设计温度和PH敏感的基于NIPAM的聚合物

Gangadhar Panambur, Ilya Koltover and Scott Batcheller
Aldrich材料科学,6000 N. Teutonia Milwaukee, WI 53209

 刺激响应型聚合物

刺激响应型聚合物又称智能聚合物或是环境敏感型聚合物,会被环境变化触发微观结构的快速改变,即从亲水状态变为疏水。外部刺激包括热量,pH,离子强度,磁场电场,光线,超声和引起环境变化的化学物。宏观变化的发生是可逆的。因此当触发条件消失后,聚合物系统就能恢复到初始状态。

 

 刺激响应型聚合物形态

刺激响应型聚合物依据物理形态有以下几种:a)溶液中线性自由链,(b)共价交联可逆物理性凝胶和(c)链吸附或表面接枝状态

  1. a) 线性自由链折叠
  2. b) 膨胀或收缩状态的胶
  3. c) 表面舒展或折叠状态

 

 刺激响应型聚合物的应用

刺激响应型聚合物独特性质使它在化学和生物领域有许多应用,包括控制和自调节给药系统,生物偶联,组织工程,生物传感器,生物分离等。

温度能调节PNIPAM胶束药物释放和增强PNIPAM的细胞吸收。当温度变化跨过了最低共溶温度(LCST)时,会引起物理变化。

 

 温度和pH敏感聚合物

温度和pH敏感是刺激响应型聚合物最为有趣的特质,因为:

  • 可以通过温度和/或者pH的改变观测到某些疾病状态
  • 能方便地调节刺激反应到需要的温度和pH范围

研究最多的温度/pH敏感系统就是基于聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)的系统。一系列基于聚(N-异丙基丙烯酰胺)的温度pH敏感聚合物被开发出来。PNIPAM可以被羧酸,N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)酯,胺和马来酰亚胺基团链端官能化。NIPAM与甲基丙烯酸共聚合,能传递pH敏感度。此外,NIPAM,丙烯酸和双丙烯酰胺交联剂能用来制备pH和温度敏感的水凝胶。

在水溶液中,PNIPAM的LCST在32℃左右。NIPAM和合适的单体共聚合能轻易地改变其LCST。

 

 合成链端官能化PNIPAM

使用链转移剂(CTA)实现链端官能化

 

 合成热量和pH敏感PNIPAM

 

 物理化学特性

分子质量可以用链转移剂(CTA)控制。

Dependence of molecular weight on CTA concentration in the synthesis of PNIPAM-COOH [AIBN]/[NIPAM] = 0.1; Temperature 60ºC, in THF.

PNIPAM-COOH [AIBN]/[NIPAM] = 0.1合成过程中,分子质量受CTA浓度影响图。温度60℃,四氢呋喃。

Plot of transmittance as a function of temperature for P(N-isopropylacrylate-co-5% methacrylic acid), 1% aqueous solution, pH = 4.46

透射图表示 P(N-丙烯酸异丙酯-co-5%甲基丙烯酸)温度,1%水溶液,pH=4.46