智能納米水凝膠的制備及其刺激響應(yīng)性能和應(yīng)用研究進(jìn)展

1、智能納米水凝膠的制備及其刺激響應(yīng)性能和應(yīng)用研究進(jìn)展查劉生，王秀琴，鄒先波，陸晨（東華大學(xué) 纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620）摘要 粒徑為11 000 nm的智能納米水凝膠是近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注的智能聚合物納米材料。介紹了制備智能納米水凝膠的4種方法：沉淀聚合/交聯(lián)法、反相乳液聚合/交聯(lián)法、自組裝/交聯(lián)法和微模板成型/交聯(lián)法，評(píng)述了這些制備方法的優(yōu) 缺點(diǎn)；同時(shí)論述了溫度、pH、光、磁場(chǎng)和分子識(shí)別等單刺激響應(yīng)性智能納米水凝膠以及多重刺激響應(yīng)性智能納米水凝膠的研 究進(jìn)展情況；最后簡(jiǎn)單介紹了智能納米水凝膠在藥物輸送與可控釋放、醫(yī)學(xué)診斷、生物傳感器、智能微反應(yīng)器和吸附與分離 等方面的應(yīng)

2、用。關(guān)鍵詞 智能納米水凝膠；沉淀聚合；反相乳液聚合；交聯(lián)；刺激響應(yīng)性能文章編號(hào) 1000 - 8144（2012）02 - 0131 - 12中圖分類(lèi)號(hào) TQ 314.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 AProgresses in Investigation of Preparation, Stimulus Responsive Properties andApplication of Intelligent Nano-HydrogelsZha Liusheng，Wang Xiuqin，Zou Xianbo，Lu Chen（State Key Laboratory for Modification of Chem

3、ical Fibers and Polymer Materials，Donghua University，Shanghai 201620，China）Abstract Intelligent nanogels with particle diameters ranging from 1 to 1 000 nm are the intelligentpolymer nanomaterials which have attracted widespread attention all over the world. In this paper，four kinds of methods for p

4、reparing the intelligent nanogels(precipitation polymerization/crosslinking method，inverse emulsion polymerization/crosslinking method，self-assembly/crosslinking method and micromoulding/crosslinking method) are firstly introduced, and their advantages and disadvantages are assessed. Then, the resea

5、rch progress on temperature，pH，light，magnetic field or molecule recognition stimulus responsive intelligent nanogels and multi-stimuli responsive intelligent nanogels are reviewed combining our research work. Finally，some application examples of the intelligent nanogels in drug delivery and controll

6、ed release，medicine diagnosis，biosensor，intelligent micro- reactor and adsorption separation are offered.Keywords intelligent nanogels；precipitation polymerization；inverse emulsion polymerization；crosslinking；stimulus responsive property納米水凝膠（Nanohydrogel或簡(jiǎn)稱(chēng)為Nanogel）是粒徑通常在11 000 nm的水凝膠粒子，能穩(wěn)定 分散在水中形成

7、膠體體系。納米水凝膠的分子鏈結(jié) 構(gòu)介于支化聚合物和交聯(lián)網(wǎng)狀聚合物之間，內(nèi)部為 交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表面通常為毛發(fā)狀的支化結(jié)構(gòu)。 納米水凝膠內(nèi)部分子鏈之間的交聯(lián)點(diǎn)既可以是由 化學(xué)鍵形成的化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)，也可以是通過(guò)氫鍵、 靜電吸引或疏水相互作用等弱相互作用形成的物 理交聯(lián)點(diǎn)1。智能納米水凝膠（Intelligent nanogel或Smart nanogel）是能對(duì)外界刺激產(chǎn)生響應(yīng)的納米水凝膠，因此又被稱(chēng)為刺激響應(yīng)性納米水凝膠（Stimulus responsive nanogel）。外界刺激通常包 括微小的環(huán)境溫度、分散介質(zhì)pH和離子強(qiáng)度的變收稿日期 2011 - 08 - 22；修改稿日期2011 -

8、 11 - 26。作者簡(jiǎn)介查劉生（1964），男，安徽省太湖縣人，博士，研 究員，電話電郵 lszha。基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51073033）；上海市教委科 研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目（09ZZ67）。石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY1322012 年第 41 卷化，以及光、磁場(chǎng)、特定的化學(xué)物質(zhì)或生物物質(zhì)等。有的智能納米水凝膠還可對(duì)其中兩個(gè)或兩個(gè)以 上的刺激產(chǎn)生響應(yīng)，這類(lèi)智能納米水凝膠又被稱(chēng) 為多重刺激響應(yīng)性納米水凝膠。智能納米水凝膠受 到外界刺激產(chǎn)生響應(yīng)的形式通常表現(xiàn)為體積、含水 量、折光指數(shù)、膠體穩(wěn)定性、軟硬度、內(nèi)部凝膠網(wǎng) 絡(luò)的通透性和親疏

9、水性等物理化學(xué)性能的變化。智 能納米水凝膠最早報(bào)道于20世紀(jì)80年代初，當(dāng)時(shí)未 受到特別的重視。近十年來(lái)，隨著納米科技、生物 醫(yī)學(xué)和智能材料的發(fā)展，智能納米水凝膠顯示出誘 人的應(yīng)用前景，因此對(duì)其制備方法、結(jié)構(gòu)與性能的 關(guān)系以及應(yīng)用領(lǐng)域的研究受到國(guó)內(nèi)外的高度關(guān)注。 本文結(jié)合本課題組近十年來(lái)的研究工作，對(duì) 智能納米水凝膠的制備、刺激響應(yīng)性能及其應(yīng)用進(jìn)行了介紹和評(píng)述。機(jī)理，采用沉淀聚合法合成溫度刺激響應(yīng)性納米水凝膠4。常規(guī)的沉淀聚合法不使用乳化劑等小分子 添加劑，制得的智能納米水凝膠表面無(wú)污染，但粒 徑通常較大（大于500 nm）；加入帶電荷的親水單 體共聚或使用立體穩(wěn)定劑可制備粒徑較小的智能納米水

10、凝膠5-7。沉淀聚合法的一個(gè)特點(diǎn)是可以利用其他膠體 粒子作為模板或種子，將具有刺激響應(yīng)性的聚合物 包覆在模板粒子上，形成多重刺激響應(yīng)性或具有多 功能的智能復(fù)合納米水凝膠8。本課題組采用這種 方法將具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的PNIPAM聚合物包覆在表面 經(jīng)過(guò)改性的二氧化硅膠體粒子上，然后通過(guò)氫氟酸 除去二氧化硅粒子模板，首次得到具有中空結(jié)構(gòu)的 溫度刺激響應(yīng)性納米水凝膠9。沉淀交聯(lián)法是通過(guò)加入交聯(lián)劑或加熱等方法 使某些水溶性聚合物從均相的水溶液中沉淀出來(lái) 并形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而制得智能納米水凝膠。如 在濃度較稀的殼聚糖（CS）水溶液中加入乙二胺 二乙酸二乙醛交聯(lián)劑，可得到粒徑為7080 nm的 pH刺激響應(yīng)性納

