ポリ( N-イソプロピルアクリルアミド)

ポリ( N-イソプロピルアクリルアミド)

識別子
CAS番号	25189-55-3
ケムスパイダー	なし
PubChem CID	16637
CompToxダッシュボード（EPA）	DTXSID101011085
特性[ 1 ]
化学式	(C 6 H 11 NO) n
モル質量	変数
外観	白色の固体
密度	1.1 g/ cm³
融点	96  ℃（205  °F、369K  ）
危険[ 1 ]
NFPA 704（防火 ダイヤモンド）	0 0 0
安全データシート（SDS）	外部MSDS
特に明記されていない限り、データは標準状態（25  ℃[77  °F]、100kPa  ）の材料について示されています。 インフォボックス参照

ポリ( N-イソプロピルアクリルアミド) （ PNIPA、PNIPAM、PNIPAAm、NIPA 、 PNIPAA、PNIPAmなどと略される）は、1950年代に初めて合成された温度応答性ポリマーである。 ^{[ 2 ]}市販されているN-イソプロピルアクリルアミド から合成できる。フリーラジカル重合によって合成され、容易に官能基化できるため、さまざまな用途に有用である。

PNIPAは水に溶解しますが、これらの溶液を曇点温度以上に加熱すると、可逆的な下限臨界溶液温度（LCST）相転移を起こし、可溶性の水和状態から不溶性の脱水状態へと変化します。この相転移は32 ℃（90 °F）で起こると広く考えられていますが、^{[ 3 ]}実際の温度はポリマー濃度、 ^{[ 3 ]}ポリマー鎖のモル質量、ポリマーの分散度、末端部分によって5～10℃（またはそれ以上）異なる場合があります。 ^{[ 3 ] [ 4 ]}さらに、ポリマー溶液中の塩やタンパク質などの他の分子も曇点温度を変化させる可能性があります。^{[ 5 ] [ 6 ]}   

PNIPAは人体に近い温度で液体内容物を放出するため、PNIPA共重合体は組織工学^{[ 7 ] [ 8 ]}や制御された薬物送達^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}への応用の可能性について多くの研究者によって研究されてきた。

ポリ( N-イソプロピルアクリルアミド)の合成は、1956年にシュプレヒトがアクリルアミドモノマーを合成したことから始まった。^{[ 13 ]} 1957年、シアラーは、後にPNIPAとして知られるようになる物質をげっ歯類忌避剤として使用するための最初の特許を取得した。^{[ 14 ]} 初期の研究は、PNIPAの物性に関する理論的な好奇心によって刺激された。PNIPAの最初の報告は1968年に発表され、水溶液中での特異な熱挙動を明らかにした。^{[ 15 ]} 1980年代には、水溶液中での特異な熱挙動による潜在的な用途が認識され、PNIPAへの関心が爆発的に高まった。^{[ 2 ]}

PNIPAは、最も研究されている感温性ハイドロゲルの1つです。 希薄溶液中では、コイル-グロビュール転移を起こします。^{[ 16 ]} PNIPAは加熱すると逆溶解度を示します。LCST で親水性と疎水性が急激に変化します。^{[ 17 ]}低温 では、PNIPAは溶液中で秩序化し、既に配置されている水分子と水素結合します。水分子はPNIPAの非極性領域の周囲に再配向する必要があり、その結果エントロピーが減少します。室温などの低温では、負のエンタルピー項(${\displaystyle \Delta H}$水素結合効果によるものがギブズ自由エネルギーを支配し、 $${\displaystyle \Delta G=\Delta HT\Delta S\,}$$ PNIPAが水を吸収して溶液に溶解する原因となる。高温では、エントロピー項（${\displaystyle \Delta S}$）が優勢になり、PNIPAが水を放出して相分離を起こします。これは次のデモンストレーションで見ることができます。

ホモ重合^{[ 18 ]}

単一種類のモノマー（この場合はN-イソプロピルアクリルアミド）をフリーラジカル重合させてポリマーを形成するプロセスは、ホモ重合として知られています。ラジカル重合では、ラジカル開始剤としてアゾビスイソブチロニトリル（AIBN）が一般的に使用されます。

