（应用化学专业论文）Pluronic和PEG胆甾醇酯与磷脂单分子膜的相互作用的研究.pdf

摘要 两亲共聚物结构上的特点为亲油部分和亲水部分不相容，易发生微相分离， 因此表现出独特的表面性质，如两亲共聚物的亲油端或亲水端易发生表面富集 等现象。 水溶性的聚氧乙烯一聚氧丙烯一聚氧乙烯嵌段共聚物( p e o p p o p e o ) 是 一类重要的非离子型高分子表面活性剂，商品名为p l u r o n i c ，近年来，共聚物作 为药物载体引起了人们广泛的重视。 本文利用l a n g m u i r 单分子膜法，从单层膜的角度来研究磷脂与p l u r o n i c 以 及m p e g 胆甾醇酯之间的相互作用。采用混合单分子膜和吸附单分子膜两种方 法，通过热力学分析来阐述全二者的相互作用，得到如下结论： 1 研究了磷脂分子和胆固醇分子之间的相互作用，模拟天然脂质体双分子 层中的一半空间，利用混合单分子膜的p 卅曲线，并结合计算得到的过剩自由 能，从热力学角度证明了两者的混溶性，说明在混合膜中，胆固醇增加了磷脂 的流动性。 2 研究了一系列p l u r o n i c 的表面性质。表明在低的表面覆盖时，单分子膜 的物理性质主要由p e o 链决定，在高表面压时，单分子膜的物理性质主要由p p o 链决定。 3 研究了p l u r o n i c 和磷脂分子间的相互作用。从混合铺展膜得出，p p o 链 越长，同磷脂分子之间的作用越大；p e o 链越长，在高表面压时，同亚相水之 间的作用就越大。吸附过程的研究表明，具有较高疏水性能的p l u r o n i c 表现出较 高的渗透能力。 4 合成了m p e g 胆甾醇酯，并对其进行表面性质的研究。同样采用混合铺 展膜和吸附膜两种方法，研究了该产物和磷脂分子之间的相互作用。通过混合 单分子膜的研究得到p e g 链越长，与磷脂分子之间的作用力越强。而较长的p e g 链反而影响了m p e g c h o l 在磷脂单分子膜中的吸附过程。 关键词：单分子膜，p l u r o n i c ，磷脂，吸附，作用 a b s t r a c t a m p h i p h i l i cc o p o l y m e rp o s s e s s e sm u c hp a r t i c u l a rs p e c i f i c i t yd u et oi t ss p e c i a l s t r u c t u r e sw i t hh y d r o p h i l i ca n dh y d r o p h i b i cg r o u p s a q u e o u sa m p h i p h i l i cc o p o l y m e rp e o - p p o p e o ，c o m m e r c i a l l y k n o w na s p h r o n c i ，i sak i n do fi m p o r t a n tn o n i o n i cs u r f a c t a n t n o wp l u r o n i ci se x t e n s i v e l y b e i n gs t u d i e da sd r u gc a r r i e rb e c a u s ei t sa m p h i p h i l i cc h a r a c t e r i s t i c sc a nb ct u n e db y c h a n g i n gt h em o l e c u l a ra r c h i t e c t u r et om e e ts p e c i f i ca p p l i c a t i o nn e e d s i nt h i sp a p e rl a n g m u i rb a l a n c ei su s e dt os t u d yt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e n p h o s p h o l i p i da n dp l u r o n i co rs y n t h e s i z e dm p e ge s t e r i no r d e rt os y s t e m a t i c a l l y u n d e r s t a n dt h ei n t e r a c t i o n s ，t h em i x e dm o n o l a y e r sa n dt h ea b s o r b e dm o n o l a y e r sw e r e e m p l o y e d f i r s t ，f o rs i m u l a t i n gt h eh a l fb i o m e m b r a n e ，c h o l e s t e r o u p h o s p h o l i p i dm i x e d m o n o l a y e r sw e r es t u d i e d t h em i x e dt h e r m o d y n a m i c sp a r a m e t e r s ，e x