智能分子印跡水凝膠的研究進(jìn)展

樊雅玲　劉根起　梁迪迪　羅四輩

摘要：分子印跡技術(shù)具有預(yù)定性、識(shí)別性和實(shí)用性的特點(diǎn)，而智能水凝膠在外界環(huán)境刺激下能產(chǎn)生體積或相的轉(zhuǎn)變。主要介紹了將2者結(jié)合起來(lái)的一類(lèi)智能分子印跡水凝膠。它是一種能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境調(diào)變響應(yīng)的目標(biāo)分子吸收與釋放功能的高分子聚合物，其中環(huán)境變化主要包括溫度、pH值、電刺激等。

關(guān)鍵詞：分子印跡；水凝膠；智能水凝膠；分子識(shí)別

水凝膠是由三維高分子網(wǎng)絡(luò)與溶劑水組成的體系，能顯著地溶脹于水但不溶解于水。根據(jù)對(duì)外界刺激的響應(yīng)情況，水凝膠可分為傳統(tǒng)的水凝膠和環(huán)境敏感性水凝膠。傳統(tǒng)的水凝膠對(duì)環(huán)境（如溫度或pH值等）的變化不敏感；而環(huán)境敏感性水凝膠又常被稱(chēng)為智能水凝膠，是指自身能感知外界環(huán)境（如溫度、pH值、光、電、壓力等）微小的變化或刺激，并能產(chǎn)生相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)變化的一類(lèi)高分子水凝膠。由于智能水凝膠的獨(dú)特響應(yīng)性，在化學(xué)轉(zhuǎn)換器、記憶元件開(kāi)關(guān)、傳感器、人造肌肉、化學(xué)存儲(chǔ)器、分子分離體系、活性酶的固定、組織工程和藥物載體等方面具有很好的應(yīng)用前景[1]。

分子印跡技術(shù)（Molecular imprinting technique，MIT）是制備對(duì)某一特定目標(biāo)分子具有特異選擇性聚合物的過(guò)程，將分子印跡技術(shù)與對(duì)環(huán)境敏感的智能水凝膠結(jié)合起來(lái)，制備出的智能分子印跡水凝膠（Molecular lyImprinted Intelligent Hydrogels， MIHs），不僅可以提高水凝膠分子對(duì)特定分子的結(jié)合力，而且能夠根據(jù)外界環(huán)境的變化控制其對(duì)特定分子記憶功能的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別并結(jié)合或釋放特定分子；同時(shí)，外界特定分子濃度的變化也能刺激水凝膠發(fā)生溶脹或收縮，從而控制其中包埋物質(zhì)的釋放。這些特定分子主要是蛋白質(zhì)、聚肽、核酸、葡萄糖等生物大分子，因而在藥物控釋體系、生物傳感器和免疫分析等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景[2]。

1 智能分子印跡水凝膠的制備

分子印跡技術(shù)的核心是制備分子印跡聚合物，一般包括3個(gè)步驟：（1）選擇合適的模板分子加入到功能單體中，形成復(fù)合物；（2）加入交聯(lián)劑引發(fā)聚合反應(yīng)，形成高度交聯(lián)的固態(tài)高分子；（3）利用物理或化學(xué)方法將印跡分子從高分子中除去，獲得與之相匹配的三維空穴，從而具有專(zhuān)一識(shí)別性能[3，4]，如圖1所示。

Tanaka[5～8]提出MIHs 必須由至少2種功能單體組成， 其中一種功能單體用來(lái)結(jié)合模板分子，另一種功能單體則起到感知外界刺激信號(hào)、控制水凝膠體積相變的作用。當(dāng)水凝膠體積收縮時(shí)，分子鏈上的結(jié)合位點(diǎn)相互靠近，水凝膠處于分子記憶狀態(tài)；當(dāng)水凝膠溶脹時(shí)，分子鏈上的結(jié)合位點(diǎn)相互遠(yuǎn)離，處于失憶狀態(tài)。分子印跡智能水凝膠需要采用低交聯(lián)度來(lái)保證其溶脹性能，以致無(wú)法形成固定的三維空穴。成功的關(guān)鍵主要由模板分子與功能單體所形成的復(fù)合物的穩(wěn)定性決定。如果2者的結(jié)合力太弱，無(wú)法進(jìn)行有效的印跡；太強(qiáng)，則聚合后難以洗脫。目前，分子印跡智能水凝膠的制備仍存在2大技術(shù)難題：一個(gè)識(shí)別交聯(lián)劑的選擇；另一個(gè)是溶劑的選擇。

