温敏型聚合物PNIPAAM的合成及应用研究进展

第36卷第11期2008年11月化 工 新 型 材 料N EW CH EM ICAL M A T ERIA L S Vo l 136No 111
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基金项目:国家自然科学基金资助项目(50573061)四川省应用基础研究项目(07JY029-065)西南交通大学科学研究基金资助项目(2006B52)作者简介:邵丽(1985-),女,硕士研究生,研究方向:高分子药物缓控释材料。

联系人:张志斌,教授,硕导,研究方向:生物医用材料。

温敏型聚合物PNIPAAM 的合成及应用研究进展
邵 丽 杨 银 邓阳全 张志斌*
(西南交通大学生物工程学院,成都610031)
摘 要 聚N -异丙基丙烯酰胺(简称PN IP AA M )是一类研究广泛的温敏型功能高分子水凝胶。

从制备方法、应用及其改性这三个方面综述了近年来对P NI PA A m 的研究进展,并提出今后的发展方向。

关键词 PN IP AA M ,快速响应,水凝胶,温敏型
The synthesis of thermosensitive poly(N -isopropylacrylamide)
and its application
Shao Li Yang Yin Deng Yangquan Zhang Zhibin
(College of Bio engineering,Southw est Jiaotong University ,Cheng du 610031)
Abstract Po ly (N -isopr opylacr ylamide)is a kind o f ther mosensit ive macr omo lecule hy dr og el.T he pr og resses of t he
metho ds,applicat ions and modifications of P oly(N -isopro py lacr ylam ide)these year s wer e rev iew ed.T he study directio ns for future w ere also pointed o ut.
Key words PN IP AA M ,rapid stimul -i respo nse,hy dr og el,ther mosensitive 聚N -异丙基丙烯酰胺(简称PN IP AA M ),由于其大分子链上同时具有亲水性的酰胺基和疏水性的异丙基而具有良好的温敏性能[1]。

PN IP AA M 水凝胶通常在32e 发生体积相转变,即其L CST (最低临界溶解温度)为32e 。

当T >L CST 时,溶胀的凝胶会失水收缩;当T <L CST 时,凝胶则会再度吸水溶胀。

这是因为水分子和NI PA M 基团的强氢键相互作用,升温会破坏氢键而有助于疏水,当溶液温度到达L CST ,聚合物链会从溶解的无规线团状态转变为不溶的疏水球状[2]。

1 PNIPAAM 的制备方法
1.1 线型PNIPAAM 的合成
线型PN IP AA M 的合成可采用传统的聚合方法,如:本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合以及乳液聚合。

一般来说,溶液聚合方便易行。

以过氧化苯甲酰、过氧化乙酸等过氧化物,偶氮二异丁睛等偶氮化合物为自由基聚合引发剂,其用量占总量的01001%~2%为宜。

所用溶剂一般只要能溶解单体即可,如水、醇类、醚、丙酮、四氢呋喃、氯仿、苯、乙酸烷基酯等,可单独亦可混合使用,无特别限制,浓度在1%~80%之间
[3]。

1.2 PNIPAAM 水凝胶的合成
制备PN IP A AM 水凝胶的传统方法是使用引发剂和交联剂以实现N IPA A M 单体的引发、聚合和交联。

常用的交联剂有N ,N -亚甲基双丙烯酰胺(Bis)、二甲基丙烯酸乙二酯(EGD -M A)、二甲基丙烯酸二甘醇酯(DEGDM A )等。

这种方法的不足之处在于水凝胶中的引发剂残基和交联剂会对水凝胶的性质造成影响。

不使用交联剂,通过紫外线、放射线、电子射线、
等离子体等活性射线进行引发交联,也可以得到PN IP AA M 水凝胶。

这种方法操作简单,交联度可通过辐射条件来控制,没有任何添加成分,不会污染产品,可以一步完成产品的合成与消毒;与传统方法相比,合成的凝胶更均匀,更有利于其性质的研究,生产更方便、更经济[3]。

赵辉等[4]利用微波聚合合成了以P M M A (聚甲基丙稀酸甲酯)为壳的PN IPA A M 超细微粒,发现PM M A 外壳能限制P NI PA A M 链的运动,从而引起微粒的溶胀与收缩。

张青松[5]等运用无机的粘土(用锂蒙脱石合成的)作为物理交联剂,采用无表面活性剂的乳液聚合法合成了P NI PA A M 微凝胶,结果表明:实验在无表面活性剂的条件下,由于锂蒙脱石的作用,胶粒的尺寸在室温下减少到300nm 。