11、米水凝膠10。如果在濃度較稀的 CS水溶液中加入某些特定結(jié)構(gòu)的聚電解質(zhì)，也能 通過(guò)靜電相互作用形成具有物理交聯(lián)點(diǎn)的智能納 米水凝膠11 。具有LCST的聚合物水溶液加熱到 LCST以上溫度時(shí)，就會(huì)從水介質(zhì)中沉淀出來(lái)形成 納米水凝膠。納米水凝膠的粒徑大小與聚合物水 溶液的濃度、溫度和加熱歷史有關(guān)。如將濃度較 稀的羥丙基纖維素（HPC）水溶液加熱到其LCST（41 ）以上溫度時(shí)，就會(huì)形成亞穩(wěn)態(tài)的納米 水凝膠，再用二乙烯基亞砜作交聯(lián)劑使HPC分子 鏈上的羥基之間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，就能得到體積相 轉(zhuǎn)變溫度（VPTT）約為41 的溫度刺激響應(yīng)性 納米水凝膠12。采用該方法制備智能納米水凝膠 時(shí)，使用的水溶性

12、聚合物的濃度不能太高，否則易 形成大塊水凝膠，因此這種制備方法的效率較低。1.2 反相乳液聚合/交聯(lián)法合成智能納米水凝膠的單體、交聯(lián)劑或聚合物等原料絕大多數(shù)都是親水的，因此可以采用適當(dāng) 的乳化方法（如機(jī)械攪拌乳化、均質(zhì)乳化、膜乳化 或微流體乳化等）將這些原料形成的水溶液分散在 有機(jī)連續(xù)相中制成W/O型反相乳液，然后引發(fā)單體 和交聯(lián)劑發(fā)生聚合反應(yīng)或使聚合物之間發(fā)生交聯(lián)反 應(yīng)，在除去有機(jī)連續(xù)相、乳化劑和助乳化劑后，最 終得到能穩(wěn)定分散在水中的智能納米水凝膠13。 常規(guī)的反相乳液聚合法合成的智能納米水凝膠的粒1 智能納米水凝膠的制備1.1 沉淀聚合/交聯(lián)法沉淀聚合法最早用于合成具有溫度刺激響應(yīng)性的聚

13、（N - 異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）智能 納米水凝膠2。本課題組研究了N - 異丙基丙烯酰 胺（NIPAM）聚合及與其他親水單體共聚形成溫 度刺激響應(yīng)性納米水凝膠的機(jī)理3。與一般的水溶 性聚合物不同，PNIPAM的水溶液存在最低臨界溶 解溫度（LCST），約為32 。因此采用沉淀聚合 法合成PNIPAM納米水凝膠時(shí)，反應(yīng)溫度一定要高 于32 ，通常為6080 。在反應(yīng)過(guò)程中，加入 的熱引發(fā)劑分解生成初級(jí)自由基，引發(fā)NIPAM和 交聯(lián)劑 N，N- 亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）聚合。 當(dāng)形成的PNIPAM自由基鏈增長(zhǎng)到某一臨界鏈長(zhǎng) 時(shí)，就會(huì)由原來(lái)的親水鏈變?yōu)槭杷湥a(chǎn)生所謂的 “coil -

14、to - globule”（從無(wú)規(guī)線團(tuán)到球形粒子） 的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，反應(yīng)體系中出現(xiàn)了初級(jí)粒子，這一階 段為沉淀聚合反應(yīng)的成核期。初級(jí)粒子有可能通過(guò) 兩種途徑實(shí)現(xiàn)粒徑增長(zhǎng)，最終形成納米水凝膠：一 是增溶、吸附或包埋在初級(jí)粒子中的少量NIPAM 單體、交聯(lián)劑和未發(fā)生相分離的PNIPAM自由基鏈 通過(guò)聚合反應(yīng)形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)粒子增長(zhǎng)；二是 由于初級(jí)粒子比表面積大，有限的表面電荷難以通 過(guò)靜電排斥作用使其穩(wěn)定分散在水中，因此初級(jí)粒 子在布朗運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)因碰撞而發(fā)生聚并生成更大 的粒子，其內(nèi)部通過(guò)進(jìn)一步的聚合反應(yīng)和交聯(lián)反應(yīng) 形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)。凡是能發(fā)生自由基聚合反應(yīng)、形成 的聚合物水溶液存在LCST的單體都可

15、通過(guò)類(lèi)似的133第 2 期查劉生等 . 等智能納米水凝膠的制備及其刺激響應(yīng)性能和應(yīng)用研究進(jìn)展徑較大，通常為微米級(jí)；細(xì)乳液聚合法可合成粒徑小于1 m的納米水凝膠；微乳液聚合法合成的納米 水凝膠粒徑更小，一般小于100 nm。聚合反應(yīng)或交 聯(lián)反應(yīng)發(fā)生在微小的水溶液液滴中，可在室溫下采 用氧化-還原引發(fā)體系引發(fā)聚合反應(yīng)等比較溫和的 反應(yīng)條件，因此有利于在納米水凝膠中包埋生物活 性組分14。該方法的缺點(diǎn)是用有機(jī)化合物作為反 應(yīng)介質(zhì)，細(xì)乳液或微乳液聚合反應(yīng)配方中用到的乳 化劑和助乳化劑的量較大，給智能納米水凝膠的純 化帶來(lái)很大的困難。Bouillot等15以丙烯酰胺（AAm）和丙烯酸（AA）為單體，通過(guò)

16、反相微乳液聚合法合成了兩 類(lèi)具有不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的納米水凝膠：一類(lèi)是由兩種 單體和交聯(lián)劑共聚形成的AA - co - AAm共聚物納 米水凝膠，另一類(lèi)是由兩種單體分別聚合得到的兩 種均聚物通過(guò)氫鍵作用形成的具有互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（IPN）結(jié)構(gòu)的納米水凝膠。兩類(lèi)納米水凝膠都有 正溫度刺激響應(yīng)性，只不過(guò)具有IPN結(jié)構(gòu)的納米水 凝膠的VPTT范圍更窄；另外，它們還都有pH刺激 響應(yīng)性。Matyjaszewski課題組16在反相細(xì)乳液體 系中通過(guò)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法（ATRP）合成了 以二硫鍵為交聯(lián)點(diǎn)的聚甲基丙烯酸聚乙二醇單甲醚 酯納米水凝膠，該納米水凝膠在細(xì)胞內(nèi)遇到還原性 物質(zhì)可發(fā)生降解。與常規(guī)的自由基聚合

17、法相比， ATRP等活性自由基聚合法合成的納米水凝膠的最 大優(yōu)點(diǎn)就是粒子大小均勻、結(jié)構(gòu)組成可控。采用膜乳化技術(shù)可制得單分散的智能納米水凝 膠17。受到乳化膜孔徑的限制，這種方法難以制備 粒徑小于100 nm的智能納米水凝膠。微流體乳化技術(shù) 使用的設(shè)備可能要更復(fù)雜一些，它是將分開(kāi)通過(guò)微 通道輸送的單體、交聯(lián)劑或聚合物配成的水溶液與 連續(xù)有機(jī)相在逐漸變細(xì)的會(huì)合部位中混合，并乳化 形成W/O型乳液，再原位聚合或交聯(lián)形成智能納米水 凝膠。微通道大小、溶液流動(dòng)的速度和交聯(lián)反應(yīng)時(shí) 間對(duì)智能納米水凝膠的形狀和大小均有影響18。1.3 自組裝/交聯(lián)法分子自組裝是指分子通過(guò)非共價(jià)鍵作用自發(fā)形成具有熱力學(xué)穩(wěn)定性且

