分子印跡智能水凝膠的研究進展

1、分子印跡智能水凝膠的研究進展李祖彬,霍東霞*,王紅英(鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州450052摘要:智能水凝膠可以響應(yīng)外界環(huán)境(如溫度、pH、溶劑、離子強度、電場、磁場、光、壓力和特異分子等的變化,發(fā)生可逆體積相變,從而具有控制釋放的能力。將分子印跡技術(shù)引入智能水凝膠,制備分子印跡智能水凝膠,不僅可以保持其環(huán)境響應(yīng)性,更賦予其對特異分子的識別性能,從而可以根據(jù)外界環(huán)境的變化控制其對特定分子記憶功能的開關(guān),實現(xiàn)自動識別并結(jié)合或釋放特定分子。它有望應(yīng)用于藥物控釋、生物傳感和免疫分析等領(lǐng)域。本文綜述了分子印跡智能水凝膠的研究現(xiàn)狀,討論了其目前所面臨的挑戰(zhàn),并展望了其發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:智能水凝膠;

2、分子印跡;感應(yīng)2響應(yīng);分子識別;控制釋放引言智能水凝膠(Intelligent Hydrogels是一類能夠響應(yīng)外界刺激信號(如溫度、pH、溶劑、離子強度、電場、磁場、光、壓力和特異分子等的變化而產(chǎn)生可逆體積相變的水凝膠。由于它同時具備了感應(yīng)和響應(yīng)功能,兼有水凝膠的柔韌性和滲透性,因而倍受關(guān)注。近幾十年來,其研究已取得了較大的進展,并廣泛應(yīng)用于固定化酶、物質(zhì)分離、細(xì)胞培養(yǎng)、溫敏開關(guān)、化學(xué)傳感和藥物控制釋放等領(lǐng)域。分子印跡技術(shù)(M olecular imprinting technique,MI T是制備對某一特定目標(biāo)分子具有特異選擇性的聚合物的過程。將分子印跡技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境敏感水凝膠,制備分子

3、印跡智能水凝膠(M olecularly Imprinted Intelligent Hydrogels,M I Hs,不僅可以提高水凝膠分子網(wǎng)絡(luò)對特定分子的結(jié)合力,而且能夠根據(jù)外界環(huán)境的變化控制其對特定分子記憶功能的開關(guān),實現(xiàn)自動識別并結(jié)合或釋放特定分子;同時,外界特定分子濃度的變化也能刺激水凝膠發(fā)生溶脹或收縮,從而控制其中包埋物質(zhì)的釋放。這些特定分子主要是蛋白質(zhì)、聚肽、核酸、葡萄糖等生物大分子,因而在藥物控釋體系、生物傳感器和免疫分析等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。1分子印跡智能水凝膠的制備分子印跡技術(shù)的核心是制備分子印跡聚合物(M olecularly Imprinted Polymers,M

4、I Ps,傳統(tǒng)的M IPs制備過程一般包括三步(見圖1:(1功能單體和印跡分子在一定相互作用下形成某種可逆復(fù)合物;(2加入交聯(lián)劑,以印跡分子為模板(template,引發(fā)功能單體進行聚合,在聚合物中對模板分子的形狀進行復(fù)制。這樣就形成了一主體結(jié)構(gòu)(host structure,也就是對模板分子的印跡;(3利用化學(xué)或物理方法將印跡分子從高分子網(wǎng)絡(luò)中洗脫,獲得與之相匹配的三維空穴。它可以再次選擇性地與模板分子結(jié)合,從而具有專一識別功能。分子印跡智能水凝膠由于受到本身作用機理和應(yīng)用領(lǐng)域等方面的限制,其制備方法有別于一般的方法。Tanaka14提出M IHs必須由至少兩種功能單體組成,其中一種功能單體

