固定 化1 和循环吸收剂1 等领域。考虑到某些特殊的应用( 如开关阀和人工肌肉等) 需要提高温度敏感水凝胶的反应速率，许多学者进行了一系列研究2 6 - 3 0 。 ( 2 ) 低温收缩型水凝胶( p o s i t i v e l yt e m p e r a t u r e s e n s i t i v eh y d r o g e l ) 这种水 凝胶的溶胀比在某一温度附近随温度升高发生突发式增加，当温度降低时，其溶 胀比又降低。这类型的凝胶成为低温收缩型凝胶。有聚丙烯酸和聚彤肛二甲基丙 烯酰胺等。 p n i p a a m b p l a 共聚物的合成及其水凝胶化的研究 3温敏性水凝胶的构建 3 1 温敏性水凝胶的设计参数 温敏性水凝胶是指随温度变化体积发生改变的一类高分子水凝胶，聚合物成 为温敏性高分子水凝胶材料首先必须具备两个条件：高分子主链或侧链上带有大 量的亲水基团和具有适当的交联网络结构，温度的变化可以影响这些基团的疏水 作用和大分子链间的氢键作用，从而使温敏水凝胶发生溶胀与收缩，产生体积 相变。而且溶胀度对温度的变化并不是连续的，在某一温度下凝胶体积会发生突 变( l c s t ) 。 作为组织工程应用的温敏性水凝胶除了具备上述条件外，还必须具备： ( 1 ) 良好的生物相容性水凝胶能够体内存在而不会伤害到周围的细胞、 不会造成伤疤或引起减损所需功能的不良反应，引起最低程度的炎症反应、凝血 作用和组织损伤【3 1 ，3 2 。天然衍生的聚合物通常能表现出良好的生物相容性，而合 成聚合物却可以会引起严重的异体排斥反应。因而，由合成聚合物来制备用于组 织工程水凝胶时会受到一定的限制。可以通过与天然聚合物共聚来改善合成聚合 物的生物相容性。 ( 2 ) 凝胶化机理包括离子或共价交联，和本身的相转变行为。离子交联 是一种制各水凝胶的简单方法，但是这些离子能够和水溶液环境中的其他离子 分子进行交换，导致不可控制的凝胶原始性能的恶化】。共价交联是一种通用 的方法，它能精确地控制交联度。然而，应该考虑到交联剂分子的毒性以及不 可降解交联的形成不利于组织工程的应用。近来形成水凝胶的方法是利用某些 高聚物的相转变行为1 。在l c s t 附近微小温度的变化可以触发高聚物溶液的 相转变而形成凝胶，可以通过改变聚合物的组成来控制l c s t 的值使之接近体 温f 3 5 l 。 ( 3 ) 具有一定的机械性能水凝胶作为细胞外基质要为细胞及组织的生长 创造并维持一个空间。而且，细胞的粘附和基因表达与高聚物骨架的机械性能 密切相判3 6 j 。水凝胶的机械性能主要由高聚物链段的初始硬度、交联分子的类 型、交联度和溶胀度决定的5 ”j 。 ( 4 ) 可控降解性能调整水凝胶的骨架的降解速率与组织的生长速率相一 致。降解时间由组织工程化的组织类型所决定3 8 1 。水凝胶的降解主要有水解、 4 中山大学硕士学位论文 酶解和溶解。降解速率和交联水凝胶的机械性能是相互关联的，然而有时由于 有意识地引入网络缺陷，使这两种性能不再关联，结果是形成了与其硬度和交 联度相比具有较长降解时间的软性水凝胶3 9 i 。 ( 5 ) 良好的材料，细胞的界面材料与细胞的界面作用极大地影响细胞的 粘附、迁移和分化。粘附是具有细胞特异性的，它由特定细胞受体和配体的相 互作用决定，这个配体是材料的组成成分或吸在材料表面【加l 。不合适的相互作 用可引起意外组织的形成。 3 2 常用于构建温敏性水凝胶的体系 1 9 6 7 年，s c a r p a 4 1 1 首先报道了p n i p a a m 在3 v c 时存在l c s t ，随后温敏水 凝胶开始受到广泛的关注。1 9 8 4 年，t a n a k a 等人m 1 发现，p n l p a a m 在较小的温 度范围内可表现出明显的疏水和亲水变化。p n i p a a m 的l c s t 在3 2 。c 左右。如 果在几毫升水中放入少量p n i p a a m ，随着温度的升高，水凝胶收缩，其溶胀比急 剧下降。现在，n i p a a m 类单体与其它单体共聚成为合成温敏水凝胶的主要体系， 其它的体系还包括聚酯类，以及合成高聚物与天然高聚物及其衍生物的共聚体 系。制备温敏性高分子水凝胶材料的起始原料可以是单体( 水溶性或油溶性单 体) 、聚合物( 天然或合成聚合物) 、或者是单体和聚合物的混合体【4 3 堋。 以下是一些热敏性水凝胶的结构4 1 。 