刺激响应性聚合物的设计、合成及其应用研究新进展

杨倩丽1，2，康晓明1，孙静1，魏柳荷1，马志2

（1郑州市弹性密封材料重点实验室，郑州大学化学与分子工程学院，河南郑州450052；2中国科学院有机功能分子合成与组装化学重点实验室，中国科学院上海有机化学研究所，上海200032）

摘要：介绍了研究刺激响应性聚合物的意义，针对水体系中的刺激响应性聚合物，介绍了近年来刺激响应性聚合物的设计与合成中的应用研究新进展，主要从3个方面进行阐述：①单一刺激响应性聚合物，包括温度、pH值、光、其他刺激响应性聚合物；②双重刺激响应性聚合物，包括温度-pH值、温度-光、温度-氧化还原刺激响应聚合物、pH值-氧化还原刺激响应聚合物；③多重刺激响应性聚合物，包括温度-光-pH值、温度-光-氧化还原、温度-pH值-CO2刺激响应聚合物。着重评述了水体系中双重和多重刺激响应性聚合物的合成研究及应用。最后总结了多重刺激响应性聚合物应用研究的现状及问题，指出开发刺激响应性高度可控、灵敏度高、可逆性好的新型多重刺激响应性聚合物是未来的研究方向。

关键词：刺激响应性；设计与合成；聚合物；聚合；水溶液

第一作者：杨倩丽（1989—），女，硕士研究生，研究方向为功能聚合物的设计合成及其应用。联系人：马志，博士，研究员，主要研究方向涉及功能化聚烯烃材料、有机软物质材料的设计、合成、结构与性能研究。E-mail mazhi728@sioc.ac.cn。

近年来，一类具有刺激响应性的新型功能聚合物迎合了人们利用简单聚合物来反映外界环境变化的需求，引起了学术界和工业界的广泛兴趣，成为功能聚合物领域的研究热点之一[1-4]。所谓刺激响应性聚合物（stimuli-responsive polymers），是指自身能对外界环境的细微物理或化学变化（刺激）做出相应反应，如分子构型或溶解性发生变化，甚至是化学键形成或断裂的一类聚合物。外界环境的刺激主要包括物理刺激、化学刺激和生化刺激。物理刺激主要是指能引起分子之间相互作用和各种能量改变的一些物理因素，如温度、光、电场和机械应力等。化学刺激是指在分子水平上改变聚合物分子链结构、改变聚合物分子链之间或聚合物分子链与溶剂之间相互作用的化学因素，如pH值、离子强度和氧化还原等。生化刺激则是指抗原、酶蛋白质和葡萄糖等。根据聚合物刺激响应的机理不同，可将刺激响应性聚合物分为以下几种类型：温度响应性聚合物、pH值响应性聚合物、光响应性聚合物以及其他相应响应性聚合物等。近年来，通过分子设计，将两种或多种刺激响应性基团或聚合物链段引入到各种拓扑结构的聚合物中，实现对外界环境变化的多重响应性，成为刺激响应性聚合物研究与应用领域的热点。本文主要按照刺激响应性类别、针对水体系中的刺激响应性聚合物的研究和应用进行总结，对双重和多重刺激响应性聚合物的设计、合成及应用的研究新进展进行重点评述，并对其未来发展方向及应用前景进行展望。

1　单一刺激响应性聚合物

1.1温度响应性聚合物

具有温度响应性的聚合物，其分子链中通常含有酰胺、醚键和羟基等官能团，如聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）、聚N,N-二乙基丙烯酰胺（PDEAAM）、聚N-乙烯基己内酰胺（PVCL）、聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯（PDMAEMA）、聚环氧乙烷（PEO）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等。

具有临界溶解温度是温度响应性聚合物的最显著特点。当聚合物水溶液在高于某一温度时发生相分离，低于该温度时变为均相溶液，则称该聚合物具有低临界溶解温度（lower critical solution temperature，LCST）；反之，其具有高临界溶解温度（upper critical solution temperature，UCST）。目前，研究最多的是具有低临界溶解温度的聚合物，已被应用于组织工程[5]、药物传递[6]、信息处理[7]、催化[8]以及表面改性[9]等许多领域。

PNIPAM是最典型的具有低临界溶解温度的聚合物，其水溶液的LCST为32℃左右[10]。PNIPAM分子链上亲水的极性酰胺基团和疏水的非极性异丙基基团分别能与水分子之间产生氢键效应和疏水效应，驱动该聚合物在水溶液中发生相转变，从而表现出温度响应性。当温度低于它的LCST时，PNIPAM分子链上的酰胺基与周围的水分子形成较强的氢键，促使整个分子链表现出亲水性，充分地溶解于水中。而当温度升高至LCST以上时，该氢键被破坏，聚合物分子链中异丙基的疏水作用占主导地位，整个分子链表现为疏水性，溶液发生相分离。可见，温度响应性聚合物结构中亲、疏水部分的相对比例对它的LCST影响很大，亲水部分的增强可导致LCST升高，甚至完全消失[11]；相反，疏水链段的增长可降低聚合物的LCST，同时使其温度响应性增强[12]。