18、具有明確有序結(jié)構(gòu)的聚集 體的過(guò)程，驅(qū)動(dòng)分子自組裝過(guò)程的作用力包括氫鍵 作用、靜電相互作用、疏水相互作用和范德華力 等。具有特定結(jié)構(gòu)的水溶性聚合物通過(guò)這些弱相互 作用的驅(qū)動(dòng)就能自組裝形成納米水凝膠19。納米 水凝膠中形成的物理交聯(lián)點(diǎn)不夠穩(wěn)定，在高溫或高 鹽濃度等環(huán)境條件下易發(fā)生解離。如果采用化學(xué)交聯(lián)或光交聯(lián)等方法使自組裝形成的智能納米水凝膠具有化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，就能顯著提高它的穩(wěn)定性。如 果采用二硫鍵為交聯(lián)點(diǎn)，制得的智能納米水凝膠還 能識(shí)別特定的還原性物質(zhì)，如使細(xì)胞中的谷胱甘肽 等發(fā)生降解20。自組裝/交聯(lián)法制備智能納米水凝 膠的條件比較溫和，一般在水介質(zhì)中進(jìn)行，因此有 利于在其中包埋蛋白質(zhì)等生物活

19、性組分21。自組裝/交聯(lián)法尤其適用于制備基于天然聚合 物的智能納米水凝膠22。天然多糖分子鏈上有很 多羥基，用聚丙烯酸（PAA）等含羧酸基團(tuán)的聚合 物對(duì)其接枝改性，形成的接枝共聚物在水介質(zhì)中 通過(guò)氫鍵作用自組裝并進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)就能 得到智能納米水凝膠。Dou等23將用PAA接枝改性 羥乙基纖維素制得的接枝共聚物在水介質(zhì)中自組裝 為納米水凝膠，再用含氨基的交聯(lián)劑使納米水凝 膠中的PAA分子鏈形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，得到具有穩(wěn)定結(jié) 構(gòu)的pH刺激響應(yīng)性納米水凝膠。HPC經(jīng)PAA接枝 改性后形成的接枝共聚物，在水介質(zhì)中自組裝并 經(jīng)化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)制備的納米水凝膠具有溫度刺激 響應(yīng)性24。Morimoto等25采

20、用可逆加成-碎裂轉(zhuǎn) 移聚合法在支鏈淀粉（PuL）分子鏈上接枝相對(duì)分 子質(zhì)量為80040 000的短PNIPAM支鏈，PNIPAM 支鏈以巰基基團(tuán)（SH）封端。當(dāng)水介質(zhì)的溫度 超過(guò)PNIPAM支鏈的LCST時(shí)，溶解在其中的PuL - g - PNIPAM-SH接枝共聚物會(huì)因PNIPAM支鏈的疏 水相互作用而自組裝為粒徑4050 nm的納米水凝 膠。在氧氣的作用下，納米水凝膠中PNIPAM支鏈 末端的SH基團(tuán)之間因氧化作用而產(chǎn)生二硫鍵， 在納米水凝膠中形成新的化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)。該交聯(lián)點(diǎn) 在某些還原劑的存在下又會(huì)發(fā)生斷裂，重新生成兩 個(gè)SH基團(tuán)。因此最終得到的納米水凝膠既有溫 度刺激響應(yīng)性，又可識(shí)別特定的

21、還原性物質(zhì)。1.4 微模板成型/交聯(lián)法該方法是先將單體與交聯(lián)劑的水溶液或聚合物水溶液加入到微模板中，然后通過(guò)化學(xué)引發(fā)或光 引發(fā)的方法使微模板中的單體與交聯(lián)劑發(fā)生自由基 聚合反應(yīng)，或使聚合物分子鏈之間產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián)點(diǎn) 或物理交聯(lián)點(diǎn)，最后再將形成的納米水凝膠從微模 板中分離出來(lái)。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是能制備不同 形狀的智能納米水凝膠26。另外，采用該方法能 比較容易地包埋細(xì)胞或其他生物活性組分，尤其是 采用物理交聯(lián)的方法更有利于保持這些生物組分的 活性。不過(guò)受微模板大小的限制，該方法難以制備 尺寸較小的智能納米水凝膠。石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY1342012 年第 41

22、卷制備微模板的方法有多種，其中光刻微模板法是比較常用的方法。該方法是將可形成水凝膠的 單體、交聯(lián)劑或聚合物水溶液與光引發(fā)劑混合后涂 覆在一底板（材質(zhì)一般為聚苯乙烯、硅或玻璃等） 上，再加上一層具有微孔洞的遮擋板，然后用特定 波長(zhǎng)的光照射。光線照在微孔洞上可引發(fā)其中的單 體與交聯(lián)劑發(fā)生自由基聚合反應(yīng)或使聚合物分子 鏈之間形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，最終形成形狀與微孔洞成 互補(bǔ)關(guān)系的水凝膠粒子27。Ito28采用這種方法制 備了一種具有pH刺激響應(yīng)性的納米水凝膠，他采 用四疊氮苯胺修飾的PAA為水凝膠的前體，制得的 納米水凝膠的形狀與所用遮擋板的孔洞形狀成互補(bǔ) 關(guān)系，pH刺激響應(yīng)性與前體中四疊氮苯胺的含量 有關(guān)

23、，這是由于四疊氮苯胺基團(tuán)在光引發(fā)下發(fā)生交 聯(lián)反應(yīng)形成了納米水凝膠的交聯(lián)點(diǎn)。光刻微模板法 最突出的特點(diǎn)是能夠很好地控制納米水凝膠的尺寸 和形狀，用該方法合成的智能納米水凝膠粒徑可小 于200 nm，形狀可以有梯形、棒狀、錐形和箭頭狀 等。不足之處在于設(shè)備昂貴，加工成本高，并且對(duì) 環(huán)境的要求高。 凹槽微模板法與光刻微模板法類(lèi) 似，首先將形成水凝膠的前體水溶液裝入具有凹槽 的微模板中，再采用光照射使其聚合或交聯(lián)形成具 有固定尺寸和形狀的水凝膠粒子29。脂質(zhì)體是由 兩親性的磷脂分子通過(guò)自組裝形成的具有雙層壁結(jié) 構(gòu)的空心囊泡，它的空腔也可作為微模板來(lái)制備智 能納米水凝膠。Hong等30以納米尺寸的脂質(zhì)體

24、內(nèi) 核為模板，首先將海藻酸鈉包覆在脂質(zhì)體的核內(nèi)， 然后加入含Ca2+的水溶液；當(dāng)溶液溫度超過(guò)脂質(zhì)體 的熔點(diǎn)時(shí)，溶液中的Ca2+會(huì)通過(guò)脂質(zhì)體殼層進(jìn)入核 內(nèi)，與海藻酸鈉發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)；加入表面活性劑除 去表面的脂質(zhì)體后得到粒徑為120200 nm的海藻 酸納米水凝膠。該納米水凝膠能根據(jù)溶液中離子強(qiáng) 度的變化而產(chǎn)生響應(yīng)。激響應(yīng)性納米水凝膠目前研究得較多，典型的是由具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的PNIPAM形成的納米水凝膠，它的 VPTT約為33 。負(fù)溫度刺激響應(yīng)性納米水凝膠通 常由在水介質(zhì)中具有LCST的聚合物形成，分子鏈 結(jié)構(gòu)中含有一定比例的疏水基團(tuán)和親水基團(tuán)。當(dāng)環(huán) 境溫度高于VPTT時(shí)，分子鏈中親水基團(tuán)與水分子

