（材料学专业论文）氧阴离子聚合制备聚乙二醇基两亲嵌段共聚物及性能研究.pdf

摘要 本文以聚乙二醇或聚乙二醇单甲醚为引发剂，通过氧阴离子聚合的方法制备 了两亲性嵌段共聚物聚乙二醇单甲醚一聚氰基丙烯酸乙酯( m p e g b p e c a ) 和 聚氰基丙烯酸乙酯一聚乙二醇一聚氰基丙烯酸乙酯( p e c a b p e g b p e c a ) ， 采用g p c 、1 h n m r 、红外光谱等方法对嵌段共聚物进行表征，结果表明聚合物 具有预期结构，相对分子质量可控且相对分子质量分布窄；制备荧光标记共聚物 ( m p e g b p e c a c z ) 并对其荧光性能进行分析。采用纳米沉淀技术制备共聚物 纳米粒，激光粒度仪和透射电镜结果表明，粒径都小于1 0 0n m ，呈球形。以地 塞米松为模型药物进行载药实验，结果表明两亲嵌段共聚物和荧光标记共聚物都 有一定的载药能力。载药纳米粒体外释放无突释现象，且随着共聚物中疏水段相 对分子质量的增大，载药纳米粒的释放速率和累积释放量增大。 以m p e o 与k h 为原料，制备大分子引发剂醇钾，以丙交酯( d l l a ) 、甲基 丙烯酸二甲氨基乙酯( d m a e m a ) 为单体，采用氧阴离子聚合的方法制备 m p e g b p d l l a b p d m a e m a 两亲性三嵌段共聚物。采用g p c 、1 h n m r 、红外 光谱等方法对嵌段共聚物进行表征，结果表明聚合物具有预期结构，相对分子质 量可控且相对分子质量分布窄。将m p e g b p d l l a b p d m a e m a 嵌段共聚物与 聚丙烯酸( p a a ) 反离子相互作用，可形成聚乳酸为内核、聚电解质为中间层， m p e g 为壳的纳米粒，粒径小于3 0 0n m ，粒径大小跟p d m a e m a 链段与p a a 的电 荷比有关。 关键词：氧阴离子聚合；两亲性嵌段共聚物；纳米粒；荧光标记；药物控制释 放 a b s t r a c t m e t h o x yp o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) - b p o l y ( e t h y lc y a n o a c r y l a t e ) ( m p e g - b p e c a ) ， a n d p o l y ( e t h y lc y a n o a c r y l a t e ) 一b p o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) 一b - p o l y ( e t h y lc y a n o a c r y l a l ( p e c a - b p e g b p e c a lw e r es y n t h e s i z e dv i ao x y a n i o n - i n i t i a t e dp o l y m e r i z a t i o n f r o mp e go rm p e ga si n i t i a t o r s t h e a m p h i p h i l i c b l o c k c o p o l y m e r s w e r e c h a r a c t e r i z e db yg p c ，1h - n m l lf t i r t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em o l e c u l a rm a s si s w e l lc o n t r o l l e dw i t hl o w p o l y d i s p e r s i t i e s f l u o r e s c e n tp o l y m e r ( m p e g b p e c a - c z ) w a sa l s os y n t h e s i z e db yo x y a n i o n - i n i t i a t e dp o l y m e r i z a t i o n ，t h e i rf l u o r e s c e n tp r o p e r t y w a sa n a l y z e d p e g p e c an a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e d b yt h en a n o p r e c i p i t a t i o n t e c h n o l o g y t h er e s u l t so fl a s e rp a r t i c l es i z ea n a l y z e r ( l p s a ) a n dt r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) s h o wt h a tt h en a n o p a r t i c l e sa r eo fs p h e r i c a lm o r p h o l o g