热敏性聚(N-异丙基丙烯酰胺)类材料的研究

热敏性聚（N－异丙基丙烯酰胺）类材料的研究热敏性聚（N－异丙基丙烯酰胺）(PNIPAAm)类高分子材料属于智能高分子材料。

1967年Scarpa首次报道了PNIPAAm水溶液在31℃具有最低临界溶液温度(LCST)后，PNIPAAm引起了科学工作者的广泛关注。

PNIPAAm的大分子链上同时具有亲水性的酰氨基和疏水性的异丙基，使线型PNIPAAm的水溶液，以及交联后的PNIPAAm水凝胶都呈现出温度敏感特性。

当溶液体系的温度升高到30℃-35℃之间时，溶液发生相分离，表现出最低临界溶液温度(LCST)。

利用PNIPAAm在LCST附近发生可逆相转变的特性，可以将PNIPAAm设计成分子开关，制备多种智能高分子材料。

这些高分子材料在生物医学、免疫分析、催化、分离提纯等领域都有广泛的应用。

4.1生物医学工程中的应用近年来，国内外的研究学者对PNIPAAm聚合物及其水凝胶，在生物医学工程领域中的应用做了许多研究工作，并发现了PNIPAAm许多新的性质[76－78]。

4.1.1药物控制释放利用PNIPAAm的热敏性进行药物控制释放，研究的热点主要是PNIPAAm水凝胶和PNIPAAm纳米粒子体系。

国内著名学者卓仁禧教授对PNIPAAm热敏性水凝胶的相转变理论和应用都做了许多研究工作[79-82]。

PNIPAAm对药物进行控制释放有下面三种情况：①在PNIPAAm水凝胶体系中，当体系温度在LCST以上时，水凝胶的表面会发生收缩，导致表面的水化层收缩，形成薄的致密皮层。

这种致密的皮层阻止了PNIPAAm水凝胶内水分和药物向外释放；体系温度低于LCST时，水凝胶表面皮层溶胀，此时药物可以从体系中释放。

②在以PNIPAAm分子链接枝的聚合物微球体系中，当体系温度在LCST以下时，PNIPAAm的接枝链会在水中伸展，彼此之间交叉覆盖，导致微球孔洞的阻塞，包裹在微球内的药物扩散释放受阻；体系温度在LCST以上时，接枝的大分子链会进行自身收缩，微球表面的孔洞会显现出来，药物可以顺利的扩散到水中，达到控制释放目的。

③在低温条件下，将制得的PNIPAAm水凝胶溶于药物溶液中，通过凝胶溶胀吸附药物。

高温条件下，凝胶体系发生体积收缩,药物会以向外排出的方式控制药物释放。

Hsiue等人采用热敏性PNIPAAm类高分子材料，结合眼药试剂进行控制释放，在治疗青光眼疾病研究中做了许多工作。

他们采用线型PNIPAAm溶液，交联PNIPAAm纳米粒子与线型PNIPAAm溶液的混合物，分别作为药物的两种载体进行了研究。

室温条件下将药物肾上腺素（3H-Epinephrine），包理在蜷曲的聚合物链中或密闭在交联的聚合物纳米粒子中。

通过动物的细胞毒性等实验研究表明：由PNIPAAm制得的两种载药体系，不呈现细胞毒性；降眼压（intraocular pressure, IOP）效应作用时间延长，传统眼药药滴的IOP降低效应维持时间为6h，而采用线型PNIPAAm溶液配制的眼药药滴可以维持24h，交联PNIPAAm纳米粒子与线型PNIPAAm溶液混合体系配制的药滴可维持32h。