随着交联剂含量的增加,开始时胶粒的直径增加,当锂蒙脱石和NIP A AM 的重量比达到28%时,胶粒的直径变小了。

1.3 PNIPAAM 微球的合成
近年来常把PN IPA A M 水凝胶制成微球,常用的方法是采用十二烷基磺酸钠、氯化三甲基十八烷基铵、聚丙烯酸钠盐等作为乳化剂,在强烈搅拌下进行乳液聚合而成[6]。

用不同的聚合方法可以合成不同大小的微凝胶粒子。

制备微凝胶主要有无皂乳液聚合和反相悬浮聚合法。

(1)无皂乳液聚合法
无皂乳液聚合是在传统乳液聚合的基础上发展起来的一项聚合反应新技术,它是指在反应过程中完全不加乳化剂或仅加入微量乳化剂(其浓度小于临界胶束浓度CM C)的乳液聚合过程。

和传统乳液聚合相比,无皂乳液聚合产物具有以
化工新型材料第36卷
下特点:不使用乳化剂,免去了去除乳化剂的后处理;制得的乳胶粒表面洁净;制得的乳胶粒子的粒径单分散性好;可以通过粒子设计使粒子表面带有各种功能基团而广泛用于生物、医学、化工等领域[7]。

(2)反相悬浮聚合法
反相悬浮聚合是用非极性溶剂为连续相,水溶性单体以滴加的方式加入到油相中,并借助于强力搅拌及分散剂的作用以细小颗粒的形态分散于油相中,形成/油包水0型的悬浮液,从而进行聚合。

反相悬浮聚合法具有反应易于控制、产物呈小颗粒状、后处理容易等优点。

但采用反相悬浮聚合法合成PN IP A AM温敏性智能微球少有报道[8]。

王国伟[10]采用反相悬浮聚合的方法合成了粒径均一的智能水凝胶,并分别采用激光光散射和偏光显微镜对微凝胶的尺寸进行了表征,得到了一致结果。

PN IP AA M水凝胶的响应速率是一个极为重要的参数,在很多情况下都要求其对外界温度刺激具有较快的响应速率,这就大大限制了温敏性P N IPA A M智能水凝胶的使用范围。

因此,提高其响应性一直是智能水凝胶研究的一个重要课题[9]。

秦爱香等[10]以N-异丙基丙烯酰胺为单体、N,N.-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂、过硫酸铵为引发剂、N,N,N.,N.-四甲基乙二胺为加速剂,在不同浓度的羧甲基纤维素的水溶液中,在低温下聚合/交联制备了PN IP A AM水凝胶。

与传统水凝胶相比,该水凝胶的溶胀性能有所提高,并且对温度的变化具有较快的响应速率。

刘晓华等[11]以不同粒径的CaCO3粒子为成孔剂,合成了PN IPA A M水凝胶,研究表明,该水凝胶在温敏膨胀或收缩时,具有较好的响应速率。

2PNIPAAM的应用
PN IP AA M聚合物及水凝胶由于其对温度的敏感性,在药物释放、调光材料、组织培养、固定化酶等方面有广阔的应用前景。

2.1药物释放
PN IP AA M对药物进行控制释放有以下3种情况:¹在PN IPA A M水凝胶体系中,当T>LCST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PN IP AA M水凝胶内水分和药物向外释放;当T<LCST,水凝胶表面皮层溶胀,此时药物可以从体系中释放。

º在以PN IPA A M分子链接枝的聚合物微球体系中,当>L CST时,P N IPA A M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;当T<L CST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,药物可以顺利地扩散到水中,达到控制释放目的。

»在低温条件下,将制得的PN IPA A M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[12]。

朱雪燕等[13]通过自由基聚合法合成了聚(N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸)二元水凝胶,该二元水凝胶的L CST随丙烯酸含量的增加而上升,而碱性条件下的溶胀性能远远优于酸性条件。

遴选出的一合适配方在模拟人体体温和胃肠液pH值的条件下进行了阿司匹林缓释实验,发现以凝胶颗粒为药物载体,能更好地达到药物长期有效释放的目的。

胡林等[14]采用等离子诱导填孔接枝聚合法将PN IP AA M 开关接枝到聚偏氟乙烯膜(P VDF)膜孔上,同自由基聚合法制备的PN IP A AM交联水凝胶结合,组成了一种温度感应复合型控制释放膜系统,该复合膜系统具有良好的温度感应特性,优于单独的开关膜控制释放系统或是单独的交联水凝胶控制释放系统。

2.2调光材料
利用P NI PA A M的环境敏感行为可以设计制备调光材料,H u Zhibing[15]发现,P N IPA A M凝胶对可见激光的透过能力可通过沿同一方向的红外线辐照强度来调节。

这是由于红外辐照使得凝胶局部变热溶解,凝胶结构部分遭到破坏,凝胶内部结构变得不均一,出现塌陷微区,当微区大小与激光波长相当时,入射激光被散射,导致凝胶对可见激光的透过率降低。

