（材料科学与工程专业论文）一步法制备聚蔗糖基纳米粒子.pdf

中文摘要 本课题组采用了一种简便的自组装合成工艺制各聚蔗糖基纳米粒子。该方法 以聚蔗糖和丙烯酸单体为初始原料，在聚蔗糖大分子链上接枝聚丙烯酸支链，并 调节溶液p h 值，使聚丙烯酸和聚蔗糖形成高分子络合物纳米胶束。最后在亚甲 基双丙烯酰胺交联剂的作用下，固化得到聚蔗糖基纳米粒子水溶液。该制备方法 不需要任何有机溶剂和表面活性剂的参与。可以通过冷冻干燥方便地制得纳米粒 子粉末。并且该粉末可再次置于水中，可形成稳定的水相体系而不会沉聚。 透射电子显微镜的观察结果显示，该纳米粒子在干态环境中具有纳米级的尺 度( 直径约7 0m ) ，并且视野中粒子粒径分布较为均匀。红外光谱图、1 3 cn m r 核磁共振谱图被用于产物组成和结构表征。 本课题组研究了反应物投料比对产物粒子的粒径、粒径分布的影响。保持聚 蔗糖用量不变，分别改变丙烯酸、引发剂、交联剂的用量，进行了一系列不同投 料比的合成实验。通过对粒径和粒径分散性的研究来探讨投料比对反应产物的影 响。发现聚蔗糖基纳米粒子粒径受丙烯酸投入量的影响较大。保持丙烯酸单体投 入量与引发剂投入量的物质的量之比( r m i ) 和丙烯酸单体投入量与交联剂投入 量的物质的量之比( i 沁c ) 不变的情况下，随着丙烯酸投入量的增加( 从1 2g 增加到5 3g ) ，粒子的粒径从2 0 9 7 衄增为2 9 3m 。保持r s m 和r m c 不变的情况 下，改变i i 能控制反应初期体系中的粒子生长核数量。随着引发剂投入量的增 加( 从0 0 6g 增到o 1 6g ) ，粒子的有效粒径变化不大，在2 4 4m 到2 8 11 1 i i l 的区 间段变动，而粒子的分散性变化相对较大。p d i 从1 0 3 1 5 增加到1 0 4 3 2 。交联剂 亚甲基双丙烯酰胺对体系的影响在一定区间内不大。但是交联剂的加入量的增加 会导致产物粒子的产率较大幅度的下降，因此在反应时，应该精确控制交联剂的 用量。 本课题组选择牛血清白蛋白为模型蛋白，来考察聚蔗糖聚丙烯酸纳米粒子对 多肽或蛋白类药物的负载性能。结果表明该聚蔗糖基纳米对蛋白的吸附能力随环 境p h 值的升高而增大。并且其吸附能力也受投料比的影响：随着丙烯酸投入量 的增加而增加，随着引发剂投入量的减少而增加。其负载率最高为1 3 6 ，最低 为3 0 。 关键词：聚蔗糖纳米粒子自组装蛋白吸附 a b s t r a c t as e l f a s s 锄b l ym e t h o dw a s e i n p l o y e d t o s y n t h e s i z e w a t e 卜s 0 1 u b l e p o l y s u c r o s e b a s e dn a l l o p a n i c l e sb y o n es t 印p o l y s u r o s ea n da c r y l i ca c i d ( a a ) w o r k e da sr a wm a t e r i a l s ，a n dc e r i u m ( i v ) w a su s e dt oi n i t i a t ea c t i v es p o t so m o p o l y s u c r u s ec h a i l l s a aw a s 觚【d e do n t op o l y s u c r o s ea sg r a f t c h a 讧l s u n d e ra c i d c o n d i t i o n ，t 1 1 en a n o n l i c e l l e sw e r ef o 册e db vs e l f - a s s 锄b l y t h e nt h e 如r m e ra d d i t i o n o fb i 一如n c t i o n a lc r o s s - l i i 水e rm e t h y l e n e d i o x y m e 廿l a m p h e t a m 证ea c 叫l a 商d e ( m b a ) c r o s s l i n k e dt h ep o l y ( a c r y l i ca c i d ) ( p a a ) c h a i l l st of - 也en a n o m i c e l l e s t r a