温敏性整体柱的制备及应用

叶贺霞　王子晴　王海涛

摘 要：整体柱是一种在色谱柱中进行有机或无机原位聚合而成的固定相。基于整体柱在分离物质和纯化物质方面有着得天独厚的优势，所以对于整体柱的研究十分广泛。本文主要介绍了温敏性整体柱的制备方法以及温敏性整体柱在抗菌、分离和药物控释等领域的应用，通过具体实例的介绍展现了温敏性整体柱的制备工艺简单、物质分离效果良好和应用宽广的特点。

关键词：温敏;制备;物质分离;药物控释

整体柱（monolithic column），也叫做连续床层，是通过单体、致孔剂、引发剂等组分聚集混合而成的细棒状整体。在众多领域发挥着重要作用，不仅制备方法简单而且具有良好的重现性、优异的传质性能、拥有较高的柱效便于许多物质的快速分离。整体柱材料在分离、合成等方面有着宽阔的运用前景，吸引了众多业内相关人员的目光。

为满足不同领域的应用需求，人们提出了将温敏性凝胶与整体柱有机结合的思想，继而开发出温敏性整体柱。温敏性整体柱就是把温敏水凝胶引入到整体柱中制备而成的。温敏水凝胶属于多功能的水凝胶的，它是可以在水中体积膨胀而不溶于水的高分子聚合物，对外部环境的温度十分敏感，因其具有亲水性和疏水性功能基团，所以可以在水溶液作出逆转性的体积膨胀变大或收缩变小。依据温敏性水凝胶在不同温度条件下的不同反应，可将其分为热胀和热缩两种类型的水凝胶。对于热胀型水凝胶而言，当外界温度升高到一定临界值时，水凝胶的体积会发生溶胀，温度低于临界值时，体积则呈现一定程度的收缩现象;而热缩型水凝胶与之作用机制相反。将这种对水凝胶体积发生不同响应的最低临界溶解温度称为Low Critical Solution Temperature，简称为LCST。

聚-异丙基丙烯酰胺水凝胶就是温敏性凝胶的一个重要的代表。水凝胶内部结构中具有亲水性和疏水性基团，温度较低时亲水膨胀，温度较高时疏水性基团更加紧密结合，氢键作用力减弱而收缩。

1 温敏性整体柱的制备

以NIPAM为单体为例，进行温敏性整体柱制备的叙述。人们常用引发剂引发聚合单体，并用交联剂使其交联来制备NIPAM整体柱。常用的引发剂有AIBN、APS、TEMED，常用的致孔剂有聚乙二醇、十二醇、1，4-丁二醇，常用的交联剂有二甲基丙烯酸乙二酯（EGDMA）。

Liu等[1]以NIPAM作为单体，以APS与TEMED作为引发剂，以聚乙二醇作为致孔剂，利用冷凍聚合法制备了一种温敏水凝胶整体柱。其以水为流动相，可以通过调节柱温对物质进行HPLC色谱分离，此方法简单易行，整体柱材料吸附性强，且具有较好的温敏性能和分离富集性能。

胡耀强等[2]以NIPAM作为单体，以MBA作为交联剂，以APS作为引发剂，采取乳液模板聚合法制备了温敏性水凝胶整体柱。此反应中乳液聚合的机制可以运用均相成核的理论来阐释。引发剂在水相中分解后与溶解在水相中的单体聚合，两者聚合达到临近界限的聚合链长度后，低聚集的小分子物质游离基便从水相中沉淀，进一步转化成核。实验表明，用乳液模板技术制备PNIPAM温敏整体柱的过程较简单、容易操作、产物的温敏效果更明显。

2 应用

基于温敏性整体柱材料有很多优点，如制备的工艺流程极其简单、内部的结构稳定均匀、重现性良好、分离效率高、灵敏度高等，最近这些年来，在物质分离和药物控释以及抗菌领域有着广泛的前景。

2.1 物质分离

2.1.1 用于核酸的分离

Liu等运用表面促使原子转移自由基聚集连接的方式制备了一种温敏性整体柱。这种整体柱是一种改性的二氧化硅柱，是由聚N-异丙基丙烯酰胺-2-二甲胺基甲基丙烯酸乙酯来接枝得到的。其作用机制是通过温度来调节捕获与释放作用，能够选择性地分离和富集核苷酸（如腺苷核苷酸）和蛋白质（如人或哺乳动物的血清白蛋白）。除此之外，他们利用这种改性的色谱柱对人类的血清蛋白进行了组学分析，实验的结果证明蛋白质数量明显提高。这体现了制备的温敏材料在分离和富集蛋白质方面有不容小觑的作用。

Feng等在制备氨基硅胶整体柱的时候使用了内径为100μm的毛细管，实现了在线SPE-CE系统，用于分离核酸DNA片段。此氨基硅胶整体柱被用于在线预富集浓缩，并将温敏性材料PNIPAM作为筛选分离的基质实现毛细管电泳（CE）分离。相较于传统的毛细管电泳，这种氨基硅胶整体柱有如下优点：①所有的DNA分子片段可得到更多的预浓缩因子，可达到100倍以上;②有较低的检测限，可低至0123ng·mL-1;③可用来进行痕量分析。作者细致分析了大肠杆菌（含有pUC19质粒）的初步裂解的物质。实验表明了在线SPE-CE系统在繁杂生物样品中的应用，特别是在分析DNA方面展示出独特的优势，以至于在生物药物学界和生物医学界有着极其重要而广泛的应用。

