张 强 宏

(西南技术工程研究所，重庆 400039)

温度敏感聚合物研究进展

张 强 宏

(西南技术工程研究所，重庆 400039)

温度敏感聚合物是指当环境温度发生变化时，其自身结构和理化性质发生突变的一种高分子化合物，是智能聚合物的一种；介绍了温度敏感聚合物的分类一般包含N-取代丙烯酰胺聚合物、双亲性嵌段共聚物和多肽三大类，并以聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)为例，从其分子链官能团构成及温度变化时各自发挥的作用上，阐述了温度敏感聚合物的温敏机理；通过线性N-取代丙烯酰胺聚合物制备、N-取代丙烯酰胺水凝胶制备、N-取代丙烯酰胺接枝聚合物合成等论述了温度敏感聚合物的合成方法；并说明了其在药物控制释放、酶的固定化、色谱固定相的修饰等生命科学领域的应用。

温度敏感高分子；水凝胶；N-异丙基丙烯酰胺；药物缓释；固定化酶；色谱固定相；进展

温度敏感聚合物(Temperature-responsive polymers)是智能聚合物的一种，是指当环境温度发生变化时，其自身结构和理化性质发生突变的一种高分子化合物。

1 温度敏感聚合物种类及温敏机理

根据材料自身组成和相变机理，一般将温度敏感高分子材料分为N-取代丙烯酰胺聚合物、双亲性嵌段共聚物和多肽三大类，它们都有较低的最低溶解温度(Lower Critical Solution Temperature，LCST)，当温度低于LCST时，聚合物会较好地溶于溶剂中，形成均一的溶液；当温度高于LCST时，聚合物会在溶剂中迅速聚集析出，形成沉淀物。

在N-取代丙烯酰胺聚合物中，聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)具有极窄的相变温度区间(1～2 ℃)和接近人类体温的LCST(31 ℃)，因而被广泛关注和研究。

N-异丙基丙烯酰胺分子结构中同时存在着具有亲水性的酰胺基和具有疏水性的异丙基。1967年，Scarpa J S[1]等第一次指出PNIPAAm的最低临界溶解温度为31 ℃，引起了极大的反响。1968年，Heskins[2]等人对PNIPAAm在水溶液中的形态和温敏性能做出了研究。当温度低于LCST 时，PNIPAAm能与水形成均匀透明的溶液，聚合物链呈现伸展的构象；但是当温度高于LCST 时，PNIPAAm会迅速聚集并从水中沉淀出来，此时聚合物链呈现卷曲状，这些变化为可逆的不连续的过程。

GilES[3]和Dimitrova I[4]等对它的热敏机理进行了解释：PNIPAAm的主链为疏水结构，侧链上有亲水的酰胺基团和疏水的异丙基基团。酰胺基团会与水分子形成氢键，在低温时，会形成比较均一的溶液。但是随着温度的上升，氢键会遭到破坏，这时疏水基团会占主导作用，此时聚合物链会形成卷曲状，宏观上表现为聚合物聚集析出。

通常情况下，将NIPAAm与其他单体共聚，得到的高分子化合物也能实现温敏性，温敏效果视不同单体和两者比例而定。引入亲水性单体或亲水性单体比值较大时，共聚物的温度敏感性增强，即透光率从100%到0所跨越的温度区间越小，且其LCST的值也会相应增加。同样，当共聚物中疏水基团或单体所占比值较高时，共聚物的温敏性会减弱，LCST值也会降低[5-6]。但当亲水或疏水单体比例太大时，共聚物的温度敏感性会消失。2008年刘文博[7]等利用NIPAAm、DMAAm和HEMA的共聚，获得LCST在40 ℃甚至更高并具有活泼羟基的温敏性亲水聚合物，以其为起始物制备两亲性接枝或嵌段共聚物，用来制备侧链型胶束或表面带有可反应官能团的胶束，可用于对肿瘤部位的靶向释放治疗。

2 3种温度敏感聚合物合成方法

2.1 线性N-取代丙烯酰胺聚合物的制备

一般来说，常用的高分子材料制备方法如本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合和乳液聚合等都能制备线类似线性聚N-异丙基丙烯酰胺的温敏材料。由于溶液聚合较为简便，常采用自由基引发聚合的方法进行。

