智能分子印迹水凝胶的研究进展

樊雅玲　刘根起　梁迪迪　罗四辈

摘要：分子印迹技术具有预定性、识别性和实用性的特点，而智能水凝胶在外界环境刺激下能产生体积或相的转变。主要介绍了将2者结合起来的一类智能分子印迹水凝胶。它是一种能够实现环境调变响应的目标分子吸收与释放功能的高分子聚合物，其中环境变化主要包括温度、pH值、电刺激等。

关键词：分子印迹；水凝胶；智能水凝胶；分子识别

水凝胶是由三维高分子网络与溶剂水组成的体系，能显著地溶胀于水但不溶解于水。根据对外界刺激的响应情况，水凝胶可分为传统的水凝胶和环境敏感性水凝胶。传统的水凝胶对环境（如温度或pH值等）的变化不敏感；而环境敏感性水凝胶又常被称为智能水凝胶，是指自身能感知外界环境（如温度、pH值、光、电、压力等）微小的变化或刺激，并能产生相应的物理结构和化学性质变化的一类高分子水凝胶。由于智能水凝胶的独特响应性，在化学转换器、记忆元件开关、传感器、人造肌肉、化学存储器、分子分离体系、活性酶的固定、组织工程和药物载体等方面具有很好的应用前景[1]。

分子印迹技术（Molecular imprinting technique，MIT）是制备对某一特定目标分子具有特异选择性聚合物的过程，将分子印迹技术与对环境敏感的智能水凝胶结合起来，制备出的智能分子印迹水凝胶（Molecular lyImprinted Intelligent Hydrogels， MIHs），不仅可以提高水凝胶分子对特定分子的结合力，而且能够根据外界环境的变化控制其对特定分子记忆功能的开关，实现自动识别并结合或释放特定分子；同时，外界特定分子浓度的变化也能刺激水凝胶发生溶胀或收缩，从而控制其中包埋物质的释放。这些特定分子主要是蛋白质、聚肽、核酸、葡萄糖等生物大分子，因而在药物控释体系、生物传感器和免疫分析等领域有着巨大的应用前景[2]。

1 智能分子印迹水凝胶的制备

分子印迹技术的核心是制备分子印迹聚合物，一般包括3个步骤：（1）选择合适的模板分子加入到功能单体中，形成复合物；（2）加入交联剂引发聚合反应，形成高度交联的固态高分子；（3）利用物理或化学方法将印迹分子从高分子中除去，获得与之相匹配的三维空穴，从而具有专一识别性能[3，4]，如图1所示。

Tanaka[5～8]提出MIHs 必须由至少2种功能单体组成， 其中一种功能单体用来结合模板分子，另一种功能单体则起到感知外界刺激信号、控制水凝胶体积相变的作用。当水凝胶体积收缩时，分子链上的结合位点相互靠近，水凝胶处于分子记忆状态；当水凝胶溶胀时，分子链上的结合位点相互远离，处于失忆状态。分子印迹智能水凝胶需要采用低交联度来保证其溶胀性能，以致无法形成固定的三维空穴。成功的关键主要由模板分子与功能单体所形成的复合物的稳定性决定。如果2者的结合力太弱，无法进行有效的印迹；太强，则聚合后难以洗脱。目前，分子印迹智能水凝胶的制备仍存在2大技术难题：一个识别交联剂的选择；另一个是溶剂的选择。

Tanaka等把诱导高分子发生相转变的作用力归纳为4类：疏水相互作用、亲水相互作用（包括氢键和水的溶剂化作用）、范德华力和离子间的静电相互作用[5]。随着外界环境的变化，这4种作用力相互竞争，引起高分子链段在溶液中的构象发生变化，最终导致相转变的发生。

2 温度敏感型智能分子印迹水凝胶

温度的变化可以影响智能分子印迹水凝胶分子网络中的亲水和疏水基团，从而影响它们之间的相互作用，使水凝胶的网络结构发生改变，最终使水凝胶发生体积相转变。

Tanaka小组报道弱交联的印迹聚合物水凝胶包含温敏性单体（NIPAAm）和功能单体。基于Tanaka研究工作，刘学涌等人[6]将氢键引入温敏性印迹聚合物的合成体系，首次制备了基于氢键和离子键作用的温敏性印迹聚合物水凝胶。在实验中，选择4-氨基吡啶（Apy）作为模板分子，甲基丙烯酸作为功能单体，用来识别模板分子4-氨基吡啶；N-异丙基丙烯酰胺选作温敏性单体，使印迹聚合物能够在温度改变的条件下发生可逆的溶胀和收缩，从而实现对氨基吡啶的识别和释放。此外，郭小伟等[7]人以水杨酸为模板分子，丙烯酰胺为功能单体，N-异丙基丙烯酰胺为温敏单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，偶氮二异丁腈为引发剂，采用本体聚合法，60 ℃热聚合制备了温度敏感的分子印迹（MIP）水凝胶，其最低临界溶解温度（LCST）在40 ℃左右。该分子印迹水凝胶对水杨酸显示了高的选择识别性，非分子印迹水凝胶则表现出低的选择性。温敏性分子印迹水凝胶的吸附容量达6.35 mg/g，是非印迹水凝胶的3.66倍。相对于未添加温敏单体的分子印迹聚合物，温敏性水杨酸分子印迹水凝胶对目标分子的吸附和洗脱效率分别提高33.3%和50%，并实现了温度响应的水凝胶结合、释放水杨酸的功能。

