（材料学专业论文）疏水改性葡聚糖聚乳酸体系自组装行为的研究.pdf

摘要 本文分别以胆固醇( c h ) 、月桂酸( l a u ) 、聚乙二醇( p e g ) 为疏水官能团 对醛基化葡聚糖进行改性，制备了各种疏水取代度的两亲性聚合物。利用 1 h - n m r 对其结构进行了表征，利用荧光光谱对两亲性聚合物在溶液中的胶束化 行为进行了表征，得出三种偶联物的临界聚集浓度( c a c ) 分别为0 2 2 m g m l ( c h d e x c h o ) 、0 1 4 m g m l ( d e x l 肌) 、0 0 1 4 m g m l ( d e x p e g ) 。结果显 示d e x p e g 具有较好的胶束化行为，并通过透射电子显微镜( t e m ) 的表征得 到了证实。 采用共透析的方法，制备了不同两亲性葡聚糖衍生物聚乳酸( p l a ) 体系的 微乳液。利用透射电子显微镜与动态光散射相结合对不同疏水官能团改性的葡聚 糖在水溶液中的自聚集形态及其尺寸进行了表征。得出以下结论：提高两亲性聚 合物的浓度和提高p l a 在体系中的比例对体系的自组装有着相同的影响，即粒 子的粒径先将小后增大；进一步改变胆固醇的疏水取代度，发现随着疏水取代度 增加，粒子粒径增大。 以d e x l a u 为模型，采用共透析的方法，通过改变月桂酸的疏水取代度及 体系中p l a 的质量配比，制备了一系列d e x l a u p l a 体系的微乳液。利用t e m 进行了表征，发现不管疏水取代度高低，随着p l a 含量的增加，囊泡的壳层厚 度增加，核芯尺寸减小，且聚集体的形态有由囊泡变为球形胶束的趋势。通过对 聚乳酸与两亲性分子作用的方式及聚乳酸在聚集体内部存在的构象的探讨，解释 了d e x l a u p l a 体系中发生的聚集体形态的变化。另一方面，低取代度的 d e x l a u 由于聚集体内部疏水作用力较弱，在结构排列上相对于高取代度 d e x - l a u 更倾向于成囊并拥有较好的囊泡形态。而且低取代度的d e x - l a u 拥有 较好的对p l a 的“包容”能力。此外，对d e x l 叫p l a 体系自组装过程中形成的 一些特殊形态作了简单的说明。 关键词：两亲性物质；葡聚糖衍生物；自聚集体：排列参数； a b s t r a c t as e r i e so fa m p h i p h i l e sw e r es y n t h e s i z e db yh y d r o p h o b i c a l l ym o d i f i e da l d e h y d e d e x t r a nw i t ht h r e ed i f f e r e n th y d r o p h o b i cf u n c t i o n a lg r o u p s - - - c h o l e s t e r o l ( c h ) ，l a t t r i c a c i d ( l a u ) ，a n dp o l y ( e t h y lg l y c 0 1 ) ( p e g ) ，w h i c ha l lh a v eb e e na n a l y s i z e db y1 h - n m r t h ec r i t i c a la g g r e g a t ec o n c e n t r a t i o n so ft h e i rm i c e l l i z a t i o n sf o r m e di n a q u e o u s m e d i u mw e r em e a s u r e db ym e a n so ff l u o r e s c e n ts p e c t r o s c o p yw i t hp y r e n ea st h e h y d r o p h o b i cp r o b e t h ec a cv a l u e sf o rc h - d e x c h o ，d e x - l a u ，a n dd e x p e g w e r e0 2 2 m g m l ，0 