毕业论文范文——双嵌段共聚物PEG-PDMAEMA微胶囊的制备和 其修复剂载体的性能研究

本 科 毕 业 设 计(论文)题 目：双嵌段共聚物PEG-PDMAEMA微胶囊的制备和其修复剂载体的性能研究学生姓名：学 号： 专业班级：材料化学 指导教师： 年 月 日中国石油大学(华东)本科毕业设计(论文)双嵌段共聚物PEG-PDMAEMA微胶囊的制备和其修复剂载体的性能研究摘 要具有特定官能团片段的两亲性嵌段聚合物能够感知外部pH变化自发地改变自身形态。本文首先通过原子转移自由基聚合（ATRP）的方法合成两亲性双嵌段共聚物PEG-PDMAEMA；然后采用红外、核磁等表征方法对合成的聚合物的分子结构进行结构表征；最后研究了pH对嵌段共聚物自组装成的胶束粒径的影响，胶束对修复剂的负载程度和pH响应释放行为。结果表明在碱性条件下，两亲性嵌段共聚物能形成较大粒径的胶束并包裹修复剂DCPD，包裹率为3.53 wt%，载药率为12.36 wt%；修复剂在中性条件下几乎可实现零释放而在酸性条件下能快速、且较大程度的释放出修复剂。本研究成果有望作为响应型纳米容器应用于涂层修复。关键词：双嵌段共聚物；两亲性；自组装；pH刺激响应释放Research of Properties of Diblock Copolymer PEG-PDMAEMA Filling and Releasing Repairing AgentAbstractAmphiphilic block polymers with specific functional group segments are able to perceive changes in the external pH to spontaneously change their morphology. In this paper, firstly, the amphiphilic diblock copolymer PEG-PDMAEMA was synthesized by the method of atom transfer radical polymerization; then the molecular structure of the synthesized polymer was characterized by Infrared Spectroscopy, Nuclear Magnetic Resonance and other characterization methods; then, the influence of pH of the self-assembled micelle size of block copolymer, the degree of loading the repair agent by the micelle and the pH-responsive release behavior were studied. The results showed that the amphiphilic block copolymers can form micelles with larger particle size and encapsulate the repair agent DCPD under alkaline conditions, with a wrap ratio of 3.53% and a drug-loading rate of 12.36%. Finally, under acidic conditions, micelles can releases repair agents quickly and to a large degree. The results of this study are expected to be applied as a responsive nano-container for coating repair.Keywords： Diblock copolymer；Amphiphilic ；Self-assembly；pH responsive release目 录第1章 绪论11.1 嵌段共聚物的性质及结构11.1.1 嵌段共聚物及其两亲性11.1.2 嵌段共聚物的结构及分类11.1.3 嵌段共聚物的合成方法及原理21.2 嵌段共聚物的工作原理及发展现状21.2.1 嵌段共聚物的自组装21.2.2 嵌段共聚物的药物包裹31.3 嵌段共聚物的发展现状及应用领域31.3.1 嵌段共聚物在生物医用材料方面的应用41.3.2 嵌段共聚物在纳米结构材料方面的应用41.3.3 嵌段共聚物在表面活性剂方面的应用41.3.4 嵌段共聚物在光催化方面的应用41.3.5 嵌段共聚物在金属防腐方面的应用51.4 主要研究内容和选题意义51.4.1 选题意义51.4.2主要研究内容5第2章 PEG-PDMAEMA两亲性嵌段共聚物的制备及表征62.1 实验材料和实验仪器62.1.1 实验材料62.1.2 实验仪器62.2 