Li等[13]设计合成了具有两个LCST的ABC型三嵌段共聚物PNIPAM-b-PDMAEMA-b-PS和PDMAEMA-b-PNIPAM-b-PS。实验表明，PNIPAM-b-PDMAEMA-TTC聚合物链上接上聚苯乙烯链段后，这两个LCST值相较于其均聚物都有所增大（由33℃和47℃分别变为50℃和67℃），并且温度转变范围变宽，如图1所示。这可能由PNIPAM与PDMAEMA链段的立体排斥作用，也可能是二者之间氢键的形成所导致的。该课题组还探讨了此三嵌段聚合物中PNIPAM、PDMAEMA嵌段的顺序对两LCST值的影响。

图1　具有两个LCST的ABC型三嵌段共聚物PNIPAM-b-PDMAEMA-b-PS和PDMAEMA-b-PNIPAM-b-PS[13　]

1.2 pH值响应性聚合物

通常情况下，pH值响应性聚合物可分为弱有机酸类聚合物和弱有机碱类聚合物。弱有机酸类聚合物含有典型的弱有机酸取代基羧基，如聚丙烯酸（PAA）[14]在碱性条件下聚合物呈聚电解质状态；而弱有机碱类聚合物在酸性条件下得到质子，聚合物链之间因库仑斥力而伸展，如PDMAEMA[15]等。

Liu等[16]利用简单“嫁接”的方法，将聚(4-乙烯基吡啶)（P4VP）涂在介孔二氧化硅上，运用P4VP 对pH值的响应性来控制二氧化硅上携带分子（[Ru(bipy)3]Cl2及钙黄绿素）的释放，如图2所示。随着外界环境pH值由7.4逐渐降低，携带分子释放速率逐步增大，pH值为4时，吡啶基团被完全质子化，分子释放速率达到最大。

图2　覆盖在介孔二氧化硅上的响应性聚合物胶束对药物的pH值可控释放[16　]

1.3光响应性聚合物

光作为刺激源最显著的特点是其可作用于特定的面积或空间[17]。目前研究最多的具有光响应性的聚合物常含有偶氮苯、螺吡喃（SP）和俘精酸酐等或它们的衍生物。这类化合物在光的辐射下分子结构发生可逆的变化，伴随着分子极性以及颜色的变化，从而会导致其性能的可逆转变。Son等[18]用螺吡喃引发环氧丙醇开环聚合，制备了一系列的超支化聚丙三醇（SP-hb-PG），如图3所示。该聚合物具有两亲性，能够在水溶液中自组装成胶束，而在紫外光的照射下，疏水的SP异构化为带有两性离子的甲基纤维素（MC），胶束结构被破坏，并且该过程在可见光的照射下是可逆的。在外界紫外-可见光的作用下，该聚合物胶束能很好地装载或释放芘。另外，由于该聚合物是无毒的，因此在药物传递方面具有很大的应用前景。

另外一类对光响应的聚合物在受到光的刺激时发生不可逆的变化。这类聚合物分子链中含有可光解部分，在光照下该部分发生不可逆的裂解，极性增强。典型的例子就是邻硝基苄基酯类[1 9]。Schumers等[20]在嵌段共聚物PAA-b-PS中的聚丙烯酸链端上引入邻硝基苄基基团，合成了带有可光解侧基的P(NBA-r-AA)-b-PS嵌段共聚物。该嵌段共聚物在光的照射下于PS的选择性溶剂里自组装成胶束，可用于捕捉胶束核里的亲水性分子。另外，该聚合物还能在硅片上自组装，形成圆柱形薄膜，而经过紫外光的照射及甲醇浸泡处理，形成了内部为羧酸的圆柱形纳米材料，如图4所示。

图3　光刺激响应性SP-hb-PG自组装及分解图示[18　]

图4　P(NBA-r-AA)-b-PS嵌段共聚物的合成、自组装和光响应行为示意图[20　]

值得一提的是，聚合物链中的每一个光敏单元都会对整个光响应性聚合物的性质产生极大的影响[21]。

1.4其他刺激响应性聚合物

1.4.1氧化还原响应性聚合物

对氧化还原反应敏感的基团，在电化学作用下，其氧化状态可逆地转变为还原态。这类刺激响应性通常存在于无机化学，特别是过渡金属中。然而，研究表明许多有机化合物，如二芳基乙烯、二茂铁、二硫化物等也存在氧化还原特性。Bapat等[22]先合成了P(S-alt-MAn)-b-PS及P(S-alt-MAn)-b-PNIPAM两种嵌段共聚物，再以胱氨二盐酸为交联剂使得共聚物侧链的酸酐开环，得到核交联的星型结构大分子，如图5所示。交联结构中的二硫键被还原裂解为巯基后，星型结构大分子随之分解为线型嵌段共聚物，其侧基为巯基，又可被空气中的氧氧化形成二硫键，即该聚合物具有自修复的氧化还原刺激响应性。另外，包含有亲水链段PNIPAM及疏水骨架PS的P(S-alt-MAn)-b-PNIPAM星型大分子可在水溶液中自组装成胶束（平均粒径为97nm）。