实际上，单一的聚N-取代丙烯酰胺类材料无法满足要求，一般都会将PNIPAAm与其他单体混合形成共聚物。随着高分子化学合成方法的发展，人们已经能运用原子转移自由基法(ATRP)和断裂加成法(RAFT)等合成方法来设计出自己想要的特定LCST的聚合物。如Schilli ,CM[8]等用RAFT方法在甲醇中合成了N-异丙基丙烯酸铵和丙烯酸的共聚物PNIPAAm-b-PAA。这种高分子均聚物同时具有温度和pH值的敏感性。

2.2 N-取代丙烯酰胺水凝胶的制备

水凝胶是以水为分散介质的凝胶，是在网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物[9]。其温敏现象是指水凝胶本身随温度变化而发生突变的现象。在温度较高时，其溶胀度较低，相反在低温下膨胀度会增强，其体积发生突变的温度也可用LCST表示。

在制备水凝胶时，常使用引发剂和交联剂来实现交联。但是引发剂的残基和交联剂会影响水凝胶的物化性质。因此，科研人员常常也通过放射线、电子射线、紫外线和等离子体等活性射线来进行反应。这种方法产物纯度较高，不会有引发剂和交联剂的残余，生成的水凝胶与传统方法合成的相比更均匀。如Zhao等[10]运用微波辐射的方法合成了高产率的N-异丙基丙烯酰胺水凝胶，所用时间也从24 h减少至20 min，其溶胀速率也大幅度提高。

除此之外，科研人员将目光转向有多重敏感性的水凝胶，例如同时具有光敏性和温敏性或pH值敏感性。如马天泽[11]等以N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸(AA)为单体，在水相中通过乳液聚合法制得具有温度和pH双重响应的单分散聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸)(P(NIPAM-co-AA))纳米水凝胶。其PDI值仅为0.033，在pH值为4～6时，响应极为明显。

2.3 N-取代丙烯酰胺接枝聚合物的合成

科研人员常将N-取代丙烯酰胺接枝在其他材料上，或者在它上面接上其他官能团。一方面是因为此类温敏材料机械性能差，需要借助其他材料来提升其强度。另一方面原因是为了拓宽温敏材料的使用范围，使其能运用于科研中的各个领域。温度敏感材料的接枝分成两类：第一类是在将温敏材料接枝到其他材料上或者在温敏材料上接枝其他功能性单体；第二类是将温敏材料接枝到一高分子基底上使其表面具有温敏性。2016年，Fujita M[12]等将DNA接枝在PNIPAAm上形成PNIPAAm-b-DNA嵌段共聚物，观察其在逐步升温时的状态，并探究互补DNA在温敏材料上的状态，发现整个过程是由PNIPAAm过渡态引发的而非DNA双螺旋之间的结构，并且发现盐会促进嵌段共聚物的生成。

3 温度敏感聚合物的应用

3.1 药物控制释放

药物控制释放体系就是将药物制成一定的剂型，控制药物在人体内的释放度，使药物按照设计的剂量、在要求的时间范围内以一定的速度在体内缓慢释放，以达到治疗某种疾病的目的[13]。水凝胶是一种理想的大分子药物的控制释放材料。因为水凝胶为蛋白质分子的扩散提供了大量的水环境，可以保证蛋白质不被破坏，保留较长的活性。当温度在水凝胶LCST以上时，在其表面会形成一种非常薄且致密的皮层，阻止其内部的药物释放到外环境中，这时水凝胶处于“关”的状态。当外界环境温度低于LCST时，那层皮层会溶胀消失，水凝胶内部的药物会以恒速向外自由扩散，此时水凝胶处于开的状态，这被称为药物释放的“开-关”模式[14]。

经过多年的发展，药物缓释取得了很大的进步。马鹤成[15]等运用开环聚合的方法制备了具有温度敏感性的PLGA-PEG-PLGA 三嵌段聚合物，这种聚合物溶液具有温度敏感性，随着温度升高，聚合物溶液由溶液转变为凝胶状态。通过将载药 PLGA-PEG-PLGA 温敏水凝胶局部注射入肿瘤周围，待凝胶形成后，药物可从载药凝胶中持续缓慢释放，长时间维持肿瘤局部药物高浓度，表现良好的体内抗肿瘤治疗效果，且无全身毒副作用。