14 m g m l ，a n d0 014 m g m l r e s p e c t i v e l y i nt h i sa r t i c l e ，t h em i c r o e m u l s i o n so fd e x 仃a nd e r i v a t e s p o l y ( 1 a c t i ca c i d ) ( p l a ) w e r ep r e p a r e db yt h ec o - d i a l y z i n gm e t h o d t 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 ( t e m ) c o m b i n e dw i t hd y n a m i cl i g h ts c a t t e r i n g ( d l s ) t e c h n i q u ew a su s e dt oc h a r a c t e r i z et h e m o r p h o l o g i e so ft h es e l f - a g g r e g a t e sa n dt h e i rs i z e i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h et w o w a y s ，i n c r e a s i n gt h ec o n c e n t r a t i o n so ft h ea m p h i p h i l e sa n dr a i s i n gt h ew e i g h tr a t i oo f t h ep l ai nt h es y s t e m , h a v et h es a m ee f f e c t so nt h es e l f - a s s e m b l yb e h a v i o r s ，i e t h e s i z e so ft h en a n o p a r t i c l e sf a l l s f i r s ta n dt h e na r i s e ：f u r t h e r m o r e ，b yc h a n g i n gt h e c h o l e s t e r o l sh y d r o p h o b i cs u b s t i t u t i o nd e g r e e ，w ef i n do u tt h a tw i t ht h eh y d r o p h o b i c s u b s t i t u t i o nd e g r e ei n c r e a s e s ，t h es i z eo ft h en a n o p a r t i c l ei n c r e a s e s s e t t i n g t h ed e x l a ua st h er e s e a r c hm o d e l ，as e r i e so fd e x - i ，a u p l a m i c r o e m u l s i o n sw i t ht h ed i f f e r e n tw e i g h tc o n t e n to fp l aa n dd i f f e r e n th y d r o p h o b i c s u b s t i t u t i o nd e g r e e sw e r ep r e p a r e db yc o - d i a l y z i n gm e t h o d i n d i c a t e db yt h er e s u l t so f t e m ，w h a t e v e rt h eh y d r o p h o b i cs u b s t i t u t i o nd e g r e e sa r e ，b yi n c r e a s i n gt h ep l a c o n t e n t ，t h ec o r o n at h i c k n e s si n c r e a s e s ，c o r es i z ed e c r e a s e s ，t h e r ei sat r e n do ft h e s h a p e so ft h ea g g r e g a t e sc h a n g i n gf r o mv e s i c l e st os p h e r e s t h r o u g ht h ed i s c u s s i o no f t h ew a yo fp l aw o r k e dw i t ha m p h i p h i l ea n dt h ec o n f o r m a t i o no fp l ae x i s t e di nt h e i n n e ro fa g g r e g a t e ，i te x p l a i n st h a t w h yt h ea g g r e g a t es h a p ec h a n g e di n t h e d e x - l a u p l as y s t e m f u r t h e r m o r e d e x l a uw i t hal o wh y d r o p h o b i cs u b s t i t u t i o n d e g r e ei sa p tt of o r mv e s i c l e sa n do w n sb e t t e rv e s i c l es h a p e st h a nt h o s ew i t hah i 【g h h y d r o p h o b i cs u b s t i t u t i o nd e g r e e s ，o w i n gt ot h eh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o nw e a ki nt h e i n n e rm i c e l l e s a n dt h ef o r m e ri sab e t t e r “c o n t a i n e r f o rp l at h a nt h el a t t e r a d d i t i o n a l l y , as i m p l ee x p l a i n a t i o ni sd i do ns o m es p e c i a lm o r p h o l o g i e so b s e r v e di n t h ed e x l a u p l a k e yw o r d s ：a m p h i p h i l e ；d e x t r a nd e r i v a t e s ；s e l f - a g g r e g a t e ；p a c k i n gp a r a m e t e r ； 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，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘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： 苏腾签字日期：击，刁 年z 月，ge t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基奎盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞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： 彭晦 导师签名： 签字日期：回年多月，莎日 签字日期： 声痕裁 减年1 6 鼽 第一章绪论 第一章绪论 1 1 两亲性共聚物的自组装 1 1 1 引言 纳米球、纳米囊、脂质体、胶束和其他的纳米颗粒常被作为药物和诊断剂释 放的载体。为了延长纳米载体在体内循环的寿命及稳定性，通常采用对载体进行 表面改性，以改变其体内分布和或者达到主动靶向的效剁1 。2 1 。 近年来，两亲性聚合物的研究引起了各个领域极大的兴趣。