Poly (N-isopropylakrylamid) - Poly(N-isopropylacrylamide) - Wikipedia

Poly (N-isopropylakrylamid)
PNIPA.png
Identifikátory
ChemSpider
  • žádný
Vlastnosti[1]
(C6H11NE)n
Molární hmotnostproměnná
Vzhledbílá pevná látka
Hustota1,1 g / cm3
Bod tání 96 ° C (205 ° F; 369 K)
Nebezpečí[1]
Bezpečnostní listExterní bezpečnostní list
NFPA 704 (ohnivý diamant)
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
Reference Infoboxu

Poly (N-isopropylakrylamid) (různě zkráceno PNIPA, PNIPAAm, NIPA, PNIPAA nebo PNIPAm) je polymer reagující na teplotu to bylo první syntetizován v padesátých letech.[2] Může být syntetizován z N-izopropylakrylamid, který je komerčně dostupný. Syntetizuje se prostřednictvím radikálová polymerace a je snadno funkcionalizován, takže je užitečný v různých aplikacích.

Tvoří trojrozměrný hydrogel když zesítěný s N, N ‘-methylen-bis-akrylamid (MBAm) nebo N, N ‘-cystamin-bis-akrylamid (CBAm). Při zahřívání ve vodě nad 32 ° C (90 ° F) podléhá reverzibilitě nižší kritická teplota roztoku (LCST) fázový přechod z oteklého hydratovaného stavu do zmenšeného dehydratovaného stavu, přičemž ztrácí asi 90% svého stavu objem. Protože PNIPA vylučuje svůj kapalný obsah při blízké teplotě lidské tělo, PNIPA byl zkoumán mnoha výzkumníky pro možné aplikace v tkáňové inženýrství[3][4] a kontrolované dodávka léků.[5][6][7]

Dějiny

Syntéza poly (N-isopropylakrylamid) začal syntézou akrylamid monomer Sprecht v roce 1956.[8] V roce 1957 Shearer patentoval první žádost o to, co by později bylo identifikováno jako PNIPA pro použití jako odpuzovač hlodavců.[9] Raná práce byla podněcována teoretickou zvědavostí materiálových vlastností PNIPA. První zpráva o PNIPA přišla v roce 1968, která objasnila jedinečné tepelné chování ve vodných roztocích.[10] Osmdesátá léta znamenala výbuch zájmu PNIPA s realizací potenciálních aplikací díky svému jedinečnému tepelnému chování ve vodných roztocích.[2]

Chemické a fyzikální vlastnosti

PNIPA je jedním z nejvíce studovaných termosenzitivních hydrogelů. Ve zředěném roztoku prochází a přechod mezi cívkou a globulem.[11] PNIPA má při zahřívání inverzní rozpustnost. Mění se to hydrofilnost a hydrofobicita náhle na jeho LCST.[12] Při nižších teplotách si společnost PNIPA objednává sama řešení vodíková vazba s již uspořádanými molekulami vody. Molekuly vody se musí přeorientovat kolem nepolárních oblastí PNIPA, což má za následek snížení entropie. Při nižších teplotách, například při pokojové teplotě, negativní entalpie termín () z vodíkové vazby efekty dominují Gibbsova volná energie,

,

což způsobí, že PNIPA absorbuje vodu a rozpustí se v roztoku. Při vyšších teplotách entropie termín () dominuje, což způsobuje, že PNIPA uvolňuje vodu a odděluje fáze, což je patrné z následující ukázky.

Obrázkové zobrazení účinku LCST na PNIPA
  • Vodný roztok PNIPA před zahříváním. Negativní entalpie vodíkových vazeb dominuje a PNIPA se rozpustí v roztoku.

    Vodný roztok PNIPA před zahříváním. Negativní entalpie vodíkových vazeb dominuje a PNIPA se rozpustí v roztoku.

  • Směs se po zahřátí tepelnou pistolí. Negativní entropie míchání dominuje v důsledku zvýšení teploty a fáze PNIPA se odděluje od vody.

    Směs se po zahřátí tepelnou pistolí. Negativní entropie míchání dominuje v důsledku zvýšení teploty a fáze PNIPA se odděluje od vody.

Demonstrace zahřívání PNIPA k prokázání účinku LCST.