25、之間形成的氫鍵發(fā)生斷裂，而分子鏈上疏水基團(tuán)之 間的疏水相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致水分子從納米水凝膠 內(nèi)部排出，從而發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變2。而正溫度刺 激響應(yīng)性納米水凝膠的體積在環(huán)境溫度達(dá)到VPTT 時(shí)隨溫度升高而增大。這類(lèi)溫度刺激響應(yīng)性納米 水凝膠主要有兩種：一種是由在水介質(zhì)中具有最 高臨界溶解溫度的聚合物形成；另一種是基于兩 種不同聚合物之間的弱相互作用（如氫鍵作用） 形成的納米水凝膠，溫度升高會(huì)破壞這種相互作 用15,31-32。目前，關(guān)于正溫度刺激響應(yīng)性納米水 凝膠的研究報(bào)道較少。VPTT及其范圍是溫度刺激響應(yīng)性納米水凝膠 兩個(gè)最重要的性能參數(shù)，它反映了其內(nèi)部聚合物分 子鏈的親疏水性，并且決定了它的使

26、用范圍。通常 采用多種單體共聚的方法來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)溫度刺激響應(yīng)性 納米水凝膠的VPTT。本課題組采用親水的甲基丙 烯酸 - 2 -（N，N - 二甲胺基）乙酯（DMAEMA） 單體與NIPAM和MBA共聚，合成的NIPAM-co- DMAEMA共聚物納米水凝膠的VPTT隨DMAEMA 單元含量的增加而升高33。而疏水性較強(qiáng)的單體 與NIPAM共聚往往比較困難，如Benee等34用月桂 酸乙烯酯與NIPAM共聚合成的溫度刺激響應(yīng)性納 米水凝膠的VPTT與疏水單體的用量關(guān)系不大。原 因是聚合過(guò)程中疏水單體形成的聚合物鏈段由于疏 水相互作用而聚集，形成了納米水凝膠的內(nèi)核，而 PNIPAM位于其殼層，兩種單

27、體沒(méi)有達(dá)到共聚的目 的。本課題組通過(guò)改進(jìn)加料方法使疏水性較強(qiáng)的 丙烯酸叔丁酯單體（tBA）與NIPAM共聚，合成的 NIPAM - co - tBA共聚物納米水凝膠的VPTT在較 寬的范圍內(nèi)隨tBA用量的增加而降低35-36。與大塊溫度刺激響應(yīng)性水凝膠在VPTT下發(fā)生 的非連續(xù)體積相轉(zhuǎn)變相比，溫度刺激響應(yīng)性納米水 凝膠發(fā)生的是連續(xù)的體積相轉(zhuǎn)變，即納米水凝膠的 體積在一定的溫度范圍內(nèi)發(fā)生收縮或膨脹。溫度刺 激響應(yīng)性納米水凝膠的VPTT范圍越寬，意味著它 的溫度刺激響應(yīng)性能越差，對(duì)它的實(shí)際應(yīng)用將產(chǎn)生 不利影響。尤其是通過(guò)單體共聚合成的溫度刺激響 應(yīng)性納米水凝膠，其VPTT的范圍隨共聚單體用量2 智

28、能納米水凝膠的刺激響應(yīng)性能2.1 溫度刺激響應(yīng)性納米水凝膠溫度刺激響應(yīng)性納米水凝膠是當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到特定值時(shí)可發(fā)生體積膨脹或收縮（即所謂體積相 轉(zhuǎn)變）的智能納米水凝膠，該特定溫度稱(chēng)之為它的 VPTT。根據(jù)溫度刺激響應(yīng)性納米水凝膠體積隨溫 度變化的趨勢(shì)不同，可將其分為兩類(lèi)：負(fù)溫度刺激 響應(yīng)性納米水凝膠和正溫度刺激響應(yīng)性納米水凝 膠。負(fù)溫度刺激響應(yīng)性納米水凝膠的體積在環(huán)境溫 度達(dá)到VPTT時(shí)隨溫度升高而減小，這一類(lèi)溫度刺135第 2 期查劉生等 . 等智能納米水凝膠的制備及其刺激響應(yīng)性能和應(yīng)用研究進(jìn)展的增加而明顯變寬。本課題組在前人對(duì)PNIPAM納米水凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了充分研究的基礎(chǔ)上，認(rèn) 為由里

29、到外的不均勻交聯(lián)結(jié)構(gòu)是造成它發(fā)生連續(xù)體 積相轉(zhuǎn)變的主要原因37-39，為此采用半間歇式與 連續(xù)式沉淀聚合工藝或采用自交聯(lián)的辦法合成了 VPTT范圍較窄的PNIPAM納米水凝膠和NIPAM - co - AA共聚物納米水凝膠。通過(guò)研究納米水凝膠 合成過(guò)程中溶脹比隨反應(yīng)時(shí)間的變化關(guān)系，證明 了上述方法合成的PNIPAM納米水凝膠具有比較均 勻的內(nèi)部交聯(lián)結(jié)構(gòu)。另外，本課題組采用鋰蒙脫 石為物理交聯(lián)劑，合成了VPTT范圍較窄的納米水 凝膠40-41，納米水凝膠中剝離的鋰蒙脫石片層以 氫鍵、離子鍵或配位鍵的方式與聚合物分子鏈產(chǎn)生 相互作用，形成的物理交聯(lián)點(diǎn)分布比較均勻。2.2 pH刺激響應(yīng)性納米水凝膠p

30、H刺激響應(yīng)性納米水凝膠是當(dāng)其分散介質(zhì)的pH越過(guò)某一臨界pH（pHc）時(shí)發(fā)生體積突變的智能 納米水凝膠。pH刺激響應(yīng)性納米水凝膠通常由具 有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的帶弱酸性基團(tuán)或弱堿性基團(tuán)的聚電解 質(zhì)形成，也有可能是由同時(shí)帶這兩種基團(tuán)的兩性聚 電解質(zhì)組成。當(dāng)分散介質(zhì)的pH大于弱酸型聚電解 質(zhì)的電離常數(shù)（pKa）時(shí)，其分子鏈側(cè)鏈上的弱酸 性基團(tuán)電離形成帶負(fù)電荷的陰離子基團(tuán)，從而在納 米水凝膠內(nèi)部產(chǎn)生較大的滲透壓，使其發(fā)生溶脹。 而當(dāng)分散介質(zhì)的pH小于弱堿型聚電解質(zhì)的電離常 數(shù)（pKb）時(shí)，則其分子鏈上的弱堿性基團(tuán)接受質(zhì) 子形成帶正電荷的陽(yáng)離子基團(tuán)，同樣由于納米水凝 膠內(nèi)部滲透壓的上升而使其產(chǎn)生溶脹。如以聚乙二