两亲性聚合物 ( a m p h i p h i l e ) 通常是指同一分子中同时拥有疏水部分和亲水部分。由于其结构 的特殊性，在选择性溶剂中可以形成多种形式的分子有序聚集体，如不同形态的 胶束、球状、盘状、棒状、虫状、单分子膜；微乳液包括油包水型w o 、水包 油型o w 、双连续型b s ；液晶包括：层状、六角状、立方状；囊泡。两亲性分 子的有序组合体也是构成生命基本结构单元的基础，是日前制备功能材料或者实 现某些化学物质的功能而依赖的一种重要手段。在生物应用方面，一方面由于疏 水相互作用，这些聚合物容易吸附在颗粒载体的表面：另一方面，它们的亲水部 分暴露在血液中，可以降低纳米粒子表面的疏水性，有效地保护纳米粒子与血液 中的血浆蛋白相互作用。两亲性聚合物最突出的特征是聚合物化学结构的可变 性。 表面活性剂在科学研究和生产生活中的作用及地位是众所周知的，其中很 重要的一点是其生成分子有序聚集体的能力【3 】。当溶液中表面活性剂的浓度超过 其临界胶团浓度时，这些表面活性分子将自发聚集形成分子有序聚集体( 例如胶 团等) 。通常的表面活性剂分子由单头基( 离子基团或极性基团) 和单烷烃链， 或者单头基和双烷烃链构成，这些结构决定了其“单元分子”在溶液中的几何形 状、头基电荷密度以及溶剂化程度。研究表明，表面活性剂的分子结构直接影响 它们所形成的分子聚集体的形状和大小。以水溶液为例，这些普通表面活性剂在 分子有序集体中的排列受两种作用力控制，一种是烷烃链问的疏水相互作用， 它是表面活性剂分子自发组成分子有序聚集体的驱动力；另一种是头基问由于静 电斥力或水化层阻力造成的彼此之间的排斥。这两种作用力的平衡结果，再加上 单元分子几何形状产生的空间体积效应，最终决定了分子有序聚集体的形状、尺 寸以及表面电荷状况。显然，如果可以人为调节参与构成有序聚集体的各表面活 第一章绪论 性剂分子问距离，意味着可以调节这两种力的作用程度，也即可以调控分子有 序聚集体从而获得需要的形状、尺寸、表面电荷密度等参数。 表面活性剂包括小分子表面活性剂和两亲性共聚物，其主要区别在于分子量 的不同。药学中常用的小分子表面活性剂对难溶药物的增溶效果较好，但其c m c 值较高，用作药物载体时，经稀释的胶束不稳定( 如在静注后受血容量的影响会 解缔合) ，故小分子表面活性剂胶束不能作为给药系统的载体，而必须使用两亲 性聚合物作材料【4 】。 当两亲性分子遇到选择性溶剂( 即仅能溶解亲水段或疏水段中的一种，而不 能溶解另一种的溶剂) 时，便可能形成胶束。通常用的选择性溶剂是水，当两亲 性分子在水溶液中的浓度很小时。基本上仅分布在表面上( 疏水段向外) ，溶液内 部仅有个别分子。浓度达到c m c 后表面分子饱和，浓度继续增大时，两亲性分 子急剧地进入溶液内部，由于水分子间的强大偶极引力，使两亲性分子受到排斥， 而其疏水部分互相靠近、吸引产生缔合，自发形成胶束。两亲性分子疏水部分间 的引力( 包括静电作用、疏水键和氢键) 比偶极引力小，一般仅是胶束形成的次要 原因。文献中常将胶束形成的过程称为“自组装”。两亲性分子浓度稍大于c m c 时，胶束形成并呈球形，亲水基排列在球壳外部形成栅状结构，而碳氢链形成疏 松核芯，其中夹杂有少量水。随着两亲性分子浓度进一步增大，单体与胶束之问 的平衡进一步向形成胶束方向移动，在形成更多胶束的同时，形成的胶束核芯含 水量减少，逐渐变紧密，半径也缩小，胶束更为稳定。因此，c m c 值愈低的两 亲性分子，其胶柬愈稳定，愈能抗稀释而不易解缔合。疏水核芯足够大且不含水 的胶束( 核芯内聚力强) ，即使浓度低于c m c ，其解缔合的速率也很低。随着浓 度的继续增加。胶束变为棒状、六角束状；浓度更大时，成为平行排列的板层状， 也可能形成类似网状的结构，溶液变得黏稠，从液态向液晶态转变，表现出明显 的光学各向异性性质。胶束内的疏水链似油在核芯作无序运动，胶束水溶液完全 透明，因朝外的亲水基处在水中，而疏水的核芯不与水接触，整个系统稳定性很 高，是一种热力学稳定系统。 纳米结构的自组装体系是指通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范 德华力和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连在一起构筑成一个纳米结构 或纳米结构的花样。