n s r n i s s i o ne l e c 仃o n 血c r o s c o p e ( t e m ) 砌i c a t e dm a tt h ed i 锄e t e ro ft h e s e n a n o p a r t i c l e sw a s 印p r o x i m a t e7 0 眦i r1 j cn m r r e s u l t sc o n f ，m n e dt h ef o 仰a t i o n o fr e s u l 切n tn a n o p a r t i c l e s t h ee f f e c to fr e a g e n tm t i oo nn a n o p a r t i c l e s s i z ea n d d i 锄e t e rp 0 1 y d i s p e r s ei n d e x ( p d i ) i i lw a t e rw a sd e t e n l 血l e db yd y n a 面c sl i g h t s c a t t e r i n g ( d l s ) f r o mm er e s u l t s ，t h ei 1 1 c r e a s eo fa a c o n t e n tr e s u l t e di 1 1t h ei i l c r e a s e o ft l l ed i m e n s i o no fr e s u l t a 咀tn a l l o p a n i c l e s ( f i r o m2 0 9 7 姗t o2 9 3 椰) o nc o n d i t i o n t h a tt h ec o m e mo fo m e rr e a c t a n t sw e r ek e p tc o n s t a n t a n dt h ep d ic h 孤培e df r o m 1 0 3 9 1t o1 0 315 ，w 1 1 i c hi n d i c a t e dm a tm ed i s p e r s i o no ft h en a i l o p a r t i c l e s e f 佗c t i v e d i a m e t e rw a sv e un a r r o wi 1 1w a t e r ；w h i l em ei n c r e a s eo fi n j t i a t o rc o n t e mr e s u l t e di i l t h ed e c r e a s eo fm ed i m e n s i o no fr e s u l t a l l tn a n o p a r t i c l e s ( 6 o m2 4 4 胁t o2 81n m ) o n c o n d i t i o nm a tt h ec o m e n to fo t h e rr e a c t a n _ t sw e r ek e p tc o n s t a m ，w m c hm e a n st h e e f f e 斌o fi n i t i a 白o rt 0t _ h ed i a m e t e rw a sn o tm o r es i 嘶丘c a n tm 观t h ee f 蚤e c to fa a h o w e v e r m ep d ii n c r e a s e d 台o m1 0 315t o1 0 4 3 2 b o v i n es e n l ma l b u r n 抽( b s a ) w a sc h o s e l la sp r o t e i l lm o d e lt os t i l d yt h ep r o t e i i l a d s o 印t i o nc 印a b i l 时o f 也e r en a n 叩a n i c l e s t h ee 虢c to fr e a g e n tr a t i oo n 锄s a d o 叩t i o nc a p a b i l i t ) ，w a si i i v e s t 培a t e d i l la d d i t i o 玛w ea l s of b u n dm a tm ep r o t e i i l a b s o r p t i o na b i l 畸o fa n a n o p a r t i c l e sh a dar e l a t i o n s h i pw i t hp hv a l u eo fm e s c y ，i l m e s i ss y s t e m 。