（有机化学专业论文）嵌段共聚物的合成及自组装.pdf

摘要 具有良好生物相容性的嵌段共聚物，由于它可以形成微胶囊和胶束，被广泛用于药 物基因控制释放体系。带有手性的嵌段共聚物和糖聚合物，不仅可以作为药物载体，还 有可能用于手性药物的拆分和蛋白类药物的识别。所以这两类嵌段共聚物的研究具有重 要的理论意义和应用价值。 本文合成了新型的嵌段共聚物，对结构进行了表征，并对其自组装行为进行了研 究。所作的工作主要有以下内容： 1 以聚环氧乙烯聚烯丙基缩水甘油醚两亲嵌段共聚物为母体聚合物，使用大分子 反应的方法，利用硫醇与双键的自由基加成反应，在其侧链双键上进行化学改性，制得 侧链带有巯基吡喃葡萄糖的聚环氧乙烯b 聚烯丙基缩水甘油醚( p e o b p ( a g e g l u ) ) 双亲水性聚合物。并用核磁( 1 h n m r ) 和凝胶渗透色谱( g p c ) 对聚合物进行了表征。 用n 一苯基- 1 - 萘胺( p n a ) 荧光探针技术研究了共聚物胶束的形成及其临界胶束浓度 ( c m c ) ，利用动态光散射( d l s ) 研究了胶束的粒径分布。使用荧光探针技术和d l s 研究了 植物凝集素c o na 诱导的核交联胶束的稳定性。 2 以端甲氧基聚环氧乙烯为大分子引发剂，采用开环聚合方法合成了聚乙二醇一聚 l 亮氨酸两亲嵌段共聚物( p e o pll e u c i n e ) 。用圆二色谱( c d ) 研究了嵌段共聚物在水溶 液中的二级结构。用芘荧光探针技术研究了共聚物胶束的形成及其临界胶束浓度 ( c m c ) ，利用动态光散射( d l s ) 和原子力显微镜( a f m ) 研究了胶束的粒径分布和形态。 使用表面张力，d l s ，a f m ，c d 研究了聚合物在葡萄糖和氨基酸存在下的稳定性。 关键词：糖聚合物，聚环氧乙烯，嵌段共聚物，自组装，胶束，稳定性 a b s t r a c t b l o c kc o p o l y m e r sw h i c hh a v ef a v o r a b l eb i o c o m p a t i b l ea n db i o d e g r a d a b l ep r o p e r t i e sa rew i d e l y u s e di n d r u g o r g e n ed e l i v e r ys y s t e m sb e c a u s et h e y c a nf o r m m i c r o c a p s u l e s o rm i c e l l e s b y s e l f - a s s e m b l i n g b l o c kc o p o l y m e r sw i t hc h i r a lg r o u po rg l u c o p o l y m e rc a nn o to n l yb eu s e da sd r u gc a r d e r s ， b u ta l s oe x p e c t e dt ob ee x t e n d e dt os e p a r a t i o no fc h i r a ld r u g s s t u d i e so nt h et w oc l a s sb l o c kc o p o l y m e ra s d r u gc a r d e ra rei m p o r t a n tb o t ht h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y i nt h i sp a p e r , n e wd i b l o c kc o p o l y m e r sw e r es y n t h e s i z e d ，t h es t r u c t u r e so ft h ec o p o l y m e r sw e r e c h a r a c t e r i z e d a n dt h es e l f - a s s e m b l yb e h a v i o rw a ss t u d i e d t h i sp a p e rw a sm a i n l yc o m p o s e do ft w op a r t s a l sf c i l l o w s ： 1 n o v e lf u n c t i o n a lc o p o l y m e r sw e r ep r e p a r e dv i aaf r e er a d i c a lt h i o l - e n ec o u p l i n go fp e n d e n t a l l y lg r o u p so np o l y ( e t h y l e n eg l y c o1 ) - b - p o l y ( a l l y lg l y c i d y le t h e r ) ( p e o - b p a g e ) w i t h1 - t h i o 1 3 - d g l u c o s e t e t r