3.2 酶的固定化

酶催化具有极强的专一性且副反应少并无污染，因此科研人员尝试用酶去替代传统的催化剂。但是酶脱离人体后极不稳定，对环境的适应性较差，易失活。且其分离纯化成本极高，工艺极复杂。因此，为了避免这些缺点，常将酶固定化，以便能重复使用它。载体的选择是固定化酶的关键。用温敏材料作为固定化酶的载体，可以通过温度实现对整个反应的控制。丁齐[16]等合成了P(NIPAm-co-HEMA)的凝胶微球并发现当戊二醛(交联剂)浓度为2.5%时固定化酶效果最好。此时固定化脂肪酶活力为0.25 U/g，活力回收率为1.84%，稳定性在82%以上，固定化糖化酶活力12.46 U/mL，活力回收率为3.52%,稳定性在83%以上。当将温敏水凝胶马来酰化后，发现在同样条件下，固定化的酶活力为戊二醛固定化的2～5倍。

3.3 色谱固定相的修饰

温度敏感色谱的流动相为水，相对于生物样品来说，比较容易分离，且通过修饰上功能性单体，会达到很高的选择性和较低的残留。但要达到很好的效果，必须要有显著的温敏性，这样才能迅速释放。

目前，温度敏感色谱先主要运用在小分子物质的分离上，极少用来分离蛋白质和多肽。刘宗建[17]等采用SI-ATRP法制成了新型的具有“温度开关”功能的含碱性基团的色谱材料poly(NIPAAm-co-DEAEMA-co-tBAAm)。其LCST较低、温敏性更强。类固醇的色谱分离结果表明色谱具有优良的温敏性能。在此基础上，又运用SI-ATRP法成功制备了新型的硼酸亲和色谱并简单高效地应用于腺苷和辣根过氧化酶的选择性捕获和快速释放。

4 结 论

温度敏感聚合物在出现之后的100年里由于其独特的性能及其在生物医学等方面的广阔应用前景已引起越来越多的研究人员的极大兴趣，现已经发展很多种类，并应用到各个领域。伴随着高分子科学的进步，其合成方法也有了改进和长足的进步。但其温敏机理、机械强度和工业化等问题仍待解决。相信在不久的将来，随着科研人员的不懈努力，一系列温敏聚合物将在化工、环境、生物、医学、材料等领域得到更加深入和广泛的应用。

[1] SCARPA J S,MUELLER D D,KLOTZ I M.Slow Hydrogen-Deuterium Exchange in A Non-Alpha Helical Polyam-ide[J].J Am Chem Soc,1967,89(24):6024-6030

[2] HESKINS M,Guillet J E.Solution Properties of Poly(N-isopropylacrylamide)[J].J Macromol Sci Chem,1968(2):1441-14565[3] GILE S,HUDSON S M.Stimuli-Reponsive Polymers and Their Bioconjugates[J].Prog Polym Sci,2004,29:1173-1222

[4] DIMITROVA I,TRZEBICKAB B,MüLLERA H E,et al.Thermosensitive Water-soluble Copolymers with Doublyres-ponsive Reversibly Interacting Entities[J].Prog Polym Sci,2007,32:1275-1343

[5] HOU C Y,MA J F,TAO D Y,et al.Organic-Inorganic Hybrid Silica Monolith Based Immobilized Titanium Ion Afnity Chromatography Column for Analysis of Mitoch-ondrial Phosphoproteome[J].J Proteome Res,2010(9):4093-4101

[6] ARYAL U K,KROCHKO J E,ROSS A R.Identification of Phosphoproteins in Arabidopsis Thaliana Leaves Using Polyethylene Glycol Fractionation[J].J Proteome Res,2011(11):425-437

[7] 刘文博,王国明,蔡晴,等.N-异丙基丙烯酰胺类共聚物温敏性研究[J].高分子学报,2008,12(1):1214-1218

LIU W B,WANG G M,CAI Q,et al.PNIPAAm Temperature Sensitivity Study[J].Acta Polymerica Sinica,2008,12(1):1214-1218