共重合

2種類の異なるモノマーのフリーラジカル重合により共重合が起こる。共重合の利点の一つは、LCST（下限臨界溶液温度）を微調整できることである。

三元共重合

3種類の異なるモノマーのフリーラジカル重合は、三元共重合として知られています。三元共重合の利点としては、感温性、pH感受性、 LCSTの微調整など、ポリマーの複数の特性を向上させることが挙げられます。

架橋ヒドロゲル

下記の反応スキームは、架橋ヒドロゲルを形成するための三元共重合反応です。反応物である過硫酸アンモニウム（APS）は、ポリマー化学において強力な酸化剤として用いられ、ポリアクリルアミドゲルを製造する際に、テトラメチルエチレンジアミン（TMEDA）とともに重合を触媒するためによく使用されます。

PNIPAは、フリーラジカル重合を用いて連鎖移動剤で官能基化することができる。以下の3つのスキームは、連鎖移動剤（CTA）を用いた官能基化を示しており、ポリマーの一方の末端がラジカル開始剤であり、もう一方の末端が官能基化されている。ポリマー鎖末端の官能基化により、ポリマーをさまざまな環境や用途で使用できるようになる。鎖末端を官能基化する利点としては、感温性、pH感受性、 LCSTの微調整など、ポリマーの複数の特性を向上させることが挙げられる。^{[ 18 ]}

（１）

（２）

（３）

PNIPAの汎用性により、マクロゲル^{、マイクロゲル[19]、膜、センサー、バイオセンサー、薄膜[20][21][} 22 ] 、^{組織工学、}および薬物送達への用途が見出さ^{れている。PNIPA水溶液は疎水性}分子の存在下で粘度が増加する傾向があるため、三次石油回収に最適である。

PNIPAの水溶液は、人間の体温付近の温度で下限臨界溶解温度を持つため、これらのポリマーは室温で水に溶解し、体内に投与することができます。^{[ 23 ]}しかし、投与すると、これらのポリマーは相分離し、投与部位で不溶性の凝集体を形成します（このプロセスは熱ゲル化と呼ばれます）。^{[ 23 ]} PNIPAをマウスの筋肉に投与すると、半減期は約48日（Mw = 20 kg/mol）および66日（Mw = 32 kg/mol）であり、局所的または全身的な病理を引き起こしませんでした。^{[ 23 ]}_{このような相分離したヒドロゲルは、局所的な}薬物送達用途に使用できます 。^{[ 24 ]} PNIPAは、生物活性分子の溶液に置くことができ、これにより生物活性分子がPNIPAに浸透することができます。 PNIPAはその後生体内に配置され、初期のゲル崩壊と生体分子の周囲媒体への排出により生体分子が急速に放出され、その後、表面の細孔が閉じることにより生体分子がゆっくりと放出される。^{[ 25 ]}  

PNIPAはpH感受性薬物送達システムにも使用されています。これらの薬物送達システムの例としては、ヒトカルシトニンの腸管送達^{[ 26 ]} 、インスリンの送達^{[ 26 ]}、イブプロフェンの送達^{[ 27 ]}などが挙げられます。 異なる分子量の放射性標識PNIPA共重合体をラットに静脈内注射したところ、ポリマーの糸球体濾過閾値は約32,000  g/molであることがわかりました^{[ 28 ] 。}

PNIPAは、外部刺激を機械的な動きに変換するゲルアクチュエータに使用されています。^{[ 29 ]} LCST以上に加熱すると、ハイドロゲルは親水性から疎水性に変化します。^{[ 30 ]} この変化により水が排出され、物理的な構造変化が生じ、機械的なヒンジの動きが生まれます。

さらに、PNIPAベースの薄膜は、共溶媒効果に基づいて、複数の異なる薄膜状態を特徴とするナノスイッチとして応用できる。^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}