嵌段共聚物的制备72.2.1 合成大分子引发剂PEG-Br72.2.2 合成两亲性嵌段共聚物PEG-PDMAEMA72.2.3 嵌段聚合物的自组装82.3 制备聚合物的表征方法82.3.1 核磁氢谱分析82.3.2 红外光谱测定92.3.3 动态光散射粒度分析92.3.4 透射电子显微镜92.4 结果与讨论92.4.1 核磁谱图分析102.4.2 红外光谱分析122.4.3 动态光散射粒度分析(DLS)132.4.4 透射电子显微镜(TEM)142.5 本章小结15第3章 嵌段共聚物对修复剂DCPD的包裹和释放163.1 实验材料及实验仪器163.1.1 实验材料163.1.2 实验仪器163.2 嵌段共聚物对修复剂DCPD的包裹和释放163.2.1 修复剂的填装163.2.2 载药率和包封率的测量163.2.3 修复剂的释放速率的测定163.3 结果与讨论173.3.1 动态光散射粒度分析(DLS)193.3.2 载药率和包封率203.3.3 pH对修复剂释放速率的影响213.4 本章小结22第4章 结论23致 谢24参考文献25第1章 绪论第1章 绪论两亲嵌段共聚物溶解在选择性溶剂中，自发的自组装成纳米聚集体，形成球状，圆柱体和囊泡等复杂的纳米结构，这些复杂的纳米结构已经发现在纳米技术领域中的生物技术，表面活性剂和药物输送应用1。近年来，多个研究小组已经成功制备了两亲性二嵌段、两亲性三嵌段、不对称三嵌段、四嵌段等多种功能多样化的嵌段聚合物；逐渐形成更复杂的能满足不同领域需求的胶束体系，例如通过不对称三嵌段聚合物形成多间隔胶束。在多室胶束中，在胶束的疏水性内核中存在大于等于两个疏水性隔间。若将多间隔胶束应用到药物控释方面2，则不同的隔间就可以各自负载并控释不同种类、不同功能的药物3。聚合物的不同官能团具有不同的功能，能对不同的刺激产生响应，如pH、温度、离子强度等4。聚乙二醇(PEG)是一种亲水性材料5；pKa为7.2的弱碱甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)其片段上的胺基在不同pH条件下能发生质子化和去质子化，故PDMAEMA具有 pH响应6。故以溴代后的聚乙二醇作为大分子引发剂；使单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯发生原子转移自由基聚合，合成一类具有pH响应性两亲性双嵌段共聚物PEG-PDMAEM，PEG-PDMAEM可以在水中自组装成胶束微胶囊，待其感知到外部pH变化的刺激后，自发实现聚集形态改变，即本文中的药物(DCPD)包裹和释放，使涂层修复剂能在金属表面涂层被破坏时，尽快释放出来，起到对涂层的修复作用，从而保护内部金属。1.1嵌段共聚物的性质及结构1.1.1 嵌段共聚物及其两亲性嵌段共聚物是指具有多种（包含两种）官能团不同，进而导致功能不同的重复链段的共聚物7。而两亲性嵌段共聚物是指一个聚合物分子中同时含有亲水性和疏水性链段的一类聚合物；具两亲性的嵌段共聚物在溶液中可自组装成纳米聚集体8。1.1.2 嵌段共聚物的结构及分类两亲性嵌段共聚物的结构包括亲水段和疏水段。两亲性嵌段共聚物在水中溶解后，亲水段具有亲水性，自发相互靠近，构成胶束外层，能减少胶束之间的缔合，对胶束的稳定性有利；疏水段具有憎水性，也自发相互靠近，在范德华力的作用和氢键的作用下，在水中构成胶束的内核，疏水段分子量决定芯核直径的大小9。嵌段共聚物根据拓扑结构具有不同分类10。线型聚合物包含以下几类：AB二嵌段、ABA对称三嵌段、ABC不对称三嵌段、ABCD四嵌段、ABCDE五嵌段；非线型聚合物包含以下：星型、梳型、树枝型、环型、H型、网状等。1.1.3 嵌段共聚物的合成方法及原理目前比较普遍的嵌段共聚物的合成方法有以下几种：活性聚合、正离子聚合转化法等。其中活性聚合包括：活性阴离子和阳离子聚合、基团转移聚合、可控活性自由基聚合；正离子聚合转化法包括：正离子向自由基聚合、负离子聚合、缩聚反应转化；其他方法:力化学转化、缩聚反应、特殊引发剂法等11 。本文采用活性自由基(ATRP)的聚合方法来合成两亲性嵌段共聚物。其原理是引发剂PEG-Br与金属配合物(DMAEMA)nCu发生氧化还原反应变为初级自由基PEG，初级自由基PEG与单体DMAEMA反应生成单体自由基PEG-DMAEMA，PEG-DMAEMAn与PEG-DMAEMA性质相似均为活性种，可继续引发单体DMAEMA发生自由基聚合，也可从休眠种PEG-DMAEMAn-Br/PEG-DMAEMA-Br上夺取卤原子，自身变成休眠种，从而在休眠种PEG-DMAEMA-Br与活性种PEG-DMAEMAn之间建立一个可逆平衡，于是体系中的游离基Br浓度低，使不可逆的PEG-DMAEMAn与Br生成PEG-DMAEMAn-Br的终止反应降低到最低程度，实现可控自由基聚合12。1.2 嵌段共聚物的工作原理及发展现状1.2.1 嵌段共聚物的自组装自组装是指聚合物分子弱相互作用力的推动下，溶剂中的聚合物分子自发地聚集成具有特定功能结构的纳米聚集体的过程13，如图1-1。自组装包括本体自组装和在溶液中自组装。