a a c e t a t e t h e i rs t r u c t u r e sw e r ec h a r a c t e r i z e db y1 h n m ra n dg e lp e r m e a t i o nc h r o m a t o g r a p h y ( g p c ) t h em i c e l l i z a t i o na n dc r i t i c a lm i c e l l ec o n c e n t r a t i o n s ( c m c ) o fp e o b - p a g ei nw a t e rw e r e m o n i t o r e db yf l u o r e s c e n tp r o b et e c h n i q u e t h ed i a m e t e ra n dd i s t r i b u t i o no fm i c e l l e sw e r ec h a r a c t e r i z e db y d l s 2 b l o c k c o p o l y m e r s o f p o l y ( e t h y l e n eg l y c o1 ) 一b p o l y - l - l e u c i n e w e r e s y n t h e s i z e db y r i n g o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o n a n di t ss t r u c t u r e sw e r ec h a r a c t e r i z e d t h es e c o n d a r ys t r u c t u r ew a s i n v e s t i g a t e db yc i r c u l a rd i c h r o i s m ( c d ) t h em i c e l l i z a t i o na n dc m co fp o l y ( e t h y l e n eg l y c o1 ) 一b p o l y l - l e u c i n ei nw a t e rw e r em o n i t o r e db yf l u o r e s c e n tp r o b et e c h n i q u e t h ed i a m e t e ra n dd i s t r i b u t i o no fm i c e l l e s w e r ec h a r a c t e r i z e db yd l sa n di t ss h a p ew a so b s e r v e db ya t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) 。t h es t e a d y o fm i c e l l ew a ss t u d i e du s i n gs u f a c et e n s i o n ，d l s ，a f m ，c dt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：g l u c o p o l y m e r , p o t ye t h y l e n eg l y c ol ，b l o c kc o p o l y m e r , s e l f - a s s e m b l y , m i c e l l e ，s t e a d y i i i 独创性声明 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河南师范大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名： 龟埠日期：越 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河南师 范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 签名： 遑孵导师签名：乏盏幽日期：忍丛生刽厶也 7 3 第一章绪论 1 1 嵌段共聚物 第一章：绪论1 嵌段共聚物是一种非常有用的高分子材料，由化学性质不同的两个链段或更多的链 段所组成，由于链段间的表面能和溶解性不同，在一定条件下可以自组装形成胶束。胶 束具有溶剂化的外壳和疏溶剂的内核，胶束的形态和尺寸大小依赖于共聚物的组成、不 同嵌段的性质、共聚物的起始浓度和溶剂的性质等。近年来，研究最多的是双亲性嵌段 共聚物和双亲水性嵌段共聚物。 1 1 1 嵌段共聚物的分子设计 不同大分子链段用化学键头尾连接便形成了嵌段共聚物。嵌段共聚物的研究起始于 无终止阴离子活性聚合的发现，适当的a 、b 单体顺次阴离子聚合便制备出最简单的a b 二嵌段共聚物。丰富的合成技术及方法使得嵌段共聚物在单体的选择性、嵌段的功能性、 嵌段设计等方面都取得了相当大的自由度。图1 1 给出了典型的嵌段共聚物的分子设计。 