發生在32攝氏度的神奇轉變，能為我們帶來什麼？（三）

共聚的妙用

在上一節我們談到，當溫度升高到32oC以上時，聚（N-異丙基丙烯醯胺）在水中的溶解度會驟然降低，所以如果把和另外一種水溶性聚合物一起做成無規共聚物，並且這種水溶性聚合物在水中的溶解度並不會隨著溫度升高而降低，那麼當溫度高於32oC時，原本能夠流動的溶液就會突然變成水凝膠。這一現象可以幫助我們實現許多獨特的應用。

然而如果你親自動手試一下就會發現，實際上從溶液到水凝膠的轉變並不是發生在32oC,這是因為我們引入的第二種單體改變了讓聚（N-異丙基丙烯醯胺）溶於水和不溶於水的兩種力量的對比，從而讓轉變發生在不同的溫度[1]。有些單體，例如前面提到的丙烯酸鈉，進入到聚（N-異丙基丙烯醯胺）的分子中後能夠幫助它更好地溶於水中，其結果就是我們需要更高的溫度才能讓整個分子變得不溶於水。例如只要加入5%左右的丙烯醯胺這種單體，得到的共聚物從溶於水到不溶於水的轉變就會從32oC升高到約40oC，超過了正常的體溫[2]。相反，另外一些單體引入到聚（N-異丙基丙烯醯胺）的結構中後，整個分子在更低的溫度就可以完成從溶於水到不溶於水的轉變。藉助共聚，我們可以非常方便地調節聚（N-異丙基丙烯醯胺）的轉變溫度。

一些研究人員正是巧妙地利用了這一點。他們把一些特殊的單體引入到聚（N-異丙基丙烯醯胺）的分子中。這些單體本身能夠讓聚（N-異丙基丙烯醯胺）的轉變溫度降低，然而進入人體後，它們在酶的作用下會逐漸轉變為另外的結構，而這種結構反而使得聚（N-異丙基丙烯醯胺）的轉變溫度升高。如果單體加入的比例合適，它們在體內降解後，聚（N-異丙基丙烯醯胺）的轉變溫度可以升高到略高於體溫[3,4]。如果把這樣的共聚物水溶液注入體內後，它們起初會形成水凝膠，隨著時間的推移，水凝膠中的藥物釋放得差不多了，水凝膠也逐漸解體，構成它的聚合物重新溶於水中被排出體外。這樣一來，我們就不再擔心水凝膠在體內「賴著不走「了。

換個角度思考

現在讓我們換個思路，首先把聚（N-異丙基丙烯醯胺）交聯起來，在32oC以下的溫度放入水中製成水凝膠。接下來讓我們把這塊水凝膠加熱到32oC以上，會出現什麼情況呢？

顯然，這個時候，聚（N-異丙基丙烯醯胺）變得不再溶於水，於是對水凝膠中的水分子下了「逐客令」。而水分子一走，水凝膠的重量和體積都隨之減輕。於是我們會看到，隨著溫度的升高，基於聚（N-異丙基丙烯醯胺）的水凝膠很快收縮。但如果我們如果溫度重新降低到32oC以下，隨著聚（N-異丙基丙烯醯胺）在水中溶解性的增加，原本收縮的水凝膠又會再次膨脹。

那麼這樣的性質有什麼用呢？有人提出，如果事先把水溶性的藥物分子包裹在這樣的水凝膠中，當溫度升高，水凝膠收縮時，封裝在其中的藥物也會隨著水分子一起離開水凝膠。如果把這樣的水凝膠放到體內，那不就相當於添加了一個可以精確控制藥物釋放與否的「遙控開關」？這樣的體系，或許可以用來釋放那些需要長期定點定時使用的藥物，例如胰島素。

這個想法雖然很有創意，但細心的讀者可能早已注意到：聚（N-異丙基丙烯醯胺）從溶於水到不溶於水的轉變發生在32oC，而人體的正常體溫在37oC左右。顯然，基於聚（N-異丙基丙烯醯胺）的水凝膠進入體內後立刻就會收縮，包裹在水凝膠中的藥物也會被悉數趕出水凝膠，這樣如何達到精確控制的效果呢？

這個時候，前面提到的共聚就派上用場了。剛才我們提到，某些單體引入到聚（N-異丙基丙烯醯胺）的結構中後，能夠讓整個分子從溶於水到不溶於水的轉變在更高的溫度發生。只要將聚（N-異丙基丙烯醯胺）的轉變溫度提高到略高於體溫，我們就不必擔心水凝膠在進入體內後「不聽號令」了。

這個問題雖然解決了，隨之而來的還有一個挑戰，那就是如何對進入身體的水凝膠加熱？直接把它和放置於體外的電阻絲相連顯然是不現實的。不過這難不倒聰明的研究人員。他們想到，可以把一些納米顆粒也添加到水凝膠中。這些納米顆粒能夠強烈吸收紅外線並將其轉化為熱量，而紅外線又可以很好地穿透人體組織[2]。所以，如果把這樣的水凝膠放到體內，在需要服藥的時候，或許只需要把紅外燈打開對準身體某個部位照一照就好啦。

