（应用化学专业论文）PAAcoStPVP水相自组装大分子非共价键合胶束的研究.pdf

摘要 摘要 本课题在二氧六环介质中，以偶氮二异丁腈( a i b n ) 为引发剂，通过自由基溶液共 聚，合成了一系列单体配比不同的双亲性无规共聚物聚( 丙烯酸c o 苯乙 烯) ( p ( a a c o s t ) ) ，利用红外光谱( p 、凝胶渗透色谱( g p c ) 、示差扫描量热仪( d s c ) 、 核磁共振( n m r ) 等方法对p o 气a c o s t ) 的结构参数进行了表征。 用上述合成的p ( a a c o s t ) 与聚乙烯基吡咯烷酮p v p 在水溶液中自组装形成胶 束，利用动态光散射( d l s ) 研究体系的自组装行为，用透射电镜( t e m ) 表征胶束的形 态。d l s 结果表明，胶束的粒径随着p ( a a c o s t ) 和p v p 的初始浓度、p v p 分子量的 增加而增加，随p ( a a c o s t ) 中a a 含量减少而增加，当p ( a a c o s t ) 低浓度时，a a 含量和p v p 分子量对尺寸影响不大，当p “a c o s t ) 高浓度时，a a 含量和p v p 分子 量对胶束尺寸的影响显著；胶束粒径受多种因素的影响，胶束化过程中不同的滴加速 度得到不同粒径的胶束；p h 值从1 0 5 增加到1 0 7 7 ，胶束粒径从11 6n i i l 减少到4 0n m ； n a c l 浓度从0 1m m o l l 增加到2 5m m o l l ，胶束粒径从5 6n m 增加到1 1 0n m ；胶 束透析后粒径从5 7 2 6n m 减小到5 2 9 5n l n 。t e m 结果表明，胶束呈现规整的球形结 构，存在明暗对比，有深色的核和浅色的壳；样品经r u 0 4 染色后更能清晰地显示出 胶束的核壳结构；r u 0 4 染色时间对染色观察清晰结构有影响。 利用荧光和紫外方法研究p ( a a c 0 s t ) p v p 自组装形成胶束的微环境。研究结果 表明，随着p ( a a - c o s t ) 浓度的增加，芘发射光谱强度增强，i l ( 3 7 4n m 处荧光强 度) i s ( 3 8 5n i n 处荧光强度) 减小，表明芘在胶束中所处的微环境的极性越来越小，胶 束的结构越来越紧密；随着p ( a a c o s t ) 浓度的增加，胶束对芘的负载量增加，从负 载效率上看，最低的聚合物浓度体系却有最高的负载效率。 在p ( a a c o s t ) 与p v p 形成的非共价键合胶束中，利用透射电镜( t e m ) 探讨小分 子表面活性剂s d s 、c t a b 对胶束形态的影响。研究结果表明，表面活性剂对胶束形 态的影响不仅与其浓度有关，与表面活性剂的种类和结构有关。1 0m m o f l s d s 水溶 液可以使胶束的形态变为轴向长度约2 0 0b i n 、径向长度约4 0n m 的梭形聚集体，加 入2 4 0m m o l l s d s 水溶液可以得到“项链状 聚集体；加入1 0m m o f l c t a b 水溶液， 体系出现了轴向长度约2 0 0n m 、径向长度约2 0n n l 的规则形状的棒状聚集体。 关键词：非共价键；自组装；胶束；p ( a a - c o - s t ) ；p v p ；表面活性剂；形态转变 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，as e r i e so fa m p h i p h i l i cr a n d o mc o p o l y m e r sp ( a a - c o s t ) w i t hd i f f e r e n t m o n o m e rr a t i ow e r es y n t h e s i z e db yf r e er a d i c a lc o p o l y m e r i z a t i o ni nt h es o l u t i o no f d i o x a n e ，u s i n ga i b na si n i t i a t o r t h ec o p o l y m e r sw e r ec h a r a c t e r i z e db ym e a n so fi n f r a r e d s p e c t r u m ( i r ) ，g 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 ) ，d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) a n dn u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ( n m r ) t h es y n t h e s i z e dp 阻- c o - s t ) w e r ea s s e m b l e dw i t hp o l y v i n y l p y r r o l i d o n e ( p v p ) i