另外，顺磁性的有机分子2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物（TEMPO）类衍生物[23]也能表现出氧化还原刺激响应性。该类分子中具有单电子，能够被电解或被一些还原剂还原。在被还原的过程中，形成羟基使分子的亲水性增强，在水溶液中的溶解性增强。

1.4.2葡萄糖响应性聚合物

对于糖尿病患者来说，在适当的时间补充一定量的胰岛素来维持体内正常的血糖含量是至关重要的。这就需要有能控制胰岛素释放的载体，即对葡萄糖响应的材料。带有硼酸功能性基团的聚合物就是个很好的例子。硼酸不仅对二醇类聚合物敏感，更能与分子内含有多个羟基的葡萄糖之间发生可逆的键合作用[24]。硼酸分子可分为两个部分：未离解的中性部分和阴离子部分。其中阴离子部分能与葡萄糖中的羟基之间形成氢键，使亲水性增强，同时也使得中性部分更加疏水。

图5　核交联的星型大分子的形成[22　]

Vancoillie等[25]首次以氮氧自由基聚合的方法合成了聚(4-乙烯基苯硼酸)，并用浊度法研究了其对葡萄糖的响应性。实验发现：在pH值9～10之间聚(4-乙烯基苯硼酸)对葡萄糖响应发生相转变，只有在葡萄糖存在下该聚合物才溶解。聚(4-乙烯基苯硼酸)大分子中硼酸单体单元之间有强氢键，溶解性很低，相似的，发生相转变之后，聚集沉淀的聚合物小球即使是在对葡萄糖响应的pH值范围内增加葡萄糖的量也不能快速溶解。可见，聚(4-乙烯基苯硼酸)可以作为葡萄糖的传感器。另外，该课题组还通过添加溶剂致变色材料将聚合物的微变化转变为光信号，能更加直观地看到聚合物对葡萄糖的响应性。1.4.3 CO2响应性聚合物

CO2作为细胞代谢的主要产物，具有良好的生物相容性和膜通透性，从而研究对CO2响应的聚合物可用于优化医药工业的多重响应性聚合物。向聚合物体系内部引入或排出CO2气体后，聚合物的结构与性质能够发生可逆变化的聚合物，即为CO2响应性聚合物。

CO2响应聚合物分子中通常含有脒、胺和羧基等功能基团。聚合物中的脒基与CO2反应产生带电的脒络合物，即聚合物在CO2氛围下呈现凝胶状态，而在氩气氛围下又恢复溶液状态[26]。

Han等[27]合成了两种ABA型三嵌段共聚物，通过改变A嵌段，使其表现出相反的CO2响应性。在PMEO2MA-b-PEO-b-PMEO2MA中分别插入叔胺或甲基丙烯酸结构单元，常温常压条件下，二者分别与CO2相互作用，在水中呈现出溶解或凝胶的状态，惰性气体条件下则凝聚或溶解。

2　双重刺激响应性聚合物

2.1温度-pH值响应性聚合物

通过嵌段共聚或接枝的方式将带有可解离或质子化的基团，如羧基或叔胺基的聚合物与具有LCST的聚合物连接起来即得到温度-pH值双重刺激响应性高分子。目前，对该类聚合物的应用尝试主要在药物载体和释放等方面。

Chen等[28]在PNIPAM上接上聚丙烯酸叔丁酯链段，再经过水解得到PNIPAM与聚丙烯酸（PAA）的两嵌段共聚物；并测得中性溶液中该聚合物的LCST为33.3℃，而室温下溶液变浑浊的pH值临界点为4.8，表明该嵌段共聚物对温度及pH值均敏感。

Jiang等[29]合成了聚丙烯酸接枝聚(N-乙烯基己内酰胺)，如图6所示。在中性条件下，该聚合物的主链聚丙烯酸与支链聚(N-乙烯基己内酰胺)都是亲水性的，可完全溶解于水中。但随着pH值的下降，支链上的氮被质子化，逐步变为疏水性，在pH值降到5.5时（20℃），溶液变浑浊，反之又变澄清。研究发现，在中性水溶液中，该接枝共聚物具有LCST为35℃，即该聚合物具有温度-pH值双重响应性，如图6(b)。由于它的LCST接近人体温度（37℃），故可以通过调节亲疏水链段的平衡，将该聚合物作为药物载体应用于医药行业。

另外，一些均聚物也能表现出温度-pH值双重刺激响应性，如PDMAEMA[30]在中性溶液中的LCST值为50℃，而随着溶液pH值的增大，聚合物中的胺基被质子化，由亲水性逐步变为疏水性，从而使得聚合物的LCST值增大，即表现出温度-pH值双重刺激响应性。