c e s sm o l e c u l a r a r e aa n de x c e s sg i b b sf r e ee n e r g yw e r ec a c u l a t e df r o mt h ep - ai s o t h e r m s t h e r e s u l t ss h o wt h a tp h o s p h o l i p i da n dc h o l e s t e r o la r em i s c i b l ea n dc h o l e s t e r o lc a l l i n c r e a s et h ef l u i d i t yo fp h o s p h o l i p i dm e m b r a n e s e c o n d l y , t h ei n t e r f i c i a lp r o p e r t i e so fp l u r o n i c sl 6 1 ，l 6 2 ，1 _ 6 4 ，f 6 8 ，f 1 0 8 ，l 1 0 1 ， f 1 2 7a n df 8 8w e r es t u d i e d t h ep - ai s o t h e r m si n d i c a t et h a t ，t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e s o ft h ef i l m si sm a i n l yd e t e r m i n e db yt h ep e oc h a i n sa tl o wc o v e rd e n s i t yw h i l ep p o c h a i n sm a k et h ec o n f o r m a t i o n sa n dd e t e r m i n et h em o n o l a y e rp r o p e r t i e sa th i g h s u r f a c ep r e s s u r e t h i r d l y , t h ei n t e a c t i o n sb e t w e e np h r o n i ca n dp h o s p h o l i p i dw e r es t u d i e d b y a n a l y s i n gt h ed i f f e r e n tm i x e ds p r e a d i n gm o n o l a y e r s ，t h ec o n c l u s i o nw ec a nb ed r a w n t h a tt h el o n g e rt h ep p oc h a i n so fp l u r o n i c ，t h es t r o n g e ri t si n t e r a t i o n sw i t h p h o s p h o l i p i d w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ep e oc h a i n s ，t h ei n t e r a c t i o n so fp l u r o n i cw i t h s u b p h a s ea l s oi n c r e a s ea th i g hs u r f a c ep r e s s u r e t h ei n v e s t i g a t i o no ft h ep h o s p h o l i p i d m o n o l a y e r s a b s o r b e d b y p h r o n i c s s u g g e s t e dt h a t ，p l u r o n i c s w i t h h i g h e r h y d r o p h b o l i c i t ym a n i f e s t e dh i g h e rp e n e t r a t i o na b i l i t yt op h o s p h o l i p i dm o n o l a y e r s f i n n a l y , t h r e ek i n d so fm p e gc h o l e s t e r o le s t e r sw i t hd i f f e r e n tm o l e c u l a rw e i g h t w e r es y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e d t h e i rs u f f a c i a lp r o p e r t i e sa n dt h ei n t e r a c t i o n s b e t w e e nt h e ma n dp h o s p h o l i p i dw e r ea l s os t u d i e db yl a n g r n u i rb a l a n c e i tw a sf o u n d t h a tt h el o n g e rt h ep e g c