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含苯硼酸聚合物的新的葡萄糖敏感机理

中国科学化学 中国科学化学 2021-12-24

南开大学化学学院关英、张拥军等提出了含苯硼酸聚合物的新的葡萄糖敏感机理，并进一步提出了一种测定糖和苯硼酸结合常数的新方法。


葡萄糖敏感材料是设计葡萄糖传感器和可自我调节的胰岛素可控释放体系的基石。以苯硼酸为葡萄糖敏感基元的聚合物是常见的葡萄糖敏感材料。苯硼酸基团一般以疏水的未解离的形式存在。当葡萄糖存在时，葡萄糖与苯硼酸的结合使苯硼酸的离子化程度增大，导致含苯硼酸聚合物亲水性增大。利用这一葡萄糖敏感机理（图1(A)），人们已设计了很多葡萄糖敏感材料。
最近，南开大学化学学院关英、张拥军等以2-位取代的苯硼酸为葡萄糖敏感基元，合成了一种新的葡萄糖敏感聚合物P(NIPAM-2-AAPBA）。与普通的含苯硼酸聚合物正好相反，加入葡萄糖后P(NIPAM-2-AAPBA）的溶解度降低，而非升高。这一聚合物的葡萄糖敏感行为显然不能用常用的葡萄糖敏感机理来解释。
作者提出了新的葡萄糖敏感机理：葡萄糖作为添加剂可降低温敏聚合物的低临界溶解温度(LCST)，因此加入葡萄糖等效于升温。更重要的是由于葡萄糖与苯硼酸基团结合，大大缩短了它与聚合物间的距离，因此降低LCST的能力大大提高。所以加入葡萄糖显著降低了P(NIPAM-2-AAPBA）的溶解度（图1(B)）。

图1. 含苯硼酸聚合物的葡萄糖敏感机理示意图
 
根据这一机理作者推导了LCST与葡萄糖浓度的关系，发现在低葡萄糖浓度区间LCST下降快，在高葡萄糖浓度区间LCST下降慢，且在这两个区间LCST和葡萄糖浓度都有近似线性的关系（图2）。这一理论推导也被实验结果证明。

图2. LCST与葡萄糖浓度的关系
 
进一步地，作者推导出两个区间相交处的葡萄糖浓度等于苯硼酸和葡萄糖结合常数的倒数。因此测定相交处的葡萄糖浓度即可得到苯硼酸和葡萄糖结合常数。据此我们提出了一种新的测定苯硼酸和糖结合常数的方法。
 
该研究结果近日在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry。详见：Wang Q, Fu M, Guan Y, James TD, Zhang Y. Mechanistic insights into the novel glucose-sensitive behavior of P(NIPAM-co-2-AAPBA), Sci. China Chem., 2020, DOI: 10.1007/s11426-019-9680-6。


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作者简介

王庆仙，博士研究生，主要从事生物医用高分子材料的研究。


关英，南开大学化学学院高分子化学研究所副教授、硕士生导师。


张拥军，南开大学化学学院高分子化学研究所教授、博士生导师、国家杰出青年基金获得者。





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