PNIPAM温敏微凝胶在生物医学领域中的应用研究_张拥军

收稿
：
２０１２－０８－３０；修回：２０１２－０９－１４
；

基金项目：国家自然科学基金
（
Ｎｏｓ．２０７４４００１，２０７７４０４９，２０９７４０５０，２１１７４０７０），科技部国际科技合作项目（Ｎｏ．

２００７ＤＦＡ５０７６０），天津市科技支撑计划国际科技合作项目（合同号：０７ＺＣＧＨＨＺ０１２００
）及教育部“
新世纪优秀人才支持计

划
”（
Ｎｏ．ＮＣＥＴ－１１－０２６４
）资助；

作者简介：张拥军
（
１９７１－
），男，教授，主要从事水凝胶生物医用材料的基础及应用研究；

＊
通讯联系人
，
Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｏｎｇｊｕｎｚｈａｎｇ＠ｎａｎｋａｉ．ｅｄｕ．ｃｎ，Ｔｅｌ：０２２－２３５０１６５７．

ＰＮＩＰＡＭ
温敏微凝胶在生物医学领域中的应用研究
张拥军＊，关　英，罗巧芳，刘鹏霄，甘添天，王东东，邢淑滢，廖　望，张娅彭，程　丹
（功能高分子材料教育部重点实验室，南开大学化学学院高分子化学研究所，天津　３０００７１）

摘要：水凝胶因其良好的生物相容性及环境刺激响应性而在生物医学领域有着广泛的用途，但仍存在机械
强度差、响应速度慢、不能生物降解等缺点。针对这些问题，特别是宏观水凝胶响应慢的问题，我们近年来以具
有温度敏感性的聚Ｎ－异丙基丙烯酰胺
（
ＰＮＩＰＡＭ
）微凝胶为基础，设计制备了一系列生物材料，

分别应用于药

物控释、生物传感以及组织工程等生物医学领域。我们设计制备了具有良好葡萄糖敏感性的ＰＮＩＰＡＭ微凝
胶，实现了可自我调控的胰岛素可控释放。以ＰＮＩＰＡＭ微凝胶为基础，提出了新的聚合胶态晶体阵列光学传
感方法，设计制备了多种可快速响应的新型生物光学传感器。实现了ＰＮＩＰＡＭ微凝胶的实时凝胶化，并将其
发展成为一种新型的可注射细胞支架材料。进一步利用该体系的可逆性，提出了制备在药物筛选、肿瘤研究以
及组织工程等领域有重要用途的多细胞球的新方法
。

关键词：水凝胶；微凝胶；药物控释；生物传感；细胞支架

引言
水凝胶是能在水中溶胀而不溶解的交联的亲水性高分子网络。由于其高的含水量及与人体结构的
相似性，水凝胶常常具有良好的生物相容性，特别是一些水凝胶还具有环境刺激响应性，因此在生物医药
领域，如药物控释、生物传感、组织工程等诸多方面有广泛的应用，在疾病预防、诊断、治疗等方面发挥着
重要作用
［１，２］
。但水凝胶在许多方面仍存在不足，还不能完全满足生物医学领域的需要。例如，

水凝胶的

机械强度常常较差。合成的高分子水凝胶常常不具有生物可降解性。虽然水凝胶的生物相容性很好，但
仍需进一步提高以满足实际需要。特别是宏观凝胶响应速度慢的问题，极大限制了水凝胶生物材料的实
际应用。此外，利用新原理新方法设计制备新型的水凝胶生物材料，更好地解决生物医学领域的新问题
，
也是科研工作者面临的挑战。针对上述问题，近年来一些课题组进行了深入的研究，在高强度水凝胶
［３］
等方面取得了显著进展。我们课题组则以解决水凝胶生物材料响应慢的问题以及设计制备新型水凝胶
生物材料作为近年工作的核心
。
我们提高水凝胶响应速度的主要手段是使用具有微纳米尺度的凝胶，即粒径几十纳米至几微米的微
凝胶。早在１９７９年，Ｔａｎａｋａ和Ｆｉｌｌｍｏｒｅ［４］就指出，凝胶溶胀速度与凝胶尺寸的平方成反比，因此微纳米
尺度的凝胶响应速度要远快于宏观凝胶。以此为基础我们设计制备了多种可快速响应的新型药物控释
载体和生物传感器。微纳米尺度的凝胶还可作为结构单元进行进一步的组装，得到的组装体具有单独粒
子所不具备的新功能，从而大大扩展其在生物医学领域的应用。我们的主要研究思路如图１所示
［５］
。