h a i n s ，t h es t r o n g e ri n t e r a c t i o n so fm p e gc h o l e s t e r o le s t e r s w i t hp h o s p h o l i p i d si nt h em p e gc h o l e s t e r o le s t e r s p h o s p h o l i p i dm i x e dm o n o l a y e r s b u ti nt h ea d s o r p t i o np r o c e s s ，t h el o n gp e gc h a i n sm a yp r e v e n tt h ei n t e r a c t i o n so f m p e gc h o l e s t e r o le s t e r sw i t hp h o s p h o l i p i d k e yw o r d s ：m o n o l a y e r s ，p l u r o n i c ，p h o s p h o l i p i d ，a d s o r p t i o n ，i n t e r a c t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。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：日期：墅! ! ：量! 至 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 域 期：印1 0 兰 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1l b 技术的发展历程 有机薄膜可以在固体底衬上通过各种不同的方法沉积，如热蒸发、旋涂、 电沉积、分子束外延技术( m b e ) 【、溶液吸附、l b 技术、自组装等等。l b 技术 是制备这类有机薄膜最有发展前景的方法之一，l b 膜与其他膜相比有以下特【2 】： ( 1 ) 精确控制单分子层的厚度，膜的厚度可以从零点几纳米至几纳米；( 2 ) 大 面积的均匀沉积，理论上形成几乎没有缺陷的单分子层膜，( 3 ) 能够形成高度 各向异性的层状结构。另外，l b 技术还有一个优势就是单分子层几乎可以在任 何固体底衬上沉积。因此l b 膜技术可以在分子水平上进行设计，按人们预想的 分子排列次序和取向，得到分子组合体系，这是实现分子工程的重要手段。正 因为有这些其他技术无法比拟的优越性质，激发了科学家们对l b 膜的研究热 情，使l b 膜技术在材料学、光学材料、电化学和生物仿生学等领域显示了巨大 的理论价值和应用潜力p j 。 单分子膜是研究表面化学的一个非常重要的领域。1 7 6 5 年，f r a n k l i n 观察到 油滴铺展在水面上时，成为很薄的油层，其厚度约为2 5 n m ，其后不到一百年， p o c k e l 和r a y l e i g h 又发现某些难溶物质铺展在液体的表面上所形成的膜，确实 是只有一个分子的厚度。2 0 世纪2 0 年代，美国纽约通用电气公司的l a n g m u i r 建立了完整的单层膜理论，并将气液界面单层膜的概念推广到了被固体吸附的 气体或者液体( 这个理论后来使他获得了诺贝尔奖) 。l a n g m u i r 在气液界面上开 展了一系列实验，主要利用膜天平研究脂肪酸分子的形状、大小及在气液界面 上的有序性。早在1 9 2 0 年，l a n g m u i r 就知道了把这类分子从气液界面转移到固 体底物上的实验，但更详细地描述这种单层膜转移技术的是在十几年后他的学 生b l o d g e t t 给出的。因此这种由气液界面上的单层膜转移到固体表面上装配城的 薄膜后来被称为l b 膜( l a n g m u i r - b l o d g e t tm e m b r a n e ) ，而气液界面的单层膜通 常称为l a n g m u i r 单层膜。 在l a n g m u i r 和b l o d g e t t 做了先锋工作之后大约半个世纪，科学家才开始意 识到这项技术带来的机遇。第一个国际性关于l b 技术的会议在1 9 7 9 年召开【4 】， 武汉理工大学硕士学位论文 如今，采用l b 技术对超薄有机膜的产品渐渐发现可能应用在许多领域中。 1 2 单分子膜 单分子膜是指在界面上形成具有一个分子厚度的薄膜，用于形成l a n g m u i r 膜的分子大多数是双亲分子，即一端带有亲水基，一端带有疏水基。这类物质 在水上铺展时，当铺展浓度控制到一定范围内，此时亲水基伸入水中，疏水基 朝向空气中，铺展层的厚度确实只有一个分子的厚度。因此这类物质具有表面 活性，能够降低水的表面张力。 某些有机物质，当放入水的表面时，具有在气液界面上形成单分子薄膜的 能力，最典型的有机化合物的例子就是硬脂酸，即十八烷酸。这类材料都是两 亲性分子或称为兼性分子，即分子的一头是亲水基团，如硬脂酸的( c o o m 溶于水；分子的另一头是疏水的烷基长链，如硬脂酸的- - - c h 3 ( c h 2 ) 1 6 不溶于水， 是亲油的，在气液界面上朝向空气。