温敏高分子应用进展

1、宁波化工 Ningbo Chemical Industry 2011年第1期 宁波化工 - 1 - 【专论综述专论综述】 温敏高分子应用进展 李明睿 1，陈赛赛2，吴文韬1 （1.上海大学 环境与化学工程学院，上海 200444；2.上海大学 材料科学与工程学院，上海 201800） 摘摘 要要:温敏高分子由于其特有的温度敏感性而广泛应用于药物缓释、物料分离提纯、温敏薄膜、酶的 固定以及免疫分析等领域。对温敏高分子的生物治疗、膜应用等方面进行了综述。 关键词关键词:温敏高分子；基因治疗；聚 N-异丙基丙烯酰胺 中图分类号：中图分类号：TQ31 文献标识码：文献标识码：A 1 引言 温敏性高分子

2、是指对温度刺激具有响应性的 智 能 型 高 分 子 ， 如 聚 N 异 丙 基 丙 烯 酰 胺 （PNIPAAm） 、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等，其在 水溶液中存在一个低临界溶解温度（LCST） ，所谓 LCST 就是指最低浊点温度1。温敏高分子由于其 特有的温度敏感性而广泛应用于药物缓释、物料分 离提纯、 温敏薄膜， 酶的固定以及免疫分析等领域。 2 对于温敏高分子产生环境响应的机理，目前普 遍被接受的观点是，感温高分子内同时存在亲水基 团和疏水基团，他们在水中会与水分子产生相互作 用，当温度低于 LCST 时，大分子中的亲水基团与 水分子作用，由于氢键及范德华力的作用，是大分 子周围的水分

3、子形成由氢键连接的溶剂化壳层，使 高分子表现出一种伸展的线团结构，并且呈现出溶 解于水的特性。当温度升高时，亲水基团与水分子 之间形成的氢键断裂，溶剂化层被破坏，呈现疏水 特性，并有线团变为紧密的胶粒状结构。通过整个 大分子线团/胶粒的构象转变完成对温度变化的响 应。 3目前最常见的温度敏感型聚合物为聚 N-异丙 基丙烯酰胺 （PNIPAAm） ， 它的 LCST 为 30 度左右， 根据以上所述的温敏机理，我们可以通过亲水性不 同的两种温度敏感性单体按照一定比例共聚合，来 扩大聚合物的温度响应范围。4 本文针对目前存在的温敏高分子的应用方面 进行分析，主要包括生物治疗、智能纺织品、智能 膜、

4、色谱分离等几个方面举例。 2 温敏高分子的应用 2.1 基因载体 基因治疗（gene therapy）是指将外源正常基因 导入靶细胞，以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起 的疾病， 以达到治疗目的。 为达到基因治疗的结果， 基因载体的选择具有十分重要的意义。这类热敏型 聚合物（如聚 N-异丙基丙烯酰胺），在达到临界相 转变温度（LCST）以上时，可以与 DNA 分子紧密 结合成复合物粒子，而在 LCST 以下时，会发生解 离，从而释放出 DNA。对于温敏性高分子载体，可 以通过控制温度来控制 DNA 的释放，从而提高转 染效率。 Ran 等报道了一种新型分子作为药物释放载 体，在后续研究中发现，他

5、同时具有基因载体的性 质，并且具有可生物降解、降解无毒和释放过程不 产生副产物等优点。5 2010 年 Shutao Guo 等人报 道 合 成 了 同 时 对 温 度 和 pH 敏 感 的 高 分 子 PCL-g-PDMAEMA，在基因载体和药物释放领域都 有很好的应用前景。 62006 年， Woo Sun Shim 等人 合成了嵌段聚合物 SMO-PCLA-PEG-PCLA-SMO。 试验中具有很好的组织相容性，在药物释放和细胞 治疗中会有很好的应用前景。 7 Yongzheng Ma 等于 2009 年合成一种温敏共聚物（PDMNIB）。经试验 测定， 这种聚合物与 DNA 分子有良好