七心一b = o h 3 c i 1 2 c h # 嚆h # 嚆 p o l y ( n 4喇) p o l y 州一d m h ”a 帽m i d e ) l _ n s o p i _ r o p m y j 璺c a m i d e 1)p(niaam-co-bmap p o e a a m f i g 1 1s t r u c t u r e so fs o m et e m p e r a t u r e s e n s i t i v ep o l y m e r s 表1 - 2 是一些常用于合成温敏水凝胶的体系。 t a b l e1 - 2p o l y m e r su s e df o rs y n t h e s i z i n gt h e r m o s e n s i t i v eh y d r o g e lm a t r i c e s 聚丙烯酰 阳离子 p n i p a a m - b p b o ，p ( n i p a a m c o n v p ) ，p n i p a a m c o 一甲基 型体系丙烯酸( 2 - 二乙胺基) 乙酯 ，p ( 竹n p a a m c o n 甲基一4 一 胺及其衍 乙烯基吡啶硫酸甲酯盐) ，p ( n p a a m c o 氯化二烯丙基二甲 幸物佑磊基胺) ，p ( n i p a a m c o m a p t a c ) p n i p a a m - b - p l a 共聚物的合成及其水凝胶化的研究 生物体系 阴离子 p ( n i p a a m c o 一丙烯酸钠) ，p ( n i p a a m c o 甲基丙烯酸钠) ， 型体系 p ( n i p a a m - c o n a a m p s ) ，p n i p a a m - c o 丙烯酸( 3 一磺酸钾) 丙酯 ，p n 碑a a n t - 良p i c a 两性体 上j 州l p a a m c o 一乙筒垂奉惯敝钢一c o 一甲敬冈j 肺既脓= 甲脓基飘 系化物) ，p i n i p a a m c o 丙烯酰胺一2 一甲级丙磺酸钠一c o n 一( 3 一二 甲基胺) 丙基丙烯酰胺 ， 非离子p n i p a a m 。p ( n i p a a c o a a ) ，聚( n ，_ 二乙基丙烯酰 型体系胺) ，聚( n 乙基丙烯酰胺) ，聚( 卜正丙基丙烯酰胺) ， p ( n i p a a m c o a a m ) ，p ( n i p a a m c o p a c ) ， p ( n i p a a m c o p b a ) ， p ( n i p a a m d m a a ) ，p ( n i p a a m a m c d m a a ) ， p ( n i p a a m m a a ) ，p ( n i p a a m c o 一丙烯酸胆固醇酯) ， p v a b p a a ，p n i p a a m m p v a ，p ( b o 一二甲基硅氧烷 - b o ) p n i p a a m ，p ( n i p a a m b m a ) ，p v m e ，p ( a a c c o n 一十 八烷酰丙烯酸酯) ，p n i p a a m b p p ， p ( t r v b n i p a a m m b a a m ) ，p ( n i p a a m - m b a a m ) 聚酯类体 聚( n 一异丙基丙烯酰胺一n 一丙烯酰羟丁二酰胺一2 一羟乙基甲级丙烯酸酯) p o l y ( n i p a a m - n a s a a m ) ，p ( v a c o 一醋酸乙烯酯) ，p e o b p l a ， 系 p e o p p o p e o ，p e g - p l g a p e g ，p p o p e o - p p o ，p e o p l a p e o ， p v a g n i p a m a c ，p n v i b a ，p n i p a a m b p l a ，p e g b p n i p a a m ， p n i p a a m b 一聚氨酯，p e g b p c l ，p v a p a a ， 天然高聚 丙烯酰一l 一脯氨酸乙酯( a p r o o e t ) ，p n i p a a m - g 一壳聚糖，p ( n i p a a m c o - 物与合成 n a p d ，p ( n i p a a m c o n a s i ) ，p ( n i p a a m - c o g m a ) ，p n i p a a m h 蝈胶， 高聚物共 d c x a i p n i p a a m 。