由图可见，分子设计的范围相当广泛，关键是要有可靠的聚合反应及相关的化学技术来 实现这些目标聚合物，使其产物纯净、结构明确。 戛 茎 ：r ) ? 喜 参 ； 之、 毫 l 曰l k 霎- - 毛万。 ( j ：j 霉!彳 四勃 ，：只 一 勖 l 一， _ ：专 ；掣， k 凡 蜉咯 口r 气 5 分 t p k 吲；、 哦， t 、l = ! ( a - - - b 卜a 一 ta b ) - 6 - b - - b ，d ) 、：f c 二多。 f 一一 t ，b 卜扣 b f i g l 1m o l e c u l a rd e s i g no fb l o c kc o p o l y m e r l 国家自然科学基金m o 2 0 4 7 3 0 2 6 ) 一 亨毫n皇 警毒 嵌段共聚物的合成及自组装 1 1 2 嵌段共聚物的自组装 分子的自组装是指分子依靠分子间作用力而自发形成的具有一定特性结构的聚集 体，如双分子膜、胶束、d n a 双螺旋等。基于分子的自组装，可以制备出不同形态的纳 米尺度的聚集体。用于研究自组装的嵌段共聚物主要有双亲水性嵌段共聚物和两亲性嵌 段共聚物等。 ( 1 ) 两嵌段共聚物在水中的自组装 a 、两亲性嵌段共聚物在水中的自组装 由两亲性嵌段共聚物来制备胶束的方法主要有直接溶解法和选择性溶剂法。如果嵌 段共聚物的亲水段显著较长，可以被直接溶解在水中，平衡一段时间后便可以形成星形 聚集体【l 】。如果共聚物的疏水段相对较长，可以将共聚物先溶解在两链段的共溶剂中， 然后慢慢滴加疏水段的不良溶剂( 水) ，诱使共聚物聚集。搅拌一段时间后，用透析袋在 水中透走有机溶剂，便可以形成“c r e w c u t ”型聚集体【2 3 】。在这种情况下聚集体主要是 靠疏水相互作用形成的。聚集体的形态主要受以下三个因素影响，( a ) 组成核的嵌段在 核中的伸展情况，( b ) 壳层和溶剂间的表面张力，( c ) 核层聚合物间的排斥作用3 ，4 1 。 b 、双亲水性嵌段共聚物在水中的自组装 靠静电相互作用进行自组装 最近研究表明，双亲水嵌段共聚物在水中也可以形成核一壳结构聚集体5 ，6 1 。靠静电 相互作用能在水中形成聚集体的双亲水嵌段共聚物是含聚阴和聚阳离子链段的嵌段共 聚物。如含聚阴和聚阳离子链段的水溶性嵌段共聚物间通过静电相互作用形成聚离子复 合胶束，此胶束的芯是由聚阴和聚阳离子链段形成的复合物，外壳由另一亲水链段组成 1 7 1 。含聚阴或聚阳离子链段的水溶性嵌段共聚物与含相反电荷的表面活性剂间通过静电 作用可以形成聚合物一表面活性剂复合物，进而组装成胶束。此种胶束的核是聚合物一 表面活性剂复合物引，壳层为另一水溶性聚合物链段。 靠氢键作用进行自组装 有些双亲水嵌段共聚物的某一链段之间可以形成分子间氢键【9 】，从而诱使聚合物白 组装，形成不同形态的聚集体。因而制备此种聚集体的方法是先把聚合物溶解在水中， 升高温度到一定值后，然后降温，平衡一段时间，或直接溶解在水中，搅拌平衡一段时 间后，便可制备出不同形态的聚集体。例如：苯乙烯和甲基丙烯酸的共聚物( s m a a ) 与乙 2 第一章绪论 烯基吡咯烷酮( p v p ) 聚合物在水中能形成胶束。s m a a 中的羧基和p v p 之间能形成氢键， 这样s m a a 和p v p 在水中的溶解性有了差别，就可以形成胶束【l 0 。 ( 2 ) 大分子胶束的特点 与两亲性小分子在水中的聚集行为相比较，大分子在水中的聚集行为具有以下特 点：( 1 ) 形成的胶束直径大。( 2 ) 具有较低的临界胶束浓度。临界胶束浓度是两亲性嵌段 共聚物在水中开始聚集时的浓度，它和嵌段共聚物的性质，亲油段和亲水段长度之比有 关。( 3 ) 胶束形成的动力学过程较慢。( 4 ) 胶束的形成为热力学过程1 1 1 。 1 1 3 胶束的表征 表征胶束的方法很多，直观的方法是用透射电子显微镜( t e m ) ，原子力显微镜 ( a f m ) 和扫描电子显微镜( s e m ) 等进行形态观察。这种电镜方法表征的是胶束干态的形 貌，其中t e m 成像是基于电子密度的差别，其优点是通过t e m 观察，可以观察到聚集 体的内部结构，如可以看到囊泡的空腔。经负染色的胶束在t e m 照片中外部比内部颜 色更深。胶束溶液的表征方法主要由粘度法、动态和静态光散射法、中子衍射法、同步 辐射x 光散射法和荧光光谱法等。如动态光散射法可以得到胶束的流体力学半径和粒径 分布；静态光散射法可以得到胶束的聚集数，还可以推测胶束的形状。光散射和荧光法可 以用来测定嵌段共聚物的临界胶束浓度等。表1 1 列出了采用不同的方法获得胶束不同 的信息。 1 1 4 胶束形成的动力学 在选择性溶剂中，嵌段共聚物的胶束和单分子的平衡是一动态平衡过程。共聚物 分子以一定的速率在胶束与单分子之间迁移。与表面活性剂胶束相比，其胶束化速率常 数( k ) 不再与单分子链的扩散速率有关而取决于其单分子链在胶束壳中的迁移【1 2 】。把 两种不同摩尔质量大小的胶束体系混合然后检测其混合后杂化胶束的出现情况可获得 其平衡动力学的信息。胶束杂化的速率很大程度上依赖于形成两种胶束的共聚物的分子 结构和溶剂的热力学性质。