智能分子印跡水凝膠的研究進展

樊雅玲　劉根起　梁迪迪　羅四輩

摘要：分子印跡技術具有預定性、識別性和實用性的特點，而智能水凝膠在外界環境刺激下能產生體積或相的轉變。主要介紹了將2者結合起來的一類智能分子印跡水凝膠。它是一種能夠實現環境調變響應的目標分子吸收與釋放功能的高分子聚合物，其中環境變化主要包括溫度、pH值、電刺激等。

關鍵詞：分子印跡；水凝膠；智能水凝膠；分子識別

水凝膠是由三維高分子網絡與溶劑水組成的體系，能顯著地溶脹于水但不溶解于水。根據對外界刺激的響應情況，水凝膠可分為傳統的水凝膠和環境敏感性水凝膠。傳統的水凝膠對環境（如溫度或pH值等）的變化不敏感；而環境敏感性水凝膠又常被稱為智能水凝膠，是指自身能感知外界環境（如溫度、pH值、光、電、壓力等）微小的變化或刺激，并能產生相應的物理結構和化學性質變化的一類高分子水凝膠。由于智能水凝膠的獨特響應性，在化學轉換器、記憶元件開關、傳感器、人造肌肉、化學存儲器、分子分離體系、活性酶的固定、組織工程和藥物載體等方面具有很好的應用前景[1]。

分子印跡技術（Molecular imprinting technique，MIT）是制備對某一特定目標分子具有特異選擇性聚合物的過程，將分子印跡技術與對環境敏感的智能水凝膠結合起來，制備出的智能分子印跡水凝膠（Molecular lyImprinted Intelligent Hydrogels， MIHs），不僅可以提高水凝膠分子對特定分子的結合力，而且能夠根據外界環境的變化控制其對特定分子記憶功能的開關，實現自動識別并結合或釋放特定分子；同時，外界特定分子濃度的變化也能刺激水凝膠發生溶脹或收縮，從而控制其中包埋物質的釋放。這些特定分子主要是蛋白質、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域有著巨大的應用前景[2]。

1 智能分子印跡水凝膠的制備

分子印跡技術的核心是制備分子印跡聚合物，一般包括3個步驟：（1）選擇合適的模板分子加入到功能單體中，形成復合物；（2）加入交聯劑引發聚合反應，形成高度交聯的固態高分子；（3）利用物理或化學方法將印跡分子從高分子中除去，獲得與之相匹配的三維空穴，從而具有專一識別性能[3，4]，如圖1所示。

Tanaka[5～8]提出MIHs 必須由至少2種功能單體組成， 其中一種功能單體用來結合模板分子，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。當水凝膠體積收縮時，分子鏈上的結合位點相互靠近，水凝膠處于分子記憶狀態；當水凝膠溶脹時，分子鏈上的結合位點相互遠離，處于失憶狀態。分子印跡智能水凝膠需要采用低交聯度來保證其溶脹性能，以致無法形成固定的三維空穴。成功的關鍵主要由模板分子與功能單體所形成的復合物的穩定性決定。如果2者的結合力太弱，無法進行有效的印跡；太強，則聚合后難以洗脫。目前，分子印跡智能水凝膠的制備仍存在2大技術難題：一個識別交聯劑的選擇；另一個是溶劑的選擇。

Tanaka等把誘導高分子發生相轉變的作用力歸納為4類：疏水相互作用、親水相互作用（包括氫鍵和水的溶劑化作用）、范德華力和離子間的靜電相互作用[5]。隨著外界環境的變化，這4種作用力相互競爭，引起高分子鏈段在溶液中的構象發生變化，最終導致相轉變的發生。

2 溫度敏感型智能分子印跡水凝膠

溫度的變化可以影響智能分子印跡水凝膠分子網絡中的親水和疏水基團，從而影響它們之間的相互作用，使水凝膠的網絡結構發生改變，最終使水凝膠發生體積相轉變。

Tanaka小組報道弱交聯的印跡聚合物水凝膠包含溫敏性單體（NIPAAm）和功能單體。基于Tanaka研究工作，劉學涌等人[6]將氫鍵引入溫敏性印跡聚合物的合成體系，首次制備了基于氫鍵和離子鍵作用的溫敏性印跡聚合物水凝膠。在實驗中，選擇4-氨基吡啶（Apy）作為模板分子，甲基丙烯酸作為功能單體，用來識別模板分子4-氨基吡啶；N-異丙基丙烯酰胺選作溫敏性單體，使印跡聚合物能夠在溫度改變的條件下發生可逆的溶脹和收縮，從而實現對氨基吡啶的識別和釋放。此外，郭小偉等[7]人以水楊酸為模板分子，丙烯酰胺為功能單體，N-異丙基丙烯酰胺為溫敏單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯劑，偶氮二異丁腈為引發劑，采用本體聚合法，60 ℃熱聚合制備了溫度敏感的分子印跡（MIP）水凝膠，其最低臨界溶解溫度（LCST）在40 ℃左右。該分子印跡水凝膠對水楊酸顯示了高的選擇識別性，非分子印跡水凝膠則表現出低的選擇性。溫敏性分子印跡水凝膠的吸附容量達6.35 mg/g，是非印跡水凝膠的3.66倍。相對于未添加溫敏單體的分子印跡聚合物，溫敏性水楊酸分子印跡水凝膠對目標分子的吸附和洗脫效率分別提高33.3%和50%，并實現了溫度響應的水凝膠結合、釋放水楊酸的功能。

