溫度響應高分子及其應用

1、溫度響應高分子及其應用溫度響應高分子及其應用 匯報人：姜道義 2013 11 21 主要內(nèi)容 一、溫度響應高分子的簡介一、溫度響應高分子的簡介 二、幾種溫度響應高分子的機理二、幾種溫度響應高分子的機理 三、三、溫度響應高分子的分子設計溫度響應高分子的分子設計 四、溫度響應高分子的應用四、溫度響應高分子的應用2一、溫度響應高分子簡介一、溫度響應高分子簡介溫度響應高分子 外界環(huán)境溫度微小變化可以使得高分子的物理、化學等性質(zhì)發(fā)生相對大的改變或者突變的一類高分子。 臨界溶解溫度是指聚合物相和溶液相發(fā)生不連續(xù)改變時(例如swelling/deswelling、sol/gel、precipitation/

2、solution)的溫度。如果聚合物在一個特定的溫度下為一相，當高于這個溫度時發(fā)生相分離，這類聚合物存在低臨界溶解溫度（LCST）。 溫度響應高分子主要有： 一、基于PNIPAAm和其改性的體系 二、基于兩親平衡的嵌段共聚物 三、生物大分子或者人工結(jié)成的多肽 3二、幾種溫度響應高分子的機理二、幾種溫度響應高分子的機理 a、基于、基于PNIPAAm和其改性體系和其改性體系響應原理響應原理*CONHnPoly(N-isopropylacrylamide)熱力學解釋熱力學解釋G=G=H H一一T TS S1、由于氫鍵的形成,其溶解過程是放熱過程，焓變H為負值。2、水分子包裹在分子鏈的疏水部分形成較為

3、規(guī)則的籠子結(jié)構(gòu),致使嫡變S也為負值。因此 T較小時， G0,發(fā)生相變結(jié)構(gòu)組成：疏水部分結(jié)構(gòu)組成：疏水部分-主鏈和異丙基主鏈和異丙基 親水部分親水部分-酰胺鍵酰胺鍵 LCST=324 對PNIPAAm的結(jié)構(gòu)進行改變，可以得到不同的a. PDEAAmb. PCIPAAmc.P(L-HMPMAAm）d.聚（N-丙烯酰-N-烷基哌嗪）Prog. Polym. Sci. 32 (2007) 108311225對PNIPAAm進行共聚，可以得到不同的多響應性Prog. Polym. Sci. 32 (2007) 127513436對局部官能團的改變，修飾LCSTJournal of Polymer Sci

4、ence: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 47, 35443557 (2009)7b、基于兩親平衡的嵌段共聚物、基于兩親平衡的嵌段共聚物 一系列的兩親嵌段共聚物據(jù)報道都有溫度響應微凝膠化行為，在高于臨界膠凝溫度形成水凝膠。最典型的就是PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物，在相對高濃度的情況下，其溶液-凝膠相轉(zhuǎn)變溫度在體相溫度之下，而其凝膠-溶液相轉(zhuǎn)變溫度卻大約50。 其溶液-凝膠轉(zhuǎn)變機理：溫度的改變，會造成凝膠體積的改變，隨著微凝膠體積的改變，這會導致膠束似晶格密堆積。調(diào)節(jié)這類聚合物LCST的方法主要有兩種：一、改變EO和PO的比例，如P105 (EO37PO5

5、6EO37)的LCST約為91 二、將其中的一種物質(zhì)或者兩種用其他物質(zhì)取代，如疏水基團用BO取代8c、生物大分子和人工合成多肽、生物大分子和人工合成多肽 一些生物高分子像明膠、瓊脂糖、結(jié)冷芐酯已經(jīng)報道也存在溫度響應性。結(jié)冷膠，多糖及其衍生物像結(jié)冷芐酯在水溶液體系中通過氫鍵形成雙螺旋構(gòu)象。由于疏水作用，雙螺旋結(jié)構(gòu)主導了聚集而形成物理交聯(lián)，最終導致凝膠化。明膠有著不同的凝膠化機理，本質(zhì)上是由于明膠是一種通過破壞三螺旋結(jié)構(gòu)的膠原形成單串的蛋白質(zhì)。 這類膠體一般都是一種可逆的水凝膠。9生物大分子在溫度響應過程中的變換圖 Gel Viscous Liquid10三、溫度響應高分子的分子設計三、溫度響應高

