温敏型聚酰胺-胺型树状聚合物的研究进展*

梁 琦，杨 群，王黎明，代正伟

(1.上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201620；2.嘉兴学院 材料与纺织工程学院，浙江 嘉兴 314001)

0 引 言

温敏聚合物是具有温度刺激响应特点的一类特殊聚合物，这类聚合物要求具有较灵敏的触变温度或转变温度。当环境温度发生变化时，该类材料能响应性的改变自身状态和相关参数，从而产生期望的性能。

温敏型聚合物在智能纺织材料中具有重要的地位，其具有温度响应和记忆机理描述如图1所示[1]。在低温状态下分子链段均为无定形态，升温到触变温度(TTrans)以上时，聚合物链段在应力作用下取向；降温后聚合物链段形成结晶使材料的形变得以固定；当再次升温后，结晶熔融，材料恢复到初始状态。这类温敏型聚合物典型的代表为温敏型聚氨酯，其软段和硬段的链段由于热力学不相容呈现微相分离，从而呈现出独特的相转变温度(TTrans)。当环境温度在TTrans附近变化时，其热熔、弹性模量、折射率等性能均会出现明显的不连续性。

图1 温度响应的形状记忆过程的分子机理[1]

另一类具有典型代表的温敏聚合物是聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)，在环境温度发生变化时，其溶解状态和聚集状态也会发生相应的转变，即当外界温度发生变化时，聚合物的溶解状态随之变化。当外界温度高于一个特定温度时，聚合物的链段开始相互聚集，溶液开始变浑浊[2-4]；当外界温度低于这个特定温度时，链段为伸展状态，形成均匀透明的溶液[5]。所以临界温度(LCST)是聚合物发生相分离时的温度，也称为浊点[6]。溶解状态与聚集状态间相转变如2所示[7]，这种相转变过程一般是可逆的。

图2 LCST型温敏聚合物在溶解状态与聚集状态间相转变示意图

树状聚合物是直径范围为1～13 nm，具有高度支化结构的单分散聚合物[8- 9]，其分子结构的形状酷似树枝，并有许多功能性末端基团。因此，其独特的性质主要体现在以下几个方面：(1)树状聚合物有大量的末端基团，易修饰；(2)树状聚合物的黏度比同分子量的线性聚合物低[10]；(3)树状聚合物分子内部有大量疏水作用的空腔[11](如图3所示)。

图3 树枝状大分子的结构图

在这类聚合物中，聚酰胺-胺型(PAMAM)树状聚合物具有类球形拓扑结构，分子内部存在大量空腔，可以将一些特定功能性小分子包裹于其分子内部；加之，亲水性端基分布于球形表面，可以连接多种修饰基团[12]。因此，PAMAM是目前研究最为广泛的树状聚合物之一，在基因治疗、药物载体、显形剂、催化剂等方面都有着重要的研究价值和应用前景[13]。本文将对基于温敏型PAMAM树状聚合物的制备方法、温敏机理、特性以及应用领域等方面进行综述。

1 温敏型PAMAM基树状聚合物的制备方法

根据文献调研发现，温敏型PAMAM基树状聚合物的制备方法主要为三种：第一种是用特定基团修饰PAMAM的末端，通过调节所用PAMAM末端基团的取代度对PAMAM进行温敏性改性；第二种是通过调节PAMAM分子骨架中亲水/亲油性基团的数量，实现对产物温敏性能的调节；第三种是将线性温敏聚合物引入PAMAM分子骨架中，使PAMAM聚合物具有温度敏感的特性[10]。因此，本文主要综述基于上述制备方法的三类温敏型PAMAM基树状聚合物的制备。