图1-1 两亲性嵌段共聚物自组装示意图Fig. 1-1 Self-assembly of Amphiphilic Block Copolymers聚合物在选择性溶液中的自组装是逐渐形成胶束的步骤：当嵌段共聚物在特定的溶剂中的浓度大于临界胶束浓度，且溶剂和其中的聚合物所处环境温度大于嵌段共聚物的玻璃化温度时14，给予足够的时间，热力学平衡胶束即可形成。两亲嵌段共聚物可以在溶液中自组装成亲水外壳-疏水内核的纳米胶束。体系能自组装为几种热力学上稳定的平衡相态，能形成球状、圆柱状、囊泡状、层状等结构。1.2.2 嵌段共聚物的药物包裹 两亲性嵌段共聚物自组装时，能形成聚集的疏水段内核和亲水性外壳。若在嵌段共聚物自组装的溶液中加入能够均匀分散的疏水性药物，则在疏水段和亲水段之间的药物就能被自发的包裹进疏水性内核；若嵌段共聚物在感知到外界刺激时，自组装的胶束体系被破坏甚至分解，药物就能够被释放出来，由此达到药物控释的目的15。图1-2 两亲性嵌段共聚物自组装包裹药物示意图Fig. 1-2 Block copolymers self-assembled to encapsulate drugs1.3 嵌段共聚物的发展现状及应用领域合成嵌段共聚物的方法很多，然而都存在各自的优缺点，只能满足不同分子设计要求的聚合物合成，比如活性聚合能合成分子量分布较窄的嵌段共聚物、而正离子转移聚合法可以合成具有特异结构和性质的聚合物等等11；但随着需求的多样化，对嵌段共聚物的性能要求越来越高，因此对嵌段聚合物的合成方法要求也随之提高。多种聚合方法的结合是势必是将来合成嵌段聚合物的方向。嵌段共聚物由于具有环境响应性，在药物释放、建筑、化工等方面具有较好的应用前景，目前已经成为研究热点。为了满足日益复杂的需求，嵌段聚合物逐渐从两亲性二嵌段聚合物、延伸至两亲性三嵌段聚合物、不对称三嵌段共聚物、四嵌段聚合物、甚至是能自组装成具有中空结构的SCL胶束的嵌段聚合物-具有可调节亲水性核心的功能。正是这些日益复杂的需求推动着对聚合物的探索。目前又在大分子自组装领域兴起了一种通过主客体分子之间的相互作用驱动形成纳米粒子的方法，自组装聚集体的功能会随着客体分子的改变而改变16。由于这些自组装聚集体能结合胶束、纳米粒子和树枝状聚合物的性能，故其已在如靶向药物递送，代谢产物螯合以及环境污染物的截留等方面应用，但还无法达到临床和实际应用的水平。总体来说，具有多功能化的嵌段共聚物目前已在生物医用材料、纳米结构材料、化工、建筑等方面有较成熟多的应用。1.3.1 嵌段共聚物在生物医用材料方面的应用由于两亲性嵌段共聚物作为响应性的药物传输载体，在医药学上有较好的应用前景，已成为最受关注的载药体系之一。由两亲性嵌段共聚物自组装所制备的纳米胶束可以在以下方面应用：包裹多种疏水性药物、延长药在特定环境下的生物活性、响应刺激后药物控释、靶向给药等17。但就目前的研究进展来看，还无法达到临床应用水平。1.3.2 嵌段共聚物在纳米结构材料方面的应用利用两亲性嵌段共聚物在溶剂中的自组装成微胶囊，得到具有球状形貌的磁性胶束，接着使亲水壳层交联化，可得到不同表面功能化、核壳结构的超顺磁性纳米颗粒，交联后的胶束不仅粒径均一、形貌规则，且具有较高的磁饱和强度，可在磁共振成像方面应用；嵌段共聚物胶束的形貌和粒径大小随着其自组装溶剂的种类和比例的变化而变化，利用嵌段共聚物作为多孔材料模板剂，制备一类具有多级孔结构或空心结构的介孔硅球，该类双介孔氧化硅球在载药和释放药物方面的具有应用前景18。1.3.3 嵌段共聚物在表面活性剂方面的应用嵌段共聚物在溶剂中自组装成微胶囊的现象与表面活性剂在水溶液中形成胶束相似。两亲性嵌段共聚物的亲疏水性所表现出来的性能与典型的表面活性剂相似。可通过设计两亲性嵌段共聚物的分子量和嵌段组成，制备具有表面活化特征的聚合物，其胶束能增溶某些表面活性剂不能溶解的物质，这一特性在化工上有重要作用；除此之外，由嵌段共聚物制得的表面活性剂和普通的表面活性剂相比，能对某些体系产生优异的稳定作用，效果更好19。1.3.4 嵌段共聚物在光催化方面的应用嵌段共聚物作为模板，通过溶胶-凝胶法，在二氧化钛纳米球的表面负载上一层聚合物，经过高温煅烧即可形成碳掺杂体系的复合纳米球。此复合纳米球表现出良好的可见光催化活性，光催化效果优异20。1.3.5 嵌段共聚物在金属防腐方面的应用利用嵌段共聚物自组装成的微胶囊包裹一类能对金属表面涂层起到修复作用的药物，在环境改变的刺激下，胶束稳定性被破坏，药物从胶束中被释放出来，对被破坏的涂层进行修复，进而保护内部金属，因此响应型纳米容器有望应用于金属涂层修复。1.4 主要研究内容和选题意义1.4.1 选题意义聚合物的不同官能团具有不同的功能，通过合成嵌段共聚物，将不同功能的聚合物片段连接在一起，实现聚合物的功能多样化。再利用两亲性聚合物在选择性溶剂中自组装形成纳米胶束体系，这种胶束体系能对外界环境变化产生响应，如pH、温度，我们可以通过研究其对不同刺激的响应条件，将其针对性的应用到生物医学、表面活性剂、金属防腐、化工等领域。