《pH敏感性高分子材料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《pH敏感性高分子材料.docx（4页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、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: T Q 4271 26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
2、, 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。1 pH 敏感性高分子材料的机理探索T anaka 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
3、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。2 pH 敏感性高分子材料的分类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
4、、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 。( 2) 丙烯酸类接枝物丙烯酸接枝的 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
5、子体引发、电流辉光放电和紫外光辐射等 3, 4 。( 3) 丙烯酸类 IPN 结构把互穿网络聚合物( IPN ) 技术引入丙烯酸类 pHpH 敏感性高分子材料的种类很多, 按照其应用状敏感性高分子的研究是另一个研究热点。IPN 水凝胶态有人把它们分为: pH 敏感性高分子凝胶、pH 敏感性具有异于共聚物和接枝聚合物的性能。PVA/ PAA 互高分子膜、pH 敏感性高分子粘合剂和 pH 敏感性高分穿网络结构的水凝胶溶胀性可由 pH 值和温度控子复合材料。但对多数高分子材料研究者而言, 更感制 5, 6 , 将其用于包覆消炎痛的释放研究, 发现在 pH、兴趣的是哪些材料具有 pH 敏感性, 因此下
6、面将从聚温度作用下, 药物的释放是以脉动方式进行的。酸类 pH 敏感性高分子材料和聚碱类 pH 敏感性高分( 4) 丙烯酸类复合物子材料两大类选取典型高分子进行综述。很多生物体内的反应以及生物化学合成过程都是基金项目: 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: 029-88474139, E- mail: huhui2002 sohu1 com。2胡 晖等: pH 敏感性高分子材料/ 2004 年第 5 期通过
7、高分子复合物进行的, 因此对高分子间相互作用高pH 环境时叔胺基团失去质子, 凝胶收缩。Soon及其聚集体形成机制和性质的研究受到了人们极大重Hong Yuk 等 14, 15 合成了聚 N, N- 二甲氨乙基甲基丙视。PMAA/ 明胶和 PAA/ 明胶复合物可作为 pH 敏感烯酸酯( DMAEM A)- co- 丙烯酰胺( AAm) 、聚 N, N- 二凝胶控制释放蛋白质 7 。包覆模型蛋白质( 肌球素、甲氨乙基甲基丙烯酸酯( DMAEMA)- co- 乙基丙烯酰胺细胞色素、胃蛋白酶) 的效率都在 80% 以上, 并且蛋白( EAAm) 两种共聚物, 都具有 pH 、温度双重敏感性。质的释放
8、在极窄的 pH 范围内( 015) 进行。这种高效把 P( DMAEMA- co- EAAm) 体系应用于响应葡萄糖控的包覆和很好的 pH 敏感性来源于蛋白质和阴离子聚释胰岛素的研究中, 取得了较好的效果。合物及明胶的静电相互作用力。3 pH 敏感性高分子材料的应用前景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。Dirk Kuck-ling 等 8 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。A Benrebouh 等 9 采用自由基溶液
9、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, Peter Markland 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K C Gupta 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 B-1 HCl 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
10、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- NH 2 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 pH 7 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
11、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( DM A) 轻度交联形成的凝胶在低 pH 环境时, 叔胺基团质子化引起凝胶溶胀, 而在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
12、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 17 。德国 Rohm 公司产的 Eudragit L 和 Eudragit S 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 3 4 h, 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
13、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
14、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 化学机械利用 pH 敏感性高分子材料的溶胀- 退溶胀可以胡 晖等: pH 敏感性高分子材料/ 2004 年第 5 期3实现机械能- 化学能之间的转换。A Katchalsky 制备了一种三维网络结构的 PAA 或 PM AA, 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 1 cm 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
15、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。4 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: 1 Iim
16、ain F, Tanaka T , Kokufuta E1 Volume transition in gel driven by hydrogen bon ding J 1 Nature, 1991, 349: 400-4021 2 胡晖1 聚 N-异丙基丙烯酰胺类聚合物的合成与表征 D 1 西北工业大学硕士学位论文, 20011 3 Shim Jin Kie, Lee Yong Bum , Lee Young M oo1 pH-Dependent per-meation through polysulfone ultrafiltration membranes prepared by ult