1.1 聚N-异丙基丙烯酰胺修饰PAMAM

自1967年Scarpa等[14]人首次观察报道线型聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)水溶液具有温度响应相转变的现象和具有低的相转变温度后，Dusek和Tanaka等[15-16]先后证实PNIPAM具有的温度响应的体积突变现象。之后，以PNIPAN为代表的温敏聚合物成为高分子领域一个新的研究热点。采用PNIPAM接枝改性PAMPAM制备温敏型PAMPAM树状聚合物的研究也受到科研界的广泛关注。

2007年Kono[17]课题组研究了N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)单体修饰PAMAM得到NIPAM-PAMAM温敏型树状聚合物，如图4所示。研究表明该类温敏树状聚合物的温敏行为仅限于其球形分子表层，整个树状大分子结构在相分离过程中的温敏响应行为并不明显。主要是因为NIPAM-PAMAM树状大分子具有规整的几何结构，NIPAM基团仅仅均匀密集地分布于PAMAM类球形的外层，从而导致基团的构象自由度受到限制，水合及脱水过程进行缓慢。

图4 NIPAM单体修饰PAMAM树状大分子的合成方法[17]

2008年周波[12]以N-异丙基丙烯酰胺为单体，采用自由基聚合的方法获得带有-COOH末端的温敏性聚合物PNIPAM，然后再接枝到G2.0代的PAMAM上。通过改变投料比、反应时间等因素获得了接枝率不同的PNIPAM-g-PAMAM。实验证明接枝率越高，接枝聚合物的LCST下降越显著。

2009年樊向攀[18]课题组采用PNIPAM的末端活化原理把温敏型PNIPAM接枝到G3.0代的PAMAMA树状大分子上，得到具有温敏性的PAMAM-PNIPAM(如图5所示)。由于PAMAM结构近似球形，相对体积较小，对PNIPAM的温敏性影响很小，因此PAMAM-PNIPAM具有温度敏感的性质。另外，该课题组将PNIPAM和PEG接枝到G3.0代的PAMPAM树状大分子上，得到PAMAM-PNIPAM-PEG衍生物，研究表明，PEG的引入会改变PAMAM-PNIPAM的LCST值，而且PAMAM-PNIPAM-PEG的LCST随着PEG相对数量的增加而增加。

图5 PAMAM-PNIPAM-PEG的合成[18]

2014年孙博薇[19]采用水相合成法，用水溶性的1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二甲铵盐酸盐作为偶联剂合成聚N-异丙基丙烯酰胺接枝聚酰胺-胺(PNIPAM-PAMAM)。这个方法污染小，后续纯化过程少，有效的降低了合成成本。此外，该课题组还采用原位合成法，合成了一种温敏纳米粒子，实验发现聚合物的分子量越小，合成的纳米粒子越不稳定。

2016年Nguyen团队[20]采用端羧基的温敏PNIPAM对G3.0代的PAMAM进行改性，制备了温敏型PAMAM G3.0-PNIAM树状聚合物，并用于包覆抗癌药氟尿嘧啶，研究其药物缓释性。研究表明该PAMAM G3.0-PNIAM的LCST为32 ℃，可以通过改变温度调控药物释放速率。

1.2 异丁酰胺(IBAM)封端改性PAMAM

异丁酰胺(IBAM)基团堆积在PAMAM类球形的表面可改变PAMAM分子表面的亲水/疏水性，通过调节其比列可调控脱水聚集的温度，即相转变温度[21-24]。2003年至2007年Kono[17,21-24]把IBAM端基引入到不同代数的PAMAM树状大分子中制备PAMAM-IBAM温敏聚合物(图6)，并研究它们的温敏性规律。Kono认为，随着代数增加，高分子表面堆积的IBAM数量也会增加，逐渐表现出疏水性而容易脱水聚集，因此LCST显著下降[25]。同时，随着水溶液浓度增加，聚合物的LCST逐渐下降[10]，主要是因为浓度提高促进了分子之间的脱水聚集。

图6 IBAM封端改性PAMAM的合成方法[10,21-24]