聚乙二醇(PEG)是一种亲水性材料；甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)是一种pKa为7.2的弱碱，其胺基在酸性和碱性条件下分别能发生质子化和取质子化，具有 pH响应。故以溴代的聚乙二醇作为大分子引发剂；使单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯发生原子转移自由基聚合合成两亲性嵌段共聚物PEG-PDMAEMA；利用嵌段共聚物PEG-PDMAEMA自组装成的胶束负载金属涂层修复剂DCPD，当金属表面的涂层遭到破坏，引起周围环境pH变化（尤其是变为酸性）时，胶束稳定性被破坏，修复剂DCPD从胶束中被释放出来，对涂层产生修复作用，进而起到保护内部金属的作用，对于金属防腐方面具有应用前景。因此本课题对聚合物的自组装、两亲性嵌段聚合物自组装成的胶束对药物包裹和释放以及控释修复剂后对金属防腐方面的研究具有一定意义。28第2章 PEG-PDMAEMA两亲性嵌段共聚物的制备及表征1.4.2主要研究内容本文主要研究内容是通过原子转移活性聚合的方法合成嵌段共聚物PEG-PDMAEMA，用核磁、红外对合成的聚合物进行表征；分析确定聚合物已经合成，再将PEG-PDMAEMA在水溶液中自组装，采用DLS分析聚合物在酸性、中性以及碱性水溶液中粒径分布；在能形成较大胶束粒径的pH条件下研究PEG-PDMAEMA自组装微胶囊对修复剂DCPD的载药率；最后采用紫外分光光度计分析pH对胶束释放修复剂DCPD速率的影响。第2章 PEG-PDMAEMA两亲性嵌段共聚物的制备及表征2.1 实验材料和实验仪器2.1.1 实验材料表2-1 主要实验试剂Table.2-1 Experimental reagent used in experiments名称纯度含量公司聚乙二醇单甲醚PEG-OH试剂级95.0%Sigma Aldrich甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)AR99%阿拉丁四氢呋喃(THF)AR99.0%阿拉丁2-溴异丁酰溴(BriBB)CP98%阿拉丁三乙胺(TEA)AR99.5%Energy Chemical五甲基二乙烯三胺(PMDETA)CP97.0%国药集团化学试剂有限公司甲苯AR99.5%四川西陇化工有限公司无水乙醚AR99.0%国药集团化学试剂有限公司二氯甲烷AR99.5%国药集团化学试剂有限公司异丙醇AR99.7%西陇化工股份有限公司无水硫酸镁AR98.0%国药集团化学试剂有限公司溴化亚铜AR98.5%国药集团化学试剂有限公司氯化钠AR99.5%国药集团化学试剂有限公司碳酸氢钠AR99.5%国药集团化学试剂有限公司超纯水(实验室自制)2.1.2 实验仪器表2-1 主要实验仪器Table.2-1 The instruments used in experiments仪器名称型号生产厂家旋蒸仪RE-201D郑州科华仪器设备有限公司扫描电子显微镜JEOL JSM 7500F日立公司冷冻干燥机LGJ-25C北京四环科学仪器厂有限公司数控超声波清洗机Branson 2510、8510Branson 公司纳米粒度电位仪Zetasizer Nano ZSP马尔文2.2 嵌段共聚物的制备2.2.1 合成大分子引发剂PEG-Br如图2-1 将8.0 g CH3-O-PEG-OH (Mr=1000)溶于100 mL甲苯中。 在减压下共沸蒸馏出80 mL甲苯，以除去痕量水；加入提前用分子筛干燥24小时的三乙胺(TEA，1.12 mL)，并将溶液冷却至室温(20 )。逐滴滴加2-溴异丁酰溴(1 mL,溶于30 mL的THF中)并将反应混合物在室温(20 )搅拌2天。将溶液过滤并通过旋转蒸发除去大部分甲苯，加80 mL二氯甲烷萃取产物，收集有机层，用饱和碳酸氢钠洗涤2次，再用饱和氯化钠洗涤3次，用MgSO4干燥过夜，旋蒸除去溶剂，沉淀到过量冷乙醚中，抽滤，冷冻干燥，得到大分子引发剂。合成过程中需要注意催化剂溴化亚铜(CuBr)的处理和保存：在烧杯中加入CuBr和冰醋酸，搅拌过夜，弃去上清液，往烧杯里加入丙酮，在真空干燥箱里干燥，得到灰白色的溴化亚铜粉末，保存于真空干燥箱中。图2-1大分子引发剂PEG-Br制备方法Fig.2-1 Process of preparing PEG-Br.2.2.2 合成两亲性嵌段共聚物PEG-PDMAEMA如图2-2 将PEG-Br (1000 gmol-1,1 g，0.25 mmol)，DMAEMA (4.22 mL, 157.2 gmol-1, 12.5 mmol)，PMDETA (108 uL, 173.3 gmol-1, 0.043 g, 0.25 mmol)和8 L异丙醇加入到10 mL的Schlenk管中并用磁力搅拌器搅拌30分钟。 然后通过三次冷冻泵-解冻循环将管脱气，并最终在N2气流下加入CuBr (147.5 gmol-1, 0.036 g, 0.25 mmol)后，将其浸入30 的恒温油浴中。 在3小时后向溶液中加入THF以停止反应21。