大多数情况下，这一迁移速率非常慢。当选择性溶剂对胶束 核是很强的沉淀剂时，这一迁移甚至完全被冻结。对于二嵌段共聚物体系，这一平衡的 建立所需的时间要小于三嵌段共聚物体系。这是由于三嵌段共聚物所形成的胶束的核是 气 嵌段共聚物的合成及自组装 t a b l e1 1 ，c h a r a c t e r i z a t i o nt e c h n i q u eo ft h eb l o c kc o p o l y m e r 方法胶束信息 静态光散射( s l s ) 动态光散射( d l s ) 小角x 射线散射( s a x s ) 中子散射( n s ) 透射电镜( t e m ) 凝胶色谱法( s e c ) 停流技术 稳态荧光 核磁共振( n m r ) 粘度法 胶束的重均分子量和回旋半径 核半径和微晶结构 胶束的重均分子量和回旋半径 胶束的重均分子量和回旋半径 胶束的大小和形态 胶束动力学平衡 胶束形成和解缔合的松弛时间 胶束动力学平衡的能量变化 胶束动力学 胶束的流体力学 较为缠绕的，共聚物链的迁移要更加克服这一解“缠绕”过程。共胶束化( c o m i c e l l i z a t i o n ) 是通过原胶束的解缔合和两种共聚物分子重新缔合形成均一的杂化胶束的过程进行的。 p r o c h a z k a 等在研究中采用一种嵌段共聚物分别用荧光供体( 咔唑) 及荧光受体( 葸) 标记并形成混合胶束体系，胶束间大分子链的迁移交换可由被标记在大分子上的荧光物 质从供体到受体的非发射能量的转移信息而表达出来。实验证明该过程非常复杂。单体 分子与胶束之间的平衡缓慢，单体胶束间的质量交换几率不仅与溶剂有关，还与不溶嵌 段的柔性有关。 采用l i g h t s c a t t e r i n gs t o p p e d f l o w 方法【13 】可以研究胶束的缔合和解缔合动力学。把 溶解在某一良溶剂中的嵌段共聚物溶液与某一沉淀剂混合，以使混合体系变为选择性溶 剂，从而获得胶束缔合形成的信息。相反，把胶束溶液与良溶剂相混合，以使体系变为 良溶剂体系，从而获得胶束的解缔合信息。胶束化松弛时间，对于二嵌段共聚物和三嵌 段共聚物大约均为1 0 m s ，而解缔合的时间对于二嵌段共聚物来讲，小于l m s ，对于三 嵌段共聚物来讲，大于l o o m s 。三嵌段共聚物解缔合需要更长的时间，是因为其解缔合 更需要克服胶束核的解“缠绕”过程。 4 第一章绪论 1 1 5 胶束化过程的热力学 嵌段共聚物在选择性溶剂中的胶束化行为遵从紧密缔合模型，体系处于单分子共聚 物和多分子聚集态( 胶束) 的热力学平衡，体系自由能最低。对胶束化过程的热力学分 析主要基于两种途径：相分离模型( 认为在c m c 值时胶束形成了一个分离的相) ；质量作 用模型( 认为胶束和单分子处于聚集和解聚集的平衡中) 。胶束化自由能( a g o ) 为1m o l 两 亲分子从溶液中转移到胶束相的标准化自由能( 无静电相互作用) ，可表示如下： g o = rtln ( xc m c ) x c m c 为c m c 摩尔分数浓度 如果体系中单分子共聚物的浓度不大，且等于c m c 值，或者说体系中胶束聚集数 非常大，则： 胶束的标准化焓变 a h 。= 一r t 2 ( o l n ( x c m c ) o t ) p2r o l n ( x 。m 。) 0 ( 1 t ) 】户 胶束的标准化嫡变 a s o = ( 1 i o 一g o ) t 对于嵌段共聚物胶束，实验误差内有： 8 1 n ( x c m c ) a ( i t ) = a l n ( x ) a ( i t c m _ 1 ) x 为摩尔分数浓度，t c m t 为临界胶束温度。则标准化焓可表示为： h 。- r i o t 。n ( x ) i j i ( 1 i c m t ) 】p a g o 无论在非极性有机选择性溶剂中，还是在极性选择性溶剂水中均为负值，这是 因为胶束是热力学上稳定的、自发形成的自组装体系，但是在非极性选择性有机溶剂和 极性选择性溶剂水中，熵和焓的情况却正好相反。在非极性有机选择性溶剂中，胶束化 是焓- 驱( e n t h a l p y d r i v e n ) 和熵控( e n t r o p y - c o n t r o l l e d ) 过程，升高温度胶束解聚集在胶束化 过程中，胶束化将使大分子链变得比未聚集状态更不舒展，导致熵下降；但是在形成胶束 核时，大分子大分子相互作用和溶剂溶剂相互作用代替了大分子溶剂相互作用，这种 代替伴随着能量的释放，也就是胶束化焓升高，贡献胶束形成，但焓升对于胶束标准化 自由能的贡献大于熵降对于胶束标准化自由能的损失，故胶束标准化自由能仍然是负 值，胶束的形成是一个热力学自发过程。在极性选择性溶剂水中，胶束化是熵驱、焓控 。 5 嵌段共聚物的合成及自组装 过程，升温促使胶束形成，胶束化过程可能促使水的超分子结构改变和产生疏水相互作 用，致使体系的熵增大，而焓降低，但熵增对胶束化自由能的贡献大于焓降对于胶束化 自由能的损失，故胶束标准化自由能仍然是负值，胶束的形成为热力学自发过程。 