2.1.2 用于多肽及蛋白质物质的分离

因为多肽及蛋白质有分子量较大且具有较高生物活性的局限性，所以不适宜采用分离小分子的方法来对大分子的多肽及蛋白进行分离、富集与纯化。若要对大分子多肽及蛋白质进行分离纯化，对流动相有一定的要求，即使用低浓度的缓冲溶液。利用温敏柱的温敏特性，适当改变温度可以控制多肽及蛋白质大分子在色谱整体柱上的去留，以实现蛋白质等大分子的分离纯化。H.Kanazawa采用了0.9%的NaCl缓冲溶液为流动相，以温敏性材料NIPAm和BMA的聚合物为色谱整体柱的固定相，成功地在40℃的温度条件下对胰岛素A链和胰岛素B链以及β-内啡肤片段进行了分离。R.Zhang以NIPAm为单体制备出了聚N-异丙基丙烯酰胺温敏性色谱整体柱，使用低浓度盐溶液的不同浓度进行梯度洗脱，并在适宜的温度下成功分离出了六种蛋白质大分子。

2.2 药物控释

随着温度的升高或降低，水凝胶的体积会随之膨胀或收缩。利用水凝胶的此特性，可以在水凝胶内部产生大量的不同大小的孔隙，从而可以作为药物分子的载体，以达到药物控释的作用效果。为达到更好的药物控释效果，可以通过引入其他活性分子和敏感性基团或单元对PNIPAM凝胶体系进行修饰。

2.2.1 引入生物活性分子

Ma等将具有生物活性的亲水性的聚乙烯亚胺分子（PEI）引入到PNIPAM溫敏水凝胶中，获得了一种新型的药物载体水凝胶模型。PEI分子的引入使水凝胶具备了以下优点：①优化了水凝胶的孔径大小和结构;②改变了水凝胶的储水量以及在低温下水分的消耗速度。从而使得药物的释放速率在人的正常生理温度下得到控制。Das等将具有生物活性的糊精引入到NIPAM温敏水凝胶中，通过共价结合获得了一种新型的温敏性水凝胶释放系统。从而可以调控一些药物的释放，如奥硝唑和环丙沙星，并可以保持长达数月的稳定性。

2.2.2 引入敏感性基团

在聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶中接合一些特定的敏感性基团，使聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶具有多种维度的敏感性。Garbern等将敏感性基团PAA引入到NIPAM中，形成了P（NIPAM-co-PAA）聚合物这种水凝胶，此水凝胶不仅具有PH敏感性，也具有温度敏感性。其作用机制为：由于组织病变，PH发生异常变化，此共聚物水凝胶发生凝胶化，存贮的药物释放，作用于病变组织;由于药物的作用，使得PH重新回复到正常值，水凝胶又可随之降解。这种水凝胶在特定的PH条件下释放药物，可以有针对性地治疗某些疾病，如准确地输送药物到达伤口或肿瘤等局部病变部位。该水凝胶是种可输注、可降解的药物控释系统，目前相关研究正如火如荼地进行。

2.3 抗菌

温敏性水凝胶具有温敏特性，其抗菌效果是通过药物的缓控释作用发挥的，并可以长期保持。抗菌水凝胶的作用机理是：当外部环境的温度达到或高于VPTT时，抗菌水凝胶产生体积相转化，以释放存储其中的抗菌药物。抗菌水凝胶能够使药物在体内停留较长时间，延长药物的半衰期，保持药物的抗菌效能，在众多领域应用较多。

3 结语

作为色谱柱的一种，温敏性整体柱具有很多独特的优点，如制备的工艺流程极其简单、内部的结构稳定均匀、检测限低、分离效率高、灵敏度高等，在物质分离和药物控释以及抗菌领域有着广泛的前景，本文对其制备过程以及应用进行了介绍。总体看来，温敏性整体柱的应用只在医药学方面被广泛开发和研究，在其他方面却少有涉及。此外，温敏性整体柱仍然存在着其自身的局限性，对广泛运用于各种领域有着影响。总而言之，只要对其不断地进行深入研究和改善，温敏性整体柱将众多领域发挥出不可小觑的作用。

参考文献：

[1]Liu M，Liu H，Liu Y，et al.Preparation and characteriza-tion of temperature-responsivepoly（N-isopropylacrylam-ide-co-N，N'-methylenebisacrylamide）monolith for HPLC[J].J Chromatogr A，2011，1218（2）：286-292.

[2]胡耀强，陈法锦，刘海宁，等.聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶的制备及热致聚集行为[J].材料导报，2018，32（7）：2491-2496.

作者简介：叶贺霞（2001— ），女，汉族，河北邯郸人，本科在读，研究方向：制药工程;王子晴（1999— ），女，汉族，河北保定人，本科在读，研究方向：制药工程;王海涛（2000— ），女，土家族，湖南吉首人，本科在读，研究方向：制药工程。