环境敏感高分子材料类型及应用（2）

环境敏感高分子材料类型及应用
摘要
环境敏感高分子材料是智能材料中的一类高分子材料,本文对智能凝胶的类型及应用进行了详细阐述，简要介绍了温度响应高分子、刺激响应高分子水溶液、载体表面的刺激响应高分子以及刺激响应高聚物膜。

关键词：环境敏感高分子;温敏凝胶；PH敏感性凝胶；药物控释；温度响应高分子
1.概述
环境敏感高分子材料是智能材料中的一类高分子材料，也称机敏性高分子材料、刺激相应型高分子材料、智能高分子材料。

能响应外界环境的微小变化，使其分子结构和物理性能发生变化，变化的方式有相变、形状变化、光学性能变化、力学性能变化、电场变化、体积变化、表面能变化、反应和渗透率变化、识别性能变化等。

环境敏感高分子材料与普通的高分子有所不同，当受外界刺激时，环境敏感高分子材料中高分子链内的链段有较大的构象变化，外界刺激消失后，其又可自动恢复到原来的内能较低的稳定状态。

[1]环境敏感高分子可以按照不同的分类方式进行分类。

按物理存在状态和应用形式可分为：聚合物溶液、水凝胶（又可分为交联水凝胶和可逆水凝胶）、聚合物胶束、智能改性表面和共轭物。

按刺激响应机制可分为：温度敏感聚合物、pH敏感聚合物、离子强度敏感聚合物
光敏感聚合物、电敏感聚合物、磁敏感聚合物、化学或生物分子敏感聚合物、复合敏感聚合物。

2.凝胶
智能凝胶是环境敏感高分子材料中最重要的一类，它的许多性质都与凝胶有关。

凝胶是指三维网络结构的高分子化合物与溶剂组成的体系，由于它是一种三维网络立体结构，因此它不被溶剂溶解，同时分散在溶剂中并能保持一定的形状。

它既是高分子的浓溶液又是高弹性的固体，小分子物质能在其中渗透或扩散。

其性质取决于三个因素：高分子网络的性质、溶剂的性质、溶剂与高分子间的相互作用。

当凝胶中含有亲溶剂性基团，可被溶剂溶胀。

其溶胀过程为：溶剂分子扩散进高分子网络;溶剂化作用使得高分子链段松弛；高分子链段向三维空间伸展。

研究表明，凝胶的溶胀取决于两种趋势的平衡：一方面，溶剂分子进入高分子的网络中使其体积膨胀，大分子链呈伸展状态，构象熵降低；另一方面，高分子分子链伸展，高分子网络受内部应力作用产生弹性回缩，促使凝胶体积减小，当两种相互作用抵消时，凝胶处于溶胀平衡状态。

凝胶的智能化表现在以下几方面：当外部环境的pH、离子强度、温度、电场以及环境中所含有的其他化学物质发生变化时，高分子凝胶即呈现出“刺激一应答”状态，体积发生突变或某些物理性能变化。

智能高分子凝胶的体积相转变如图1所示：
图1
根据外界刺激的不同，智能凝胶的可分为温敏凝胶、PH敏感性凝胶、双重敏感性凝胶、光敏感性凝胶、电场敏感性凝胶和其它敏感性凝胶。

2.1温敏凝胶
温敏型水凝胶是一种能随环境温度的变化发生可逆性的膨胀-收缩的水凝胶。

温敏型水凝胶在温度高于或低于其低临界溶液温度(LCST)值时,水凝胶处于收缩或溶胀状态,在这个变化的过程中,水中溶解的物质会随水分被水凝胶吸附或释放。

[2]
温敏型水凝胶普遍含有疏水基基团，所以可通过改变亲水部分与疏水部分的共聚比来调节共聚物LCST，且疏水部分增大，LCST变低。

Inomata等采用不同N-取代丙烯酰胺合成了一系列温敏性凝胶，确认聚丙烯酰胺中N-取代基的疏水性越强，凝胶在体积相变温度处产生的体积变化越大,温度响应性越明显，相变温度就越低。

[3]白渝平等利用化学交联和循环冷冻相结合的顺序逼近法，制备了由聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酸(PAA)复合的聚合物互穿网络(IPN)结构的高分子水凝胶，研究发现该凝胶的LCST约在38℃处，且随着PAA含量增加，凝胶的溶胀比q增大。