5、用來結(jié)合模板分子,另一種功能單體則起到感知外界刺激信號、控制水凝膠體積相變的作用。當(dāng)水凝膠體積收縮時,分子鏈上的結(jié)合位點相互靠近,水凝膠處于分子記憶狀態(tài);當(dāng)水凝膠溶脹時,分子鏈上的結(jié)合位點相互遠離,處于失憶基金項目:河南省自然科學(xué)基金項目(0511050500,河南省青年骨干教師資助項目;作者簡介:李祖彬(1980-男,碩士研究生,主要從事功能高分子方面的研究工作.*通訊聯(lián)系人:E2mail:dxhuo. 圖1分子印跡聚合物的制備過程Figure1Procedure o f preparing MIPs狀態(tài)(見圖2。分子印跡智能水凝膠需要采用低交聯(lián)度來保證其溶脹性能,以致無法形成固定的三維空穴

6、,因此,印跡成功的關(guān)鍵主要由模板分子與功能單體所形成的復(fù)合物的穩(wěn)定性決定。如果二者的結(jié)合力太弱,無法 圖2MIHs記憶過程Figure2Memo ry process of MIHs進行有效的印跡;太強,則聚合后難以洗脫。為了改進這些缺點,有研究者將功能單體在聚合前部分交聯(lián),形成一種/imprinter05,6,它含有二個或二個以上的雙鍵或功能基團,功能基團間很容易相互連接形成類似二硫化物或1,22乙二醇的結(jié)構(gòu)。聚合后,功能基團間相互分開形成同性離子對,當(dāng)兩個基團靠近時能與溶液中的模板分子發(fā)生多點離子鍵合,增強了非共價型復(fù)合物的穩(wěn)定性。R1D.Oleo等5制得了含2 S2S2的/imprint

7、er0,聚合后2S2S2氧化斷裂為成對的磺酸基團,在無模板分子的情況下制備了對Ca2+具有識別功能的水凝膠。M oritani和Alvarez2Lorenz o6,7合成了含有乙二醇鍵的二聚物/imprinter0,再以N,N2亞甲基雙丙烯酰胺(BIS為交聯(lián)劑,與N2異丙基丙烯酰胺(NI PAm進行共聚,然后使水凝膠聚合物分子鏈上的乙二醇鍵斷裂,形成成對的季銨正離子,能夠與含有兩個羧酸基團的模板分子離子鍵合。目前,分子印跡智能水凝膠的制備仍存在兩大技術(shù)難題:(1交聯(lián)劑的用量傳統(tǒng)的分子印跡聚合物主要應(yīng)用于分離工程,大多采用增加交聯(lián)劑用量(15% 90%來提高MI Ps的機械強度,降低其在溶液中的

8、溶脹,固定三維空穴結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)分子識別。然而吸水溶脹是水凝膠的一個重要特性,分子印跡智能水凝膠正是利用體積的溶脹2收縮來實現(xiàn)對特定分子的可控識別的。因此,如何降低交聯(lián)劑用量,制備出兼顧剛性和柔韌性的低交聯(lián)度分子印跡智能水凝膠是研究的熱點之一。Yilmaz8和L ong9以傳統(tǒng)的方法制備了交聯(lián)劑用量分別為19%和22%的水凝膠,該種水凝膠仍具有分子識別能力。Wize man等10以葡萄糖分子為模板,用功能聚合物代替功能單體,將交聯(lián)度降至13%。但這些分子印跡智能水凝膠與正常水凝膠的交聯(lián)度(011%3%相比仍然較高。水凝膠分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計日益引起學(xué)者的興趣,有人采用同時增加交聯(lián)劑和功能單體的分

9、子量,即增加分子鏈長來改善網(wǎng)絡(luò)的彈性(見圖3。從圖3中c可以看出,交聯(lián)劑和功能單體有一最佳合適比,這依賴于模板分子的大小。若是僅僅增加交聯(lián)劑鏈長則會造成結(jié)合位點的損失,降低水凝膠對特定分子的識別能力11,12。 圖3交聯(lián)劑和功能單體相對含量的影響(A功能單體和交聯(lián)劑具有合適的比例。(B交聯(lián)劑鏈長增加。(C交聯(lián)劑和功能單體鏈長均相應(yīng)增加。Figure3Effect o f the ratio o f crosslinking agent to functional mono mer(AA ppropriate ratio o f crosslinking agent to functional

