综述
日本女性的生活地位
聚(N -异丙基丙烯酰胺)类热敏材料的研究进展Ξ
胡 晖ΞΞ, 范晓东ΞΞΞ
(西北工业大学化学工程系，陕西西安 710072)摘要: 从均聚物、共聚物及接枝改性三方面对聚(N -异丙基丙烯酰胺)类热敏高分子材料的最新研究进展进行了综述。简述了其热敏机理以及这种热敏材料在生物医学工程中的应用。 中图分类号: 063 文献标识码: A 文章编号: 1008-9357(2000)04-0461-08
1 前言IPAm ，其大分子链上同时具有亲水性的酰胺基和疏水性的异丙PN IPAm 水凝胶呈现出温度敏感特性。在常温下，线型PN I 230℃～35℃之间时，溶液发生相分离，表现出最低临界，就成为PN IPAm 水凝。这种由温度敏感性而引起高聚物产生的智能型和记忆效应引起了人们很大的兴趣〔1-4〕。在对PN IPAm 的研究中，人们最关心的一个问题是PN IPAm 产生这种热敏特性的机理，这也是当前对PN IP Am 研究的一个重点。目前较容易被人接受的观点是:PN IPAm 分子内具有一定比例的疏水和亲水基团，它们与水在分子内、分子间会产生相互作用。在低温时,PN IPAm 与水之间的相互作用主要是酰胺基团与水分子间氢键的作用。PN IPAm 分子链在LCST 以下溶于水时，由于氢键及范德华力的作用，大分子链周围的水分子将形成一种由氢键连接的、有序化程度较高的溶剂化壳层。随着温度上升,PN IPAm 与水的相互作用参数突变，其分子内及大分子间疏水相互作用加强，形成疏水层，部分氢键被破坏，大分子链疏水部分的溶剂化层被破坏，水分子从溶剂化层的排出表现为相变，产生热敏性。PN IPAm 的水凝胶热敏性相转变是由交联网络的亲水性
/疏水性平衡受外界条件变化而引起的，是大分子链构象变化的表现〔1,5-7〕。虽然人们对热敏的机理已
有初步的认识，但就疏水基团相互作用机理及其与相转变温度的关系而言，定量方面尚有许多问题有待澄清。本文将从PN IPAm 均聚物、共聚物及接枝改性这三方面对此类热敏性高分子材料的最新研究进展作一较全面的综述。
2 PNIPAm 均聚物的合成与表征
2.1 PNIPAm 均聚物的合成
线型均聚PN IPAm 热敏高聚物的合成可采用我们熟知的聚合方法：本体聚合，溶液聚合，悬浮聚
合，以及乳液聚合〔8〕。一般来说，溶液聚合方便易行，常常采用有机溶剂中自由基引发聚合和水介质中
氧化还原引发聚合的方法〔9〕。伊敏〔10〕等人还采用γ射线辐射合成了PN IPAm 线型均聚物。在PN I 2
PAm 的合成过程中加入交联剂，则可以得到PN IPAm 凝胶。不使用交联剂，通过紫外线、放射线、电子射线、等离子体等射线引发交联，也可以得到PN IPAm 凝胶。优点在于：操作简单，交联度可通过辐射
Vol.132000年12月 功 能 高 分 子 学 报Journal of Functional Polymers No.4Dec.2000ΞΞΞΞΞΞ通讯联系人
作者简介：胡晖(1972～)，男，江西南昌人，在读博士生，研究方向：热敏生物医学高分子材料。
收稿日期:2000-06-07
条件来控制，且不污染产品。近来报道得较多的是将PN IPAm 水凝胶制成微球，常用的方法是采用十二烷基磺酸钠、氯化三甲基十八烷基铵、聚丙烯酸钠盐等作为乳化剂，在强烈搅拌下进行乳液聚合而
成〔11〕。最近，郭振良〔12-13〕以偶氮二异为引发剂，在琥珀酸双(2-乙基己酯)磺酸钠、甲苯、N I 2PAm 、水组成的微乳液中，通过微乳液聚合制备了未交联及交联的PN IPAm 超细微粒，粒径约0.1μm 。另外，采用沉淀聚合法也可以得到凝胶微球。
