• 精妙的亲疏水平衡: PNIPAM的温敏性来源于其单体结构中亲水性酰胺基团(-CONH-)和疏水性异丙基(-CH(CH₃)₂)之间的微妙平衡。
• 温敏构象转变:
  低于LCST ( 酰胺基团与水分子形成牢固的氢键，水合作用占主导，聚合物链呈现亲水的、伸展的无规线团构象。
  高于LCST (> 32°C): 温度升高提供的能量足以破坏聚合物-水的氢键。此时，释放束缚的水分子所带来的熵增益变得更有利，链内的疏水性异丙基间相互作用占主导，导致聚合物链快速脱水并塌缩成疏水的、紧凑的球状构象。

• 无定形态: 固态的PNIPAM通常是无定形粉末。
• 水凝胶的体积相变: 当PNIPAM链被化学交联形成水凝胶网络时，这种分子水平的链塌缩会转变为宏观的、剧烈的体积变化。低于LCST时，水凝胶高度溶胀，含水量可达90%以上；高于LCST时，水凝胶会快速收缩，排出大量的水，体积可减小一个数量级以上。这种可逆的溶胀-收缩行为是其作为致动器和药物控释系统的基础。
• 溶液中的聚集: 高于LCST时，线性的PNIPAM链在溶液中会聚集形成被称为“中间球粒 (mesoglobules)”的微米级颗粒。

通过共聚或共混，可以精确调控PNIPAM的LCST，并将其独特的温敏性与其他功能（如pH敏感、生物降解性）结合，创造出多功能智能材料。

PNIPAM作为“智能”嵌段，是构建刺激响应性纳米载体的核心模块。

• 温敏自组装: 与亲水嵌段（如PEG）形成的PEG-b-PNIPAM共聚物，在水中表现出温敏胶束化行为。在低温下（
• 双重响应胶束: 与疏水嵌段（如PS）形成的PS-b-PNIPAM共聚物，在水中形成PS为核、PNIPAM为壳的胶束。当温度升高时，PNIPAM外壳会从伸展状态塌缩到内核表面，这种尺寸和表面性质的变化可以用来调控胶束与细胞的相互作用。

通过物理共混，特别是形成互穿聚合物网络（IPN），可以将PNIPAM的温敏性与其它材料的优点（如力学强度、生物相容性）结合起来。

• 改善力学性能: 将PNIPAM网络与力学性能更优异的天然高分子（如海藻酸盐、壳聚糖）或合成高分子（如聚乙烯醇）形成IPN水凝胶，可以在保持快速温敏响应的同时，显著提高凝胶的韧性和强度。
• 赋予生物功能: 与天然高分子共混可以提高材料的生物相容性和生物降解性，使其更适合用于组织工程和体内植入。

PNIPAM作为一种保护层，其最独特的性质是其保护能力的“可开关性”。它能根据温度变化，在“保护”和“去保护”两种状态之间切换。

当PNIPAM链被接枝到纳米颗粒或材料表面时，它能提供一种动态的保护层。

• “开启”保护 (T 在低温下，伸展的、高度水合的PNIPAM链形成一层厚厚的亲水保护层。这层“高分子刷”能产生强大的空间位阻排斥力，有效防止蛋白质吸附和纳米颗粒团聚，起到类似PEG的保护作用。
• “关闭”保护 (T > LCST): 当温度升高时，PNIPAM链塌缩到表面上，亲水保护层消失。这种“去保护”过程会暴露下面的基底表面，或者使纳米颗粒间的疏水吸引力占主导，从而可以按需触发特定的生物相互作用或颗粒聚集。

在PNIPAM水凝胶网络中，其保护作用也随温度变化。在高温（> LCST）下，塌缩的、致密的凝胶网络可以有效地将药物分子物理包埋并保护起来，防止其过早泄漏和降解。当温度降低时（

这是PNIPAM在生物医学领域最成功、最经典的应用，它彻底改变了细胞培养和组织工程的方式。

• 温控细胞培养与附着: 细胞培养皿的表面被接枝上一层薄薄的PNIPAM。在标准的培养温度37°C（> LCST）下，PNIPAM表面呈疏水性，允许细胞粘附蛋白吸附，从而促进细胞贴壁、生长并形成一层致密的单层细胞片。
• 无损细胞片收获: 当需要收获细胞时，不再使用传统的胰蛋白酶消化法（该方法会损伤细胞表面蛋白和细胞间连接）。只需将培养皿的温度降低到室温（
• 优势: 这种方法可以收获保留了完整细胞外基质（ECM）和细胞间连接的细胞片，极大地提高了移植后组织的再生效率和功能，已成功应用于角膜、食道、心脏等组织的再生医学研究和临床试验。