t h eb e s tl o a d i n ge m c i e n c yw a s1 3 6 a i l d 也el o w e s tw a s3 o k e yw o r d s ：p o l y s u c r o s e ，n a n o p a r t i c l e s ，s e l f - a s s e m b l y ，p r o t e i na d s o 叩t i o n 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，也不包含为获得苤鲞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：士铹甜签字日期：沙g年月l 矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤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：甘舛钳 导师签名： 签字日期：2 d d 留年f 月o 日 签字同期： 第一章绪论 1 1 聚合物纳米粒子的简介 第一章绪论 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围( 0 1 1 0 0m n ) 或由他们作为基本单元构成的材料 1 】o 自从1 9 8 4 年g l e i t e r 等【2 】首次用惰性气体凝 聚法成功制得铁纳米微粒以来，纳米材料的制备、性能和应用等各方面的研究均 取得了重大进展。 聚合物纳米粒子是直径为纳米级别，形状为球形或其他几何体的高分子纳米 材料【1 】。它具有稳定的形态结构，可通过选择聚合方式和聚合单体从分子水平上 来设计合成和制备，且易控制其尺寸大小和粒子的均一性。在具有小尺寸效应、 表面效应和量子隧道效应的同时，还具有其它一些特定功能，如温度、p h 、电 场、或磁场等的响应性【3 】。这些性质独特的纳米粒子能通过生物体组织间隙并被 细胞吸收，可通过人体最小的毛细血管，甚至一些纳米粒子还可通过血脑屏障， 达到脑部给药的目的【4 5 1 。由于聚合物具有良好的加工性能并易于通过化学或物 理的方法进行改性赋予其新的性能，随着高分子合成技术的发展及具有光电磁催 化及生物活性等功能高分子材料的不断出现，高分子纳米粒子的制备技术也日趋 成熟。在高分子纳米粒子应用方面，传统应用领域的产品得到进一步提升，如在 涂料应用领域，产品的结构性能不断优化【6 】。同时在高分子纳米粒子诸多的应用 中，由于某些高分子材料具有长效、低毒、缓释、选择性好、副作用小等优点， 因而高分子纳米粒子在药物输送系统的应用是近年来发展非常迅速的领域，可用 于如毒性和生物活性药物的包埋，细胞、蛋白质以及d n a 的包埋，生物活性物 质的分离和提纯，酶固定化，细胞固定化等【7 】。 1 2 聚合物纳米粒子的分类 高分子纳米粒子是指以天然高分子或合成聚合物为主要材料具备纳米尺度 的粒子。高分子纳米粒子的分类根据不同的标准可有多种不同的方法。在此，我 们简单地依据纳米粒子的形态来进行分类，即将高分子纳米粒子分为实心纳米粒 子和空心纳米粒子两大类，下面分别对这两类纳米粒子做简要介绍。 第一章绪论 1 2 。1 实心聚合物纳米粒子 实心纳米粒子是指不具备明显空腔的高分子纳米粒子，大部分乳液聚合制备 得到的纳米粒子都可属于这一类。这类高分子纳米粒子可由于其不同的组成或具 有特殊的官能团而具有特定的性能。所以制备这类高分子纳米粒子除了追求工艺 合成技术的改进外，很大部分努力还在于引进新的特殊的高分子或官能团，从而 得到具有新的特殊性能的高分子纳米粒子。如李威等人【8 j 选择具有温敏性的高分 子单体n 异丙基丙烯酰胺州i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ，n i p a m ) 为主单体，n ，n 一亚甲基 双丙烯酰胺( m e t h y l e n e b i s a c u l 锄i 出，m b a ) 为交联剂，运用光引发无皂乳液聚合 的方法合成出粒径小于1 0 0 姗的具有温度响应性的高分子纳米粒子。 