Zhao等[31]合成了温度-pH值双重刺激响应性的功能化聚烯烃三嵌段共聚物。研究发现，PE-b-PNIPAM嵌段共聚物在27～31℃发生相转变。当再接上一段聚2-乙烯基吡啶（P2VP）之后，所形成的PE-b-PNIPAM-b-P2VP三嵌段共聚物在pH=2的条件下，于25～37℃发生相转变；在20℃条件下，pH=4.3～5.2时聚合物溶液由澄清变浑浊。实验验证了亲、疏水链段对PNIPAM的LCST产生的影响，同时也表明该三嵌段共聚物对温度以及pH值均能产生刺激响应性。

Li等[32]将5-氟尿嘧啶装载于具有温度和pH值双重响应性的自组装壳聚糖接枝PNIPAM（CS-g-PNIPAM）离子交联空心微球，研究其药物释放性能。研究发现，当温度高于该聚合物的LCST时，药物与聚合物之间相互作用减弱，微球粒径也相应减小，5-氟尿嘧啶释药速率明显加快。

图6　聚丙烯酸接枝聚CN-乙烯基己内酰胺[29　]

此时，接枝共聚物聚集形成以折叠的PNIPAM分子链为核心、壳聚糖为外壳的核-壳型胶束。而当温度降至室温时，以三聚磷酸钠（TPP）为离子交联剂将壳聚糖交联形成空心微球。该微球的大小则由环境的pH值或温度控制；并且由于空心微球内部具有大量的微孔空间，所以具有较高的载药量。

2.2温度-光响应性聚合物

在众多多重刺激响应材料研究中，温度-光敏性高分子占很大一部分。这类聚合物的低临界溶解温度会受到光的影响，即其低临界溶解温度会随着光刺激的改变而发生相应的变化。

早在1988年，Kungwatchakun等[33]就将N-异丙基丙烯酰胺与N-(4-苯基偶氮苯基)丙烯酰胺共聚，合成了具有温度-光响应性的共聚物。聚合物中的光致变色偶氮苯部分可使得聚N-异丙基丙烯酰胺水溶液的相转变温度具有光可控性。实验发现，在紫外光的照射下，聚合物水溶液的相转变温度由21℃升至27℃，而在可见光下，又降为21℃。这是由于光刺激条件下偶氮苯结构发生顺反异构化导致的。

在以上研究的基础上，许多分子结构中包含有偶氮苯的温敏性聚合物也相继被制备出来。Akiyama等[34]合成了带有不同数量偶氮苯基团的烷基丙烯酰胺聚合物，探讨了偶氮基团的含量对聚合物LCST的影响。

Blasco等[35]制备了包含有一个偶氮聚合物为侧链，主链一端连有3个相同长度的聚N,N-二乙基丙烯酰胺链的杂臂型共聚物，分子中亲/疏水链段长度比适中，并研究了其自组装行为。经研究发现该聚合物的LCST为27℃，在紫外光的照射下，胶束形态能发生可逆的变化，如图7所示。并通过荧光光谱检测发现聚合物的温度感应性不适用于装载疏水性尼罗红的释放，而其光响应性则能控制尼罗红的释放。

2.3温度-氧化还原刺激响应性聚合物

将具有还原敏感性的二硫化物或二茂铁聚合物链段镶嵌或接枝到温度响应性分子链上，即可得到温度-氧化还原双重刺激响应性聚合物。

Kuramoto等[36]研究了由烷基丙烯酰胺（N-乙基丙烯酰胺和N,N-二乙基丙烯酰胺）与乙烯基二茂铁共聚而成的嵌段共聚物。二茂铁的疏水性使得聚合物的LCST随着二茂铁含量的增大而降低，而一旦聚合物链中的二茂铁部分被氧化成了具有亲水性的阳离子状态，此临界温度就会增大，反之则降低。

Schmidt等[37]运用离子聚合与RAFT聚合相结合的方法也合成了嵌段共聚物PVFc-b-PDEA（图8），该聚合物两嵌段部分能分别独立地对温度或氧化还原刺激做出响应，其中LCST为30℃，表现了其在药物传递方面的应用价值。

图7　聚N,N-二乙基丙烯酰胺杂臂型共聚物[35　]

Phillips等[38]在PNIPAM的基础上，以具有温敏性的大分子作为链转移剂，采用（可逆加成断裂链转移）RAFT聚合的方法，合成了对氧化还原刺激响应的可降解聚合物。在谷胱甘肽存在的条件下，聚合物链中的二硫化物被裂解，导致PNIPAM部分LCST因聚合物分子量的减小而上升（由46℃增大为62℃）。

图8　PVFc-b-DEA在水中的四种不同状态[37　]

2.4 pH值-氧化还原刺激响应性聚合物

既能够对周围环境pH值改变作出相应形态改变，又能因被氧化或还原而呈现不同的状态，此类聚合物即为pH值-氧化还原刺激响应性聚合物。

Gyarmati等[39]合成了均由巯基乙胺修饰的聚琥珀酰亚胺（PSI）和聚天冬氨酸。其中巯基乙胺修饰的聚天冬氨酸侧链上有羧基还有巯基，在水溶液中能够对溶液pH值、氧化剂等响应，如图9所示。研究发现，在pH值为4.1时羧基去质子化，溶液发生明显的溶胀现象，pH值达到8时聚集颗粒更大，而在酸性（pH<4.1）条件下，溶胀消失；另外，聚合物侧链上的巯基能够被氧化，聚合物链之间形成硫硫键，溶液可逆地变成水凝胶。