事实上凡是具有上述性质的分子，如磷脂、 胆固醇、某些蛋白质以及人工合成的许多两性分子，都可以形成单分子层。 为了得到一个单分子膜，待成膜材料必须首先溶解于一种适当的溶剂中， 而溶剂必须是能够溶解适当数量的单分子材料，即具有良好的溶解度。溶剂是 用来扩展单分子层的，所以它同单分子材料不能起化学反应，当然也不能与亚 相溶液互溶。溶剂要有很好的易挥发性，以至于丝毫也不残留在凝聚的单分子 层内，常用的溶剂有三氯甲烷、正己烷等。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2l a n g m u i r 膜天平 图1 2 是一个经典的l b 膜天平的模式图。在一个惰性材料( 如聚四氟乙烯) 制成的浅盘k 中用水( 亚相) 装满至边缘，x x 是放在水面上的挡片，同样是用 惰性材料制成，可以在水面上移动。挡片和盘的边缘围成一个面积连续可变的 封闭水域x x a a 。b 是一个表面张力计。使用时，l b 膜就在x x a a 水域上铺展， 表面压的变化由表面张力传感器b 检测。 图1 2 一种经典的l b 膜天平的示意图 1 9 1 7 年l a n g m u i r 根据以上原理设计了直接测定表面压的仪器一l a n 舯u i r 膜天平。兰缪尔膜天平的灵敏度比一般测表面张力的灵敏度大1 0 倍左右，例如 测表面张力最好的准确度能达到0 1 ，对于水可以测准到l x l 0 4n m ，而用兰 缪尔膜天平测表面压，则可以测准到l x l 0 - 5n m 。 利用l a n g m u i r 膜天平最大的作用就是表面膜压的测定。由于气液界面上单 分子层的存在，使亚相的表面张力由，。降低为，定义表面膜压p 为： 万一，o 一，( 1 一1 ) 在等温条件下，通过改变滑障的位置，记录石的变化。以p 对分子平均面积 a 作图，得到单分子膜的石。a 曲线( 等温线) 。不同的分子石。a 曲线不同。 万一a 曲线可以视作单分子层的特征曲线。 1 2 3 单分子膜的p 卅等温曲线 单分子膜的表面压力面积等温线类似于三维物质的压力( p ) 体积( n 等 3 武汉理工大学硕士学位论文 温线，是反映单分子层性质的特征函数。p 卅等温曲线是研究单分子膜的最基本、 最重要的方法，常用来表征单分子膜的状态和性质，以及获得分子在界面上的 构象方面的信息，是制备致密均匀有序的l b 膜的关键。 r o ( t + a nm l a 。 2 b + 5 0 ，卜1 0 + jlr i 0 0 翔雾lj 天j 一玢一f j 图1 3 气液界面的p 卅等温曲线示意图 当分子的平均面积彳很大时，表面压很低，单层膜表现为气态，即图1 - 3 中 的g 段，其特征是有一个渐进极限p - 0 ，分子间距离很大，非极性的尾链平躺 在亚相上，分子间的相互作用可以忽略不计。和理想气体定律相当的二维状态 方程是： z a - k t ( 1 2 ) 分子平均面积逐渐减小，单层膜进入一个压缩性很好的区域，鼻一a 曲线几 乎是水平的，即图1 3 中l - g 段，这是单层膜的气相和液相相平衡共存区。 继续压缩，单层膜的表面压又开始上升，单层膜进入了液相，即图1 3 中的 l 段，膜分子之间的相互作用已不能忽略，其状态方程一般用( 1 3 ) 的方程描述： 鼻( a a o ) - k r ( 1 3 ) 式( 1 3 ) 中，a d 是一个常数，相当于分子的有效截面积。 进一步压缩单层膜，矗一a 曲线又进入一个平台区，即图1 3 中的m 段，这 是分子的固液共存区，是液态分子中开始出现了分子尾链直立、排布紧密的固 态筹区。 固液共存区之后，单层膜进入压缩性很差的固相区，曩a 曲线的斜率很大， 4 武汉理丁大学硕t 学t c ) ：论文 即图1 3 中的s ，段。再压缩单层膜，表面压就会突然下降，单层膜分子发生了 重叠而崩溃。不同单层膜崩溃的表面压不同，分子的尾链越长，崩溃压越高。 崩溃压还与膜天平的稳定性以及亚相的性质有关。 1 2 1 4l a n g m u i r - b l o d g e t t 膜 气液界面的单分子膜能够用多种不同的方法转移到固体底衬上。最常用的 方法就是l a n g 口u k - b l o d g e t t ( l b 技术) 沉积技术，这种技术是在保持单分子层 表面压不变的情况下，让固态底片( 如硅片或玻璃片) 往返穿过单分子层与水 的界面，将分子层逐渐转移到固体表面上。其示意图见图1 4 。转移的方法有两 种：垂直提拉法和水平提拉法。 o i 删m u i r 【m “g h口i 咖ns o l i ds 。c j l 二址 避蒜麓篡豢嚣竺等 h h 罔1 4 l b 技术示意圈 ，k ：i h 匝 一厨! i i j 匿l 一、豳二：饧 。= 豳 图15 垂直提拉法制备l b 膜的示意图圈1 , 6 水平提拉法制备l b 膜的示意幽 武汉理工大学硕七学位论文 垂直提拉法是将单层膜保持在一定的压力下，用事先准备好的固体载片沿 着垂直方向缓慢地伸入和提拉出亚相，单层膜就会被连续地转移到固体载片表 面上，如图1 5 ，这种方法提拉多层膜很方便。单层膜表面压太低或者与固体载 片之间吸附性较差时，不宜用这种方法，而应该用水平提拉法。 