n t o m i c e l l e si na q u e o u sm e d i a d y n a m i cl i g h ts c a t t e r i n g ( d l s ) w a su s e dt o s t u d yt h e m i c e l l i z a t i o no ft h es y s t e m t h em o r p h o l o g yo fm i c e l l e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yt e m 1 h e r e s u l t so fd l ss h o w e dt h a th y d r o d y n a m i cr a d i u s e so fm i c e l l e sr i s e dw i t hi n c r e a s i n gi n i t i a l c o n c e n t r a t i o n so fp ( a a c o s t ) a n dp v pa n dm o l e c u l a rw e i g h to fp v pw h i l er i s i n gw i t h r e d u c i n gc o n t e n t so fa a 啪e nt h ec o n c e n t r a t i o no fp ( a a - c o s t ) i sl o w , a ac o n t e n to f p f a a c o s t ) a n dm o l e c u l a rw e i g h to fp v ph a das l i g h te f f e c to i lt h es i z eo fm i c e l l e s nt h ec o n c e n t r a t i o no fp f a a c o s oi sh i g h , a ac o n t e n to fp ( 胁c o - s oa n dm o l e c u l a r w e i g h to fp v ph a das i g n i f i c a n te f f e c to nt h es i z eo fm i c e l l e s ，n l es i z eo fm i c e l l e sw a s a f f e c t e db ys e v e r a lf c t o r s d i f f e r e n ta d d i n gs p e e di nt h em i c e l l i z a t i o nc o u l di n d u c e d i f f e r e n ts i z eo fm i c e l l e s h d r o d y n a m i cr a d i u s e so fm i c e l l e sr e d u c e df r o m1 16h i l lt o4 0 n l nw i t hi n c r e a s i n gp hf r o m1 0 5t o1o 7 7a n di n c r e a s e df r o m5 6n l nt o110n r nw i t h i n c r e a s e s i n go fn a c lc o n c e n t r a t i o nf r o m0 1i n l n o l ，lt 02 5m m o l l 1 1 1 es i z eo fm i c e l l e s r e d u c e df r o m5 7 2 6n n lt o5 2 9 5i n na f t e rd i a l y s e d t h er e s u l t so ft e ms h o w e dt h a t m i c e l l e sw e r er e g u l a rs p h e r e sw h i c hh a daf u s c o u sn u c l e u sa n dat i n ts h e l l a f t e rs t a i n e db y r u 0 4 ，t h em i c e l l e sc o u l dm o r ec l e a r l ys h o wt h es t r u c t u r eo fn u c l e u sa n ds h e l l 肌a t sm o r e ， t h es t a i n i n gt i m eo fr u 0 4h a dae f f e c to no b s e r v i n gt h ec l e a rs t r u c t u r e t h em i c r o e n v i r o n m e n to ft h em i c e l l e sf o r m e db yp ( a a - c o s t ) a n dp v pw a ss t u d i e db y f l u o r e s c e n c es p e c t r o p h o t o m e t e