2.2 PNIPAm 均聚物的表征
对PN IPAm 均聚物的表征，目前研究工作主要从两方面来开展：即从一个新的角度来研究，和运用新的技术来研究。
Shigeo Sasaki 〔14〕等人从化学势的角度对PN IPAm 进行了研究，通过分析不同无机和有机助剂对于
PN IPAm 凝胶的体积相转变的影响，发现水的化学势与凝胶的体积相转变密切相关，凝胶的溶胀行为
可用水分子的化学势与它在相转变点处化学势的差值很好地表征。A.K.Lele 〔15〕等人从水的角度对
PN IPAm 进行了研究，认为PN IPAm 中的水存在两种状态：一种是完全游离的水，其热力学行为与纯水一样；另一种是与聚合物链亲水基团通过氢键连结的，称之为结合水。他们提出一种扩展格子-流体-
氢键(L FHB )模型，定量地预测了PN IPAm 凝胶在发生体积变化全过程中结合水的变化。王平〔16〕首次
用图像处理技术对PN IPAm 凝胶在不同工况下的数据进行了采集处理，得到了凝胶的各种溶胀曲线和动力学曲线，为凝胶溶胀特性的测定开发了一种新的方法。
Shanyang Lin 〔17〕采用一种新的红外光谱技术(A TR/F T -IR )研究PN IPAm 水溶液中的分子相互
作用，可以定量地表明：在LCST 以下，分子间相互作用主要在水与PN IPAm 间发生；在LCST 以上,PN IPAm 分子间氢键的作用占总的分子间作用的70%，甲基基团的疏水相互作用增长了1.5倍，引发了体系的聚集沉淀。Rainer Appel 〔18〕等人采用拉曼光谱测试乳液聚合的大孔PN IPAm 水凝胶网络结构，认为它是由富水区(孔洞)和富聚合物区组成，测得室温下它们的平均尺寸为75μm 和20μm ，并研究了它们随温度变化的情况。Kenji Ito 〔19〕等人采用正电子湮灭寿命光谱研究了PN IPAm 水凝胶自由体积的平均尺寸、浓度、大小分布与微观结构的关系。发现在LCST 以下，凝胶的平均自由体积半径为
均一的0.28nm ，但在皱缩状态却有两种自由体积半径0.18nm 和0.33nm 。Xu Zheng 〔20〕研究了分子
雷经天量大小和分子量分布不同的PN IPAm 水溶液的LCST ，发现LCST 随分子量增大稍有增加，分子量分布会改变浊点曲线的形状。动态力学性能试验表明，相分离时，分子间的疏水结合形成物理交联点，均一的液态变成悬浮的粘弹微凝胶。Suetoh 〔21〕通过DSC 定量地研究了PN IPAm 凝胶的脱水作用，发现凝胶的热性能和它的处理过程有很大的关系。用不同方法处理的两种水凝胶有着不同的吸热峰和脱水作用焓，相图也明显不同。
光散射以及核磁共振技术在PN IPAm 的研究中应用非常广泛。Tomohisa Norisuye 〔22〕等人采用光
散射监测了PN IPAm 凝胶及线型聚合物的合成过程。在60°观察了散射强度与聚合时间的关系，发现当t ≈20min 时，散射强度剧升，然后达到一个有较大波动的平台。但以上现象在单体浓度小于88
mmol/L 时则没有，此时即使有交联剂，也不形成凝胶。Tadashi Tokuhiro 〔23〕通过核磁共振光谱研究了
非离子型和离子型PN IPAm 水凝胶，发现水凝胶随温度上升会经历非连续的第一相转变和连续的第二相转变，这与PN IPAm 高聚物在水中只有一次相转变明显不同。他们从分子角度表征了PN IPAm 主链和侧链基团的运动和周围状况。Fang Zeng 〔24-27〕等通过对PN IPAm/CDCl 3和PN IPAm/D 2O 两种溶液核磁共振光谱的研究发现:PN IPAm/CDCl 3溶液在从16℃升至36℃时是均一的，但酰胺的氢键作用会变弱直至消失;PN IPAm/D 2O 溶液在温度上升时，有水分子从PN IPAm 聚合物亲水层中溢出。