基于这种性质,这种材料可被用于制作自动调光玻璃。

Weissman[16]制备了调光材料,他们利用PN IP AA M的自组装性质制备了一种薄膜材料,高温下PN IP A AM聚集成微球,使光线的散射增加,达到调光的目的。

另外利用嵌段共聚物的自组装、凝胶包埋等方法,也可以设计制备出其他调光材料[17-20]。

2.3组织培养
PN IP A AM的分子构象取决于温度,温度低于32e时, PN IP A AM分子呈伸展状,分子表面呈亲水性;反之当温度高于32e时,分子构象为收缩型,分子表面呈疏水性。

据此,可将P NI PA AM接技于固体表面,通过调节温度可以改变固体表面的亲水性。

根据这一原理,Y amazaki[21]将P NI PA AM与胶原蛋白偶联得到新型细胞培养基,成功地培养了人工纤维细胞球。

2.4固定化酶
用温敏性水凝胶固定的酶,有可能用于热负反馈机制来控制反应的温度和速率,如对放热反应来说在反应点处的温度很难控制,尤其是当温度上升导致不利的副反应时,如果用温敏凝胶固定的酶催化剂,当T>LCST时,水凝胶收缩而关闭反应;T<L CST时,水凝胶又可溶胀而打开反应。

此外,酶的固定也能提高酶的稳定性[22]。

Liu Feng等[23]采用N ASI 在P NI PA A M凝胶上固定了糜蛋白酶(chy motr ypsin),固定了酶的水凝胶通过调节体系温度下降或上升的循环可分别打开或关闭酶的活性,这样就可能实现酶活性的开关。

此外,PN IPA A M水凝胶还应用在免疫分析、分离提纯、化学传感器等方面。

由于水凝胶在溶胀状态下过于柔软,难于定型,同时凝胶的体积变化相对较慢,从而使其应用领域受到限制,因此,今后的工作将在提高PN IPA A M的应用方面发展。

将PN IP AA M制成薄膜和用作包裹材料是PN IPA A M新的应用方向。

3PNIPAAM的改性
为了加强其机械强度,提高其响应性,将P NI PA AM接枝
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第11期邵丽等:温敏型聚合物PN IP AA M的合成及应用研究进展
于其它力学性能较好的高分子基材上是一种可行的方法,同时也可在一定程度上赋予高分子基材某些特殊的性能。

主要的接枝聚合方法有:射线辐射接枝、溶液自由基接枝、光引发接枝、低温等离子体接枝[24]。

与其他单体合成共聚或互穿网络共聚物(IP N)水凝胶是一个较为理想的途径,利用IPN技术改性传统水凝胶以提高水凝胶的机械强度的报道很多。

卓仁禧等[25]通过分步法合成了亲水性的P NIP A AM和疏水性的甲基丙烯酸甲酯(M M A)IP N水凝胶。

研究发现,同纯PN IPA A M水凝胶相比,PN IP A AM/PM M A IPN水凝胶不仅具有明显的温敏性,而且具有较高的机械强度。

目前一般是利用N IP AM与含阴离子或阳离子的单体共聚来获得不同性质的微凝胶[26],A ndr ew L y on等[27]通过种子乳液聚合法利用甲基丙烯酸丁酯(BM)与N-异丙基丙烯酰胺共聚制得了响应速度可调的P N IPA A M/P BM A微凝胶。

N I-P A M与丙烯酸钠的交联共聚体是比较典型的例子。

Fr eltas 等用N IPA A M和甲基丙烯酸钠共聚制成温敏水凝胶,用于分离不同分子量的化合物,对聚环氧乙烷的分离效果可达92%。

另外,合成具有孔结构的P N IPA A M凝胶也是提高其响应性的一个可行的方法。

多孔结构能够极大地提高水凝胶的溶胀/退溶胀速率[28]。

陈兆伟等[29]以不同粒径的硅胶颗粒为致孔剂制备了多孔的PN IP A AM水凝胶,实验证明,多孔凝胶相对于无孔凝胶其溶胀性能有较大提高,孔结构的存在大幅度提高了水凝胶的响应速率。

赵祯霞[30]用微波辐射法合成了PN IPA A M共聚多孔水凝胶,所合成出的共聚多孔水凝胶具有比PN IP A AM更高的溶胀和退溶胀速度,提高了它的平衡溶胀率和水凝胶对环境温度的响应速度。

4结语
PN IP AA M是近年来的一种新型智能材料,有极大的应用价值,今后的工作将集中在以下几个方面:(1)提高PN IPA A M水凝胶的响应速度,开发有实际应用价值的快速响应智能材料。

