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生物医用智能高分子材料刺激响应性研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-02-26  来源:中国石化设备网  作者:[db:作者]
核心提示:  生物医用智能高分子材料刺激响应性研究张志斌1,2唐昌伟2邱凯2陈元维2熊艳芳2综述万昌秀2,△审校1(西南交通大学生物工程系,成都610031)2(四川大学高分子科学与工程学院,成都610065)

  生物医用智能高分子材料刺激响应性研究张志斌1,2唐昌伟2邱凯2陈元维2熊艳芳2综述万昌秀2,△审校1(西南交通大学生物工程系,成都610031)2(四川大学高分子科学与工程学院,成都610065)生明显的改变,能以固体、溶液或吸附于载体表面的形式存在,包括水溶性聚合物的水溶液、交联的水溶性聚合物(即水凝胶)和固定于载体表面的聚合物。本文综述了智能高分子材料在生物和医学中的研宄及应用。

  1刖言2智能水溶性聚合物的刺激响应性智能性聚合物是一类在外界因素的刺激下,其自身的某些物理和化学性质会发生相应突变的聚合物,也叫做“机敏性聚合物”或“刺激响应型聚合物”

  或“环境敏感聚合物”。智能性聚合物可以是亲水性聚合物的水溶液,也可以是固定于载体表面的聚合物和交联的水溶性聚合物(即水凝胶)环境刺激因素有温度、pH值、溶液组成离子强度、光强度、电场、应力和识别磁场等,当这些刺激信号发生变化时,智能聚合物的自身性质如相、形状、光学、力学电场表面能、反应速率、渗透速率和识别性能等随之会发生变化水溶性环境敏感聚合物可以在特殊的环境条件下,从水溶液中析出。具有此种性质的聚合物体系可作为温度或pH指示器的开关。Chen等将生物分子结合到聚合物上,由于条件的微小改变,而选择性地从溶液中相分离出来用此法分离纯化了生物过程中酶催化所得的产物,其酶也容易以相分离的方式循环利甩Hoffman等将某种具有识别功能的生物分子或者某种受体的配体,如细胞受体肽或抗体,结合到智能性聚合物上应用于沉淀诱导的亲和分离过程。用此法可回收溶液中的IgG(免疫球蛋白),还能从溶菌酶中分离出CD44细胞当水溶液智能聚合物与溶酶体或细胞悬浮液混合时,聚合物可通过接受某一外部刺激而发生相分离,且能与溶酶体或细胞膜发生相互作甩细胞或溶酶体膜成分连接到一种热敏聚合物上形成复合物,当与细胞膜发生相互作用的复合物发生相分离时,形成一种凝胶,细胞能可逆地在聚合物表面培养3表面智能聚合物的刺激-响应性智能性聚合物通过化学接枝或物理吸附的方法固定于某固体聚合物载体的表面,在外部环境(如溶液温度、pH或某些离子强度等)发生微小变化时,将显著地改变表面层的厚度、润湿性或表面电荷。因为表面涂层是很薄的,这种响应速度比水凝胶要快将智能聚合物沉淀到多孔表面的孔道中能制备永久性的“开关",从而控制孔道处于开或关的状态当蛋白质或细胞与处于开或关状态的智能聚合物表面相互作用时,它们会选择地吸附在较为疏水的表面部分一方面是把蛋白质或细胞吸附于表面,从而能降低其对温度的改变引起的失活程度另一方面是在某种化学接枝的具有低临界溶液温度的聚合物表面可逆地进行细胞培养,而只需要简单地改变外部环境把聚合物表面转变成亲水性的,蛋白质或细胞就会自动游离出来而无需加入胰蛋白酶若将一种细胞受体的配体短肽-RGD连接于一种热敏聚合物形成的复合物(其LCST接近于室温),这种聚合物被固定于某种特定的载体表面,在受到环境温度变化刺激时,对热可逆的细胞培养具有吸附和脱吸附的性质。皿等将单克隆抗体连接于具有LCST性质的聚合物上应用于膜形式的免疫分析。当被分析溶液流经微孔表面时,室温下聚合物-抗体复合物中热敏聚合物部分能选择性地吸附在某种能够阻止蛋白吸附的醋酸纤维素膜表面,因热敏聚合物的LCST接近室温且其成分被设计成能够选择性地与醋酸纤维素相互作用。

