Poly( N- isopropylakrylamid)

Poly( N- isopropylakrylamid)

Identifierare
CAS-nummer	25189-55-3
ChemSpider	ingen
PubChem CID	16637
CompTox Dashboard ( EPA )	DTXSID101011085
Egenskaper
Kemisk formel	( C6H11NO ) n _ _
Molar massa	variabel
Utseende	vit fast substans
Densitet	1,1 g/cm 3
Smältpunkt	96 °C (205 °F; 369 K)
Faror
NFPA 704 (branddiamant)	0 0 0
Säkerhetsdatablad (SDS)	Externt MSDS
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa). Infobox referenser

Poly( N -isopropylakrylamid) (omfattande förkortade PNIPA , PNIPAM , PNIPAAm , NIPA , PNIPAA eller PNIPAm ) är en temperaturkänslig polymer som först syntetiserades på 1950-talet. Den kan syntetiseras från N -isopropylakrylamid som är kommersiellt tillgänglig. Det syntetiseras via friradikalpolymerisation och är lätt funktionaliserat vilket gör det användbart i en mängd olika applikationer.

PNIPA löses i vatten, men när dessa lösningar värms upp över sin grumlingspunktstemperatur genomgår de en reversibel fasövergång med lägre kritisk lösningstemperatur (LCST) från ett lösligt hydratiserat tillstånd till ett olösligt dehydratiserat tillstånd. Även om det är allmänt antaget att denna fasövergång sker vid 32 °C (90 °F), kan de faktiska temperaturerna skilja sig från 5 till 10 °C (eller till och med mer) beroende på polymerkoncentrationen, polymerkedjornas molmassa , polymerdispersitet som såväl som terminala delar. Dessutom kan andra molekyler i polymerlösningen, såsom salter eller proteiner, ändra grumlingspunktstemperaturen.

Eftersom PNIPA driver ut sitt vätskeinnehåll vid en temperatur nära människokroppens , har PNIPA-sampolymerer undersökts av många forskare för möjliga tillämpningar inom vävnadsteknik och kontrollerad läkemedelstillförsel .

Historia

Syntesen av poly( N -isopropylakrylamid) började med syntesen av akrylamidmonomeren av Sprecht 1956. 1957 patenterade Shearer den första applikationen för vad som senare skulle identifieras som PNIPA för användning som gnagare . Det tidiga arbetet väcktes av teoretisk nyfikenhet på materialegenskaperna hos PNIPA. Den första rapporten om PNIPA kom 1968, som klargjorde det unika termiska beteendet i vattenlösningar. 1980-talet markerade en explosion i intresset för PNIPAs med realiseringen av potentiella tillämpningar på grund av dess unika termiska beteende i vattenlösningar.

Kemiska och fysikaliska egenskaper

PNIPA är en av de mest studerade värmekänsliga hydrogelerna. I utspädd lösning genomgår den en spiral-till-kula-övergång . PNIPA har en omvänd löslighet vid upphettning. Det ändrar hydrofilicitet och hydrofobicitet abrupt vid sin LCST . Vid lägre temperaturer beställer PNIPA sig i lösning för att vätebinda med de redan arrangerade vattenmolekylerna. Vattenmolekylerna måste omorientera sig runt de opolära områdena av PNIPA vilket resulterar i en minskad entropi . Vid lägre temperaturer, såsom rumstemperatur, dominerar den negativa entalpitermen ( $\Delta H$ ) från vätebindningseffekter Gibbs fria energi ,

$$\Delta G=\Delta HT\Delta S\,$$

får PNIPA att absorbera vatten och lösas upp i lösning. Vid högre temperaturer entropitermen ( $\Delta S$ ), vilket gör att PNIPA frigör vatten och fasseparerar vilket kan ses i följande demonstration.

Bildskildring av LCST-effekten av PNIPA

• 

  Vattenlösning av PNIPA före uppvärmning. Den negativa entalpin för vätebindning dominerar och PNIPA löses i lösningen.

• 

  Blandningen efter uppvärmning med en värmepistol. Den negativa entropin av blandning dominerar på grund av ökningen i temperatur och PNIPA-fasen separerar från vattnet.