2010年刘毅[26]先合成不同分子量的超支化聚酰胺-胺聚合物(HYPAMAM)，再用温敏性异丁酸酐进行酰化反应后得到具有可逆温敏性的HYPAMAM-IBAM。研究表明：在相同的环境下，随着聚合物HPAMAM-IBAM分子量的增大，水溶液的浓度逐渐升高，HYPAMAM-IBAM的LCST逐渐降低。他们还发现LCST对pH值非常敏感，在一定范围内，HYPAMAM-IBAM的LCST随着pH值的增大而迅速降低。

2017年天津大学的陈宇[27]采用迈克尔加成反应制备了超支化的PAMAM，然后在N2保护下，用IBAM对超支化的PAMAM进行修饰，制备了温度响应型树状聚合物。研究表明该温敏型树状聚合物的在水溶液中的温敏响应性和转变温度均与溶液的pH相关。

1.3 形状记忆性聚氨酯改性PAMAM

将具有温度响应记忆功能的聚氨酯分子链引入到PAMAM，以及其温敏响应性的研究并不多。2015年和2016年王学川[28-29]课题组先后采用G1.0-G5.0代的PAMAM对聚氨酯进行扩链改性制备了树状PU-PAMAM水分散体。研究表明PU与PAMAM结合后，分子间形成了更多的交联，影响软段和硬段的聚集，从而限制结晶微区的产生。而随着PAMAM支化度的提高，PU-PAMAM乳胶粒子会随之发生团聚，进而核壳结构消失。

2016年Gite[30]通过将聚氨酯改性PAMAM作为壳材，桐油作为芯材，成功制备了具有球形结构的高性能微胶囊防腐材料，并研究了其防腐蚀过程。研究表明基于PAMAM的类球形拓扑结构，在其空腔内包括桐油，可以大大提升桐油的释放性，从而提高抗腐蚀性。聚氨酯与PAMAM的合成反应如图7所示。

图7 聚氨酯封端改性PAMAM的合成方法[31]

2 温敏型PAMAM树状聚合物温敏机理

2.1 基于LCST的温敏机理

对于PNIPAM改性接枝的PAMAM树枝状聚合物的温敏机理研究的比较深入。Graziano[32]认为，PNIPAM分子内亲水基团、疏水基团同时存在，改变温度会使亲、疏水基团与水分子间的作用力发生变化。所以，当温度变化时，PNIPAM的亲疏水性也会随之变化改变。当温度小于PNIPAM的LCST时，酰胺基和水分子间相互作用，水分子会在PNIPAM分子周围形成一种有规律的溶剂化表层，高分子是铺展的线性状态，PNIPAM分子表现出亲水性。当温度逐渐上升到大于PNIPAM的LCST时，PNIPAM分子链与水分子之间的部分氢键断裂，使PNIPAM分子链中的水分子脱落，分子链逐渐缩成一个球状物，亲水性也逐渐下降，PNIPAM分子表现出疏水性质[33]。PNIPAM分子链随温度升高所发生形态变化转变过程如图8所示。由于PAMAM树状大分子的结构近似球形，相对体积较小，所以对PNIPAM的温敏性影响很小，因此PNIPAM接枝改性后的PNIPAM聚合物具有温度敏感的性质，其温敏性主要取决于PNIPAM温度敏感的性质。

图8 PNIPAM分子构型的转变过程[32-33]

樊向攀[18]认为PAMAM-PNIPAM-PEG与PAMAM同样是具有核壳结构的纳米粒子。聚合物内部是疏水性的PAMAM空腔，外部为PNIPAM和PEG共同组成的亲水性外壳。当周围环境温度升高时，PEG的存在会降低PNIPAM中疏水基团的缔合，推迟疏水层的形成，表现为LCST升高。因此，当PEG含量增加时，PAMAM-PNIPAM-PEG的LCST随之提高。其温敏形态变化如图9所示。

图9 PAMAM-PNIPAM-PEG形态随温度变化示意图[18]

