pH感受性ポリマー

pH 感受性またはpH 応答性ポリマーは、周囲の媒体のpHの変化に応じて寸法が変化する材料です。材料は、周囲の pH に応じて膨張、崩壊、または変化することがあります。この動作は、ポリマー鎖に特定の官能基が存在するために発生します。pH 感受性材料は酸性または塩基性であり、塩基性または酸性の pH 値に反応します。これらのポリマーは、さまざまな用途に合わせてさまざまな構造で設計できます。pH 感受性ポリマーの主な用途は、制御された薬物送達システム、生体模倣、マイクロメカニカル システム、分離プロセス、および表面機能化です。^[1]

_{pH 感受性ポリマーは、酸性基 (-COOH や -SO 3} Hなど) を持つものと塩基性基 (-NH ₂ ) を持つものの 2 つのカテゴリに分類できます。応答のメカニズムはどちらも同じで、刺激のみが異なります。ポリマーの一般的な形状は、機能的な「ペンダント グループ」がぶら下がっているバックボーンです。これらの機能グループが特定の pH レベルでイオン化されると、電荷 (+/-) を獲得します。同じ電荷間の反発により、ポリマーの形状が変化します。^{[1] [2]}

ポリ酸はアニオン性ポリマーとも呼ばれ、酸性基を持つポリマーです。^[2]酸性官能基の例には、カルボン酸 (-COOH)、スルホン酸 (-SO ₃ H)、ホスホン酸、ボロン酸などがあります。ポリ酸は低 pH 値でプロトンを受け入れます。高 pH 値では脱プロトン化して負に帯電します。^[1]負電荷によって反発力が生まれ、ポリマーが膨張します。この膨張挙動は、pH がポリマーの pKa よりも高い場合に観察されます。^[2] 例としては、ポリメチルメタクリレートポリマー (pharmacologyonline 1 (2011)152-164) やセルロースアセテートフタレートなどがあります。

ポリ塩基はポリ酸と同等の基本的性質を持ち、カチオン性ポリマーとしても知られています。ポリ酸と同様に低 pH でプロトンを受け入れますが、その後正に帯電します。対照的に、高 pH 値では中性です。pH がポリマーの pKa より低い場合、膨潤挙動が見られます。^[1]

多くの情報源が合成 pH 感受性ポリマーについて言及していますが、天然ポリマーも pH 応答挙動を示します。例としては、キトサン、ヒアルロン酸、アルギン酸、デキストランなどがあります。^[1]よく使用される例であるキトサンは陽イオン性です。DNA は負に帯電しているため、DNA をキトサンに結合させて遺伝子を細胞に送達することができます。^[3] 一方、アルギン酸は陰イオン性です。薬物送達用途のカルシウム塩として評価されることがよくあります (International journal of biological macromolecules 75 (2015) 409-17) 。天然ポリマーは生体適合性に優れているため、バイオメディカル用途に有用であり、魅力的です。ただし、天然ポリマーの欠点は、研究者が合成ポリマーの構造をより制御できるため、特定の用途向けにポリマーを設計できることです。^[2]

ポリマーは、pHや温度など、複数の外部刺激に反応するように設計することができます。多くの場合、これらのポリマーは、各ポリマーが1種類の反応を示す共重合体として構造化されています。^[1]

pH に敏感なポリマーは、線状ブロック共重合体、星型、分岐型、デンドリマー型、ブラシ型、および櫛型構造で作成されています。異なる構造のポリマーは、異なる構造に自己組織化します。この自己組織化は、ポリマーと溶媒の性質、または pH の変化によって発生する可能性があります。pH の変化により、より大きな構造が膨張または収縮することもあります。たとえば、ブロック共重合体は、星型ポリマーや分岐型ポリマーと同様に、ミセルを形成することがよくあります。ただし、星型ポリマーと分岐型ポリマーは、典型的な球形ではなく、棒状または虫状のミセルを形成することがあります。ブラシポリマーは、その構造上、ミセルのような大きな構造を形成できないため、通常は表面の改質に使用されます。^[1]

多くの場合、異なる pH 値に対する反応は膨潤または収縮です。たとえば、ポリ酸は高 pH でプロトンを放出して負に帯電します。ポリマー鎖は多くの場合、同じ鎖の他の部分または他の鎖に近接しているため、ポリマーの同様に帯電した部分は互いに反発します。この反発により、ポリマーが膨潤します。^{[引用が必要]}

ポリマーは、pH の変化に応じてミセル(球)を形成することもできます。この動作は、線状ブロック共重合体で発生する可能性があります。共重合体の異なるブロックが異なる特性を持つ場合、1 つのタイプのブロックが内側に、もう 1 つのタイプのブロックが外側にあるミセルを形成する可能性があります。たとえば、水中では、共重合体の疎水性ブロックがミセルの内側になり、親水性ブロックが外側になる可能性があります。^[4]さらに、pH の変化により、関与するポリマーの特性に応じて、ミセルの内側と外側の分子が入れ替わる可能性があります。^[1]

pHの変化による単純な膨潤と収縮以外の反応も考えられます。研究者は、pHの変化によってゾル-ゲル転移（溶液からゲルへ）を起こすポリマーを作成しましたが、特定のpH値では硬いゲルから柔らかいゲルにも変化します。^[5]

pH 感受性ポリマーは、いくつかの一般的な重合法を使用して合成できます。重合の種類によっては、官能基が反応しないように保護する必要がある場合があります。重合後にマスキングを除去すると、pH 感受性機能が回復します。リビング重合は、最終ポリマーの分子量分布を制御できるため、pH 感受性ポリマーの製造によく使用されます。例としては、基移動重合 (GTP)、原子移動ラジカル重合(ATRP)、可逆的付加開裂連鎖移動(RAFT) などがあります。^[1]グラフト共重合体は、その構造が分岐のある骨格であるため、合成するのに人気のあるタイプです。分岐の組成を変更して、さまざまな特性を実現できます。^[2]ハイドロゲルは、乳化重合を使用して生成できます。^[1]

ポリマー表面上の水滴の接触角を測定するにはいくつかの方法があります。接触角の値はポリマーの濡れ性または疎水性を定量化するために使用されます。 ^[2]

（膨潤重量-収縮重量）/収縮重量×100％に等しく、膨潤前と膨張後のポリマーを質量にして決定されます。これは、pHの変化によってポリマーがどれだけ膨潤したかを示します。^[2]

分子の配置に大きな構造変化が見られる pH。この構造変化は結合の切断ではなく、構造の変化を伴います。たとえば、膨潤/収縮の遷移は可逆的な構造変化を構成します。pH 臨界点の値は、pH の関数として膨潤率を調べることで決定できます。研究者は、特定のアプリケーションにとって重要な pH で遷移する分子を設計することを目指しています。^[2]

共焦点顕微鏡、走査型電子顕微鏡、ラマン分光法、原子間力顕微鏡はすべて、ポリマーの表面がpHに応じてどのように変化するかを調べるために使用されます。^[2]

pHに敏感なポリマーは膜への応用が検討されている。pHの変化によってポリマーのイオン透過能力が変化し、フィルターとして機能するようになる可能性がある。^[1]

pH感受性ポリマーは材料の表面を改質するために使用されてきました。例えば、表面の濡れ性を変えるために使用することができます。^[1]

pH感受性ポリマーは薬物送達に使用されており、例えば、特定量のインスリンを放出するのに使用できます。^[6]