体系的相转移温度为34℃，而人体温度为37℃，当药滴滴入眼角膜后，PNIPAAm类载体会发生体积收缩，药物会从载体中释放出来，达到治疗青光眼疾病的目的[83]。

由于PNIPAAm均聚物接触眼角膜后刚性增强，引起病人眼部不适。

Hsiue等人[84]采用聚甲基丙烯酸－2－羟乙基酯（PHEMA）接枝改性PNIPAAm，提高了PNIPAAm网状结构的亲水性，增强了其柔韧性和生物相容性。

在磷酸盐缓冲液中，将形成的线型PNIPAAm-g-PHEMA及其凝胶粒子、肾上腺素配制成药滴（药物释放如Figure.2.所示）。

与传统眼药药滴相比，这种药滴将IOP降低效应时间延长至26h。

通过高浓度PHEMA接枝PNIPAAm制得的药物载体，提高了药物释放效率，在相转变温度以上逐渐释放药物。

并且接枝后的PNIPAAm不呈现细胞毒性效应，说明热敏性PNIPAAm类材料为载体，结合眼药试剂进行药物控制释放，更能达到有效治疗青光眼疾病的目的。

Figure.2. The concept of release mechanism from thermosensitive PNIPAAm-g-PHEMA gel particles.Lee等人[85]制备了热敏性多孔离子型水凝胶，并携带不同电荷的药物,进行了药物控制释放研究。

通过NIPAAm与阳离子型单体三甲基（丙烯酰胺丙基）碘化铵（TMAAI），阴离子型单体丙烯酸（AA），两性离子型单体N’,N’－二甲基（丙烯酰胺丙基）丙基磺酸铵（DMAAPS）、非离子型单体聚乙二醇甲醚丙烯酸酯（PEGMEA）分别共聚制得不同类型水凝胶，再分别携带非离子型咖啡因，阳离子型晶状紫罗兰（CV），阴离子型酚红三种带有不同电荷的药物溶质，进行药物控制释放实验。

结果表明：热敏性多孔离子型水凝胶携带的药物，其释放能力与水凝胶自身的电离度、孔隙率以及药物类型有关。

非离子型咖啡因药物的释放率受到水凝胶的电离度影响较小，但其释放率随着水凝胶溶胀比，孔径，外部温度的增加而增大。

阳离子型CV在与阴离子型水凝胶结合时，存在强烈的相互作用，以致CV的释放率较低；而采用阳离子型水凝胶结合CV，由于电荷排斥力作用，CV溶质仅吸附在水凝胶表面层，其释放速率相当快。

采用阴离子型酚红研究，得到相反结果。

说明药物溶质与水凝胶带有的电荷性质相同时，药物释放率较高，反之较低。

同时，他们研究了温度的影响，当环境温度升高(>LCST)时，凝胶体积收缩，药物溶质从凝胶中扩散能力增强，导致释放率增加。

Schild等人研究发现PNIPAAm的LCST可以通过共聚或加入盐或表面活性剂发生改变[86]。

Eeckman等人[87]在他们研究的基础上，将热敏性PNIPAAm聚合物，应用到时间-控制药物释放装置中进行了研究。

传统PNIPAAm类聚合物携带药物释放，是通过介质温度改变来控制药物释放，而他们通过在PNIPAAm聚合物包裹的药片中，加入Na2SO4或NaCl，降低了PNIPAAm的LCST。

通过改变盐的浓度，来取代介质温度对药物的控制释放(如Figure.3.所示)。

药片中加入不同类型和浓度的盐，使其中的药物成分，释放维持时间发生变化。

在27℃的水溶液中，PNIPAAm包裹的药物，其释放维持时间分别为：96±8min(无任何盐成分)；108±9min(W Na2SO4=0.20)；25±4min(W Na2SO4=0.70);124±23min(W NaCl=0.70)。

说明在PNIPAAm热敏性材料包裹的药片中加入盐, 延长了药物释放时间，提高了药物利用率。

他们还采用加入阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠的方法改性PNIPAAm，对时间-控制药物释放进行了研究[88]。

Figure.3. The mechanism of drug release from compression coated tablets using thermosensitive polymers in the presence of salts.Kidchob等人[89]将PNIPAAm接枝到多肽微胶囊表面，形成热敏性微胶囊药物载体材料。