ra n du vs p e c t r u m n l er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n t e n s i t yo f p y r e n ee m i s s i o ns p e c t r u mi n c r e a s e da n di i ( t h ei n t e n s i t yo ff l u o r e s c e n c ei n3 7 4n m ) 1 3 ( t h e i n t e n s i t y o ff l u o r e s c e n c ei n3 8 5n m ) r e d u c e dw i t hi n c r e a s i n go fc o n c e n t r a t i o no f p f a a c o s t ) w h i c hi n d i c a t e dt h a tp o l a r i t yo fm i c r o e n v i r o n m e n ti nm i c e l l e sw a sm o r ea n d m o r es m a l la n dt h es t r u c t u r eo fm i c e l l e sw a sm o r ea n dm o r ec o m p a c t w i t hi n c r e a s i n go f c o n c e n t r a t i o no fp ( a a c o s t ) ，l o a d i n gc a p a c i t yo fp y r e n ei nm i e e l l e si n c r e a s e d o nt h e l o a d i n ge 伍c i e n c y , t h es y s t e mw i t ht h el o w e s tc o n c e n t r a t i o no fp ( a a c o s t ) h a dt h e h i g h e s tl o a d i n ge 伍c i e n c y t e mw a su s e dt os t u d yt h ee f f e c to fs d sa n dc t a bo nt h em o r p h o l o g yo fm i c e l l e s f o r m e db yp ( a a c o s t ) a n dp v p t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee f f e c to fs u r f a c t a n to n m o r p h o l o g yo fm i c e l l e sw a sn o to n l yr e l a t e dt oi t sc o n c e n t r a t i o n ，b u ta l s ot ot h ek i n d sa n d s t r u c t u r eo fs u r f a c t a n t 10m m o 儿s d sc o u l dc h a n g em o r p h o l o g yo fm i c e l l e st os h u t t l e a g g r e g a t e sw i t l la x i sl e n g t ha b o u t2 0 0r l l na n dr a d i a ll e n g t ha b o u t4 0m n n e c k l a c e a g g r e g a t e sw e r ef o r m e dw h e nc o n c e n t r a t i o no fs d sw a s2 4 0m m o l l a d d i n g l0m m o l l c t a b r o da g g r e g a t e sw h i c hw e r er e g u l a rs h a p ew i t ha x i sl e n g t ha b o u t2 0 0n n la n dr a d i a l l e n g t ha b o u t2 01 1 1 1 1w e r ef o r m e d u n o n c o v a l e n t ；s e l f - a s s e m b l i n g ；m i c e l l e ；p ( a a - c o s t ) ；p v p ，s u r f a c t a n t ； m o r p h o l o g i cc h a n g e l l i 缩写一览表 缩写一览表 t e mt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y 透射电子显微镜 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含本人为获 