通过光散射、核磁共振等试验发现：水溶液中PN IPAm 异丙基中的甲基释放速率随温度的增加而减小，表明由于疏水结合，其运动受到了限制。当溶液浓度高于一限定值，疏水结合引起分子间的聚集，成为物理
交联点，形成网络结构。分子量和溶液浓度对网络结构形成有很大作用。吴奇〔28-33〕利用静态和动态
光散射相结合的方法，系统地研究了单根PN IPAm 线性长链在无规线团和蜷曲球两个状态之间的转变和球型微凝胶的体积相变。首次在实验上证明一根均聚物长链可以蜷曲成一个稳定的蜷曲单链球以及在无规线团到蜷曲球两个状态之间存在两个热力学稳定态。动力学研究结果否定了蜷曲球内存在高度链缠结的假说，提出了与疏水作用不同的新的溶胀收缩机理。Noriyuki Tanaka 〔34〕等采用核磁共振研究
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了PN IPAm 水凝胶中水的动力学过程，测试了不同溶胀比的凝胶中重水(包括少量HDO )中HDO 的自扩散系数(D HDO )，发现它也可以表征相转变温度。
此外,Toshikazu 〔35〕等研究了PN IPAm 水凝胶在相转变后的收缩动力学，发现缓慢收缩的松弛时间
(τA )和达到完全均一的时间(t a )都很长，但两者的比值却是保持恒定的。
周啸〔3〕研究指出：表观二级动力学方程可以很好地描述水凝胶的溶胀和消溶胀动力学。
3 PNIPAm 共聚物的合成与表征
PN IPAm 共聚物的合成与均聚物的合成并无很大差别。若采用溶液聚合，则以所需比例的单体溶
于溶剂后即可进行聚合，一般不需特别处理〔8〕。用γ辐射共聚也是一个可行的方法，姜桂林〔36〕等在这
方面作了研究。
合成新型PN IPAm 共聚物的主要目的在于:①改变组分从而改变共聚物中亲、疏水比例，进一步探索热敏的机理，改变LCST 以扩大应用温度范围，研究结构与性能的关系。②扩大共聚物的应用功能，使其不仅具有热敏性，还具有如对p H 、光等敏感的功能。下面分类综述其最新研究进展。
3.1 结构与性能的关系
J u Zhang 〔37〕研究了一系列组分比(100∶0～0∶100)的N IPAm 和丙烯酰胺共聚物、均聚物。通过测
量表面张力、浊点及相变焓，发现PN IPAm 均聚物有最低表面张力，随丙烯酰胺含量的增大，表面张力增大，并到一个模型可以计算共聚物的表面张力。
Mei Li 〔38〕合成了用氟碳组分共聚改性的PN IPAm ，采用荧光光谱法研究了PN IPAm 共聚的疏水结
合，并到了理想的荧光指示剂，可以有效地对疏水结合作用进行研究表征。Yubao Zhang 〔39〕也研究了
少量含氟碳单体改性的PN IPAm 聚合物，发现当平均每个共聚物上有两个以上氟碳单体时，链内的聚集就很易发生。
Mathias Hahn 〔40〕采用不同的阳离子、阴离子及两性离子通过自由聚合与N IPAm 共聚，得到一系列
不同分子基团及电荷密度的产物，在不同溶液中运用光散射等方法测试了共聚物的热敏性。发现阳离子共聚物LCST 变化不大，但阴离子和两性离子共聚物的LCST 明显增大，在NaCl 溶液中相分离的现象格外明显。
Mitsuhiro Shibayama 〔41〕利用DDS 和溶胀试验，测试了PN IPAm/丙烯酸、PN IPAm/二甲基丙烯
酰