实心高分子纳米粒子也包括高分子胶束。高分子胶束是近年来正在发展并被 受瞩目的一类新型的纳米载体，即有目标的合成两亲性嵌段或接枝共聚物，使之 同时具有亲水性基团和疏水性基团。在水中自发形成以疏水端为核，亲水端为壳 的高分子胶束0 0 1 y m e 打c 耐c e l l e s ) ，完成对药物的增溶和包裹。具有亲水性外壳 及疏水性内核适合于携带不同性质的药物，因此这类纳米级别的药物载体能够实 现联合给药的目的。【9 ，蚓。 1 2 2 空心聚合物纳米粒子 空心高分子纳米粒子具有许多特殊性质，如热绝缘性、低密度、以及光散射 性等，可被应用于油漆喷墨以及纸面涂层加工，也可用于化妆品、轻量材料添加 剂等。空心高分子纳米粒子可以利用聚合物和致孔剂的相分离来实现。如果致孔 剂和高分子容易形成核一壳型形态，即致孔剂为核、聚合物为壳的形态属于热力 学稳定的形态的话，则最后除去致孔剂便可得到空心的纳米粒子。通常在水性环 境下，如果聚合物的亲水性远远大于致孔剂，则容易实现致孔剂为核的核壳型 纳米粒子。例如o r n j 】等人采用亲水性较强的聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 为膜 材，疏水性较强的庚烷为致孔剂，用膜乳化法制备了尺寸均一的纳米级( p m m a ) 中空粒子。近来h u 【l2 等人研究出了一条新的制备高分子纳米粒子的方法。该方 法不需要致孔剂的参与。他们从壳聚糖和丙烯酸单体出发，利用壳聚糖和丙烯酸 间的静电作用制备了中空结构的具有磁性的高分子络合纳米粒子。 1 3 聚合物纳米粒子的制备方法 制各高分子纳米粒子可以从单体出发，以单体为原料直接制备高分子纳米粒 子。也可以由天然高分子、生物可降解性高分子、嵌段或接枝高分子材料出发来 2 第一章绪论 制备高分子纳米粒子。 以单体为原料，制备高分子纳米粒子的方法主要为乳液聚合法，包括微乳液 聚合、无皂乳液聚合等方法。各制备方法的聚合过程可以分为成核过程和核成长 过程，这两个过程是控制纳米粒子尺寸、尺寸分布以及聚合物组分的重要因素。 由高分子为原料制备高分子纳米粒子的方法不能采用像乳液聚合那样边聚 合边成球的方法来制备，而必须采用特殊的方法。最常用的方法是先制备成o w 、 w o 、w o 厂w 或者o 厂w o 型乳液后，再用适当的方法使液滴固化成纳米粒子。近 几年来，通过自组装机理来制备纳米粒子逐渐成为一种新的有效手段。传统做法 是通过两亲性嵌段共聚物在特定溶剂中的自组装来实现的。但一般具有操作比较 复杂、固含量较低( 5g ，l ) 、纳米粒子不太稳定等缺点 1 3 】。为了克服这些缺 点，国内外科研工作者发展了诸多卓有成效的新方法。w 0 0 1 e y 【1 4 l 等人通过双嵌 段聚合物的自组装作用和随后的对“壳”的交联合成了稳定的核一壳结构的纳米粒 子。恕m e s 【15 j 等人更进一步的通过三嵌段聚合物得到了具有核壳一冠结构的纳米 粒子。 下面将对高分子纳米粒子的主要制备方法进行回顾，并对国内外研究者们发 展的其他新的高分子纳米粒子的制备方法进行简单介绍。 1 3 1 乳液聚合法 乳液聚合法是最常用的纳米粒子制备的方法，也是传统的纳米粒子的制备方 法。一般使用疏水性较强的单体来制备。用乳液聚合法可以较容易的得到数十至 数百纳米的纳米粒子。聚合系统由疏水性单体( 如苯乙烯) 、水、分散媒体、乳 化剂( 如十二烷基硫酸钠) 、以及水溶性引发剂等组成。制备时通常先将乳化剂 溶于水，再将单体用普通搅拌法分散于水中，通入氮气以置换氧气，然后提高温 度至引发剂分解温度以上，最后加入引发剂开始聚合。纳米粒子粒径一般随单体 浓度的增加，乳化剂浓度的减少而增大。乳液聚合的主要优点是聚合速度快、粒 径均匀，通常乳液聚合反应在lh 内基本可以完成【1 6 】。 乳液聚合技术同其他聚合方法相比，具有许多优点：粘度低、易散热、既有 高的聚合反应速率又可制得高分子量的聚合物，并且以水为介质生产安全，环境 污染小和成本低廉等。这些优异的特性赋予了乳液聚合以强大的生命力【1 7 】。 在乳液聚合中表面活性剂的选择时应用该技术最为重要的一环。为了能够形 成更多数量胶束的表面活性剂，保证最终形成纳米级的乳胶粒子，表面活性剂在 溶剂中的临界胶束浓度( c m c ) 值应该较低而胶束缔合率较小。一般来讲表面 活性剂的用量越多聚合物胶束的粒径越小【1 8 】。 