得江南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已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 签名： 盗鸢日期：川年7 月房日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学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，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，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 边盏 导师签名： 日期：砷年7 n 乃日 第一章绪论 第一章绪论 纳米材料已经成为世界级的研究热点，已发现物质达到纳米尺寸时，其物理、化 学性质与宏观态相比有明显不同。要达到在纳米范围内精确控制其结构和形态的目 的，就必须找到合适的制备方法，分子自组装技术就是一种很有效的方法。 1 1 分子自组装简介 分子自组装指在平衡条件下，分子间通过氢键、静电、疏水亲脂、范德华力等非 共价相互作用，自发地构筑结构明确、稳定、具有某种特定功能或性能的分子聚集体 或超分子结构的过程，它是各种复杂生物结构形成的基础。对生物分子自组装体系的 分析表明：自组装是由较弱的、可逆的非共价相互作用驱动的，如氢键、静电相互作 用等，同时自组装体系的结构稳定性和完整性也是靠这些非共价相互作用来保持的。 作为化学、物理、生命科学和材料科学的交叉学科，分子自组装技术将在光电材料、 人体组织材料、高性能高效率分离材料及纳米材料中发挥作用。用这一方法可制造所 谓自组合材料，这种材料可能具有新奇的光、电、催化等功能和特性，在分子器件、 分子调控等方面有潜在应用价值，因而分子自组装体系的设计与研究引起了研究者极 大的兴趣，各国学者对其在化学分子设计、分子水平上的结构、组装方法、应用等各 方面进行了广泛的研究。k i m 等【l 】以分子识别技术直接合成了有非共价键的聚合物微 胶囊，与使用乳化剂、模板等方法相比，自组装显示出其独特的优越性。与由共价键 形成的体系相比，自组装体系具有如下优点：( 1 ) 在自组装过程中，由于有缺陷的亚 单元的排斥作用，从而减少了组装体中的结构缺陷；( 2 ) 组装体易于制备：( 3 ) 组装体 制备经济方便 2 1 。 1 1 1 影响自组装体系形成的因素 ( 1 ) 分子识别 分子自组装的中心是分子识别。只有通过分子识别，超分子自组装体系才能表现 出特定的功能。分子识别可定义为某给定受体( r e c e p t o r ) 对作用物( s u b s t r a t e ) 或给体 ( d o n o o 选择性结合并产生某种特定功能的过程。它包含两方面的内容：一是分子间有 几何尺寸、形状上的相互识别；二是分子对氢键相互作用等非共价相互作用的识别。 自然界中有两种类型的自组装，一种叫热力学自组装，如雨滴，它呈现出能量稳定性 最大的形式；另一种由生命体所体现，叫编码自组装，即有机分子自组装成有一定功 能的组织器官的过程。 ( 2 ) 组分 在自组装领域中用的分子构造块的类型如下：( 1 ) 类固醇骨架、线性和支化的碳 氢链、高分子、芳香族类、金刚烷；( 2 ) 金属酞菁、双( 亚水杨基) 7 , - - 胺配合物；( 3 ) 过渡金属配合物。组分的结构对自组装超分子聚集体的结构有很大的影响，组分结构 的微小变化可能导致其参与形成的自组装体结构上的重大变化。对于以氢键为驱动力 江南大学硕士学位论文 的自组装过程，若一组分上只带有质子供体，另一组分上只带有质子受体，则二者形 成的自组装体系结构最稳定。 ( 3 ) 溶剂 绝大多数对自组装体系的研究都是在溶液中进行的，因而溶剂对自组装休系的形 成起着关键作用。溶剂的性质及结构上的微小变化可能会导致自组装体系结构重大改 变。 ( 4 ) 热力学平衡 由于非共价相互作用比共价相互作用小的多，因而自组装体系在多数情况下很不 稳定。对于人工的分子自组装体系，为了达到依靠大量的非共价相互作用把超分子结 构稳定下来的目的，科学家己提出了一些促进较小的自组装超分子体系稳定化的方 法。( 1 ) 提高非共价相互作用的强度。这一点可通过选择合适的溶剂来达到。例如， 若组分间主要是憎水相互作用，那么自组装过程最好在水溶液中进行。反之，氢键和 静电相互作用在从配极质子惰性溶剂中最强，! t l c h 3 c 1 。但某一特定相互作用的大小 并不仅仅依赖于溶剂等环境条件。如氢键的强度还直接与质子供体及受体的结构及其 空间相对取向有关。( 2 ) 把自组装形成的超分子聚集体从溶剂中分离出来，避免它在 溶剂中解离为单独的组分。( 3 ) 使某一组分过量，促使自组装过程进行到底，但过量 组分不能扰乱或破坏体系的功能活性。 1 1 2 大分子自组装 大分子自组装是属于分子自组装领域的一个主要分支，是超分子化学的重要组成 部分，属超分子化学与高分子科学的交叉学科，是当今化学和材料科学发展的前沿。 它的主要研究内容是大分子之间或大分子与小分子之间或大分子与纳米粒子之间通 过非共价健的相互作用，进行自组装而实现不同尺度上的规则结构【3 1 。大分子自组装 形成的大分子超分子( 结构) 体系开辟了材料化学的一个新领域。