发生在32摄氏度的神奇转变,能为我们带来什么?(三)

题图

共聚的妙用

在上一节我们谈到,当温度升高到32 °C以上时,聚(N-异丙基丙烯酰胺)在水中的溶解度会骤然降低,所以如果把和另外一种水溶性聚合物一起做成无规共聚物,并且这种水溶性聚合物在水中的溶解度并不会随着温度升高而降低,那么当温度高于32 °C时,原本能够流动的溶液就会突然变成水凝胶。这一现象可以帮助我们实现许多独特的应用。

然而如果你亲自动手试一下就会发现,实际上从溶液到水凝胶的转变并不是发生在32°C, 这是因为我们引入的第二种单体改变了让聚(N-异丙基丙烯酰胺)溶于水和不溶于水的两种力量的对比,从而让转变发生在不同的温度[1]。有些单体,例如前面提到的丙烯酸钠,进入到聚(N-异丙基丙烯酰胺)的分子中后能够帮助它更好地溶于水中,其结果就是我们需要更高的温度才能让整个分子变得不溶于水。例如只要加入5%左右的丙烯酰胺这种单体,得到的共聚物从溶于水到不溶于水的转变就会从32°C升高到约40 °C,超过了正常的体温 [2] 。相反,另外一些单体引入到聚(N-异丙基丙烯酰胺)的结构中后,整个分子在更低的温度就可以完成从溶于水到不溶于水的转变。借助共聚,我们可以非常方便地调节聚(N-异丙基丙烯酰胺)的转变温度。

一些研究人员正是巧妙地利用了这一点。他们把一些特殊的单体引入到聚(N-异丙基丙烯酰胺)的分子中。这些单体本身能够让聚(N-异丙基丙烯酰胺)的转变温度降低,然而进入人体后,它们在酶的作用下会逐渐转变为另外的结构,而这种结构反而使得聚(N-异丙基丙烯酰胺)的转变温度升高。如果单体加入的比例合适,它们在体内降解后,聚(N-异丙基丙烯酰胺)的转变温度可以升高到略高于体温[3,4]。如果把这样的共聚物水溶液注入体内后,它们起初会形成水凝胶,随着时间的推移,水凝胶中的药物释放得差不多了,水凝胶也逐渐解体,构成它的聚合物重新溶于水中被排出体外。这样一来,我们就不再担心水凝胶在体内“赖着不走“了。

 

换个角度思考

现在让我们换个思路,首先把聚(N-异丙基丙烯酰胺)交联起来,在32°C以下的温度放入水中制成水凝胶。接下来让我们把这块水凝胶加热到32°C以上,会出现什么情况呢?

显然,这个时候,聚(N-异丙基丙烯酰胺)变得不再溶于水,于是对水凝胶中的水分子下了“逐客令”。而水分子一走,水凝胶的重量和体积都随之减轻。于是我们会看到,随着温度的升高,基于聚(N-异丙基丙烯酰胺)的水凝胶很快收缩。但如果我们如果温度重新降低到32°C以下,随着聚(N-异丙基丙烯酰胺)在水中溶解性的增加,原本收缩的水凝胶又会再次膨胀。

那么这样的性质有什么用呢?有人提出,如果事先把水溶性的药物分子包裹在这样的水凝胶中,当温度升高,水凝胶收缩时,封装在其中的药物也会随着水分子一起离开水凝胶。如果把这样的水凝胶放到体内,那不就相当于添加了一个可以精确控制药物释放与否的“遥控开关”?这样的体系,或许可以用来释放那些需要长期定点定时使用的药物,例如胰岛素。

这个想法虽然很有创意,但细心的读者可能早已注意到:聚(N-异丙基丙烯酰胺)从溶于水到不溶于水的转变发生在32 °C,而人体的正常体温在37 °C左右。显然,基于聚(N-异丙基丙烯酰胺)的水凝胶进入体内后立刻就会收缩,包裹在水凝胶中的药物也会被悉数赶出水凝胶,这样如何达到精确控制的效果呢?

这个时候,前面提到的共聚就派上用场了。刚才我们提到,某些单体引入到聚(N-异丙基丙烯酰胺)的结构中后,能够让整个分子从溶于水到不溶于水的转变在更高的温度发生。只要将聚(N-异丙基丙烯酰胺)的转变温度提高到略高于体温,我们就不必担心水凝胶在进入体内后“不听号令”了。

这个问题虽然解决了,随之而来的还有一个挑战,那就是如何对进入身体的水凝胶加热?直接把它和放置于体外的电阻丝相连显然是不现实的。不过这难不倒聪明的研究人员。他们想到,可以把一些纳米颗粒也添加到水凝胶中。这些纳米颗粒能够强烈吸收红外线并将其转化为热量,而红外线又可以很好地穿透人体组织[2]。所以,如果把这样的水凝胶放到体内,在需要服药的时候,或许只需要把红外灯打开对准身体某个部位照一照就好啦。