[4]
2.1.1温敏凝胶在药物控释方面的应用
温度敏感性水凝胶可以随着环境温度的变化改变其自身的亲疏水性和凝胶网络的尺寸及体积，因而其作为药物载体时可随着温度的变
化控制药物的释放速率。

[5]通常将其分为负热敏性水凝胶、正热敏性水凝胶、热可逆水凝胶3类。

[6]
负热敏性水凝胶具有低临界相转变温度（LCST），将药物包埋于溶胀的负热敏性水凝胶中，当环境温度低于LCST时，由于凝胶内部饱和药物和环境介质之间的渗透压差，药物能够释放出来，水凝胶处于“开”的状态；当环境温度升至LCST值以上时，水凝胶的表面会收缩形成一致密的皮层，阻止水凝胶内部的水分和药物向外释放，即水凝胶处于“关”的状态。

这就是药物释放的“开－关”控制模式。

Xu等合成了一种新型的温敏性水凝胶，其LCST低于人体正常温度。

以异硫氰酸荧光素标记的葡聚糖和牛的血清蛋白作为大分子模型药物研究了其释放动力学，发现该凝胶实现了对大分子药物的连续释放。

[6]正热敏性水凝胶具有上临界相转变温度(UCST)与负热敏性水凝胶释放机理相反，即环境温度低于UCST时，水凝胶收缩；高于UCST 时,水凝胶溶胀。

美国专利中收录了一种温敏性的药物释放体系，它以温敏性的纤维素水凝胶为药物载体，包埋一种液态的生物活性物质在人体的确定位置释放。

在某一温度下，水凝胶处于收缩状态，随着温度的升高，驱动着活性物质的释放。

如果人体温度升高，负载的液体物质将在短时间连续释放。

[6]
热可逆水凝胶是在环境温度下以高分子溶液为流体，在人体温度下转变为凝胶态的一类凝胶。

由于“甲基纤维素－聚乙二醇－柠檬酸”三组分体系在35℃附近具有反向温敏特性，能形成原位凝胶，林莹等考察了上述基于甲基纤维素的三组分体系的凝固动力学特性，并以抗癌药物5－氟尿嘧啶（5-FU）作为模型药物研究了其释药特性，发现该凝胶体系对5-FU有一定的控缓释作用，且该体系在室温为流体状态、体温（37℃）时为半固体凝胶。

因此，该水凝胶可用于注射式植入型药物释放系统中。

[6、7]
目前研究最广泛的温度敏感性水凝胶是以聚N-异丙基丙烯酰胺为温度敏感性材料的水凝胶，而大多数基于聚N-异丙基丙烯酰胺的水凝胶是通过非生物降解的交联剂交联，因而限制了其医学应用。

李聪等通过以两端带有碳碳双键的聚己内酯为生物可降解交联剂，N-异丙基丙烯酰胺为单体，通过自由基共聚合成了生物可降解的温度敏感性水凝胶，研究了此水凝胶体系的温度响应性，并以此水凝胶体系作为载体研究了甲状旁腺相关肽在不同温度下的体外药物释放行为。

体外模拟释放表明，此水凝胶载药体系能实现甲状旁腺相关肽长达13天的持续释放，基于甲状旁腺相关肽具有能够增加成骨细胞活性和数量并能促进骨形成的作用。

[5]
2.1.2温敏凝胶在固定活性酶方面的应用
温度敏感性水凝胶由于其在临界温度附近溶胀度显著变化的特点,使其已成为固定化酶的一种理想包埋载体。

张传梅等制备出了2种性能相异的载体材料,即聚丙烯酰胺/2-甲基丙烯酸羟基乙酯[P(AM-co-HEMA)]和聚N-异丙基丙烯酰胺/2-甲基丙烯酸羟基乙酯[P(NIPAM-co-HEMA)],并用其包埋A-胰凝乳蛋白酶,利用载体材料的温敏性,分别在一定温度范围内连续控制和调节2种固定化酶连续催化8次后,发现固定化酶活力并没有明显下降。