可以发现，经过近十 多年的努力，人们对大分子自组装体系的认识比以前要深入得多，对其应用研究则更 是朝着实用方面发展。其实际应用，最可能突破的领域为光电材料。大分子自组装技 术近些年的发展十分迅速，国内外对自组装膜、长链聚合物分子的有序组装、生物大 分子定向识别组装等领域的研究很活跃，科学家已开始对分子自组装膜进行应用研 究，生物分子的定向组装研究也有重要进展。大分子自组装成膜方法通常是用带有官 能端基的聚合物直接锚固在固体基材表面的“g r a f t i n gt o 方式。 大分子有序自组装主要利用分子间的相互作用( 主要包括氢键、静电相互作用和 亲水疏水作用) 为主牵引力，在适当外场引导下，分子链或微区自组装不同长度范 围的有序结构。大分子自组装的研究对象主要是液晶高分子、嵌段共聚物、能形成氢 键或7 【键的聚合物及带有相反电荷的体系。 在大分子自组装体系中，基于氢键的自组装超分子体系是相对较新颖和引人注意 的领域，它在化学和生物体系中都占据非常重要的位置。由于氢键具有稳定性、方向 性和饱和性，分子间氢键相互作用在材料科学和生命科学研究中倍受关注，基于这种 2 茎二兰笙笙 作用的自组装研究近年来越来越引起研究兴趣。r u o k o l a i n e n 等【4 j 报道了4 一十九烷基 苯酚与聚4 一乙烯基吡啶p 4 v p 之间通过氢健作用形成的超分子结构，有高度整齐的 层状结构；“u 等【5 】报道了利用次级离子质谱法研究质子给体聚( 苯乙烯c 0 4 乙烯基 苯酚) 和质子受体聚( 苯乙烯c o - 4 乙烯基吡啶) 由于氢健作用形成的混合物或聚合体的 表面定量性质；z h a n g 等1 6 研究了金属羧酸盐聚苯乙烯离聚物和聚( 甲基丙烯酸丁酯 g o 乙烯基吡啶) 在溶液和本体中的离子相互作用，并将之与聚( 甲基丙烯酸丁酯g o 乙烯基吡啶) 和羧酸盐聚苯乙烯之间的氢健作用相比较，氢健作用会使得粘度下降并 且只有一个玻璃化转变温度t g = z h a n g 等【1 7 】在p s b p m a a 和改性聚苯乙烯p s ( o h ) 的混合溶液中，由于p m a a 嵌段和p s ( o h ) 之间的氢健相互作用形成了聚集体，而在 硫酸锌聚( 苯乙烯b 乙烯丙烯) 和聚( 甲基丙烯酸丁酯c o 乙烯吡啶) 的溶液中，金属配 位作用形成聚集体；l i u 等【8 】报道了聚4 一乙烯基吡啶或聚( 丁基丙烯酸c o - 4 乙烯基吡 啶) 与端羧基聚苯乙烯可以通过氢健相互作用得到可溶性的类接枝共聚物；l i u 等1 9 报道了聚4 一乙烯基吡啶和端羧基聚苯乙烯在氯仿中形成类接枝共聚物，然后加入甲 苯，形成核壳结构的类胶束；z h a o 等【1 0 1 报道了端羧基聚苯乙烯和聚聚4 一乙烯基吡 啶在氯仿中由于氢健作用形成类接枝共聚物，然后再加入甲醇，形成了类胶束结构的 粒子和簇；x i e 等【1 1 】氯仿中，将顶点上含有羧基的二代和三代苄基醚树模石与p v p 利用氢键作用自组装形成囊泡；g a o 等【1 2 】利用氢健相互作用，在非选择性溶剂中通过 p s b p 4 v p 和p s b p a a 自组装形成了纤维状聚集体；h s u t l 3 】在单一溶剂中混合嵌段共 聚物p m m a b p 4 v p 和无规共聚物p s r - p v p h ，通过氢键作用形成了胶束；k i m 等【1 4 1 酸性条件下，p a a 作为质子给体，p e o b p c l 胶束作为质子受体，利用两者之间的 氢键作用构建成膜，可以作为药物载体。 分子间氢键等弱相互作用具有动态可逆的特点，对外部环境的刺激具有独特的响 应特性，如在低极性溶剂中，吡啶基团中氮上的孤对电子与羧基氢原子之间可以形成 较强的氢健，氢健键能远低于化学键键能，通常会在较高温度下解离。 通过氢键或离子相互作用，异种大分子可在溶液中形成链段间配对的大分子络合 物。可以在原本没有特殊相互作用的体系中通过引入作用基团，在溶液中实现独立分 子线团和大分子聚集体间的转变，这样可导致高分子间的络合，但是这种聚集体一般 并不具有规则的结构。常规方法合成的聚合物，重复单元之间是靠共价键连接的。若 其中单体含有氢键等能形成分子相互作用的基团，采用自组装的方法，使分子间通过 氢键等非共价相互作用连接起来，也有可能形成所谓超分子高分子。氢键及憎水相互 作用是聚集体形成的驱动力。聚合物聚集体都是靠氢键、库仑力或憎水相互作用在水 溶液或有机溶剂中得到的。这些相互作用在溶液中对温度、浓度、溶剂及聚合物键长 很敏感。 1 2 大分子胶束分类以及制备方法 近十几年来，人们对于具有纳米尺寸的聚合物自组装结构的研究越来越广泛。通 过两亲聚合物在溶液中自组装形成的具有纳米或亚微米尺度的核壳结构和特定形状 3 垩塑奎堂婴主堂垡丝茎 的超分子聚集体，即聚合物胶束，已引起了人们研究的广泛兴趣，对其理论和应用上 的研究发展也极为迅速。聚合物胶束是由双亲聚合物在选择性溶剂中发生微相分离， 形成的具有疏溶剂性核与溶剂化壳的一种自组装结构。导致疏溶剂微区形成的推动力 有疏水作用、静电相互作用、氢键作用或金属络合作用等。胶束的形成是两种力共同 作用的结果，一个是导致分子缔合的吸引力，另一个则是阻止胶束无限制增长形成宏 观态的排斥力。