Поли(N-изопропилакриламид) - Poly(N-isopropylacrylamide)

Поли(N-изопропилакриламид)
PNIPA.png
Идентификаторы
ChemSpider
  • никто
Характеристики[1]
(C6ЧАС11НЕТ)п
Молярная массаПеременная
Внешностьбелое твердое вещество
Плотность1,1 г / см3
Температура плавления 96 ° С (205 ° F, 369 К)
Опасности[1]
Паспорт безопасностиВнешний паспорт безопасности материалов
NFPA 704 (огненный алмаз)
Если не указано иное, данные для материалов приводятся в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
Ссылки на инфобоксы

Поли(N-изопропилакриламид) (сокращенно PNIPA, PNIPAAm, НИПА, PNIPAA или же PNIPAm) это термочувствительный полимер это было первое синтезированный в 1950-е гг.[2] Его можно синтезировать из N-изопропилакриламид, который имеется в продаже. Он синтезируется через свободнорадикальная полимеризация и легко функционализируется, что делает его полезным во множестве приложений.

Он образует трехмерный гидрогель когда сшитый с N, N ’-метилен-бис-акриламид (MBAm) или N, N ’-цистамин-бис-акриламид (CBAm). При нагревании в воде выше 32 ° C (90 ° F) он претерпевает обратимый более низкая критическая температура раствора (LCST) фаза перехода от набухшего гидратированного состояния до сморщенного обезвоженного состояния, теряя около 90% своего объем. Поскольку PNIPA удаляет свое жидкое содержимое при температуре около что человеческого тела, PNIPA исследовалась многими исследователями на предмет возможных приложений в тканевая инженерия[3][4] и контролируемый доставки лекарств.[5][6][7]

История

Синтез поли (N-изопропилакриламид) началось с синтеза акриламид мономер Спрехтом в 1956 году.[8] В 1957 году Ширер запатентовал первое применение того, что позже будет идентифицировано как PNIPA, для использования в качестве репеллента для грызунов.[9] Ранняя работа была вызвана теоретическим любопытством к свойствам материала PNIPA. Первый отчет PNIPA появился в 1968 году, в котором разъяснялось уникальное тепловое поведение водных растворов.[10] 1980-е годы ознаменовались взрывным ростом интереса к PNIPA с реализацией потенциальных приложений из-за его уникального термического поведения в водных растворах.[2]

Химические и физические свойства

ПНИПА - один из наиболее изученных термочувствительных гидрогелей. В разбавленном растворе он подвергается переход от клубка к глобуле.[11] ПНИПА обладает обратной растворимостью при нагревании. Меняется гидрофильность и гидрофобность внезапно на своем LCST.[12] При более низких температурах PNIPA заказывает себя в растворе, чтобы водородная связь с уже расположенными молекулами воды. Молекулы воды должны переориентировать вокруг неполярных областей PNIPA, что приводит к уменьшению энтропия. При более низких температурах, например комнатной, отрицательная энтальпия срок () из водородная связь эффекты доминируют Свободная энергия Гиббса,

,

заставляя PNIPA поглощать воду и растворяться в растворе. При более высоких температурах энтропия срок () доминирует, заставляя PNIPA выделять воду и разделять фазы, что можно увидеть на следующей демонстрации.

Наглядное изображение эффекта НКТУ PNIPA
  • Водный раствор ПНИПА перед нагреванием. Отрицательная энтальпия водородных связей преобладает, и PNIPA растворяется в растворе.

    Водный раствор ПНИПА перед нагреванием. Отрицательная энтальпия водородных связей преобладает, и PNIPA растворяется в растворе.

  • Смесь после прогрева с помощью теплового пистолета. Отрицательная энтропия смешения преобладает из-за повышения температуры, и фаза ПНИПА отделяется от воды.

    Смесь после прогрева с помощью теплового пистолета. Отрицательная энтропия смешения преобладает из-за повышения температуры, и фаза ПНИПА отделяется от воды.

Демонстрация нагрева PNIPA для демонстрации эффекта НКТР.