[8] SCHILLI C M,ZHANG M,RIZZARDO E,et al.A New Double-Responsive Block Copolymer Synthesized Via RAFT Polymerization:Poly(N-isopropylacrylamide)-b Lock-poly(acrylic acid)[J].Macromolecules,2004,37(21):7861-7866

[9] SCHILD H G.Poly(N-isopropylacrylamide):Experiment,Theory and Application[J].Progress In Polymer Science,1992,17(2):163-249

[10] POLLMANN K,RAFF J,MERROUN M,et al．Metal Binding by Bacteria from Uranium Mining Waste Piles and its Technological Applications[J].Biotechnology Advan-ces,2006,24:58-68

[11] 马天泽.多重响应的单分散(N-甲基丙烯酰胺-co-丙烯酸)纳米水凝胶的制备及性能表征[J].功能高分子学报,2015,28(3):307-312

MA T Z.Multiple Response of Monodisperse(N-methyl Acrylamide-co-acrylic Acid)Hydrogel Nanoparticles Preparation and Characterization[J].Journal of Functional Polymers,2015,28(3):307-312

[12] FUJITA M,HIRAMINE H,PAN P,et al.Effects of Compl-ementary DNA and Salt on the Thermorespo-nsiveness of Poly(N-isopropylacrylamide)-b-DNA[J].Langmuir,2016(4):311-314[13] 罗毅.药物控制释放方法[J].高分子通报,1996(1):18-27

LUO Y.Drug Release Control Method[J].Polymer Bulletin,1996(1):18-27

[14] YOSHIDA R,SAKAI K,OKANO T,et al.Drug Release Profiles in the Shrinking Process of Thermoresponsive Poly(N-isopropylacrylamide-co-alkyl Methacrylate)Gels[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,1992,31(10):2339-2345

[15] 马鹤成.可注射型 PLGA-PEG-PLGA 温敏水凝胶作为药物和基因缓释共载体在骨肉瘤治疗中的应用研究[D].长春:吉林大学,2015

MA H C.PLGA injectable type-PEG-PLGA Temperature Sensitive Hydrogel as A Slow Release of Drug and Gene Carrier Research Application in the Treatment of Osteosarcoma[D].Changchun:Jinlin University,2015[16] 丁齐.快速响应温敏水凝胶及其固定化酶应用研究[D].南京:南京理工大学,2014

DING Q.Quick Response of Temperature Sensitive Hydrogel and its Application Research on Immobilized Enzyme[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2014

[17] 刘宗建.温度开关色谱材料的制备及其分离和富集性能研究[D].北京:北京理工大学,2012

LIU Z J.Temperature Switch Chromatography Material Production and its Separation and Enrichment Study[D]Beijing:Beijing Institute of Technology,2012

[18] 杨玲玲,卢立新,余永涛,等.凝固浴温度对NMMO工艺纤维素膜性能的影响[J].包装工程,2013,34(9):1-5

YANG L L,LU L X,YU Y T,et al.Effect of Coagulation Bath Temperature on Performance of Cellulose Antibac-terial Film by NMMO Process[J].Packaging Engineering,2013,34(9):1-5

责任编辑：田 静

Research Progress in Temperature Sensitive Polymers

ZHANG Qiang-hong

(Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China)

Temperature sensitive polymer is a class of macromolecule compound and an intelligent polymer and their structure and physical and chemical properties mutate when the temperature changes. This paper introduces the classification of temperature sensitive polymers including such three categories as N-substituted acrylamic polymer, Amphiphilic block copolymer and polypeptide, by taking PNIPAAm as an example from their chain functional group composition and their respective role when temperature changes, expounds temperature sensitive mechanism of the polymers by the preparation of linear N-substituted acrylamide polymer, N-substituted acrylamide hydrogel and N-substituted acrylamide grafy polymer synthesis, and explains their application in life science such as drug release control, enzyme immobilization, chromatographic stationary phase and so on.

temperature sensitive polymer; hydrogel; N-isopropyl acrylamide; drug release; immobilized enzyme; chromatographic stationary phase; progress

10.16055/j.issn.1672-058X.2017.0003.021

2016-09-15；

2016-11-28. 作者简介：张强宏(1971-)，男，湖北人，高级工程师，从事高分子材料研究.

O648

A

1672-058X(2017)03-0112-04