10、mo no mer.(BAn increase in crossli nking agent.(CA co rrespo nding increase in cro sslinking agent and functional mono mer(2溶劑的選擇根據(jù)分子印跡智能水凝膠制備過程中模板分子與功能單體之間相互作用力的類型,可將其分為共價型和非共價型。分子印跡智能水凝膠常用于對生物大分子的識別,若其以共價鍵形式與生物大分子相互作用,雖然識別性較高,但會由于作用力太強,易造成生物大分子失活;而以非共價鍵形式制備的分子印跡水凝膠作用條件溫和,能夠更好地保持生物分子的活性,因而在生命科學(xué)領(lǐng)域中的

11、應(yīng)用意義更大。在非共價作用中,氯仿、乙腈等有機溶劑有利于氫鍵和離子作用的加強,但生物大分子在有機溶劑中容易變性失活,且大多數(shù)有機溶劑都有毒性,不利于生物應(yīng)用;水相更適合水凝膠的應(yīng)用環(huán)境,而水相會干擾功能單體與模板分子的非共價相互作用,導(dǎo)致其作用力的減弱,這一矛盾阻礙了分子印跡智能水凝膠在生物領(lǐng)域的應(yīng)用。Watanade等13以鹽酸降麻黃堿(norephedrine hydrochloride為模板分子,以二烷為溶劑,將NIPA m、丙烯酸(A Ac和交聯(lián)劑共聚制得了溫敏性分子印跡智能水凝膠。當(dāng)溫度高于其體積相轉(zhuǎn)變溫度(VPT T時,水凝膠處于收縮狀態(tài),然而在相同溫度條件下,隨著溶液中降麻黃堿濃

12、度的增大,水凝膠卻能夠逐步溶脹,而增加溶液中腎上腺素(adrenaline的濃度,則水凝膠的溶脹率不發(fā)生變化,說明該水凝膠能夠識別負(fù)載降麻黃堿分子而溶脹。然而在水相中制備該水凝膠時,則無此識別能力。該研究結(jié)果表明,溶劑會干擾功能單體與模板分子的相互作用,從而影響印跡效果。為了實現(xiàn)在水中進行分子印跡,以避免生物大分子在有機溶劑中失活,Paraskevi14和Wizeman10分別以葡萄糖磷酸鋇鹽(GPS2Ba和葡萄糖磷酸鈉鹽(GPS2Na為模板分子,用水溶性的聚丙烯胺鹽酸鹽(PAA m #HCl代替功能單體丙烯胺(A Am,以離子鍵結(jié)合,用環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)后得到的M I Hs能選擇識別葡萄糖分子,

13、鍵合容量分別達016g葡萄糖P g干凝膠和015g葡萄糖P g干凝膠,并可成功拆分葡萄糖同分異構(gòu)體。2溫敏分子印跡智能水凝膠溫敏分子印跡智能水凝膠分子網(wǎng)絡(luò)中含有一定比例的親水和疏水基團,溫度的變化可以影響這些基團的疏水作用和大分子鏈間的氫鍵作用,從而改變水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),產(chǎn)生體積相變。其溶脹與收縮強烈地依賴于溫度,有高溫收縮和低溫收縮兩種類型。一般在低溫下溶脹度高,在較高溫度下溶脹度低。聚N2異丙基丙烯酰胺(PNIPA m是典型的高溫收縮型水凝膠,處于收縮狀態(tài)時,表現(xiàn)出分子識別能力。Tanaka14以Ca2+為模板,NIPAm和A Ac為功能單體,BI S為交聯(lián)劑,制備了Ca2+印跡水凝膠。室

14、溫下,水凝膠在水中溶脹,其中的結(jié)合位點相互遠離,無法結(jié)合Ca2+;而當(dāng)溫度高于VPT T時,水凝膠突然收縮,結(jié)合位點相互靠近,此時吸附溶液中的Ca2+。對比實驗表明,M IHs對Ca2+的吸附容量和選擇性遠遠大于非印跡水凝膠(non2M IHs。何江川等15以NIPA m為溫度響應(yīng)性單體,甲基丙烯酸(M A Ac為功能單體,在N2甲基吡咯烷酮(N M P中經(jīng)BIS交聯(lián)聚合,對甘草酸進行分子印跡,制備了可識別甘草酸分子的溫敏分子印跡水凝膠,所得水凝膠可以富集水溶液中的甘草酸,并對它表現(xiàn)出特殊的選擇性分離作用,分配系數(shù)約為非印跡智能水凝膠的11倍。如果水凝膠分子網(wǎng)絡(luò)具有微觀相分離結(jié)構(gòu),即同時兼具起

