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高分子材料

温度・pH応答性PNIPAMポリマー

Gangadhar Panambur, Ilya Koltover and Scott Batcheller

Aldrich Materials Science, Milwaukee, WI.

刺激応答性ポリマー

刺激応答性ポリマーは、「スマート」ポリマーもしくは「環境応答性」ポリマーとしても知られ、周囲の環境変化によってそのミクロ構造が急激に変化します。外部刺激(熱、pH、イオン強度、磁場、電場、光、超音波、化学種など)が環境の変化を引き起こし、生じた巨視的変化は可逆的であるため、そのきっかけとなる要因がなくなれば、システムは初期状態に戻ることが可能です。刺激応答性ポリマーはその物理的形状によって、(a) 溶液中でフリーな直鎖状ポリマー、(b) 共有結合的に架橋された可逆性ゲル、(c) 表面吸着ポリマーもしくは表面グラフト化ポリマーに分類されます。その優れた特性から、制御された薬物送達、バイオ共役(bio-conjugation)、組織工学、バイオセンサ、バイオセパレーションなどの化学的、生物学的応用が期待されています。

温度およびpH応答性PNIPAMポリマー

温度およびpH応答性ポリマーは刺激応答性ポリマーの中でも特に注目されている材料です。その理由の一つに、ある病態は温度やpHの変化によって発現するため、所定の温度やpH範囲において刺激に応答するように、材料特性を容易に調整できる点が挙げられます。もっとも広く研究されている温度およびpH応答性システムはポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)(PNIPAM)を基盤にしたもので、さまざまなタイプのPNIPAMをベースとした温度もしくはpHに応答性をもつポリマーが開発されています。たとえば、PNIPAM末端をカルボン酸やNHSエステル、アミン、マレイミド基で官能基化することができます(図1)。さらに、NIPAMとメタクリル酸とを共重合させることで、pH応答性を付与することが可能です。また、pHおよび温度応答性ヒドロゲルは、NIPAMとアクリル酸、ジアクリルアミド架橋剤を用いて調製することができます(図2)。

末端官能基化PNIPAMの合成反応

図1 末端を官能基化したPNIPAMの合成

温度およびpH応答性PNIPAMの合成反応

図2 温度およびpH応答性PNIPAMの合成

物理化学的特性

連鎖移動剤(CTA)の濃度を変えることで分子量を制御することができます(図3)。また、PNIPAMは水溶液中で約32℃のLCSTを示しますが、適切なモノマーとNIPAMとを共重合させることでLCSTを容易に調整することが可能です(図4)。

CTAがPNIPAM-COOHの分子量に与える影響

図3 PNIPAM-COOHの合成における分子量とCTA濃度の関係([AIBN]/[NIPAM]:0.1、温度:60℃、溶媒:THF)

PNIPAM共重合体の温度と透過率の関係

図4 poly(N-isopropylacrylate-co-5% methacrylic acid)の温度と透過率との関係(1%水溶液、pH:4.46)

PNIPAMについては左記のページもご参考ください。
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