  4智能高分子水凝胶的刺激-响应性水溶性高分子经交联或与疏水单体共聚可形成水凝胶。刺激响应性高分子凝胶是结构物理性质、化学性质可随外界环境而变化的凝胶,当这种凝胶受到环境刺激时就会随之响应,即当溶液的组成pH值、离子强度、温度、光强电场等刺激信号发生变化时,或受到特异的化学物质刺激时,凝胶就会发生突变,呈现相转变行为,这种响应体现了凝胶的智4.1高分子凝胶的体积相转变高分子凝胶由网状结构(交联结构)的聚合物和溶剂组成网状结构的高分子不能被溶剂溶解,但能吸收大量溶剂而溶胀。凝胶的体积相转变是指溶液中凝胶的体积随外界环境因子(溶剂组成、离子强度、pH值温度、光、电场和磁场等)的变化而产生不连续变化的现象凝胶相转变可以由溶胀转为收缩相,或者由收缩转为溶胀相。转变开始是连续的,但在一定条件下能产生体积变化达数十倍到数千倍的不连续转变(即突变),使其具有某种智能行为高分子凝胶能随环境刺激因子变化而发生相转变的内因是体系内存在的几种相互作用力,即范德华力、氢键疏水相互作用力及静电作用力。由于这些力的相互组合和竞争使凝胶溶胀或收缩,因而产生体积相转变。

  4.2高分子凝胶的响应性4.2.1pH响应性凝胶pH响应性凝胶是体积能随环境pH值离子强度变化的高分子凝胶这类凝胶大分子网络中具有离子解离基团,网络结构和电荷密度随介质pH值而变化,并对凝胶的渗透压产生影响,同时因为网络中有离子基团,离子强度的变化也引起体积变化。

  Horbett和Ratner报道了一种胰岛素的可控释放体系葡萄糖氧化酶和胰岛素首先被包埋在碱性化合物N,N'二甲乙醇胺甲基丙烯酸酯和2-甲基丙烯酸-2羟乙酯(HEMA)共聚得到的凝胶膜中。葡萄糖扩散到凝胶中与葡萄糖氧化酶发生反应生成葡萄糖酸,酸使凝胶中的碱性功能团质子化而带正电,因静电排斥而使凝胶溶胀加了膜的渗透性,因此胰岛素可以扩散出来当不存在葡萄糖时,水凝胶则处于不溶胀,不渗透状态。如果水凝胶中存在羧基,则在酸性中因-COOH形成氢键而收缩,在碱性中因-COO-间相斥而膨胀具有pH响应性的凝胶,一般均通过交联形成分子网络。凝胶中有弱酸或(和)弱碱基团,这些基团在不同pH值及不同离子强度的溶液中离子化,于是凝胶带有电荷,并使网络中氢键解体,导致凝胶发生不连续的体积变化。

  4.2.2温度敏感性凝胶温敏性高分子凝胶能响应温度变化而发生形变(溶胀和收缩),因为这类凝胶大分子链的构象能响应温度刺激而变化低温时凝胶在水中溶胀(氢键、水合)大分子链因水合而伸展,当升至一定温度时,因氢键被破坏,凝胶发生急剧的脱水作甩由于疏水性基团的相互吸引,大温敏性凝胶分为高温收缩型和低温收缩型。聚异丙基丙烯酰胺(PIPAAm)就是低温溶胀高温收缩型的凝胶。而聚丙烯酸(PAAc)和聚N,N-二甲基丙烯酰胺(PDMAAm)形成的聚合物网络(IPN)水凝胶则为低温收缩高温溶胀型。IPN中的PAAc是氢键供体,通过分子间和分子内氢键形成配合物,这种配合物在60C以下水溶液中很稳定,但高于60C时配合物解离而溶胀。引入某种单体进行共聚可对高分子凝胶的LCST进行调整。