利用PNIPAM的温敏沉淀特性，可以开发出简单、高效的生物分子纯化技术。将亲和配体（如抗体、链霉亲和素）共价连接到线性的PNIPAM链上。将此功能化聚合物加入到粗提液中，在低温下与目标蛋白结合。随后，只需将溶液温度升高到LCST以上，整个“PNIPAM-配体-目标蛋白”复合物就会沉淀下来，通过简单的离心即可分离。最后再降温将目标蛋白重新溶解回收。

PNIPAM的温敏性使其成为构建“按需释放”药物递送系统的理想材料，能够响应生理信号（如体温）或外部刺激（如局部加热）。

• 可注射的缓释凝胶: 含有药物的PNIPAM基共聚物溶液在室温下是可流动的液体，可以通过普通针头轻松注射。进入体温为37°C的体内后，溶液会立即发生溶胶-凝胶转变，在注射部位形成一个半固体的凝胶储库。这个储库可以缓慢降解或溶蚀，从而实现药物的长期、稳定释放。
• 肿瘤靶向的“热触发”释放: 载药纳米粒（如胶束、脂质体）的表面被修饰上PNIPAM。这些纳米粒在血液循环中（~37°C，高于LCST）保持塌缩和稳定状态。当它们通过EPR效应富集在肿瘤区域后，可以利用高强度聚焦超声（HIFU）或磁热疗等技术对肿瘤进行局部、精准的加热（如升温至40-42°C）。这种微小的温升会引起PNIPAM外壳发生更剧烈的构象变化，从而触发药物的快速、爆发式释放，极大地提高肿瘤局部的药物浓度和治疗效果。

PNIPAM水凝胶的体积相变特性使其可以作为微型致动器或传感器。

• 微阀门: 在微流控芯片的通道内构筑PNIPAM水凝胶，通过改变温度使其溶胀或收缩，可以像阀门一样开启或关闭液体流动。
• 生物传感器: 如果在PNIPAM网络中引入能与特定生物分子（如葡萄糖）结合的识别基团，这种结合会改变凝胶的LCST。因此，可以通过测量凝胶体积相变发生的温度来检测该生物分子的浓度。

与大多数合成聚合物一样，其毒性必须区分聚合物和单体。PNIPAM高分子本身被广泛认为具有良好的生物相容性和较低的细胞毒性，尤其是在体外应用和作为医疗器械表面涂层时。

主要的毒理学风险来源于：

• 残留单体 (NIPAM): N-异丙基丙烯酰胺单体是一种已知的神经毒素，具有明确的生物毒性。因此，任何用于生物医学应用的PNIPAM材料都必须经过严格的纯化，以确保残留单体的含量远低于安全阈值。
• 引发剂与交联剂: 合成过程中使用的某些引发剂或交联剂也可能具有毒性，必须被有效去除。

PNIPAM在体内长期应用的安全性是当前研究的核心挑战。标准的PNIPAM主链由稳定的C-C键构成，不具备生物降解性。当分子量高于肾脏清除阈值（约30-50 kDa）时，PNIPAM无法通过尿液排出，可能在网状内皮系统（RES）的器官（如肝、脾）中长期蓄积，其潜在的长期影响尚不完全清楚。

为了解决蓄积问题，研究人员正致力于开发可生物降解的PNIPAM类似物。策略包括：在PNIPAM主链中引入可水解的酯键或缩醛键，或者使用可被体内特定环境（如酶、还原性环境）切断的交联剂来构筑水凝胶。这些设计旨在使材料在完成其功能后，能够分解成可被安全清除的小分子片段。

这是合成PNIPAM最简单、最常见的方法，特别适用于制备高分子量的聚合物用于水凝胶。反应可以在有机溶剂（如DMSO, 苯）或水中进行。水相聚合通常使用过硫酸盐（APS）作为热引发剂，或APS/TEMED氧化还原体系在室温下引发。此法得到的聚合物分子量分布较宽（PDI > 1.5）。