白组装过程的关键不是大量原子、离子、分子之间弱作用力 的简单叠加，而是一种整体的，复杂的协同作用。 纳米结构自组装体系的形成有两个重要条件：有足够数量的非共价键或氢 键存在。这是因为氢键和范德华力等非共价键很弱( 0 1 - 5 k a l m 0 1 ) ，只有足够量 的弱键存在，才能通过协同作用构筑成稳定的纳米结构体系。自组装体系能量 必须较低，否则很难形成稳定的自组装体系。 2 第一章绪论 营造分子自组装体系主要划分了三个层次：第一，通过有序的共价键首先结 合成结构复杂的，完整的中间分子体；第二，由中间分子体通过弱的氢键、范德 华力及其他非共价键的协同作用，形成结构稳定的大的分子聚集体；第三，由一 个或几个分子聚集体作为结构单元，多次重复自发排列成纳米结构体系【5 1 。 常见的分子间相互作用主要有两大类：静电相互作用、弱化学键作用。 ( 1 ) 静电相互作用 由于原子、分子均由带电粒子构成，因此分子间静电作用无处不在。静电 作用包括两部分，一是吸引作用能，如永久偶极矩之间的作用能、偶极矩与诱导 偶极矩的作用能、非极性分子间的作用能，它们随分子间距增大而衰减 ( u ao c ，。6 ) ；另一种是排斥作用能，它在分子间距离更小时表现出来 ( u ao cr - 9jr - 1 2 ) 。实际的分子间作用力，应该是吸引作用和排斥作用之和。 通常所说的分子问静电相互作用，主要指分子间引力作用，常称作范德华力， 范德华力的主要形式有以下几种。 取向力：存在于极性分子偶极子一偶极子间的相互作用力。极性分子具有 永久偶极矩。无外电场时，由于分子热运动，偶极子的指向杂乱无章，大量分子 的平均结果，使总偶极矩等于零。当受到外电场作用时，极性分子要沿电场方向 排列，此时体系能量最低，显示出具有宏观偶极矩。这种现象称为取向极化。 诱导力：指偶极矩一感应偶极子间的相互作用力。 色散力：指分子瞬时偶极矩问的相互作用力。非极性分子虽然没有永久 偶极矩，不存在取向作用和诱导作用，但它们之问仍有吸引力，而且作用能不小， 这种作用力称色散力。 ( 2 ) 弱化学键作用 范德华力是一种静电相互作用，除这些物理作用力外，分子间作用力还有一 种弱化学键作用。与范德华力作用不同，这种作用有饱和性和方向性，但作用能 比化学键能小，键长较长。这类弱化学键作用主要有氢键、分子问配键作用( 如 i i 相互作用、给体受体相互作用) 等。 氢键相互作用 氢键是高分子材料中一种最常见也是最重要的弱化学键作用。在各种分子间 相互作用中，氢键占有很特殊的地位，从原子问距离( 键长) 和键能上看，氢键 位于化学键与非成键作用( 如范德华力) 之间。由于其特殊的几何构型和方向性， 使其在分子组装过程中起着关键的作用【6 1 。 判断一个氢键存在于一个官能团x h 和一个原子或原子团a 之间的证据是： ( 1 ) 有形成键( 络合或螯合) 的证据； ( 2 ) 证明x h 和a 形成的键与连接在x 原子上的氢原子有关。 第一章绪论 通常情况下，氢键大多是指静电型氢键或强氢键作用，如o - - h o ，n h o 等：然而，还有另外的氢键非经典型氢键或弱氢键( n o n c o n v e n t i o n a l h b o n d ) ，如c l - h o ，c h “n 等，这种氢键作用虽然较弱，但是在分子构造 和堆积过程中也有着特殊的作用。但弱氢键作用的发展还不成熟。 可以将氢键分为4 种基本类型，链形( c ) 、环形( r ) 、二聚体( d ) 和分子内结 合( s ) ，如图1 1 所示。前3 种都是分子间的氢键作用，第4 种是分子内氢键。 xc 一a - - - - - x = 一x ：) 一a - 锥形( o x 、 o ， - x l ：嘭c r ) = _ ：) 一a - x o 蚊壤律f d ) 分子内t s 图1 i 氢键的四种基本花样6 】 f i g1 1f o u rg e n e r a lm a n n e r so fh y d r o g e nb o n d 分子间配键作用( n f i 相互作用) 分子间配键作用发生于分子间配合物中。配合物由分子与分子结合而成。