图9　聚琥珀酰亚胺和聚天冬氨酸[39　]

图10　FcCOS在质量分数1.0　%乙酸溶液中自组装及其对不同氧化环境的响应示意图[40　]

Wang等[40]合成了二茂铁修饰的氨基葡糖，如图10所示。在酸性溶液中（pH值为2.5），该聚合物上链上氨基质子化，则聚合物链上质子化氨基亲水，二茂铁疏水，从而自组装成以二茂铁为核，质子化的氨基葡糖为冠的雪花状胶束。将其曝露于空气中5天，雪花结构变得松散有孔，加入适量过氧化氢则二茂铁被完全氧化亲水，胶束完全瓦解；当溶液pH值增大为7时，氨基去质子化，雪花状结构变成不规则的网络结构，且该过程完全可逆。该聚合物的自组装行为也表现出在生物材料方面的巨大应用前景。

Ding等[41]也合成了具有该双重刺激响应性的嵌段共聚物mPEG-b-P(LG-co-CELG)，低毒且对谷胱甘肽也有响应性。

3　多重刺激响应性聚合物

相对于双重刺激响应性聚合物，第三种刺激响应性的引入使得聚合物响应性的可控程度及范围都得到了较大提高，因而具有多重刺激响应性的聚合物成为近年来该领域最活跃的研究方向。

3.1温度-光-pH值刺激响应性聚合物

按照上述所说，将具有温度-pH值双重响应性的均聚物PDMAEMA与另一具有光响应性的聚合物结合在一起，就能获得三重刺激响应的聚合物。Tang等[42]通过原子转移自由基聚合（ATRP）的方法合成了偶氮苯封端的PDMAEMA。该聚合物的LCST会随着pH值的改变而改变。研究发现，在pH值为4时，二甲氨基基团完全质子化，极性大大增加，导致聚合物没有LCST出现。而随着溶液pH值增大，二甲氨基基团连续去质子化，聚合物的LCST会相应地降低。如溶液pH值增大为7时，LCST随之降到68℃，而pH值增大到11时，LCST 为30℃。另外，末端偶氮苯部分在紫外光的照射下异构化，导致聚合物的LCST略微增大，且该过程是完全可逆的。

Achilleos等[43]用二甲氨基乙酯与螺吡喃合成了具有三重刺激响应性的嵌段共聚物，其中PDMAEMA部分表现出温度-pH值响应行为，螺吡喃表现出光-pH值响应行为。类似的，Sumaru等[44]将PNIPAM的温度响应性，螺苯并吡喃的pH值-光双重响应性结合起来，得到了具有温度-光-pH值三重响应性的聚合物。

最近，Zhang等[45]在超支化聚乙烯亚胺（HPEI）的基础上合成了温度-光-pH值刺激响应超支化聚合物。异丁酰胺封端的HPEI与4-(苯偶氮基)苯甲酸络合，最终表现出温度-光-pH值三重刺激响应性，在药物及基因传递方面具有潜在的应用前景。还有一些课题组也合成了包含有PDMAEMA的嵌段共聚物，研究了其共聚物自组装形成的胶束的温度、光以及pH值刺激响应性[46-48]。

Alvarez-Rodríguez等[49]先将金与光敏的弹性蛋白状聚合物（AzoGlu15）配合形成具有对pH值和温度双重敏感特性的Gold-AzoGlu15，然后用β-环糊精包合Gold-AzoGlu15，从而制备出对温度、pH值、紫外-可见光三重响应的智能混合型探针——Gold-CD-Azo-Glu15。该复合物作为多重刺激敏感的生物传感器探测器具有巨大的应用潜力。

3.2温度-光-氧化还原刺激响应性聚合物

目前，对于氧化还原刺激响应性化合物，研究最多的就是2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物（TEMPO）。Schattling等[50]制备了PNIPAM共聚物，其中包含TEMPO以及通过酰胺键连接在聚合物上的偶氮苯部分。该聚合物分子中的TEMPO部分被还原成胲时，基团亲水性增加，从而使得聚合物的LCST增大。随之在紫外光的照射下，偶氮苯中的发色团受到刺激，使得聚合物的LCST继续增大。经研究，虽然二者先后刺激的顺序不会改变刺激最终造成的LCST值，但会影响各个刺激所产生影响的比例：先有紫外照射时，偶氮苯部分产生的影响相比后有紫外照射高出60 %，这是因为疏水性聚合物中的偶氮苯异构化会使得极性增大，从而所产生的影响较大。

另外，Huang等[51]合成了可用于药物输送的温度-光-氧化还原刺激响应共聚物，并探讨了其胶束负载PTX（紫杉醇，抗肿瘤药）对温度、pH值、氧化还原刺激的药物释放情况，研究表明该聚合物在生物医药方面具有巨大的潜在应用价值。

