N_异丙基丙烯酰胺类环境敏感性水凝胶的聚合及应用研究进展

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制备 PN IPA 的机理属于自由基聚合 ,主要有 化学引发剂引发和 γ - 射线辐射引发两种引发方 式 。最常用的化学引发剂是过硫酸钾 (APS)和四 甲基乙二胺 ( TEM ED ) ,也有用 APS与亚硫酸氢钠 ( SB S)复配做为化学引发剂 [ 13 ] 。还有学者采用偶 氮二异丁腈 (A IBN )加热分解产生自由基引发 N I2 PA 聚合 [ 14 ] 。引发剂引发自由基聚合简便易行 ,但 水凝胶中残存的引发剂和交联剂会影响水凝胶的 性质和应用 ,而且引发剂反应产生的热量对 N IPA 水凝胶的聚合也有较大的影响 。V irendra等 [ 15 ]采 用 γ - 射线辐射引发 N IPA 聚合 ,结果表明可以消 除以上影响 。γ - 射线辐射引发聚合不需要化学 引发剂和交联剂 ,可以通过改变辐射剂量控制聚 合和交联度 ,易于操作而且不污染产品 ,合成的凝 胶更均匀 。这些优点有利于水凝胶在要求较高的 药物控释 、分离技术及生物医学领域的应用 [ 16 ] 。
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温后水凝胶迅速收缩药物又释放太快不能达到所 希望的控释要求 。所以 ,后来在聚合物链中引入 疏水组分 ,当环境温度升到其 LCST以上时 ,水凝 胶的表面会收缩形成一个薄的 、致密的皮层 ,阻止 水凝胶内部的水分和药物向外释放 ; 当温度低于 LCST时 ,皮层溶胀消失 ,内部药物以自由扩散的 形式向外恒速释放 ,这就是所谓的药物释放“开 关 ”控制系统 。这种药物释放系统 ( drug delivery system )内包埋的活性抑制剂可在预定的时间内用 预定的速率释放 ,通过改变环境的温度 、pH 值等 条件还可以关闭释放 ,这样形成了一个“关闭 - 释 放 ”系统 [ 30 ] 。 Yong Q iu 等 [ 5 ] 研究发现聚丙烯酸 / 聚 (N - 异丙基丙烯酰胺 )互穿聚合物网络水凝胶 在弱碱性条件下溶胀率远大于酸性条件下的溶胀 率 ,在酸性条件下随着温度上升凝胶的溶胀率也 随之上升 ,而在弱碱性条件下 ,温度低于聚 (N - 异 丙基丙烯酰胺 )的 LCST时 ,溶胀率也随着温度的 上升而上升 ,当温度达到 LCST时 ,凝胶的溶胀率 突然急剧下降并随着温度的逐渐上升而下降 ,应 用于 药 物 释 放 体 系 有 显 著 的 优 点 。 Tae Gwan Park[ 7 ]用温度敏感性的 N - 异丙基丙烯酰胺和 pH 敏感的阳离子单体 N , N - 二甲胺基丙基甲酰胺 , 合成了具有 pH 和温度双重敏感性的水凝胶作为 基质 ,把胰岛素包埋其中 ,在 pH7. 4 时 ,这种溶胀 行为敏感的共聚物来控制胰岛素的释放 。 Yu Yang L iu等 [ 31 ] 通过把 pH 依赖的离子基团 (比如 羧基 ,氨基 )引入 PN IPA 链可以制得 pH 控制的温 敏性 PN IPA。他们用温度敏感性 PN IPA 和疏水的 聚丙烯酸乙酯 ( PEA ) ,通过互穿网络 ( IPN )技术合 成了温度 /pH 双重敏感性水凝胶 。分别把质量分 数为 5%的丙烯酸 (AAc)和 N , N - 二甲基丙烯酸 乙胺 (DMA )引入 PN IPA 链中 ,发现 IPN 水凝胶在 生理温度下表现出 pH 引发的敏感性行为 ,当含 IPN 结构的两亲性水凝胶浸入水中时由 PEA 形成 的疏水部分做为一个疏水药物储蓄池 ,从而达到 药物控释作用 。他们用黄豆苷原作分子模型发现 持久疏水性 PEA 网络可以降低 DA I的释放率 ,并 且进一步克服水合状态下基于 PN IPA 网络的不良 反应产生 。 2. 2 物质分离领域
关键词 : N - 异丙基丙烯酰胺 ;环境敏感 ;水凝胶 ;聚合 中图分类号 : TQ31 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 275X (2007) 02 - 0063 - 04
Polym er iza tion and Applica tion of the Env ironm en ta l Sen sitive Hydrogels Ba sed on N - isopropylacrylam ide
