溫度響應(yīng)高分子及其應(yīng)用

溫度響應(yīng)高分子及其應(yīng)用主要內(nèi)容一、溫度響應(yīng)高分子的簡介

二、幾種溫度響應(yīng)高分子的機理三、溫度響應(yīng)高分子的分子設(shè)計四、溫度響應(yīng)高分子的應(yīng)用2一、溫度響應(yīng)高分子簡介溫度響應(yīng)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(xué)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/solution)的溫度。如果聚合物在一個特定的溫度下為一相，當(dāng)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(yīng)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(yīng)高分子的機理

a、基于PNIPAAm和其改性體系響應(yīng)原理Poly(N-isopropylacrylamide)熱力學(xué)解釋△G=△H一T△S1、由于氫鍵的形成,其溶解過程是放熱過程，焓變△H為負(fù)值。2、水分子包裹在分子鏈的疏水部分形成較為規(guī)則的籠子結(jié)構(gòu),致使嫡變△S也為負(fù)值。因此T較小時，△G<0T較大時，△G>0,發(fā)生相變結(jié)構(gòu)組成：疏水部分-----主鏈和異丙基

親水部分------酰胺鍵LCST=32℃4對PNIPAAm的結(jié)構(gòu)進行改變，可以得到不同的PDEAAmb.PCIPAAmc.P(L-HMPMAAm）d.聚（N-丙烯酰-N-烷基哌嗪）Prog.Polym.Sci.32(2007)1083–11225對PNIPAAm進行共聚，可以得到不同的多響應(yīng)性Prog.Polym.Sci.32(2007)1275–13436對局部官能團的改變，修飾LCSTJournalofPolymerScience:PartA:PolymerChemistry,Vol.47,3544–3557(2009)7b、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(yīng)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(dǎo)致膠束似晶格密堆積。調(diào)節(jié)這類聚合物L(fēng)CST的方法主要有兩種：一、改變EO和PO的比例，如P105(EO37–PO56–EO37)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

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(yīng)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(dǎo)了聚集而形成物理交聯(lián)，最終導(dǎo)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(yīng)過程中的變換圖GelViscousLiquid10三、溫度響應(yīng)高分子的分子設(shè)計a、調(diào)整聚合物的結(jié)構(gòu)AnnakaM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)

Thechangeinmicroenvironmentofthecomb-typePNIPAAmgelduetoatemperaturejumprevealedthatitwasalteredhydrophobicallymorethan10timesfasterthanthelineartypePNIPAAmgel.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

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OkabeS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(yīng)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14四、溫度響應(yīng)高分子的應(yīng)用

應(yīng)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

T>LCST

T<LCST

因此溫度這類聚合物在很多方面都有廣泛的應(yīng)用，如溶液分離、蛋白質(zhì)的提純、靶向治療、細(xì)胞培養(yǎng)皿的設(shè)計、微尺度的制動器等。親水疏水宏觀上微觀上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(yīng)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(yīng)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=37±0.5℃zero-orderkineticdrugreleasepatternSchematicrepresentationofthetemperature-dependentencapsulationofBSAinmicrogelparticlesMG1.JBiomedMaterResPartA2013:101A:2015–202617c.蛋白質(zhì)分離在溫度響應(yīng)聚合物用特殊的偶聯(lián)配體修飾，通過目標(biāo)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(biāo)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(yīng)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(xì)胞培養(yǎng)皿一般哺乳動物細(xì)胞需要在疏水基體上培養(yǎng)，分離一般用酶，會破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。哺乳動物細(xì)胞的培養(yǎng)可以在表面有溫度響應(yīng)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(xì)胞從基體上分離。SchematicofcellsheetengineeringusingapNIPAM-grafteddish.21e.微流量的自動控制微尺度的制動器可以響應(yīng)環(huán)境的刺激來控制流速，在微流道中設(shè)置刺激響應(yīng)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(yīng)PH、溫度、葡萄糖濃度等然后自動調(diào)節(jié)流速，而不需要外部能量的輸入。