6、的相互作用。 82010年李振泉等采用沉淀聚合方法合成出一种新 型的温敏(PNIPAM-co-AA)高分子空心球，使其在 温敏高分子应用进展 2011年第1期 宁波化工 - 2 - 基因载体和药物释放方面都有很好的应用价值。9 2.2 药物释放 传统的给药方式是人体内的药物浓度只能维 持较短的时间，血液中或体内组织种药物浓度上下 波动较大，时常超过人体的药物最高耐受剂量或最 低有效剂量。为了维持体内必要的药物浓度，只能 采用一日数次定时服药或注射。药物控释系统是药 物学发展的一个新领域，它能使血液或组织中的药 物浓度在较长时间内保持在有效的治疗指数范围 内。可以看出，很多能做基因载体的温度响应

7、性聚 合物同时可以作为药物释放载体，下面简要介绍几 种特定的药物释放温敏型高分子。 Kuilin Deng 等 人 于 2009 年 报 道 了 发 现 NAGME 和 NAGEE 具有温敏性能，且 LCST 分别 为 61.5 度和 12.5 度，并且可以通过对两者的共聚 使 LCST 达到生理温度 35 度。在咖啡因释放实验 中发现，释放温度与共聚物的交联程度有关，所以 可以人为地对释放行为进行控制，使药物释放的可 控性成为可能。10 为增加药物释放体系的靶向定位功能，Noreen T. Zaman 等人将半乳糖接在了温敏性聚合物的末 端，增加了高分子对肝细胞的靶向定位，这种聚合 物的 L

8、CST 约为生理温度 37。11 2002年Lee 等12合成出了一系列共聚物凝胶， 并同咖啡碱组成温敏性药物释放体系， 在 25时浸 没在药物溶液中以装载药物，当温度升到 35时， 凝胶转为疏水性而收缩， 凝胶内的药物就释放出 来。共聚(PNIPAAm-TMMAAI-DMAPS) 凝胶在不 同的温度下有不同的热敏性质而导致其体积改变， 即在一定的 LCST 时发生相转变。由此可以将这种 共聚物热敏性凝胶与药物一起， 制作成温度敏感 的制剂， 组成高分子载体药物智能控释系统。 Luke 等13合成了相转变温度在 37的物理和 化学交联的水凝胶。 生物治疗中，温敏高分子主要作为基因或者药 物释放

9、的载体，这一类高分子往往具有很大的交叉 性，本文并未将两者很好的分开，但这也正好说明 温敏高分子在这一领域巨大的应用前景。 2.3 膜的应用 2.3.1 温度敏感型智能膜 智能膜是指可以对外界环境变换做出响应的 膜材料，它是将仿生科技与膜材料相结合的产物。 智能膜按结构来分可分为开关型和整体型智能膜。 而温度响应性智能膜多是开关型膜。它是通过在多 孔基材膜上接枝感温性高分子材料开关而得到的。 常用的温敏材料为 PNIPAAm。14 2.3.2 膜的表面改性 Sanchuan Yu 等合成了 LCST 在 42.5 度的温敏 性聚合物(P(NIPAM-co-Am)，这种聚合物与 TFC 膜通过氢

10、键相连，对膜的表面进行改性，增加了膜 的渗透率和脱盐率，显著提高了膜的抗污能力和清 洗能力。15 2.4 色谱分离 目前使用温敏高分子作为色谱分离中色谱柱 填料的研究也日益增多，这源于温敏材料在 LCST 下亲水疏水性的变化，这一构象的可逆变化可以导 致不同的色谱分离机制。利用它的这一特性， 可 用以分离某些特殊的物质， 从而达到通过改变温 度来改变其色谱性能的目的。 2010 年， 崔莹等合成了固定相作为色谱柱的填 充物，发现其对很多种类的物质都有较好的分离性 能。16同年，欧阳康龙等制备了具有温敏性的聚合 物色谱填料，结果表明， 所合成的固定相具有很 好的色谱性能和温敏性能， 稳定性和重现