何江川等人[8]以甘草酸分子為印跡分子，N-異丙基丙烯酰胺作為溫度響應性單體，和甲基丙烯酸共同為甘草酸的吸附性單體，在大量交聯劑存在下，N-甲基吡咯烷酮中經自由基模板聚合，制備了一種熱敏性印跡凝膠，對水凝膠的熱收縮動力學進行了表征；用紅外光譜證實了甘草酸分子與單體分子間的相互作用，以旁證其模板作用的存在，同時還與沒有模板作用所合成的同種凝膠作了實驗對比，發現模板聚合所得的水凝膠可以富集水溶液中的甘草酸，并對它表現出特殊的選擇性分離作用，分配系數約為非模板聚合水凝膠的11倍。

3 pH敏感型智能分子印跡水凝膠

水凝膠的pH值響應性是指其溶脹或消溶脹是隨pH值的變化而變化。它們含有大量易水解和質子化的解離基團，當外界pH值變化時，這些基團的解離程度相應改變，造成凝膠內外離子濃度的變化，并引起網絡內氫鍵的生成或斷裂，導致凝膠的不連續體積相變。

聚多糖類水凝膠由于良好的生物相容性和降解性，在醫學領域的應用倍受關注。上海大學的陳捷[9]等采用輻照法制備了殼聚糖/丙烯酸共聚水凝膠，其在低pH值和高pH值處都有較好的溶脹性能，而在中間pH值溶脹比較低。此外還用輻照法制備了聚N異丙基丙烯酰胺，發現這一典型的溫度敏感性水凝膠同時還具有pH 值敏感性，其在低pH值和高pH值處的溶脹比要高于中間pH值處[10]。

眾所周知，由于聚丙烯酸（PAA）和聚甲基丙烯酸（PMAA）分子鏈上含有大量可電離的COOH基團，因而是一類具有pH值敏感特性的智能高分子。Dal等人[11] 合成了一種新型的具有pH值敏感特性的雙親性二嵌段共聚物——聚[甲基丙烯酸-b-2-（二乙基氨基）甲基丙烯酸乙酯][P（MAA-b-DEA）]，滴定及濁度實驗表明，當溶液pH值<5.5（對應于共聚物中PDEA段N的質子化）時，共聚物形成以疏水的PMAA為核，質子化的PDEA為殼的類膠束；當pH值>9.2（對應于共聚物中PDEA段N完全去質子化，此時COOH完全解離為COO-）時，共聚物在水溶液中又以疏水的PDEA為核，親水的PMAA為殼的類膠束構象形式存在；而當5.5

4 電敏感型智能分子印跡水凝膠

水凝膠的電敏感性是指凝膠隨外加直流電場的變化而發生的體積轉變現象。電敏感水凝膠一般含可離子化基團，其溶脹易受電場或電流影響。在此類凝膠中，荷電基團的抗衡離子在電場中遷移，凝膠網絡內外離子濃度的變化引起滲透壓的變化，導致凝膠體積或形狀改變[12]。鄭云華等人[13]以脲為催化劑，將聚乙烯醇（PVA）磷酸酯化制成聚乙烯醇磷酸酯，再經戊二醛交聯制備了一種新型的聚乙烯醇磷酸酯水凝膠。研究了水凝膠的溶脹性能、力學性能和電刺激響應行為。結果表明，該凝膠在NaCl水溶液中的平衡溶脹率隨NaCl溶液的離子強度增大而減小，在離子強度為0～0.2 mol/L的NaCl 水溶液中，其彈性模量為0 .300～0.356 MPa，拉伸強度為91.5～137.8 kPa，斷裂伸長率為32.0% ～37.5%，且均隨離子強度的增大而提高。在去離子水和NaCl水溶液中于非接觸直流電場作用下，凝膠向電場負極彎曲，彎曲速度和應變隨外加電壓的增大而增大，并隨NaCl離子強度的增大于0.005處出現極大值。在循環電場作用下，聚乙烯醇磷酸酯水凝膠的電刺激響應行為具有良好的可逆性。

5 結語

智能分子印跡水凝膠將分子印跡技術對分子的靈敏識別與智能水凝膠能夠感應外界環境變化的獨特性能結合起來，使其不僅能夠通過感應環境刺激信號控制分子記憶功能，而且可以對特定分子的濃度變化做出響應。這些優點使得分子印跡水凝膠在免疫分析、生物傳感器、轉化器、微型開關、分子器件等很多方面得到了廣泛應用。雖然，目前智能分子印跡水凝膠還處于初級研究階段，但是其顯著優點已經引起了廣泛關注。

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