通 常由容易给出电子的分子( 电子给予体或路易斯碱) 结合而成，成为分子间配合 物。 分子间配合物的键能较低，介于化学键能和范德华力之间，它不同于共价配 位键。共价配位键是由一个原子提供一个电子，另一个原子提供空轨道而形成的 原子间作用，共价配位键能比分子间配位键能大得多。 由电子给予体与接受体形成的配合物，具有不同于各组分的物理化学性质。 如碘与苯配合形成的碘一苯溶液，在3 0 0 n m 处有一紫外吸收带，然而无论是碘还是 苯，在该光谱区均无吸收带出现。 憎水相互作用【7 j 憎水相互作用最早属于表面与界面化学的研究范围。大多数物质根据与最重 要的溶剂一水的相互作用，可分为亲水型和疏水型两大类。性质比较接近的物质 容易混溶。能改变溶剂表( 界) 面张力和改变表( 界) 面组成、结构的物质称为 表面活性剂，它们多数具有两亲性分子结构，一端是亲油的非极性基团，称疏水 基或亲油基；另一端是极性基团，称亲水基。 憎水相互作用在生命科学中占有重要地位，被列为四大相互作用之一。它对 稳定蛋白质及多肽结构，细胞膜中双脂层的组装及代谢都具有重要意义。文献报 4 0 第一章绪论 道，每增加一个亚甲基基团将导致两个相邻碳氢键的相互作用自由能增加 2 0 9 1 0 m o l 。 在高分子领域，憎水相互作用的研究及应用也十分广阔和活跃。例如高分子 表面活性剂、增乳剂、增溶剂、涂料、梳状高分子及脂和高分子的相互作用等， 都牵涉到研究复杂体系表面和界面相互作用的问题。近年来，随着人们对分子间 相互作用的重视，对憎水相互作用的研究进一步深化。研究的重点集中在高分子 材料化学改性( 接枝反应) 中，憎水相互作用怎样和体系中的其他作用力相互竞 争、制约、协同以促进反应进行，稳定体系结构。 例如2 0 世纪7 0 年代初，苏联科学家对一类柔性支链接在柔性主链上的树状高 分子的聚集态行为、结晶性、链的排列及转变、流动性能及黏弹性能进行了系统 研究。研究的对象包括丙烯酸及甲基丙烯酸正烷烃酯，聚十八碳烯和乙烯基正烷 烃酯。这类高分子中，结晶的长正烷基支链接在无定形的主链上，形成结晶支链 和无定形主链交替排列的层状结构。在这种结构中，支链的密度较大，支链间一 般只隔一个主链原子。但长支链在室温下就能结晶，这与憎水相互作用的诱导作 用有关。了解这类结构形成的动力学及其动力学行为可以帮助我们有效地利用憎 水相互作用来设计新的超分子材料。 1 1 2 研究自组装形态的理论基础 目前主要使用两亲性嵌段共聚物制备胶束。这些线形的嵌段聚合物的亲水链 和疏水链的长度适当，在水中自行组装，疏水段组成胶束的疏水核芯，而亲水段 在胶束外形成亲水栅栏壳，使胶束具有球形核一壳结构。如果亲水链太长，聚合 物会在水中以单分子存在；如果亲水链适当而疏水链太短或太长，难于得到球形 胶束，会在水中形成棒状或板状【8 】。由于合成时可以控制亲水段和疏水段的长度 及其摩尔比，可以制得不同分子量和不同亲水疏水平衡的共聚物。文献中也有 用两个亲水聚合物共聚，再在其中之一接上疏水药物( 如紫杉醇、顺铂或疏水的 诊断试剂等) 形成疏水核芯。胶束的形成除借助疏水段的范德华力以外，还可以 借助静电引力。由水溶性的两种带相反电荷的嵌段共聚物分子凭借静电引力可以 自组装形成胶束，如将聚氧乙烯( p e o ) 同聚天冬氨酸( p a s p ) 的带负电荷的聚合物 p e o b p a s p ，和带正电荷的聚合物p e o 一聚羟氨酸两种嵌段共聚物的溶液混合 搅拌，形成分子问自组装复合物，可用于制备胶束( 或纳米粒) 。 两亲性共聚物具有与小分子表面活性剂相同的自聚集行为。体系的化学结构 ( 或组分) ，尤其是疏水段与亲水段的长度比，强烈影响其生成聚集体的形状和 大小，随着亲水部分和疏水部分所占面积相对大小的不同，两亲性分子可以看作 由柱状到正、反锥形的各种几何形体。从简单几何原理即可理解，当具有不同几 第一章绪论 何特性的两亲性分子作定向排列形成聚集体时，将得到不同形状的聚集体。图1 2 列出了几种典型的聚集体形状【9 1 。 排列参数v j i a 。