pH敏感性高分子材料汇总

2004.No.5化学与生物工程Chemistry&Bioengineering综述专论1pH敏感性高分子材料胡晖,范晓东（西北工业大学应用化学系，陕西西安710072）摘要:综述了pH敏感性高分子材料的概念、机理、分类、最新研究成果及应用前景,对其发展趋势进行了展望。关键词:pH敏感性;高分子材料;高分子凝胶;高分子复合物中图分类号:TQ427126文献标识码:A文章编号:1672-5425（2004）05-0001-03pH敏感性高分子材料可因pH值的变化而产生体积或形态改变。这种变化是基于分子水平及大分子水平的刺激响应性，具有可重现特性。由于它性质特殊,并具有广泛的用途，引起了国内外许多专家、学者的重视，并致力于开发这一类材料。211聚酸类pH敏感性高分子21111丙烯酸类高分子在聚酸类pH敏感性高分子材料中，最典型的例子就是丙烯酸类聚合物。丙烯酸类高分子含有可离子化的-COOH基团,是研究人员研究得较为成熟的一类pH敏感性高分子材料。（1）丙烯酸类共聚物以甲基丙烯酸为基础共聚的阴离子型水凝胶、阳离子型水凝胶和两性水凝胶都具有pH敏感性，两性水凝胶在整个pH范围内都有一定的溶胀比，且在pH中性时，其溶胀速度要高于相应的阴离子型和阳离子型水凝胶。聚（丙烯酸）-co-（丙烯腈）和聚（丙烯酸）-co-（N-异丙基丙烯酰胺聚合物）两种水凝胶都具有温度及pH双重敏感特性。这种特性对于水凝胶在药物控制释放领域中的应用具有较大的意义（2）丙烯酸类接枝物2pH敏感性高分子材料的机理探索Tanaka把诱导凝胶体系发生相转变的分子间作用归纳为四类:疏水作用、范德华力、氢键、离子间作用力1。这四种作用力被公认为是引发智能凝胶敏感响应的原动力。在pH敏感的水凝胶中四种作用力共同起作用引发pH敏感性，其中离子间作用力起主要作用，其它三种作用力起到相互影响、相互制约的作用。一般来说,具有pH响应性的高分子中含有弱酸性（弱碱性）基团，随着介质pH值、离子强度改变，这些基团发生电离，造成高分子内外离子浓度改变,并导致大分子链段间氢键的解离，引起不连续的溶胀体积变化或溶解度的改变。低pH时,聚酸类凝胶的羧酸基团不解离，凝胶相对不溶胀，随着pH的升高，羧酸基团解离,电荷密度增大，聚合物溶胀;聚碱类凝胶正好相反，即溶胀度随pH降低而增大。丙烯酸接枝的pH敏感性功能膜研究也很广泛，几乎所有聚合物功能膜都可用于接枝丙烯酸,关键在于对膜进行活化处理，产生活化点，从而引发丙烯酸的聚合。目前常用的活化处理方法有:化学改性、等离子体引发、电流辉光放电和紫外光辐射等3,4。丙烯酸类IPN结构把互穿网络聚合物(IPN)技术引入丙烯酸类pH敏感性高分子的研究是另一个研究热点。IPN水凝胶具有异于共聚物和接枝聚合物的性能。PVA/PAA互穿网络结构的水凝胶溶胀性可由pH值和温度控制5,6，将其用于包覆消炎痛的释放研究，发现在pH、温度作用下,药物的释放是以脉动方式进行的。丙烯酸类复合物很多生物体内的反应以及生物化学合成过程都是pH敏感性高分子材料的分类pH敏感性高分子材料的种类很多,按照其应用状态有人把它们分为:pH敏感性高分子凝胶、pH敏感性高分子膜、pH敏感性高分子粘合剂和pH敏感性高分子复合材料。但对多数高分子材料研究者而言，更感兴趣的是哪些材料具有pH敏感性，因此下面将从聚酸类pH敏感性高分子材料和聚碱类pH敏感性高分子材料两大类选取典型高分子进行综述。基金项目:国家自然科学基金资助课题(批准号:20374040)收稿日期:2004-07-21作者简介:胡晖(1972-),男，江西南昌人，博士研究生，主要进行两亲性生物医用高分子材料的合成及应用研究工作。电话:029-通过高分子复合物进行的,因此对高分子间相互作用及其聚集体形成机制和性质的研究受到了人们极大重视。PMAA/明胶和PAA/明胶复合物可作为pH敏感凝胶控制释放蛋白质7。包覆模型蛋白质(肌球素、细胞色素、胃蛋白酶)的效率都在80%以上,并且蛋白质的释放在极窄的pH范围内(015)进行。这种高效的包覆和很好的pH敏感性来源于蛋白质和阴离子聚合物及明胶的静电相互作用力。21112其它聚酸类pH敏感性高分子按照pH敏感性机理,在高分子中引入弱酸性基团即有可能得到pH敏感的高分子材料。