这种温度敏感型水凝胶固定酶的方法可以避免对酶的活力造成伤害,并且还提高了酶的稳定性和重复使用率。

[8]
2.2PH敏感性水凝胶
PH敏感性水凝胶是其溶胀或去溶胀随PH变化的一类水凝胶。

其分子骨架中通常含有可离子化的基团，如酸性的磺酸、羧酸基团，碱性的伯胺、仲胺、季胺等。

由于其酸碱性基团随着溶液PH值的变化而导致不同的离子化程度，从而引起不连续的溶胀体积变化，使水凝胶对
PH显示出敏感性。

由于离子化程度不同，水凝胶的PH响应范围也会不同。

[6]
2.2.1PH敏感性水凝胶在药物控释方面的应用
可以通过调节PH值，控制水凝胶的收缩－溶胀状态，从而实现药物的控制释放。

PH敏感性释放系统主要是根据人体不同部位的PH差异实现药物的靶向释放。

杨哪等合成了聚丙烯酸钠/纤维素互穿网络水凝胶，该凝胶在37℃时具有良好的PH敏感性，研究了其在模拟胃液和肠液环境中的溶胀动力学性质，发现该凝胶在人工胃液环境中溶胀率小，溶胀缓慢，而在人工肠液中其溶胀率高，且溶胀速率快。

该凝胶的溶胀动力学模式基本满足作为肠道给药载体，有望成为一种靶向肠道功能成分释放载体。

[9]
2.3 双重敏感性水凝胶
通过共聚和互穿网络等技术，可以把两种环境敏感性聚合物的性能组合，开发出对两种环境因素都敏感的双重敏感性凝胶。

2.3.1 双重敏感性水凝胶的应用
何尚锦等合成了温度及pH双重敏感水凝胶-乙烯基吡咯烷酮-丙烯酸共聚物与聚乙二醇[P(NVP-AA)/PEG]半互穿网络水凝胶,并利用该凝
胶为载体对抗癌药5-氟尿嘧啶(5-FU)进行包埋,分别在模拟的胃液和肠液,即SGF和SIF缓冲溶液中、37℃下进行体外释药研究。

[2、10]
2.4光敏感性凝胶
光敏感性凝胶是由于光辐射而发生体积相转变的凝胶。

如紫外光辐射时，凝胶网络中的光敏感基团发生光异构化，光解离等反应，导致基团构象和偶极距变化使凝胶溶胀。

2.4.1光敏感性凝胶的应用[2]
利用光敏感性凝胶的特性可制备调光材料。

渡边晴男利用环境温度随季节变化开发出舒适性节能水凝胶型调光玻璃。

此水凝胶由含有疏水基的水溶性高分子、两亲水性分子和氯化钠水溶液组成。

低温时,呈无色透明状态;而高温下材料转变成白浊遮光状态。

在3mm玻璃夹层中填充0.15mm凝胶制得的灵巧窗试验装置,其凝胶浊点28℃。

当温度上升至32℃呈现白浊遮光状态,其遮光起始温度可调,耐久性已经受耐紫外线和耐热性考核。

Salehpoor等以双丙烯酰胺为交联剂,将丙烯酸、丙烯酸钠以及2-丙烯酰胺-2-异丁基磺酸共聚得到对外加电场敏感的水凝胶,利用该凝胶的智能性可以加工制作参数可调控的光学镜片。

2.5电场敏感性水凝胶
电场敏感性水凝胶一般由高分子电解质网络构成。

由于高分子电解质网络中存在大量的自由离子可以在电场下定向迁移，造成凝胶内外渗透压变化和PH值不同，从而使得该类凝胶具有独特的性能，比如电场下能收缩变形、直流电场下发生电流振动等。

在电场作用下因表面活性剂的各向异性低缔合而产生的凝胶弯曲机理说明如图2所示：
图2
2.6凝胶的其它应用
除上述介绍的各类凝胶应用外，凝胶在敏感性高分子功能膜上的应用也极其广泛。

凝胶的结构决定了其在外界环境发生改变时可以改变形状和大小,用高分子凝胶制成的膜能实现可逆的变形,也能承受一定的静压力,这种流变特性与凝胶中流体的高摩擦性有关。

对于凝胶膜来说,保持膜大小不变,那么膜内的伸缩力会使膜孔发生胀大或缩小,从而改变膜的渗透性,这一机理已经应用到了超滤膜的生产中,使超滤膜的功能大大提高。

[11]
3.其他环境敏感高分子材料
3.1温度响应高分子
温度响应高分子是高分子本身具有温度响应性，在水溶液中这类高分子都有一个浊点或称为低临界溶解温度( LCST)。

