智能生物材料的研究進展

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1、智能生物材料的研究進展*尹玉姬趙峰姚康德**(天津大學(xué)高分子材料研究所天津300072)???智能材料的性能是組成、結(jié)構(gòu)、形態(tài)與環(huán)境的函數(shù)，它具有環(huán)境響應(yīng)性。生物體的最大特點是對環(huán)境的適應(yīng)，從植物、動物到人類均如此。細胞是生物體的基礎(chǔ)，可看作具有傳感、處理和執(zhí)行3種功能的融合材料，因而細胞可作為智能材料的藍本。1智能高分子凝膠???刺激響應(yīng)性高分子凝膠是其結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)可以隨外界環(huán)境改變而變化的凝膠。當受到環(huán)境刺激時這種凝膠就會隨之響應(yīng)，發(fā)生突變，呈現(xiàn)相轉(zhuǎn)變行為。這種響應(yīng)體現(xiàn)了凝膠的智能性。根據(jù)所受的刺激信號不同，可以將高分子凝膠分為不同類型的刺激響應(yīng)性凝膠。1.1p

2、H響應(yīng)性凝膠???pH響應(yīng)性凝膠是體積能隨環(huán)境的pH值和離子強度變化的高分子凝膠。這類凝膠大分子網(wǎng)絡(luò)中具有離子解離基團，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和電荷密度能隨介質(zhì)pH變化，并對凝膠的滲透壓產(chǎn)生影響；另一方面，離子強度的變化也會引起體積變化。???Nishi等[1]曾研究了一系列這類聚合物水凝膠，如輕度交聯(lián)的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸N,N-二甲基胺乙酯(DMA)的共聚物。姚康德等[2]對聚[(環(huán)氧乙烷-共-環(huán)氧丙烷)-星型嵌段-丙烯酰胺]/交聯(lián)聚丙烯酸互穿網(wǎng)絡(luò)凝膠(P[(EG-co-PG)-Sb-AAM]/Cr-PAA)進行了研究。由于星型嵌段共聚物(P[(EG-co-PG)-Sb

3、-AAM])和交聯(lián)聚丙烯酸(Cr-PAA)之間有配合物形成和解離，使得高pH條件下，該水凝膠的溶脹度和溶脹速率(曲線斜率)要大于低pH或高離子強度(I)的水凝膠。以甲殼素和殼聚糖為基礎(chǔ)的智能水凝膠的溶脹隨pH的變化則與上述例子相反[3]。利用戊二醛使殼聚糖(CS)上的氨基交聯(lián)，再和聚丙二醇聚醚(PE)形成半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)。由于網(wǎng)絡(luò)中氫鍵的形成和解離，從而使此凝膠網(wǎng)絡(luò)的溶脹行為對pH敏感。其溶脹度可由殼聚糖乙酸溶液濃度、交聯(lián)密度及網(wǎng)絡(luò)組成等反應(yīng)參數(shù)來控制。1.2化學(xué)物質(zhì)響應(yīng)性凝膠???有些凝膠的溶脹行為會因特定化學(xué)物質(zhì)(如糖類)的刺激而發(fā)生突變。以對血糖濃度響應(yīng)的胰島素釋放體系為

4、例來說明。胰島素釋放體系的響應(yīng)性借助于多價羥基與硼酸基的可逆鍵合。硼酸與聚乙烯醇(PVA)的順式二醇鍵合，形成結(jié)構(gòu)緊密的高分子配合物。當葡萄糖分子滲入時，苯基硼酸和PVA間的配位鍵被葡萄糖取代，上述大分子間的鍵解離，溶脹度增大。因此，這種高分子配合物作為胰島素的載體負形成半透膜包覆藥物控制釋放體系。系統(tǒng)中聚合物配合物的形成、平衡與解離隨葡萄糖濃度而變化。也就是說它能傳感葡萄糖濃度信息，執(zhí)行藥物釋放功能。1.3溫敏性凝膠???溫敏性凝膠能響應(yīng)溫度變化而發(fā)生形變(溶脹和收縮)，是因為這類凝膠大分子鏈的構(gòu)象能響應(yīng)溫度(刺激)而變化。溫敏性凝膠分為高溫收縮型凝膠和低溫收縮型凝膠。在低溫

5、(高溫)時，凝膠在水中溶脹，大分子鏈因水合而伸展，當溫度升至(降至)一定溫度時，凝膠發(fā)生了急劇的脫水合作用，由于疏水性基團的相互吸引作用，大分子鏈聚集而收縮。???Kim等[4]研究了一系列交聯(lián)聚丙烯酰胺類水凝膠聚合物與水之間相互作用參數(shù)與溫度的關(guān)系。在3～10°C，c值均在0.5左右，此階段凝膠的吸水性主要與氫鍵作用有關(guān)，與烷基取代基的構(gòu)型和大小無關(guān)。隨著溫度升高，聚N，N-二乙基丙烯酰胺(PDEAAm)及聚異丙基丙烯酰胺(PIPAAM)的c值分別在25°C、33°C時發(fā)生了突變，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點，此時凝膠的溶脹度發(fā)生突變。1.4光敏性凝膠???光敏性凝膠是光輻照(光刺激)時發(fā)生

6、體積相轉(zhuǎn)變的凝膠。將光敏性分子引到聚合物分子鏈上，可得到光刺激響應(yīng)聚合物凝膠。光輻照后有兩種情況。紫外光輻照時，凝膠網(wǎng)絡(luò)中的光敏感基團發(fā)生光異構(gòu)化、光解離，因基團構(gòu)象和偶極矩變化而使凝膠溶脹。含無色三苯基甲烷氰基的聚異丙基丙烯酰胺凝膠的溶脹體積變化和溫度關(guān)系研究表明，無紫外線輻射時，該凝膠在30°C出現(xiàn)連續(xù)的體積變化,若在32°C對凝膠進行交替紫外輻照與去輻照，凝膠發(fā)生不連續(xù)的溶脹-收縮，其作用類似于開關(guān)的功能。光響應(yīng)凝膠能反復(fù)進行溶脹-收縮，可用作光能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的執(zhí)行元件和流量控制閥等。1.5磁場響應(yīng)性凝膠???包埋有磁性微粒子的高吸水性凝膠稱為磁場響應(yīng)性凝膠。當把鐵磁性“

7、種子”材料預(yù)埋在凝膠中并置于磁場時，鐵磁材料被加熱而使凝膠的局部溫度上升，導(dǎo)致凝膠膨脹或收縮，撤掉磁場，凝膠冷卻恢復(fù)至原來大小。鐵磁可采用不同的方法包埋。一種是將微細鎳針狀結(jié)晶置于預(yù)先形成的凝膠中。另一種是以聚乙烯醇涂著微米級鎳薄片，與單體溶液混合后再聚合成凝膠。這兩種方法可用于植入型藥物釋放體系，由電源和線圈構(gòu)成的手表大小的裝置產(chǎn)生磁場，使凝膠收縮而釋放一定劑量的藥物。采用這類方法能制備人工肌肉型驅(qū)動器。1.6響應(yīng)內(nèi)部刺激的凝膠???吉田亮等[5]將異丙基丙烯酰胺(IPAAm)、具有可聚合