DirkKuck-ling等通过把PNIPAm和丙烯酰胺衍生物(带上羧基并用不同间隔碳链连接)共聚,得到了温度和pH敏感的共聚物。ABenrebouh等采用自由基溶液聚合法合成了包含有胆酸链段的PNIPAm共聚物，此聚合物同时具有热敏和pH敏感性能,且具有了生物相容性。此外,PeterMarkland等10合成的新型交联聚(L-谷氨酸)和聚乙二醇聚合物的多肽水凝胶，具有生物降解性、高亲水性和对pH敏感的溶胀性。采用溶解酵素做水凝胶的药物控释试验表明有很好的效果。212聚碱类pH敏感性高分子21211壳聚糖类聚合物KCGupta等11用糖胶、壳聚糖、戊二醛制备了交联微球，用于控释模型的研究。发现pH值对微球溶胀有影响，用维生素B1-HC1作为模型药物进行控释试验表明这种模型具有应用潜力。把IPN结构引入壳聚糖的研究也很多。交联的壳聚糖/聚醚半互穿网络水凝胶在不同pH缓冲溶液中具有不同的溶胀行为12。交联壳聚糖/蚕丝蛋白半互穿网络结构聚合物中形成了强烈的氢键作用，也显示出良好的pH及离子敏感性13。壳聚糖的-NH2可与果胶的-COOH基团形成电解质复合物(Cs/PtnPIC)从而制备出分离膜,其溶胀行为的pH依赖性为在pH7时明显溶胀。此分离膜全由生物大分子构成，可望用于精制生物产物的超滤膜，进行蛋白质的分离与精制。21212N，N-二烷基氨烷基丙烯酸酯类聚合物N，N-二烷基氨烷基丙烯酸酯类聚合物由于含有氨基，可质子化从而产生碱性基团。其pH敏感响应范围与丙烯酸类高分子相反,在碱性范围内。据报道,此类聚合物与DNA具有较好的亲合性，在生物医学材料上有着广泛的应用前景，因此作为pH敏感性材料，它也被广泛的研究。甲基丙烯酸烷酯(n-AMA)与二甲基氨乙基丙烯酸酯(DMA)轻度交联形成的凝胶,9胡晖等:pH敏感性高分子材料/2004年第5期高pH环境时叔胺基团失去质子，凝胶收缩。SoonHongYuk等14,15合成了聚N,N-二甲氨乙基甲基丙烯酸酯(DMAEMA)-co-丙烯酰胺(AAm)、聚N,N-二甲氨乙基甲基丙烯酸酯(DMAEMA)-co-乙基丙烯酰胺(EAAm)两种共聚物,都具有pH、温度双重敏感性。把P(DMAEMA-co-EAAm)体系应用于响应葡萄糖控释胰岛素的研究中，取得了较好的效果。pH敏感性高分子材料的应用前景311药物控制释放在过去的20多年中，药物控制释放已成为一个重要的医药研究领域。自调式释药系统是利用体内的信息反馈控制药物的释放，不需外界的干预。由于胃肠道被划分为几个不同的pH区域，利用pH的改变来调节释放速率即是其中一种重要方式。其释药机制主要有pH敏感型聚合物的溶蚀、溶胀,pH敏感型聚电解质的构象改变等16。丙烯酸类高分子是应用研究最多的pH敏感性高分子材料。德国Rohm公司产的EudragitL和EudragitS使用甲基丙烯酸与丙烯酸甲酯摩尔比为1B1或1B2的共聚物为包衣载体，这种共聚物在胃液酸性环境中能保存34h，进入肠道后迅速溶解或崩溃,具有良好的缓释效果。此外，国产的/通便宝0即是用pH敏感的丙烯酸树脂类包衣的胶囊，靶向结肠,治疗便秘具有疗效好、服用方便、无副作用的优点。312酶的固定酶的固定是一个新兴的生物领域,贺枫等报道了一种新的制备溶解性可调节的固定化酶的方法。先将木瓜蛋白酶与N-羟基琥珀酰亚胺丙烯酸酯(NAS)反应，再利用自由基溶液聚合反应,制备了pH敏感相分离的固定化木瓜蛋白酶。这些固定化酶均具有较敏感相分离的特性，兼有溶液酶和固相酶两者的优点。但不足的是，固定化过程中的pH值、反应时间及给酶量对固定化木瓜蛋白酶活力有影响。313物料分离将多孔性高分子膜的边缘固定在一个圆形环上，当pH值变化时,膜就会收缩或膨胀,从而改变膜孔径的大小，控制物质的分离。在物料分离方面,应用最多的是蛋白质的分离精制。Miyama等和Kimura等人分别用聚丙烯腈的接枝共聚物和聚砜的衍生物制成两大类阴、阳离子型超滤膜，通过控制pH值来分离蛋白质及分子量相近的大分子。314化学机械17胡晖等:pH敏感性高分子材料/2004年第5期实现机械能-化学能之间的转换。AKatchalsky制备了一种三维网络结构的PAA或PMAA，制成膜或长丝，能在水中溶胀，加入酸或碱，膜或长丝可逆地收缩或膨胀，可提起或放下一定的负荷。