由于乳液聚合方法独特的优点，世界各国竞相对乳液聚合技术进行开发，目 第一章绪论 前研究重点趋向于高性能化和高功能化聚合物乳液的制备。主要包括超微粒子乳 液、核壳型结构乳液、无皂乳液、反相乳液聚合以及辐射乳液聚合等。其中聚合 物乳液粒子粒径及其分布的单分散性是高性能胶乳的重要控制参数，也是制备高 分子纳米粒子的必要条件。通常我们将通过这类乳液型的传统制备方式制备的纳 米粒子叫传统聚合物纳米粒子。 虽然乳液聚合是制备纳米粒子的传统方法并获得了广泛的应用【1 9 ，2 0 1 ，但该方 法存在着一些局限性。比如除去多余的表面活性剂、纯化产物粒子的过程较为复 杂且提高了生产成本。这就限制了该方法应用前景，尤其在生物医药领域的应用。 近几年，通过自组装机理来制备纳米粒子逐渐成为一种有效的新手段。 1 3 2 自组装合成法 高分子自组装是近年来蓬勃发展的研究领域，通过自组装原理所获得的新型 功能性纳米材料，在高科技领域的已显现出光明的前景2 卜2 3 1 。自组装合成纳米粒 子法就是指在反应体系中通过反应物之间的氢键作用、静电作用、螯合作用、疏 水亲水缔合作用等非共价键作用，反应物自发的形成一定纳米胶束结构的方法 【2 4 】 o 1 3 2 1 疏水缔合作用驱动的聚合物自组装工艺 利用疏水缔合作用来制备高聚物胶束，是最早被开发的高分子胶束自组装工 艺。这种传统的自组装制备纳米粒子的方法是将嵌段共聚物或接枝共聚物溶于某 一共溶溶剂中，然后加入某一嵌段或接枝链的沉淀剂，使混合溶剂变为此嵌段或 接枝链的不良溶剂，再进一步蒸发或透析掉原来的共同溶剂从而得到产物粒子。 在高分子自组装领域中，对嵌段或接枝共聚物的胶束化研究尤为广泛和深 入。嵌段和接枝共聚物的胶束化大多是利用溶剂选择性实现的。它对一种嵌段为 良溶剂，而对另一种嵌段链为不良溶剂。嵌段共聚物所形成的胶束通常是球形的， 含有一个由不溶性嵌段组成的核和由可溶性嵌段组成的外壳。对此文献中已有较 系统和深入的报道，大量工作了共聚物在溶液中的临界胶束浓度、聚集数和核壳 的尺寸对共聚物组成、嵌段的相对长度、溶剂等的依赖关系。如e i s e n b e r g 【2 5 j 等通 过改变嵌段链段，制得了一类不溶性嵌段较长，可溶性嵌段很短的“平头形”胶束。 观察到了诸如球形、柱形、层状、泡囊状以及二维胶束和蠕虫状胶束等等。作者 精确控制了嵌段链的长度。制备出p s 3 l o 6 p a a 3 6 两亲性聚合物( p s 代表聚苯乙烯， p a a 代表聚丙烯酸，数字角标代表聚合度) 。由于疏水段远大于亲水段，形成的 核较大而外层是很短的亲水链。用不同浓度的二氧杂环乙烷和n a c l 盐溶液来调节 4 第一章绪论 水溶液体系的溶度参教和离子参数，可以获得了各种形状中空几何体 图1 1p s 3 l r 6 - p 从，两襄性聚合物通过自组装法合成的囊泡 f 螗噼1 - 1v c l 器蛔罩d “鲰曲耵o f p 岛l r 扣p 从 b 曲l 砒c o p 岫h 类似的报道还有，z h a n g 刚等以聚苯乙烯一b _ 聚丙烯酸( p s 5 0 0 - b - p 从6 0 ) 在 二甲基甲酰胺( d ? ) ，水组成的选择性溶剂的胶柬化行为为研究对象，阐述了 嵌段共聚物的胶柬化过程。 t 日l i 目吨87 1 报道合成了具有三层结构的腔束粒子。方法是现将聚苯乙烯- 聚 ( 2 乙烯基吡啶) 嵌段共聚物溶于甲酵、二氧己烷与水的共混溶剂中，随后在0l m 札的盐酸中逐步透析从而形成以p s 为核、质子化的p v p h + 为壳的胶束，从 其中加入聚( 2 乙烯基毗啶) 聚氧乙烯嵌段共聚物口2 v p 击p e o ) ，并调节p h 值大于 1 0 ，使两种嵌段共聚物的p v p 片段共沉积，从而形成三层结构的胶柬。 m a 和c d ”i 研究了聚丙烯酸聚苯乙烯接枝共聚物( p a a 骨p s ) 在氧化钠水溶 液中自组装形成以p s 为核、p 从为壳的球形胶束，其粒径取决于该共聚物溶液浓 度及水溶液离子强度。 q i 曲c a n a 等0 9 】研究了相对分子质量及溶翘对三嵌段共聚物聚苯乙烯聚( 乙烯 丁烯) 聚苯乙烯( s 明s ) 胶束化的影响，发现共聚物组成一定而链长增大时，胶 柬相对分子质量、聚集数和流体半径均随之增大。除了上述利用共聚物中不同性 质的太分子链段的亲硫水性不同，其他次价键力也可被用来进行高分子纳米粒 子自组装。 1 3 2 2 静电力驱动的聚合物鲁组装工艺 在一定条件下，聚电解质和带相反电荷的表面活性剂作用可生成聚电解质 表面活性剂络合物。