6、分子的分子設計a、調(diào)整聚合物的結(jié)構(gòu)、調(diào)整聚合物的結(jié)構(gòu) Annaka M等人將交聯(lián)后的PNIPAAm凝膠上接枝短的疏水鏈段得到梳型的交聯(lián)的凝膠，研究發(fā)現(xiàn) The changein microenvironment of the comb-type PNIPAAm gel due to a temperature jump revealed that it was altered hydrophobically more than 10 times faster than the linear type PNIPAAm gel. 通過交聯(lián)得到的梳型交聯(lián)的凝膠示意圖11Tb、改變共聚物中組分的不同、

7、改變共聚物中組分的不同 共聚物中由于含有AAm(親水部分)和N-tBAAm(疏水部分)，其LCST的影響受到親水和疏水組成控制。12c、調(diào)節(jié)溶液的濃度、調(diào)節(jié)溶液的濃度 Okabe S 等用聚(2-乙氧基乙酯乙烯醚-b-2-羥乙基乙烯基醚)研究溫度響應是發(fā)現(xiàn)不同的溶液濃度可以使得兩親性的物質(zhì)在水中呈現(xiàn)不同的形態(tài)。13d、制備核殼結(jié)構(gòu)的凝膠、制備核殼結(jié)構(gòu)的凝膠14四、溫度響應高分子的應用四、溫度響應高分子的應用 應用理論依據(jù)主要有兩個 可逆親疏水轉(zhuǎn)變 溶解-沉淀等相轉(zhuǎn)變 TLCST TLCST 因此溫度這類聚合物在很多方面都有廣泛的應用，如溶液分離、蛋白質(zhì)的提純、靶向治療、細胞培養(yǎng)皿的設計、微尺度

8、的制動器等。宏觀上微觀上15a.溶液的分離16b.對局部過熱的靶向藥物釋放 已經(jīng)有兩種基因載體制備的方法：一、可溶的溫度響應聚合物載體在體溫條件下攜帶陰離子DNA或者疏水抗病毒藥物，在溫度過高區(qū)釋放。二、溫度響應聚合物形成的膠束或者納米凝膠作為攜帶這些藥物的容器在體溫穩(wěn)定，在高溫區(qū)釋放。LCST=370.5zero-order kinetic drug release pattern Schematic representation of the temperature-dependent encapsulation of BSA in microgel particles MG1.J Bio

9、med Mater Res Part A 2013:101A:2015202617c.蛋白質(zhì)分離 在溫度響應聚合物用特殊的偶聯(lián)配體修飾，通過目標蛋白質(zhì)與配體的親和力實現(xiàn)蛋白質(zhì)水溶液的分離提純。一旦目標蛋白吸附在配體上，聚合物體系的疏水親水性的可逆改變可以將蛋白質(zhì)從配體上拆分下來。一種方法是蛋白質(zhì)與配體結(jié)合后，在高于LCST時，溫度響應聚合物發(fā)生沉淀。一種方法是將配體聚合物接枝到過濾柱的顆粒上，流動的蛋白質(zhì)溶液經(jīng)過過濾柱時吸附在配體上。18合成純化與分離過程reuseBiomacromolecules,2006, 7, 1124-113019ELP提純蛋白質(zhì)示意圖20d,細胞培養(yǎng)皿 一般哺乳動物

10、細胞需要在疏水基體上培養(yǎng)，分離一般用酶，會破壞細胞結(jié)構(gòu)。 哺乳動物細胞的培養(yǎng)可以在表面有溫度響應層的表面皿中培養(yǎng)。 不需要使用具有破壞性的酶，PNIPAAm接枝到基體表面上可以通過改變表面的疏水性方便安全地實現(xiàn)細胞從基體上分離。Schematic of cell sheet engineering using a pNIPAM-grafted dish.21e.微流量的自動控制 微尺度的制動器可以響應環(huán)境的刺激來控制流速，在微流道中設置刺激響應水凝膠閥。微流道中可以通過印刷技術(shù)改造，在流道充滿聚合單體（丙烯酸和2-羥乙基甲基丙烯酸酯）進行光聚合。微流道中的水凝膠可以感應PH、溫度、葡萄糖濃度等然后自動調(diào)節(jié)流速，而不需要外部