温度响应高分子的品种很多，有聚羟丙基甲基丙烯酸甲酯、羟丙基（羟乙基、羟丙基甲基）纤维索、聚乙烯醇衍生物、聚（N-取代）酰胺类（取代基可为吡咯烷酮、L-氨基酸）、环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚物和嵌段共聚物、聚环氧乙烷和聚甲基丙烯酸等。

产生LCST 现象的原因是高集物释放出了疏水界面上的水，从而引起了高聚物的沉淀从溶于水成为不溶于水。

这类聚合物可用增加或减少其亲水性基团的比例来调LCST的高低。

3.1.1温度响应性单分子聚合物胶束[12]
单分子聚合物胶束和传统的胶束一样具有核-壳结构，因其结构固定并具有良好的热力学稳定性而越来越受到研究者的关注。

当这类胶束的核层或者壳层含有温敏性高分子的时候就可以形成具有温度响应性的单分子聚合物胶束。

温度响应性单分子聚合物胶束的主要类型有交联胶束（包括核交联(CCL)聚合物胶束和壳交联(SCL)聚合物胶束）、多臂星状单分子聚合物胶束（包括基于两亲性星状嵌段共聚物胶束、基于超支化聚合物的单分子胶束和其他星状多臂单分子聚合物胶束）。

3.1.1.1 温度响应性单分子聚合物胶束的应用
温度响应性单分子聚合物胶束的应用领域非常广泛，涉及到催化、污水处理、生物医药等许多方面。

结构固定的单分子聚合物胶束作为一种有效的药物载体，具有高效、长效、安全等特点，与其他药物载体相比，单分子聚合物胶束具有结构稳定、毒副作用小、性能稳定的特点。

带有阳离子的单分子聚合物胶束可以作为非病毒基因载体与DNA 形成更稳定的复合体，而且通过灵活高效的聚合反应技术，可以对其分子结构进行设计，进而实现调控基因释放活动。

这类温敏响应性的高聚物胶束往往是包含PDMA或者超支化的聚乙烯亚胺( PEI) 大分子等。

利用具有温度响应行为的单分子聚合物胶束为模板，可以通过原位还原的方法，方便易行的制备出温敏性杂化纳米粒子，而杂化纳米体系有望在催化和生物传感方面发挥作用。

3.2刺激响应高分子水溶液
刺激响应高分子水溶液是把水溶性刺激响应高聚物溶于水中而制得的。

它能在特殊的环境条件下从水溶液中沉淀出来。

具有此种性质的聚合物体系可作为温度或pH指示器的开关。

把某些生物分子或具有生物活性的分子如蛋白类、多肽类、多糖类、核酸类、脂肪类和各种配体或受体与它结合形成结台物，当给予某种外界刺激时，就能产生沉淀而从溶液中分离出来，Hoffman等将这类刺激响应高聚物与某
种具有识别功能的生物分子或者某种受体的配体，如细胞受体肽或抗体结合，应用于沉淀诱导的亲和分离过程。

3.3载体表面的刺激响应高分子
用化学接枝或物理吸附的方法把刺激响应高分子固定在固体载体表而，当外部环境条件如溶液温度、pH值或某些离子强度等发生微小变化时，能显著改变表面层的厚度、湿润性或电荷。