p n i p a a m - b p ( d m a a - - d e x t r a n ) ，羟甲基丙基纤维 素( h p c ) 一7 = - - 醇二缩水甘油醚( p e g d e ) ，壳聚糖类 聚的体系 4 温敏性水凝胶在医学领域中的应用 由于热敏性水凝胶随温度的变化能快速吸收和释放水而体现其开关性能，因 此在生物化学、机械、医学等许多领域中具有广泛的应用前景。将具有生物活性 的分子或细胞通过物理的或者化学的方法包埋于敏感性水凝胶中，如将干的水凝 胶浸泡于药液中而使药液渗入水凝胶( 物理方法) ，或者通过酶与水凝胶骨架上的 活性基团之间的反应而将酶固定于水凝胶中( 化学方法) 。这种水凝胶可用于疾病 的诊断和治疗，并可重复使用，在实用中有很多优越性。 4 1 药物控释系统( d r u gc o n t r o l l e dr e l e a s es y s t e m ) 从微观角度看，相互交联的高分子材料具有定的空间网状结构，当温度降 中山大学硕士学位论文 低时，聚合物的分子连成伸展状态，水分子分散于网络结构中，形成凝胶状态； 当温度升高至l c s t 时，高分子链间作用增强，网络结构收缩，水分子被挤出，表 现为凝胶脱水，利用温敏水凝胶的这种依赖于温度变化的可逆膨胀一收缩过程， 使得温敏水凝胶具有开一关的药物控释性能4 5 嘶l 。 利用温敏水凝胶控制药物释放，可以改变传统给药方式( 如片剂、针剂、胶囊 等) 给药后血药浓度波动大的缺点，减少患者的痛苦【档】；还可以实现对病灶部位 的温度、化学环境等异常变动自动感知，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状态，重新抑制释放。高温收缩型温敏凝胶对药物的控释 属于“药物扩散”机理，温度低于l c s t 时，凝胶膨胀，药物以慢速自由扩散方式释 放，温度高于l c s t 时，药物随凝胶的脱水而快速释放【4 9 】。低温收缩型凝胶释放方 式与上述方式相反；温度低于l c s t 时，疏水性药物以慢速自由扩散方式释放，温 度高于l c s t 时，疏水性药物由于与疏水性的p n i p a a m 分子链的亲合性好而终止 散。 如图卜3 f 5 1 1 所示，是利用一种低温收缩型水凝胶。人体的正常体温是在3 7 。c 左右，但当人体受病毒的入侵，由于体内存在病原菌和热原质而使体温升高，凝 胶的体积增大，包覆在凝胶内的药物随着温度的变化而控制释放，达到自控的目 的。目前，这种药物控释系统可用于抗癌药物以及胰岛素在体内的长期有效的自 动的调节药物的释放。 白靖匣馕忙乐 f i g1 3n e g a t i v e l yt e m p e r a t u r e s e n s i t i v eh y d r o g e lf o rd r u gc o n t r o l l e dr e l e a s es y s t e m p n i p a a m 类水凝胶是高温收缩型，温度低于l c s t 时，p n i p a a m 在水中形 成良好的水化状态；温度升高。由于亲脂链相互作用，水凝胶脱水( f i g 1 4 ) 5 2 1 。 7 p n i p a a m - b - p l a 共聚物的合成及其水凝胶化的研究 竺兰鼍 一j - 一 一l i - 温度降低， 膨胀状态t 亲水性)收缩状态( 疏水性) h z 0 分子 f i 9 1 4s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft e m p e r a t u r e s e n s i t i v eh y d r o g e l r e s p o n s et oas t e p w i s et e m p e r a t u r ec h a n g e 5 3 1 温敏水凝胶可制成骨架材料、控释膜、微球及胶团药物载体等应用形式对药 物进行控释划。 4 1 1 骨架材料厍 p ( n i p a a m c o a a m ) 制备的载药温敏膜，药物均匀分散与温 敏膜中，形成骨架型制剂 】。还可以将温敏聚合物与p h 敏感聚合物交联，形成 双重响应智能给药系统。j t n n i p a a m 与p h 敏感型单体，n - 二甲基氨基丙基甲基 丙烯酰胺( d m a p m a a m ) 共聚，形成的聚合物具有酸敏性及温敏性，在p h 7 4 或3 7 时发生体积相变，含水量变化很大，可用于胰岛素的控制释放5 6 1 。 4 1 2 控释膜f i g 1 - 5 是一种开一关阀给药装置，药物储存在没有渗透性的聚四 氟乙烯中，在具有孔洞的阀门里，安装了温敏水凝胶p ( n i p a a m m c o a a m ) 控 释膜。