b r o n i c h 等【”1 报道了聚环氧乙烷6 聚丙烯酸钠盐麸聚物和n 一 第一章绪论 烷基吡啶盐表面括性剂形成的胶柬状结构。该络台物聚集体分布窄，具有明显的 球状结构。并在水溶液中分散良好。作者发现，减小聚而烯酸盐链段的长度和减 小体系p h 值能有效降低纳米胶柬的尺寸。图中照片a 的p h 值最大，照片b 的p h 值 最小，c 图的聚丙烯酸盐链段长度比照片c 中大。 圈1 - 2 聚电解质纳米络舍物胶柬 f i g i 孵1 4 硎埘c f o 聊虹o f l o 帅盯c 口m p 如【目衄“叩- r 墩l e 摹 带相反电荷的聚电解质混台时可产生聚电解质结合物，将嵌段聚电解质( 即 含有聚电解质链的嵌段共聚物) 与带相反电荷的另一聚电解质均聚物混合时，就 会形成以聚电解质络合物为核、以溶解的不带电荷的嵌段为壳的水溶性胶束。 b r 0 血”等对此类物质已做了系统研究，例如聚环氧乙烷扣聚( l 赖氨酸) ，聚 环氧乙烷- 扣聚( 日跃门冬氨酸) 、聚环氧乙烷* 聚( l 一赖氨酸) 寡聚核苷酸、 聚环氧乙烷击景( q 芦天门冬氨酸) ，溶菌酶、聚环氧乙烷一6 聚甲基丙烯酸钠u 聚( 乙基4 乙烯基吡睫盐) 等。 壳聚塘是自然界中天然的碱性多糖，在酸性溶液中带正电，因此也是一种性 能优异的高分子聚电解质材料。又由于壳聚糖在生物医药领域有着怠好的应用前 景。因此利用壳聚糖通过静电作用组装纳米粒子备受关注。h 0 ”l 等利用臻丙 烯酸中所厦和壳聚糖中的氨基的静电作用为形成纳米粒子的驱动力，通过模板聚 合制备了壳聚糖聚丙烯酸纳米粒子。作者将一定量的壳聚糖溶于丙烯酸溶液中， 溶液变澄清后，加入引发剂k z s 2 0 8 引发聚合反应，丙烯酸在壳聚糖的诱导下与其 形成络合物。该络合物在静电作用力的驱使下收缩形成纳米尺寸的粒子。最后 再加入一定量的交联剂戊= 醛，将壳聚塘交联，形成稳定的壳聚糖聚丙烯酸纳 米粒子。在髓后的细胞毒索和阿霉素负载实验中，这种通过静电相互作用力诱导 自组装形成的生物可降解纳米粒子表现出良好的负载和缓释能力。 第一童绪论 o d o x - c s 一 飞 营辫 d i 仃u s i o n：督枣二t 矗稿 豢 图1 3 竞聚藉景丙烯酸纳米粒子载药示意图 f i 目n 1 01 ks c b 岫“c i n 蛔6 o f d o x d m g 助c 叩s i i l 枷豳p 从n a 蚰h 日瞄 这种方法的独特优点是纳米粒子完全由水溶性聚合物合戚，不引入任何的有 机试剂和表面活性齐j 。在生物医药领域有广阔的应用前景。 1 j _ 2 3 氢键驱动的聚台物自组装工艺 江明删在长期的有关多组分聚合物相容性研究的基础上发现，在没有特殊相 互作用的共混物体系中引入某些特殊基团，可使不相窖高分子共混物体系实现不 相容相容络台转变。此类络合物自溶液中以沉淀析出，具有不规则结构。江明 教授提出了种氢键连接的胶束制各方法。具体是：选取舞台物a 和b 基于大分 子间氢键相互作用，促使多组分高分子在选择性溶剂中自组装形成胶柬状结构， 这种胶束状结构的形成过程如示意图1 4 。选取聚合物a 和b ，两者问有氢键相互 作用，制成a 和b 的溶液。其中b 溶液的培剂对a 是沉淀剂，这样当a 的溶液滴加 到b 的溶液中去时，a 分子链将塌缩聚集。然而在b 分子链的稳定作用下，a 并不 沉淀出来而形成稳定分散的胶束状纳米粒子，其中a 为核，b 为壳。如将b 溶液加 入到a 溶液也能得到胶柬粒子。类似地，也可以首先在扎b 的共同溶剂中将它们 通过氢键作用形成“接枝络合物”，然后再使之与一种选择性溶剂混台，同样可 形成a 毋胶柬。和嵌段共聚物形成的胶束相比，这里a 、b 间只有氢键相互作用而 第一章绪论 无化学键连接，故核和壳可进一步分离。通过这一方法，可以直接采用无规共聚 物或改性的聚合物进行分子组装，避开了复杂的制备嵌段共聚物或接枝共聚物的 过程。这一实施多组分聚合物胶束化的新途径已在多种聚合物体系和有机及水介 质中实现。 、厂 、? o ” 图1 4 高分子的胶柬化自组装机理 f 1 9 u m1 41 k m e c h a n i 啦o f 鲥a s s c m b l v 血c e 【1 i 刎 近来，氢键驱使的高分子络合物得到了越来越多的重视。单一氢键的键能非 常低( 2 1 6 7 1 ) ，键长较长( 12 - 30 a ) 。