胺共聚物两种体系的解疏水缔合作用焓(ΔH N )，相转变温度(T C )及每个N IPAm 分子连接水的数目(n )。发现两个体系的ΔH N 和T C 存在很大差异,ΔH N 都随共聚组分的增加而减小,n 与组分没有太大关系。并发现丙烯酸的共聚物相变是不连续的，而二甲基丙烯酰胺共聚物的相变是连续的。
Ricardo 〔42〕应用正电子湮灭寿命光谱测试了一系列不同组分N IPAm/丙烯酰胺聚合物凝胶的自由
体积半径，发现随丙烯酰胺组分的增大，自由体积半径减小。研究表明改变聚合物的相互作用可控制PN IPAm 凝胶内的空隙率。
Noriyuki Kuramoto 〔43〕制备了N IPAm 与乙烯基二茂铁的共聚物，其LCST 随二茂铁的含量增加而
李瑞海下降。但对二茂铁氧化则LCST 会剧增，因为此时的二茂铁基团由疏水性变成亲水性，并且这个过程是可逆的。两次LCST 的变化幅度随二茂铁含量的增加而增加。
Yan Liu 〔44〕合成了不同组分的PN IPAm 与丙烯酸钠和甲基丙烯酸钠的共聚物水凝胶，发现两种水
凝胶都具有可逆的热敏性，溶胀率是连续的，有着低组分含钠单体的水凝胶才表现出LCST ，且发现强电解质的加入提高了凝胶的吸水性。
Hyun Seok Choi 〔45〕合成了不同组分比的N IPAm 、乙基(N -丙烯基)甘氨酸(ENA G )共聚物亚微粒
凝胶，采用光子相关光谱研究了它们的溶胀行为，发现共聚物凝胶的LCST 随ENA G 组分的增加而降低。从Flory -Huggins 理论和Flory -Rehner 理论出发，提出一种可很好地预测共聚物水凝胶溶胀行为的模型。
史向阳〔46-50〕合成了一系列N IPAm 和长链丙烯酸酯及丙烯酸胆固醇酯的共聚物，证实了该类共聚物在水溶液中能形成胶束，且形成的都是相类同的胶束内核，发现共聚物的LCST 随组分的变化不明
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显，但都比均聚PN IPAm 的低。利用荧光探针法和L -B 技术研究了N IPAm 和丙烯酸十八酯的共聚物热敏现象，并研究了用这种共聚物包覆的脂质体的温控释放行为。
Bhalerao 〔51〕采用γ-射线技术制备了PN IPAm 与聚环氧乙烷共聚物的水凝胶，这种水凝胶可制成
任意形状、尺寸，溶胀时还具有很好的机械强度，具有很大的应用潜力。
3.2 结构与功能的关系
许多研究人员对既对p H 敏感又具热敏的共聚物非常感兴趣。Etsuo K okufuta 〔52〕合成了四种不同
结构的P (N IPAm/AAc )凝胶，测试了在p H =3和p H =10时，凝胶的膨胀及与温度的关系，发现电荷分布对凝胶的膨胀行为有很大影响。这一结论不能用传统的渗透压理论来解释，但用交联PN IPAm 疏水结合导致微观相分离的理论则可以解释。另外，试验表明羧基和酰胺之间的氢键在p H =3时对凝胶的收缩有很大的影响。Mi Kyong Y oo 〔53〕研究发现:N IPAm -co -AAc 共聚物的浊点受p H 值、丙烯酸含量、聚合物电解质溶液的种类强烈影响，从疏水性角度出发，分析了聚合物电解质对PN IPAm 共聚物
LCST 产生不同影响的原因。卓仁禧〔54〕合成了聚(丙烯酸)/PN IPAm 互穿聚合物网络水凝胶，并研究
了在酸、碱条件下凝胶溶胀率随温度变化的不同趋势，该水凝胶在弱碱性条件下的溶胀率远大于酸性条
件下的溶胀率。Jing Zhang 〔55〕研究了聚甲基丙烯酸/PN IPAm 互穿网络结构，发现两种组分有着相对独
立的热敏和p H 敏感性。膜的渗透率测试表明：温度和p H 值对渗透率有很大的影响，不同大小的药物透过膜时存在明显的尺寸排除现象。
