高分子材料第三章第五节智能高分子凝胶

实验表明：4℃时的PNIPAM构象为水合线团，此时偶联在膜上的 N49C链霉素的生物素结合容量与野生型或N49C突变体链霉素类同。但 当温度升至37℃时，聚合物收缩成球，偶联物的生物素结合容量明显减 少，相对于4℃时生物素结合降低了84％。
这种可逆聚合物与基因工程蛋白质位点特异偶联提供了分子识 别过程的很灵敏环境控制方式；闸门的“开—关”速率及配体与受
埋入凝胶中，使其在目标分子等近旁诱发体积相转
变而起作用。
5） 表面活性剂
聚合物和表回活性剂相互作用的研究源自蛋白质和天 然脂质的缔合，其后扩展到与合成表面活性剂缔合的研 究。最近水溶性合成聚合物（如聚氧化乙烯）与离子型 和非离子表面活性剂的相互作用更引起了许多研究者的 注意。表面活性剂添加至聚合物溶液中会形成聚合物表 面活性剂配合物，从而使聚合物的物理性质发生变化， 其作用可归结为四类：
水混合物的渗透蒸发分离。研究表明，改变料液中A1C13含量
即可控制通量，说明此膜可望作为醇—水混合物分离的化学阀 使用。
3）智能凝胶与组织工程
组织工程是运用工程科学与生命科学的基本原理和方法， 研究和开发生物体替代物来恢复、维持和改进组织功能。其基
本思路是首先在体外分离、培养细胞，然后将一定量的细胞种
5） 智能凝胶与生物技术
刺激响应聚合物和生物大分子（如抗体蛋白酶、A蛋 白质、细胞色素）以及链霉素偶联将使此类分子系统适用 于亲和分离、免疫测定和酶的回收与再循环。
P.S. Stayton、Chen Guohua和A.S. Hoffman等合成了一 种蛋白质链霉素突变体（N49C）。在此N49C链霉素突变 体中聚合物偶联位点邻近生物素结合口袋的外缘，半胱氨 酸于49位为天冬酰胺所取代。为使温度响应性聚异丙基丙 烯酰胺与49位的半胱氨酸的疏基有效偶联，他们合成了乙 烯砜（VS）端基的PNIPAM衍生物（VS—PNIPAM）， 并以三（2—羧乙基）膦为二硫化物还原剂使VS— PNIPAM和N49C链霄素在pH=7.0的磷酸盐缓冲液中偶联， 然后再将此偶联物固定化在多孔聚四氟乙烯膜上。
高分子凝胶是由三维网络结构（交联结构）的高聚 物和溶胀剂组成的，网络可以吸收溶胀剂而溶胀。根据 溶剂的不同，凝胶又分为高分子水凝胶和高分子有机凝 胶。智能高分子凝胶是其结构、物理性质、化学性质可 以随外界环境改变而变化的高分子凝胶。当这种凝胶受 到环境刺激时其结构和特性（主要是体积）会随之响应， 如当溶剂的组成、pH值、离子强度、温度、光强度和 电场等刺激信号发生变化时，或受到特异的化学物质的 刺激时，凝胶的体积会发生突变，呈现体积相转变行为 （溶胀相—收缩相）。即当凝胶受到外界刺激时，凝胶 网络内的链段有较大的构象变化，呈现溶胀相或收缩相， 因此凝胶系统发生相应的形变；一旦外界刺激消失时， 凝胶系统有自动恢复到内能较低的稳定状态的趋势。
用途
PNIPAM及其共聚物凝胶的体积相转变可使它们的物 理性能发生很大变化，因此可望将此类材料用作：(1)驱 动元件；(2)温度调控的生物偶联物，控制酶活性；(3) 使水由高分子溶液中萃取的分离组件；(4)智能药物释放 载体。
2） pH值
pH响应性凝胶是其体积能随环境pH值变化的高 分子凝胶。这类凝胶大分子网络中具有可解离的 基团，其网络结构和电荷密度随介质pH值变化， 并对凝胶网络的渗透压产生影响；同时因网络中 增加了离子，离子强度的变化也引起体积的变化。 pH响应性凝胶，亦可以是物理交联的刚直的非极 性结构与柔韧的极性结构组成的嵌段聚合物。例 如多嵌段聚胺凝胶，其分子链中含有聚脲链段(硬 段)和聚氧化乙烯链段(软段)。
①聚合物构象变化，如线团-球转变和线团-杆转变； ②聚合物牌剂相界面上相分离区扩展和位移； ③形成复合微相；
④溶胀凝胶转变的位移和流变性能变化。
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智能凝胶相关技术及其应用
下表中列出了智能聚合物的一些应用领域，其中有些凝胶产品已进入市场。