对于需要精确控制分子量、分子量分布和链结构的生物医学应用（如合成嵌段共聚物），必须采用CRP技术。

• 可逆加成-断裂链转移聚合 (RAFT): 是目前合成PNIPAM最流行和功能最强大的方法。RAFT聚合对NIPAM单体的控制性非常好，反应条件温和，并且对多种官能团具有良好的耐受性，可以方便地合成结构明确的嵌段、星型等复杂结构聚合物。
• 原子转移自由基聚合 (ATRP): 也被广泛用于NIPAM的聚合，但催化体系（铜络合物）可能与酰胺基存在一定的配位作用，需要对反应条件进行优化。

通常通过两种途径获得带有活性官能团的PNIPAM：1) 使用带有目标官能团的引发剂或RAFT试剂进行聚合，直接得到端基功能化的聚合物；2) 将NIPAM与少量带有活性官能团的单体（如含NHS酯或氨基的丙烯酸酯）进行共聚。

LCST是PNIPAM最关键的性能指标，其精确测定至关重要。

• 紫外-可见分光光度法 (UV-Vis): 这是最常用、最便捷的方法。将稀的PNIPAM水溶液（约0.1-1.0 wt%）置于带有温控系统的UV-Vis分光光度计中，缓慢程序性升温，同时监测在某一固定波长（如500 nm）下的透光率。当温度跨越LCST时，溶液变浑浊，透光率会发生急剧下降。通常将透光率下降至初始值50%时所对应的温度定义为LCST。
• 差示扫描量热法 (DSC): 是一种更精确的热力学方法。DSC可以直接测量聚合物链脱水塌缩过程中的热量变化（这是一个吸热过程）。DSC曲线上吸热峰的峰顶温度（T_peak）可以被精确地定义为相变温度。

• 凝胶渗透色谱 (GPC/SEC): 用于测定PNIPAM的数均分子量(Mn)、重均分子量(Mw)和多分散指数(PDI)。一个挑战是PNIPAM易于与色谱柱填料发生吸附，因此需要选择合适的流动相，如N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或四氢呋喃(THF)，并常常需要加入少量盐（如LiBr）来抑制吸附。

• 核磁共振波谱 (NMR): ¹H-NMR是鉴定化学结构和端基官能团的有力工具。在D₂O中（低于LCST时），其特征峰包括：~3.8-4.0 ppm（异丙基上的次甲基-CH-），~1.1 ppm（异丙基上的甲基-CH₃），以及~1.5-2.1 ppm（主链上的-CH₂-和-CH-）。
• 傅里叶变换红外光谱 (FTIR): 用于官能团鉴定。其特征吸收峰包括：~3300 cm⁻¹（N-H伸缩振动），~1650 cm⁻¹（酰胺I带，C=O伸缩振动），和~1550 cm⁻¹（酰胺II带，N-H弯曲和C-N伸缩耦合振动）。

PNIPAM是表面工程领域最重要的“智能改性剂”之一。通过将PNIPAM接枝到材料表面，可以赋予该表面动态的、可由温度调控的全新功能。

将PNIPAM链束缚在基底表面是其应用的核心。最主要的方法有两种：

• “从表面接枝” (Grafting-from): 这是制备高质量PNIPAM刷层的首选方法。首先将聚合引发剂固定在基底表面，然后将基底浸入NIPAM单体溶液中进行表面引发聚合（如SI-ATRP或SI-RAFT）。这种方法可以得到厚度可控、密度极高的聚合物刷层。
• “接枝到表面” (Grafting-to): 先合成带有活性端基（如-SH, -COOH, 硅烷）的PNIPAM链，然后通过化学反应将其连接到带有互补官能团的表面上。此法操作相对简单，但接枝密度通常较低。

PNIPAM修饰的表面能够根据温度在两种截然不同的状态间切换：

• 调控润湿性: 低于LCST时，表面因伸展的亲水PNIPAM链而表现为亲水性；高于LCST时，塌缩的PNIPAM链使表面转变为疏水性。
• 调控生物粘附: 这是细胞片层工程的基础。表面可以在“抗细胞粘附”（低温，亲水）和“促进细胞粘附”（高温，疏水）之间切换，实现对细胞行为的动态控制。
• 调控分子识别: 可以设计一种表面，在低温下通过PNIPAM刷层屏蔽下面的识别位点，而在高温下PNIPAM塌缩，暴露识别位点，从而实现温控的传感或亲和捕获。