如在一根长丝下面加相当于1cm干纤维重量的5000倍的载荷,可逆地改变其长度达30%以上，化学能可直接转化为机械能。315其它应用pH敏感性高分子材料还可以用于免疫分析、高精密度仪器、自动化生产、国防工业等领域，它可作为pH敏感电极、pH传感器、pH执行器等。6ShinHeungSoo,KimSoYeon,LeeYoungMoo1Indomethacinre-leasebehaviorsfrompHandthermoresponsivepoly(vinylalcohol)andpoly(acrylicacid)IPNhydrogelsforsite-specificdrugdeliveryJ1JournalofAppliedPolymerScience,1997,65(4):685-69317JiangHL,ZhuKJ1Polyanion/gelatincomplexesaspH-sensitivegelsforcontrolledproteinreleaseJ1JournalofAppliedPolymerScience,2001,80(9):1416-14251DirkKuckling,Hans-JrgenPAdler,Kar-lFriedrichArndt1Temper-atureandpHdependentsolubilityofnovelpoly(N-isopropy-lacrylamide)-copolymersJ1MacromolecularPhysics,2000,201(2):273-2801BenrebouhA,Davoce,ZhuXX1Thermo-andpH-sensitivepolymerscontainingcholicacidderivativesJ1Polymer,2001:4031-4038110PeterMarkland,ZhangYuehua,GordonLAmidon1ApH-andionicstrength-responsivepolypeptidehydrogel:Synthesis,characteriza-tion,andpreliminaryproteinreleasestudiesJ1JournalofBiomed-icalMaterialsResearch,1999:595-6021GuptaKC,RaviKumarMNV1Preparation,characterizationandreleaseprofilesofpH-sensitivechitosanbeadsJlPolymerInterna-tional,2000,49(2):141-1461GuanYunLin,ShaoLei,LiuJing1pHEffectoncorrelationbetweenwaterstateandswellingkineticsofthecrosslinkedchitosan/polyethersem-iIPNhydrogelJ1JournalofAppliedPolymerSc-ience,1996,62(8):1253-12581ChenXin,LiWenjun,ZhongWei1pHSensitivityandionsensitivityofhydrogelsbasedoncomplex-formingchitosan/silkfibroininter-penetratingpolymernetworkJ1JournalofAppliedPolymerSc-ience,1997,65(11):2257-22621YukSoonHong,ChoSunHang,LeeSangHoon1pH/Temperature-responsivepolymercomposedofpoly(N,N-dimethylamino)ethylmethacrylate-co-ethlacrylamideJ1Macromolecules,1997,30:6856-68591ChoSunHang,JhonMuShik,YukSoonHong1Temperature-in-ducedphasetransitionofpoly