溫敏性整體柱的制備及應用

葉賀霞　王子晴　王海濤

摘 要：整體柱是一種在色譜柱中進行有機或無機原位聚合而成的固定相?；谡w柱在分離物質(zhì)和純化物質(zhì)方面有著得天獨厚的優(yōu)勢，所以對于整體柱的研究十分廣泛。本文主要介紹了溫敏性整體柱的制備方法以及溫敏性整體柱在抗菌、分離和藥物控釋等領(lǐng)域的應用，通過具體實例的介紹展現(xiàn)了溫敏性整體柱的制備工藝簡單、物質(zhì)分離效果良好和應用寬廣的特點。

關(guān)鍵詞：溫敏;制備;物質(zhì)分離;藥物控釋

整體柱（monolithic column），也叫做連續(xù)床層，是通過單體、致孔劑、引發(fā)劑等組分聚集混合而成的細棒狀整體。在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，不僅制備方法簡單而且具有良好的重現(xiàn)性、優(yōu)異的傳質(zhì)性能、擁有較高的柱效便于許多物質(zhì)的快速分離。整體柱材料在分離、合成等方面有著寬闊的運用前景，吸引了眾多業(yè)內(nèi)相關(guān)人員的目光。

為滿足不同領(lǐng)域的應用需求，人們提出了將溫敏性凝膠與整體柱有機結(jié)合的思想，繼而開發(fā)出溫敏性整體柱。溫敏性整體柱就是把溫敏水凝膠引入到整體柱中制備而成的。溫敏水凝膠屬于多功能的水凝膠的，它是可以在水中體積膨脹而不溶于水的高分子聚合物，對外部環(huán)境的溫度十分敏感，因其具有親水性和疏水性功能基團，所以可以在水溶液作出逆轉(zhuǎn)性的體積膨脹變大或收縮變小。依據(jù)溫敏性水凝膠在不同溫度條件下的不同反應，可將其分為熱脹和熱縮兩種類型的水凝膠。對于熱脹型水凝膠而言，當外界溫度升高到一定臨界值時，水凝膠的體積會發(fā)生溶脹，溫度低于臨界值時，體積則呈現(xiàn)一定程度的收縮現(xiàn)象;而熱縮型水凝膠與之作用機制相反。將這種對水凝膠體積發(fā)生不同響應的最低臨界溶解溫度稱為Low Critical Solution Temperature，簡稱為LCST。

聚-異丙基丙烯酰胺水凝膠就是溫敏性凝膠的一個重要的代表。水凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)中具有親水性和疏水性基團，溫度較低時親水膨脹，溫度較高時疏水性基團更加緊密結(jié)合，氫鍵作用力減弱而收縮。

1 溫敏性整體柱的制備

以NIPAM為單體為例，進行溫敏性整體柱制備的敘述。人們常用引發(fā)劑引發(fā)聚合單體，并用交聯(lián)劑使其交聯(lián)來制備NIPAM整體柱。常用的引發(fā)劑有AIBN、APS、TEMED，常用的致孔劑有聚乙二醇、十二醇、1，4-丁二醇，常用的交聯(lián)劑有二甲基丙烯酸乙二酯（EGDMA）。

Liu等[1]以NIPAM作為單體，以APS與TEMED作為引發(fā)劑，以聚乙二醇作為致孔劑，利用冷凍聚合法制備了一種溫敏水凝膠整體柱。其以水為流動相，可以通過調(diào)節(jié)柱溫對物質(zhì)進行HPLC色譜分離，此方法簡單易行，整體柱材料吸附性強，且具有較好的溫敏性能和分離富集性能。

胡耀強等[2]以NIPAM作為單體，以MBA作為交聯(lián)劑，以APS作為引發(fā)劑，采取乳液模板聚合法制備了溫敏性水凝膠整體柱。此反應中乳液聚合的機制可以運用均相成核的理論來闡釋。引發(fā)劑在水相中分解后與溶解在水相中的單體聚合，兩者聚合達到臨近界限的聚合鏈長度后，低聚集的小分子物質(zhì)游離基便從水相中沉淀，進一步轉(zhuǎn)化成核。實驗表明，用乳液模板技術(shù)制備PNIPAM溫敏整體柱的過程較簡單、容易操作、產(chǎn)物的溫敏效果更明顯。