Megan Spafford 〔56〕制备了一个新型的p H 敏感且热敏的共聚物，其中N IPAm 起热敏作用，甘氨酸
链段起p H 敏的作用。这种聚合物被证明对脂质体包覆的染料释放具有很好的调节作用。
Takashi Aoki 〔57〕采用3-丙烯酰胺苯基硼酸、N -(3-二甲基氨丙基)丙烯酰胺与N IPAm 共聚，与e-r图
纯PN IPAm 相比高分子主链上多了苯基基团和氨基基团，使其有了对葡萄糖的敏感性：增加葡萄糖浓度则共聚物的LCST 降低，从而可以通过改变外界葡萄糖的浓度来改变共聚物的LCST 。这种共聚物可制成对葡萄糖的灵敏元件，应用于对葡萄糖敏感的胰岛素的控制释放很有前途。
史向阳〔58〕合成了N IPAm 和丙烯酰胺基偶氮苯的共聚物，发现侧基含有偶氮苯基的水溶性共聚物
包覆的脂质体具有明显的光控释放性能。丁小斌〔59〕研究了在醇/水溶剂中、四氧化三铁磁流体存在下,
采用分散聚合法，通过苯乙烯与N IPAm 共聚合成Fe 3O 4/P (St -N IPAm )微球，该产物除具有磁分离特性外，同时还具有了热敏特性。
4 PNIPAm 的接枝改性
PN IPAm 聚合物也有许多弱点，机械性能差是其中之一。将N IPAm 接枝到有机械强度的基材上，其应用范围可以大为扩大。同时，在PN IPAm 高聚物上接枝其它功能基团，也可以改变它的物理性能，扩大应用范围。实现接枝反应最常用的方法是采用化学偶联剂和辐射技术。
Mingzhen Wang 〔60〕等人把PN IPAm 通过戊二醛接枝到甲壳素上，得到一种新型的凝胶。发现
blast2go
PN IPAm 的引入对纯甲壳素凝胶的凝胶速率、溶胀比等性能几乎没有影响，甚至在PN IPAm 的含量占总量的25%时也是这样。但此水凝胶明显具有了热敏性能，在30℃以下透明，在32℃以上变浊。
Takamasa Nonaka 〔61〕等人研究了N IPAm -甲基丙烯酸共聚物接枝于PVA 上，测定在不同的温度下膜
的膨胀率，发现该膜对温度的依赖性不同于PVA -g -N IPAm 膜，从内部结构上分析了两种共聚物膜存在不同膨胀行为的原因。李亦文〔62〕在PVA 表面辐射接枝N IPAm ，考察对比了PVA 和PVA -g -N IPAm 两种材料的细胞相对增殖度值和对细胞形态学的影响，从细胞相容性的角度肯定了对PVA 的
智能化改性。Liang Liang 〔63〕用硅烷偶联剂处理玻璃表面，在其上通过紫外光接枝交联PN IPAm ，得到
小于320nm 的PN IPAm 层，从而使玻璃表面在低温(<30℃
)表现为亲水性，在高温(>40℃)表现为疏水性，其相转变温度大约在35℃，范围为8℃。李军、翟茂林〔64-67〕采用辐射技术把PN IPAm 接枝在
棉纤维、PVA 膜、硅橡胶膜上，研究了接枝工艺、机理及产物的热敏性能，为它们的应用作了理论研究。
Guohua Chen 〔68〕等人采用两种途径把热敏的PN IPAm 接枝于对p H 敏感的聚丙烯酸主链上，在宽
广的范围内都具有热敏性，从而得到了一种既p H 敏感又热敏的高聚物。Alain Ourand 〔69〕采用二步法
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合成了聚丙烯酸上接枝PN IPAm 的高聚物，其水溶液在温度高于PN IPAm 的LCST 时，粘度有很大的提高，对不同的物理化学参数(共聚物浓度、切变速率)和结构特性(支链长度)影响升温变稠的行为进行了研究。
Guoping Chen 〔70〕通过在PN IPAm 端基和支链上接上感光基团，使其能在光作用下发生化学反应交