然后收集混合物在去离子水中透析，不断更换去离子水，直至去离子水不再变蓝，收集透析袋内液体，冷冻干燥，收集产物。保存PEG-PDMAEM聚合物时需注意：PEG-PDMAEM的玻璃化转变温度较低，在常温下易转化为液态，需要在低温下储存。图2-2嵌段聚合物PEG-DMAEMA制备方法Fig.2-2 Process of preparing PEG-DMAEMA.2.2.3 嵌段聚合物的自组装电子天平称取0.05 g PEG-PDMAEMA于烧杯中，加入超纯水，超声10 min，使聚合物溶解于超纯水中，定容到50 mL，配制成聚合物浓度为10 mg/mL的母液。取5 mL母液，缓慢滴加提前稀释的盐酸，至pH=4；取5 mL母液，缓慢滴加氢氧化钠溶液，至pH=9。2.3 制备聚合物的表征方法2.3.1 核磁氢谱分析核磁共振氢谱是利用核磁共振仪记录原子在共振下产生不同强弱程度的信号从而绘制的图谱22。吸收峰的数量代表物质中含有的氢原子的种类，所出峰的各峰面积与不同种类的氢原子数量之比想对应。配制样品及要求：核磁可以对物质进行定性分析，对需要进行测量的物质的取样量没有固定要求，但有一定的取样原则：在满足分析测试的情况下，样品尽量取少，控制浓度较低。本实验中取5 mg PEG-Br ，将样品放入样品管中，取0.5 mL CDCl3 (氘代氯仿)注入样品管，使CDCl3充分溶解PEG-PDMAEM。待PEG-PDMAEM与氘代氯仿充分混合，溶液澄清透明、没有悬浮物或杂质，送样。2.3.2 红外光谱测定红外光谱是通过红外光照射有机物分子，官能团中的原子具有一定的振动频率，当此振动频率与红外光的振动频率匹配时能发生吸收，因此不同的官能团的吸收频率不同，再通过传感器记录，不同官能团就能在红外谱图中显示出不同的峰位、峰形、峰强23。测试条件：分辨率2 cm-1，波数扫描范围200-4000 cm-1。2.3.3 动态光散射粒度分析采用马尔文纳米粒度电位仪测量分析两亲性嵌段共聚物的自组装粒径和粒径分布24，及两亲性嵌段共聚物包裹修复剂DCPD后的粒径和粒径分布。2.3.4 透射电子显微镜透射电子显微镜(TEM)能使高速的电子束透过样品，电子发生不同角度散射从而成像，可以达到原子级别的分辨25。为了研究两亲性嵌段共聚物在不同pH下的水溶液中自组装后的形貌变化，对不同pH下嵌段共聚物自组装的胶束进行TEM检测。2.4 结果与讨论以活性自由基聚合的方式合成两亲性嵌段聚合物PEG-PDMAEMA，总合成路线图如下：图2-3 嵌段聚合物PEG-PDMAEMA的总合成路线图Figure.2-3 Synthesis route of block polymer PEG-PDMAEMA2.4.1 核磁谱图分析bdc 图2-4 聚合物PEG-Br的核磁谱图Fig.2-4 1H-NMR spectrum of polymer PEG-Br in CDCl3采用核磁共振检测了聚合物PEG-Br，图2-4得到聚合物中氢原子的种类和数量，具体分析如下：化学位移=3.64 ppm，归属于 PEG的重复片段中的亚甲基峰b(-CH2-CH2-O)，化学位移= 3.38 ppm为PEG链段的甲基峰c(-OCH3)，化学位移=1.94 ppm为2-溴异丁酰溴引入的甲基峰d(-C(CH3)2); 化学位移=7.2 ppm归属于氘代试剂溶剂峰；化学位移=0.0 ppm归属于四甲基硅烷基准峰。（k,h）gfdecbk图2-5 聚合物PEG-PDMAEMA的核磁谱图Fig.2-5 1H-NMR results of polymers PEG-OH、PEG-Br and PEG-PDMAEMA采用核磁共振检测了聚合物PEG-PDMAEMA，图2-5得到聚合物中氢原子种类和数量，具体分析如下：化学位移=4.06 ppm，为PDMAEMA片段中的与羧基相连的亚甲基质子峰b(COO-CH2)，化学位移=3.64 ppm归属于 PEG的重复片段中的亚甲基峰c(-CH2-CH2-O)，化学位移=3.38 ppm，归属于PEG片段中的甲基峰d(-OCH3)，化学位移=2.57 ppm归属于PDMAEMA片段中的与N相连的亚甲基峰e(N-(CH2) ，化学位移=2.30 ppm归属于PDMAEMA片段上的叔氨甲基质子峰f(N -(CH3)2)，化学位移=1.88 ppm和1.9 ppm归属于PDMAEMA片段中的亚甲基峰g(C-(CH2)-C)，化学位移=1.05 ppm和0.90 ppm归属于PDMAEMA片段中的甲基峰k(C-CH3)和PEG片段中的甲基峰h(C(CH32)，化学位移=1.25 ppm和4.06 ppm归属于溶剂异丙醇的峰，化学位移=7.2 ppm归属于氘代试剂溶剂峰,化学位移=0.0 ppm归属于四甲基硅烷基准峰。根据d和f的峰面积比例为1:65.58可算得聚合物的聚合度为32；根据d和e的峰面积比例为1:22.96可算得聚合物的聚合度为34；根据d和b的峰面积比例为1:21.22可算得聚合度为32；根据d和g的峰面积比例为1:19.97可算得聚合度为30；根据d和(k+h)的峰面积比例为1:31.82可算得(k+h)的氢原子总数为96，由于h不处于重复链段内，减去h处的6个氢原子，k处氢原子个数为90，通过k处与d处的氢原子比可算得聚合度为30；由于对核磁谱图进行积分操作时为手动积分，存在偏差，故积分面积与氢原子数量对应时存在少许误差，综上聚合物的聚合度取32。