y w i t ht h es i z eo fn a n o p a r t i c l e sl e s st h a n10 0n m u s i n gd e x a m e t h a s o n ea sm o d e ld r u g ， t h ed r u gl o a d i n ga b i l i t yo fa m p h i p h i l i cb l o c kc o p o l y m e r sa n df l u o r e s c e n t - l a b e l e d b l o c kp o l y m e rw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a td e x a m e t h a s o n ec a nb ee f f e c t i v e l y i n c o r p o r a t e di n t op e g p e c ac o p o l y m e rn a n o p a r t i c l e s a n yi n i t i a lb u r s tr e l e a s ew a s n o to b s e r v e r e di nt h ei nv i t r or e l e a s eo fa l lt h es a m p l e s t h er e l e a s er a t ea n d a c c u m u l a t e dr e l e a s ea m o u n to fd e x a m e t h a s o n ei n c r e a s e u p o ni n c r e a s i n g t h e m o l e c u l a rw e i g h to ft h eh y d r o p h o b i cc h a i ni nt h ec o p o l y m e r s m p e gm a c r o i n i t i a t o r sw e r ef i r s tp r e p a r e df r o mm p e ga n dk h a m p h i p h i l i c b l o c k c o p o l y m e r s ( m p e g - b p d l l a - b - p d m a e m a ) w e r e s y n t h e s i z e db y o x y a n i o n - i n i t i a t e dp o l y m e r i z a t i o nu s i n gd l l a ，d m a e m aa sm o n o m e r s t h e r e s u t l t so fg p c ，f t i r , 1 h n m ri n d i c a t et h a tt h ec o p o l y m e r i z a t i o ni sw e l lc o n t r o l l e d w i t hl o wp o l y d i s p e r s i t i e s t h eb l o c kc o p o l y m e r sd i s s o l v e di n a q u e o u ss o l u t i o n ，o n a d d i t i o no fp o l y ( a c r y l i ca c i d ) ( p a a ) ，m i c e l l i z a t i o no c c u r r e dt of o r m c o m p l e x n a n o p a r t i c l e sc o m p r i s i n gp d l l ac o r e ，p o l y e l e c t r o l y t ec o m p l e xm i d d l el a y e ra n d p e gs h e l l t h es i z eo f c o m p l e xn a n o p a r t i c l e sm e a s u r e db yl p s a i sl e s st h a n3 0 0n m a n dd e p e n d so nt h em o l a rr a t i ob e t w e e nt h eo p p o s i t e l yc h a r g e ds u b u n i t s ( d m a e m a t o a a 、 k e y w o r d s ：o x y a n i o n i n i t i a t e dp o l y m e r i z a t i o n ，a m p h i p h i l i cb l o c kc o p o l y m e r s ， n a n o p a r t i c l e s ，f l u o r e s c e n tl a b e l i n g ，d r u gc o n t r o l l e dr e l e a s e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁生蠢堂或其他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了谢意。 