1 2 含糖聚合物 糖类化合物( s a c c h a r i d e ，c a r b o h y d r a t e ，s u g a r ) 是生物体内除蛋白质和核酸以外的一类 重要的生物分子。它不仅以多糖( p o l y s a c c h a r i d e ) 或寡糖( o l i g o s a c c h a r i d e ) 游离形式直接 参与生命过程，而且更多的以糖缀合物( g l y c o c o n j u g a t e ) 的形式，即糖链与其它生物大分 子以共价键相连形成的化合物，如糖酯( g l y c o l i p i d s ) 和糖蛋i 兰t ( g l y c o p r o t e i n s ) 等参与许多重 要的生命过程。细胞表面的糖还参与细胞的识别，融合，以及癌细胞的新陈代谢等【l 4 1 ， 它们还是传染性细菌、病毒粘附的地方。因此，研究糖类化合物的结构与性质对于了解 一些疾病的发病机理和治疗药物非常重要【l 副。 一般单价糖配体与糖蛋白受体的结合力很弱，而复合糖上含多个糖配体，与糖蛋 白受体产生很强的相互作用，具有明显的生物效应，又称“多价效应”。人们模拟生物 体内这种多价作用模式把多个糖配体连接在大分子的表面形成多价复合糖，以此提高每 个糖配体与蛋白受体的亲合力。 含糖的聚合物是指糖组分通过不同的化学反应途径引入到聚合物分子链中形成的 功能高分子材料。由于糖基可以改善聚合物的亲水性、生物相容性和生物降解性，从而 制备出在生物、医药、精细化工等方面具有各种特殊用途的功能材料【1 6 - 18 1 。如利用含糖 聚合物中糖的组分在细胞间识别及产生生物功能方面的特性，可以用来模拟生物聚合物 材料【1 9 1 、用于手性识别、信号传感【2 0 】等。含糖的聚合物水凝胶，可作为一种新的细胞 生长介质2 1 1 ，也可用作生物相容材料【2 2 】。当今世界环境保护日益重要，对于糖的衍生物， 特别是生物可降解物质的研究也越来越多，含糖基的聚合物材料的研究为糖的综合利用 和功能化创造了良机。 1 2 1 含糖聚合物的合成方法简介 6 ( 1 ) 人工合成的含糖聚合物的种类 人工合成的含糖聚合物( c a r b o h y d r a t e c o n t a i n i n gp o l y m e r ) 是模拟生物体内糖缀合物， 第一章绪论 研究糖与蛋白相互作用的重要物质2 3 ，2 4 1 。已合成的含糖聚合物主要有线型聚合物、梳型 聚合物、树状支化聚合物和交联聚合物四种，见图1 2 。 c o m bp o l t r o o n s d c n d r i m e d r s c 嬲s - - l i n k i 。gh ，d m g 。ks 呼f u n h f i g 1 - 2m a j o rc l a s s e so fs y n t h e t i cs a c c h a r i d e c o n t a i n i n gp o l y m e r s 线性含糖的聚合物一般是由脱水糖( a n h y d r os u g a r ) 聚合而成。梳型含糖聚合物一般 是由可聚合糖单体制备的，此类聚合物也叫糖聚合物( g l y c o p o l y m e r ) ，是线性高分子主链 上带有单糖、双糖、寡糖或多糖等侧基的一类高分子。树状支化含糖聚合物是通过逐步 反应由支化含糖单体制备的，和线性含糖聚合物相比，含糖树状支化聚合物，已被认为 是制备纳米材料，分子器件和药物传输系统的基本构筑单元【2 5 1 。凝胶是在水中能够膨胀 的轻度交链的聚合物网络，含糖凝胶的亲水性很好，可用于制备药物传输体系的载体 2 6 , 2 7 0 ( 2 ) 含糖聚合物的合成 含糖聚合物具有多个官能团，这在一定程度上限制了结构确定的含糖的聚合物的制 备。对这类聚合物的合成，主要有两种途径，一是通过含糖的不饱和单体聚合得到，二 是通过聚合物与糖进行大分子反应得到含糖的聚合物。 a 、含糖的不饱和单体的合成 化学方法合成糖的单体 由于糖本身具有多个官能团，因此化学方法合成具有确定结构的纯的含糖的不饱和 单体具有一定的难度。但是通过使用不同的合成方法和改变合成的途径，可以在糖的特 定位置发生反应，从而得到结构确定的含糖的不饱和单体。化学方法合成的含糖的不饱 和单体包括以酰胺键连接的单体【2 8 3 ，以酯键 3 2 - 3 9 1 或醚键【4 0 4 4 1 连接的单体，以肟键或脲 7 嵌段共聚物的合成及自组装 键连接的单体【4 5 4 7 】。 酶的方法合成单体 酶是具有高度的立体选择、化学选择性及高效、快速、专一、无毒等催化特性 的生物催化剂，非水介质中能够催化反应并具有高度选择性，因此，利用酶催化生成 立构规整聚合物的方法得到了发展。如d o r d i c k 等利用酶催化丙烯酸乙烯酯与各种糖进 行酯交换反应，制备结构确定的含糖的不饱和单体【4 8 。5 1 】。 但是，酶催化法也存在一些缺点，如在合成中可用的酶的种类很少，在酶催化糖 聚合反应中所使用的酶像碱性蛋白酶、酰化氨基酸水解酶、霉菌淀粉酶、细菌蛋白酶、 脂肪酶都为水解酶【5 l 】，因此体系中微量水的存在都会通过酯键的水解降低最终聚合物的 分子量【5 2 1 。