Синтез чувствительного к нагреванию и pH PNIPA

Гомополимеризация[13]

Процесс бесплатного радикальная полимеризация одного вида мономер, в этом случае, N-изопропилакриламид с образованием полимера известен как гомополимеризация. Радикальный инициатор азобисизобутиронитрил (AIBN) обычно используется при радикальной полимеризации.
Гомополимеризация ПНИПА

Сополимеризация

Свободнорадикальная полимеризация двух разных мономер приводит к сополимеризация. Преимущество сополимеризации включает точную настройку LCST.
Сополимеризационный синтез PNIPA

Терполимеризация

Свободнорадикальная полимеризация трех различных мономер известен как терполимеризация. Преимущества терполимеризации могут включать усиление множества свойств полимера, включая термочувствительность, чувствительность к pH или тонкую настройку LCST.
Терполимеризационный синтез ПНИПА

Сшитый гидрогель

Схема реакции ниже представляет собой терполимеризация сформировать сшитый гидрогель. Реагент персульфат аммония (APS) используется в химия полимеров как сильный окислитель который часто используется вместе с тетраметилэтилендиамин (TMEDA) для катализирования полимеризации при изготовлении полиакриламидные гели.
Полимеризация сшитого гидрогеля PNIPA

Синтез PNIPA, функционализированного на конце цепи

PNIPA может быть функционализирован с помощью цепная передача агенты, использующие бесплатный радикальная полимеризация. Три схемы ниже демонстрируют функционализацию с использованием цепная передача агентов (CTA), где один конец полимера является радикальный инициатор а другая - функционализированная группа. Функционализация конца цепи полимера позволяет использовать полимер во многих разнообразных условиях и приложениях. Преимущества функционализации конца цепи могут включать усиление множества свойств полимера, включая термочувствительность, чувствительность к pH или точную настройку LCST.[13]

(1) Схема функционализации CTA 1 PNIPA

(2) Схема 2 CTA функционализации PNIPA

(3) Функционализация CTA Scheme 3 PNIPA

Приложения

Универсальность PNIPA позволила найти применение в макроскопических исследованиях. гели, микрогели, мембраны, датчики, биосенсоры, тонкие пленки, тканевая инженерия, и доставки лекарств. Тенденция водных растворов ПНИПА к увеличению вязкость в присутствии гидрофобные молекулы сделал это отличным для третичная добыча нефти.

Добавление добавок или сополимеризация PNIPA может снизить более низкая критическая температура раствора к температурам около температура человеческого тела, что делает его отличным кандидатом на доставки лекарств Приложения.[14] PNIPA может быть помещен в раствор биоактивных молекул, что позволяет биоактивным молекулам проникать через PNIPA. Затем PNIPA можно разместить in vivo, где происходит быстрое высвобождение биомолекулы из-за первоначального коллапса геля и выброса биомолекул в окружающую среду с последующим медленным высвобождением биомолекул из-за закрытия пор на поверхности.[15]

PNIPA также использовались в pH-чувствительный доставки лекарств системы. Некоторые примеры этих систем доставки лекарств могут включать доставку человеческого кальцитонина в кишечник,[16] доставка инсулина,[16] и доставка ибупрофена.[17] Когда радиоактивно меченные сополимеры PNIPA с разными молекулярными массами вводили крысам внутривенно, было обнаружено, что порог клубочковой фильтрации полимера составляет около 32 000 г / моль.[18]

PNIPA использовались в гелевые актуаторы, которые преобразуют внешние раздражители в механическое движение. При нагревании над LCST, то гидрогель идет от гидрофильный к гидрофобный государственный.[19] Это преобразование приводит к вытеснению воды, что вызывает физическое конформационное изменение, создавая механическое движение петли.

