功能性水凝膠的活性聚合與應(yīng)用研究進(jìn)展

梁 良，張亞平，周 瑜，任 錦

（1.九江學(xué)院分析測(cè)試中心，江西 九江 332005；2.九江學(xué)院藥學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，江西 九江 332005）

功能性水凝膠的活性聚合與應(yīng)用研究進(jìn)展

梁 良1，張亞平2，周 瑜2，任 錦2

（1.九江學(xué)院分析測(cè)試中心，江西 九江 332005；2.九江學(xué)院藥學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，江西 九江 332005）

功能性水凝膠能夠針對(duì)不同環(huán)境的變化而做出響應(yīng)，在生物醫(yī)藥、組織工程、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域被廣泛研究?；钚跃酆蟿t擁有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性強(qiáng)、反應(yīng)控制靈活、產(chǎn)物均一性好的優(yōu)勢(shì)。本文主要介紹了目前功能性水凝膠活性聚合的研究進(jìn)展和應(yīng)用情況。

功能性水凝膠；活性聚合；應(yīng)用

水凝膠是一種含有大量親水基團(tuán)的三維網(wǎng)狀高分子材料，能夠吸收大量的水進(jìn)行溶脹。水凝膠功能化后，面對(duì)外界環(huán)境敏感點(diǎn)的變化，如溫度、pH值、壓力、磁力、溶劑極性等，能夠?qū)崿F(xiàn)凝膠-溶膠或者溶脹的形態(tài)變換，并在這一過程中完成設(shè)定的功能化目的?；谒z良好的生物相容性與環(huán)境友好性，以及超強(qiáng)的分子可設(shè)計(jì)性，其在藥物傳輸[1]、組織工程[2]、水環(huán)境保護(hù)[3]和催化劑載體[4]等領(lǐng)域擁有巨大的開發(fā)潛力和發(fā)展前景。

活性聚合因不存在鏈轉(zhuǎn)移和鏈終止過程，使得反應(yīng)過程能夠被精確控制，同時(shí)鏈引發(fā)速率又大于鏈增長速率，使產(chǎn)物分子量分布集中，均一性非常好，因此，使用活性聚合可以讓包含各種功能基團(tuán)的水凝膠被精確制造出來，產(chǎn)物的高一致性也提升了其運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)的可能性。

1 活性聚合

1.1 原子轉(zhuǎn)移自由基聚合

原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（Atom Transfer Radical Polymerization，ATRP）又稱金屬催化自由基聚合，是利用了金屬催化劑具備發(fā)生可逆氧化還原反應(yīng)的能力，使特定基團(tuán)可以在活性種與休眠種之間自由轉(zhuǎn)移，氧化-還原的往復(fù)循環(huán)實(shí)現(xiàn)鏈的增長。該法的特點(diǎn)在于聚合產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性很強(qiáng)，不僅能夠通過選用不同的聚合單體，還可以通過改變引發(fā)劑-鹵代烷中烷烴部分的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)所需要的水凝膠結(jié)構(gòu)。盛維娟課題組[5]用2-溴代丙酸乙酯為引發(fā)劑，氯化亞銅為催化劑，通過ATRP法將具有溫度響應(yīng)特性的甲基丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯和寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯，以及N-羥甲基丙烯酰胺按比例共聚，再分別對(duì)共聚物進(jìn)行疊氮化與炔基化處理，最后將二者交聯(lián)得到溫敏性水凝膠。周應(yīng)學(xué)等[6]用2-溴異丁酰溴改性的α-環(huán)糊精與溴丙酰溴封端的F127水凝膠自組裝形成聚準(zhǔn)輪烷，并以此作為大分子引發(fā)劑，通過ATRP法將聚乙二醇二丙烯酸酯和2-甲基丙烯酸羥乙酯進(jìn)行共聚，由于引發(fā)劑中烷烴部分含有引入的改性α-環(huán)糊精與凝膠大分子結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)物水凝膠不僅具有交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的超分子結(jié)構(gòu)，還獲得了良好的熱敏性與力學(xué)強(qiáng)度。

