一种温敏智能水凝胶

一种温敏智能水凝胶
高分子水凝胶指能够在水中溶胀并保持大量水分的不溶性交联聚合物，它具有网络结构。

一些水凝胶受到外界环境的刺激，如温度、溶液的组成、pH值、电场等变化时，其结构和性能(一般是体积)会随之发生突变，呈现体积相变(体积的突然收缩或膨胀)行为，从而具有智能功能。

其中对温度敏感的水凝胶叫做温敏水凝胶。

一、一种典型的温敏水凝胶—PNIPA水凝胶
温敏水凝胶的种类很多，其中聚N–异丙基丙烯酰胺(PNIPA)类水凝胶最受关注。

PNIPA水凝胶可由N–异丙基丙烯酰胺(NIPA)单体在交联剂、引发剂等存在下聚合生成(如图1所示)。

NIPA的侧链中既含有亲水性的酰氨基又含有疏水性的异丙基，NIPA聚合生成网络结构的水凝胶。

图1 PNIPA水凝胶的合成
低温时，PNIPA水凝胶三维网络结构中存在许多孔隙，水可以占据孔隙，发生吸水溶胀。

此时水分子与PNIPA的酰胺基团形成氢键，在聚合物四周形成高度有序的水分子层，聚合物处于伸展状态(如图2左侧所示)。

当温度升高至某个温度(叫做最低临界溶解温度LCST，通常在30～35℃范围)时，氢键遭到破坏，包裹在聚合物周围的水分子减少，疏水基团之间的疏水缔合作用增强，水从孔隙中排出，凝胶突然收缩，发生退溶胀(如图2所示)。

以上变化过程可逆，收缩的凝胶会随着温度的降低而再次溶胀，恢复原状。

图2 PNIPA水凝胶的体积相变示意图
LCST是水凝胶的重要参数，可以通过在聚合过程中加入疏水或亲水的共聚单体、溶剂、简单盐类、表面活性剂等来改变。

通常，PNIPA聚合物的疏水部分越多，水凝胶的LCST越高，亲水部分越多则相反。

例如，以NIPA与疏水性更强的N，N–二甲基丙烯酰胺为原料，制得的PNIPA水凝胶的LCST随着后者含量的增大而升高。

由于PNIPA水凝胶的LCST接近人体温度，它的温敏智能性和记忆效应引起了人们很大的兴趣，在生物医学领域，例如物质分离、药物释放、酶和细胞的固定化等方面有着很好的应用前景。