2 應用

基于溫敏性整體柱材料有很多優(yōu)點，如制備的工藝流程極其簡單、內(nèi)部的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定均勻、重現(xiàn)性良好、分離效率高、靈敏度高等，最近這些年來，在物質(zhì)分離和藥物控釋以及抗菌領(lǐng)域有著廣泛的前景。

2.1 物質(zhì)分離

2.1.1 用于核酸的分離

Liu等運用表面促使原子轉(zhuǎn)移自由基聚集連接的方式制備了一種溫敏性整體柱。這種整體柱是一種改性的二氧化硅柱，是由聚N-異丙基丙烯酰胺-2-二甲胺基甲基丙烯酸乙酯來接枝得到的。其作用機制是通過溫度來調(diào)節(jié)捕獲與釋放作用，能夠選擇性地分離和富集核苷酸（如腺苷核苷酸）和蛋白質(zhì)（如人或哺乳動物的血清白蛋白）。除此之外，他們利用這種改性的色譜柱對人類的血清蛋白進行了組學分析，實驗的結(jié)果證明蛋白質(zhì)數(shù)量明顯提高。這體現(xiàn)了制備的溫敏材料在分離和富集蛋白質(zhì)方面有不容小覷的作用。

Feng等在制備氨基硅膠整體柱的時候使用了內(nèi)徑為100μm的毛細管，實現(xiàn)了在線SPE-CE系統(tǒng)，用于分離核酸DNA片段。此氨基硅膠整體柱被用于在線預富集濃縮，并將溫敏性材料PNIPAM作為篩選分離的基質(zhì)實現(xiàn)毛細管電泳（CE）分離。相較于傳統(tǒng)的毛細管電泳，這種氨基硅膠整體柱有如下優(yōu)點：①所有的DNA分子片段可得到更多的預濃縮因子，可達到100倍以上;②有較低的檢測限，可低至0123ng·mL-1;③可用來進行痕量分析。作者細致分析了大腸桿菌（含有pUC19質(zhì)粒）的初步裂解的物質(zhì)。實驗表明了在線SPE-CE系統(tǒng)在繁雜生物樣品中的應用，特別是在分析DNA方面展示出獨特的優(yōu)勢，以至于在生物藥物學界和生物醫(yī)學界有著極其重要而廣泛的應用。

2.1.2 用于多肽及蛋白質(zhì)物質(zhì)的分離

因為多肽及蛋白質(zhì)有分子量較大且具有較高生物活性的局限性，所以不適宜采用分離小分子的方法來對大分子的多肽及蛋白進行分離、富集與純化。若要對大分子多肽及蛋白質(zhì)進行分離純化，對流動相有一定的要求，即使用低濃度的緩沖溶液。利用溫敏柱的溫敏特性，適當改變溫度可以控制多肽及蛋白質(zhì)大分子在色譜整體柱上的去留，以實現(xiàn)蛋白質(zhì)等大分子的分離純化。H.Kanazawa采用了0.9%的NaCl緩沖溶液為流動相，以溫敏性材料NIPAm和BMA的聚合物為色譜整體柱的固定相，成功地在40℃的溫度條件下對胰島素A鏈和胰島素B鏈以及β-內(nèi)啡膚片段進行了分離。R.Zhang以NIPAm為單體制備出了聚N-異丙基丙烯酰胺溫敏性色譜整體柱，使用低濃度鹽溶液的不同濃度進行梯度洗脫，并在適宜的溫度下成功分離出了六種蛋白質(zhì)大分子。