怎麼樣，這種能夠隨著溫度升降而發生體積變化的水凝膠是不是很有趣？接下來讓我們做幾個更有意思的實驗。

柔軟的機器人

現在有兩塊水凝膠，其中一塊基於聚（N-異丙基丙烯醯胺），而另一塊則基於聚丙烯酸鈉、聚丙烯醯胺等其它的水溶性聚合物。現在讓我們把這兩塊水凝膠通過側面相連，構成一個雙層結構。接下來我們將水凝膠加熱到32oC以上，顯然，基於聚（N-異丙基丙烯醯胺）的水凝膠要失水，而失水的結果必然是水凝膠在各個方向都發生體積收縮。然而這塊水凝膠有一個側面是與基於聚丙烯醯胺的水凝膠相連的，後者在這個溫度並不會發生類似的轉變，但又不得不隨著前者一起變形。於是總的結果就是原來很平的雙層水凝膠朝向聚（N-異丙基丙烯醯胺）這一側彎曲，最終變成了一個圓筒。如果讓溫度降低，聚（N-異丙基丙烯醯胺）的水凝膠吸水膨脹，那麼捲曲的雙層凝膠又會舒展[5,6]。

由聚（N-異丙基丙烯醯胺）的水凝膠（圖中紅色部分）和聚丙烯醯胺的水凝膠組成的雙層結構，其中聚（N-異丙基丙烯醯胺）的水凝膠中含有能夠吸收光能並將其轉化為熱能的納米顆粒。在可見光照射下，聚（N-異丙基丙烯醯胺）的水凝膠失水收縮，導致整個結構彎曲。光照停止後，隨著溫度降低，聚（N-異丙基丙烯醯胺）的水凝膠吸水膨脹，原本彎曲的結構又重新舒展。圖片引自參考文獻[5]

那麼這樣的結構有什麼用處呢？我們知道，現在的機器人技術雖然已經相當成熟，但由於機器人通常使用金屬等比較堅硬的材料製成，比較缺乏彈性和韌性，因此還有許多工作難以勝任，例如我們很難想像一台機器人能夠從高處跳下而完好無損。另外，在需要與生物體接觸時，堅硬的材料也顯得不那麼友好。

為了克服傳統的機器人的一些弊端，近些年來，研究人員提出了「軟機器人」( softrobot)的概念。軟機器人希望採用更為柔軟有彈性的材料，例如橡膠、水凝膠等，從而更好地模仿生物的肢體運動。有望完成許多傳統的機器人難以勝任的工作。

軟機器人開發過程中面臨的一大挑戰就是如何很好地驅動這些柔軟的材料，讓它們根據外部的指令來改變形狀。在這個問題上，聚（N-異丙基丙烯醯胺）的水凝膠提供了很好的工具。通過合適的設計，我們可以藉助溫度的升降讓水凝膠變成我們想要的形狀，甚至像傳統的機器人一樣去抓取物體[7]。

利用聚（N-異丙基丙烯醯胺）的水凝膠在高溫下失水收縮這一特性製成的觸手，可以在水中抓取物體。圖片引自參考文獻[7]。

關於水凝膠，我們暫時就談到這裡。接下來讓我們再來看一看，聚（N-異丙基丙烯醯胺）還能夠以什麼樣的形式來為我們帶來幫助。

（未完待續）

參考文獻和注釋

[1] Leda Klouda, Antonios G. Mikos, 「Thermoresponsive hydrogels in biomedical applications」, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 2008, 68, 34-45

[2]S. R. Sershen, S. L. Westcott, N. J. Halas, J. L. West,「Temperature-sensitive polymer–nanoshell composites for photothermally modulated drug delivery」, Journal of Biomedical Materials Research, 2000, 51, 293

[3] Dragana Neradovic, Wouter L. J. Hinrichs, Jantien J. Kettenes-van den Bosch, Wim E. Hennink, 「Poly(N-isopropylacrylamide) with hydrolyzable lactic acid ester side groups: a new type of thermosensitive polymer」, Macromolecular Rapid Communications, 1999, 20, 577

[4] Zhenqing Li, Xiaolei Guo, Satoshi Matsushita, Jianjun Guan,」 Differentiation of cardiosphere-derived cells into a mature cardiac lineage using biodegradable poly(N-isopropylacrylamide) hydrogels」, Biomaterials, 2011, 32, 3220-3232

[5] Eunsu Lee, Dowan Kim, Haneul Kim, Jinhwan Yoon, 「Photothermally driven fast responding photo-actuators fabricated with comb-type hydrogels and magnetite nanoparticles」, Scientific Reports, 2015, DOI: 10.1038/srep15124

[6]Dowan Kim, Heon Sang Lee, Jinhwan Yoon, 「Highly bendable bilayer-type photo-actuators comprising of reduced graphene oxide dispersed in hydrogels」, Scientific Reports, 2016, DOI: 10.1038/srep20921

[7] Wen Jiang Zheng, Ning An,Jian Hai Yang, Jinxiong Zhou,Yong Mei Chen, 「Tough Al-alginate/Poly(N?isopropylacrylamide) Hydrogel with Tunable LCST for Soft Robotics」, ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7, 1758