Tanaka等把誘導(dǎo)高分子發(fā)生相轉(zhuǎn)變的作用力歸納為4類(lèi)：疏水相互作用、親水相互作用（包括氫鍵和水的溶劑化作用）、范德華力和離子間的靜電相互作用[5]。隨著外界環(huán)境的變化，這4種作用力相互競(jìng)爭(zhēng)，引起高分子鏈段在溶液中的構(gòu)象發(fā)生變化，最終導(dǎo)致相轉(zhuǎn)變的發(fā)生。

2 溫度敏感型智能分子印跡水凝膠

溫度的變化可以影響智能分子印跡水凝膠分子網(wǎng)絡(luò)中的親水和疏水基團(tuán)，從而影響它們之間的相互作用，使水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，最終使水凝膠發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變。

Tanaka小組報(bào)道弱交聯(lián)的印跡聚合物水凝膠包含溫敏性單體（NIPAAm）和功能單體?；赥anaka研究工作，劉學(xué)涌等人[6]將氫鍵引入溫敏性印跡聚合物的合成體系，首次制備了基于氫鍵和離子鍵作用的溫敏性印跡聚合物水凝膠。在實(shí)驗(yàn)中，選擇4-氨基吡啶（Apy）作為模板分子，甲基丙烯酸作為功能單體，用來(lái)識(shí)別模板分子4-氨基吡啶；N-異丙基丙烯酰胺選作溫敏性單體，使印跡聚合物能夠在溫度改變的條件下發(fā)生可逆的溶脹和收縮，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氨基吡啶的識(shí)別和釋放。此外，郭小偉等[7]人以水楊酸為模板分子，丙烯酰胺為功能單體，N-異丙基丙烯酰胺為溫敏單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑，偶氮二異丁腈為引發(fā)劑，采用本體聚合法，60 ℃熱聚合制備了溫度敏感的分子印跡（MIP）水凝膠，其最低臨界溶解溫度（LCST）在40 ℃左右。該分子印跡水凝膠對(duì)水楊酸顯示了高的選擇識(shí)別性，非分子印跡水凝膠則表現(xiàn)出低的選擇性。溫敏性分子印跡水凝膠的吸附容量達(dá)6.35 mg/g，是非印跡水凝膠的3.66倍。相對(duì)于未添加溫敏單體的分子印跡聚合物，溫敏性水楊酸分子印跡水凝膠對(duì)目標(biāo)分子的吸附和洗脫效率分別提高33.3%和50%，并實(shí)現(xiàn)了溫度響應(yīng)的水凝膠結(jié)合、釋放水楊酸的功能。

何江川等人[8]以甘草酸分子為印跡分子，N-異丙基丙烯酰胺作為溫度響應(yīng)性單體，和甲基丙烯酸共同為甘草酸的吸附性單體，在大量交聯(lián)劑存在下，N-甲基吡咯烷酮中經(jīng)自由基模板聚合，制備了一種熱敏性印跡凝膠，對(duì)水凝膠的熱收縮動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了表征；用紅外光譜證實(shí)了甘草酸分子與單體分子間的相互作用，以旁證其模板作用的存在，同時(shí)還與沒(méi)有模板作用所合成的同種凝膠作了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模板聚合所得的水凝膠可以富集水溶液中的甘草酸，并對(duì)它表現(xiàn)出特殊的選擇性分離作用，分配系數(shù)約為非模板聚合水凝膠的11倍。

3 pH敏感型智能分子印跡水凝膠

水凝膠的pH值響應(yīng)性是指其溶脹或消溶脹是隨pH值的變化而變化。它們含有大量易水解和質(zhì)子化的解離基團(tuán)，當(dāng)外界pH值變化時(shí)，這些基團(tuán)的解離程度相應(yīng)改變，造成凝膠內(nèi)外離子濃度的變化，并引起網(wǎng)絡(luò)內(nèi)氫鍵的生成或斷裂，導(dǎo)致凝膠的不連續(xù)體積相變。