水平提拉法是将经过表面疏水处理的载片水平地放在亚相上，使单层膜同 时吸附转移到载片上，如图1 6 。这种方法的优点是可以保持单层膜在气液界面 上的形态，但是不利于提拉多层膜。 1 2 5l b 膜的表征原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ) 原子力显微镜( a f m ) 是一种利用原子、分子间的相互作用力来观察物体 表面微观形貌的新型实验技术。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元 件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质【5 j 。 a f m 的关键组成部分是一个头上带有一个用来扫描样品表面的尖细探针的 微观悬臂。这种悬臂大小在数十至数百微米，通常由硅或者氮化硅构成，其上 载有探针，探针之尖端的曲率半径则在纳米量级。当探针被放置到样品表面附 近的地方时，悬臂会因为受到探针头和表面的引力而遵从胡克定律弯曲偏移。 在不同的情况下，这种被a f m 测量到的力可能是机械接触力、范德华力、毛吸 力、化学键、静电力、磁力( 磁力显微镜) 卡西米尔效应力、溶剂力等等。 将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖与样品表面 轻轻接触，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态 发生变化，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面 而在垂直于样品的表面方向起伏运动。 扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而 以纳米级分辨率获得表面结构信息。根据扫描样品时探针的偏离量或振动频率 重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌或原子成分。它主要由带针尖的 微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运动的反馈回路、使样品进行扫描的压 电陶瓷扫描器件、计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。微悬臂运动 可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针 尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子 级分辨图像，一般情况下分辨率也在纳米级水平。a f m 测量对样品无特殊要求， 可测量固体表面、吸附体系等。 6 武汉理工大学硕士学位论文 相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。不同于电子显微镜 只能提供二维图像，a f m 提供真正的三维表面图。同时，a f m 不需要对样品的 任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。第三， 电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境 下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。 和扫描电子显微镜( s e m ) 相比，a f m 的缺点在于成像范围太小，速度慢， 受探头的影响太大。 1 3 嵌段聚合物l b 技术的研究现状 两亲嵌段共聚物结构上的特点为亲油部分和亲水部分不相容，易发生微相 分离，因此表现出独特的表面性质，如两亲嵌段共聚物的亲油端或亲水端易发 生表面富集现象。两亲嵌段共聚物已越来越受到重视。 目前尤其是含有聚氧乙烯( p e o ) 亲水基团的两亲嵌段共聚物引起了广泛重 视，因为含较长p e o 链的共聚物表现出良好的生物相容性【6 】，因此在生物医药 方面的研究也成为热点。 水溶性的聚氧乙烯一聚氧丙烯一聚氧乙烯嵌段共聚物是一类重要的非离子 型高分子表面活性剂，商品名为p l u r o n i c ，近年来，共聚物作为药物载体引起了 人们广泛的重视。其结构如图1 7 所示。 p e o p p o 图l 7p e o p p o p e o 三嵌段共聚物的结构 大分子表面活性剂较常规小分子表面活性剂具有更高的表面活性、丰富的 相变和特殊的界面结构。作为聚合物分子刷优良的物理模型，两亲嵌段共聚物 广泛应用于表面膜的研究。许多检测手段都可以用来研究其相变和界面结构， 如表面张力、法【7 】、中子散射法【8 】、椭圆偏振光谱【9 】、布儒斯特显微镜【1 0 l 、荧光显 微镜以及小角x 衍射【1 1 】等。结合布儒斯特显微镜【1 0 1 ，通过l b 技术可以研究亚 相的性质( 离子强度、p h 、温度等) 对单分子膜相变的影响，从而可以控制单 7 啪妗 武汉理工大学硕士学位论文 分子膜在界面上的构象，这对研究温敏材料，热敏材料有重要意义【1 2 1 。 