(N,N-dimethylaminoethylmethacry-late-co-acrylamide)J1JournalofPolymerScience.PartB:Poly-merPhysics,1997,35:595-5981LowmanAM,MorishitaM,KajitaM1OraldeliveryofinsulinusingpH-responsivecomplexationgelsJ1JournalofPharmaceuticalSc-iences,1999,88(9):933-9371TailleferJ,JonesMC,BrasseurN1PreparationandcharacterizationofpH-responsivepolymericmicellesforthedeliveryofphotosens-itizinganticancerdrugsJ1JournalofPharmaceuticalSciences,2000,89(1):52-621Chemistryand4结束语pH敏感性高分子材料的响应性主要来自于高分子的相转变现象。从体系选择上看，在天然材料中大量存在具响应性能的凝胶物质，且这些材料具有优良的仿生性能，因此，在医疗保健及仿生工程等方面，天然材料具有更高的应用价值。另外,IPN结构和复合物由于不同聚合物间互补基团的相互作用,可以对pH敏感性产生极大的影响，值得进一步深入研究。因此，对于天然响应性材料、IPN及复合物的研究与开发，也将成为pH敏感性智能材料领域中一大热门课题。参考文献：IimainF,TanakaT,KokufutaE1VolumetransitioningeldrivenbyhydrogenbondingJ1Nature,1991,349:400-4021胡晖1聚N-异丙基丙烯酰胺类聚合物的合成与表征D1西北工业大学硕士学位论文,20011ShimJinKie,LeeYongBum,LeeYoungMoolpH-Dependentper-meationthroughpolysulfoneultrafiltrationmembranespreparedbyultravioletpolymerizationtechniqueJ1JournalofAppliedPolymerScience,1999,74(1):75-821PengT,ChengYL1PNIPAAmandPMAAco-graftedporousPEmembranes:livingradicalco-graftingmechanismandmult-istimulire-sponsivepermeabilityJ1Polymer,2001,42:2091-21001LeeYoungMoo,KimSuHwi,ChoChongSoo1SynthesisandswellingcharacteristicsofpHandthermoresponsiveinterpenetratingpolymernetworkhydrogelcomposedofpoly(vinylalcohol)andpoly(acrylicacid)J1JournalofAppliedPolymerScience,1996,62(2):301-3111pH-SensitivePolymerMaterialsHUHui,FANXiao-dong(DepartmentofAppliedChemistry,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xipan710072,China)Abstract:TheconceptandkindsofpH-sensitivepolymermaterialswerereviewed1ThepH-sensitivetheorieswerediscussedaswell1ThelateststudyonsomerepresentativepH-sensitivepolymerswereemphasized1Thepotentialapplicationsofthesematerialswereintroducedlastly1