31、醇（PEG）為殼層、交聯(lián)的聚甲基丙烯酸（PMA） 為核的納米水凝膠在分散介質(zhì)pH由5增大到9時(shí)發(fā) 生體積增大，這是由于PMA分子鏈的羧酸基團(tuán)在 該pH范圍內(nèi)發(fā)生電離所致42。如果將上述納米水 凝膠的核換成交聯(lián)的聚乙烯胺（PEI ），那么當(dāng)分 散介質(zhì)的pH從8.5增大到10.0時(shí)，由于PEI分子鏈上 的胺基基團(tuán)去質(zhì)子化，納米水凝膠的體積會(huì)發(fā)生明 顯的收縮43。pHc是pH刺激響應(yīng)性納米水凝膠的關(guān)鍵性能參 數(shù)，它決定了pH刺激響應(yīng)性納米水凝膠的用途或 使用范圍。pHc通常由納米水凝膠內(nèi)懸掛在聚電解 質(zhì)分子鏈上的弱酸性基團(tuán)的pKa值或弱堿性基團(tuán)的 pKb值所決定。聚電解質(zhì)分子鏈中引入疏水基團(tuán)會(huì)響。這

32、一點(diǎn)在pH刺激響應(yīng)性納米水凝膠進(jìn)入人體生理液或病灶部位時(shí)尤其需要考慮。由兩性聚電解質(zhì)構(gòu)成的 pH 刺激響應(yīng)性納米 水凝膠的最主要特征是在水介質(zhì)中存在等電點(diǎn) （IEP），類(lèi)似于蛋白質(zhì)，IEP可由兩性聚電解質(zhì)的 化學(xué)組成來(lái)調(diào)節(jié)。不同于上面介紹的基于弱酸型 或弱堿型聚電解質(zhì)形成的pH刺激響應(yīng)性納米水凝 膠，只要水介質(zhì)的pH偏離兩性聚電解質(zhì)納米水凝 膠的IEP時(shí)，即pH不管是增加還是減小，它都會(huì)發(fā) 生相轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生體積溶脹47。由兩性聚電解質(zhì)形 成的pH刺激響應(yīng)性納米水凝膠還有一個(gè)特點(diǎn)，就 是存在所謂的“反聚電解質(zhì)效應(yīng)”，即納米水凝膠 的體積隨水介質(zhì)離子強(qiáng)度的增加而增大48。這一 點(diǎn)要求我們?cè)谑褂没趦?/p>

33、性聚電解質(zhì)的pH刺激響 應(yīng)性納米水凝膠時(shí)要考慮到環(huán)境的離子強(qiáng)度。由兩 性聚電解質(zhì)形成的納米水凝膠的表面電荷性質(zhì)會(huì)在 分散介質(zhì)的pH越過(guò)IEP時(shí)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，有人利用這一 特性有效地將載藥的pH刺激響應(yīng)性納米水凝膠輸 送到癌細(xì)胞內(nèi)部49。提高pH刺激響應(yīng)性納米水凝膠相轉(zhuǎn)變前后的 體積變化程度一直是近年來(lái)努力的方向。本課題組 采用一步沉淀聚合法使線型PAA和交聯(lián)的PNIPAM 形成具有半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米水凝膠50。該納 米水凝膠具有超強(qiáng)的pH刺激響應(yīng)性，當(dāng)環(huán)境pH從4.0增大到6.0時(shí)，體積可增加125倍。2.3 磁場(chǎng)刺激響應(yīng)性納米水凝膠磁場(chǎng)刺激響應(yīng)性納米水凝膠是含磁性納米粒子（如Fe2O3 或Fe

34、3O4納米粒子）的雜化納米水凝 膠。磁性納米粒子的毒性與其大小、形狀、組成和 表面接枝的功能組分有關(guān)51。磁性納米粒子可通 過(guò)多種乳液聚合法或原位合成技術(shù)包埋在納米水凝 膠中52-54。目前這些方法存在的主要問(wèn)題是難以 確保磁性納米粒子均勻分布在所有納米水凝膠中。 納米水凝膠中磁性納米粒子的含量影響到它的磁場(chǎng) 響應(yīng)性和在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的熱量大小。如果 能形成以磁性納米粒子為核、水凝膠為殼層的具有 核殼結(jié)構(gòu)的納米水凝膠，就能較好地解決這一問(wèn) 題。如Gaharwar等55采用兩步法制備了這種具有 核殼結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)刺激響應(yīng)性納米水凝膠。他們首先 用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)磁性納米粒子表面進(jìn)行改性，使其 表面接

35、枝胺基基團(tuán)，然后通過(guò)部分氧化的HPC分子 鏈上的羧基與磁性納米粒子表面的胺基發(fā)生縮合反 應(yīng)，將具有溫度刺激響應(yīng)性的HPC包覆在磁性納米 粒子表面。44導(dǎo)致pHc發(fā)生改變 。由于水介質(zhì)的離子強(qiáng)度會(huì)影45-46響弱酸性基團(tuán)的pKa值或弱堿性基團(tuán)的pKb值，因此也會(huì)對(duì)pH刺激響應(yīng)性納米水凝膠的pHc產(chǎn)生影石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY1362012 年第 41 卷引入到納米水凝膠的聚合物網(wǎng)絡(luò)中63-65。2.5 分子識(shí)別響應(yīng)性納米水凝膠生物系統(tǒng)能識(shí)別特定的離子或生物分子而產(chǎn)生響應(yīng)，即通過(guò)改變生物大分子的構(gòu)象或重排其 構(gòu)成來(lái)產(chǎn)生特定的生物功能。生物系統(tǒng)的這種分 子識(shí)別響應(yīng)性已

36、被材料科學(xué)家模仿來(lái)制備可識(shí)別 特定生物分子或離子的智能聚合物材料。能識(shí)別葡萄糖66、多肽67、蛋白質(zhì)68或核酸69等生物分子而產(chǎn)生響應(yīng)的智能納米水凝膠是近十年來(lái)的研 究熱點(diǎn)，本課題組就此做過(guò)專(zhuān)門(mén)的評(píng)述70。除了 葡萄糖分子識(shí)別響應(yīng)性納米水凝膠的研究比較活 躍外，其他種類(lèi)的分子識(shí)別響應(yīng)性納米水凝膠的 研究報(bào)道不是很多?？赡苁怯捎谄咸烟欠肿幼R(shí)別 響應(yīng)性納米水凝膠可作為胰島素的給藥載體，能發(fā) 揮人工胰腺的作用，在糖尿病治療方面有誘人的 應(yīng)用前景71。從產(chǎn)生刺激響應(yīng)性的機(jī)理角度來(lái)劃分，目前 葡萄糖分子識(shí)別響應(yīng)性納米水凝膠可分為兩類(lèi)。一 類(lèi)是葡萄糖氧化酶（GOx）和pH刺激響應(yīng)性納米 水凝膠形成的復(fù)合體