f r a n c kp e 7 t r i a t 1 3 】等人用l b 技术分析了d s p c 单分子层与共聚物 d o d a p o l y ( n i p a m c o m a a ) 的相互作用，研究了p h 值、温度、离子强度以及 共聚物分子量对他们的影响，从而认为共聚物加到脂质体中作为敏感官能团， 可以增加脂质体的稳定性，更好的作为药物载体。 a l e x a n d e rw i t t e m a n n l l 4 l 等人研究y _ - 共聚物p o l y ( e t h y l e n e o x i d e ) 一b p o l y ( c a p r o l a c t o n e ) b p o l y ( a c r y l i ca c i d ) 的性能研究，表明此种三共聚物有生物相容性和 生物降解性，此外这种共聚物形成的囊泡的内外表面有不同的界面性能，可以 作为蛋白质的固定剂，提高胶体颗粒的稳定性。 m i l l i c e n ta f i r e s t o n e 1 5 j 等人研究了p e o p p o 二共聚物与天然磷脂( d m p c ) 之间的相互作用，实验发现，共聚物分子量的大小决定着共聚物与磷脂共生体 的性质。 s m b a k e 1 6 】研究了p e o p s 共聚物在空气水界面上的表面结构，通过研究 等温压缩曲线，得到了p e o p s 的二维三维的相变压；当p s 链很小时，决定表 面结构的是p e o 链，因此可以确定p e o 相转变时的极限分子面积，通过改变 p e o 的链节调节l b 膜表面的堆积密度。 通过表面压等温线结合中子反射手段，研究二元共聚物在空气水界面上与 覆盖率及其链长之间的关系。根据d eg e i u l e s 【1 7 】的标度理论，低覆盖区时由于分 子之间的作用力，表面压急剧增加；中等覆盖，表面压由于p e o 链段从界面上 脱附形成分子刷而逐渐增加；高覆盖区表面压再次急剧增加，是由于分子刷迸 一步被压缩的缘故。 然而，单分子膜的本质还未得到清楚的认识，待研究的领域【1 8 j 还有：高真 空度下气体吸附至固体上；通过l b 成膜技术或者从液体溶液研究两亲表面活性 剂的自主装单分子膜；经典的两亲表面活性剂或聚合物以不溶性单分子层铺展 在液体表面。以上工作有许多是独立进行的，但是普遍的目标是：什么程度单 分子层是严格的二维构型，并探寻其状态方程；二维体有时作为假设，但却是 建立在底物和吸附质之间存在很强的相互作用基础上的，结合吸附剂与吸附质 之间的作用力，使得亚相单分子层覆盖也成为二维体过渡，这都是待以解决的 问题。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本论文的研究内容和意义 基于聚合物的纳米科技成为医药研究中最有吸引力和发展最快的领域。这 类材料包括聚合物胶束、聚合物d n a 配合物、纳米凝胶以及纳米材料等都在医 学上应用的称为纳米药剂【1 9 】。这些纳米材料中最有发展潜力之一的是p l u r o n i c 嵌段共聚物。p e o p p o p e o 含有亲水的p e o 链和疏水的p p o 链，由于其两亲 结构这些共聚物具有独特的表面性质，包括可以和疏水表面以及生物膜相互作 用。在水溶液中，这类聚合物在高于c m c 浓度时自组装形成胶束，疏水p p o 链段组成胶束核，亲水p e o 链段构成胶束的壳层。p l u r o n i c 的胶束直径通常在 1 0 1 0 0 r i m 之间。有很多关于p l u r o n i c 胶束作药物载体研究。 1 9 2 5 年，g o r t e r 和g r e n d e l i 驯利用l a n g m u i r 单分子层技术测定红细胞的总 面积。由于红细胞没有内膜，溶血之后只剩一层膜外壳，他们把抽提出来的红 细胞的细胞膜溶于有机溶剂然后铺展成单分子层。他们发现该单分子层的面积 大致等于原来红细胞表面积的两倍，因此他们提出细胞膜是由双层脂类分子构 成。g o r t e r 和g r e n d e l 的工作可以算是单层膜在生物学中的早期应用。 形成生物膜脂双层结构的主要成分是磷脂和胆固醇，它们都是两亲分子， 具有极性的亲水头部和非极性的疏水尾部，可以在气液界面上自发形成脂单层。 许多科学家认为二维的脂类单分子膜可以看成是生物膜的一个单层，是研究生 物膜结构性质的一个理想的模型系统。 在药物控释和基因载体方面具有广阔应用前景的脂质体具有类细胞膜的脂 双层结构，磷脂是构成脂质体的主要成分。很多研究者认为p l u r o n i c 对脂质体具 有良好的表面修饰作用【2 1 1 ，p l u r o n i c 作为生物修饰剂，其疏水的p p o 链插入到 生物膜中疏水部分，导致膜结构的改变，降低了膜的微粘度( m i c r o v i s c o s i t y ) 。 因此，本论文就是利用l b 膜天平，研究p l u r o n i c 与磷脂之间的相互作用， 从生物膜的角度，探讨相互作用机理，从而为p l u r o n i c 修饰脂质体提供理论基础。 本论文从以下几方面内容展开研究： 1 研究磷脂分子和胆固醇分子之间的相互作用，模拟天然脂质体双分子层 中的一半空间，利用混合单分子膜的p - a 曲线，并结合计算得到的过剩自由能， 从热力学角度共同探讨两种组分的相互作用。 