与小分子胶束如表面活性剂胶束相比，聚合物胶束也是由亲水疏水两 部分组成，但其临界胶束浓度更低，并且由于其链段可运动性小，其解缔合速率更小， 按形态可将其分为球形、棒状、囊泡状、管状、二维胶束和复合大胶束等，并且人们 习惯上把在水溶液中形成的胶束称为正向胶束，在有机溶剂中形成的胶束称为反向胶 束。囊泡状聚集体结构比较特殊，它由密闭双分子层形成的球形或椭球形单间或多间 小室结构【l 引，双分子层是由有亲水疏水性质的两亲性分子自组装构成，生物体上酯质 两亲体可以形成囊泡，所以嵌段共聚物模拟酯质两亲体可以在稀溶液中形成囊泡【1 6 1 。 1 2 1 大分子胶束分类 ( 1 ) 无交联胶束 在选择性溶剂中自组装成胶束，常用的方法是将双亲共聚物溶于共同溶剂( 疏水、 亲水部分均能溶于其中) 中，再在搅拌下滴入选择性溶剂，诱发胶束形成，最后经透 析除去共同溶剂，也可直接将聚合物良溶液在选择性溶剂中透析。此外，一些具有特 殊性质的共聚物还可通过改变外界条件，如温度、离子强度和p h 值等方法均可诱导 胶束形成。y u s a 等【1 7 】用静态光散射研究了p h 诱导的无规共聚物的单分子胶束的形成 与破裂的可逆过程。 用作组装成胶束的双亲共聚物可以是嵌段、接枝或无规共聚物，其亲水部分通常 是离子型聚合物，如酸类聚合物、聚电解质或非离子型聚合物，如聚酰胺、聚氧乙烯 等( 与水分子形成氢键而溶于水) 。亲水部分在水中可形成舒展的壳，起稳定胶束作用； 而疏水部分通常为长碳链骨架、聚酯类等非水溶性聚合物，由于疏水作用或其他特殊 相互作用( 静电相互作用、氢键作用或金属络合作用) 而相互聚集成核。如4 乙烯基吡 啶烷基卤化盐、丙烯酸钠、甲基丙烯酸盐和磺化苯乙烯等构成的亲水片段与疏水段如 苯乙烯共价连接形成的聚电解质嵌段共聚物，均可在水中自组装形成疏水段为核、离 子段为壳的球形胶束。p a n 等【l8 】将接枝共聚物酪蛋白g 右旋糖苷和p 胡萝b 素在水中 透析，由于酪蛋白和b 胡萝b 素的疏水作用，同时形成了包裹了p 胡萝b 素的纳米粒 子。由于无规共聚物结构不规则，对其自组装形成大分子胶束的报道还较少。 目前这方面的研究和报道主要涉及各种参数( 如两亲嵌段共聚物总相对分子质 量、亲水疏水段的相对长度、溶剂组成、离子强度和溶液p h 值及温度) 与胶束尺寸、 聚集数、临界胶束浓度及胶束形成和解缔动力学之间的关系，以及如何通过分子设计 制备特殊性质的胶束及胶束包裹、缓释药物行为。通过控制制备条件最终达到控制结 构、形态和功能的目的。无交联胶束一般分为“星型”( s t a r - l i k e ) 胶束和“平头型 ( c r e w c u t ) 胶束， “星型胶束核较小而核外有较长的舒展的亲水链，由双亲嵌段聚 4 墨二里笙笙 合物在选择性溶剂中自组装形成的大部分胶束为球形的“星型胶束；“平头型 胶 束其疏水段远大于亲水段，因而形成的核较大而外层是很短的亲水链。 ( 2 ) 核交联胶束 疏水片段带有双键的共聚物，其在水中形成核后，可用引发剂使其发生核交联， 或可直接通过紫外光光交联。 ( 3 ) 壳交联胶束 这种胶束是由壳层带有双键的分子间进行自由基聚合反应或在带有反应性基团 ( 如羧基) 的分子中加入交联剂交联而形成。由聚苯乙烯为核、聚丙烯酸为壳的聚合物 胶束水溶液用二胺类交联剂在常温下即可发生缩合反应而使壳交联。通过壳交联，提 高了胶束的稳定性，而核仍保持了一定的流动性，亲油性核可以担载大量非水溶性药 物，而交联壳可以保护药物不被外界环境所破坏，并能避免高浓度药物对人体的直接 刺激，减轻不适感，这种特点很适于作为药物载体。通过在交联壳上引入具有识别功 能的指示分子，就有可能作为药物定向传送的载体。 ( 4 ) 核与壳间以非共价键连接的胶束 前面介绍的几种胶束的核壳之间是以共价键连接的，与此不同的是，这种胶束核 壳间以氢键等非共价键连接的，这是一种新型胶束，其制备方法较常规方法简单，是 大分子自组装研究中出现的一个新的领域，并且正蓬勃发展着。 1 2 2 大分子胶束的制备方法 对于小分子表面活性剂而言，当其在水溶液中的浓度高于其临界胶束浓度时，表 面活性剂分子疏水尾巴就会发生聚集，在溶液中形成胶束，将溶液稀释使得浓度低于 临界胶束浓度时，胶束又会瓦解，表面活性剂又以分子形式存在。而对于聚合物胶束 而言，聚合物也存在亲水性链段和疏水性链段，在水溶液中，疏水性链段会发生塌缩 聚集，形成胶束的核部分，溶剂化的亲水性链段则形成胶束的壳。聚合物胶束的研究 发展至今，胶束化方法已经清晰明朗，分为传统经典的胶束化方法和新型简单的胶束 化方法。 ( 1 ) 经典胶束化方法 在大分子自组装研究中，双亲性嵌段共聚物或接枝共聚物是众多科研者青睐的对 象。双亲性嵌段共聚物是指分子链中一部分为亲水性链段，另一部分为疏水性链段， 亲水性链段和疏水性链段之间是以共价键连接的，亲水性链段和疏水性链段区别分 明，链构造规整易形成各种有序的聚集形态。传统的胶束化方法是先将双亲性嵌段共 聚物溶解在其共溶剂中，然后向共溶剂中滴加某一嵌段的不良溶剂，则该嵌段分子链 就会发生塌缩聚集，而另一嵌段分子链仍然保持伸展状态，或者是将共溶剂溶液置于 不良溶剂中透析。所谓的共溶剂是指该溶剂对于聚合物的不同的嵌段均是可溶的，即 良溶剂。