2.4.2 红外光谱分析图2-6 大分子引发剂PEG-Br和二嵌段聚合物PEG-PDMAEMA的红外谱图Fig.2-6 Infrared spectra of macroinitiator PEG-Br and diblock polymer PEG-PDMAEMA采用红外检测了聚合物的红外吸收共振强度，图2-6得到大分子引发剂PEG-Br和二嵌段聚合物PEG-PDMAEMA的红外光谱，图中显示了两种进行红外分析的物质的红外谱图主要区别：聚合物的红外谱图在波数为2890 cm-1处峰发生了分裂，以及在波数为1730 cm-1处出现了明显的峰值为酯基的特征峰。首先在2890 cm-1处发生分裂，表明引入了新的氢原子，且此氢原子的周围存在与其振动频率相近的氢原子，产生共振，导致峰分裂；其次，由于酯基在PEG-Br和DMAEMA 片段上都存在，但PEG-Br片段上的酯基只有一个，而DMAEMA片段上的酯基处于聚合片段内，根据图2-5核磁谱图分析的结果聚合度为32，则DMAEMA的聚合片段上存在32个酯基，若DMAEMA片段没有聚合上去，则波长为1730 cm-1处不会出现强吸收峰。综上，判断嵌段共聚物PEG-PDMAEMA合成成功。2.4.3 动态光散射粒度分析(DLS)图2-7 聚合物PEG-PDMAEMA在a) pH=4, b) pH=7, c) pH=9的水溶液下自组装后的粒径分布图Fig.2-7 The particle size distribution of self-assembled polymer PEG-PDMAEMA at a) pH=4, b) pH=7, c) pH=9采用DLS分析了聚合物自组装后的粒径分布，通过图2-7图可以看到，PEG-PDMAEMA在pH=4的水溶液中能自组装成胶束，粒径在78 nm左右，出峰窄，表明粒径分布窄；在pH=7的水溶液中能自组装成胶束，粒径在142 nm左右，粒径分布较宽；在pH=9的水溶液中自组装成胶束粒径在190 nm左右，粒径分布较宽。出现上述情况的原因可能在于：DMAEMA片段中的叔胺基在pKa大于7.2时去质子化，实验操作中是先将嵌段共聚物溶解在超纯水(中性)溶液中，故有部分叔胺基能发生去质子化过程，成为疏水段，聚合物能自发形成疏水内核-亲水外壳的胶束；将已溶解聚合物的超纯水溶液pH调节至酸性(pH=4)的过程中，聚集在胶束内部的DMAEMA片段中的叔胺基相互之间联系紧密，未能完全质子化，故能检测到粒径较小的胶束；而将已溶解聚合物的超纯水溶液pH调节pH至碱性( pH=9)的过程中，叔胺基质子化程度变大，致使更多的聚合物的DMAEMA端聚集到一起形成疏水性内核，于是测得的胶束粒径比pH=7时较大。2.4.4 透射电子显微镜(TEM)图2-8聚合物PEG-PDMAEMA在a) pH=4, b) pH=7, c) pH=9的水溶液下自组装TEM图Fig.2-8 TEM images of polymer PEG-PDMAEMA self-assembled at a) pH=4, b) pH=7, c) aqueous solution with pH=9采用TEM获得了嵌段共聚物自组装后的微观形貌。由图2-8可知在pH为4时，粒径为28 nm左右且粒径大小均一；pH为7时，粒径为45 nm左右，粒径大小不均一；pH为9时，粒径在56 nm左右，粒径大小不均一。这是由于中性条件是形成胶束的临界条件，故有大小不一的胶束形成，粒径均一性差；碱性条件下，是将中性条件下的溶解的聚合物自组装溶液pH调节至9，聚合物的DMAEMA片段上的叔胺基去质子化，能形成较大粒径的胶束，同时也存在未去质子化的DMAEMA片段，故也存在粒径较小的胶束；而酸性条件下，是将中性条件下的溶解的聚合物自组装溶液pH调节至4，聚合物的DMAEMA片段上的叔胺基未能完全质子化，故存在少量粒径较小的胶束。此外，TEM图所测得的粒径比DLS测得的粒径小，这是由于TEM取样测试时，需要将自组装后的液体滴在铜网上，将滴有样品的铜网烘干后进行测量，而DLS测量时是直接取液体样品进行测量，且在测量DLS的过程中，自组装的胶束之间可能发生聚集，一旦聚集，测得的粒径值将会成倍增大，故DLS测得的粒径比TEM大。两种方式测得的粒径大小规律是相同的。2.5 本章小结 (1) 采用ATRP聚合方法合成两亲性嵌段共聚物PEG-PDMAEMA，此聚合方法得到的PEG-PDMAEMA粒径分布较窄；(2) 通过核磁谱图和红外谱图中主要出峰位、峰强对合成的聚合物进行了分析，确定聚合物已经成功合成，并根据核磁谱图的峰面积之比算得嵌段共聚物的聚合度为32。(3) DLS和TEM结果均表明聚合物在酸性水溶液中自组装成粒径较小且粒径大小均一；在中性环境下能自组装成粒径大小不一的胶束；在碱性环境下自组装成粒径较大，不均一的胶束。