所以随产物分子量的增加，反应速度降低，反应时间增长。如酶催化蔗糖聚 酯需3 周才能反应完全，相比之下，酸或碱催化的蔗糖聚酯反应仅需数小时或几分钟就 可以完成。基于上述原因，研究者们又把目光集中到结合两种方法的优点上，进一步研 究发展了化学一酶催化技术，这种方法继承了酶催化的定位性和化学试剂的反应活泼性。 其基本步骤是，在蔗糖类聚合物反应中，首先进行酶催化蔗糖的改性，得到定位选择性 高的蔗糖衍生物，然后使用化学试剂引发聚合反应。 b 、含糖嵌段共聚物的合成 现代生物学研究表明，生物识别过程是基于糖和蛋白质的相互作用，寡糖和多糖的 糖束作用使其和细胞表面的亲合力增强【5 3 1 。含糖嵌段共聚物把上述两个特点结合起来， 更具有研究价值，例如：含糖嵌段共聚物聚集体能把药物输送到特定的细胞表面【5 4 1 。含 糖嵌段共聚物的制备主要是通过顺序加料法，大分子引发剂法和大分子反应法实现。 a 、通过顺序加料法制备嵌段共聚物 顺序加料法制备嵌段共聚物是基于“单点两阶段投料”( o n ep o tt w os t a g ef e e d i n g ) 技术实现的。一般是用小分子引发剂引发一种单体按一种活性聚合方法聚合，待该单体 完全聚合后，在制备的高分子链还处于活性状态时，再加入第二种单体按同样的机理聚 合，从而制得两嵌段共聚物。例如：一级胺可以引发吡喃葡萄糖或半乳糖n c a 的聚合，当 第一阶段聚合结束后，即含糖的n c a 单体反应完全后，可以向反应体系中加入第二种单 体，如l 一丙氨酸n c a ，第一种单体聚合后形成的链段的端基氨可以进一步引发第二种单体 聚合，实现链增长，形成嵌段共聚物。脱除糖的保护基团后便制备出了聚糖一聚丙氨酸 嵌段共聚物【5 5 1 。 8 第一章绪论 b 通过大分子引发剂法制备嵌段共聚物 此种方法是利用一种聚合方法制备出高分子后，转化端基，而后利用此均聚物为大 分子引发剂引发第二种单体聚合制备嵌段共聚物利用此种方法制备嵌段共聚物的报道 很多，例如：w u l f f 等就把开环聚合和a t r p 结合起来制备了嵌段共聚物。即：首先通过开 环聚合制备了多羟基的p c l ，而后把p c l 的端羟基转化成端基溴，形成a t r p 的大分子引发 剂，引发6 一o - 甲基丙烯酸一1 ，2 ，3 ，4 一二一o _ 异亚丙基一吡喃半乳糖酯的聚合，制备出a b a 型嵌段共聚物。甲酸溶液中脱除保护基后便可得到含糖的两亲性嵌段共聚物5 6 1 。o k a d a 等用一氨基一聚( 2 - 甲基唑啉) 为大分子引发剂引发了卜沪( 四一沪乙酰基一b d 一吡喃葡 萄糖) 一l 一丝氨酸n c a 的开环聚合，合成了两嵌段共聚物，碱性条件下脱除保护基后便形 成两亲性含糖嵌段共聚物5 刀。 c 大分子反应法制备嵌段共聚物 大分子反应法是指先利用能够进行活性聚合的单体在活性聚合条件下聚合形成结构 确定、分子量分布窄的嵌段共聚物，然后通过化学反应改变侧基的化学性质，而不改变 聚合物的聚合度：或者将具有可反应官能团的不同聚合物通过端基( 偶联) 反应键接成嵌 段共聚物。f l n m u l l e r 等用阴离子聚合法聚合苯乙烯单体，聚合结束后，用硅保护的3 一氯 丙胺终止活性中心，得到端胺基的聚苯乙烯，而后与麦芽七糖内酯反应得到两亲性嵌段 共聚物网。 1 2 2 含糖聚合物与蛋白质的相互作用 生命现象和糖与蛋白质的相互作用有关。在研究糖和蛋白质的相互作用中应用普 遍的蛋白质是凝聚素，如伴刀豆球蛋白( c o na ) 和r c a ( r i c i n u sc o m m u n i sa g g l u t i n i n ) 等。在研究植物凝聚素时，是以糖的结合专一性为分类依据的，伴刀豆球蛋白和小扁豆 凝聚素( l c a ) 同属对葡萄糖甘露糖专一的蛋白类型5 9 】，分别是从植物刀豆和扁豆中提取 出的凝聚素。r c a 是对半乳糖专一的凝聚素，是从蓖麻中提取出来的。小麦胚芽粘附凝 聚素( w h e a tg e ma g g l u t i n i n il e c t i n ，w g a ) 是对葡萄糖或其寡聚物敏感的凝聚素【删。 c o na 是一种分子量约为1 0 5 的蛋白质。含糖的聚合物与c o n a 的亲合力比相应的 单糖与c o na 的亲合力要大的多。c o na 在p h 为5 6 7 的溶液中有两个结合位点，在 p h 为6 8 7 5 间的溶液中有四个结合位点。在c o na 和单糖相互作用形成复合物的过程 中，c a 2 + 和m n 2 + 起到非常重要的作用。n a k a m a e 6 1 】等研究了c o n a 和带有葡萄糖侧基的聚 9 嵌段共聚物的合成及自组装 合物( p g e m a ) 的相互作用。当把c o na 加入到p g e m a 溶液中时，溶液开始凝聚，最终溶 液变混浊。c o na 起到凝聚剂的作用，这是由于p g e m a 的葡萄糖侧基和c o na 之间的相互 作用使p g e m a 的溶解性下降，最终沉淀出来。但当加入游离的葡萄糖或甘露糖时，因 p g e m a 和c o na 形成的复合物而产生的悬浊液又重新澄清透明。