对于IBAM修饰的PAMAM温敏树状聚合物，其温敏行为也是基于LCST变化引起相变。由于IBAM均匀地堆砌于PAMAM类球形的外层，会改变温敏树状大分子的亲水/亲油性，从而产生不同的LCST温度。LCST温度不仅与聚合物的分子量有关，也与溶液浓度、pH值等有关。

2.2 基于热力学不相容呈现微相分离的温敏机理

这一类典型的代表是形状记忆聚氨酯，基于其软段和硬段的链段的热力学不相容呈现微相分离，从而呈现出独特的相转变温度(TTrans)。基于这种相变原理的聚氨酯，其在智能纺织品中的相变机理及智能湿热传递和透过的相变原理如图10所示[34]。即在温度低于TTrans时，聚氨酯的软段和硬段的运动处于冻结状态，分子链排列紧密，热和水汽分子透不过，因此，低温下表现出一定的保暖性；当环境温度升高至高于TTrans时，聚氨酯的链段解冻，分子链的运动性提高，链段间隙明显增加，热、水汽分子在其中的扩散能力也显著增加，表现出良好的透气和透湿性。

图10 形状记忆聚氨酯的温敏透湿机理[34]

3 温敏型聚酰胺-胺型树状聚合物的功能化与应用

PAMAM树状聚合物由于其特殊的支化结构及类球形拓扑结构，分子内部存在大量空腔，可以将一些特定功能性小分子包裹于其分子内部，赋予其更多的功能。修饰改性后的PAMAM温敏树状聚合物不仅可以作为包载药物的载体，还可通过控制温度调控药物的释放水平。

吲哚美辛(IMC)是一种难溶的药物，因直接口服时毒副作用大，并且会严重破坏胃肠道和中枢神经系统，所以常被用来做模型药物[35]。樊向攀[18]测试了G3.0-PAMAM树枝状聚合物及衍生物作为载体分别在低于、等于和高于LCST温度环境下IMC的释放行为。实验表明PAMAM大分子在不同温度下IMC释放变化不明显；而PAMAM-PNIPAM在不同温度下对IMC的释放过程变化比较明显。他认为低温条件下，外层PNIPAM分子链处于伸展状态，对IMC分子的阻截效果小，药物释放比较快；当周围温度升温到LCST以上时，外层PNIPAM分子链上部分氢键被破坏，分子链开始逐渐收缩，通道变小，仅部分IMC可以从高分子链间隙扩散出去[12]，如图11所示。张君[36]通过研究表明IMC的溶解度可以一定范围内随温敏树状大分子的浓度提高而增加，在环境温度为27到37 ℃之间时IMC释放速度显著，环境温度高于37 ℃药物释放速度逐渐放缓。因此，可以通过环境温度的调控有效地控制包载药物的释放速率。

图11 PAMAM-PNIPAM的增强药物负载-缓释的机制[20]

金纳米粒子由于独特的光学、电化学性质以及较高的化学稳定性，在自组装、生物标记、相转移催化、DNA测定等方面受到广泛应用。孙博薇[19]将PNIPAM-PAMAM与纳米金离子结合，调控得到LCST更加接近人体温的温敏PAMAM树状聚合物，因此更适合于临床药物载体。她采用IMC作为模型药物在两个温度点上对金纳米粒的温度响应性能进行试验，发现金核在温度高于LCST时都能发生强烈的聚集现象，并且直径较大的纳米金粒聚集更强烈[19]。

Kono等[37]用丙氧基二甘醇封端PAMAM，并用2 mm的金纳米粒子制备了包覆金纳米粒子的温敏PAMAM树状聚合物，并将其用于治疗杀死癌细胞实验。通过研究发现在温度为30 ℃时(低于LSCT)采用532 nm的激光照射30 min不能有效杀死癌细胞；当温度为37 ℃时(高于LSCT)，采用532 nm的激光照射30 min癌细胞大量死亡，作用机理如图12所示[37]。