2 研究一系列p l u r o n i c 的表面性质。旨在研究其表面性质，并从其根本结 构上探讨与表面性质之间的关系，为下一步研究与磷脂分子的相互作用打下基 9 武汉理工大学硕士学位论文 础。 3 研究p l u r o n i c 和磷脂分子间的相互作用。从混合铺展膜和吸附膜两种方 法展开研究，混合铺展膜研究了两者之间的混溶性，并通过不同含量的比较总 结了p l u r o n i c 对磷脂单分子膜的影响。吸附膜研究在一定分子面积下，p l u r o n i c 在磷脂单分子膜上的吸附过程中表面压的变化，从而研究p l u r o n i c 与磷脂之间的 相互作用。通过计算临界插入膜压，得到不同p l u r o n i c 在磷脂单分子膜中的渗透 顺序大小。 4 合成了m p e g 胆甾醇酯，并对其进行表征和性质研究。同样采用混合铺 展膜和吸附膜两种方法，研究了该产物和磷脂分子之间的相互作用，分析与磷 脂分子之间的作用机理。 在以上实验的基础上，进行机理分析，建立相关的理论模型。 1 0 武汉理- t 大学硕士学位论文 第2 章磷脂与胆固醇混合单分子膜的万一a 曲线研究 磷脂酰胆碱( 简写为p c ) 是以胆碱为头部基团的一类磷脂，它们是生物膜 的主要成分，可以从鸡蛋黄或者大豆中提取得到。磷脂酰胆碱是卵磷脂的主要 成分。磷脂酰胆碱是由头部亲水基( 磷酸和胆碱) 和脂肪酸碳链形成的两条疏水尾 链组成。见图2 1 。 兮 。 图2 1 磷脂酰胆碱的分子结构 胆固醇也是一种构成生物膜基本成分的类脂，广泛存在于动物体内，是动 物组织细胞所不可缺少的重要物质。人体各组织中皆含有胆固醇，在细胞内除 线粒体膜及内质网膜中含量较少外，它是许多生物膜的重要组成成分。胆固醇 是机体内主要的固醇物质。它既是细胞膜的重要成分，又是类固醇激素、维生 素d 及胆汁酸的前体。其溶解性与脂肪类似，不溶于水，易溶于乙醚、氯仿等 溶剂。 胆固醇是一种环戊烷多氢菲的衍生物，由甾体部分和一条长的侧链组成。 如图2 2 所示。 图2 2 胆固醇的分子结构 武汉理r = 学硕士学侍论文 形成生物膜脂双层结构的主要成分是磷脂和胆固醇，它们都是两亲分子 具有极性的亲水头部和非极性的疏水尾部，可以在气液界面上自发形成脂单层。 许多科学家认为二维脂类单分子膜可以看成是生物膜的一个单层，是研究生物 膜结构性质的一个理想的模型系统。 图2 3 实验所j ；il b 膜天平仪器幽 本章采用l i b 膜天平研究了磷脂( p c ) 与胆固醇( c h 0 1 ) 混合单分子层在空 气水界面上的p 1 4 曲线。测得了纯p c 、纯c h o l 以及p c c h o l 混合单分子层的 p 刊曲线。根据极限分子面积( 1 i m i t i n gm o l e c u l a ra r e a ) 、崩溃压以及最大模量 的变化来说明胆固醇对磷脂单分子膜的影响，并通过计算，从热力学的角度考 查了混合单分子膜的稳定性。 2 1 实验部分 2 1 1 主要实验原料 卵磷腊c 4 0 n 0 9 p ( l - p h o s p h a t i d y l c h l i n e ，p c ) ( s i g m a 分装，美国) 胆固醇c h o l ( 天津市博迪化工有限公司) ，分析纯。 三氧甲烷( c o ，) 天律市凯通化学试剂有限公司，分析纯。 雾 武汉理工大学硕士学位论文 实验过程中亚相均为三次蒸馏水，是去离子水经过s z 9 3 自动双重纯水蒸 馏器获得，电阻率大于1 8 m o c m 。 本实验均是在温度为2 0 下进行。 2 1 2 主要实验仪器 本实验是在l a n g m u i r 膜天平上操作进行的，k s vi n s t r u m e n t sl t d ，f i n l a n d 。 其中带有聚四氟乙烯的双槽和w o l h e l m y 感应吊片。此仪器是测定极性有机物物 理和化学特性的精密测量仪器。它可以动态地研究各种有机极性物质的单分子 层表面膜，记录膜的分子表面积与表面张力或表面压力之间的函数关系。如图 2 3 所示。 主要参数如下： 膜天平测量范围：0 1 2 5 m n m 膜天平分辨率：4 # n m 单槽表面积：5 1 0 1 5 0m m 2 亚相体积：0 5 5 l 压缩速度：0 0 1 8 0 0m m m i n ，可程序控制。 1 0 0 t l 微量进样器，上海高鸽工贸有限公司 2 1 3 p 卅等温线的测定 2 1 3 1 纯p c 纯c h o l 的单分子层 膜天平是测定极性有机物( 两亲分子) 物理化学特性的精密测量仪器。它 可以动态地研究各种有机极性物质( 蛋白质、脂质、高聚物等) 的单分子层表 面膜，记录膜的分子表面积臼) 与表面张力( ，) 或表面压力( p ) 之间的函数 关系。每次实验前都必须清洗槽及滑障表面，并以纯的三氯甲烷做空白测试， 保证亚相表面的洁净。因为单分子膜只有一个分子的厚度，极小的杂质都可以 影响单分子膜的性质。 成膜溶液的制备：称取一定量的成膜物质p c 、c h o l 溶于定体积的氯仿， 充分溶解，得到需要浓度的成膜液。 实验步骤：保证亚相表面洁净之后，用微量进样器取适量上述成膜液，逐 滴缓慢地加入亚相表面，使其缓慢铺展在空气水界面上。