15、響應(yīng)作用的/軟區(qū)0(flexible areas和起識別作用的/硬區(qū)0(rigid areas,則可以兼顧水凝膠的柔韌性和分子印跡聚合物的分子識別性?；ゴ┚W(wǎng)絡(luò)(IPN聚合物水凝膠可以具備微觀相分離結(jié)構(gòu),且可提高水凝膠材料的機械強度。Ya mashita16采用二步印跡法,先用PA Ac結(jié)合重金屬離子,然后再加入NIPAm,交聯(lián)后形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。將模板分子洗脫后,該分子印跡智能水凝膠在溫度高于VP TT時收縮,對重金屬離子具有識別結(jié)合力。也有學(xué)者11提出使水凝膠體系中形成液晶網(wǎng)絡(luò)或者使其具有半晶結(jié)構(gòu),則晶區(qū)的穩(wěn)定有序性可以具有印跡效果。最近,相繼有人報道14,17,18,有些溫敏性分子印跡智能

16、水凝膠在溶脹狀態(tài)時也具有一定的吸附能力,且吸附能力隨著溫度升高呈先增大后減小的趨勢,存在一個最佳溶脹狀態(tài)(見圖4,該研究結(jié)果說明分子鏈的過度收縮反而會影響水凝膠對特定分子的識別結(jié)合。 圖4溫度的影響Figure4Effect o f temperatur3p H敏感分子印跡智能水凝膠水凝膠的pH敏感性最早是由Tanaka19在測定陳化后的聚丙烯酰胺凝膠溶脹比時發(fā)現(xiàn)的。這類水凝膠的溶脹或去溶脹是隨pH值的變化而發(fā)生變化的,它們含有大量易水解和質(zhì)子化的解離基團,當(dāng)外界pH變化時,這些基團的解離程度相應(yīng)改變,造成凝膠內(nèi)外離子濃度的變化,并引起網(wǎng)絡(luò)內(nèi)氫鍵的生成或斷裂,導(dǎo)致凝膠的不連續(xù)體積相變。一般來說

17、,具有pH響應(yīng)性的水凝膠都是通過交聯(lián)而形成大分子網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中含有酸性(或堿性基團,隨著介質(zhì)pH值、離子強度改變,這些基團發(fā)生電離,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大分子鏈段間氫鍵的解離,引起不連續(xù)的溶脹體積變化。Oral等20以D2葡萄糖為模板分子,聚乙二醇2600雙甲基丙烯酸酯與甲基丙烯酸共聚,制得了具有星型結(jié)構(gòu)的分子印跡智能水凝膠,該水凝膠具有pH敏感性,pH=415時發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變,在收縮狀態(tài)時能夠識別葡萄糖分子。Demirel等21以N,N2亞甲基雙丙烯酰胺(BI S為交聯(lián)劑,以過硫酸銨(A PS和N,N,N,N2四甲基乙二胺(TE M ED引發(fā)N2叔丁基丙烯酰胺(TB A、丙烯酰胺(AA m和順丁烯二酸(

18、M A進行交聯(lián)共聚,對牛血清蛋白(BS A進行印跡,制備了可識別B SA的pH P溫度敏感B SA分子印跡P(TB A2co2A Am P M A智能水凝膠。它在pH為5(BS A的等電點為418左右時對BS A的吸附容量最大,隨溫度升高其吸附容量降低,并在各種條件下對BSA的吸附容量均比非印跡水凝膠高得多。水凝膠除了可以響應(yīng)溫度和pH,還可以響應(yīng)電場、磁場、光和壓力等,因此,有望制備電敏分子印跡智能水凝膠和光敏分子印跡智能水凝膠等,甚至可以合成多重響應(yīng)分子印跡智能水凝膠。4結(jié)語分子印跡智能水凝膠結(jié)合了分子識別和感應(yīng)2響應(yīng)兩大功能,在藥物控制釋放、生物傳感和免疫分析等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但