2.2 藥物控釋

隨著溫度的升高或降低，水凝膠的體積會隨之膨脹或收縮。利用水凝膠的此特性，可以在水凝膠內(nèi)部產(chǎn)生大量的不同大小的孔隙，從而可以作為藥物分子的載體，以達到藥物控釋的作用效果。為達到更好的藥物控釋效果，可以通過引入其他活性分子和敏感性基團或單元對PNIPAM凝膠體系進行修飾。

2.2.1 引入生物活性分子

Ma等將具有生物活性的親水性的聚乙烯亞胺分子（PEI）引入到PNIPAM溫敏水凝膠中，獲得了一種新型的藥物載體水凝膠模型。PEI分子的引入使水凝膠具備了以下優(yōu)點：①優(yōu)化了水凝膠的孔徑大小和結(jié)構(gòu);②改變了水凝膠的儲水量以及在低溫下水分的消耗速度。從而使得藥物的釋放速率在人的正常生理溫度下得到控制。Das等將具有生物活性的糊精引入到NIPAM溫敏水凝膠中，通過共價結(jié)合獲得了一種新型的溫敏性水凝膠釋放系統(tǒng)。從而可以調(diào)控一些藥物的釋放，如奧硝唑和環(huán)丙沙星，并可以保持長達數(shù)月的穩(wěn)定性。

2.2.2 引入敏感性基團

在聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠中接合一些特定的敏感性基團，使聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠具有多種維度的敏感性。Garbern等將敏感性基團PAA引入到NIPAM中，形成了P（NIPAM-co-PAA）聚合物這種水凝膠，此水凝膠不僅具有PH敏感性，也具有溫度敏感性。其作用機制為：由于組織病變，PH發(fā)生異常變化，此共聚物水凝膠發(fā)生凝膠化，存貯的藥物釋放，作用于病變組織;由于藥物的作用，使得PH重新回復到正常值，水凝膠又可隨之降解。這種水凝膠在特定的PH條件下釋放藥物，可以有針對性地治療某些疾病，如準確地輸送藥物到達傷口或腫瘤等局部病變部位。該水凝膠是種可輸注、可降解的藥物控釋系統(tǒng)，目前相關(guān)研究正如火如荼地進行。

2.3 抗菌

溫敏性水凝膠具有溫敏特性，其抗菌效果是通過藥物的緩控釋作用發(fā)揮的，并可以長期保持。抗菌水凝膠的作用機理是：當外部環(huán)境的溫度達到或高于VPTT時，抗菌水凝膠產(chǎn)生體積相轉(zhuǎn)化，以釋放存儲其中的抗菌藥物?？咕z能夠使藥物在體內(nèi)停留較長時間，延長藥物的半衰期，保持藥物的抗菌效能，在眾多領(lǐng)域應用較多。

3 結(jié)語

作為色譜柱的一種，溫敏性整體柱具有很多獨特的優(yōu)點，如制備的工藝流程極其簡單、內(nèi)部的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定均勻、檢測限低、分離效率高、靈敏度高等，在物質(zhì)分離和藥物控釋以及抗菌領(lǐng)域有著廣泛的前景，本文對其制備過程以及應用進行了介紹。總體看來，溫敏性整體柱的應用只在醫(yī)藥學方面被廣泛開發(fā)和研究，在其他方面卻少有涉及。此外，溫敏性整體柱仍然存在著其自身的局限性，對廣泛運用于各種領(lǐng)域有著影響。總而言之，只要對其不斷地進行深入研究和改善，溫敏性整體柱將眾多領(lǐng)域發(fā)揮出不可小覷的作用。

參考文獻：

[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]胡耀強，陳法錦，劉海寧，等.聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠的制備及熱致聚集行為[J].材料導報，2018，32（7）：2491-2496.

作者簡介：葉賀霞（2001— ），女，漢族，河北邯鄲人，本科在讀，研究方向：制藥工程;王子晴（1999— ），女，漢族，河北保定人，本科在讀，研究方向：制藥工程;王海濤（2000— ），女，土家族，湖南吉首人，本科在讀，研究方向：制藥工程。