TEM和DLS两种测试方法得到的结果能相互对应。第3章 PEG-PDMAEMA嵌段共聚物对修复剂DCPD的包裹和释放第3章 嵌段共聚物对修复剂DCPD的包裹和释放3.1 实验材料及实验仪器3.1.1 实验材料表3-1 主要实验试剂Table.3-1 Experimental reagent used in experiments名称纯度含量公司双环戊二烯(DCPD)AR96%阿拉丁GR邻苯二甲酸氢钾AR99.5%国药GR磷酸二氢钾AR99.5%国药3.1.2 实验仪器表3-2 主要实验仪器Table.3-2 The instruments used in experiments仪器名称型号生产厂家紫外-可见分光光度计U-3900日本HITACHI公司纳米粒度电位仪Zetasizer Nano ZSP马尔文3.2 嵌段共聚物对修复剂DCPD的包裹和释放3.2.1 修复剂的填装 用电子天平称取0.5 g二嵌段聚合物(PEG-PDMAEMA)于烧杯中，加入修复剂(DCPD) 0.2 g，二甲基亚砜(DMSO) 5 mL，加入超纯水20 mL，滴加NaOH溶液，调节pH到9，超声10分钟使DCPD以及嵌段聚合物充分溶解在溶液中，将上述溶液置于37 油浴下搅拌12小时后转移至透析袋中，在室温下用pH为9的碱性超纯水溶液中透析8小时，使未包裹的DCPD透析出来。取出透析液，用pH为9的超纯水将透析液定容到50 mL，作为母液在37 下保存待用26。3.2.2 载药率和包封率的测量(1)调节超纯水pH为9，在其中配制浓度依次为：0.005 mg/mL、0.01 mg/mL、0.015 mg/mL、0.02 mg/mL、0.025 mg/mL的DCPD溶液，超声10分钟，依次测量紫外吸光度，作浓度-吸光度曲线即得到pH=9时的DCPD溶解标准曲线。(2)取母液冷冻干燥，得到DCPD-PDMAEMA-PEG冻干粉。电子天平称取DCPD-PDMAEMA-PEG纳米载药体系的冻干粉5.0 mg，将其溶解于10 mL去超纯水中，配置成浓度为500 g/mL的溶液，取适量溶液利用紫外-可见光分光光度计测量溶液吸光度27。计算公式如下：载药量(%)=DCPD-PDMAEMA-PEG中药物重量DCPD-PDMAEMA-PEG总重量100%(3-1)包封率(%)=DCPD-PDMAEMA-PEG中药物重量投入的药物重量100%(3-2)3.2.3 修复剂的释放速率的测定(1)标准曲线的测定：pH=4.00缓冲溶液：用GR邻苯二甲酸氢钾10.12 g，溶解于1000 mL的超纯水中；pH=6.86缓冲溶液：用GR磷酸二氢钾3.387 g、GR磷酸氢二钠3.533 g，溶解于1000 mL的超纯水中；在pH=4的缓冲溶液中配制浓度依次为0.005 mg/mL、0.01 mg/mL、0.015 mg/mL、0.02 mg/mL、0.025 mg/mL的DCPD溶液，超声10分钟，依次测量紫外吸光度，作浓度-吸光度曲线即得到pH=4时的DCPD溶解标准曲线。pH=6.86时的标准曲线只需将pH=4的缓冲溶液换成pH=6.86的缓冲溶液，之后步骤与pH=4时相同。(2)取母液冷冻干燥，得到DCPD-PDMAEMA-PEG冻干粉。在烧杯中放入磁子，加入80 mL pH=4的缓冲溶液做透析介质。精确称取定量DCPD-PDMAEMA-PEG冻干粉，溶解在超纯水中，使得超纯水中DCPD的浓度为1.5 mg/mL。取4 mL上述已配置好的含有胶束体系的超纯水溶液于透析袋中，将透析袋放入盛有80 mL缓冲溶液的烧杯中，打开磁力搅拌器，使磁子匀速转动，同时开始计时；每隔一段时间吸取5 mL透析介质，装入洁净干燥的小瓶中，待测紫外吸光度，同时补充5 mL新鲜的缓冲溶液。取样结束后测量紫外吸光度，将测得的紫外吸光度值代入与标准曲线，算得DCPD浓度28。再根据公式：释放率(%)=BnD+t=0n-1BtDtPS100%(3-3)上式中，Bn和Bt分别为第n个时间和第t个时间点所取样品中DCPD的浓度，D和Dt分别为介质总体积和第t个时间点所取的介质体积，P为胶束体系的重量，S为载药率。由标准曲线得到每一个时间点的DCPD浓度Bn及第n个时间点之前所有时间点的浓度与所取介质体积的乘积之和t=0n-1BtDt，本实验中D透析介质总体积为80 mL。pH=6.86时只需将上述pH=4的缓冲溶液换成pH=6.86的缓冲溶液，其余步骤同上。