19、由于研究歷史較短,仍然存在一些亟待解決的問題。(1分子印跡智能水凝膠的可控識別機理的研究相對膚淺。目前的研究基本上停留在定性水平,有關(guān)其熱力學(xué)和動力學(xué)的研究報道還不多,還缺乏定量和系統(tǒng)的研究。如何從分子水平上更好地理解其響應(yīng)過程和識別過程,仍需努力;(2交聯(lián)劑和功能單體的含量,以及聚合方法等對其響應(yīng)及識別性有著關(guān)鍵的影響,但分子印跡智能水凝膠分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計仍缺乏系統(tǒng)理論的指導(dǎo);(3水相更適合水凝膠的應(yīng)用環(huán)境,而水相會干擾印跡過程,這一矛盾阻礙了分子印跡智能水凝膠的研究。雖然已有學(xué)者7,10用水溶性單體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單體在水相中制備了分子印跡智能水凝膠,但仍具有局限性。盡管分子印跡智能水凝膠目前

20、還處于初級研究階段,制備技術(shù)還有待進一步完善,但其顯著的優(yōu)越性能已引起了越來越多的關(guān)注,可以推測分子印跡水凝膠在必將在生物醫(yī)用等領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。參考文獻:1Alvarez2Lorenzo C,Guney O,O ya T,et al.Macromolec ules,2000,33(23:86938697.2Alvarez2Lorenzo C,C onc hei ro.J Control Releas e,2002,80(123:247257.3Ito K,C huang J,A1varez2Lorenz o C,et al.Prog Polym Sci,2003,28(10:14891

21、515.4Oya T,Enoki T,Gros berg A Y,e t al.Sci ence,1999,286(5444:15431545.5D.Oleo R,Alvarez2Lorenzo C,Sun G.Macromolecules,2001,34(14:49654971.6Mori tani T,Alvarez2Lorenzo C.Macrom olecules,2001,34(22:77967803.7Mori tani T,Alvarez2Lorenzo C.US P20,020,115,738(February2001.8Yilm az E,Mos bach K,Haupt K

22、.Allal C om mun,1999,36:167170.9Cong Y,Moshach K.J C hromatogr A,2000,888:6372.10Wize man W J,Kofinas P.Bi omaterials,2001,22:14851491.11B yrne M E,Park K,Peppas N A.Advanced Drug Delivery Refiews,2002,54(1:149161.12Peppas N A,Leabandung W.J B iom ater Sci Polym er Edn,2004,15(2:125144.13Watanabe M,

23、Akahoshi T,Tahata Y,et al.J A m C hem S oc,1998,120:55775578.14Parm pi P,Kofinas P.Bi omaterials,2004,25:19691973.15何江川,林強.化學(xué)研究與應(yīng)用,2005,17(2:216219.16Keiji Y,Takashi N,Koz o O,e t al.Polym J,2003,35(7:545550.17Paraskevi P,B olis ay Linden D V,Kofinas P.Materials Researc h S ociety Sym posium2Proceed

24、ings,2003,787:7984.18B olisay Linden D V,March J F,Bentle,Wi li am E,et al.Material s Research Society Sym posium2Proceedings,2003,787:2933.19Tanaka T.Phys Rev Lett,1978,40(12:820823.20Oral E,Peppas N A.J Biom ed Mater Res2Part A,2004,68A(3:439447.21Demirel G,Ozcetin G,Turan E,et al.Macromolecular B

25、 iosci,2005,5(10,10321037.Development of Molecularly Imprinted Intelligent HydrogelsLI Z u2bin,HUO Dong2xia*,WA NG Hong2ying(Schoo l o f Materials Science and En gineering,Zhen gzho u U niv ersity,Zhen gzho u450052,ChinaAbstract:Intelligent Hydrogels exhibit reversible sw elling behavior in response to e xternal stimulatio