11、性良好。 17 2.5 智能纤维 智能纤维是指当纤维所处的环境发生变化时， 纤维的形状、温度、颜色和渗透速率等随之发生敏 锐响应，即突跃性变化的纤维，智能纤维能够感知 环境的变化或刺激（机械、热、化学、光、湿度、 电磁等）18。温敏纤维是指纤维的某些性能随温度 改变而发生可逆变化的纤维，主要有温敏保湿纤维 宁波化工 Ningbo Chemical Industry 2011年第1期 宁波化工 - 3 - 和温敏变色纤维 19。 将温度敏感性材料包敷在纤维中，根据外界环 境温度变化，纤维中所包含的温敏材料发生液固 可逆相变，或从环境中吸收热量储存于纤维内部， 或放出纤维中储存的热量，在纤维周围形

12、成温度相 对恒定的微观气候，从而在一定时间内实现温度调 节功能。 用此类纤维加工成的纺织品(服装) 除具有 传统纺织品(服装) 的静态保温作用外， 还具有由于 相变物质的吸热放热引起的动态保温作用。29 据报道20， 聚 N异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm ) 制成的温敏凝胶纤维， 当加热到 LCST 以上后能 收缩到原体积的 30%。这类温敏纤维除随温度变化 产生体积变化外， 还具有吸放水性、分子亲水和 疏水性的变化以及透明和不透明的变化。 1986 年，平佐等人合成了在水温大约 40 时 出现相转移的收缩凝胶。用此纤维束制成了温度敏 感性的人造肌肉21。 2.6 新型温敏高分子聚合刷 由于聚

13、 N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAAM）LCST 在 32.较为接近人体温度，而且其具有良好的生 物相容性，是现今研究最多、发展最快的一种新型 热敏性聚合物。PNIPAAM 热转变虽然迅速但冷却 时由于氢键作用可以观察到很明显的迟滞现象，这 使得它的应用范围受到很大的限制。所以现在越来 越多的专家致力于合成新型的温敏高分子来克服 该困难。 在 2009 年李文等成功改性了树枝状聚合物， 使其可以根据不同的应用场合进行相应的改性。这 使得其相较其他的温敏聚合物在生物医用，传感器 等领域应用前景更好的广泛。 3 结语 材料是 21 世纪技术发展的基础，温敏性高分 子的智能材料由于在温度变化时其亲水性

14、与疏水 性间的平衡不断在改变，从而对温度的变化作出响 应。温敏高分子材料如上所述被广泛应用于药物缓 释、物料分离提纯、温敏薄膜，生物治疗，智能纺 织等领域， 但是其存在一定的缺点， 就如 PNIPAAM 虽然热转变非常迅速然但冷却时由于氢键作用可 以观察到很明显的迟滞现象，这使得它的应用范围 受到很大的限制，再如一些温敏水凝胶在药物缓释 中，温敏控释需要体温的调节，需要将病变部位的 温度升高或进行外部温度调控。这就限制了这种制 剂的应用，并且合成温敏水凝胶所需的乙烯基单体 和交联剂具有很高的毒性、致病性或致畸作用，因 此凝胶的纯化是一问题。所以迫切的随着 21 世纪 新科技时代的到来，通过官能

15、团的设计，利用疏水 / 亲水基团间微妙的相互作用，合成出比新型的树 枝状温敏聚合物性能更加好，无毒的，生物相容性 更加好的的温敏智能材料。 参考文献参考文献 1 S.Saeki,N.Kuwahara,M.Nakata,M.Kaneko.Upper and lower critical solution temperature in poly (ethylene glycol) solutionsJ. Polymer,1976,17(8):685-689. 2 贾海香.感温高分子研究进展J.山西化工， 2009； 29 （6） ： 42-45 3 陈勇,贾云,陈世兰. 新型温度响应智能材料聚 N