37、系72。當(dāng)環(huán)境中的葡萄糖分 子擴(kuò)散進(jìn)入納米水凝膠中與GOx接觸后會(huì)被氧化 成葡萄糖酸，造成納米水凝膠內(nèi)部微環(huán)境的pH下 降，引發(fā)pH刺激響應(yīng)性納米水凝膠發(fā)生體積相轉(zhuǎn) 變，即含GOx的復(fù)合納米水凝膠產(chǎn)生響應(yīng)。另一 類(lèi)葡萄糖分子識(shí)別響應(yīng)性納米水凝膠是基于聚合 物分子鏈側(cè)鏈上苯硼酸（PBA）基團(tuán)與葡萄糖分 子之間的絡(luò)合作用73。PBA基團(tuán)在堿性水溶液中 可與OH- 結(jié)合形成中性疏水態(tài)（結(jié)合OH- 前）和陰 離子親水態(tài)（結(jié)合OH- 后）兩種狀態(tài)之間的平衡。 如果水溶液中存在葡萄糖分子，陰離子親水態(tài)的 PBA基團(tuán)會(huì)與葡萄糖分子發(fā)生絡(luò)合作用，形成穩(wěn)定 性更高的陰離子復(fù)合物基團(tuán)，造成PBA基團(tuán)兩種狀 態(tài)之間

38、的平衡向形成更多的親水態(tài)方向移動(dòng)，導(dǎo)致 含PBA基團(tuán)的聚合物分子鏈的親水性增加，由該 聚合物形成的納米水凝膠將吸水而發(fā)生體積膨脹， 產(chǎn)生體積相轉(zhuǎn)變。后一類(lèi)葡萄糖分子識(shí)別響應(yīng)性 納米水凝膠完全由人工合成材料組成，不存在生 物活性物質(zhì)（如GOx等）失活的問(wèn)題，所以受到 很多關(guān)注74-75。本課題組以NIPAM為主單體、含 PBA基團(tuán)的乙烯基單體為共聚單體，通過(guò)沉淀聚合 法合成了葡萄糖分子識(shí)別響應(yīng)性納米水凝膠76。2.6 多重刺激響應(yīng)性納米水凝膠過(guò)去對(duì)單一刺激（如溫度、 pH 、光和磁場(chǎng) 等）產(chǎn)生響應(yīng)的智能納米水凝膠的研究報(bào)道較多，磁場(chǎng)刺激響應(yīng)性納米水凝膠的刺激響應(yīng)性表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是可通過(guò)外加的

39、永久磁場(chǎng)將納米 水凝膠輸送到特定部位，如將載藥的納米水凝膠輸 送到人體病灶部位56；二是利用磁性納米粒子在 交變磁場(chǎng)作用下可產(chǎn)生熱量的特性，使包埋有磁性 納米粒子的溫度刺激響應(yīng)性納米水凝膠發(fā)生體積 相轉(zhuǎn)變。如Purushotham等57將磁性納米粒子包埋 在PNIPAM納米水凝膠中，在外加交變磁場(chǎng)的作用 下，磁性納米粒子產(chǎn)生的熱量使納米水凝膠的溫度 高于33 ，導(dǎo)致納米水凝膠發(fā)生收縮。另外也可 直接使用磁場(chǎng)刺激響應(yīng)性納米水凝膠在交變磁場(chǎng)作 用下產(chǎn)生的熱量，如用于癌癥的熱治療58。2.4 光刺激響應(yīng)性納米水凝膠光刺激響應(yīng)性納米水凝膠是受到光照后可發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變的智能納米水凝膠。從產(chǎn)生體積相轉(zhuǎn) 變

40、的機(jī)理角度可將它分為兩種類(lèi)型：一種是由含光 活性基團(tuán)（如偶氮苯、螺苯并吡喃和三苯甲烷等） 的光響應(yīng)性聚合物形成，這些活性基團(tuán)受到光照后 構(gòu)型發(fā)生變化或形成帶電荷的基團(tuán)，導(dǎo)致聚合物分 子鏈的構(gòu)象或親疏水性發(fā)生變化，引起納米水凝膠 發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變59-60。比如偶氮苯基團(tuán)是由兩個(gè)苯環(huán)通過(guò)偶氮鍵（NN）連接起來(lái)的光活性基團(tuán)，存在順式和反式兩種異構(gòu)體。當(dāng)受到特定波長(zhǎng)的紫外光照射時(shí)，偶氮苯基團(tuán)的反式異構(gòu)體會(huì)轉(zhuǎn) 變?yōu)轫樖疆悩?gòu)體；當(dāng)受到藍(lán)光照射時(shí)，順式異構(gòu)體 轉(zhuǎn)變?yōu)榉词疆悩?gòu)體。如果偶氮苯基團(tuán)位于形成納米 水凝膠的聚合物分子主鏈上，其順-反異構(gòu)體的轉(zhuǎn) 化會(huì)導(dǎo)致聚合物分子鏈的構(gòu)象發(fā)生明顯變化，從而 引起納米水凝

41、膠發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變。由于引發(fā)這類(lèi)光 刺激響應(yīng)性納米水凝膠發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變的光為紫外 光或波長(zhǎng)較短的藍(lán)光，因此它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng) 用受到很大限制。另一種光刺激響應(yīng)性納米水凝膠是由貴金屬 納米粒子和溫度刺激響應(yīng)性納米水凝膠形成的復(fù)合 體系。當(dāng)這類(lèi)納米水凝膠受到光照時(shí)，其中的貴金 屬納米粒子（如銀納米粒子或金納米粒子等）吸收 光并把它轉(zhuǎn)換成熱量，導(dǎo)致溫度刺激響應(yīng)性納米 水凝膠的溫度超過(guò)它的VPTT，從而發(fā)生體積相轉(zhuǎn) 變。由于金納米粒子吸收的是波長(zhǎng)為700900 nm 的紅外光，而紅外光對(duì)生物細(xì)胞或組織的傷害很 小61-62，且金納米粒子本身的毒性較小，因此含 金納米粒子的光刺激響應(yīng)性納米水凝膠在生物醫(yī)

42、學(xué) 領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。金納米粒子可通過(guò)反相微 乳液聚合法、膠體模板聚合法或原位合成法等方法137第 2 期查劉生等 . 等智能納米水凝膠的制備及其刺激響應(yīng)性能和應(yīng)用研究進(jìn)展近年來(lái)可對(duì)雙重甚至三重刺激產(chǎn)生響應(yīng)的智能納米水凝膠開(kāi)始受到關(guān)注77，其中，研究得最多的是 pH/溫度雙重刺激響應(yīng)性納米水凝膠，這是因?yàn)闇?度與pH是生物和化學(xué)系統(tǒng)中十分重要的兩種環(huán)境條件78。過(guò)去制備多重刺激響應(yīng)性納米水凝膠的方法 是將具有不同刺激響應(yīng)性的聚合物組分通過(guò)無(wú)規(guī)共 聚法79、接枝共聚法80和核殼結(jié)構(gòu)法81等方法引 入到納米水凝膠的聚合物網(wǎng)絡(luò)中。這些方法共同存 在的問(wèn)題就是各刺激響應(yīng)性組分之間有相互干擾的 可能