当温度小于l c s t 时，水凝胶处于膨胀状态，充满阀门区，阀门为关闭状 态；当温度升高至l c s t 以上时，水凝胶收缩，阀门区有很多自由空间，阀门为 开放状态。这种阀门式给药装置对大分子药物的释放有很好的控制作用。但是对 于小分子药物，即使在阀门关闭时，也能通过扩散作用透过膨胀的水凝胶，产生 一定释放。 离门区 沮敏水凝胶 聚四氟乙蜡 药物溶液 f i g l - 5t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v ed r u gr e l e a s es y s t e mw i t ht w ov a l v e 中山大学硕士学位论文 这种药物控释装置可以通过改变阀门和释药孔的数目来调节药物的释放，而且是 要速率比较快州。另一种高温收缩的控释膜是固定温敏水凝胶的外周大小，当水 凝胶收缩时，会引起径向张力，使得膜孔增大，从而使药物释放田1 。 4 1 3 微球温敏水凝胶用于给药系统除了做成片形或膜外，还可以微球形式 作为药物载体。m a t s u o 和t a n a k a 以p n i p a a m 为温敏材料采用反相悬浮聚合法制 备了温敏微球作为药物控释载体。 4 1 4 胶团药物载体以两亲性高分子聚合物形成的胶团作为靶向给药系统 有很多优点。高度水化的胶团外层阻止疏水内核的相互聚集，使胶团在核心保有 大量药物的情况下也能保持良好的稳定性。同时，由于胶团的粒径小( 1 0 0 n m ) ， 可减少单核巨噬细胞的非选择性清除而具有被动靶向。若以温敏水凝胶制备胶 团，则又使胶团具有了物理靶向性5 引。 4 2 组织填充材料 医用聚丙烯酰胺水凝胶作为组织充填材料已广泛用于人体各部位，它是一类 具有亲水基团能被水溶胀但不溶于水的聚合物，水凝胶中的水可使溶于其中的低 分子量物质从其间渗透扩散，具有膜的特性，类似于含大量水分的人体组织，具有 较好的生物相溶性。此外，聚丙烯酰胺水凝胶为大分子物质，不吸收、不脱落、不 碎裂，在弥散的环境下能很好保持水分，有较好的粘度，弹性和柔软度，适合人体 组织结构删。 4 3 组织培养 温敏水凝胶可作为细胞外基质，培育人体组织。干细胞、生长因子 包括血 管内皮生长因子( v e g f ) 6 0 1 、碱性成纤维细胞生长因子( b f g f ) 6 1 】、表皮生 长因子( e g f ) 【6 2 、和骨形态发生蛋白( b m p ) 1 6 3 1 等 可黏附在水凝胶的三维孔 洞内并植入体内。生长因子在水凝胶中的控制释放可以引导干细胞分化成不同的 组织以及诱导和优化不同组织的生长。 利用p n i p a a m 水凝胶的温敏性可将它接枝于固体表面，通过调节温度改变 固体表面的亲水性删。在培养皿内壁接枝p n i p a a m ，用此培养皿接枝培养细胞， 成活率较传统的酶洗脱法高得多。将软骨细胞与高温收缩型水凝胶溶液在 l c s t 的温度下混合，注射入生物体内，温敏水凝胶转化为固态，软骨细胞被包裹于水 p n i p a a m b p l a 共聚物的合成及其水凝胶化的研究 凝胶体内，在体内观察软骨的形成惭1 。 对于血管的网络的培养，可先将血管形成生长因子包覆入温敏水凝胶内，血 管生长因子可诱导水凝胶周围的生物体内的组织的血管向凝胶内生长，最终形成 与原有血管相连的新的能让血液流动的血管( f i g 1 7 ) 硼。 ( a )( b )( c ) f i g 1 - 7s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fb l o o dv e s s e lf o r m a t i o np r o m o t e db yi n c l u d i n g g r o w t hf a c t o r si n t ot h et e m p e r a t u r e - s e n s i t i v eh y d r o g e l ( a ) g r o w t hf a c t o r se n c o u r a g e e x i s t i n gb l o o dv e s s e l si nt h es u r r o u n d i n gh o s tt i s s u et og r o w i n t ot h es c a f f o l d ( b ) u l t i m a t e l y ，n e wv e s s e l sc o m b i n ew i t he x i s t i n gb l o o dv e s s e l s t oc r e a t ef u n c t i o n a l b l o o dv e s s e l sc a p a b l eo fb l o o df l o w ( c ) 也可以先将血管的内皮细胞种植入温敏水凝胶内并植入生物体内。