1.2 可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合

可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合（Reversible Addition-Fragmentation Transfer Polymerization,RAFT）實(shí)際上是在傳統(tǒng)的自由基聚合反應(yīng)中，加入了高鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)的鏈轉(zhuǎn)移劑，使鏈轉(zhuǎn)移成為一個(gè)快速而且可逆的過程，從而實(shí)現(xiàn)活性種與休眠種的可逆平衡，期間鏈轉(zhuǎn)移相對(duì)鏈增長的反應(yīng)時(shí)間可以忽略不計(jì)。這種活性聚合方法的優(yōu)勢(shì)是繼承了傳統(tǒng)自由基聚合的所有工藝和條件，擁有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)與潛力。劉曉暄團(tuán)隊(duì)[7]首先合成了鏈端含有三硫代碳酸酯基的鏈轉(zhuǎn)移劑，通過光引發(fā)RAFT法，將N-異丙基丙烯酰胺和N,N-二甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)共聚，并使用聚乙二醇作為制孔劑，得到能快速響應(yīng)的多孔水凝膠。劉桂廷等[8]分別選用具備溫敏性的聚乙二醇甲基丙烯酸酯和具有pH敏感性的丙烯酸作為反應(yīng)單體，以三硫代碳酸酯為鏈轉(zhuǎn)移劑，采用RAFT法一步合成了溫度與pH值雙重響應(yīng)的功能性水凝膠，整個(gè)反應(yīng)簡單高效。

1.3 氮氧穩(wěn)定自由基聚合

氮氧穩(wěn)定自由基聚合（Nitroxide-Mediated Free-Radical Polymerization, NMRP）是在氮氧化合物生成的自由基與鏈增長自由基形成休眠種后，通過高溫使休眠種產(chǎn)生自由基，恢復(fù)為活性種，實(shí)現(xiàn)活性聚合。這種聚合方式可以避免產(chǎn)物中存在如金屬催化劑這樣的雜質(zhì)。趙瑋杰[9]先合成出含有烷氧基胺基團(tuán)的交聯(lián)劑，使用該交聯(lián)劑制備出聚丙烯酸叔丁酯凝膠，加入苯乙烯后，加熱使凝膠中烷氧基胺的碳氧鍵發(fā)生均裂，得到含氮氧自由基的活性種，引發(fā)苯乙烯聚合，再與之發(fā)生共聚后形成兩嵌段凝膠，最后將叔丁酯段水解，得到聚丙烯酸-聚苯乙烯的兩親性凝膠。

1.4 氧陰離子聚合

氧陰離子聚合（Oxyanion-Initiated Polymerization，OIP）的反應(yīng)機(jī)理是利用醇鉀等在極性溶劑中生成氧陰離子，而氧陰離子作為活性基團(tuán)引發(fā)鏈增長，實(shí)現(xiàn)單體聚合。此聚合的速率很快，并且對(duì)反應(yīng)條件的要求較溫和。韓丹[10]選用萘鉀引發(fā)體系，經(jīng)氧陰離子聚合制備出胍鹽修飾的陽離子聚合物，再分別與陰離子聚合物海藻酸鈉和木質(zhì)素磺酸鈉通過靜電作用產(chǎn)生物理交聯(lián)，形成離子型水凝膠。

2 功能性水凝膠的應(yīng)用

2.1 藥物傳輸

水凝膠具備三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，存在包埋或容納藥物分子的空間，是作為藥物傳輸載體的理想對(duì)象。水凝膠功能化后，能夠通過變換形態(tài)來響應(yīng)體內(nèi)特殊環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載藥物緩釋、控釋的目的。李聰?shù)萚11]將具有促進(jìn)成骨細(xì)胞生長的甲狀旁腺相關(guān)肽載入到溫敏性水凝膠內(nèi)，對(duì)比不同溫度下的釋藥結(jié)果發(fā)現(xiàn)，20℃時(shí)，該復(fù)合物1d釋放了總載藥量的90%，而在生理溫度37℃下，其平穩(wěn)持續(xù)地釋藥了13d，緩釋效果顯著。He等[12]采用1-溴代十二烷改性果膠得到具有pH敏感性的烷基化果膠水凝膠，以牛血清白蛋白為負(fù)載藥物分子，模擬了在不同酸堿度的體液中的釋放情況，發(fā)現(xiàn)在模擬腸液中的釋放量明顯大于模擬胃液中的，說明該水凝膠具備控釋能力。

2.2 組織工程

制備水凝膠時(shí)既可以選用不同單體進(jìn)行交聯(lián)聚合，也可以使用聚合物進(jìn)一步接枝共聚，原料既可以是天然的也可以是人工合成的。正是由于水凝膠制備工藝靈活，選材廣泛，使得水凝膠可以具備良好的生物相容性和降解性、無毒性以及醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值。楊國慧等[13]開發(fā)出聚乙二醇雙丙烯酸酯水凝膠作為鼻腔填充材料，并論證了其細(xì)胞相容性。周勇課題組[14]用聚乙烯醇與天然聚合物殼聚糖制備出多孔水凝膠，再復(fù)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，成功修復(fù)了兔膝關(guān)節(jié)軟骨缺損。張鴻鑫等[15]采用天然多糖海藻酸與酰肼化的聚乙二醇反應(yīng)，得到具有自愈合性能的動(dòng)態(tài)交聯(lián)水凝膠，該材料能在生理溫度下，實(shí)現(xiàn)切口自動(dòng)愈合，可作為注射水凝膠填充生物體內(nèi)被破壞的組織結(jié)構(gòu)。