Рекомендации

  1. ^ а б "Поли(N-изопропилакриламид) Паспорт безопасности материала ». sigmaadlrich.com. Получено 2014-01-24.
  2. ^ а б Шильд, Х.Г. (1992). «Поли (N-изопропилакриламид): эксперимент, теория и применение». Прогресс в науке о полимерах. 17 (2): 163–249. Дои:10.1016 / 0079-6700 (92) 90023-Р.
  3. ^ von Recum, H.A .; Кикути, А .; Окухара, М .; Sakurai, Y .; Окано, Т .; Ким, С. В. (1998). «Культуры пигментированного эпителия сетчатки на термочувствительных полимерных пористых субстратах». Журнал науки о биоматериалах, полимерное издание. 9 (11): 1241–1253. Дои:10.1163 / 156856298X00758. PMID  9860183.
  4. ^ Lee, EL; фон Рекум, HA (2010). «Платформа для культивирования клеток с механическим кондиционированием и неповреждающим клеточным отслоением». J Biomed Mater Res A. 93 (2): 411–8. Дои:10.1002 / jbm.a.32754. PMID  20358641. S2CID  23022529.
  5. ^ Chung, J. E .; Yokoyama, M .; Ямато, М .; Аояги, Т .; Sakurai, Y .; Окано, Т. (1999). «Термочувствительная доставка лекарств из полимерных мицелл, построенных с использованием блок-сополимеров поли (N-изопропилакриламида) и поли (бутилметакрилата)». Журнал контролируемого выпуска. 62 (1–2): 115–127. Дои:10.1016 / S0168-3659 (99) 00029-2. PMID  10518643.
  6. ^ Ян, Ху; Цуджи, Каору (2005). «Возможное применение поли (N-изопропилакриламидного) геля, содержащего полимерные мицеллы, в системах доставки лекарств». Коллоиды и поверхности B: биоинтерфейсы. 46 (3): 142–146. Дои:10.1016 / j.colsurfb.2005.10.007. HDL:2115/1381. PMID  16300934.
  7. ^ Филипе Э. Антунес, Луиджи Джентиле, Лорена Тавано, Чезаре Оливьеро Росси (2009). «Реологические характеристики термического гелеобразования поли (N-изопропилакриламида) и поли (N-изопропилакриламида) со-акриловой кислоты». Дои:10.3933 / ApplRheol-19-42064. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  8. ^ США 2773063 
  9. ^ США 2790744 
  10. ^ М. Хескинс; Ж. Э. Гийе (1968). «Свойства раствора поли (N-изопропилакриламида)». Журнал макромолекулярной науки, часть A. 2 (8): 1441–1455. Дои:10.1080/10601326808051910.
  11. ^ Wu, C; Ван, X (1998). «Переход от глобулы к катушке одиночной гомополимерной цепи в растворе» (PDF). Письма с физическими проверками. 80 (18): 4092–4094. Bibcode:1998PhRvL..80.4092W. Дои:10.1103 / PhysRevLett.80.4092. Архивировано из оригинал (PDF) 21 июля 2011 г.. Получено 25 сентября 2010.
  12. ^ Сомасундаран, Пониссерил (2004). Энциклопедия науки о поверхности и коллоидах. Тейлор и Фрэнсис. ISBN  978-0824721541. Получено 2014-02-13.
  13. ^ а б «Разработка полимеров на основе НИПАМ, чувствительных к температуре и pH». sigmaadlrich.com. Получено 2014-01-25.
  14. ^ А. Т. Окано; Я. Х. Бэ; Х. Джейкобс; С. В. Ким (1990). «Полимеры с термическим переключением для проникновения и высвобождения лекарств». Журнал контролируемого выпуска. 11 (1–3): 255–265. Дои:10.1016 / 0168-3659 (90) 90138-к.
  15. ^ Аллан С. Хоффман; Али Афрасиаби; Лян Чанг Донг (1986). «Термически обратимые гидрогели: II. Доставка и селективное удаление веществ из водных растворов». Журнал контролируемого выпуска. 4 (3): 213–222. Дои:10.1016/0168-3659(86)90005-2.
  16. ^ а б Шмальоханн, Дирк (2006). «Термо- и pH-чувствительные полимеры в доставке лекарств» (PDF). Расширенные обзоры доставки лекарств. Эльзевир. 58 (15): 1655–70. Дои:10.1016 / j.addr.2006.09.020. PMID  17125884. Получено 13 марта 2014.
  17. ^ Чжу, Сеньминь; Чжоу, Чжэнъян; Чжан, Ди (15 марта 2007 г.). «Прививка термочувствительного полимера внутрь мезопористого диоксида кремния с большим размером пор с использованием ATRP и исследование его использования в высвобождении лекарств». J. Mater. Chem. 17 (23): 2428–2433. Дои:10.1039 / b618834f.
  18. ^ Bertrand, N .; Fleischer, J.G .; Wasan, K.M .; Леру, Дж. К. (2009). «Фармакокинетика и биораспределение сополимеров N-изопропилакриламида для разработки pH-чувствительных липосом». Биоматериалы. 30 (13): 2598–2605. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2008.12.082. PMID  19176241.
  19. ^ Сяобо Чжан; Кэри Л. Пинт; Мин Хён Ли; Брайан Эдвард Шуберт; Араш Джамшиди; Кунихару Такеи; Хёнхьюб Ко; Эндрю Гиллис; Ризия Бардхан; Джеффри Дж. Урбан; Мин Ву; Рональд Фиринг; Али Джави (2011). «Оптически и термочувствительные программируемые материалы на основе композитов углеродных нанотрубок и гидрогелей». Нано буквы. 11 (8): 3239–3244. Bibcode:2011NanoL..11.3239Z. Дои:10.1021 / nl201503e. PMID  21736337. S2CID  14317595.