智能材料-pH响应高分子材料

在生活中，我们发现牵牛花的颜色不是固定不变的，牵牛花的颜色在每天的早晨是紫蓝色的，而到了中午和傍晚却慢慢地变成了红色。这是为什么？植物学家研究发现，牵牛花含有的花青素在碱性溶液里呈蓝色，在酸性溶液里呈红色。同时空气中的二氧化碳可以提高牵牛花的酸性。因此一天当中随着牵牛花对二氧化碳吸收量的逐渐增火，牵牛花里的酸性也随之提髙，这样，人们在一天之中看见牵牛花的颜色是由紫色逐渐变红色的。“pH是化学、生物和生理系统中比较重要的环境因素，作为刺激信号的操作具有便携性。”Part.1/

pH响应材料pH响应性材料（pH-responsivematerials)是一种刺激响应型聚合物，能够响应溶液pH的变化发生结构和性能变化(例如表面活性、链构象、溶解度和构型)。“pH响应聚合物”通常用于描述具有可电离的酸性或碱性残基的聚合物，其电离度取决于溶液的pH值。pH响应聚合物可以具有线性、支化或网络结构。它们可能会根据自身结构对溶液条件表现出不同的响应和自组装行为。例如，pH值变化可能会导致聚合物链中官能团的(去)质子化。某些情况下，pH值变化可能会引起均聚物絮凝、链塌陷、延伸和沉淀。也可能导致自组装，形成胶束、单体、凝胶、囊泡、(去)溶胀等。具有pH响应嵌段的嵌段(共)聚合物，支链(共)聚合物和星形(共)聚合物在pH改变时表面活性会发生变化。此外，水凝胶和树状聚合物的结构在pH变化时表现出(去)溶胀行为。用聚合物改性的表面在pH值变化时能得到离子表面和薄/厚涂层[1]。Part.2/

pH响应材料的分类通常，含有碱性单体的pH响应聚合物在酸性条件下表现为阳离子聚合物，含酸性单体的聚合物在碱性条件下表现为阴离子聚合物。1.阴离子型：pH响应性阴离子基团[伯胺基（-NH2)，仲胺基（-NRH)，叔胺基（-NR2)]2.阳离子型：pH响应性阳离子基团[羧酸类（如海藻酸)，磷酸类（磷脂类细胞膜)]有必要根据不同的应用，选择这两种类型之一的单体或将它们结合使用。Part.3/

pH响应材料的应用食物腐败的鉴定01牛奶、红酒等变质鉴定——生物酸牛肉等蛋白质食物腐败鉴定——生物胺随时间增加，产生生物胺的量增加，化合物颜色逐渐加深。生物医学应用02合理的设计pH响应聚合物最终可广泛的用于各种生物医学应用中，例如：（1）在特定pH值下可控递送和释放负载药物（例如，治疗性小分子、RNA、DNA和蛋白质等）。pH敏感聚合物的药物载体形态，包括水凝胶、聚合物-药物结合物、胶束、树状聚合物和聚合物小体。刺激响应性多层膜是通过聚电解质的自组装或嵌段共聚物、水凝胶、胶体粒子、纳米管、低分子量活性化合物的多层组装，形成的具有刺激响应特性的动态纳米网络。通过分子间和分子内键合的非共价作用(静电、氢键、疏水相互作用等)，可以实现多层膜的刺激响应可逆行为；（2）通过操纵pH响应性聚合物基刷上蛋白质吸附或解吸，进行蛋白质固定和分析；（3）可根据环境pH值在疏水性和亲水性之间可逆转换的特性，将其应用于微流体和“芯片实验室”设备，生化门控，自清洁表面和防水表面等；（4）根据pH值，通过可调节的细菌吸附和释放特性来达到除菌的目的；（5）基于精确控制pH和葡萄糖浓度来可逆地捕获和释放目标细胞（如癌细胞）进行细胞诊断；（6）pH反应聚合物修饰的、基于电极的器件制备而成的pH传感器。Part.4/

用于药物递送的pH敏感聚合物研究进展肿瘤内部酸性微环境01肿瘤部位由于其独特生理结构及代谢特征，使其生理微环境不同于正常组织，具有高压、高温、胞外胞内氧化还原性差异、特定的酶代谢、pH值低等一系列特征，根据以上特征设计的载体称为“刺激响应”载体。临床研究发现，只有pH值(pH值6.0-7.0)较低这一现象在绝大多数肿瘤患者中具有共性表现。这主要是由于肿瘤的快速增殖导致与供氧不足，葡萄糖过度酵解，淋巴循环不畅使酸性物质累积所导致。此外，药物载体与细胞膜结合并通过内吞作用进入胞质后，胞内形成包含载体等大分子的囊泡状结构-内含体，接下来输送至溶酶体把载体等大分子消化降解，而内含体和溶酶体内pH值也较低(内含体pH值5.5～6.5，溶酶体pH值4.5-5.0)。因此利用肿瘤微环境pH值较低以及肿瘤细胞内含体和溶酶体的酸性环境触发载体释药和逃逸是目前肿瘤靶向载体设计的研究方向之一，其中尤以具有pH敏感性聚合物胶束、脂质体和纳米粒设计居多[2]。分类和实例02根据聚合物获得pH敏感性引发释药的机制，可将其分为两类：一类是溶解度改变引发的释药，主要通过聚合物上基团发生质子化或去质子化，改变聚合物分子的疏水性或荷电性，促进聚合物载体释药或与细胞的相互作用；另一类是在酸性环境下发生水解反应，从而导致聚合物载体解聚来释放药物。1设计合成了一系列主链含腙键的聚乙二醇聚己内酯两亲性嵌段共聚mPEGHydPCL(AB型)与mPEGHyd(PCL)2(AB2型)。以此制备可生物降解的敏感聚合物胶束，以紫杉醇作为模型药物制成载药胶束。实验结果表明，含腙键聚合物胶束的体外药物释放受释放介质的影响。药物的体外释放速度随释放介质pH值的降低而加快。含酸可裂解链的肿瘤朝向响应性聚合物胶束细胞内药物传递的示意图2以聚乙二醇-聚赖氨酸嵌段共聚物为主链接枝4-癸烷氧基苯甲醛，形成的双亲性的梳型聚合物分子能够自组装成聚合物胶束。该胶束在生理条件（pH7.4）稳定，在一般肿瘤组织pH环境（pH6.5）时由于苯甲亚胺键断裂而解组装，实现了包载尼罗红的pH响应释放。3用聚乙二醇（PEG）、聚组氨酸和聚L-乳酸合成了一种pH敏感的4级共聚物-poly(ethyleneglycol)-b-poly(L-histidine)-b-poly(L-lacticacid)-b-poly(ethyleneglycol)。这种聚合物为两亲的，在水溶液中可以形成胶束，其中疏水端聚组氨酸和聚L-乳酸构成胶束的内核，亲水端聚乙二醇（PEG）构成胶束的外壳。在实验中将模型药物阿霉素（DOX）包埋于胶束中形成载药胶束。该胶束在pH值7.4的环境中可以稳定存在，且平均粒径为65～80nm。酸性环境中，疏水端的聚组氨酸和聚L-乳酸会被质子化，变成亲水性分子，以此使胶束解聚。根据共聚物中的聚L-乳酸相对分子质量的不同，该胶束会在pH值6.8或pH值6.4时的环境下形成敏感触发以释放DOX。Part.5/

展望1）响应灵敏度更高：在分子结构上对pH响应材料进行改进。2）性能更强：改善其力学性能等物