学位论文作者签名：鞠眈绷1 5 签字同期：2 d 。矿年g 月4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：商晓娴1 3 导师签名： 叉严联彳： 签字同期： 2 6 d ? 年月争同签字日期：加，年6f j 牛日 第章前言 第一章前言 氧阴离子聚合自1 9 9 7 年由日本科学家n a g a s a k i 及其同事发现后，经过a r m e s 研究小组对其进一步的研究，发现此种聚合方法具有明显的活性聚合的特征，反 应速度快，活性高，反应条件比一般的阴离子聚合温和，可以在室温下合成结构 精致的，相对分子质量分布窄的嵌段共聚物或大分子单体，也可用于制备接枝共 聚物等，是活性聚合中最为简便实用的聚合技术。 p o l y ( a l k y lc y a n o a c r y l a t e ) ( p a c a ) 纳米粒具有生物降解性并能捕获一些具有 生物活性的药物的能力被广泛用于药物释放体系。d m a e m a 具有对温度及p h 响应性，所制备的高聚物p d m a e m a 也是一种对温度和p h 值敏感的高分子化 合物，故可以考虑用作药物传输载体及改性生物大分子的表面。p d m a e m a 分 子结构中同时存在亲水性的叔氨基、羰基和疏水性的烷基基团，且两类基团在空 间结构上互相匹配，当体系温度或p h 值改变时，可造成氢键的形成与破坏，从 而产生了高分子相态的变化。p d m a e m a 能很好地缔合d n a ，在不同细胞中起 媒介传递作用，具有生物相容性、抗凝血功能，因此它在生物医学材料上有较好 的应用前景。 综上所述，本文拟采用氧阴离子聚合的方法合成两个系列两亲性嵌段共聚 物，在对其结构和性能进行表征和研究的基础上，对其控释制剂方面的应用进行 研究。主要工作包括： 1 氧阴离子聚合合成相对分子质量可控、相对分子质量分布窄的聚乙二醇 聚氰基丙烯酸酯两亲性嵌段共聚物，并加入含咔唑基团的荧光物质，制备出荧光 标记的聚乙二醇聚氰基丙烯酸酯两亲性嵌段共聚物；聚乙二醇聚乳酸聚甲基丙 烯酸二甲氨基乙酯两亲性三嵌段共聚物。 2 通过红外、核磁、凝胶色谱分析、d s c 、荧光光谱等表征共聚物的结构 和性能等。 3 以两亲性嵌段共聚物为载体材料，制备负载地塞米松的聚合物纳米粒， 考察纳米粒的形状及粒径大小及两亲性嵌段共聚物对药物的包封情况和影响因 素及载药纳米粒的体外释放。 第二章文献综述 2 1 活性聚合 第二章文献综述 1 9 5 6 年，s z w a r c 1 】提出了活性阴离子聚合和活性聚合物的概念，尽管这一活 性聚合法发展迅速，但直至2 0 世纪7 0 年代末、8 0 年代初的大约2 5 年中，并未开发 出其它新的活性聚合方法。正是在此期间，随着阴离子聚合理论及应用的不断发 展，人们逐渐认识到活性聚合的优越性，即在控制聚合物的一次结构上是一般聚 合方法无法比拟的。因此，人们一边致力于将一些传统的聚合方法( 自由基、阳 离子、配位等) 活性化，同时研究开发出了多种新的活性聚合方法( 如基团转移、 羟醛基团转移、镧系金属络合物引发的活性聚合及金属卟啉络合体系引发的活 性聚合及可控聚合) 2 - 7 1 。各种活性聚合方法既有相似之处，又各具特色，均具 有重要的理论研究价值和应用前景。因此，活性聚合的研究和开发应用被誉为高 分子化学的第三个迅速发展阶段。活性聚合最突出的特点是能够控制聚合物的一 次结构。由于不存在链转移和链终止等副反应，因此在聚合物的分子设计和合成 中，它是最有效、最方便的方法。通过活性聚合，可以有效地控制所得聚合物的 相对分子质量、相对分子质量分布、端基结构、侧基结构、单体的排列顺序及某 些聚合物的立构规整性等，还可通过分子设计合成各种各样具有特定功能的共聚 物或具有特殊几何形状的聚合物等。这也正是活性聚合得以迅速发展的原因所 在。 2 2 活性阴离子聚合 活性阴离子聚合是开发最早、发展最快、成果最多的一种活性聚合方法。该 聚合方法除了具有上述活性聚合方法所具有的特点之外，与其它活性聚合方法相 比尚有其独到之处。一是适用于活性聚合的单体多，迄今为止可分为四类：( a ) 非极性单体，如苯乙烯、o 【甲基苯乙烯、共轭二烯等；( b ) 极性单体，如c 【甲 基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯、2 丁烯酸酯等；( c ) 环状单体，如环氧烷、环硫烷、 环氧硅烷、内酯等； ( d ) 官能性单体，即分子中含有官能性基团的单体【lj 。开 发最早的是非极性单体和环氧单体，这两类单体的阴离子聚合反应易于控制，而 目前研究较多的为极性单体。虽然极性单体的阴离子聚合难度较大，但由于其聚 第二章文献综述 合物具有优良的耐候性、装饰性、粘接性，而且易于转变为水溶性聚合物等，因 此倍受青睐。另外，官能性单体的研究开发不但大大拓宽了活性阴离子聚合的研 究范畴，而且也可以从分子设计入手，合成各种结构精致的功能高分子。