由于表面层很薄，因此这种在固体载体表面的刺激响应高分子的响应速率要快于水凝胶。

pH敏感高分子载体在药物及基因传递领域备受关注。

体内不同组织、细胞及细胞器的pH有所不同。

如消化道中胃液呈酸性,而肠液呈弱碱性;正常组织的pH大约为714,而肿瘤组织的pH为6~7,明显低于正常组织,细胞内的内涵体的pH值更低。

利用这种pH环境的差异可设计出众多针对特定器官或肿瘤组织进行传递的pH敏感载体,以达到特定部位高效传递的目的。

[12]
3.4刺激响应高聚物膜
刺激响应高聚物膜是膜的通透性响应环境变化的一类膜材料，这类膜是利用高聚物可逆的构象和聚集态受外界刺激而变化的原理而研制成的。

与普通膜的通透性同环境无关相反，这类膜类似生物细胞膜，能感知环境变化，且会响应环境变化改变自身的性能。

分子识别离子开关膜是一种能响应某些离子溶剂而自发打开或关闭其膜孔的环境敏感性聚合物膜。

Taichi等用等离子体接枝的方法,将NIPAAm和BCAm的共聚物接枝到聚乙烯膜上,制成具有分子识别离子开关膜。

渗透实验表明,这类膜对一些特殊离子如Ba2+或K+等会做出反应,而自发地打开或关闭其膜孔,而对另外一些离子如Ca2+或Na+等没有反应。

这是由于接枝膜上BCAm中的冠醚接受体能捕捉一些特殊离子,来填充膜孔,而NIPAAm链具有最低临界溶解温度(LCST),能在
LCST以下溶解,在LCST以上收缩,使得接枝共聚物可以在Ba2+和K+的两个LCSTs之间的温度发生溶胀和收缩。

利用这一原理,分子识别膜能够自身调节其通量,达到分离不同离子的特性。

因此,这类膜在人造器官、药物释放系统、水处理等方面具有很广泛的应用前景。

[14、15]
4.总结
环境敏感高分子的研究已成为高分子学科的一个热点方向,各类功能繁多的环境敏感高分子材料被设计、合成。

环境敏感高分子的应用除上述介绍的外，还可用作化学机械器件、相分离剂、人工肌肉等。

智能凝胶是一种迅速发展的新型功能高分子．其刺激响应特性在许多领域展现了良好的应用前景。

今后的发展方向将在提高凝胶的响应性，制备新型接枝或互穿网络聚合物以及如何将凝腔用于软湿技术的开发，更好地满足医疗卫生、医药、化工、机械等领域的特殊需求。

参考文献：
[1]蒋民华.神奇的新材料[M].济南:山东科学技术出版社,2013.10.
[2]赵玉强,张志斌,刘宁,等.智能水凝胶的应用[J].现代化工，2007.3,27(3):66-69.
[3]董晓臣,贺继东,王存国,等.温敏水凝胶的新进展[J].高分子通报，2003.8,（4）:53-56.
[4]白渝平,杨荣杰,李建民.PVA-PAAIPN水凝胶的制备及其溶胀性质[J].高分子材料科学与工程,2002,18(1):98-101.
[5]李聪,张喆,贺超良,等.生物可降解温度敏感性水凝胶用于甲状旁
腺相关肽的可控释放[J].高分子学报,2012,（7）:778-783.
[6]景占鑫,孙晓锋,王海洪,等.环境敏感型纤维素水凝胶及其在药物
控释方面的应用[J].材料导报Ａ:综述篇,2012,26(4):83-88.
[7]林莹,蒋国强,昝佳,等.甲基纤维素温敏水凝胶的凝固及体
外释药特性[J].清华大学学报,2006，46(6):836.
[8]张传梅,付建伟,庄银凤,等.温敏性水凝胶作为固定化酶载体
的研究[J].河南科学,2006(5):683-686.
[9]杨哪,徐学明,金征宇,等.聚丙烯酸钠-纤维素多糖类互穿
网络水凝胶的制备及溶胀特性研究[J].食品与生物技术学
报,2009,28(1):48.
[10]何尚锦,贾启燕,石可瑜,等.N-乙烯基-2-吡咯烷酮-丙烯酸共聚物/聚乙二醇半互穿网络水凝胶的合成及其药物缓释性能[J].应用化
学,2002,19(8):742-745.
[11]方东宇,李伟,陈欢林.敏感性高分子功能膜的研究进展[J].功能
高分子学报,2000.12,4(13):442-446.
[12]罗时忠,韩梦成,曹月辉,等.温度响应性单分子聚合物胶束[J].化
学进展，2011.12,23（12）:2541-2549.
[13]程巳雪,卓仁禧,张先正.用于药物与基因传递的环境敏感高分子[J].高分子材料科学与工程，2014.2,30(2):133-138.
[14]曾振辉,董声雄,龚琦.环境敏感性聚合物膜的制备及应用进展[J].高分子通报，2004.8,（4）:89-95.
[15]Ito T,Hioki T,Yamaguchi T,etal.J Am Chem
Soc,2002,124:7840-78461.。