43、。如無(wú)規(guī)共聚法制備的pH/溫度雙重刺激響應(yīng) 性納米水凝膠網(wǎng)絡(luò)中pH刺激響應(yīng)性組分對(duì)溫度刺 激響應(yīng)性組分有較大的干擾，納米水凝膠的VPTT 受介質(zhì)pH的影響很大。當(dāng)pH刺激響應(yīng)性組分的離 子化程度增大時(shí)，納米水凝膠的VPTT范圍變寬， 溫度刺激響應(yīng)性減弱甚至有可能消失5。為克服 目前雙重刺激響應(yīng)性納米水凝膠存在的缺陷，本課 題組采用兩步聚合法合成了由交聯(lián)的PNIPAM和交 聯(lián)的PAA形成的具有IPN結(jié)構(gòu)的pH/溫度雙重刺激響 應(yīng)性納米水凝膠82。由于納米水凝膠中PNIPAM 聚合物網(wǎng)絡(luò)和PAA聚合物網(wǎng)絡(luò)之間不存在化學(xué)鍵連 接，在化學(xué)結(jié)構(gòu)上保持了相對(duì)的獨(dú)立性，因此這兩 種刺激響應(yīng)性組分之間的相互干

44、擾較小。本課題組 還采用變溫紅外光譜法研究了具有IPN結(jié)構(gòu)的pH/ 溫度雙重刺激響應(yīng)性納米水凝膠發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變 時(shí)分子鏈微環(huán)境的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨水介質(zhì)pH 的增大，PAA分子鏈上的羧酸基團(tuán)離解為羧酸根離 子，導(dǎo)致納米水凝膠發(fā)生響應(yīng)pH變化的體積相轉(zhuǎn) 變83。PNIPAM分子鏈的微環(huán)境隨pH變化較小， 說(shuō)明PNIPAM網(wǎng)絡(luò)保持了相對(duì)獨(dú)立性。本課題組以 改性的二氧化硅膠體粒子為模板，制備了具有pH/ 溫度雙重刺激響應(yīng)性的空心納米水凝膠84。如果 用氨基苯硼酸與該空心納米水凝膠殼層中的羧基進(jìn) 行縮合反應(yīng)，就可在空心微凝膠中引入具有葡萄糖 識(shí)別刺激響應(yīng)性的組分，使空心納米水凝膠具有溫 度/葡萄糖雙重

45、刺激響應(yīng)性85。而且還具有自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）內(nèi)部親水網(wǎng)絡(luò)非常適于裝載及保護(hù)親水的小分子藥物和具有生物活性的大分子藥物；（2）內(nèi)部的化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu) 和表面的親水鏈有利于提高智能納米水凝膠在人 體血液中循環(huán)的穩(wěn)定性，確保它有足夠長(zhǎng)的循環(huán) 時(shí)間到達(dá)病灶部位；（3）藥物的裝載和釋放可通 過(guò)外界刺激來(lái)控制，這樣就能提高藥物的裝載效 率，增加它的生物利用度，減少副作用；（ 4 ） 可利用人體病癥部位和正常部位在某些環(huán)境條件 上的差異（如溫度和pH的不同）將藥物被動(dòng)靶向 到病灶部位，或通過(guò)外部刺激（如磁場(chǎng)等）將藥 物主動(dòng)靶向到病灶部位。因此，近十年來(lái)智能納 米水凝膠在藥物輸送方面的應(yīng)用研究非常活躍， 尤其

46、是用于癌癥治療86。本課題組就智能納米水 凝膠在藥物輸送方面的應(yīng)用做了比較詳細(xì)的介紹 和評(píng)述87，本文受篇幅所限，在此不能贅述，只 結(jié)合本課題組近年來(lái)的研究工作介紹兩個(gè)有代表性 的例子。將模型藥物異硫氰熒光素包埋在具有空心 結(jié)構(gòu)的溫度刺激響應(yīng)性納米水凝膠的空腔中，體外 藥物釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)空心納 米水凝膠的VPTT時(shí)，藥物因水凝膠殼層收縮而難 以釋放；而當(dāng)環(huán)境溫度低于VPTT時(shí)，藥物容易透 過(guò)溶脹的水凝膠殼層而釋放出來(lái)88。本課題組將 具有IPN結(jié)構(gòu)的pH/溫度雙重刺激響應(yīng)性空心納米 水凝膠的環(huán)境溫度控制在4 ，大大低于其VPTT（32.6 ），水溶性模型藥物異煙肼能透過(guò)充分

47、溶脹的殼層進(jìn)入空心納米水凝膠的空腔中，載藥率 接近70%89。體外藥物釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)環(huán) 境溫度高于空心納米水凝膠的VPTT時(shí)，藥物釋放 速率變化不大；而當(dāng)環(huán)境pH由7.4（模擬人體腸道 pH）降到1.2（模擬人體胃液pH）時(shí)，藥物釋放速 率大大加快，表明所研究的pH/溫度雙重刺激響應(yīng) 性空心納米水凝膠適用于胃部靶向給藥。3.2 醫(yī)學(xué)診斷智能納米水凝膠的尺寸比血紅細(xì)胞小得多，可以在血液中自由運(yùn)動(dòng)，因此可將智能納米水凝膠 的水分散液注入人體內(nèi)，以檢查體內(nèi)出現(xiàn)病變的 部位或器官，尤其是有望用于癌癥的診斷。Oishi 等90-91通過(guò)乳液共聚合的方法將含氟基團(tuán)引入到 殼層包覆有PEG親水鏈的pH

48、刺激響應(yīng)性納米水凝 膠的分子鏈中。該納米水凝膠在人體血液中循環(huán) 時(shí)有可能通過(guò)所謂的增強(qiáng)滲透和保留（Enhanced permeability and retention）效應(yīng)到達(dá)癌癥病人的實(shí) 體腫瘤部位。由于實(shí)體腫瘤部位的pH比人體正常3 智能納米水凝膠的應(yīng)用3.1 藥物輸送與可控釋放藥物輸送和可控釋放是目前智能納米水凝膠研究得最多也是最有發(fā)展前景的應(yīng)用方向。用于藥 物輸送的智能納米水凝膠不僅具有其他聚合物納米 粒子的優(yōu)點(diǎn)，如易越過(guò)生物屏障、保護(hù)藥物不受 分解破壞、表面可連接具有靶向作用的配體等，石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY1382012 年第 41 卷部位的pH要

49、低0.41.0，因此可誘導(dǎo)pH刺激響應(yīng)性納米水凝膠發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變，相應(yīng)地其分子鏈上懸掛的含氟基團(tuán)的微環(huán)境和運(yùn)動(dòng)能力也發(fā)生變化。如 果用19F核磁共振波譜儀（19F NMR）來(lái)進(jìn)行探測(cè)， 就會(huì)由于納米水凝膠在人體正常部位和實(shí)體瘤部位 產(chǎn)生的19F NMR信號(hào)強(qiáng)度不同而檢測(cè)出腫瘤部位。 如果是用19F核磁共振成像儀（19F MRI）來(lái)進(jìn)行探 測(cè)，就能從獲得的MRI圖像上區(qū)分出人體正常部位 和實(shí)體腫瘤部位。3.3 生物傳感器單分散性好的智能納米水凝膠可形成具有 三維有序周期結(jié)構(gòu)的膠體晶體。與普通膠體粒子 形成的膠體晶體不同，它能響應(yīng)外界刺激衍射 不同波長(zhǎng)的光，因此非常適合用作生物傳感器。 Lapey