在胶束化的过程中，双亲性嵌段共聚物与小分子表面活性剂类似，也有临界 胶束浓度，只不过这个临界胶束浓度要比小分子表面活性剂的小得多。 5 江南大学硕士学位论文 近十多年来科学家们对双亲性嵌段共聚物或接枝共聚物的胶束化研究得较为透 彻，成果颇丰。z h a n g 等【1 9 j 报道了嵌段共聚物p s b p a a 在水溶液中自组装成“平头” 型胶束，当p a a 含量减少时，胶束形态从球形变为圆柱形变为囊泡；y u 等【2 0 】报道了 p s b p e o 在稀的水溶液中可以形成不同形态的聚集体，形态与可溶性嵌段的长度及 含量有关；y u 等【2 l j 报道了高度不对称的嵌段共聚物p s b p e o 和p s b p a a 在稀溶液 中可以形成新形态的“平头型聚集体，包括圆形、管形、分支短棒等；j i 等【2 2 l 报道 了p e o b p s 自组装形成了二维排列的六边形结构；r i l e y 等 2 3 1 报道了嵌段共聚物 p l a b p e g 在水相中形成核壳结构的纳米粒子；s i n a g a 掣2 4 】报道了p a a b p l v a l 自组装成核壳结构胶束；q i u 等1 2 5 j 研究了由聚己内酮接枝聚乙烯胺形成的接枝共聚物 在水溶液中的自组装性质；s u m e e t 2 6 等报道了嵌段共聚物聚l ，2 一丁二稀一b 一环氧 乙烷的稀的水溶液中形成y 形和网状结构聚集体；z h o u 27 】等研究了两亲性含金属的 嵌段聚合物在水中的自组装，这种两亲性含金属的嵌段聚合物是以端基带有双吡啶基 的聚苯乙烯和聚异丙基丙烯酰胺为嵌段；r i e g e l 等【2 8 】研究发现由中间为长嵌段的聚苯 乙烯和两个链尾端为短嵌段的( 5 一( n ，n ，n 二乙基甲基铵) 橡胶基质( p a i ) 构成的 三嵌段共聚物可以在选择性溶剂中形成碗状聚集体；l i u l 2 9 】等以嵌段共聚物 p ( c e m a - r - h c e m a r - t ) 一b p t b a 和p ( h c e m a r - a ) 在氯仿环己胺中形成了以p t b a 为 壳、p ( c e m a r h c e m a r - t ) p ( h c e m a r - a ) 为核的胶束；j i a n g 3 0 等以三嵌段共聚物 p e g ( c g m a c o 6 m a ) d e a 在水相中形成了三层的洋葱型胶束；v o e t s 等【3 l 】研究了 水相中聚( 2 一( 甲基胺) 一甲基丙烯酸酯) 一b 一聚甲基丙烯酸甘油酯和聚丙烯酸一 b 一聚丙烯酰胺由于凝聚过程中的带相反电荷嵌段的缔合而形成了混合聚合物胶束； h a m l e y 等【3 2 j 研究了两亲性含有缩氨酸序列和p e g 链的嵌段共聚物在水溶液中的自组 装。 除了这种经典胶束化方法以外，也有其它特殊方法的相关报道。p e n g 等【3 3 】在有 氧无水的条件下，将聚苯乙烯加入n - 乙烯基苯和4 一乙烯基吡啶的- - 7 8 下的t h f 溶液中反应1 0 小时，得到核壳结构的纳米球、纳米纤维等纳米体，p s 为核，交联的 聚4 一乙烯基吡啶为壳；d e s b a u m e s 等【3 4 】采用单一溶剂法制备了由p s b p a a 形成的 不同形态的“平头型聚集体，这种方法是采用提高温度让疏水性嵌段溶解，然后冷 却，温度的降低导致自组装。 随着大分子自组装研究的进展，原料简单易得、合成方法简便的双亲性无规共聚 物已越来越备受关注，成为大分子自组装领域中的新宠。双亲性无规共聚物是指聚合 物分子链中亲水性链段和疏水性链段无规排列，亲水性链段夹着疏水性链段，呈现无 规则排列，与双亲性嵌段共聚物相比，其缺少高度的规整性。近几年来，科学家研究 发现双亲性无规共聚物在特定条件下也可以自组装形成有序聚集形态，关于双亲性无 规共聚物的自组装研究已有报道，并逐渐开拓出一片新的天地。j t 1 i l h a n 等【3 5 】研究发 现具有分子识别互补作用的无规共聚物可以自组装形成大的囊泡，这些无规共聚物是 由苯乙烯和氯苯乙烯形成的聚合物再与双氨基嘧啶反应得到的聚合物；l i u 等 3 6 乖1 j 用 两亲性无规共聚物聚( 苯乙烯一c o 一甲基丙烯酸) 自组装得到碗状聚集体；u z u n 掣3 7 】 6 至二兰堡丝 利用有互补识别单元接枝的聚苯乙烯无规共聚物在氯仿中形成了囊泡状聚集体； b e g h e i n 等t 3 引报道了p e g p ( c l c o - t m c ) 在水相中自组装形成了胶束，胶束有低粘度的 亲水性的壳和高粘性的疏水性的核；t a i l l e f e r 等1 3 9 1 , 1 1 备了由异丙基丙烯酰胺、甲基丙 烯酸、丙烯酸酯合成的无规共聚物形成的p h 响应的聚合物胶束，并探讨了胶束对光 敏性抗癌药物的负载；y a n 等t , o 采用无规共聚物聚( 苯乙烯c o 丙烯酸) 自组装成胶束和 轮状结构聚集体；z h o u 等【4 1 1 报道了非水相中光诱导形成了约5 0 h m 的核壳纳米粒子， 由聚( 甲基丙烯酸丁酯c o 乙烯基乙二醇丙烯酸酯) 形成了紧密交联的核，由聚( 甲基丙 烯酸丁酯c o 乙烯基乙二醇丙烯酸酯c o 甲基丙烯酸) 形成轻微交联的壳；z h o u 等【4 2 】 将由马来酸酐和甲基丙烯酸十八烷醇酯合成的两亲性无规共聚物溶解在t 耶中，然后 加水，生成聚集体；朱丽芳等【4 3 j 合成了无规共聚物聚( 丙烯酸c o 苯乙烯) ，在二氧六 环水中，对其进行自组装制得不同粒径的胶束。 ( 2 ) 新型胶束化方法 随着自组装研究的发展，传统的由双亲性嵌段共聚物在选择形溶剂中自组装成胶 束的方法逐渐显示出其固有的局限。双亲性嵌段共聚物合成困难、繁琐，成本高昂， 价格昂贵，使其在可行性探索和理论研究方面的意义远大于在应用方面的意义，因而 实际应用受到限制；而且时下一般胶束化过程均涉及有机溶剂，使其在生命领域中的 应用受限。因此，化学家们的研究思路就转向胶束化方法简单、原料易得、水相体系 的非共价键合胶束。这是出现的一种新型胶束化方法，所用的聚合物一般采用简单易 得的均聚物对或均聚物与共聚物对，避开了使用复杂的嵌段共聚物。这种胶束化方法 是自组装研究的一次重大创新，将会在自组装的舞台上大放异彩。这种方法称为非共 价键合胶束方法，采用“非嵌段共聚物路线畔】制备胶束。用这种方法制备的胶束核 和壳之间采用非共价键连接，与由传统路线制备的胶束有着根本的区别，这种方法是 由复旦大学江明研究小组提出的。他们研究了一系列通过分子间氢健特殊相互作用建 立聚合物胶束和中空微球的新的方法。形成非共价键合胶束有两种方法：( 1 ) 形成 氢健接枝共聚物，再在选择性溶剂中自组装；( 2 ) a 溶液加入到b 溶液中去，其中b 的溶剂是a 的沉淀剂；( 3 ) 原位聚合法，即聚合过程与自组装过程同时进行。如 w a n g 等【4 5 】研究了将端羧基聚丁二烯( c p b ) 和聚4 一乙烯基吡啶( p 4 v p ) 在共同溶剂 中形成氢健接枝共聚物，再在选择性溶剂中形成了非共价键合胶束；袁晓凤等【4 6 】将磺 化聚苯乙烯( s p s ) t h f 溶液加入聚4 一乙烯基吡啶( p 4 v p ) 甲醇中形成了胶束状 粒子；w a n g 等h 7 】研究了改性聚苯乙烯p s o h 氯仿溶液加入聚4 一乙烯基吡啶( p 4 v p ) 硝基甲烷中形成了胶束聚集体，随着p s o h 中羟基含量的增加，聚集体由球形向棒 状进而向网状聚集体转变，通过将胶束的壳交联，将选择性溶剂转换为共同溶剂从而 使核溶解，实现了由实心球向空心球的转变；张幼维掣4 8 】等利用这种方法制备了 p c l p a a 胶束，交联p a a 壳层，将p c l 核生物降解得到p h 响应的空心球；l i u 等 4 9 , 5 0 等利用可生物降解的p c l 和水溶性的接枝共聚物m a f 中的p c l 支链的亲和性 获得了特殊的非共价键合胶束，将壳交联，将p c l 生物降解，获得空心球；y a o 等【5 l 】 研究了p s b p 4 v p 与甲酸在氯仿中的胶束化以及p s b p 4 v p 与癸酸体系中引入甲酸的 7 垩堕奎堂堡主堂垡丝茎 情况：任现文等【5 2 j 等利用了另一种非共价键合胶束的方法原位聚合法制备出聚乳 酸聚( 异丙基丙烯酰胺一c o 一丙烯酰胺) 温敏性核壳胶束。 国外对于聚合物胶束研究得较为广泛，一般选择嵌段共聚物或接枝共聚物作为研 究对象，形成的胶束是由共价键连接的，在非共价键合胶束方面研究报道较少。如 t o p o u z a 等【5 3 j 制备了p s b p z v p 和p m a a 形成的具有热敏性的非共价键连接的类嵌 段共聚物胶束，在6 0 条件下，混合两者的二氧六环溶液，然后冷却至室温，因为 在室温下二氧六环是p m a a 的不良溶剂，两者之间可以通过氢健形成胶束；m a r s d e n 等【5 4 j 报道了非共价键嵌段共聚物p s e k p e g 自组装成杆状胶束。 目前对于这种新型胶束化方法的研究正处于刚起步阶段，非共价键合胶束的研究 仅限于采用均聚物对或均聚物共聚物对借助氢健作用自组装成胶束，着重强调了胶 束的形成、稳定、形态、共聚物的组成对胶束的结构的影响。与嵌段共聚物胶束相比， 非共价键构建的胶束核壳之间以非共价键连接，使超分子结构有可逆性。 1 3 大分子胶束形态的影响因素 迄今为止，科学家们对聚合物胶束的研究主要集中在双亲性嵌段共聚物，并且研 究得较为透彻。双亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中自组装得到的一般都是球形聚集 体，在不断的深入研究中，人们发现许多因素可以影响聚集体形态。嵌段共聚物聚集 体的特殊形态由体系自由能决定，自由能的大小受制于成核链段的伸展度、壳间斥力、 核壳之间界面能这三种力之间的平衡 3 , 5 5 】，所有影响这三种力之间平衡的因素都会影 响聚集体的形态。比如减弱壳分子链之间的相互排斥，迎合了体系减小其核与溶剂之 间的界面能的倾向，使得胶束的尺寸趋于增大。但是，核体积的进一步加大，意味着 成核分子链将损失其构象熵，增加分子链伸展的程度，以填充体积不断增加的核。达 到某一临界状态后，聚合物胶束将改变其形态，形成囊泡、管状或柱状等聚集体。研 究还发现通过控制嵌段共聚物的结构参数及组成【5 6 】或控制溶剂的性质