我们研究的微凝胶主要是聚Ｎ－异丙基丙烯酰胺
（
ＰＮＩＰＡＭ）微凝胶。线形ＰＮＩＰＡＭ
是典型的温敏

性高分子，在室温下ＰＮＩＰＡＭ能很好地溶解在水中，当温度升高至特定温度就会发生由亲水到疏水的转
变，从而从水中析出。这一转变温度被称为临界最低溶解温度
（
ｌｏｗｅｒ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
，

ＬＣＳＴ）。ＰＮＩＰＡＭ的ＬＣＳＴ约为３２℃。和线形的ＰＮＩＰＡＭ一样，ＰＮＩＰＡＭ
微凝胶同样具有温敏性
。

·６２·
高 分 子 通 报２０１３年１月　

DOI:10.14028/j.cnki.1003-3726.2013.01.013
图１　微凝胶领域工作的主要思路：构筑新型功能化微凝胶粒子及其二维、三维组装体，并用于药物载体、生物传感器和
细胞支架材料等生物医用领域
。
Ｆｉｇｕｒｅ　１　Ｔｈｅ　ＰＮＩＰＡＭ　ｍｉｃｒｏｇｅｌ　ａｎｄ　ｉｔｓ　２Ｄａｎｄ　３Ｄａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ．Ａｌｌ　ｔｈｅｓｅ　ｆｏｒｍｓ　ｈａｖｅ　ｆｏｕｎｄ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．

在室温下ＰＮＩＰＡＭ微凝胶呈高度溶胀的状态，升温至约３２℃就急剧收缩。ＰＮＩＰＡＭ发生体积相转变的
温度被称为体积相转变温度
（
Ｖｏｌｕｍｅ　ｐｈａｓｅ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ＶＰＴＴ
），

相当于线形高分子的

ＬＣＳＴ。我们通过引入功能性基团赋予ＰＮＩＰＡＭ
微凝胶新的化学和生物响应性，利用微凝胶响应速度快
的特点设计可快速响应的水凝胶药物载体和生物传感器，并以ＰＮＩＰＡＭ微凝胶为结构单元，组装具有纳
米结构的二维和三维组装体，赋予材料新功能，从而开辟新的生物医用领域。据此，我们分别设计制备了
新型微凝胶药物载体、生物传感器和细胞支架材料。下面分别介绍我们在这三个方面的一些工作
。

１
　

微凝胶药物控释载体：葡萄糖敏感微凝胶及可自我调节的胰岛素的可控释放

随着经济的发展和生活的改善，近年来我国的糖尿病发病率大幅攀升，成为对社会危害最大的疾病
之一。大量研究证明，严格控制病人血糖浓度的波动可最大限度地减轻糖尿病的危害。可自我调节的胰
岛素控释技术以及方便的血糖检测技术是达成这一目标的两项核心技术。可自我调节的胰岛素可控释
放体系可模拟人体胰岛功能、根据病人血糖浓度的变化自动调节胰岛素释放量，是最理想的胰岛素释放
体系。葡萄糖敏感材料是设计此类胰岛素可控释放体系的基础。对葡萄糖敏感水凝胶的研究文献中已
有很多报道
［６～８］
，然而宏观的葡萄糖敏感水凝胶响应速度慢，而且必须进行手术包埋。

针对这些问题，我们在国际上率先开展了葡萄糖敏感微凝胶的研究
［９］
。

与宏观的葡萄糖敏感水凝胶

不同，由于微凝胶粒径在数百纳米左右，其对葡萄糖的响应速度将大大提高。此外，负载药物的微凝胶还
可方便地通过注射的方式进行给药。我们设计制备的第一个葡萄糖敏感微凝胶为
Ｐ