50、re等73 采用沉淀聚合法合成出分子側(cè)鏈含 PBA基團(tuán)的單分散性納米水凝膠，它在生理鹽濃度 條件下有顯著的葡萄糖分子識(shí)別響應(yīng)性。該納米水 凝膠在一定條件下可組裝成膠體晶體，能衍射滿足 Bragg公式的特定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光。當(dāng)環(huán)境中存在葡 萄糖分子時(shí)，由于納米水凝膠能識(shí)別葡萄糖分子而 產(chǎn)生體積變化，造成膠體晶體的晶面間距發(fā)生改 變，因而使衍射光的波長(zhǎng)也發(fā)生變化。葡萄糖濃度 不同，納米水凝膠體積的變化程度也會(huì)不同，最終 形成的衍射光的波長(zhǎng)與環(huán)境中葡萄糖濃度有明顯的 對(duì)應(yīng)關(guān)系。所以這種具有葡萄糖分子識(shí)別響應(yīng)性的 單分散納米水凝膠組裝形成的膠體晶體可作為傳感 器用來(lái)檢測(cè)葡萄糖濃度。如果將智能納米水凝膠在表

51、面非常平整的透 明基材上形成單層膜，也可用作生物傳感器。Lyon 課題組92在這方面做了開(kāi)創(chuàng)性的工作。球形的納 米水凝膠粒子吸附在基材表面會(huì)發(fā)生變形，形成中 心逐漸凸起的微透鏡。微透鏡的焦距由納米水凝膠 的折光指數(shù)和曲率半徑?jīng)Q定。如果納米水凝膠發(fā)生 溶脹或消溶脹都會(huì)改變微透鏡的這兩個(gè)參數(shù)，進(jìn)而 改變它的焦距。因此，用智能納米水凝膠形成的微 透鏡就能響應(yīng)外界刺激而改變焦距，采用光學(xué)顯微 鏡就能觀察到它們的焦距發(fā)生的變化。用這種微透 鏡制作的生物傳感器可檢測(cè)抗生物素或抗生物素蛋白93-94。3.4 智能微反應(yīng)器智能納米水凝膠具有可控的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及含水量高、比表面積大等特點(diǎn)，因此在水介質(zhì)中 作為

52、微反應(yīng)器有利于反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散，提高反 應(yīng)效率，且在反應(yīng)結(jié)束后容易通過(guò)離心分離的方法進(jìn)行回收利用。此外，還可利用外界刺激來(lái)控制反應(yīng)的活性。用智能納米水凝膠作為微反應(yīng)器來(lái)合成 金屬納米粒子或無(wú)機(jī)氧化物納米粒子是目前比較活 躍的研究方向95。納米水凝膠中形成的金屬納米 粒子或無(wú)機(jī)氧化物納米粒子的性能會(huì)響應(yīng)外界刺激 而發(fā)生變化。智能納米水凝膠還可作為催化劑的載體，反 應(yīng)物可進(jìn)入納米水凝膠內(nèi)部，在催化劑的作用下發(fā) 生化學(xué)反應(yīng)，形成的產(chǎn)物可從納米水凝膠中擴(kuò)散出 來(lái)。通過(guò)外界刺激或控制環(huán)境條件，可調(diào)節(jié)納米水 凝膠中催化劑的活性，進(jìn)而控制反應(yīng)速率96。本 課題組最近以PNIPAM納米水凝膠為微反應(yīng)器制備

53、了載有銀納米粒子的溫度刺激響應(yīng)性納米水凝膠， 其中銀納米粒子的粒徑為514 nm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高 可達(dá)25%97。改變環(huán)境溫度能調(diào)節(jié)納米水凝膠中 銀納米粒子催化的硼氫化鈉與硝基苯酚之間發(fā)生的 還原反應(yīng)的速率。3.5 吸附與分離利用智能納米水凝膠發(fā)生相轉(zhuǎn)變前后親疏水性和表面電荷密度的變化以及凝膠網(wǎng)絡(luò)含水量的變 化就可以對(duì)混合物進(jìn)行分離，或使含水體系得到濃 縮。Kikuchi等98系統(tǒng)地介紹了溫度刺激響應(yīng)性聚 合物PNIPAM及其衍生物作為固定相在所謂“綠色 色譜”中用于分離生物活性物質(zhì)的研究。Elaissari 等99合成的表面帶陽(yáng)離子的PNIPAM納米水凝膠可 用于分離蛋白質(zhì)和核酸的混合物。Wu

54、等100采用 NIPAM - co - MAA（MAA為甲基丙烯酸）共聚物 納米水凝膠吸附并分離水溶液的Cu2+，隨納米水凝 膠分子鏈中MAA單元含量的增加，對(duì)Cu2+的吸附 量也逐漸增加。4結(jié)語(yǔ)智能納米水凝膠作為一種新型的納米材料或 智能材料，近年來(lái)發(fā)展得很快，取得了不少有突破 性的研究成果。智能納米水凝膠的制備方法逐漸多 樣化，可根據(jù)合成使用的原料不同或其應(yīng)用要求不 同來(lái)進(jìn)行選擇。一些具有新型刺激響應(yīng)性能的智能 納米水凝膠開(kāi)始嶄露頭角，如分子識(shí)別刺激響應(yīng)性 納米水凝膠和多重刺激響應(yīng)性納米水凝膠。更可喜 的是，智能納米水凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓寬，必 將為其研究發(fā)展帶來(lái)更大的動(dòng)力。參 考 文

55、獻(xiàn)1 Sanson N， Rieger J. Synthesis of Nanogels/Microgels by Con-139第 2 期查劉生等 . 等智能納米水凝膠的制備及其刺激響應(yīng)性能和應(yīng)用研究進(jìn)展ventional and Controlled Radical Crosslinking Copolymeriza-tionJ. Polym Chem，2010，1（7）：965 - 977.Pelton R. Temperature-Sensitive Aqueous Microgels J. AdvColloid Interf Sci，2000，85（1）：1 - 33.Zhang Y

56、an， Zha Liusheng， Fu Shoukuan. The Kinetic Anal-ysis of Poly（N-Isopropylacrylamide-co-Dimethylaminoethyl Methacrylate） Microgel Latexes FormationJ. J Appl Polym Sci，2004，92（2）：839 - 846.Hu Zhibing，Cai Tong，Chi Chenglin. ThermoresponsiveOligo（Ethylene Glycol）-Methacrylate-Based Polymers and Microgels

57、J. Soft Matter，2010，6（10）：2115 - 2123. 張福全，張莉，趙輝鵬，等. pH值對(duì)N - 異丙基丙烯酰胺與 甲基丙烯酸共聚形成微凝膠的影響J. 合成技術(shù)及應(yīng)用，2009，24（4）：14 - 19.蔣小鋒，楊軍，張莉，等. 分散聚合法合成聚（N-異丙基丙烯酰胺）溫敏性微凝膠J. 合成技術(shù)及應(yīng)用，2008，23（1）：26 - 30.Zha Liusheng，Hu Jianghua，Wang Changchun，et al. TheEffect of Electrolyte on the Colloidal Properties of Poly（N- Isopropylacrylamide-co-Dimethylaminoethyl Methacrylate） Microgel LatexesJ. Colloid Polym S