为了提高水凝胶对环境刺激的响应速率 ,一 些学者采用合成具有孔结构的凝胶 、聚合后冷处 理 、改变反应介质 、在凝胶基体上引入接枝链等方 法 。在合成凝胶时加入成孔剂 ,可以在凝胶结构 中形成大孔或多孔结构 ,有利于水分子的进出 ,加 快凝胶体积相变从而提高凝胶的响应速率 。 Zhuo 等 [17 ]在聚 合 过 程 中 使 用 成 孔 剂 等 方 法 合 成 的 PN IPA 水凝胶响应速率得到了 较大的 提高 。此 外 ,先在 18℃聚合 ,然后在 22℃冷冻聚合的两步法 和常规聚合后冷处理法合成 PN IPA 水凝胶也具有 快速响应性 ,两步法合成的水凝胶由于凝胶网络 的多孔性以及表面比较光滑 , 响应速率较高 [ 18 ] 。 以混合溶剂 , NaCl水溶液 ,糖类水溶液等为反应介 质制备的 PN IPA 水凝胶响应速率显著提高 [ 19 - 21 ] 。 Hoffm an等 [ 22 ]采用相分离技术合成具有非均相结 构的快速响应 PN IPA 水凝胶 。 Kaneko 等 [ 23 ]通过 接枝聚合在凝胶基体中引入接枝链从而制备了快 速收缩的 PN IPA 水凝胶 。 1. 2 N IPA 与天然大分子的复合
高分子互穿网络 ( IPN )法是 N IPA 与天然大分 子复合的常用方法 。 IPN 是指将两个化学组成不
同的组分分别形成各自独立的网络 ,而两网络相 互缠结在一起构成“拓扑键 ”而形成的互穿聚合物 网 络 。 IPN 有 两 种 : 一 种 是 半 互 穿 聚 合 物 网 络 ( sem i - IPN ) ,在交联 N IPA 时引入不经交联的共 聚单体合成水凝胶 ,得到 sem i - IPN 水凝胶 。石艳 丽等 [ 24 ]将 PN IPA 与天然大分子羧甲基壳聚糖共 混制备半互穿网络水凝胶 ,赋予该水凝胶温度及 pH 双重敏感特性 。另一种是全互穿聚合物网络 ( full - IPN ) , Carmen等 [ 25 ]采用先合成聚 N - 异丙 基丙烯酰胺 ( PN IPA ) /壳聚糖 ( CS) 的 sem i - IPN 水凝胶 ,然后对壳聚糖进行后交联的方法 ,得到 PN IPA /CS的 full - IPN 水凝胶 ; 也可以用先交联 共聚单体 ,后交联 N IPA 的方法合成 full - IPN 水 凝胶 。
收稿日期 : 2006 - 11 - 07 作者简介 :王晓科 (1982 - ) ,女 ,河北石家庄人 ,硕士研究生 ,研究方向 : N IPA 类环境敏感性水凝胶 。 导师简介 :杨波 (1969 - ) ,男 ,云南昆明人 ,副教授 ,主要从事药用高分子材料研究 。
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云南化工 2007年第 2期
低临界溶液温度 (LCST)时聚合物分子链会发生相 分离而析出 ,但当聚合物水溶液温度降低时它又 可逆性的恢复到原来在低温下的状态而溶于水 。 在 N - 异丙基丙烯酰胺聚合过程中加入交联剂或 经辐射处理发生化学交联后 ,就成为聚 N - 异丙 基丙烯酰胺水凝胶 [ 12 ] 。
1 N IPA 的聚合
1. 1 N IPA 的均聚合 聚 N - 异丙基丙烯酰胺 ( PN IPA )是研究较多
的一种环境敏感性材料 。 PN IPA 大分子链上同时 具有亲水性的酰胺基和疏水性的异丙基 ,使 PN I2 PA 线性聚合物在水溶液中具有独特的热行为 ,在 常温下聚 N - 异丙基丙烯酰胺溶于水形成均匀的 溶液 。随着水溶液温度的升高其溶解性下降 ,到
王晓科 ,杨 波 ,赵榆林 ,王家远
(昆明理工大学 ,云南 昆明 650224)
摘 要 : N - 异丙基丙烯酰胺 (N IPA )类水凝胶是典型的温敏性凝胶 ,重点介绍了 N IPA 的均聚反应及其与天 然高分子的复合 ,并对其在药物释放 、物质分离及生物医用材料体系中的研究进展进行了总结 。
2007年 4月 云南化工 Ap r. 2007 第 34卷第 2期 Yunnan Chem ical Technology Vol. 34, No. 2
N - 异丙基丙烯酰胺类环境敏感性水凝胶的聚合及应用研究进展