聚多糖類(lèi)水凝膠由于良好的生物相容性和降解性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用倍受關(guān)注。上海大學(xué)的陳捷[9]等采用輻照法制備了殼聚糖/丙烯酸共聚水凝膠，其在低pH值和高pH值處都有較好的溶脹性能，而在中間pH值溶脹比較低。此外還用輻照法制備了聚N異丙基丙烯酰胺，發(fā)現(xiàn)這一典型的溫度敏感性水凝膠同時(shí)還具有pH 值敏感性，其在低pH值和高pH值處的溶脹比要高于中間pH值處[10]。

眾所周知，由于聚丙烯酸（PAA）和聚甲基丙烯酸（PMAA）分子鏈上含有大量可電離的COOH基團(tuán)，因而是一類(lèi)具有pH值敏感特性的智能高分子。Dal等人[11] 合成了一種新型的具有pH值敏感特性的雙親性二嵌段共聚物——聚[甲基丙烯酸-b-2-（二乙基氨基）甲基丙烯酸乙酯][P（MAA-b-DEA）]，滴定及濁度實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)溶液pH值<5.5（對(duì)應(yīng)于共聚物中PDEA段N的質(zhì)子化）時(shí)，共聚物形成以疏水的PMAA為核，質(zhì)子化的PDEA為殼的類(lèi)膠束；當(dāng)pH值>9.2（對(duì)應(yīng)于共聚物中PDEA段N完全去質(zhì)子化，此時(shí)COOH完全解離為COO-）時(shí)，共聚物在水溶液中又以疏水的PDEA為核，親水的PMAA為殼的類(lèi)膠束構(gòu)象形式存在；而當(dāng)5.5

4 電敏感型智能分子印跡水凝膠

水凝膠的電敏感性是指凝膠隨外加直流電場(chǎng)的變化而發(fā)生的體積轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。電敏感水凝膠一般含可離子化基團(tuán)，其溶脹易受電場(chǎng)或電流影響。在此類(lèi)凝膠中，荷電基團(tuán)的抗衡離子在電場(chǎng)中遷移，凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外離子濃度的變化引起滲透壓的變化，導(dǎo)致凝膠體積或形狀改變[12]。鄭云華等人[13]以脲為催化劑，將聚乙烯醇（PVA）磷酸酯化制成聚乙烯醇磷酸酯，再經(jīng)戊二醛交聯(lián)制備了一種新型的聚乙烯醇磷酸酯水凝膠。研究了水凝膠的溶脹性能、力學(xué)性能和電刺激響應(yīng)行為。結(jié)果表明，該凝膠在NaCl水溶液中的平衡溶脹率隨NaCl溶液的離子強(qiáng)度增大而減小，在離子強(qiáng)度為0～0.2 mol/L的NaCl 水溶液中，其彈性模量為0 .300～0.356 MPa，拉伸強(qiáng)度為91.5～137.8 kPa，斷裂伸長(zhǎng)率為32.0% ～37.5%，且均隨離子強(qiáng)度的增大而提高。在去離子水和NaCl水溶液中于非接觸直流電場(chǎng)作用下，凝膠向電場(chǎng)負(fù)極彎曲，彎曲速度和應(yīng)變隨外加電壓的增大而增大，并隨NaCl離子強(qiáng)度的增大于0.005處出現(xiàn)極大值。在循環(huán)電場(chǎng)作用下，聚乙烯醇磷酸酯水凝膠的電刺激響應(yīng)行為具有良好的可逆性。

5 結(jié)語(yǔ)

智能分子印跡水凝膠將分子印跡技術(shù)對(duì)分子的靈敏識(shí)別與智能水凝膠能夠感應(yīng)外界環(huán)境變化的獨(dú)特性能結(jié)合起來(lái)，使其不僅能夠通過(guò)感應(yīng)環(huán)境刺激信號(hào)控制分子記憶功能，而且可以對(duì)特定分子的濃度變化做出響應(yīng)。這些優(yōu)點(diǎn)使得分子印跡水凝膠在免疫分析、生物傳感器、轉(zhuǎn)化器、微型開(kāi)關(guān)、分子器件等很多方面得到了廣泛應(yīng)用。雖然，目前智能分子印跡水凝膠還處于初級(jí)研究階段，但是其顯著優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。

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