联，得到水凝胶。这样通过光刻法就可以简单且有效地控制水凝胶的微观结构。Yuzo Kaneko 〔71〕把聚
氧化乙烯接枝到PN IPAm 水凝胶上，发现此水凝胶在相转变温度以上时，可在10min 内完成收缩，而
PN IPAm 凝胶则需要一个月才行。Janne Virtanen 〔72〕研究了在不同条件下，把聚氧化乙烯接枝到PN I 2
PAm 上。发现接枝上的聚氧化乙烯量和溶液浓度决定了接枝产物水溶液的热行为。Durand 〔73〕研究了
聚丙烯酸钠、聚丙烯酸接枝于PN IPAm 的聚合物在水溶液中，盐、葡萄糖、己醇、表面活性剂等的加入对升温变稠现象的影响，发现通过改变外部的条件可控制接枝聚合物的升温变稠行为。
5 PNIPAm 在生物医学工程中的应用
PN IPAm 聚合物及水凝胶由于它的温度敏感性而具有良好的应用前景。近年来，国内外对它的应用和开发作了许多研究工作，许多文献〔2,8,11〕在这方面作了报道，在此只着重谈论在生物医学工程上的几点应用:
5.1 药物的控释
利用PN IPAm 凝胶对药物进行控制释放有三种模式：一是低温时将PN IPAm 水凝胶放入药物溶液中溶胀吸附药物，高温则发生收缩向外排出药物的方式；二是开-关模式，在LCST 以上时，水凝胶的表面会收缩形成一个薄的，致密的皮层，阻止水凝胶内部的水分和药物向外释放，即处于“关”的状态。而当温度低于LCST 时皮层溶胀消失，水凝胶处于“开”的状态，内部药物以自由扩散的形式向外恒速释放；三也是“开-关”模式，但与上面的作用正好相反,PN IPAm 以支链形式存在于接枝聚合物微球中，在LCST 以下，接枝链在水中舒展开来，彼此交叉覆盖，阻塞了微球的孔洞，被包封的药物扩散受阻，处于“关”状态；温度在LCST 以上时，接枝链自身收缩，孔洞显现出来，使药物顺利扩散到水中，处于“开”
状态〔74〕。
5.2 酶的固定
用PN IPAm 固定化酶，能制备出对温度敏感的溶解-非溶解固定化酶，易于分离，又能重复使用，酶的稳定性也增加。Hosshino 研究了固定化淀粉酶,Hoffman 研究了固定天冬酰胺酶，卓仁禧在将糜蛋白酶、蜗牛酶、嗜热菌蛋白酶固定在PN IPAm 上及应用方面作了大量研究〔11,75-76〕。
5.3 免疫分析
采用PN IPAm 作载体而建立的免疫分析方法具有均相免疫分析速度快和异相免疫分析灵敏度高的特点。周平〔77〕将单克隆抗体与PN IPAm 共价连接，建立了酶免疫分析方法，对血清样品中的HbsAg 进行了检测，灵敏度高，效果好。朱庆枝〔78〕将PN IPAm 和抗体偶连，建立了夹心型热敏相分离荧光免疫分析乙肝表面抗原的新方法，评价了抗体在PN IPAm 上的固化效率和非特异性吸附情况，结果令人满意。
5.4 生化物质的分离萃取
用阴离子型热敏水凝胶PN IPAm 分离不同分子量的化合物，分离效果很好，且被分离物的分子量
越大分离效果越好〔79〕。金蔓蓉等〔80-81〕用PN IPAm 凝胶对牛血清蛋白，碱性蛋白酶以及人体激素溶液
进行浓缩萃取实验，结果表明具有良好的实用前景。王锦堂〔82〕研究表明:PN IPAm 凝胶对蛋白质和酶
的分离效率在相转变温度附近发生突跃，显示出很好的浓缩分离能力。
5.5 医用高分子材料
韦寿增
赵建青〔83〕通过羟基化和接枝N IPAm 制备了热敏性聚苯乙烯盒，当环境温度低于32℃，盒内表面亲水，细胞可快速生长；高于32℃则内表面疏水，让细胞脱附。
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