临界捧硼窄问结 构 i 霍 一一 - _ _ _ - ， 图1 2 分子几何与聚集体形状示意图 f i g1 2m o l e c u l a rg e o m e t r ya n da g g r e g a t es h a p e 正是基于这一点，早在1 9 7 5 年，i s r a e l a c h v i l i 提出了分子聚集体形状的判据【1 叫： 临界排列参数( c r i t i c a lp a c k i n gp a r a m e t e r ) p ， 定义为： p = v a o l c ( 1 一1 ) 式中：v 是两亲性分子中疏水体积；c 是烷烃链最大伸展长度；口0 是理想的头基面 积，即亲水基在紧密排列的单层中平均占有面积：如图1 3 ( b ) 所示。经验表明， 当p 1 3 时，易于形成球形或椭球形胶团；当1 3 p 1 2 时，易于形成较大 的柱状或棒状胶团；当l 2 2 3 ，因此球形和圆柱 状胶束的形成被抑制。图1 8 为球形囊泡的模型。 图1 8 球形囊泡的模型 f i g1 8m o d e lo f v e s i c l e 囊泡的聚集数和囊泡的疏水段形成的厚度t ( 其中露，纷2 分别为囊泡外、内 层的聚集数) 有如下关系： n = 刀l + 玎2 = 4 a ( r 1 3 一尺2 3 ) v ( 1 8 ) 及 t = r ，r 2 ( 1 - 9 ) 1 0 第一章绪论 其中，是每个两亲性分子的疏水体积，初步假设v 是一个常数，并且与囊泡尺寸无 关。如果口，和a 2 分别代表两亲性分子外、内油水界面处的表面积，那么 a l = 4 感1 2 n 1 ( 1 1 0 ) 口2 = 4 廊2 2 n 2 ( 1 1 1 ) 对于给定的或r ，值，球形囊泡在热力学上比双层更稳定，存在排列限制的条件 下囊泡的半径较小。如果没有任何排列限制的话，囊泡将继续缩小到更小的尺寸 以至于形成胶束。正如所显示的，排列限制阻止了囊泡缩小到一定的临界排列半 径以下，因此排列限制只对囊泡的尺寸有影响。 对于外层半径为尺，的球形囊泡，对于外层两亲性分子来说，有如下关系： ， 1 2 w 口1 一【l 一玄+ 齑1 n 。1 2 因此有 r ：3)1l 3 + , , , 3 ( 4 v a l l - 1 ) ( 1 - 1 6 ( 1 1 ，口l ? ) 对于给定的口，值，当，= 乇时r 取最小值，称为临界排列半径群。初步假设外 层两亲性分子表面积a l 接近于理想值a o ，群可以由式容易地得到。以卵磷脂酰胆 碱为例，其v = 1 0 6 3a 3 ，a o = 7 1 7a 2 ，我们得到了临界囊泡半径是，c 的函数。r ? ( 1 c = 1 9 a ) = 8 0a ，群( 1 c - - 1 7 5a ) = 1 0 8a ，只? ( 1 6a ) = 2 1 2a 。 依据经验法则，排列参数值介于1 3 和1 2 之间的两亲性分子形成胶束，其形 状从球形逐渐变为圆柱形。而排列参数值介于1 2 和1 7 _ 问的两亲性分子，并不发 生由圆柱形向平板双层的渐变。实际上，排列参数达到1 2 时，已经有小的球形 囊泡形成，外层半径为( 1 + 1 3 ) l 1 6 ，c ，因为它的聚集数相对于一个长的圆柱 形来说小的多，因此更容易形成。当排列参数大于1 2 时，囊泡将会继续长大， 当排列参数为l 时，变为平板双层。 众所周知，囊泡是从双层自发形成的，然后经过融合等过程形成较小的囊泡。 根据囊泡结构的不同，可分为单室囊泡、多室囊泡、多层囊泡。如果自发形成的 多室囊泡用超声波或其他剧烈搅拌处理，则复杂的多层结构会被破坏，从而形成 由双层膜组装成的单室囊泡，单室囊泡中水相部分被包含在双层膜里面，如此产 生的囊泡直径为3 0 n m 1 0 0 n m 。 除了结构中包含适当的两亲性化合物比例及链的刚性，分子问的相互作用对 于囊泡的形成也起了很大的作用。结构间较强的次级键相互作用( 如电荷相互作 用、配体结合、氢键、偶极相互作用等) 限制了分子构象并优先形成了平行结构， 可能产生像荧光表面活性剂中观察到的层状胶束，当层状聚集体比较大，由于界 第一章绪论 面张力效应的能量损失也比较大以致于可以使外壳闭合时，就会形成较低浓度的 闭合的囊泡】。对于一个双层盘状结构，当其本身的弯曲能量与线性能量( 即维 持盘本身形状的能量) 平衡时产生的囊泡尺寸最小( 其半径为盘状聚集体半径的 一半) ，聚集敷最少。