刺激応答性高分子とゲル

刺激応答性高分子は、温度、pH、光、その他のトリガーに応答して、溶解度、膨潤、または形状において、しばしば急激な大きな変化を経験します。架橋ゲルとして、それらは膨潤および収縮し、スマートなアクチュエート材料として機能します。

Definition

刺激応答性高分子とは、その物理的状態（溶解度、コンフォメーション、電荷、または膨潤）が環境刺激に応答して急激に変化する高分子であり、応答性ゲルとは、刺激の変化に応じて膨潤または収縮する、そのような高分子の架橋ネットワークです。

Scope

このトピックは、外部刺激に応答するように設計された高分子とハイドロゲルを扱います。これには、ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)のような下限臨界溶液温度を持つ感温性高分子、pH応答性高分子電解質、光またはレドックス応答性システムが含まれます。また、架橋ゲルの膨潤熱力学、体積相転移、および環境変化を機械的または溶解度応答に変換する分子設計も含まれます。

Core questions

• 高分子が温度、pH、または光に応答する分子的な特徴は何ですか？
• なぜ一部の高分子は、下限臨界溶液温度で加熱すると沈殿するのですか？
• 架橋ゲルはどのように膨潤し、体積相転移を起こすのですか？
• これらの応答は、アクチュエーションや送達にどのように利用されるのですか？

Key theories

下限臨界溶液温度挙動

一部の高分子は低温では可溶ですが、加熱すると相分離します。これは、水和に関連するエントロピーが臨界温度を超えると脱混合を促進するためであり、感温性材料で利用される鋭敏で可逆的なコイル-グロビュール転移をもたらします。

ゲル膨潤と体積相転移

架橋ネットワークは、溶媒と混合しようとする浸透圧駆動力が鎖の弾性収縮と平衡するまで膨潤します。刺激を変化させるとこのバランスがずれ、ゲルの体積に不連続で大きな変化が生じることがあります。

Mechanisms

応答性挙動は、溶媒との相互作用が条件に依存するグループから生じます。感温性高分子では、高分子-水間の水素結合と水和のエントロピーのバランスが温度によって変化するため、鎖は収縮し、高分子は下限臨界溶液温度を超えると相分離します。pH応答性高分子電解質では、プロトン化または脱プロトン化によって電荷が切り替わり、静電反発と溶解度が変化します。架橋ゲルでは、これらの溶解度変化が体積変化となり、混合が有利な場合はネットワークが膨潤し、そうでない場合は収縮します。これは体積相転移において不連続に起こることもあり、化学的または熱的信号を機械的運動に変換します。

Clinical relevance

刺激応答性高分子とゲルは、スマート材料を可能にします。温度またはpHによってトリガーされる薬物送達キャリアは、標的環境でそのペイロードを放出します。応答性ハイドロゲルは、ソフトアクチュエーター、バルブ、センサーとして機能し、切り替え可能な表面は、生物医学および分離アプリケーションにおけるタンパク質および細胞の接着を制御します。応答の鋭敏さと可逆性は、それらの有用性にとって中心的です。

History

フローリーはゲル膨潤の熱力学的基礎を築き、1970年代後半における田中によるゲルの不連続体積相転移のデモンストレーションが応答性ゲルの分野を開拓しました。その後、ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)のような感温性高分子やpH応答性システムが、生物医学およびスマート材料アプリケーション向けに開発されました。

Key figures

• Toyoichi Tanaka
• Allan Hoffman
• Pierre-Gilles de Gennes

Seminal works

• rubinstein2003
• flory1953

Frequently asked questions

なぜ一部の高分子は低温で溶解し、加熱すると沈殿するのですか？

これらの高分子は下限臨界溶液温度を持っています。低温では水との好ましい水素結合によって溶解状態を保ちますが、加熱すると秩序だった水分子を放出するエントロピーが脱混合を促進するため、鎖は収縮して相分離します。

ハイドロゲルが膨潤または収縮する原因は何ですか？

膨潤は、ネットワークが溶媒と混合しようとする浸透圧的な傾向と、その架橋鎖の弾性抵抗との間のバランスを反映しています。そのバランスを変化させる刺激（温度、pH、またはイオン強度）によって、ゲルは溶媒を吸収または排出します。これは時に急激に起こります。