这个解聚过程是由于葡 萄糖和c o na 的相互作用取代了p g e m a 和c o na 的相互作用，p g e m a 重新溶解因而p g e i 邺, 和c o na 的复合物可以用作葡萄糖的传感器。此小组还制备出了对葡萄糖敏感的凝胶。 把g e m a 糖单体和c o na 混合，然后加入m b a m ( n ，n 一亚甲基双( 丙烯酰胺) ) 交联剂共聚 形成交联度不同的网络。当此凝胶浸泡在葡萄糖水溶液中时，凝胶就开始膨胀。凝胶的 膨胀是由于p g e m a 和c o na 形成的复合物在游离葡萄糖的作用下解离，水溶液进入凝胶 内部的结果【矧。 1 2 。3 含糖聚合物的应用 含糖的聚合物的应用很广泛，在医药学、材料学中有重要应用。利用糖基的生物 相容性，可用作生物相容材料、生物降解材料、生物细胞培养基等。 ( 1 ) 高分子载体药物 高分子载体药物的研究主要围绕两个方面开展，一是高分子药物，主要是有药理活 性的高分子聚合物，如克矽平，有治疗矽肺活性。二是高分子载体，将小分子药物载于 高分子载体之上，可以使药物长效释放，提高药物的选择性，降低小分子药物的毒副作 用。这要求高分子载体是水溶性无毒的，在人体内不产生免疫反应，可以代谢排泄。 高分子作为药物载体的一个重要的应用是药物缓释。将药物活性分子与高分子载体 结合或复合、包囊后，投施到生物活性体内，通过扩散、渗透等控制方式，把药物活性 分子以适当的浓度和持续时间释放出来，从而达到充分发挥药物疗效的目的。药物缓释 能够降低药物的毒副作用，减少抗药性，提高药物的稳定性和有效利用率。还可以实现 药物的靶向输送，减轻患者的痛苦，节省人力、物力和财力等。高分子药物缓释材料的 研究，无论在医药学理论上或实际医疗中都具有十分重要的意义。 熊向源等制备了新型含糖的嵌段共聚物聚环氧乙烷- b - 聚( n 一麦芽糖酯一l 一赖氨酸) ， 在水溶液中聚集，形成聚离子复合物胶束。在药物输送系统中，对于输送带电荷的化合 物( 如蛋白质、核酸等) 有很大的优势。以期开发新型药物载体 6 3 】。 1 0 第一章绪论 ( 2 ) 生物材料 在生物医药的应用方面，糖工程技术是一个重要的手段，利用标记分子，合成含糖 侧基的聚合物来识别细胞。n a g a h o r i g l j 用模板效应控制碳水化合物与蛋白质之间的反 应，制备了特制的含糖聚合物( t a i l o r e dg l y c o p o l y m e r ) 。碳水化合物与蛋白质之间的 反应是细胞与细胞基质间相互转移生物信息的重要机制，存在于细胞表面的许多碳水化 合物键合蛋白质( c b p s ) ，如糖基转移酶，是生物系统内与寡糖受体通过反应进行识别过 程的媒介。利用模板效应可以合成预定设计的糖配体，对c b p 客体具有高度亲和力且有 紧密结合的专一性。这种模板印迹的含糖聚合物可用于识别蛋白质 6 4 j 。 1 3 含聚氨基酸的共聚物 聚氨基酸( p e p t i d e ) 通常是指一种或几种氨基酸或其衍生物通过聚合反应得到均聚 物或共聚物，它具有良好的生物相容性，可通过体内的水解或酶解反应最终降解为小分 子的氨基酸，被人体吸收或排出体外。k a t a o k a 报道了一系列聚乙二醇聚氨基酸 ( p e g p p a ) 嵌段共聚物，其中包括聚天冬氨酸、聚谷氨酸、和阴离子聚赖氨酸【6 8 1 。 由不同结构的氨基酸合成的聚氨基酸具有不同的侧链，控制侧链基团的亲疏水性、 荷电荷性或酸碱性，可以调节聚合物的物理、化学性能和降解速度。聚氨基酸独特的结 构使其区别于传统的聚合物，并具有很多传统聚合物所不具备的优点【6 9 1 ，其良好的生物 相容性、可降解性、自组装行为、液晶现象及力学性能为生物医学和组织工程学领域提 供了理想的材料【7 0 。7 2 】。其中含聚氨基酸的共聚物的自组装行为为开发新型的药物载体创 造了条件1 7 3 1 ，这种药物载体具有可控释、靶向输送、提高不溶药物吸收率及可降解等诸 多优点，目前己成为生物高分子领域的重要研究方向。 1 3 1 共聚物在水分子中的构象 蛋白质分子的多肽链段并不是线型伸展，而是按一定的方式折叠盘绕成特有的空间 结构，通常称之为构象。一般可分为二级结构、过渡结构、三级结构、四级结构。 二级结构主要是指多肽链本身的折叠和盘绕方式，一般包括q 一螺旋、1 3 一折叠和 无规卷曲等。 c l 一螺旋是主要的一种典型的结构方式。在q 一螺旋体中氨基酸残基伸向外侧，相 嵌段共聚物的合成及自组装 邻的螺圈之间形成链内氢键，氢健的取向几乎与中心轴平行。氢健是每个氨基酸残基的 n h 与另一个残基的c = o 形成的( 如图1 - 3 ) 。 r f i g 卜3t h es e c o n d a r ys t r u c t u r eo fp e p t i d e 1 3 一折叠是肽链相当伸展的结构在这种结构中，肽链按层排列，依靠相邻肽链上 c ：o 与n h 形成的氢键维持其结构的稳定性( 如图卜3 ) 。 无规卷曲是指没有一定规律的松散的结构。 二级结构的测定主要是利用圆二色性技术来实现的根据肽链中酰胺键对圆偏振光 的吸收差来判断二级结构。