（ＮＩＰＡＭ－ＡＡＰＢＡ）

［聚（Ｎ－异丙基丙烯酰胺－ｃｏ－３－丙烯酰胺基苯硼酸），ｐｏｌｙ（
Ｎ－ｉｓｏｐｒｏｐｙｌａｃｒｙｌａｍｉｄｅ－ｃｏ
－３－
ａｃｒｙｌａｍｉｄｏｐｈｅｎｙｌｂｏｒｏｎｉｃ

ａｃｉｄ）］微凝胶。图２Ａ是Ｐ（ＮＩＰＡＭ－ＡＡＰＢＡ）微凝胶的合成路线，我们先合成了ＮＩＰＡＭ和丙烯酸（ＡＡ
）
的共聚微凝胶Ｐ（ＮＩＰＡＭ－ＡＡ），然后在ＥＤＣ（１－乙基－（３－二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐）的催化下与
３－氨基苯硼酸反应，将苯硼酸（ＰＢＡ）基团引入微凝胶，得到以ＰＢＡ为葡萄糖敏感基元的Ｐ（ＮＩＰＡＭ
－

ＡＡＰＢＡ）微凝胶。苯硼酸改性后的微凝胶仍具有很好的单分散性和温敏性。由于引入了疏水的ＰＢＡ
基
团，微凝胶的体积相转变温度由改性前的约３１℃降低到约
１７℃

。更重要的是，

ＰＢＡ
基团的引入使得微

凝胶具有了葡萄糖敏感性。如图２Ｃ所示
，
Ｐ（ＮＩＰＡＭ－ＡＡＰＢＡ
）

微凝胶粒径随体系中葡萄糖浓度的增加

·７２·
　第１期 高 分 子 通
报
而增大。在１０ｍｍｏｌ·Ｌ－１葡萄糖存在条件下，Ｐ（ＮＩＰＡＭ－ＡＡＰＢＡ）微凝胶粒径可增加１倍左右。这是由
于ＰＢＡ基团可与像葡萄糖这样的含１，２－或１，３－二醇结构的分子结合，生成苯硼酸酯（见图
２Ｂ

）。
因此在

葡萄糖存在条件下，将有更多的中性的、疏水的ＰＢＡ基团被转化为带负电的、亲水的苯硼酸酯基团。由
于电荷的排斥作用，以及反离子所引起的唐南平衡，微凝胶溶胀度增大。需要指出的是，在我们的工作发
表的同时及稍后，一些国际同行也发表了类似的工作。但是与这些工作相比，我们制备的微凝胶具有更
好的葡萄糖响应性［１０，１１］。例如，Ｌａｐｅｙｒｅ等［１１］制备的微凝胶在同等条件下粒径仅增加
２０％。Ｐ（ＮＩＰＡＭ
－

