姜道义-温度响应高分子及其应用

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温度响应高分子及其应用
汇报人:姜道义
2013 11 21
主要内容
一、温度响应高分子的简介
二、几种温度响应高分子的机理
三、温度响应高分子的分子设计
四、温度响应高分子的应用
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一、温度响应高分子简介
温度响应高分子
外界环境温度微小变化可以使得高分子的物理、化学等性
质发生相对大的改变或者突变的一类高分子。
临界溶解温度是指聚合物相和溶液相发生不连续改变时
(例如swelling/deswelling、sol/gel、precipitation/solution)的温
度。如果聚合物在一个特定的温度下为一相,当高于这个温度
时发生相分离,这类聚合物存在低临界溶解温度(LCST)。
温度响应高分子主要有:
一、基于PNIPAAm和其改性的体系
二、基于两亲平衡的嵌段共聚物
三、生物大分子或者人工结成的多肽
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二、几种温度响应高分子的机理
*
a、基于PNIPAAm和其改性体系
响应原理
*
n
C
O
NH
LCST=32℃
结构组成:疏水部分-----主链和异丙基
亲水部分------酰胺键
Poly(N-isopropylacrylamide)
热力学解释
△G=△H一T△S
1、由于氢键的形成,其溶解过程是放
热过程,焓变△H为负值。
2、水分子包裹在分子链的疏水部分
形成较为规则的笼子结构,致使嫡变
△S也为负值。
因此 T较小时, △G<0
T较大时, △G>0,发生相变
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对PNIPAAm的结构进行改变,可以得到不同的
a. PDEAAm
b. PCIPAAm
c.P(L-HMPMAAm)
d.聚(N-丙烯酰-N烷基哌嗪)
Prog. Polym. Sci. 32 (2007) 1083–1122
5
对PNIPAAm进行共聚,可以得到不同的多响应性
Prog. Polym. Sci. 32 (2007) 1275–1343
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对局部官能团的改变,修饰LCST
Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 47, 3544–3557 (2009)
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b、基于两亲平衡的嵌段共聚物
一系列的两亲嵌段共聚物据报道都有温度响应微凝胶
化行为,在高于临界胶凝温度形成水凝胶。最典型的就
是PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物,在相对高浓度的情况
下,其溶液-凝胶相转变温度在体相温度之下,而其凝胶溶液相转变温度却大约50℃。
其溶液-凝胶转变机理:温度的改变,会造成凝胶体积的改
变,随着微凝胶体积的改变,这会导致胶束似晶格密堆积。
调节这类聚合物LCST的方法主要有两种:
一、改变EO和PO的比例,如P105 (EO37–PO56–EO37)的LCST约为91 ℃
二、将其中的一种物质或者两种用其他物质取代,如疏水基团用BO取代
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c、生物大分子和人工合成多肽
一些生物高分子像明胶、琼脂糖、结冷苄酯已经报道也存
在温度响应性。结冷胶,多糖及其衍生物像结冷苄酯在水溶液
体系中通过氢键形成双螺旋构象。由于疏水作用,双螺旋结构
主导了聚集而形成物理交联,最终导致凝胶化。明胶有着不同
的凝胶化机理,本质上是由于明胶是一种通过破坏三螺旋结构
的胶原形成单串的蛋白质。
这类胶体一般都是一种可逆的水凝胶。
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Gel
Viscous Liquid
生物大分子在温度响应过程中的变换图
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三、温度响应高分子的分子设计
a、调整聚合物的结构
Annaka M等人将交联后的PNIPAAm凝胶上接枝短的疏水链段得
到梳型的交联的凝胶,研究发现
The changein microenvironment of the comb-type PNIPAAm gel due to a
temperature jump revealed that it was altered hydrophobically more than 10 times
faster than the linear type PNIPAAm gel.
通过交联得到的梳型交联的凝胶示意图
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Tb、改变共聚物中组分的不同
共聚物中由于含有AAm(亲水部分)和N-tBAAm(疏水部
分),其LCST的影响受到亲水和疏水组成控制。
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c、调节溶液的浓度
Okabe S 等用聚(2-乙氧基乙酯乙烯醚-b-2-羟乙基乙烯基醚)
研究温度响应是发现不同的溶液浓度可以使得两亲性的物质在
水中呈现不同的形态。
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d、制备核壳结构的凝胶
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四、温度响应高分子的应用
应用理论依据主要有两个
宏观上
可逆亲疏水转变
微观上
溶解-沉淀等相转变
T>LCST
T<LCST
因此温度这类聚合物在很多方面都有广泛的应用,如溶液
分离、蛋白质的提纯、靶向治疗、细胞培养皿的设计、微尺度
的制动器等。
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a.溶液的分离
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b.对局部过热的靶向药物释放
已经有两种基因载体制备的方法:
一、可溶的温度响应聚合物载体在体温条件下携带阴离子DNA或
者疏水抗病毒药物,在温度过高区释放。
二、温度响应聚合物形成的胶束或者纳米凝胶作为携带这些药物
的容器在体温稳定,在高温区释放。
LCST=37±0.5℃
zero-order kinetic
drug release pattern
Schematic representation of the temperature-dependent encapsulation of
BSA in microgel particles MG1.
J Biomed Mater Res Part A 2013:101A:2015–2026
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c.蛋白质分离
在温度响应聚合物用特殊的偶联配体修饰,通过目标蛋白
质与配体的亲和力实现蛋白质水溶液的分离提纯。一旦目标蛋
白吸附在配体上,聚合物体系的疏水亲水性的可逆改变可以将
蛋白质从配体上拆分下来。
一种方法是蛋白质与配体结合后,在高于LCST时,温度响应聚合
物发生沉淀。
一种方法是将配体聚合物接枝到过滤柱的颗粒上,流动的蛋白质
溶液经过过滤柱时吸附在配体上。
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合成
纯化与分离过程
reuse
Biomacromolecules,2006, 7, 1124-1130
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ELP提纯蛋白质示意图
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d,细胞培养皿
一般哺乳动物细胞需要在疏水基体上培养,分离一般用酶,
会破坏细胞结构。 哺乳动物细胞的培养可以在表面有温度响应
层的表面皿中培养。
不需要使用具有破坏性的酶,PNIPAAm接枝到基体表面上
可以通过改变表面的疏水性方便安全地实现细胞从基体上分离。
Schematic of cell sheet engineering using a pNIPAM-grafted dish.
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e.微流量的自动控制
微尺度的制动器可以响应环境的刺激来控制流速,在微流
道中设置刺激响应水凝胶阀。微流道中可以通过印刷技术改
造,在流道充满聚合单体(丙烯酸和2-羟乙基甲基丙烯酸酯)
进行光聚合。微流道中的水凝胶可以感应PH、温度、葡萄糖浓
度等然后自动调节流速,而不需要外部能量的输入。
流体
微流道示意图
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结束语
虽然目前很多温度响应聚合物的广泛应用仍具有
很大的限制,但是随着人们对于温度响应聚合体系研
究的不断深入,温度响应聚合物的应用前景将会有更
好的发展。
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谢谢大家
( 如有理解不当的地方,还请老师和同学们批评
指正 )
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