活性阴 离子聚合的另一大优点是活性中心的稳定性好，聚合速率快，聚合体系简单，例 如：非极性单体、环氧单体及许多官能性单体的阴离子聚合无需加入添加剂或助 引发剂，只在单一引发剂引发下，便可聚合而得到高相对分子质量聚合物。而极 性单体，如甲基丙烯酸甲酯的聚合，在数秒内相对分子质量便可达到数万甚至数 十万。溶剂选择余地大、聚合温度范围宽也是阴离子聚合的一大特点。如苯乙烯 的聚合可在非极性的烷烃( 已烷、环已烷等) 中进行，也可在芳烃溶剂( 如苯、 甲苯) 中进行，还可以在极性溶剂( 如t h f ) 中进行。聚合温度可以为低温( 如 7 8 ) ，也可以在室温或更高温度下进行。另外，由于阴离子聚合开发最早， 因此工业化产品也比较成熟，其中最具代表性的是苯乙烯与共轭二烯的嵌段共聚 物，即热塑性弹性体，称为第三代橡胶，如聚( 苯乙烯丁二烯苯乙烯) s b s ， 聚( 苯乙烯异戊二烯苯乙烯) s i s 等1 5 岿j 。 目前，围绕极性单体( a 甲基丙烯酸酯类等) 进行的活性阴离子聚合的研究 工作异常活跃，但由于下述原因使得它们的活性阴离子聚合复杂化、困难化 1 , 9 1 。 ( 1 ) 单体精制难度大。该类单体的吸湿性大，难于精制到适合于活性阴离子聚 合所要求的高纯度，且精制剂也难以选择。( 2 ) 由于单体中有反应性较强的羰 基的存在，极易与阴离子型引发剂发生亲核性副反应，而使引发效率大大下降， 甚至不能引发聚合。( 3 ) 此类单体的共扼体系小，形成的碳阴离子的稳定性远 低于非极性单体，聚合反应受温度影响大，往往需要在低温下聚合。a 甲基丙烯 酸酯类等极性单体的活性阴离子聚合最常用烷基锂引发体系，但若用典型的阴离 子聚合引发剂丁基锂( n b u l i ) 时，由于立体空间阻碍作用小，反应活性高，聚 合过程中往往伴有许多副反应。a n t o u n 等1 1 0 l 用仲丁基锂( s b u m ) 与l i c l 络合引 发甲基丙烯酸酯类单体聚合时，只有甲基丙烯酸叔丁酯( t b u m a ) 的聚合是活 性阴离子聚合，而甲基丙烯酸甲酯( m m a ) ，甲基丙烯酸缩水甘油酯( g m a ) ， 甲基丙烯酸二甲氨基乙酯( d m a e m a ) 都不是活性聚合。烷基锂引发a 甲基丙 烯酸酯类极性单体聚合的主要副反应为引发剂与单体中的羰基的亲核加成，这一 副反应可以通过使用立体位阻大、反应活性较低的引发剂( 如1 ，1 二苯基己基 锂等) 而加以避免，并在较低温度下( 7 8 ) 进行聚合。另外，使用添加剂如 无机盐l i c i ，可使极性单体阴离子聚合引发中心稳定性大大提高，得到的聚合物 的相对分子质量与理论相对分子质量相吻合，相对分子质量分布窄( m w m 。 1 1 ) 【1 1 1 3 1 。综上所述，u 甲基丙烯酸酯类单体活性阴离子聚合的最佳条件是选用空间 位阻大的引发剂，在添加剂l i c l 等的存在下，于极性溶剂中低温聚合，若选用适 第二章文献综述 当添加剂，聚合反应也可在非极性溶剂中进行，得到的是活性聚合物，进一步反 应形成嵌段共聚物 1 0 - 1 2 】，也可转化成大分子单体进一步合成梳形大分子等1 4 1 。 2 3 氧阴离子聚合 2 3 1 氧阴离子聚合简介 氧阴离子聚合是日本科学家n a g a s a k i 等【1 5 】发现的一种新型的阴离子聚合体 系，它利用醇钾( r o k ) 在极性溶剂中生成的氧阴离子( r o 。) 作为活性中心引 发甲基丙烯酸酯类单体聚合。经过b i f i e z 等f 1 6 j 对其迸一步的研究，发现此种聚合 方法具有明显的活性聚合的特征，反应速度快，活性高，反应条件比一般的阴离 子聚合温和，可以在室温下合成结构精致的、相对分子质量分布窄的嵌段共聚物 或大分子单体，也可用于制备接枝共聚物，氧阴离子聚合反应机理目前尚不十分 清楚，单体局限于酯基的伊位含供电性原子的甲基丙烯酸酯类单体。 氧阴离子聚合聚合的方法与传统的阴离子聚合方法，和基团转移聚合( g t p ) 等“活性可控”聚合方法相比，具有以下显著的优点： ( 1 ) 聚合条件温和，反应速率快。一般进行的氧阴离子聚合反应都在室温下进行， 亦可在较高温度3 0 5 0 下进行，在高于室温下得到的聚合物的结构更加 均匀，与传统的阴离子聚合相比，前者的反应条件要温和得多；阴离子聚合 需要在较低温度( 7 8 ) 和高真空条件下才能控制聚合反应。 ( 2 ) 聚合反应所用的引发剂是一些结构简单的醇盐，它可以利用醇( 小分子醇或 带有羟端基的聚合物) 和氢化钾( k h ) 或萘钾反应生成，简单易得。不像 g t p 那样用一些敏感且昂贵的引发剂等。 目前，氧阴离子聚合的反应机理还十分不清楚，虽然如此，氧阴离子聚合已 经应用于许多新型结构聚合物的合成，这些所合成的各种结构的聚合物具有优良 的性能。 2 3 2 氧阴离子聚合机理 氧阴离子聚合用醇钾( r o k ) 或醇钠( r o n a ) 在极性溶剂中生成的氧阴离子 ( r o ) 作为活性中心引发，然后再加入聚合体系引发聚合反应。其反应机理表示 如下： 4 第二章文献综述 n a i l + c h 3 0 h 啼c h 3 0 n a + h 2 c h 3 0 n “h 2 c 。