Syntéza PNIPA citlivého na teplo a pH

Homopolymerizace[13]

Proces zdarma radikální polymerace jednoho typu monomer, v tomto případě, N-isopropylakrylamid, za vzniku polymeru, je známý jako homopolymerizace. Radikální iniciátor azobisisobutyronitril (AIBN) se běžně používá při radikálních polymeracích.
Homopolymerizace PNIPA

Kopolymerizace

Radikálová polymerace dvou různých monomer vede k a kopolymerizace. Výhodou kopolymerizace je jemné doladění LCST.
Kopolymerizační syntéza PNIPA

Terpolymerizace

Radikálová polymerace tří různých monomer je známý jako terpolymerizace. Výhody terpolymerace mohou zahrnovat zlepšení mnoha vlastností polymeru, včetně termosenzitivity, citlivosti na pH nebo jemného doladění LCST.
Terpolymerizační syntéza PNIPA

Zesítěný hydrogel

Níže uvedené reakční schéma je a terpolymerizace vytvořit a zesítěný hydrogel. Reaktant persíran amonný (APS) se používá v polymerní chemie jako silný oxidační činidlo který se často používá společně s tetramethylethylendiamin (TMEDA) katalyzovat polymeraci při výrobě polyakrylamidové gely.
Zesítěná hydrogelová polymerace PNIPA

Syntéza řetězce funkcionalizovaného PNIPA

PNIPA lze funkcionalizovat pomocí řetězový převod agenti využívající zdarma radikální polymerace. Tři níže uvedená schémata ukazují použití funkcionalizace řetězový převod činidla (CTA), kde jedním koncem polymeru je radikální iniciátor a druhá je funkcionalizovaná skupina. Funkcionalizace konce polymerního řetězce umožňuje použití polymeru v mnoha různých prostředích a aplikacích. Výhody funkcionalizace konce řetězce mohou zahrnovat zlepšení mnoha vlastností polymeru, včetně termosenzitivity, citlivosti na pH nebo jemného doladění LCST.[13]

(1) Fungování CTA Schéma 1 PNIPA

(2) Fungování CTA Schéma 2 PNIPA

(3) Fungování CTA Schéma 3 PNIPA

Aplikace

Všestrannost PNIPA vedla k nalezení použití v makroskopickém gely, mikrogely, membrány, senzory, biosenzory, tenké filmy, tkáňové inženýrství, a dodávka léků. Tendence vodných roztoků PNIPA ke zvýšení v viskozita v přítomnosti hydrofobní molekuly dělá to vynikající pro terciární regenerace oleje.

Přidání přísad nebo kopolymerizace PNIPA může snížit nižší kritická teplota roztoku teplotám kolem teploty lidského těla, což z něj dělá vynikajícího kandidáta dodávka léků aplikace.[14] PNIPA lze umístit do roztoku bioaktivních molekul, což umožňuje bioaktivním molekulám proniknout do PNIPA. Poté lze umístit PNIPA in vivo, kde dochází k rychlému uvolnění biomolekuly v důsledku počátečního kolapsu gelu a vysunutí biomolekul do okolního média, následované pomalým uvolňováním biomolekul v důsledku uzavření povrchových pórů.[15]

PNIPA byly také použity v citlivé na pH dodávka léků systémy. Některé příklady těchto systémů pro dodávání léčiv mohou zahrnovat střevní dodávání lidského kalcitoninu,[16] dodávka inzulínu,[16] a dodávka ibuprofenu.[17] Když byly krysám intravenózně injikovány radioaktivně značené kopolymery PNIPA s různými molekulovými hmotnostmi, bylo zjištěno, že práh glomerulární filtrace polymeru byl kolem 32 000 g / mol.[18]

PNIPA byly použity v gelové pohony, které převádějí vnější podněty na mechanický pohyb. Při topení nad LCST, hydrogel jde od hydrofilní na hydrofobní Stát.[19] Tato přeměna vede k vypuzení vody, která způsobí fyzický stav konformační změna, čímž se vytvoří mechanický pohyb závěsu.