但当两个高分子链之间同时形 成大量氢键的时候，这种分子问力的影响便十分明显了。导致高分子络台物( i p c ) 的两个高分子链构成十分稳定的梯形结构。由于这种梯形物在溶液中处于热力学 不稳定的状态，其表面张力将使它发生收缩形成粒子，井连一步发生粒子问的沉 聚”“，如f 图1 5 所示。 ( 红色圆点表示溶剂分子) 图l - 5 高分子氢键络台物的梯形结构示意图 f 1 9 l l nl 5 n e i a d d * 供s h w m mo f h v d m g 廿b o n d e d l n k 。p o l y m e r 曲。p i e x e s 8 第一章绪论 在以氢键为次价键的络合物中，聚羧酸作为良好的质子供体有着广泛的应 用。将聚羧酸与非离子化聚合物在溶液中混合通常会导致相分离，形成高分子络 合物( i p c ) 。络合物内的各组分之间没有化学键连接，其化学性质相互独立，但 络合物的化学性质却并非各组分的简单加和。s r n i t h 和b a i l e y 【3 9 j 率先报道了聚 丙烯酸和聚环氧乙烷之间的络合行为：在酸性条件下( p h 3 8 ) ，聚丙烯酸和聚 环氧乙烷在彼此间氢键的作用下，形成络合物，发生相分离i 在中性环境中，也 能观察到少量在氢键驱动下形成的絮状物：而在碱性环境中，相分离消失，各组 分重新溶解在溶液中。 常用的聚羧酸有聚丙烯酸( p 敞) 和聚甲基丙烯酸( p m a a ) 。聚羧酸能在 水溶液中与多种可溶性的非离子化聚合物形成氢键驱动型络合物【3 。一般来说， 这些种可溶性的非离子化聚合物可分为六大类。( 1 ) 聚合物链上含有内酰胺基团， 如聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯己内酰胺；( 2 ) 聚合物链上含有醚键，如聚环氧乙烷 ( p e o ) 、聚氧化乙烯、聚甲基乙烯醚；( 3 ) 丙烯酸型聚合物，如聚丙烯酰胺( 删) 、 聚异丙基丙烯酰胺( p n i p a a m ) 、聚二甲基丙烯酰胺；( 4 ) 聚醇型聚合物，如聚 乙烯醇、聚丙烯酸羟乙酯、聚二甘醇基乙烯基醚；( 5 ) 其他合成聚合物，如聚乙 基唑啉、聚乙酰亚氨基乙烯；( 6 ) 聚糖，如水溶性非离子化的纤维素酯等。 由于在氢键络合物中，氢键产生于非离子聚合物的质子受体基团与未电离的 羧基之间，所以络合物的构型在相当大的程度上受聚合物上羧基的平均电离度和 环境p h 值的影响。在酸性环境中络合物大分子之间的构型将得到加强，而随着 碱性的增强，这种的构型也趋于瓦解，如图1 ，6 。 + c 咛即七， o 矗o + l h p a a - + g 夸h 七+ c h f 掣b 书峙叶。七一坐坐。矗9 一坠型 。乒o p e o+ c 崎c 咛6 七t i p c 图1 6由p a a 与p e o 形成的高分子络合物的建立与瓦解 f 迢u r el 一6 1 1 1 ec o m p l e x a t i o na n dd i s c o m p l e x a t i o no fp a aa n dp e o 当这种氢键驱动的高分子络合物开始形成的p h 值被称为临界络合p h 值 ( p h 砷) j 。由于每个大分子一大分子络合体系的性质不同、分子量不同、浓 度不同、溶剂不同等原因，每个体系的p h 两。也不尽相同。随着分子量的增大，聚 合物疏水性的提高，p h 甜。也将升高。氢键联接的高分子络合物可通过在特定溶剂 中将相互作用的两种高分子物质混合而成，也可通过模板法合成。模板法是指在 特定大分子物质的引导下，将能与大分子发生相互作用的小分子聚合，形成高分 9 第一章绪论 子络合体系。b a r a n o v s l ( y 【4 1 曾以聚乙二醇( p e g ) 和聚乙烯吡咯烷酮( p v p ) 为 模板，引导丙烯酸聚合反应，最后形成p e g p a a 高分子络合物，如图1 7 。 忙f 3 o 乒、。 h m e m a c i i ca c i d t + 刚广c h f o 七t + + 刚广唧击t 一 。薯 t 扣畸专专t c h 3 i p c 图l 一7 通过模板法制备p e g p a a 高分子络合物 f i g u r e1 7 t h ep r 印a r a t i o no ft h ep e g p a ai p c 除此之外，氢键连接的高分子络合物也可以在不同物相间的界面合成，如在 液一液相间合成络合物吲；液一固相间合成络合物【4 3 删；液一气相间合成络合 物 4 5 ，4 6 1 ；液一凝胶之间合成络合物【4 7 5 0 1 。 