3.3温度-pH值-CO2刺激响应性聚合物

Jiang等[52]通过合成带有不同响应基团的新型丙烯酰胺单体，继而得到该单体的均聚物DEAE-NIPAM-AM，如图11所示。该均聚物侧链酰胺上的两个取代基分别具有温度、pH值、CO2响应性。通过改变溶液的pH值，侧基上的三级胺会随之被质子化或去质子化，即其亲疏水性会随之发生可逆性的改变，从而影响聚合物的LCST值。另外，该课题组还研究了此均聚物对CO2的响应性，发现CO2氛围下聚合物水溶液浑浊，而通入N2又变澄清，如图11(d)所示。

4　结语与展望

近些年来，为满足对精确控制材料性能的需求，科研人员在刺激响应性聚合物研究领域做出了巨大的努力。由于近年来聚合方法的改进，特别是可控自由基聚合技术的发展，使制备含有多种功能性基团的聚合物成为可能，也为制备多重刺激响应性智能材料提供了重要的条件。具有多刺激响应性的智能材料不仅在生物医药方面具有巨大的应用价值，而且对于信息技术行业的发展也至关重要。因此，将多种刺激响应性引入到同一聚合物中，制备新型的对多种刺激响应的智能材料具有重要意义。目前，对于多重刺激响应聚合物的研究通常仅限于在同一聚合物中引入两种响应基团，其应用范围受到很大限制。另外，现在还存在某些响应性基团可逆性差、不能完全恢复到原始状态或发生不可逆的转变、响应基团种类少、响应灵敏度低等问题，使得开发刺激响应性高度可控、灵敏度高、可逆性好的新型多重刺激响应性聚合物将成为未来新材料开发的主要努力方向。

图11　聚合物分子结构及各种响应性示意图[73　]

参考文献

[1]Ma X，Tian H.Stimuli-responsive supramolecular polymers in aqueous solution[J].Accounts of Chemical Research，2014，47：1971-1981.

[2]李雪梅，贺继东.两亲性聚合物分子自组装的研究进展[J].化工进展，2014，33（10）：2665-2699.

[3]Lu Y，Sun W J，Gu Z.Stimuli-responsive nanomaterials for therapeutic protein delivery[J].Journal of Controlled Release，2014，194：1-19.

[4]Islam R M，Gao Y F，Li X，et al.Stimuli-responsive polymeric materials for human health applications[J].Chinese Science Bulletin，2014，59（32）：4237-4255.

[5]Hu J M，Liu S Y.Engineering responsive polymer building blocks with Host-Guest molecular recognition for functional applications[J].Accounts of Chemical Research，2014，47：2084-2095.

[6]Liu J，Detrembleur C，Hurtgen M，et al.Thermo-responsive gold/poly(vinyl alcohol)-b-poly(N-vinylcaprolactam)core-corona nanoparticles as a drug delivery system[J].Polymer Chemistry，2014，5：5289-5299.

[7]Schattling P，Jochum D F，Theato P.Multi-responsive copolymers：Using thermo-，light- and redox stimuli as three independent inputs towardspolymericinformationprocessing[J].Chemical Communications，2011，47：8859-8861.

[8]Wu X W，Chen X F，Guan H Y，et al.A recyclable thermo-responsive catalytic systembased on poly(N-isopropylacrylamide)-coated POM@SBA-15 nanospheres[J].Catalysis Communications，2014，51：29-32.

[9]Xue B L，Gao L C，Hou Y P，et al.Temperature controlled water/oil wettability of a surface fabricated by a block copolymer：Application as a dual water/oil on-off switch[J].Advanced Materials，2013，25：273-277.

[10]Schild G H.Poly(N-isopropylacrylamide)：Experiment，theory and application[J].Progress in Polymer Science，1992，17：163-249.

[11]Nakayama M，Okano T.Polymer terminal group effects on properties of thermoresponsive polymeric micelles with controlled outer-shell chain lengths[J].Biomacromolecules，2005，6：2320-2327.

[12]Chen G H，Haffman S A.Graft copolymers that exhibit temperature-induced phase transitions over a wide range of pH[J].Nature，2014，5：2961-2972.

[13]Li Q L，Gao C Q，Li S T，et al.Doubly thermo-responsive ABC triblock copolymer nanoparticles prepared through dispersion RAFT Polymerization[J].Polymer Chemistry，2014，5：2961-2972.

[14]Zhou C，Qian S S，Li X J，et al.Synthesis and characterization of well-defined PAA-PEG multi-responsive hydrogels by ATRP and click chemistry[J].Royal Society of Chemistry Advances，2014，4：54631-54640.

[15]Abdellaoui-Arous N，Djadoun S.Poly[2-(N,N-dimethylamino)ethyl methacrylate]/poly(styrene-co-methacrylicacid)interpolymer complexes[J].Macromolecular Symposium，2011，303：123-133.