等待约1 5 m i n 氯仿挥 武汉理工大学硕士学位论文 发完毕，膜分子自动铺展达到平衡时，天平归零，开始压缩，得到等温压缩曲 线。 2 1 3 2p c c h o l 混合单分子层 将准备好的成膜液按照体积比为1 ：1 、1 ：2 、1 ：3 、1 ：4 、1 ：5 、1 ：6 、1 ：7 、1 ：8 ， 1 ；9 、1 ：1 0 混合，得到不同配比的混合溶液。用微量进样器取适量上述混合液， 按照同样的方法，得到混合单分子层的等温压缩曲线。 2 2 结果与讨论 2 2 1p c 的p 、- a 曲线 平均分子面积a 2 图2 4 卵磷脂的单分子膜p 彳曲线 图2 4 是纯卵磷脂的等温压缩曲线，由图中可以看出，当膜压小于5 m n m 时，表面压增加缓慢；当达到5 m n m 以上时，表面膜压成线性增加，表明气液 界面上的卵磷脂分子由气态膜向液态膜转化，逐渐形成液态膜；当表面压力升 至1 5 m n m 以上时，逐渐形成固态单分子层；当表面压力进一步升至3 5 m n m 时，卵磷脂分子排列更趋紧密；若表面压力继续升高，将导致膜的破裂和皱叠， 这时的表面压即为崩溃压，大约为4 1 6 m n m 。在p 卅曲线中，如果把曲线固相 1 4 佃 o nm嶝旧僻 武汉理上人学硕士学位论文 段外推至零表面压，与横坐标轴相交于一点，这点的数值称为单分子极限占据 面积。从图2 4 中可以得出纯的卵磷脂分子极限面积为1 1 2 a 2 。 2 2 2 不同p c c h o l 含量的p 叫曲线 毫w 至 * 2 0 1 0 十均分t 积r 目2 5 不同p c c h o l 的渥台单分子膜的p 叫曲线 不同摩尔比的p c 与胆固醇混合单分子膜的p 叫等温曲线见图2 5 。可以看 出，随着混合膜中胆周醇含量的不断增加，曲线逐渐发生变化。髓着胆固醇含 量的增加，磷脂单分子膜更加凝聚。最直观的就是崩溃压它随着胆固醇的增 加不断下降。为了进一步研究两组分之间的相互作用和更加清晰地观察膜的各 项性质发生的变化，我们将p 一曲线得到的各项信息归纳在表2 1 中，从极限 分子面积、崩溃压、模量等角度柬研究膜的表面性质。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 不同胆固醇含量的混合单分子膜的极限分子面积、崩溃压、最大模量值 4 3 7 7 3 2 2 9 2 7 6 8 3 1 8 7 2 7 9 8 2 4 1 7 2 8 5 6 2 9 0 8 3 0 6 5 3 3 1 9 2 2 2 1 极限分子面积的变化 在p 卅曲线中，如果把曲线固相段外推至零表面压，这时的单分子面积即 为固态层内单分子的占有面积，也称为单分子极限面积。图2 6 给出了磷脂单分 子膜的极限分子面积随胆固醇含量的变化曲线，由于胆固醇的极限分子面积比 磷脂大，随着摩尔分率的增加，混合膜的极限分子面积先增大后减小，在x c h - - - - o 4 达到一个最小值，说明此时两者发生相互作用。 1 2 。 r ， o卫0卫040 60 j1 0 x _ 图2 6 磷脂单分子膜极限分子面积随胆【司醇含量的变化 1 6 拍 缸 钉 龃 弘 的 钉 钙 瑚 舳 跗 舛 眈 舳 跖 跚 鲫 啪 m 一 撇 一 ；耋 肌 脚 | 圣 一 1 2 3 4 5 6 7 8 9 o o o o o 0 o 0 o ： 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 2 崩溃压的变化 崩溃压是衡量有机化合物或两亲分子成膜性好坏的重要标志。它是指使膜 发生破裂或者褶皱时的表面压力。显然，崩溃压越高，膜的强度越大。图2 7 为 混合膜崩溃压随胆固醇含量的变化。由图中可以看出，胆固醇对磷脂膜的崩溃 压有明显的变化，胆固醇降低了磷脂的崩溃压，在6 0 时达到最低值。 图2 7 磷脂单分子膜的崩溃压随胆固醇含量的变化 2 2 2 3 最大模量的变化 单分子膜的静态模量是指膜在平衡状态时的压缩弹性，可以通过p 卅等温 线微分获得。单分子膜的静态模量公式为： e 。卅塑 4 d a ( 2 1 ) 压缩模量反映了膜的状态，并能够说明混合膜中分子间的相互作用【2 2 】，一 般认为【2 3 1 ： 1 2 5 m n m 晟 5 0 m n m 时，为液态扩张膜； 1 0 0 m n m 晟 f 8 8 f 6 8 l 6 2 l 6 1 l 6 4 l 1 0 1 。从这个 顺序来看，在低表面压下，分子体积小的p l u r o n i c 较分子体积大的容易插入磷脂 单分子膜中，原因是分子体积小，空间位阻小，p p o 链段与磷脂分子中的烃基 能更加有效地发生疏水作用。加上p e o 链也较短，与亚相水之间的作用也小。 对于较大体积的f 6 8 、f 8 8 、f 1 0 8 和f 1 2 7 ，分子体积越大，它们的以值越大， 说明与磷脂分子间的相互作用越强，即使在高表面压下也能插入磷脂单分子膜 中。因此，具有较高疏水性能的p l u r o n i c 表现出较高的表面性质和渗透能力。 4 3 本章小结 ( 1 ) 通过p l u r o n i c 和磷脂不同比例( 2 、5 、1 0 、2 0 ) 的混合单分子膜的 p - a 等温曲线，从纵向比较了各种p l u r