这种热敏性微胶囊，在较窄温度范围内表现出明显的温度敏感性。

通过光学显微镜测试，40℃时PNIPAAm在微胶囊表面形成均相致密表面层，当环境温度降至25℃，表面层变得疏松。

利用这种性质进行葡萄糖释放研究,在低于LCST条件下，葡萄糖从微胶囊内释放较快，温度高于LCST时，释放结果相反。

4.1.2药物输送PNIPAAm类聚合物及其共聚物的热敏性，引起医学工作者的广泛关注，将其应用到药物传输系统中，制得各种热敏性药物载体，如：水凝胶、纳米粒子、聚合物胶束或膜等药物载体材料。

这些热敏性高分子药物载体，在药物传输领域中已得到广泛应用研究。

Chung等人[90]对热敏性胶束作为药物传输材料进行了深入研究。

由于在PNIPAAm分子链末端进行改性，引入疏水或亲水性基团能明显影响PNIPAAm的相转变。

他们通过在PNIPAAm链末端引入疏水性基团(-C18H35)进行改性，与PNIPAAm和疏水性单体的无规共聚物相比，末端改性能更有效的改变PNIPAAm相转变性质。

这由于末端的疏水基团通过疏水部分的聚集，形成疏水性微区。

这种疏水性微区易与水介质中PNIPAAm发生分离作用，最终形成热敏性核－壳结构胶束。

这种聚合物胶束中存在自由线型PNIPAAm分子链，具有与纯PNIPAAm 溶液相同的LCST。

在LCST附近聚合物胶束同样表现出相转变行为。

这种热敏性胶束，可以应用于药物传输进行靶向给药研究。

Chung等人[91]还利用PNIPAAm 与聚甲基丙烯酸丁酯(PBMA)的嵌段共聚物形成聚合物胶束,通过热敏性胶束结合药物进行了传输研究。

通过PBMA部分的自聚集，形成聚合胶束的核中心，PNIPAAm形成胶束的壳层，并起着稳定胶束和产生热敏性作用。

热敏性胶束在LCST附近，表现出明显的热敏性“开-关”行为。

核中心负载的药物成分，可以利用这种“开-关”行为，进行药物输送和释放。

Sakuma等人[92]通过表面含有两种亲水型分子链的聚苯乙烯纳米粒子，作为载体材料结合沙门降血钙素(salmon calcitonin,sCT)，进行口服肽传输实验。

通过在老鼠体内实验，表明纳米粒子的结构会影响生物体对sCT的吸收。

粒子表面存在PNIPAAm和阳离子型聚乙烯胺(PV Am)两种分子链,会提高生物体对sCT的吸收，而表面存在PNIPAAm与非离子型聚乙烯基乙酰胺(PNV A)分子链的纳米粒子，由于PNIPAAm被PNV A屏蔽，导致生物体对sCT的吸收能力消失。

说明纳米粒子作为载体，提高生物体对药物吸收能力与其自身结构和表面性质有关。

4.1.3生物活性物质的固定采用热敏性PNIPAAm固定化酶和蛋白质等生物活性物质，提高了生物物质的活性和热稳定性，且生物活性物质易于分离和重复使用。

Chen等人[93]对末端为酯基的热敏性PNIPAAm低聚物固定α－胰凝乳蛋白酶做了研究。

在34℃温度下，固定化酶可完全溶解在水中，温度高于36℃,溶液体系发生相分离现象。

与天然酶相比，固定α－胰凝乳蛋白酶表现出更高的生物活性，且热稳定性增强。

经过多次溶解-沉淀循环，回收得到的固定化酶，仍保持高的生物活性，且回收率可达到93%以上。

这种热敏性固定化酶可以作为水解酪蛋白的生物催化剂重复使用。

Chen等人[94]还研究了PNIPAAm及其共聚物对α－淀粉酶的固定。

热敏性材料固定的α－淀粉酶提高了生物酶的活性和稳定性，同时还具有可逆的溶解－沉淀行为，温度高于LCST时，固定α－淀粉酶在水溶液中发生沉淀和絮凝现象。