图12 PDEG-G5.0-Au55温度和光照杀死癌细胞的机制[37]

Majoros[38]设计合成了PAMAM树状多功能肿瘤治疗偶联物。并对G5.0代的PAMAM树状大分子表面的氨基进行乙酰反应，增强了树状大分子的溶解度，并可以防止在体内外的非特异性靶向作用。实验证明在浓度为200nM的PAMAM偶联物对受体和受体细胞有细胞毒性表现出PAMAM偶联物的非特异性结合，并杀伤受体细胞。体外实验证明改性PAMAM偶联物可以将化疗和显影剂靶向传送到特定的癌细胞。研究表明温敏型PAMAM衍生物能对难溶性药物起到增溶的效果，还能载体对药物进行温度控制释放[39]。由于人体内病变周围的温度明显高于正常组织细胞的温度。因此，利用温敏性PAMAM这些特性上的差异也来检测和定位癌细胞。

随着冶金、电镀、机械制造等行业的快速发展，大量的重金属废水被排入水体。这些重金属离子不容易被降解，会在生物体中积累，带来巨大的生态和生理风险。因此，排放废水中存在重金属在全球范围内成为一个日益重要的问题[40]。PAMAM改性膜在去除重金属和其他水处理方面有很大的应用潜力。由于PAMAM具有径向对称、超支化的结构，其树枝上含有大量的胺基(-NH2)，不仅具有化学附着的活性位点，通过接枝改性的PAMAM还可以增强膜的亲水性，提高膜的防污性能[41]。

Zhu[42]在聚醚砜(PES)膜的界面聚合层上接枝聚PAMAM，在复合膜上对Pb2+、Cd2+、Cu2+、As3+、As5+等重金属离子的吸附进行研究。研究发现PAMAM接枝不仅减小了复合膜的孔径，还在膜表面提供了带正电的官能团，提高了复合膜的亲水性。Zhang[43]制备了PAMAM树状化中空纤维膜(HFMs)，用于重金属离子的回收。实验测试了PAMAM枝化度对水中重金属离子(Cu2+、Pb2+、Cd2+)吸附的影响。研究发现PAMAM高枝化的中空纤维膜对3种金属离子有较高的结合亲和力。G3.0-HFM对3种金属离子的结合能力最强。G3.0-HFMs与Cu2+离子结合能力为37.37 mg/g，G4.0-HFMs和G5.0-HFMs与Cu2+离子结合能力分别为26.09 mg/g和25.42 mg/g。而且G3-HFM与Cu2+的结合亲和力高于Pb2+和Cd2+。G3-HFM经过5次循环使用和回收后，仍能保持70%的金属离子负载量。

4 结 语

综上所述，温敏型PAMAM树状聚合物是同时具有温敏聚合物特性和树状大分子性能的一类智能聚合物。它不仅具有温度刺激响应性，同时还具有树状聚合物多反应位点、低粘度等特点。温敏PAMAM树状聚合物的制备方法有很多种，包括调节PAMAM树状聚合物末端基元取代度、调节聚合物中亲水亲油基团的比例、将线性温敏聚合物引入PAMAM分子骨架中等。

不同结构类型的温敏聚合物的温敏机理不同，因此修饰改性后的温敏型PAMAM树状聚合物的温敏机理也随之不同。正因如此，温敏型PAMAM及其衍生物在不同的领域有着广泛的用途。可以在医学中作为载体，通过温度调控控制药物释放地点和释放时间、杀死癌细胞而不伤害正常细胞等；在纺织中，可以随着环境温度的变化智能调节织物对人体体表微环境的调节，如保暖和透湿，从而使穿着舒适度进一步提高。因此，基于其温敏响应行为，温敏型PAMAM及其衍生物在纺织、医学、生物工程等方面都将发挥着重要的作用，有着广泛的研究价值和应用前景。