通常用椭圆度0 表示圆二色性的大小，以摩尔椭圆度 0 。 为纵坐标，波长入为横坐标做图可以得到圆二色性( c d ) 谱( 如图) 。处于q 一螺旋、1 3 一折 叠和无规卷曲状的分子，其c d 谱明显不同。当处于q 一螺旋时，c d 谱上在1 9 0 n m 处有一 最大值和2 0 8 n m 处有最小值( 二者都是由于一兀+ 跃迁产生的) 和2 2 2 n m 处有n 一牢跃 迁引起的低谷组成( 曲线1 ) 。处于8 一折叠时，c d 谱是在2 1 7 n m 处有一最小值，在1 9 8 n m 1 2 第一章绪论 处有一最大值( 曲线2 ) ，这两个峰也是来源于一和n 一+ 跃迁。无规卷曲的特点是在 2 0 0 r i m 附近有一较宽的低谷，在2 1 0 - 2 2 0 n m 处有一微弱的正椭国率( 曲线3 ) 。对于特定 的二级结构，其c d 谱的基本谱形不会有很大的变化，所以根据其c d 谱的谱形就能确定 是q 一螺旋、b 一折叠和无规卷曲构象。 为 们 柚 柚 t 2 神 x n 笆 o o _ i o ：i d o玲圹三 粕】l o伪跚撕j - o ，胂 f i g 1 4c ds p e c t r ao fp e p t i d e 1 3 2 聚氨基酸一聚醚共聚物的合成 聚氨基酸虽然具有很多的优点，但是大多数的聚氨酸是难溶于水的，这在极大程度 上限制了聚氨基酸材料的应用，因此在聚氨基酸材料中引入亲水的官能团就成为了大多 数科研工作者研究的热点。 聚乙二醇( p e g ) 是一种用途极为广泛的聚醚高分子化合物，它可用于医药、卫生、 食品和化工等众多领域。p e g 能够溶解于多种溶剂，且该聚合物具有优良的生物相容性， 在体内能溶于组织液中，能被机体迅速排出体外而不产生任何毒副作用【7 4 , 7 6 】。当把p e g 和其它分子偶合时，它的许多优良性质也会随之转移到结合物中【7 7 , 7 8 】。因此它在医学上 13 嵌段共聚物的合成及自组装 的应用受到了广泛重视，并得到了美国食品与药物管理局( f d a ) 的认可。在药物工业中， p e g 可用作药物辅料以提高药物的各种性能，如分散性、成膜性、润滑性、缓释性等。 在新型生物材料的合成和改性中，p e g 作为材料的一部分，将赋予材料新的特性和功能， 如亲水性、柔性和抗凝血性等。 聚氨基酸一聚醚共聚物主要是聚氨基酸与聚乙二醇类化合物形成的嵌段共聚物，合 成这类共聚物首先是将聚乙二醇( p e g ) 的端羟基通过一定的化学方法转化成具有较高 活性的端氨基，即将聚7 , - - 醇转变成氨基聚乙二醇( p e g - - n h 2 ) ，然后以p e g n h 2 作 为大分子引发剂引发氨基酸环内酸酐开环聚合得到嵌段共聚物( s c h e m e1 1 ) 。 口| c il h o 干c h 2 c h ：o h h - i - h 2 n 千c h 2 c h 2 0 寸婶h 2 c h 2 n h 2j ! ! 翌= ：竺! ! ! - p e g p e o - n h 2 午 矿p千 h - rh n 一亡h c 屯h n c h a c h 2 0 九c t i 2 c h 2 n h 七产汁峨h s c h e m el lt h es y n t h e s i so fb l o c kc o p o l y m e ro fp e p i d ea n dp e 0 k a n g 7 9 】等将亲水性的聚乙二醇( p e g ) 引入聚谷氨酸链段中，得到聚谷氨酸一聚乙 二醇三嵌段共聚物，k a t a o k a 8 0 1 和b o g d a n o v i 8 11 等合成了聚赖氨酸一聚乙二醇嵌段共聚 物，并研究了材料的细胞毒性和在溶液中的性质。结果表明该材料在水中能够形成胶束， 可望作为药物缓释的载体。l e e 【8 2 1 和c a r n m a s 8 3 】等合成了聚天冬氨酸一聚乙烯醇嵌段共 聚物，并研究了其溶液性质。做a o 【8 4j 等人合成了聚天冬氨酸一聚7 , - - 醇嵌段共聚物， 并研究了该材料作为释放载体对肽类药物的释放，结果表明具有一定的缓释作用。由于 聚谷氨酸一聚醚、聚天冬氨酸一聚醚材料具有良好的生物降解性和生物相容性，因此共 聚物材料已经广泛用于药物控制释放研究中i8 5 8 8 】。 利用与聚乙二醇( p e g ) 具有相似性质的聚乙二醇单甲醚( m p e g ) 为聚醚链段，通 过对其氨基化，得到大分子引发剂m p e g - - n h 2 ，进而引发不同氨基酸n c a 合成了不 同聚氨基酸一聚醚两嵌段共聚物( s c h e m e2 ) ，并研究了材料在水溶液中的胶束化行为。 结果表明，当嵌段共聚物中的聚氨基酸链段与聚醚链段达到亲疏水平衡时能形成稳定胶 14 第一章绪论 束。c h o 8 91 等人以二【聚环氧乙烷一二胺 ( b p e o b a ) 为引发剂，引发y 苄酯谷氨酸 - n c a 合成了聚乙烯醇为亲水链段，聚氨基酸为疏水链段的热塑性六嵌段聚环氧乙烷一 聚谷氨酸苄酯共聚物( s c h e m e2 ) ，并研究了材料形成水凝胶的性质。 妒r 跳 9 严h 删舳 + p p c