En demonstration av uppvärmningen av PNIPA för att demonstrera LCST-effekten.

Syntes av värme- och pH-känslig PNIPA

Homopolymerisation

Processen med friradikalpolymerisation av en enda typ av monomer , i detta fall N -isopropylakrylamid, för att bilda polymeren är känd som en homopolymerisation. Radikalinitiatorn azobisisobutyronitril (AIBN) används vanligen vid radikalpolymerisationer.

Sampolymerisation

En friradikalpolymerisation av två olika monomerer resulterar i en sampolymerisation . En fördel med en sampolymerisation inkluderar finjustering av LCST .

Terpolymerisation

En friradikalpolymerisation av tre olika monomerer är känd som en terpolymerisation . Fördelar med en terpolymerisation kan inkludera förbättring av flera egenskaper hos polymeren inklusive värmekänslighet, pH-känslighet eller finjustering av LCST .

Tvärbunden hydrogel

Reaktionsschemat nedan är en terpolymerisation för att bilda en tvärbunden hydrogel . Reaktanten ammoniumpersulfat (APS) används inom polymerkemi som ett starkt oxidationsmedel som ofta används tillsammans med tetrametyletylendiamin (TMEDA) för att katalysera polymerisationen vid tillverkning av polyakrylamidgeler .

Syntes av funktionaliserad PNIPA i kedjan

PNIPA kan funktionaliseras med hjälp av kedjeöverföringsmedel som använder en friradikalpolymerisation . De tre schemana nedan visar funktionalisering med användning av kedjeöverföringsmedel (CTA), där ena änden av polymeren är radikalinitiatorn och den andra är en funktionaliserad grupp. Funktionalisering av polymerkedjeänden gör att polymeren kan användas i många olika miljöer och tillämpningar. Fördelar med en funktionalisering av kedjeänden kan inkludera förbättring av flera egenskaper hos polymeren inklusive värmekänslighet, pH-känslighet eller finjustering av LCST .

(1)

(2)

(3)

Ansökningar

Mångsidigheten hos PNIPA har lett till att man hittat användningsområden i makroskopiska geler , mikrogeler , membran, sensorer , biosensorer , tunna filmer , vävnadsteknik och läkemedelstillförsel . Tendensen hos vattenhaltiga lösningar av PNIPA att öka i viskositet i närvaro av hydrofoba molekyler har gjort den utmärkt för tertiär oljeutvinning .

Tillsats av tillsatser eller sampolymerisation av PNIPA kan sänka den lägre kritiska lösningstemperaturen till temperaturer runt mänskliga kroppstemperaturer , vilket gör den till en utmärkt kandidat för läkemedelstillämpningar . PNIPA kan placeras i en lösning av bioaktiva molekyler, vilket gör att de bioaktiva molekylerna kan penetrera PNIPA. PNIPA kan sedan placeras in vivo , där det sker en snabb frisättning av biomolekyler på grund av den initiala gelkollapsen och en utstötning av biomolekylerna i det omgivande mediet, följt av en långsam frisättning av biomolekyler på grund av ytporstängning.

PNIPA har också använts i pH-känsliga läkemedelstillförselsystem . Några exempel på dessa läkemedelstillförselsystem kan inkludera intestinal leverans av humant kalcitonin, leverans av insulin och leverans av ibuprofen. När radioaktivt märkta PNIPA-sampolymerer med olika molekylvikter injicerades intravenöst till råttor, fann man att polymerens glomerulära filtreringströskel var omkring 32 000 g/mol.

PNIPA har använts i gelaktuatorer , som omvandlar yttre stimuli till mekanisk rörelse. Vid uppvärmning över LCST går hydrogelen från hydrofilt till hydrofobt tillstånd . Denna omvandling resulterar i en utdrivning av vatten som orsakar en fysisk konformationsförändring , vilket skapar en mekanisk gångjärnsrörelse.

Dessutom kan PNIPA-baserade tunna filmer användas som nano-switchar med flera distinkta tunnfilmstillstånd, vilket är baserat på konsolvenseffekten .