何江川等人[8]以甘草酸分子为印迹分子，N-异丙基丙烯酰胺作为温度响应性单体，和甲基丙烯酸共同为甘草酸的吸附性单体，在大量交联剂存在下，N-甲基吡咯烷酮中经自由基模板聚合，制备了一种热敏性印迹凝胶，对水凝胶的热收缩动力学进行了表征；用红外光谱证实了甘草酸分子与单体分子间的相互作用，以旁证其模板作用的存在，同时还与没有模板作用所合成的同种凝胶作了实验对比，发现模板聚合所得的水凝胶可以富集水溶液中的甘草酸，并对它表现出特殊的选择性分离作用，分配系数约为非模板聚合水凝胶的11倍。

3 pH敏感型智能分子印迹水凝胶

水凝胶的pH值响应性是指其溶胀或消溶胀是随pH值的变化而变化。它们含有大量易水解和质子化的解离基团，当外界pH值变化时，这些基团的解离程度相应改变，造成凝胶内外离子浓度的变化，并引起网络内氢键的生成或断裂，导致凝胶的不连续体积相变。

聚多糖类水凝胶由于良好的生物相容性和降解性，在医学领域的应用倍受关注。上海大学的陈捷[9]等采用辐照法制备了壳聚糖/丙烯酸共聚水凝胶，其在低pH值和高pH值处都有较好的溶胀性能，而在中间pH值溶胀比较低。此外还用辐照法制备了聚N异丙基丙烯酰胺，发现这一典型的温度敏感性水凝胶同时还具有pH 值敏感性，其在低pH值和高pH值处的溶胀比要高于中间pH值处[10]。

众所周知，由于聚丙烯酸（PAA）和聚甲基丙烯酸（PMAA）分子链上含有大量可电离的COOH基团，因而是一类具有pH值敏感特性的智能高分子。Dal等人[11] 合成了一种新型的具有pH值敏感特性的双亲性二嵌段共聚物——聚[甲基丙烯酸-b-2-（二乙基氨基）甲基丙烯酸乙酯][P（MAA-b-DEA）]，滴定及浊度实验表明，当溶液pH值<5.5（对应于共聚物中PDEA段N的质子化）时，共聚物形成以疏水的PMAA为核，质子化的PDEA为壳的类胶束；当pH值>9.2（对应于共聚物中PDEA段N完全去质子化，此时COOH完全解离为COO-）时，共聚物在水溶液中又以疏水的PDEA为核，亲水的PMAA为壳的类胶束构象形式存在；而当5.5

4 电敏感型智能分子印迹水凝胶

水凝胶的电敏感性是指凝胶随外加直流电场的变化而发生的体积转变现象。电敏感水凝胶一般含可离子化基团，其溶胀易受电场或电流影响。在此类凝胶中，荷电基团的抗衡离子在电场中迁移，凝胶网络内外离子浓度的变化引起渗透压的变化，导致凝胶体积或形状改变[12]。郑云华等人[13]以脲为催化剂，将聚乙烯醇（PVA）磷酸酯化制成聚乙烯醇磷酸酯，再经戊二醛交联制备了一种新型的聚乙烯醇磷酸酯水凝胶。研究了水凝胶的溶胀性能、力学性能和电刺激响应行为。结果表明，该凝胶在NaCl水溶液中的平衡溶胀率随NaCl溶液的离子强度增大而减小，在离子强度为0～0.2 mol/L的NaCl 水溶液中，其弹性模量为0 .300～0.356 MPa，拉伸强度为91.5～137.8 kPa，断裂伸长率为32.0% ～37.5%，且均随离子强度的增大而提高。在去离子水和NaCl水溶液中于非接触直流电场作用下，凝胶向电场负极弯曲，弯曲速度和应变随外加电压的增大而增大，并随NaCl离子强度的增大于0.005处出现极大值。在循环电场作用下，聚乙烯醇磷酸酯水凝胶的电刺激响应行为具有良好的可逆性。

5 结语

智能分子印迹水凝胶将分子印迹技术对分子的灵敏识别与智能水凝胶能够感应外界环境变化的独特性能结合起来，使其不仅能够通过感应环境刺激信号控制分子记忆功能，而且可以对特定分子的浓度变化做出响应。这些优点使得分子印迹水凝胶在免疫分析、生物传感器、转化器、微型开关、分子器件等很多方面得到了广泛应用。虽然，目前智能分子印迹水凝胶还处于初级研究阶段，但是其显著优点已经引起了广泛关注。

参考文献

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