1）智能药物释放体系 在刺激响应性聚合物中，亲水性聚合物网络构成 的水凝胶研究得最多。研究焦点部分集中在如何获得 能在信号微小变化下迅速响应的水凝胶。一些凝胶当 温度变化1℃时体积可溶胀数百倍或排除所含90％溶 胀剂而收缩。田中丰一既是此类体积相转变智能凝胶 研究领域的奠基人(1975)，又是Gel Science/Med公 司的创办者和使刺激响应凝胶技术商品化的开拓者 (1992)。
3） 电场 电活性凝胶是其溶胀易受电场（或电流）影响的凝 胶。此类刺激响应凝胶是由交联聚电解质（分子链上 带有可离子化基团的高聚物）网络组成，在此类凝胶 中，荷电基团的抗衡离子在电场中迁移，使凝胶网络
内外离子浓度发生变化，导致凝胶体积或形状改变。
例如聚[(环氧乙烷—共—环氧丙烷)—星形嵌段—聚丙
烯酰胺]／交联聚丙烯酸互穿网络聚合物凝胶，在碱性
第五节
智能高分子凝胶
1 概述
智能(Intelligent)或灵巧(Smart)材料是指对环 境具有可感知、可响应，并具有功能发现能力的新材 料。智能高分子是其中一类当受到外界环境的物理、 化学乃至生物信号变化刺激时，其某些物理或化学性 质会发生突变的聚合物。智能聚合物也常被称为“刺 激响应性聚合物”、“环境敏感性聚合物”等，其研 究的重点多在聚合物水溶液、水凝胶及其表面等。
4）凝胶光栅 最近Hu研究组将金溅涂在聚异丙基丙烯酰胺表面， 使其在凝胶表面形成金方格阵列，其阵列空间可作为
光衍射的狭缝。实验表明，当升温至33.6℃时，凝胶
因体积相转变收缩，狭缝尺度改变，衍射图案随之改
变。因该二维光栅宽度及凝胶表面光栅单位面积狭缝
可随外界刺激和电场变化，此凝胶光栅可望用于光滤
源自文库
波器、传感器和光通讯中。
近年来高分子凝胶作为软湿件(Soft and Wet Wares) 材料成为智能高分子材料中的重要研究领域。由于此类 智能凝胶在柔性执行元件、微机械、药物释放体系、分 离膜、生物材料等方向有诱人的应用前景，因此目前这 方面的研究十分活跃。 自然界的一些生物(如海参等)的原始器官主要为水 凝胶，它能够对外界的接触迅速作出响应，或柔软的躯 体瞬间变得僵硬或部分体壁变为黏性物质。生物体肌肉 收缩、松弛的分子机理为肌浆球蛋白和肌动蛋白纤维的 互相滑移，肌肉收缩和松弛时，肌浆球蛋白间的纤维(可 交联为凝胶状)产生很大的收缩或溶胀。在许多类似的自 然现象的启示下，人们日益重视对高分子凝胶特别是刺 激响应性智能凝胶的研究。
许多天然水凝胶已用作组织支架，如Liu Qing和
Y．Ikada等以胶原酶消化鼠肋软骨收获软骨细胞，将其与I型
胶原冷冻干燥后经戊二醛交联得到的泡沫（平均孔径86μm， 孔隙率87％，密度1.0 x 10-2g／cm3），以此可制备软骨细胞/ 胶原复合材料，且使其负载碱性成纤细胞生长因子(6FGF)。 将此植入裸鼠，由组织学观察可见介入复合材料的细胞呈现其
2）软湿有机技术开发
于同隐研究组以戊二醛交联壳聚糖和丝心蛋白制备了半互 穿聚合物网络(CS/SF—semi—IPN)，由FTIR （傅立叶转换红 外光谱）确认壳聚糖和丝心蛋白间存在强氢键相互作用，从而
使聚合物间形成配合物；该semi—IPN在缓冲溶液中的溶胀显
示出可逆的pH值和A13+敏感性。他们将此CS/SF —semi—IPN 制备成天然生物大分子配合物膜材，用于含A1C13的异丙醇—
植到具有一定形状的三维生物材料骨架内，并加以持续培养， 最终形成具有一定结构的组织和器官。与现在移植和重建等高 价治疗方法相比，组织工程所提供的组织替代物比器官移植便 宜得多，且更适应治疗个体化的发展。
水凝胶聚合物网络可浸入和保留大量水，它容 许水溶性分子经多孔水凝胶白由扩散，此传递性质 使基质内的化学平衡类似于周围组织，因而水凝胶 可作为组织重建和植入的一种人工细胞外基质，很 有发展前景，利用聚合物—水体系的相分离或致孔 剂能在基材中构筑细胞尺度孔隙，促进细胞—材料 和细胞—细胞相互作用，利于细胞长入和整合。
其所开发的产品Smart Hydrogel由生物粘连 性和pH响应性的聚丙烯酸和聚氧化乙烯(PEO)和 聚氧化丙烯(PPO)的三嵌段共聚物PEO-PPO-PEO
(Pluronic Po1yols)复合而成，其疏水PPO链段