因为线性张力是热能的函数，较大的囊泡容易产生热力学 上的聚集。单个囊泡的弯曲能量与尺寸无关，但是与囊泡数量有关的摩尔弯曲能 量与尺寸有关。因此“平衡囊泡”的尺寸是混合熵( 趋向于多种组装) 和摩尔弯曲 能量( 趋向于少量的囊泡) 的混合结果。 标准的脂类和类似脂类结构的聚合物，其分子溶解性很小，其构象和尺寸通 常并不是交换和平衡过程的产物。而与制备条件有关，称为“非平衡囊泡”。实际 的囊泡尺寸更多的依赖于形成过程的非平衡方面，而不是热力学。因此可利用 不同的制备方法( 例如再水合电溶胀和直接溶于水) 产生不同粒径的囊泡。 对于假定的内层和外层中两亲性分子数量不同的情况下，使弯曲能量最小的 囊泡的形状依赖于囊泡的制各过程。另外影响囊泡形状的因素包括两亲性分子的 组分，静电相互作用，电解质浓度和聚合物的吸附作用或相互作用。因此，特殊 的囊泡形状可通过添加第三组分来实现。 然而聚合物囊泡能形成与脂类囊泡不同的各种形状。如图19 ，i1 0 所示。 毒麓p 。 罐- 圈1 9 由p s 伫4 卧扣p e o ( 1 5 ) 制得的职层聚集体： ( a ) 昔状；( b ) 中空“面包圈”；( c ) 互 相连接的管状结构；( d ) 斜压模式的管状【。 f 镕1 9 b i l a y e r 昭髀g 岫m a d e h d m p s ( 2 4 0 ) - b - p e o ( i s ) ：【a ) t u b u e s ；毋) h o b o w “d o u g h n e t j ( c ) i n t e r c m 础d t u b u l a rs m t c t u r e ；( d ) t u b u l ea p p e a r m g h t h e b a r o l i n l c m o d e 第一章绪论 歉渊 幽11 0 组台彤惫帕粜集恽：( aj 带衄棒矾的层； 【b jw p s ( 2 4 0 扛p e u 4 s j 制借蚋市 长棒状的垂泡： ( c ) 由p 瓤“0 * p e 0 ( 1 5 ) 制得的互相连接的管状囊泡删。 f i 9 11 0 a g g 他g a t e s o f c o m b i n e dr n o q j h o l o 画e s ( a ) l a 眦i l a c w i t hr o d s ( p 如c a k e w i t h 如g ”) d ( b ) a v i c l e w i t ha t t a c h e dr o d s “e f r o m p s ( 2 4 0 ) - b - p e o ( 4 5 ) ；( c ) v e s i c l w i t h 一t e d t u b u l e s e f r o m p s ( 2 4 0 ) - b - p e o ( 1 5 ) 1 , 2 研究进展 目前关于自组装的研究主要是嵌段菇聚物的胶束行为，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) 与胶柬尺寸、聚集数、临界胶柬浓度及胶束形成和解缔动力 学之问的关系以及如何通过分子设计制备特殊性质的胶束及胶柬包裹、缓释药 物行为。通过控制制各条件最终达到控制结构、形态和功能的1 4 的【l ”。 e i s e n b e r g 等【】“”采用聚丙烯酸聚苯乙烯嵌段共聚物制备了一系列形态的“平 头型”f c r e w c u t ) 胶柬，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，改变嵌段长度以及加入少量离子如n a c l 、c a c i2 或h c i 均能诱导其 形态按球形、柱状、囊泡状顺次转变。h e s t 等对p s 与聚丙烯亚胺树枝体二嵌段 双亲共聚物系列( p s - d e n d r - ( n h 2 k ) 中水相中的股束形态作了研究，发现 p s - d e n d r - ( n h 2 ) mp s _ t e n d r - f n h 2 ) mp s l e n d r - ( n h 9 8 形成的胶柬形态分别是