内皮细胞 在水凝胶内会生长成新的血管组织并向周围的组织器官靠近，最后，新生成的血 管会与原有组织的血管相连形成功能化的血管( 图1 - - 8 ) 【鳓。 徊) f i g 1 8s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f b l o o d v e s s e l f o r m a t i o n p r o m o t e d b ys e e d i n g e n d o t h e l i a lc e l l si n t ot h et e m p e r a t u r e s e n s i t i v eh y d r o g e l ( d ) t h et r a n s p l a n t e d e n d o t h e l i a lc e i l sw i l lf o r mn e wb l o o dv e s s e l sw i t h i nt h eh y d r o g e la n dg r o wo u t w a r d t o w a r dt h eh o s tt i s s u e ( e ) u l t i m a t e l y ，n e wv e s s e l sc o m b i n ew i t he x i s t i n gb l o o d v e s s e l st oc r e a t ef u n c t i o n a lb l o o dv e s s e l sc a p a b l eo fb l o o df l o w ( f ) 4 4 酶的固定 2 0 世纪6 0 年代后酶的固定化技术有了较大的发展，固定化酶可使反应产物易 分离、酶的稳定性增加、反应效率大幅度提高，并且酶能重复使用。h o s h i n o 等6 7 】 在碱性条件下将淀粉酶固定在n i p a a m 和甲基丙烯酸缩水甘油酮的共聚物上，发 现固定化酶的活力是自由酶的9 0 ，可用离心分离方法复原，能够重复使用。卓仁 1 0 中山大学硕士学位论文 禧等嘲6 9 1 用p n i p a a m 固定了嗜热菌蛋白酶及糜蛋白酶。还有一些报导使用热敏 聚合物与水凝胶固定纤维素酶、胰蛋白酶、脂肪酶、口一半乳糖苷酶等，固定化酶 的稳定性均有提高且利于用温度来控制和分离。 4 5 分离萃取领域 凝胶可以作为一种固体和液体或液体中不同分子量物质的中间介质，分离复 杂的混合物，特别是温敏性凝胶具有可逆相转变性和温度响应性，所以可以方便 的再生、反复使用，极具经济价值。由于操作条件温和，特别适用于大分子的浓缩 和提纯1 7 0 l 。金蔓蓉等用p n i p a a m 对牛血清蛋白、碱性蛋白以及人体激素溶液 进行浓缩萃取实验，结果表明凝胶萃取对于浓缩和制备贵重生化制品很有效，尤 其有利于保持被处理药物的生物活性。王锦堂等 7 2 1 通过用p n i p a a m 凝胶对蛋白 质和酶的分离研究表明，p n i p a a m i 筘j 分离效率在相转变温度附近发生突跃，显示 出很好的分离能力。此外，温敏水凝胶还可以直接制备成水凝胶膜，也可以接枝于 高分子膜的表面，制成刺激响应性膜材料，由温度的变化来改变膜的通透性m 1 。 4 6 其他方面 由于热敏水凝胶的性质独特，除了以上应用以外，它们还广泛应用于其他领 域例如p n i 眦m 水凝胶被用来富集纤维素、蛋白质以及作细胞培养体材料。p a n 水凝胶可以用作人工皮肤，b r e n t e 7 4 等用n i p a a m a a c 共聚物热可逆凝胶作生物 杂交人工胰脏h uz h i b i n g 等 7 5 憎p a a | l f 州i p a 改性凝胶带制成了凝胶“手”，在2 2 “手”张开，3 5 “手”闭合，可用于凝胶显示设备如开关或阀门上。 4 7 展望 温敏水凝胶是近年来日益受到人们重视的一类智能材料，它能响应外界环境 温度的变化。人们对它的热敏机理、结构与性能的关系虽有了一定的认知，但在 许多细节方面还存在不同的看法。 天然高分子衍生的温敏性水凝胶具有生物相容性、基于细胞控制的降解性和 本身固有的细胞相互作用的优点。然而，它们容易变异，通