怎么样,这种能够随着温度升降而发生体积变化的水凝胶是不是很有趣?接下来让我们做几个更有意思的实验。

 

柔软的机器人

现在有两块水凝胶,其中一块基于聚(N-异丙基丙烯酰胺),而另一块则基于聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺等其它的水溶性聚合物。现在让我们把这两块水凝胶通过侧面相连,构成一个双层结构。接下来我们将水凝胶加热到32 °C以上,显然,基于聚(N-异丙基丙烯酰胺)的水凝胶要失水,而失水的结果必然是水凝胶在各个方向都发生体积收缩。然而这块水凝胶有一个侧面是与基于聚丙烯酰胺的水凝胶相连的,后者在这个温度并不会发生类似的转变,但又不得不随着前者一起变形。于是总的结果就是原来很平的双层水凝胶朝向聚(N-异丙基丙烯酰胺)这一侧弯曲,最终变成了一个圆筒。如果让温度降低,聚(N-异丙基丙烯酰胺)的水凝胶吸水膨胀,那么卷曲的双层凝胶又会舒展 [5,6] 。

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由聚(N-异丙基丙烯酰胺)的水凝胶(图中红色部分)和聚丙烯酰胺的水凝胶组成的双层结构,其中聚(N-异丙基丙烯酰胺)的水凝胶中含有能够吸收光能并将其转化为热能的纳米颗粒。在可见光照射下,聚(N-异丙基丙烯酰胺)的水凝胶失水收缩,导致整个结构弯曲。光照停止后,随着温度降低,聚(N-异丙基丙烯酰胺)的水凝胶吸水膨胀,原本弯曲的结构又重新舒展。图片引自参考文献[5]

那么这样的结构有什么用处呢?我们知道,现在的机器人技术虽然已经相当成熟,但由于机器人通常使用金属等比较坚硬的材料制成,比较缺乏弹性和韧性,因此还有许多工作难以胜任,例如我们很难想象一台机器人能够从高处跳下而完好无损。另外,在需要与生物体接触时,坚硬的材料也显得不那么友好。

为了克服传统的机器人的一些弊端,近些年来,研究人员提出了“软机器人”( soft robot)的概念。软机器人希望采用更为柔软有弹性的材料,例如橡胶、水凝胶等,从而更好地模仿生物的肢体运动。有望完成许多传统的机器人难以胜任的工作。

软机器人开发过程中面临的一大挑战就是如何很好地驱动这些柔软的材料,让它们根据外部的指令来改变形状。在这个问题上,聚(N-异丙基丙烯酰胺)的水凝胶提供了很好的工具。通过合适的设计,我们可以借助温度的升降让水凝胶变成我们想要的形状,甚至像传统的机器人一样去抓取物体 [7]。

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利用聚(N-异丙基丙烯酰胺)的水凝胶在高温下失水收缩这一特性制成的触手,可以在水中抓取物体。图片引自参考文献[7]

关于水凝胶,我们暂时就谈到这里。接下来让我们再来看一看,聚(N-异丙基丙烯酰胺)还能够以什么样的形式来为我们带来帮助。

 

(未完待续)

 

参考文献和注释

[1] Leda Klouda, Antonios G. Mikos, “Thermoresponsive hydrogels in biomedical applications”, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 2008, 68, 34-45

[2] S. R. Sershen, S. L. Westcott, N. J. Halas, J. L. West, “Temperature-sensitive polymer–nanoshell composites for photothermally modulated drug delivery”, Journal of Biomedical Materials Research, 2000, 51, 293

[3] Dragana Neradovic, Wouter L. J. Hinrichs, Jantien J. Kettenes-van den Bosch, Wim E. Hennink, “Poly(N-isopropylacrylamide) with hydrolyzable lactic acid ester side groups: a new type of thermosensitive polymer”, Macromolecular Rapid Communications, 1999, 20, 577

[4] Zhenqing Li, Xiaolei Guo, Satoshi Matsushita, Jianjun Guan,” Differentiation of cardiosphere-derived cells into a mature cardiac lineage using biodegradable poly(N-isopropylacrylamide) hydrogels”, Biomaterials, 2011, 32, 3220-3232

[5] Eunsu Lee, Dowan Kim, Haneul Kim, Jinhwan Yoon, “Photothermally driven fast responding photo-actuators fabricated with comb-type hydrogels and magnetite nanoparticles”, Scientific Reports, 2015, DOI: 10.1038/srep15124

[6] Dowan Kim, Heon Sang Lee, Jinhwan Yoon, “Highly bendable bilayer-type photo-actuators comprising of reduced graphene oxide dispersed in hydrogels”, Scientific Reports, 2016, DOI: 10.1038/srep20921

[7] Wen Jiang Zheng, Ning An,Jian Hai Yang, Jinxiong Zhou, Yong Mei Chen, “Tough Al-alginate/Poly(N‑isopropylacrylamide) Hydrogel with Tunable LCST for Soft Robotics”, ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7, 1758