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刺激响应性水凝胶的研究进展 高纯度凝胶可在温度、ph值、电极或化学品的变化后溶解或收缩。这种凝胶的刺激和响应通常被研究人员称为“智力”。 在过去10年里,全世界众多研究者们对刺激响应性凝胶进行了广泛的研究,希望能研制出与金属、陶瓷、玻璃等硬材完全不同的可‘智能化’的响应环境,且具有自我感知、自我调控能力的软“湿件”。但是由于水凝胶极弱的力学性能,将其应用于智能器件似乎还有很长的路要走。然而,水凝胶的刺激响应性却类似于开放的生物系统,且生物体中的许多软组织具有类水凝胶结构,因而在生物医学领域,水凝胶作为药物释放载体,软骨支架,细胞外基质显示出巨大的应用前景。本文将简要介绍近几年高分子凝胶中水的特异性研究成果,以及凝胶在生物医学领域中应用的最新进展。 1 非冻结结合水的存在机理 水合能力和吸水溶胀是水凝胶的一个重要性质,由于凝胶中的水与高分子链段强烈的相互作用,因此凝胶网络的结构与性质对其所包含的水的特性将产生显著影响,这方面的工作见诸于大量文献。在目前大量的文献中,研究人员普遍采用三态水模型,即自由水、中间水和结合水。三态水模型认为结合水由高分子链上的极性基团与水分子之间的氢键产生,且检测各态水的存在时,通常依据DSC曲线上水的热转变行为。DSC曲线上未出现熔化峰被认为是由于水分子参与氢键形成结合水而不冻结,因此结合水也被称为“非冻结水”。但水的“不冻结”是由多种因素造成的。Raman光谱已证明水分子结构强烈地受高分子链段缠结的影响。笔者以DSC,正电子湮灭技术(PALS)和NMR研究了不同水含量的明胶内结合水含量的变化规律。在较低水含量明胶呈凝胶状态时,非冻结结合水含量随着水含量增加而增加,但在水含量为50 g water/g 明胶,明胶处于溶胶状态时,DSC方法未能检测到非冻结水的存在。按氢键结合水理论,当明胶网络中的极性基团位点全部为水分子-OH结合后,结合水含量应达到一定值,即使在溶胶状态,也应存在结合水,因为此时大量的水分子仍可与极性基团形成氢键。通过正电子湮灭技术测定明胶的自由体积和含量,发现明胶的自由体积均在纳米范围内,即凝胶网络内存在“纳米孔隙”,且NMR结果表明结合水的自旋-晶格松弛时间(T1)比自由水降低近15倍。从动力学上,纳米孔隙会阻碍包埋其中水的结晶,可见这部分水也会形成非冻结结合水。Reutner等计算出明胶每一氨基酸残基与1,2和3个水分子结合时的结合水含量分别为15.1%、26.2%和34.7%。我们的DSC实验结果得到的非冻结结合水含量高达57.4%,可见确有一部分结合水并非源于水分子与高分子极性氢键的形成。在明胶水含量为50%时,PALS结果表明高分子网络中的纳米孔隙含量下降,束缚其中的水含量亦下降。因此源于纳米孔隙的结合水含量减小。并且此时处于溶胶状态的链段运动行为类似液体,使结合于链段上的水分子亦具有与自由水相当的运动性,因而此时非冻结结合水含量近于零。至此,有理由认为水与凝胶网络的极性基团间的氢键不是非冻结结合水产生的唯一因素,网络间的纳米孔隙也是非冻结结合水形成重要的原因;氢键结合水只是凝胶网络内不同物理状态水的一种。 2 高簇胶在生物医学领域的应用 2.1 水凝胶rabcitifg 作为刺激响应性药物释放载体,pH、温度和化学物质敏感性水凝胶一直是研究的热点,而对化学物质敏感水凝胶研究最多的是响应葡萄糖浓度的变化控制胰岛素释放的体系。最近,Miyata等独具匠心地开创了一抗原-抗体敏感性水凝胶。首先将羊抗兔免疫球蛋白抗体(GAR IgG)通过化学方法连接到琥珀酰亚胺丙烯酸酯(NSA)上形成乙烯基GAR IgG,然后以过硫酸铵(APS)和四甲基二胺(TEMED)为氧化还原剂与丙烯酰胺(AAm)形成聚合GAR IgG;以类似的方法,将兔免疫球蛋白抗原(rabbit IgG)连接到琥珀酰亚胺丙烯酸酯上形成乙烯基rabbit IgG。再将丙烯酰胺、乙烯基rabbit IgG和交联剂N,N-甲基双丙烯酰胺溶解到含有聚合GAR IgG的磷酸盐(PBS)溶液中,加入APS和TEMED氧化还原剂,最终可形成抗原-抗体半互穿聚合物网络(semi-IPN)凝胶。此合成路线示于Fig.1中。实验中发现该抗原-抗体semi-IPN凝胶的溶胀行为可响应自由兔抗原rabbit IgG浓度的变化而改变。Fig.2为抗原-抗体semi-IPN凝胶和无抗原-抗体的聚丙烯酰胺凝胶溶胀度与兔抗原浓度的关系曲线。由图可见,抗原-抗体semi-IPN凝胶的溶胀度随自由兔抗原浓度的增加而上升,而纯丙烯酰胺凝胶的溶胀度不依赖于抗原浓度变化。进一步的实验发现,GAR IgG对自由兔抗原的结合能力比聚合到水凝胶上的抗原能力大3.4倍。由此原作者认为加入的自由兔抗原对GAR IgG具有强烈的结合能力,因而竞争的结果是semi-IPN