二、PNIPA温敏水凝胶用于酶固化研究
在酶分子存在下，用NIPA聚合成PNIPA水凝胶，可将酶分子包埋在水凝胶中，实现酶的固定。

此时酶分子被束缚在水凝胶网络中，只有小分子可以通过水凝胶的网络扩散，这可以改变酶的释放速率行为，从而改变酶的活力。

固定化酶最显著的优点是在保证酶活性的前提下，反应产物易于分离，酶的稳定性增强，酶还能重复利用。

另外，酶和水凝胶的结合也可以实现对所催化反应速率的控制。

温度高于LCST时，水凝胶收缩，水凝胶中的孔隙空间变小，水凝胶珠的表面坍塌形成一层膜，反应物扩散进入水凝胶的速度减慢，产物也不易释放。

累积的产物抑制了酶的活性，使其活性显著降低，好像“关闭”了酶的活性。

温度低于LCST 时，水凝胶重新溶胀，孔隙的空间变大，酶活性恢复，好像“开启”了酶的活性。

水凝胶的温度起到了“开/关”酶活性的作用。

在此举一个将β–半乳糖苷酶固定在PNIPA水凝胶珠中的研究实例。

β–半乳糖苷酶催化邻硝基苯–β–D–半乳吡喃糖苷(ONPG)分解，生成邻硝基苯酚和半乳糖(如图3所示)，反应物和产物都是水溶性小分子。

在30～35℃的热循环过程中，加热时水凝胶收缩，将产物和未反应的反应物从凝胶内挤出；冷却时反应物与周围溶液中的产物一同随着水凝胶的溶胀而进入水凝胶内部。

在35℃时，凝胶外产物的浓度与凝胶内反应物的浓度比达到最高，因此表现出最高反应活性。

在30℃时，该比值达最低，反应活性也最低。

该系统实现了对反应的有效控制。

图3 β–半乳糖苷酶催化分解ONPG
三、PNIPA温敏水凝胶用于药物释放研究
人体摄入常规药物后，血液中药物的浓度迅速上升至最大值，远远超过治疗所需的浓度，然后由于代谢、排泄及降解作用又迅速降低因而影响疗效。

这样造成药物的利用率低，因此需要多次服用药物。

为了使药物在体内维持治疗所需的浓度，人们正在研究药物控制释放系统。

其中，PNIPA水凝胶就是一个具有药物缓释功能的载体。

以一种由PNIPA水凝胶和透析膜组成的温敏性药物释放系统为例，模型药物为5-氟尿嘧啶(5-Fu)，它是一种水溶性的小分子抗癌药物，在体内降解快(在血浆中半衰期约为10～20 min)，毒性大。

25℃下，将PNIPA水凝胶浸泡在5-Fu 水溶液中，水凝胶将5-Fu包埋起来。

然后将载药的水凝胶装入透析袋，就形成一个温敏性药物释放系统。

实验结果如图4所示，在体温37℃下，5-Fu释放速率快，并可持续释放300 min以上，5-Fu的浓度在这段时间内可以很快基本维持在一个水平。

在温度较低的10℃下，释药速率变缓。

图4 PNIPA水凝胶和透析膜药物释放系统
对5-Fu的缓释效果图
在这种系统中，如何利用温度变化来控制药物分子释放呢？药物分子5–Fu
从水凝胶中释放时，需要通过凝胶网络和透析膜。

通过透析膜不受温度的影响，人们利用的是PNIPA水凝胶的温敏性。

如图5所示，当温度低于LCST时，PNIPA 水凝胶吸水溶胀，紧贴透析膜，药物分子的释放是从水凝胶内部向膜外扩散，因而速率慢。

当温度逐渐升至LCST，PNIPA水凝胶收缩，将凝胶中的药物分子挤出来，进入凝胶和透析膜之间的空隙。

此时，药物分子的释放是从这些空隙向膜外扩散，扩散速度只受到透析膜控制，因而速率加快。

在医学上，常见到炎症或癌症等疾病导致人体体温升高，往往需要加大药量，因此本例温敏药物释放系统具有良好的应用前景。

图5 一种温敏性药物释放系统对药物的缓释原理示意图
参考文献
[1] 金淑萍，柳明珠，陈世兰，等.智能高分子及水凝胶的响应性及其应用[J]．物理化学学报，2007，23(3)：438～446
[2] 宋江莉，王秀芬.LCST类水凝胶开关效应的研究进展[J]．化学进展，2004，16(1)：56～60
[3] 侯长军，周雪松，霍丹群，等.NIPA系温敏凝胶结构改性及性能研究进展[J]．材料导报，2008，22(7)：35～38
[4] Young D Y, Kwang S O, Young C B. Phase transition of submicron sized N-alkylacrylamide-derivative copolymer particles: applicability of photon correlation spectroscopy[J]．Polymer, 1997, 38(14)：3471～3476
[5] Park T G, Hoffman A S. Effect of temperature cycling on the activity and productivity of immobilized β-galactosidase in a thermally reversible hydrogel bead reactor[J]. Appl Biochem Biotechnol, 1988, 19(1): 1～9
[6] Zhang X Z, Zhuo R X, Cui J Z, et al. A novel thermo-responsive drug delivery system with positive controlled release[J]. Int J Pharm, 2002, 235: 43～50。