彳h c h 3 呲h 厂宁删8 + 必 xx 氧阴离子聚合产物的平均相对分子质量随转化率增大而增大，并与理论计 算值非常接近，相对分子质量分布较窄，加入第二批单体可以继续聚合，符合活 性聚合的基本特征。 一般来说，醇的碱金属盐由于它的亲核性较低，不能引发甲基丙烯酸酯类单体 进行阴离子聚合【1 3 l 丌。在氧阴离子聚合体系中，醇钾之所以能够引发酯基的伊位 含供电性原子的甲基丙烯酸酯类单体聚合，n a g a s a k i 等将此种聚合反应的成功归 结于酯基的伊位上的n 、o 等具有供电性的杂原子与活性中心的反离子k 发生配位 络合，提高了r o 。的亲核性，增加了反应活性【l7 1 。乙醇钾引发甲基丙烯酸2 ( 二 甲基叔丁基硅氧基) 乙基酯聚合时，间规聚合物占多数的实验事实说明了络合结 构的存在【l5 1 。但此种聚合机理仍存在较大疑点，因为若是用碱金属n a 代替k ， 反应不会发生；酯基的伊位同样含供电性o 原子的甲基丙烯酸四氢吡喃乙基酯 ( t h p m a ) 和丙烯酸氨基乙酯都不能发生聚合1 1 酬。 r 0 i l l l l l l l l l m o n o m e r f f h 2 c c h 3 _ i ，p o l y m e r i z a t i o n i x ：d o n o ra t o m 图2 2 氧阴离子聚合络合示意图 f i 萨2p r o p o s e dc h e l a t i o ns t r u c t u r ef o ro x y a n i o n i cp o l y m e r i z a t i o n 2 3 3 氧阴离子聚合引发剂 氧阴离子聚合的引发剂是小分子醇或带有端羟基的聚合物与强碱反应形成 第二章文献综述 的醇钾。n a g a s a k i 等旧最初是用萘钾与醇反应由于存在萘对聚合物的污染，且不 易除去，因而a r m e s 等8 】先用k h 代替萘钾，然后又在此基础上引入极性的二甲 基亚砜( d m s o ) 与k h 生成d m s o k + 再与醇反应。d m s o k + 是强碱，可以方便地 用三苯基甲烷作指示剂进行准确滴定，而且d m s o 是极性溶剂，有利于亲核性反 应，d m s o 。k + 的引发效率高，在生成的聚合物中检测不出残存的引发剂。 氧阴离子聚合反应时，不论用哪种方法生成醇钾，保持醇与钾盐等摩尔反应 是必须的。因为若是醇过量，会存在醇的污染；若是钾盐过量，无论是萘钾、 k h 还是d m s o 。k + 都是强碱，会引发单体反应形成双活性中心，造成均聚物的污 染，这对合成大分子单体、嵌段共聚物和接枝共聚物尤其不利。 醇钾的生成一般在冰水浴或室温下进行，溶剂多选择极性的t h f 。生成小分 子醇钾反应时间一般为0 5 lh ，而生成大分子引发剂所需反应时间较长，如羟 端基的聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 生成醇钾时的反应温度为3 0 ，反应时间为 3 h t l6 1 。 2 3 4 氧阴离子聚合单体 目前文献报道的氧阴离子聚合的单体都是一些酯基中伊位上含n 、o 等具有 供电性杂原子的甲基丙烯酸酯类单体。如图2 3 所示 1 6 , 1 9 ： 明2 2 - c o o c h 2 c h 2 n ( c h 3 ) 2 黝印脚碱 c h 3吗 彳删聊吗2 c - c 岫c h 2 n c 屿吗 p 吗f 唧哗f 嗽耶心o s i 晒b 吗吗c h 3 图2 3 可用于氧阴离子聚合的单体 6 第二章文献综述 2 3 5 氧阴离子聚合应用 采用氧阴离子聚合合成了许多结构明确、相对分子质量分布窄的聚合物。这 些聚合物中有些已通过低温阴离子聚合、基团转移聚合( g t p ) 或活性自由基聚合 ( 如a t r p ) 得到，而有些新型结构的聚合物则是利用氧阴离子聚合首次获得。 ( 1 ) 合成均聚物 n a g a s a k i 等利用乙醇钾作为引发剂合成了甲基丙烯酸2 ( 二甲基叔丁基硅氧 基) 乙基酯( s e m a ) 【1 5 】和甲基丙烯酸二乙氨基乙酯( d e a e m a ) 的均聚物7 1 。b f i f i e z 等f l6 j 利用苄醇钾引发一系列单体( d m a e m a ，m e m a ，b a e m a ) 得到了它们的均 聚物，他们发现用b z o k 作为引发剂比用t b u o k 或e t o k 获得的聚合物相对分 子质量分布窄，相对分子质量分布指数范围1 1 4 - - - 1 2 9 。上述均聚物除了p s e m a 在弱酸性条件下进一步水解得到聚甲基丙烯酸2 羟基乙酯( p h e m a ) 夕 b ，其它都 是一些亲水性的聚合物，在水溶液中具有明显的表面活性。 ( 2 ) 合成大分子单体 大分子单体是一类分子链末端带有可反应基团的聚合物，可用于制备各种结 构精致的接枝共聚物1 2 0 1 ，水溶性大分子单体的不挥发性和高溶解性使它适合作乳 化剂或分散剂。活性聚合法制备大分子单体可采用引发方式或终止方式。考虑到 活性种的稳定性，引发方式相对于终止方式优越，因为它可以保证每条分子链都 含有可反应的基团1 1 理。 