[16]Liu R，Liao P H，Liu J K，et al.Responsive polymer-coated mesoporous silica as a pH-sensitive nanocarrier for controlled release[J].Langmuir，2011，27：3095-3099.

[17]Schumers J M，Fustin C A，Gohy J F.Light-responsive block copolymers[J].Macromolecular Rapid Communications，2010，31：1588-1607.

[18]Son S，Shin E，Kim B-S.Light-responsive micelles of spiropyran initiated hyperbranched polyglycerol for smart drug delivery[J].Biomacromolecules，2014，15：628-634.

[19]Zhao H，Sterner S E，Coughlin B E，et al.o-Nitrobenzyl alcohol derivatives：Opportunities in polymer and materials science[J].Macromolecules，2012，45，1723-1736.

[20]Schumers J M，Bertrand O，Fustin C A，et al.Synthesis and self-assemblyof diblockcopolymers bearing2-nitrobenzyl photocleavable side groups[J].Journal of Polymer Science Part A：Polymer Chemistry，2012，50：599-608.

[21]Theato P.One is enough：Influencing polymer properties with a single chromophoric unit[J].Angewandte Chemie International Edition，2011，50：5804-5806.

[22]Bapat P A，Ray G J，Savin A D，et al.Redox-responsive dynamic-covalent assemblies：Stars and miktoarmstars[J].Macromolecules，2013，46：2188-2198.

[23]Oyaizu K，Nishide H.Radical polymers for organic electronic devices：A radical departure from conjugated polymers[J].Advanced Materials，2009，21：2339-2344.

[24]Egawa Y，Miki R，Seki T.Colorimetric sugar sensing using boronic acid-substituted azobenzenes[J].Materials，2014，7：1201-1220.

[25]Vancoillie G，Pelz S，Holder E，et al.Direct nitroxide mediated(co)polymerization of 4-vinylphenylboronic acid as route towards sugar sensors[J].Polymer Chemistry，2012，3：1726-1729.

[26]Yan Q，Zhou R，Fu C K，et al.CO2-responsive polymeric vesicles that breathe[J].Angewandte Chemie International Edition，2011，50：4923-4927.

[27]Han D，Boissiere O，Kumar S，et al.Two-way CO2-switchable triblock copolymer hydrogels[J].Macromolecules，2012，45：7440-7445.

[28]Chen P Y，Chen J Y，Cao Y.Self-assembly behavior of thermo- and pH-responsive diblock copolymer of poly(N-isopropylacrylamide)-block-poly(acrylic acid)synthesizedvia reversible additionfragmentationchaintransferpolymerization[J].Journal of Macromolecular Science Pure and Applied Chemistry，2013，50：478-486.

[29]Jiang XY，Lu GL，Feng C，et al.Poly(acrylic acid)-graft-poly(N-vinylcaprolactam)：A novel pH and thermo dual-stimuli responsive system[J].Polymer Chemistry，2013，4：3876-3884.

[30]Bütün V，Armes P S，Billingham C N.Synthesis and aqueous solution properties of near-monodisperse tertiary amine methacrylate homopolymers and diblock copolymers[J].Polymer，2001，42：5993-6008.

[31]Zhao Y，Shi X B，Gao H Y，et al.Thermo- and pH-sensitive polyethylene-based diblock and triblock copolymers：Synthesis and self-assembly in aqueous solution[J].Journal of Materials Chemistry，2012，22：5737-5745.

[32]Li G Y，Guo L，Wen Q W，et al.Thermo- and pH-sensitive ionic-crosslinkedhollowspheres fromchitosan-basedgraft copolymer for 5-fluorouracil release[J].International Journal of Biological Macromolecules，2013，55：69-74.

[33]Kungwatchakun D，Irie M.Photoresponsive polymers：Photocontrol of the phase separation temperature of aqueous solutions of poly-[N- isopropylacrylamide-co-N-(4-phenylazophenyl)acrylamide][J].Makromolekulare Chemie，Rapid Communications，1988，9：243-246.

[34]AkiyamaH，Tamaoki N.Polymersderivedfrom N-isopropylacrylamide and azobenzene-containing acrylamides：Photoresponsive affinity to water[J].Journal of Polymer Science Part A：Polymer Chemistry，2004，42：5200-5214.

[35]Blasco E，Schmidt V K J B，Barner-Kowollik C，et al.Dual thermoand photo-responsive micelles based on miktoarm star polymers[J].Polymer Chemistry，2013，4：4506-4514.

[36]Kuramoto N，Shishido Y，Nagai K.Thermosensitive and redox-active polymers：Preparation and properties of poly(N-ethylacrylamideco-vinylferrocene)and poly(N,N-diethylacrylamide-co-vinylferrocene)[J].Journal of Polymer Science Part A：Polymer Chemistry，1997，35：967-1972.

[37]Schmidt V K J B，Elbert J，Barner-Kowollik C，et al.Individually addressable thermo- and redox-responsive block copolymers by combininganionic polymerizationand RAFTprotocols[J].Macromolecular Rapid Communications，2014，35：708-714.