Reference

  1. ^ A b „Poly (N-isopropylakrylamid) Bezpečnostní list materiálu ". sigmaadlrich.com. Citováno 2014-01-24.
  2. ^ A b Schild, H.G. (1992). "Poly (N-isopropylakrylamid): Experiment, teorie a aplikace". Pokrok ve vědě o polymerech. 17 (2): 163–249. doi:10.1016 / 0079-6700 (92) 90023-R.
  3. ^ von Recum, H. A .; Kikuchi, A .; Okuhara, M .; Sakurai, Y .; Okano, T .; Kim, S. W. (1998). "Kultury retinálního pigmentovaného epitelu na tepelně citlivých polymerních porézních substrátech". Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition. 9 (11): 1241–1253. doi:10.1163 / 156856298X00758. PMID  9860183.
  4. ^ Lee, EL .; von Recum, HA (2010). „Platforma pro buněčnou kulturu s mechanickým zpracováním a nepoškozujícím oddělením buněk“. J Biomed Mater Res A. 93 (2): 411–8. doi:10,1002 / jbm.a.32754. PMID  20358641. S2CID  23022529.
  5. ^ Chung, J. E.; Yokoyama, M .; Yamato, M .; Aoyagi, T .; Sakurai, Y .; Okano, T. (1999). „Termo-responzivní dodávka léčiva z polymerních micel konstruovaná s použitím blokových kopolymerů poly (N-isopropylakrylamid) a poly (butylmethakrylát)“. Journal of Controlled Release. 62 (1–2): 115–127. doi:10.1016 / S0168-3659 (99) 00029-2. PMID  10518643.
  6. ^ Yan, Hu; Tsujii, Kaoru (2005). „Potenciální aplikace poly (N-isopropylakrylamidového) gelu obsahujícího polymerní micely do systémů pro dodávání léčiv“. Koloidy a povrchy B: Biointerfaces. 46 (3): 142–146. doi:10.1016 / j.colsurfb.2005.10.007. hdl:2115/1381. PMID  16300934.
  7. ^ Filipe E. Antunes, Luigi Gentile, Lorena Tavano, Cesare Oliviero Rossi (2009). "Reologická charakterizace tepelné gelace poly (N-isopropylakrylamidu) a poly (N-isopropylakrylamidu) ko-akrylové kyseliny". doi:10,3933 / ApplRheol-19-42064. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  8. ^ USA 2773063 
  9. ^ USA 2790744 
  10. ^ M. Heskins; J. E. Guillet (1968). "Vlastnosti roztoku poly (N-isopropylakrylamidu)". Journal of Macromolecular Science, Part A. 2 (8): 1441–1455. doi:10.1080/10601326808051910.
  11. ^ Wu, C; Wang, X (1998). „Přechod z jednoho na druhý v homopolymerním řetězci v řešení“ (PDF). Dopisy o fyzické kontrole. 80 (18): 4092–4094. Bibcode:1998PhRvL..80,4092W. doi:10.1103 / PhysRevLett.80.4092. Archivovány od originál (PDF) dne 21. července 2011. Citováno 25. září 2010.
  12. ^ Somasundaran, Ponisseril (2004). Encyklopedie povrchové a koloidní vědy. Taylor & Francis. ISBN  978-0824721541. Citováno 2014-02-13.
  13. ^ A b „Návrh polymerů na bázi NIPAM citlivých na teplotu a pH“. sigmaadlrich.com. Citováno 2014-01-25.
  14. ^ A. T. Okano; Y. H. Bae; H. Jacobs; S. W. Kim (1990). "Tepelně zapínající a vypínající polymery pro pronikání a uvolňování léčiva". Journal of Controlled Release. 11 (1–3): 255–265. doi:10.1016 / 0168-3659 (90) 90138-j.
  15. ^ Allan S. Hoffman; Ali Afrassiabi; Liang Chang Dong (1986). „Tepelně reverzibilní hydrogely: II. Dodávání a selektivní odstraňování látek z vodných roztoků“. Journal of Controlled Release. 4 (3): 213–222. doi:10.1016/0168-3659(86)90005-2.
  16. ^ A b Schmaljohann, Dirk (2006). „Polymery reagující na teplo a pH při dodávání léčiva“ (PDF). Pokročilé recenze dodávek drog. Elsevier. 58 (15): 1655–70. doi:10.1016 / j.addr.2006.09.020. PMID  17125884. Citováno 13. března 2014.
  17. ^ Zhu, Senmin; Zhou, Zhengyang; Zhang, Di (15. března 2007). „Roubování tepelně citlivého polymeru uvnitř mezoporézního oxidu křemičitého s velkou velikostí pórů pomocí ATRP a zkoumání jeho použití při uvolňování léčiva“. J. Mater. Chem. 17 (23): 2428–2433. doi:10.1039 / b618834f.
  18. ^ Bertrand, N .; Fleischer, J.G .; Wasan, K.M .; Leroux, J.C. (2009). „Farmakokinetika a biodistribuce N-isopropylakrylamidových kopolymerů pro návrh liposomů citlivých na pH“. Biomateriály. 30 (13): 2598–2605. doi:10.1016 / j.biomaterials.2008.12.082. PMID  19176241.
  19. ^ Xiaobo Zhang; Cary L. Pint; Min Hyung Lee; Bryan Edward Schubert; Arash Jamshidi; Kuniharu Takei; Hyunhyub Ko; Andrew Gillies; Rizia Bardhan; Jeffrey J. Urban; Ming Wu; Ronald Fearing; Ali Javey (2011). „Opticky a tepelně citlivé programovatelné materiály na bázi uhlíkových nanotrubiček a hydrogelových polymerních kompozitů“. Nano dopisy. 11 (8): 3239–3244. Bibcode:2011NanoL..11.3239Z. doi:10.1021 / nl201503e. PMID  21736337. S2CID  14317595.