氧阴离子聚合制备大分子单体采取引发方式，利用功能性醇类( 见图2 4 ) 生成醇钾作为引发剂，获得一系列新型的、结构明确的、水溶性的大分子单体 【1 7 ，2 2 彩】， 这些大分子单体的反应活性较高，可作为反应型的大分子乳化剂用于 苯乙烯等单体的乳液聚合和分散聚合，得到表面洁净的粒子。 纩 伽伽 4 一乙烯基苯甲醇 豺牡。h 二乙二醇乙烯基醚 烯丙醇 烯丙基三甲羟基丙烷醚 图2 4 制备大分子单体的功能性引发剂 f i g2 - 4f u n c t i o n a li n i t i a t o r sf o rs y n t h e s i so f m a c r o m o n o m o r sv i ao x y a n i o n i cp o l y m e r i z a t i o n ( 3 ) 合成嵌段共聚物 第二章文献综述 用氧阴离子聚合法合成嵌段共聚物有两种方式： 利用带有端羟基的聚合物作为大分子引发剂，一端带羟基的聚合得到两嵌 段共聚物，两端都带有羟基的则得到三嵌段共聚物。 用单端羟基的聚环氧乙烷( p e o c h 2 c h 2 0 h ) 引发d m a e m a 及类似物合成 p e o p d m a e m a 、p e o p m e m a 、p e o p d p a e m a 两嵌段共聚物【2 4 1 ，反应方程 式如图1 4 所示。同样用两端带羟基的聚环氧丙烷( p p o ) 引发合成三嵌段共聚物 p d m a e m a p p o p d m a e m a l 2 5 l 。 一端含有卡必醇和两端均带有卡必醇的聚乙二醇基硅氧烷 ( p d m s c h 2 c h 2 0 h 和h o c h 2 c h 2 p d m s c h 2 c h 2 0 h ) 做为大分子引发剂引发 d m a e m a ，合成p d m s p d m a e m a 的两嵌段或三嵌段共聚物【2 6 】。通过上述方法 合成的两嵌段共聚物在水溶液中表现出明显的表面活性。若使用本身就是三嵌段 的两端带端羟基的p l u r o n i c 聚合物p e o p p o p e o 作为大分子引发剂，则能得到具 有p h 响应性的五嵌段聚合物凝胶【2 7 1 。 利用氧阴离子活性聚合的特征，采用顺序加料法可获得两嵌段和三嵌段共 聚物。 氧阴离子聚合是活性聚合，可通过采用顺序加料法合成嵌段共聚物。b i f i e z 等以苄醇钾为引发剂，通过依次加入甲基丙烯酸叔丁基氨基乙酯( b a e m a ) 、 甲基丙烯酸吗啡啉基乙酯( m e m a ) 、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯( d m a e m a ) 单体的方式合成了三嵌段共聚物【l6 l 。本课题采用m p e g 为引发剂依次引发丙交 酯、d m a e m a 聚合制备三嵌段共聚物。 ( 4 ) 合成接枝共聚物 倪沛红等1 2 8 1 将末端带有羟基的超支化聚合物，通过氧阴离子聚合接枝 d m a e m a ， 合成了一种具有温度p h 响应性的新型聚合物。 2 3 6 氧阴离子聚合的展望 氧阴离子聚合是新近发现的一种活性聚合体系，尽管反应机理目前尚不清 楚，但是优点表现明显，对于今后氧阴离子聚合的研究和应用在许多方面有待于 进一步探索： ( 1 ) 探索氧阴离子聚合机理，开发新型单体。新的单体开发包括两个方面： 一是将现有的常用单体应用于氧阴离子聚合体系，研究它们的适用性及聚合特 征；二是合成一些新型的多功能单体，用氧阴离子聚合合成结构明确的、窄分布 的功能高分子。 ( 2 ) 新的功能性小分子醇或含羟基齐聚物的使用。制备醇钾的醇类可采用 一些新结构的小分子多元醇或含羟基的齐聚物，合成各种拓扑结构的聚合物，实 第二章文献综述 现高分子的设计。 ( 3 ) 材料表面接枝改性。表面接枝改性是改善和提高材料性能常用的方法， 例如：炭黑是涂料、胶乳、油墨中常用的一种颜料，为了改善其在水溶液中的分 散性，常利用炭黑的表面活性基团接枝上亲水单体进行改性 2 9 - 3 1 。利用炭黑表 面的羟基在较温和的条件下采用氧阴离子聚合反应进行表面接枝，控制接枝长 度，从而达到控制分散性的目的。总之，随着研究的不断深入氧阴离子聚合将有 着较大的理论研究价值和应用前景。 2 4 两亲性共聚物药物载体概述 2 4 1 两亲性聚合物作为药物载体的优点 两亲性嵌段共聚物是指同一高分子中同时具有对两种性质不同的相结构 ( 如水相与油相、两种油相、两种不相容的固相等) 具有亲合性的嵌段共聚 物。尽管两亲性聚合物研究的历史不长，但目前人们研究的许多热点如纳米 材料( l b ) 膜、液晶( 侧链型高分子液晶) 、药物靶向与缓释、高分子合金( 相 溶剂) ，三次采油以及化学工业中的粘合剂、乳液聚合和分散聚合等方面都 与两亲性聚合物密切相关。两亲性聚合物已成为化学、化工、石油、医学、 材料、物理学、电子学、生命科学相互交叉研究的对象。 具有嵌段或接枝结构的两亲性共聚物，由于亲水嵌段和亲油嵌段在介质中的 溶解性具有很大的区别，呈现不同的构象形态，因此这种结构的两亲性聚合物大 分子能够自组装形成多种具有纳米结构特征的聚集形态，如纳米单层膜或多层 膜，纳米导线、纳米粒等1 32 | 。