ＡＡＰＢＡ）微凝胶的葡萄糖敏感性随ＰＢＡ含量的增加而增大。由于ＰＢＡ的ｐＫａ在８．２左右，Ｐ（ＮＩＰＡＭ
－

ＡＡＰＢＡ）微凝胶在ｐＨ８．５和９．０时葡萄糖敏感性最大，而在生理ｐＨ
条件下葡萄糖敏感性很小。离子
强度对
Ｐ（ＮＩＰＡＭ－ＡＡＰＢＡ

）微凝胶的葡萄糖敏感性影响不大，
在生理离子强度下仍具有很好的葡萄糖敏

感性
。
Ｐ（ＮＩＰＡＭ－ＡＡＰＢＡ
）

微凝胶的葡萄糖敏感性还表现在其体积相转变温度随体系中葡萄糖浓度升

高而升高，加入５ｍｍｏｌ·Ｌ－１葡萄糖可使微凝胶体积相转变温度提高约
１５℃

。同样，
这是由于葡萄糖与

ＰＢＡ基团反应将中性的、疏水的ＰＢＡ
基团转化为带负电的、亲水的苯硼酸酯基团，使得微凝胶亲水性提
高，因此体积相转变温度提高
。

图
２
　

（Ａ）Ｐ（ＮＩＰＡＭ－ＡＡＰＢＡ）微凝胶的合成路线；（Ｂ）葡萄糖与苯硼酸基团结合生成苯硼酸酯的反应；

（Ｃ）Ｐ（ＮＩＰＡＭ－ＡＡＰＢＡ）微凝胶的流体力学半径（Ｒｈ）随葡萄糖浓度变化图，
微凝胶粒径最大可增大

１
倍

，

是文献中葡萄糖响应性最好的微凝胶
。
Ｆｉｇｕｒｅ　２　（Ａ）Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｏｆ　ｇｌｕｃｏｓｅ－ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｐ（ＮＩＰＡＭ－ＡＡＰＢＡ）ｍｉｃｒｏｇｅｌｓ　ｗｉｔｈ　ｐｅｎｄａｎｔ　ＰＢＡ　ｇｒｏｕｐｓ
；
（Ｂ）Ｃｏｍｐｌｅｘａｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｐｈｅｎｙｌｂｏｒｏｎｉｃ　ａｃｉｄ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｇｌｕｃｏｓｅ；
（Ｃ）Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｒａｄｉｕｓ（Ｒｈ）ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐ（ＮＩＰＡＭ－ＡＡＰＢＡ）ｍｉｃｒｏｇｅｌｓ（１０．０ｍｏｌ％ＰＢＡ）
ａｓ　ａ

ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｌｕｃｏｓｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｉｎ　０．００５ｍｏｌ·Ｌ－１　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｂｕｆｆｅｒ　ｏｆ　ｐＨ９．０ａｔ　Ｔ＝２５℃．

作为可自我调节的胰岛素可控释放载体，其关键在于其可渗透性是否可随葡萄糖浓度的改变而改
变。然而微凝胶的粒径仅几百纳米，直接测定其可渗透性在实验上是非常困难的。为了克服这一困难
，
我们设计制备了一种特殊的具有核壳结构的微凝胶，其外壳为具有葡萄糖敏感性的
Ｐ

（

ＮＩＰＡＭ
－

ＡＡＰＢＡ），内核为Ｎ，Ｎ′－（１，２－ｄｉｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）ｂｉｓａｃｒｙｌａｍｉｄｅ（ＤＨＥＡ）交联的ＰＮＩＰＡＭ（见图３Ａ
）。
为此，我们先制备了ＤＨＥＡ交联的ＰＮＩＰＡＭ微凝胶，再以其为核，加上一层
Ｐ

（ＮＩＰＡＭ－ＡＡ）壳层，
然后

在ＥＤＣ催化下与３－氨基苯硼酸反应，将
Ｐ

（ＮＩＰＡＭ－ＡＡ）壳层转化为具有葡萄糖敏感性的Ｐ（

ＮＩＰＡＭ
－

ＡＡＰＢＡ）壳层。以ＤＨＥＡ交联的ＰＮＩＰＡＭ核可在ＮａＩＯ４作用下降解为高分子碎片。在室温（２５℃
）下，

Ｐ（ＮＩＰＡＭ－ＡＡＰＢＡ）壳层处于收缩的状态（根据前面的研究，其相转变温度约为１７℃
），可渗透性很低，
因

此降解形成的高分子碎片不能穿过外壳而释放。这一点可以从体系的浊度在加入ＮａＩＯ４后仅略有降低
得到证明，而且Ｐ（ＮＩＰＡＭ－ＡＡＰＢＡ）壳层越厚，加入ＮａＩＯ４导致的浊度变化就越小。相反对于壳层为
Ｐ

（ＮＩＰＡＭ－ＡＡ）的微凝胶，在同样的温度下加入ＮａＩＯ４后体系浊度大大降低，并且对Ｐ（ＮＩＰＡＭ－ＡＡ）
壳层

厚度不同的微凝胶，ＮａＩＯ４所致的浊度降低的速度和程度都是一样的，显示高分子碎片可以自由地穿过
Ｐ

·８２·
高 分 子 通 报２０１３年１月