(2)寻找更多能与N IP AA M共聚的单体,对材料改性,获得多重敏感的智能水凝胶。

(3)合成多孔的PN IPA A M水凝胶,提高响应性,扩大其应用范围。

参考文献
[1]胡晖,范晓东.聚(N-异丙基丙烯酰胺)类热敏材料的研究进展
[J].功能高分子学报,2000,13(4):1.
[2]赵辉.基于PNIPAAM的功能化聚合物微球的设计、制备与性
能研究[C].中国科学技术大学硕士学位论文,2006.
[3]任彦荣,霍丹群,侯长军.温敏性聚合物聚N-异丙基丙烯酞胺
及其应用[J].材料导报,2004,18(11):2-4.
[4]Zhao H ui,Chen Hongw ei,Li Zen gchang.T he s ynthes is of tem-
peratur e-sen sitive PM M A-coating PNIPAAM particles via a
rapid microw ave-as sisted polym erization[J].Eu ropean Polymer
J ou rnal,2006.
[5]Zhang Q,T ang Y,Zha L,et al.E ffects of H ectorite Content
on the Temperature-s ens itivity of PNIPAAM M icrogels[J].
Eu ropean Polym er Journal,2007.[6]罗宣干,王坦.N-异丙基丙烯酰胺系温度敏感聚合物和水凝胶
的研究进展[J].化学通报,1996,(4):10-15.
[7]庄严,张复盛.无皂乳液聚合技术及其应用[J].专论与综述,
1998,(4):35-38.
[8]冯大春,尹家贵,鲁红.AM/AQ的反相悬浮共聚合[J].中国矿
业大学学报,2001,30(6):624-626.
[9]王国伟.快速响应性PM PA智能水凝胶的合成、表征及应用研
究[C].郑州大学硕士学位论文,2004.
[10]秦爱香,吕满庚,刘群峰,等.快速响应聚(N-异丙基丙烯酰胺)
水凝胶的制备及性能[J].精细化工,2006,23(9):1.
[11]刘晓华,王晓工,刘德山.快速响应的温敏性聚(N-异丙基丙烯
酰胺)水凝胶Ñ#以CaCO3为成孔剂制备方法、表征及动力学
研究[J].高分子学报,2002,(3):1.
[12]邓字巍,易昌凤,徐祖顺.聚(N-异丙基丙烯酷胺)类材料的应
用[J].功能高分子学报,2004,17(2):1-2.
[13]朱雪燕,陈明清,刘晓亚,等.温敏性凝胶的合成与药物缓释模
拟[J].江南大学学报,2002,1(2):1.
[14]胡林,褚良银,陈文梅.温度感应复合型控制释放膜系统的性能
研究[J].过滤与分离,2006,16(2):1.
[15]H u Zhibing.CO2laser-con trolled transm ission of visib le light in
N-is opropylacrylamide gel[J].Polymer Gels Network s,1995,
3:267.
[16]Weissman J M,Su nkara H B,T se A S.[J].S cien ce,1996,
(274):959
[17]Jen ek e S A,Chen X L.[J].Science,1999,(283):372.
[18]Fang Y.Hu DD.Chinese J.Polym Sci,1999,17(6):1.
[19]Wang M Z,Qiang JC,Fang Y,et al.[J].Polym Chem,2000,
(38),474.
[20]渡道晴男.[J].化学与工业,1998,51(3):322.
[21]Yamazaki M.Process for p reparing and selecting hyperproduc-
in g microorganism s trains used for the proces s for producing
streptovaricin C[J].Biotechn ology Advances,1994,(44):38.
[22]翟茂林,哈鸿飞.功能性PolyNIPAAm系高聚物[J].高分子通
报,1999,(2):4.
[23]Liu Feng,Zhu o Renxi.[J].Biotechnol Appl Biochem,1993,
18:57-65.
[24]张芳,刘今强,范钦.PNIPAAM类材料接枝方法的研究现状
[J].纺织学报,2007,28(4): 2.
[25]卓仁禧,张先正.温度及pH敏感聚(丙烯酸)/聚(N-异丙基丙
烯酰胺)互穿聚合物网络水凝胶的合成及性能研究[J].高分子
学报,1998,(1):39-42.
[26]马晓梅,赵喜安,唐小真.智能型水凝胶[J].化学通报,2004,
2:2.
[27]L A Lyon,D Gan.[J].J Am Soc,2001,123,7511-7517.
[28]卢国冬,燕青芝,宿新泰,等.多孔水凝胶研究进展[J].化学进
展,2007,19(4):2.
[29]陈兆伟,陈明清,刘晓亚,等.温敏性聚(N-异丙基丙烯酰胺)水
凝胶的合成与表征[J].功能高分子学报,2004,17(1):1. [30]赵祯霞,李忠,夏启斌等.PNIPAAM共聚水凝胶的微波合成和
性能[J].材料研究学报,2008,4(22):1.
收稿日期:2008-03-11
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