3.3 结果与讨论DCPD在三个pH下不同溶液中的紫外吸收标准曲线：图3-1 DCPD在pH=4下的缓冲溶液中的紫外吸收标准曲线Fig.3-1 Plot of UV absorbance standard curve of DCPD in buffer solution at pH=4 图3-2 DCPD在pH=6.86下的缓冲溶液中的紫外吸收标准曲线Fig.3-2 Plot of UV absorption standard curve of DCPD in buffer solution at pH=6.86图3-3 DCPD在pH=9下的水溶液中的紫外吸收标准曲线Fig.3-3 Plot of UV absorption standard curve of DCPD in aqueous solution at pH=93.3.1 动态光散射粒度分析(DLS)图3-4 聚合物PEG-PDMAEMA自组装后a) pH=9,以及包裹药物后b) pH=9的粒径分布图Fig.3-4 Particle size distribution of a) pH=9 after the self-assembly of polymer PEG-PDMAEMA and b) pH=9 after encapsulating the drug 通过图3-4的粒径分布图可以看到PEG-PDMAEM自组装成的胶束在包裹药物以后，比自组装胶束的粒径大。可能是由于这是由于疏水性修复剂DCPD占据PDMAEMA疏水段相互聚拢时的空间，PDMAEMA疏水段之间存在空隙，没有自组装时的结构紧凑，导致胶束粒径变大。3.3.2 载药率和包封率图3-5 PEG-PDAMEMA胶束载药系统的紫外吸光度Fig.3-5 UV absorbance of the PEG-PDAMEMA micelle drug delivery system由于DCPD在紫外分光光度计的扫描波长为241 nm时有最大吸收，故取聚合物自组装胶束包裹DCPD后所测得的紫外吸收光谱在241 nm处的吸光度Abs。根据公式(3-1)和(3-2)可得，载药率为3.53%，包封率为12.36%。此结果与以往载药系统的载药率报道29,30相比较低。这是由于PEG-PDMAEMA虽具有两亲性，但其始终为二嵌段聚合物，相比两亲性三嵌段的聚合物形成胶束的稳定性差31，存在漏药的可能。但此二嵌段聚合物的合成较三嵌段来说，合成过程更为简单，易操作，产率较高，成本低，且能实现pH响应控释药物，对于没有精确要求的体系适用。3.3.3 pH对修复剂释放速率的影响图3-6 PEG-PDAMEMA胶束载药系统在酸性和中性条件下对药物的释放速率Figure.3-6 Drug release rate of PEG-PDAMEMA micelle system under acidic and neutral conditions由上图3-6结果可知：在酸性和中性条件下，胶束载药系统都能释放出DCPD，酸性条件下释放速率较快，前7个小时为快速释放阶段，能释放出40.63%的DCPD，在前48小时内能释放出85.19%的DCPD，产生这种结果的原因可能在于前7个小时内，DCPD在透析袋内外存在较大的浓度差，在胶束外壳附近仅靠物理吸附的DCPD能快速转移至透析介质缓冲溶液中，而被胶束系统包裹进内核的药物需要通过PDMAEMA片段的质子化作用破坏胶束结构之后才能释放出来，后期(7小时后)由于DCPD内外浓度梯度小，且越是靠近胶束内核的DMAEMA片段质子化所需要的时间越久，药物释放出来所需的时间越久，故释放速率变缓。中性条件下释放速率较慢，前2小时为快速释放段，释放出6.95%的DCPD，出现这种现象的原因可能是由于胶束外壳附近仅靠物理吸附的DCPD能快速转移至透析介质缓冲溶液中，在48小时内仅释放出38.51%，由于中性条件下DMAEMA片段的叔胺基质子化程度较小，胶束结构被破坏的速率慢，故药物释放出来的速率也随之变慢，而中性条件下氢离子数量有限，只有部分叔胺基能质子化，故释放出来的DCPD较少。若应用于防腐时，当金属表面涂层被破坏引起坏境PH变为酸性时，DCPD能迅速从PEG-PDMAEMA自组装的微胶囊中释放出来，能快速对被破损的涂层产生修复作用，从而对金属起到保护作用。3.4 本章小结本章主要利用嵌段共聚物能自组装成胶束及胶束的pH响应性，对修复剂DCPD进行包裹和释放性能的研究。(1)由PEG-PDMAEMA形成的胶束系统对修复剂DCPD进行载药操作，通过DLS测量结果显示，载药的胶束系统粒径比自组装后的胶束系统粒径大，通过紫外吸光度测得PEG-PDMAEMA胶束系统的载药率测得为3.53%，包封率为12.36%。(2)利用PDMAEMA片段的pH响应性讨论pH对胶束释放药物速率的影响时：在酸性和中性条件下，胶束都能释放出DCPD，酸性条件下释放速率较快，在48小时内能释放出85.19%的药物；而中性条件下释放速率较慢，在48小时内释放出38.51%。第4章 结论中国石油大学(华东)本科毕业设计(论文)本文主要通过活性自由基聚合方法合成两亲性嵌段共聚物PEG-PDMAEMA，研究了pH对其在水溶液中自组装胶束及其对涂层修复剂DCPD负载和响应释放行为的影响规律。主要得出以下结论：1. 合成的两亲性嵌段共聚物PEG-PDMAEMA自组装后形成的胶束粒径在pH=4时为78 nm且大小均一，pH=7时为142 nm，但大小不均一，pH=9时为190 nm，大小不均一。2. 利用PEG-PDMAEMA自组装胶束系统包裹修复剂DCPD，通过紫外分光光度计测得吸光度，并与DCPD标准吸光度曲线相比较，得到载药率为3.53%，封率为12.36%。3. 通过紫外分光光度计测量了