2.3 水環(huán)境保護(hù)

水凝膠擁有龐大的分子結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)中存在大量的能與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)的功能基團(tuán)，作為吸附這些離子的活性位點(diǎn)[16]，達(dá)到清除水體中重金屬的目的。劉婉宜等[17]制備出表面分布有胺基和羧基殘基的聚丙烯酸鹽-丙烯酰胺水凝膠，利用這兩種功能基團(tuán)與重金屬離子形成螯合物，分別考察了該水凝膠對(duì)Cu2+、Pb2+、Zn2+和Cd2+的吸附性能，發(fā)現(xiàn)對(duì)這4種重金屬離子的最大吸附量分別為 185.73mg·g-1、587.99mg·g-1、208.42mg·g-1、402.86mg·g-1。葉滿輝等[18]以戊二醛為交聯(lián)劑制備得到一種具有高效吸附能力的水凝膠聚天冬氨酸/木質(zhì)纖維素水凝膠，其對(duì)Pb2+的最大吸附量可達(dá)到972.35mg·g-1，這主要是因?yàn)榫厶於彼峤Y(jié)構(gòu)中含有肽鍵和羧基，而木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)中又存在很多如醇羥基、酚羥基、羰基等的基團(tuán)，這些功能基團(tuán)均能夠與重金屬離子發(fā)生作用，使得該水凝膠擁有很強(qiáng)的吸附能力。

2.4 催化劑載體

研究者們采用水凝膠吸附或者包覆催化劑的方式，拓寬催化劑的使用范圍，提升其使用效果。劉兵等[19]用纖維素水凝膠包覆Fe3O4類Fenton納米催化劑，使包覆后的催化劑能夠在pH值為3～7的環(huán)境中降解酸性大紅GR，而沒有水凝膠包覆“保護(hù)”的催化劑在此條件下則沒有催化降解效果。陶倩[20]將碳酸脫水酶與溫敏型水凝膠聚N-異丙基丙烯酰胺一起封裝在反相微乳液中，當(dāng)使用溫度升高后，水凝膠收縮并借助疏水端吸附碳酸脫水酶，阻止其在高溫時(shí)發(fā)生聚集而失去催化活性，保護(hù)效率達(dá)到83.2%。

3 結(jié)語

功能性水凝膠因其能夠?qū)ν饨绛h(huán)境敏感點(diǎn)的變化做出響應(yīng)而備受研究者關(guān)注，再加上水凝膠本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和多方面的性能優(yōu)勢(shì)，使得功能性水凝膠在眾多領(lǐng)域擁有應(yīng)用前景。近年來，關(guān)于水凝膠活性聚合的報(bào)道日漸增多，由于活性聚合的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，反應(yīng)可控，產(chǎn)物一致性好，能夠進(jìn)一步挖掘功能性水凝膠的應(yīng)用潛力，提升工業(yè)化生產(chǎn)的可行性。然而，如何兌現(xiàn)這些潛力與前景，還需要不懈努力，希望在不遠(yuǎn)的將來，功能性水凝膠在日常生活生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

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Research Advances in Active Polymerization and Application of Functional Hydrogels

LIANG Liang1, ZHANG Yaping2, ZHOU Yu2, REN Jin2
(1. Analytical and Testing Center, Jiujiang University, Jiujiang 332005, China; 2.School of Medicine and Life Sciences,Jiujiang University, Jiujiang 332005, China)

Functional hydrogels responding to the changes of different environments was widely studied in biological medicine,tissue engineering, environmental protection and other fields, and the active polymerization had advantages in designing the structure of polymer, controlling reaction flexibly and getting the product of good uniformity. In this paper, the study on activity polymerization and the application of functional hydrogels currently were mainly introduced.

functional hydrogels; active polymerization; application

TQ 317

A

1671-9905(2017)11-0030-03

九江學(xué)院科研基金項(xiàng)目（No.8500353）和啟動(dòng)基金項(xiàng)目（No.8879415）

梁良（1986-），男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：復(fù)合藥物載體材料的合成

任錦（1986-），女，博士，講師，研究方向：載藥體系的研究

2017-08-07