[38]Phillips J D，Gibson I M.Degradable thermoresponsive polymers which display redox-responsive LCST behaviour[J].Chemical Communications，2012，48：1054-1056.

[39]Gyarmati B，Vajna B，Némethy Á，et al.Redox- and pH-responsive cysteamine-modified poly(aspartic acid)showing a reversible Sol-Gel transition[J].Macromolecular Bioscience，2013，13：633-640.

[40]Wang L，Li Y K，Xu Y Q，et al.A facile construction method for pH and oxidation dual-responsive assembly based on ferrocene-modified chitooligosaccharide[J].Reactive and Functional Polymers，2014，76：1-7.

[41]Ding J X，Xiao C S，Yan L S，et al.pH and dual redox responsive nanogel based on poly(l-glutamic acid)as potential intracellular drug carrier[J].Journal of Controlled Release，2011，152：e1-e132.

[42]Tang X D，Liang X C，Gao L C，et al.Water-soluble triply-responsive homopolymers of N,N-dimethylaminoethyl methacrylate with a terminal azobenzene moiety[J].Journal of Polymer Science Part A：Polymer Chemistry，2010，48：2564-2570.

[43]Achilleos S D，Vamvakaki M.Multiresponsive spiropyran-based copolymers synthesized by atom transfer radical polymerization[J].Macromolecules，2010，43：7073-7081.

[44]Sumaru K，Kameda M，Kanamori T，et al.Characteristic phase transition of aqueous solution of poly(N-isopropylacrylamide)functionalized with spirobenzopyran[J].Macromolecules，2004，37：4949-4955.

[45]Zhang J，Liu H J，Yuan Y，et al.Thermo-，pH-，and light-responsive supramolecularcomplexesbasedonathermoresponsive hyperbranched polymer[J].American Chemical Society Macro Letters，2013，2：67-71.

[46]Dong J，Wang Y N，Zhang J，et al.Multiple stimuli-responsive polymeric micelles for controlled release[J].Soft Matter，2013，9：370-373.

[47]Wu H，Dong J，Li C C，et al.Multi-responsive nitrobenzene-based amphiphilicrandomcopolymerassemblies[J].Chemical Communications，2013，49：3516-3518.

[48]Yuan W Z，Guo W，Zou H，et al.Tunable thermo-，pH- and light-responsive copolymer micelles[J].Polymer Chemistry，2013，4：3934-3937.

[49]Alvarez-Rodríguez R，Arias J F，Santos M，et al.Gold tailored photosensitive elastin-like polymer：Synthesis of temperature，pH and UV-vis sensitive probes[J].Macromolecular Rapid Communications， 2010，31：568-573.

[50]Schattling P，Jochum D F，Theato P.Multi-responsive copolymers：Using thermo-，light- and redox stimuli as three independent inputs towardspolymericinformationprocessing[J].Chemical Communications，2011，47：8859-8861.

[51]Huang X G，Jiang X L，Yang Q Z，et al.Triple-stimuli(pH/thermo/reduction)sensitive copolymers for intracellular drug delivery[J].Journal of Materials Chemistry B，2013，1：1860-1868.

[52]Jiang X，Feng C，Lu G L，et al.Thermoresponsive homopolymer tunable by pH and CO2[J].American Chemical Society Macro Letters，2014，3：1121-1125.

研究开发

综述与专论

New progress in the design，synthesis and application of stimuli responsive polymers

YANG Qianli1，2，KANG Xiaoming1，SUN Jing1，WEI Liuhe1，MA Zhi2

（1Zhengzhou Key Laboratory of Elastic Sealing Materials，College of Chemistry and Molecular Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450052，Henan，China;2Key Laboratory of Synthetic and Self-Assembly Chemistry for Organic Functional Molecules，Shanghai Institute of Organic Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200032，China）

Abstract：This review first describes the general significance of the study on stimuli-responsive polymers.Then the latest research progress in the design，synthesis and application of stimuli-responsive polymers in aqueous solution is reviewed.Three kinds of stimuli-responsive polymers are introduced：①single stimuli-responsive polymers：temperature，pH，light and other single stimuli-responsive polymers.②dual stimuli-responsive polymers：temperature/pH，temperature/light and temperature/redox stimuli-responsive polymers.③multiple stimuli-responsive polymers：temperature/light/pH，temperature/light/redox and temperature/pH/CO2stimuli-responsive polymers.In addition，the dual and multiple stimuli-responsive polymers are intensively reviewed.At last，the current situation and problems of multiple stimuli-responsive polymers are summarized，and the development of multiple stimulus responsive polymers with high sensitivity，high sensitivity and good reversikility will be the future development directions.

Key words：stimuli-responsive;design and synthesis;polymers;polymerization;solution

基金项目：国家自然科学基金项目（21074146，21374130）。

收稿日期：2014-11-19；修改稿日期：2015-03-23。

文章编号：1000–6613（2015）08–3075–11

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.08.027

文献标志码：A

中图分类号：O 632.1；TQ 325；TQ 317