另外 ,刘郁杨等 [ 26 ]把 PN IPA 与 β - 环糊精结 合 ,使 PN IPA 的温敏性与 β - 环糊精能识别许多 带有疏水基团的化合物并与之形成主客体包合物 的特性相结合 ,制备的水凝胶是一种多功能的新 型水凝胶 。魏宏亮等 [ 27 ]采用一锅法合成了甲基丙 烯酰基封端的聚乳酸 - 聚乙二醇 - 聚孔酸三嵌段 大分子单体 ,然后再通过与 α - 环糊精进行超分子 自组装 ,得到聚准轮烷 。将制备的聚准轮烷悬浮 在 N - 异丙基丙烯酰胺水溶液中 ,再加入适量的 光引发剂 ,在紫外光的照射下溶液迅速固化 ,得到 了具 有 超 分 子 结 构 的 温 敏 性 凝 胶 体 。 Hoffman 等 [ 22 ]在温度高于 N IPA 及羟丙基纤维素的 LCST (50℃)下聚合 ,并在反应接近终止时抽空反应器 , 利用羟丙基纤维素在温度高于其 LCST ( 42℃)时 在聚合过程中沉淀的凝胶效应中合成了大孔水凝 胶 。秦爱香等 [ 28 ] 于低温下 ( 15℃) 在羟丙基甲基 纤维素的水溶液中进行聚合 /交联反应合成了新 型的温敏性 PN IPA 水凝胶 。
W ang X iaoke, Yang bo, Zhao Y ulin, W ang J iayuan
( Kunm ing University of Science and Technology, Kunm ing 650224, China)
Abstract: Polymerization of N IPA , typ ical thermal sensitive gels, their comp lex with natural macromolecules, and p rogress on their app lication in drug rHale Waihona Puke Baidulease, isolation of substance and biomedical material system were summarized.
2 共聚物研究及应用
2. 1 药物释放领域 使用 PN IPA 水凝胶可以实现通过温度调节对
物质的吸附和释放进行控制 ,它的这种性质使它 成为很有发展前途的药物释放材料 。研究初期 , Hoffman等 [ 29 ]将水凝胶在低温下放入药物溶液中 溶胀以吸附药物 ,吸附了药物的水凝胶在高温时 发生体积收缩后向外排水 ,同时将药物排出 。但 是这种模式存在一个缺点 ,就是当水凝胶处于溶 胀状态时 ,包含在内部的药物也会向外扩散 ,而升
Key words: N - isop ropylacrylam ide; environmental sensitivity; hydrogel; polymerization
水凝胶是一种在水中能够溶胀并保持大量水 分而又不溶解于水的亲水性交联聚合物 。通过共 价键 、氢键或范德华力等作用相互交联构成三维 网状结构 [ 1, 2 ] ,具有良好的生物相容性 ,多数水凝 胶网络中可容纳本身重量的数倍至数百倍的水 , 是一种集吸水 、保水 、缓释于一体并且发展迅速的 高分子材料 [ 3 ] 。根据水凝胶对外界环境刺激的响 应情况不同 ,水凝胶可分为传统型水凝胶和环境 敏感性水凝胶两类 。传统型水凝胶对外界环境刺 激的变化不敏感 ,而环境敏感性水凝胶能感知外 界环境的微小变化 , 其自身性质如 : 相 、形状 、光 学 、力学 、电场 、表面积 、反应速率和识别性能等随 之发生变化 [ 4 ] 。由于环境敏感性水凝胶的这种智 能性使之在多个领域得以应用 ,尤其是在药物的 缓释控释 [ 5 ] 、物质的分离 [ 6, 7 ] 、活性酶的固定和包 埋 [ 8, 9 ] 、人工肌肉 [ 10 ] 以及生物传感器 [ 11 ]等方面得 到了国内外学者的广泛关注 ,使得有关环境敏感
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2007年第 2期 王晓科等 : N - 异丙基丙烯酰胺类环境敏感性水凝胶的聚合及应用研究进展
性水凝胶的理论及应用研究都取得了很大进展 。 N - 异丙基丙烯酰胺 (N IPA )类环境敏感性水凝胶 因其低临界溶液温度接近人体生理温度 ( 37℃)成 为最值得研究和开发的一类水凝胶 。本文主要对 N IPA 类环境敏感性水凝胶的聚合反应及其在药 物释放 、物质分离及生物医用材料体系中的应用 等方面研究进展进行总结 ,为广大科技开发人员 提供参考 。
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