17、raviolet polymerization technique J 1 Journal of Applied PolymerScience, 1999, 74( 1) : 75-821 4 Peng T , Cheng Y L1 PNIPAAm and PMAA co-grafted porous PEmembranes: living radical co- grafting mechan ism and multi-stimuli re-sponsive permeability J 1 Polymer, 2001, 42: 2091-21001 5 Lee Young M oo, K
18、im Su Hw i, Cho Chong S oo1 Synth esisandswellingcharacteristics of pH an d th ermoresponsive interpenetratingpolymernetwork hydrogel composed of poly( vinyl alcohol) and poly( acrylic acid) J 1 Journal of Applied Polymer Science, 1996, 62(2) :301-3111 6 Shin Heung Soo, Kim So Yeon, Lee Young M oo1
19、Indomethacin re-lease behaviors from pH and thermoresponsive poly( vinyl alcohol) andpoly( acrylic acid ) IPN hydrogels for site-specific drug delivery J 1 Journal of Applied Polymer S cience, 1997, 65(4) : 685-6931 7 Jiang H L , Zhu K J1 Polyanion/ gelatin com plexes as pH-sensitive gels for contro
20、lled protein release J 1 Journal of Applied Polymer S cience, 2001, 80( 9) : 1416- 14251 8 Dirk Kuckling, Hans-Jrgen P Adler, Karl-Friedrich Arn dt1 Temper-ature an d pH dependent solubility of novel poly ( N-isopropy-lacrylamide )- copolym ers J 1 M acromolecular Chemistry and Physics, 2000, 201( 2
21、) : 273- 2801 9Benrebouh A, Davoce, Zhu X X1 T hermo- and pH-s ensitive polymers containing cholic acid derivatives J 1 Polymer, 2001: 4031-40381 10 Peter M arkland, Zhang Yuehua, Gordon L Amidon1A pH- an d ionicstrength-responsive polypeptide hydrogel: Synthesis, characteriza-tion, an d preliminary
22、 protein release studies J 1Journal of Biomedi-cal M aterials Research, 1999: 595-6021 11 Gupta K C, Ravi Kumar M N V1 Preparation, characterization and release profiles of pH-sensitive chitosan beads J 1 Polymer Interna-tional, 2000, 49( 2) : 141- 1461 12 Guan Yun Lin, Shao Lei, Liu Jing1 pH Effect
23、 on correlation betw een w ater state and sw elling k inetics of the crosslinked chitosan /polyether semi-IPN hydrogel J 1Journal of Applied Polymer Sci-en ce, 1996, 62( 8) : 1253-12581 13 Chen Xin, Li Wenjun, Zhong Wei1 pH Sensitivity and ion sensitivityof hydrogels based on complex- form ing chito
24、san/ silk fibroin inter-penetrating polymer network J 1 Journal of Applied Polymer Sci-ence, 1997, 65( 11) : 2257-22621 14 Yuk Soon Hong, Cho Sun Hang, Lee S ang Hoon1pH/ Temperature-responsive polym er composed of poly ( N, N-dimethylamino) ethyl methacrylate -co- ethlacrylamide J 1 M acromolecules
25、, 1997, 30: 6856-68591 15 Cho Sun Hang, Jhon M u Shik, Yuk Soon Hong1 Temperature- in-duced phase transition of poly( N, N-dimethylaminoethyl methacry-late-co-acrylamide) J 1 Journal of Polymer Scien ce. Part B: Poly-m er Physics, 1997, 35: 595-5981 16 Low man A M , M orishita M , Kajita M1 Oral del
26、ivery of insulin using pH- responsive complexation gels J 1 Journal of Pharmaceutical Sci-ences, 1999, 88( 9) : 933-9371 17 T aillefer J , Jones M C, Brasseur N1 Preparation an d characterizationof pH-responsive polymeric micelles for th e delivery of photosensi-tizing anticancer drugs J 1 Journal o
27、f Pharmaceutical S ciences, 2000, 89( 1) : 52- 621pH-Sensitive Polymer MaterialsHU Hui, FAN Xiao-dong( Dep ar tm ent of A pp lied Chemistry , Northw estern Polytechnical University , Xipan 710072, China) Abstract: The concept and kinds of pH- sensitive poly mer materials w ere rev iew ed1The pH-sensitive theoriesw ere discussed as w ell1The latest study on some representative pH- sensitive polymers were emphasized1T he potential applications of these m aterials w ere introduced lastly1 Keywords: pH-sensitivities; polym erm aterials; polymer gel; interpolymer complex es