其中，两亲性聚合物纳米粒在控制药物释放、达到 靶向释放等方面展现出优良的性能，具有巨大的发展前景。因为这种两亲性聚合 物在水中能够自发地形成纳米尺寸的、窄分布的、具有核壳结构的纳米粒，其 中亲水性嵌段形成的溶剂化外壳包围着疏水性嵌段聚集成的核。 两亲性聚合物自组装纳米粒作为药物载体的优点在于： 1 制备工艺简单，形成的纳米粒比表面活性剂纳米粒稳定。 2 核具有较高的药物负载能力，适应的药物范围较广，可以是固态、液态， 可以是疏水性、亲水性，也可以是单方药或复方药。 3 直接形成了亲水表面，能够防止蛋白质的吸附和躲避网状系统的捕捉。 4 粒径小且分布非常窄，粒径在l o 1 0 0 0n m 范围，通过分子设计可以调节 粒径的大小和释放速率。尺寸与病毒、脂蛋白及人体内自然的介观范围的组织单 元相近，因此易通过生理屏障，在体内具有独特的分布，易于实现靶向。其在体 内的分布主要与粒径的大小、表面形态有关，与核内包裹的药物性质关系不大。 5 易于进行表面修饰，带上具有专一识别功能的基团或物质，实现主动靶向 9 第二章文献综述 给药。 2 4 2 聚氰基丙烯酸酯 聚氰基丙烯酸酯( p a c a ) 由于可生物降解及其在外科临床应用中的安全性 而成为应用较早也较成熟且具有前景的纳米材料 3 3 】。经过近3 0 年的发展，证实聚 氰基丙烯酸酯纳米粒较其它纳米载体有较好的被动肝靶向性、制剂的稳定性等诸 多优点，经表面修饰后可成为长效和隐形纳米粒，实现主动肝靶向。而且证实氰 基丙烯酸酯纳米粒是目前少数可通过血脑屏障( b b b ) 的纳米粒之一，甚至空白 的氰基丙烯酸酯纳米粒还可以与药物起协同作用1 3 引。p a c a 纳米粒具有能捕获 一些具有生物活性的药物的能力因而被广泛用于药物释放体系 3 9 - 4 0 。 1 9 7 9 年由c o u r e u r 等【4 l 】首次制备7 p b c a 纳米微球，并将药物吸附在微球表面 作为药物的载体，与前者相比p b c a 载药纳米微囊既可以在内部包裹药物又可以 在外部吸附药物，具有载药量大，对所包裹的蛋白质多肽药物不易失活，易于口 服等优点。通过纳米微囊化技术不但可以提高疗效降低药物的毒副作用，而且可 以根据其粒径的大小在体内分布，实现不同靶向或定向给药，这已成为目前药剂 学家研究的热门课题。 但p a c a 纳米粒具有疏水性使得以其为载体制备的药物离子很容易被人体捕 获，而且该类载体在制备工艺中的聚合行为较难控制、重现性较差，以及在体内 降解后潜在的毒性，难以在生产中得到推广和应用h 2 1 。因此，制备聚合行为稳定、 均一、可控，生物相容性更好的聚氰基丙烯酸烷基酯类就显得非常有必要。聚乙 二醇化聚氰基丙烯酸酯( p e g p a c a ) 就是一个比较理想的载体材料，其主要特点 是聚合度可控，毒性更小，降解速度更慢；另外，由于p e g 链具有亲水性、柔性 的特点赋予了共聚物纳米粒的长循环特性，从而改变了被包载药物的体内药动学 行为【4 3 - 4 4 。 p e r a c c h i a 等1 4 5 在1 9 9 7 年首次报道了聚乙二醇化聚十六烷基氰基丙烯酸 ( p e g p h d c a ) 的合成，其结构为以c h 2 c h 2 首尾相连的接枝共聚物，其反应 原理为在二甲胺( m e 2 n h ) 碱性条件下，甲醛与氰基0 【位的h 发生k n o e v e n a g e l 反应， 由氰基醋酸酯生成氰基丙烯酸酯，然后再发生阴离子聚合，形成p e g p h d c a 。 p e g 2 0 0 0 的存在充当了反应终止剂的作用，从而达到聚合物聚合度可控的目的。 根据投料摩尔比的不同，该作者合成了p e g 分子为1 ，p h d c a 分子为1 5 的接枝共 聚物，其产率随着十六醇酯摩尔比的增加而上升。 r e g i n a 等t 4 6 】通过对小鼠纤维原细胞l 9 2 9 的培养和孵育实验证实，随着烷基链 的延长，烷基氰基丙烯酸酯的毒性下降；在此基础上，p e r a c c h i a 用小鼠巨噬细胞 j 7 7 4 的孵育实验来评价p e g p h d c a 的毒性，发现在2 0 0 u g m l 1 浓度下， 1 0 第二章文献综述 p e g 。p h d c a 对细胞的生存率无显著影响。使j 7 7 4 巨噬细胞死亡的i c s o 是 5 0 0 u g m l ，而p h d c a 的i c s o 是10 0 u g m l 一，可见，p e g 化使p h d c a 的毒性大大 下降，其原因可能是p e g 化后纳米粒与巨噬细胞的相互作用减弱，使得巨噬细胞 释放的毒性介质也大大下降。在另一篇文献中【4 7 】，该作者进一步考察了孵育时问 对巨噬细胞毒性的影响，结果表明，随着时间延长，细胞毒性作用加剧。在1 ，2 ， 3 ，4 ，8h 的p e g - p h d c a 的i c s o 分别为5 0 0 ，5 0 0 ，5 0 0 ，1 0 0 ，2 0u g m l 一，而在3h 时，p h d c a 的i c s o 且o 为2 0u g m l 一，说明随着时间的延长，p e g p h d c a 还是有一 定的毒性，其毒性主要来源于水解后该类载体释放出的甲醛和氰基乙酸。 