  4.2.3光敏感性凝胶光敏感性凝胶是由于光辐照(光刺激)而发生体积相转变的凝胶紫外光辐照时,凝胶网络中的光敏感基团发生光异构化或光解离,导致基团构象和偶极矩变化而使凝胶溶胀。对含无色三苯基甲烷氰基的聚异丙基丙稀酰胺凝胶溶胀体积变化与温度关系的研究表明:无紫外线辐照时,该凝胶在3C出现连续的体积变化,用紫外线辐照后氰基发生光解离;温度升至326C时,体积发生突变,升至35C再降温,在31. 5C处发生不连续溶胀,体积加10倍左右。如果在32C条件下对凝胶进行交替紫外线辐照与去辐照,凝胶发生不连续的溶胀一收缩,其作用类似于开关。反映了光敏基团与热敏基团的复合效应4.2.4磁场响应性凝胶包埋有磁性微粒子的高吸水性凝胶称为磁场响应凝胶。这种凝胶可用作光开关和图像显示板等。将铁磁性“种子”材料预埋在凝胶中,当凝胶置于磁场时,铁磁材料被加热而使凝胶的局部温度上升,导致凝胶膨胀或收缩;撤掉磁场,凝胶冷却,恢复至原来大小。包埋铁磁的方法有:一种是将微细镍针状结晶置于预先形成的凝胶中;一种是以聚乙烯醇涂着于微米级镍薄片上,与单体溶液混合后再聚合成凝胶这两种方法可用于植入型药物释放体系,电源和线圈构成的手表大小的装置产生磁场,使凝胶收缩而释放一定剂量的药物。这类方法还能制造人工肌肉型驱动器4.2.5电刺激响应性凝胶这是一种通过电化学方法来控制药物释放的体系可控制药物释放的开关和速率,药物可以物理吸附的形式埋于聚合物载体中,也可以化学接枝的形式载于聚合物中,在通电刺激下,聚合物发生相应变化(化学键断裂、离子态转变为中性状态、凝胶收缩、离子交换等)如药物Y―氨基丁酸和谷氨酸结合在聚苯乙烯的酰胺键上,施加电流后,聚合物与药物间的化学键断裂,释放出药物行为会因特定物质的刺激而发生突变例如,药物释放凝胶体系依据病灶引起的化学物质的变化进行反馈,通过凝胶的溶胀与收缩控制药物释放的开通和阻断。如响应血糖浓度的胰岛素释放体系,是借助多价羟基与硼酸基的可逆键合对葡萄糖敏感的传感部分是含苯基硼酸的乙稀基吡咯烷酮共聚物。其中硼酸与聚乙烯醇(PVA)的顺式二醇键合,形成结构紧密的高分子配合物。当葡萄糖分子渗入时,苯基硼酸和PVA间的配价键被葡萄糖取代,上述大分子间的键就解离,溶胀度就大这种高分子配合物可作为载体用于胰岛素控制释放体系,体系中聚合物配合物的形成平衡与解离随葡萄糖浓度而变化,也就是说,它能传感葡萄糖浓度信息,从而执行药物释放功能5结论智能高分子对外界刺激产生锐响应时聚合物的很多性质都会发生改变当水溶性聚合物受激沉淀时,会选择性地从溶液中析出而出现混浊;如果聚合物是接枝或吸附在固体载体表面,它会可逆性地改变吸附聚合物中的水吸附量,从而改变表面的润湿性;当水凝胶受激收缩时,水凝胶微孔中的水被排出变成不透明,机械强度会强,体积收缩。其中水凝胶应用最为广泛的是智能高分子材料,其发展基础为PFlory的凝胶溶胀理论利用分子间作用力场、离子力场及光化学等使凝胶的体积及溶胀产生响应从体系的选择上看,国外大都采用合成聚合物,由均聚物接枝或嵌段共聚物共混物互穿聚合物网络(IPN)高分子微球(PMS)等作为pH值温度、电场、光及葡萄糖浓度响应体系。未来的生物材料将分为:用于医学和生物学的合成材料或改性天然材料;仿生天然材料或人工材料;响应特定刺激的见仿生智能生物材料在生物材料领域中的重要十性其中智能高分子材料可望在先进控制释放体系、仿生材料、骨生物材料、诊断体系、分子结构物蛋白质类似物和组织工程中日益发挥重要作用。

 
 
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