16、,N-二乙 基丙烯酰胺的研究J. 重庆科技学院学报,2008,10(6):4 7251. 4 田晓东，前田宁.N-异丙基丙烯酰胺共聚物的合成及温 敏性.高分子材料科学与工程,2010;26(4):29-32 5 Ran Namgung, Sujin Nam, Soo Kyung Kim, Sejin So n, Kaushik Singha, Jin-Sook Kwon, Youngkeun Ahn, Myung Ho Jeong, In-Kyu Park, Vivek K. Garripelli, Seongbong Jo,Won Jong Kim, An acid-labile tempe

17、rat ure-responsive solgel reversible polymer for enhanced gene delivery to the myocardium and skeletal muscle cells.Biomaterials.2009;30:5225-5233 6 Shutao Guo, Yong Qiao, Weiwei Wang, Haiyong He, Liandong Deng, Jinfeng Xing,Jianqing Xu,Xing-Jie L iang and Anjie Dong. Journal of Materials Chemistry.

18、 2010;20:6935-6941 7 Woo Sun Shim, Jong-Ho Kim, Hungkyu Park, Kwang meyung Kim,Ick Chan Kwon, Doo Sung Lee, Biomat erials. 2006;27:51785185 温敏高分子应用进展 2011年第1期 宁波化工 - 4 - 8 Yongzheng Ma,Sen Hou,Bin Ji,Yang Yao,Xizeng Feng. Macromolecular Journals.2010;10:202-210 9 李振泉，钱健，曹绪龙，宋新旺，吴飞鹏. 一锅法制备 pH和热敏的P( N

19、IPAM-co-AA)高分子空心球.高分子学 报,2010;3:329-333 10 Kuilin Deng, Haibin Zhong, Xiangyang Zheng, Xiaohui Song,Hua Tian, Pengfei Zhang, Xiaobo Ren and Haijun Wang,Polymer Advanced Technologies.2010;21:584-590 11 Noreen T. Zaman, Yi-Yan Yang, Jackie Y. Ying, Nano Today,2010;5:9-14 12 Lee W F, Ch iu RJ. Thermo r

20、eversible hydrogel. XV II. Investigation of the drug release behavior for N- isopropylacrylamide-co-trimethyl acrylamidopropyl am monium Iodide-co-3-dimethyl ( methacryloyloxyethyl ) ammonium propane sulfonate copolymeric hydrogels. Journal of Polymer Science, 2002; 861592 13 Luke Geever, Ciaran Coo

21、ney, Declan Devine, Sinead Devery, Michael Nugent. Negative Temperature Sensitive Hydrogels in Controlled Drug Delivery. Macromol. Symp. 2008, 266, 5358 14 陈利,褚良银.智能膜材料与膜技术综述及展望.过滤与 分离.2007;14(3):1-3 15 Sanchuan Yu, XuesongLiu, JingqunLiu, DihuaWu, Meihong Liu, Congjie Gao. Separation and Purificati

22、on Technology .2011;76: 283291 16 崔莹, 朱振中, 董伟. 聚N-异丙基丙烯酰胺硅胶键合固 定相的应用.理化检验-化学分册.2010;47(7):756-759 17 欧阳康龙, 曹颖, 王富强, 龚波林. 原子转移自由基聚 合技术用于以单分散树脂为基质的温敏色谱固定相的 制备及性能评价.色谱.2010;28(6):551-555 18 Tao X. M. Smart Fibres, Fabrics and Clothing M. Camb ridge England: Woodhead Publishing Limited, 2001 19 张华.智能纤维及纺织品的研制及其在医疗卫生领域的 应用.化工新型材料.2007;35(9):34-36 20 李青山,韩毅,王德昌,等.功能高分子材料在医疗保健中 的应用.M.哈尔滨:哈尔滨船舶工业出版社, 1993. 21 Hirasa O. Themo-Response Polymer Gels. Kobunshi,1 986,35 :1100 Development on Application of Thermo