在体温下可聚集而凝胶化。Smart Hydrogel的水
溶液不仅对温度敏感，而且对剪切力敏感，将其
体蛋白质结合口袋的“开—闭”是可控的；而且通过改变刺激响应
聚合物的相对分子质量（聚合物线团尺度）和组成，则能调控激 发响应所需刺激的类型和大小。聚合物—蛋白质偶联物可以根据不 同应用要求以溶液、固定化界面或凝胶形式使用。此类分子闸门 和开关可望用于医学、生物和信息等技术中。
4 智能凝胶展望
1） 灵巧凝胶表面 智能水凝胶可响应外界刺激，使其溶胀或收缩从而会在
一条久夫等以γ射线和电子线辐照交联的聚乙烯基 甲基醚（PVME）水凝胶（LCST为38℃）与赋形用高 分子混合制成多孔泡沫状凝胶，并将其制成集束纤维人 工肌肉模型，当交替供给冷、温水时，凝胶反复溶脓与 收缩，单丝可产生2.94mN的收缩应力，相当于肌肉的 1/10 ~1/3 ，其伸缩动作时间＜1s 。
溶液(NaOH和Na2CO3)中经非接触电极施加直流电场 时，试样弯向负极。
4） 化学物质
有些凝胶的溶胀行为会因特定物质（如糖类）的
刺激而发生突变，例如药物释放体系可依据病灶引
起的化学物质（或物理信号）的变化进行自反馈，
通过凝胶的溶胀与收缩调控药物释放的通、断。另
外，可在相转变附近将生理活性酶、受体或细胞包
3）刺激响应分离膜
一般分离方法要使用大量有机溶剂，且分离条件剧烈， 在分离蛋白质等的物质时会使其失活。采用智能凝胶制备 刺激响应分离膜，可在水性体系中通过微弱刺激进行吸附、 脱吸过程。 日本物质工学工业技术研究所将侧链有赖氨酸残基的 丙烯酰胺衍生物和异丙基丙烯酰胺共聚物合成新型热敏感 聚合物，它可借温度和PH值变化产生相转变。赖氨酸残基 经Cu离子介入，可与其他低分子氨基酸形成三元配合物。 由于疏水性D-氨基酸较L-氨基酸的配合物的相转变温度高 0.6℃，利用溶液温度降低时热敏聚合物的急剧凝聚沉淀可 望将二者分离。
2 溶胀与刺激响应
根据高分子凝胶受刺激信号的不同，可分为不 同类型的刺激响应性凝胶。例如受化学信号刺激的 有pH响应性凝胶、化学物质响应性凝胶；受到物理 信号刺激的有温敏性凝胶、光敏性凝胶、电活性凝 胶、磁响应性凝胶、压敏性凝胶等。
1）温度
温敏件凝胶是其体积能随温度变化的高分子凝胶，分为高温 收缩性凝胶和低温收缩性凝胶。 例如聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝胶能响应温度变化而 发生形变，呈现低临界溶解温度(LCST)和温度依赖特性，它低于 32℃时在水溶液中溶胀，分子链呈扩展构象；而在32℃以上凝胶 发生急剧的脱水合作用，由于疏水基团的相互吸引作用，链构象 收缩而呈现脱溶胀现象。由此可知，上述现象是出于水分子和 PNIPAM疏水基团间氢键的形成和解离所致；水分子与其相邻的 PNIPAM疏水基团间由氢键形成的五边形结构在低温稳定，而在高 温不稳定。
作为眼药水基材，能保持缓慢释放药物数小时， 而不像一般眼药水数分钟即为泪水稀释而流失。
2）人工肌肉
凝胶可作为与外界进行能量、物质和信息交换的 开放体系。环境变化的信息输入可使其产生非线性的形 状和性能变化，进而能将化学能或物理能等转变为机械 能，成为运动功能材料（人工肌肉）。其推动力为凝胶 内部和外界环境的化学位差，其所引起的水和溶质的进 出使形状发生变化。
凝胶表面形成环境响应的变化图案。
Chen等将PAA以叠氮苯胺盐酸盐处理而固定于PS膜表面，
用AFM观察到了表面PAA敏感高分子的图案，此图案随环
境pH值的变化而改变形态。此技术可望用于分子电子学、 微机械、生物传感器等领域。
Hu等在聚异丙基丙烯酰胺凝胶细条试祥表面上选择溅射金 的薄膜阵列，此阵列可随温度连续变化而呈现出奇持的图案。阵 列周期常数可随凝胶的收缩或溶胀而降低或增高，而且图案可随 温度可逆变化。负离子性PNlPAM凝胶的表面阵列可用电场调控。 表面图案环境响应凝胶可用于传感器。如凝胶在外力作用下的形 变可以通过凝胶上的光栅相邻衍射点的间隙来监测。金属阵列用 于智能凝胶表面，开拓了用于传感器的微电极阵列装臵制备的新 途径，此技术在离了色谱、酶活性测定和细胞电活性监测方面具 有应用前景。