本课题用氧阴离子聚合的方法制备了p e g p e c a 两亲性嵌段共聚物，并对其 合成、制备、表征、载药和体内外释放特点进行了一系列研究。 2 4 3 聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯 1 4 2 1 随着对环境保护和生命体自身的关注程度越来越高一，基于聚甲基丙烯酸 - n ，n - - - 甲氨基乙酯( p d m a e m a ) 、聚甲基丙烯酸一n - - - 7 , 氨基乙酯( p d e a e m a ) 及其两亲性嵌段共聚物等衍生物在环境保护及医学方面的许多特殊用途引 起了人们前所未有的关注。首先，p d m a e m a 能在酸性或中性条件下通过季铵化 形成阳离子聚电解质，关于它的应用目前已有很多报道，如作为絮凝剂、粘合剂、 乳液的分散剂和稳定剂。 其次，d m a e m a 具有对温度及p h 响应性，所制备的高聚物p d m a e m a 也是 一种对温度和p h 值敏感的高分子化合物，故可以考虑用作药物传输载体及改性 生物大分子的表面。p d m a e m a 分子结构中同时存在亲水性的叔氨基、羰基和疏 水性的烷基基团，且两类基团在空间结构上互相匹配，当体系温度或p h 值改变 时，可造成氢键的形成与破坏，从而产生了高分子相态的变化一。p d m a e m a 能很好地缔合d n a ，在不同细胞中起媒介传递作用，具有生物相容性、抗凝血 功能一，因此它在生物医学材料上有较好的应用前景。 m a t y j a s z e w s k i 等一用聚乙二醇单甲醚( m p e g ) ( m n = 2 0 0 0 ) 为大分子引发剂， 通过原子转移自由基聚合法( a t r p ) 在水2 丙醇的混合液中引发d m a e m a 和 甲基丙烯酸正丁酯聚合，得到两亲性无规、梯度、嵌段共聚物。动力学研究表明 共聚物可控，相对分子质量随转化率线性增加。相对分子质量最高可达3 4 0 0 0 ， 相对分子质量分布( m w m n ) 1 11 1 4 7 。以c u b r b p y 催化体系，共聚物的竞聚率 j 星：r d m a e m a = 1 0 7 ，r b m a 1 2 4 。无规、梯度、嵌段共聚物的温敏性和聚集性能显著 依赖于共聚物的结构。m p e g b p d m a e m a 的最低临界溶液温度是3 8 ( 5w t 的水溶液) ，两l c s t 在人体温度附近( 3 0 - - 3 7 ) 有望成为药物运载的良好 载体。 第二章文献综述 本课题组m 】以蒸馏沉淀聚合法制备了聚( 甲基丙烯酸c o 甲基丙烯酸- - 二 甲胺基乙酯c o 聚乙二醇) ( p ( m a a c o d m a e m a c o e g ) ) 两性水凝胶亚微 米粒( p a h m p ) 。f t i r 和t e m 结果表明，m a a 、d m a e m a 发生有效共聚，p a h m p 呈球形，粒径在2 7 0l l m 左右。敏感性考察表明，p a h m p 为典型p h 敏感两性水凝 胶，等电点随着d m a e m a 的增加而升高，同时p a h m p 具有离子强度敏感性。通 过水杨酸和壳聚糖( 相对分子质量 5 0 0 0 ) 的体外释放表明，p a h m p 对阴、阳离 子型药物都有一定的载药和释放能力，通过p h 值调节可以达到控制释放，有望 用于口服药物载体。 p e o 氧阴离子作为大分子引发剂引发d m a e m a 后，继续加入m e m a 或 b a e m a ，合成p e 0 4 5 一d m a e m a 5 7 - m e m a 6 2 、p e 0 4 5 d m a e m a l 5 7 m e m a l 7 2 和 p e 0 4 5 d m a e m a 4 9 - m e m a 7 1 三嵌段共聚物，所合成的此类三嵌段共聚物，可以 通过壳交联而形成s c k 胶束( s h e l lc r o s s 1 i n k e d “k n e d e l ”m i c e l l e s ) 。s c k 的性质介 于胶束、微凝胶、纳米粒子和树形分子之间，在生物和医药领域有着潜在的用途。 制取s c k 时为了防止粒子间的交联，一般要在较低的浓度下进行( 固含量0 1 o 5 ) ，而上述三嵌段共聚物在水溶液中形成胶束型结构，在外层的p e o 的立体 位阻作用，在固含量高达1 0 时制备s c k ，都不会出现粒子问的交联现象，这有 利于s c k 商业化1 5 5 | 。 2 4 4 荧光标记技术在药物载体的应用 光谱法是仪器分析中最常用的方法，常用的有原子发射光谱法、原子吸收光 谱法、紫外可见吸收光谱法、红外光谱法等，利用的原理都是待测物可以发射 或吸收不同频率的光波从而产生检测信号。然而将纳米粒子应用在这些光谱检测 中是不适合的，因为纳米粒子并不能增强这些光谱法的检测信号，反而会产生强 烈的干扰。而在其他一些光谱检测中，比如