除了部分i p c 是在有机溶剂中合成外【3 4 5 ，大多数已报道的反应都在水相中 进行的。在制备过程中溶剂的性质是十分重要的因数。因为只有当聚合物聚合 物之间的相互作用力强于聚合物溶剂时，i p c 才会形成。环境温度也是影响高分 子之间氢键形成的另一个重要因数。在高温的环境中，由于分子间剧烈的热运动， 氢键变得不稳定甚至瓦解。只有环境温度的降低，由氢键“交联”的聚合物的疏 水性才能得到增强。因此i p c 稳定性好坏在很大程度上取决于大分子间氢键的动 态平衡及受其影响的疏水性。s t a i k o s 【5 2 5 3 等人发现，在较低温度下形成的p a a 与 p n i p a a m 、h p c 或者聚甲基乙烯醚在较低温度下形成的i p c 稳定性较高，聚集的 程度也较大。而k h u t o r y a l l s l ( i y 【5 4 _ 57 】贝0 观察到i p c 在较高温度下解离的现象。 与其两种聚合物组分相比，固相的i p c 具有一些特殊的机械性质和热性质。 s i i l i t h p 酬发现半结晶的p e o 与无定形的p a a 形成高分子络合物后，p e 0 分子链的 规整排列完全消失。这种新络合物的拉伸强度和断裂伸长率与其组分p e o 相比均 有一定程度的下降，并且表现出单一的玻璃化转变温度 5 4 】。而k h u t o 眄a j l s l 【i y 【5 6 5 7 】 等人发现部分氢键“交联”的聚羧酸与聚丙烯酰胺( p 从m ) 、聚醇、或者聚糖 形成的高分子络合物在水溶液中并不会完全溶解。 1 3 2 4 其他自组装方法 除此之外，还有其他化学物理作用力可以诱导聚合物进行纳米粒子的自组 装。如金属离子高分子之间的螯合配位作用、溶液中高分子共混物的相分离诱 l o 第一章绪论 导胶束化、化学反应诱导等等。 n i s m y a m a 嘲等报道了f 西二氯二氨合铂( i i ) ( c d d p ) 与聚环氧乙烷一6 聚( 以，伊 天门冬氨酸) 在水溶液中利用c d d p 与聚( 巩伊天门冬氨酸) 之间的螯合配位相互作 用而形成胶束化。其中c d d p 与聚( 仅，莎天门冬氨酸) 形成的不溶于水的配合物构成 胶束的核，可溶解的聚环氧乙烷形成胶束的壳。此胶束在水中稳定存在，但在 3 7 的生理盐水中可缓慢地将c d d p 释放出来，因而具有作为肿瘤靶向药物载体 的潜在应用价值。 如果组分聚合物问不相容，共混物溶液也将产生相分离，基于此原理，k a t i m e 等【2 8 】提出了高分子共混物的相分离诱导胶束化方法。他们在聚苯乙烯一聚氢化异 戊二烯嵌段共聚物的甲苯溶液中加入聚苯乙烯均聚物能诱导胶束形成，胶束的核 由聚氢化异戊二烯嵌段组成。胶束的流体力学体积和摩尔质量不随聚苯乙烯的浓 度变化，但胶束的扩散由于聚苯乙烯分子链浓度升高产生的粘度上升而受到影 响。 化学反映诱导纳米粒子的自组装是高分子胶束研究的一种较新的进展。w u 等【5 9 】设计合成了聚( 对甲基苯乙烯一6 聚苯基乙烯基亚砜) ( p m p s 6 p v s o ) ，其中 p v s o 链早己证实在加热时可转化为聚乙炔，利用动态光散射跟踪该共聚物的溶 液随加热时的变化发现，由于p v s o 转化为不溶的聚乙炔嵌段，共聚物组装为聚 乙炔为核、p m p s 为壳的尺寸为3 0 6 0n m 的胶束。 1 3 3 其他制备方法 除了采用乳液聚合法和自组装合成法外，也有采用其它方法制备纳米粒子的 报道。如层层( 1 a y e r - b y 1 a y e r ) 多步沉积法【6 0 6 2 1 、分散共聚法黔6 5 1 等制备方法。 c a m s o 嘲1 等人利用l a y e r 南y 1 a y e r 法通过在聚苯乙烯粒子上交替地覆盖f e 3 0 4 层和 聚电解质层。从而得到具有磁性的高分子络合纳米粒子。但该方法所制得的聚合 物粒子较大，产率不高。 1 4 聚合物纳米粒子在生物医药中的应用 高分子具有良好的加工性能，并易于通过化学或物理的方法进行改性，从而 赋予其新的性能。随着高分子合成技术的发展，具有光电磁催化和生物活性功能 高分子材料的不断出现。同时高分子纳米粒子的制备技术也日趋成熟，高分子纳 米粒子已成为新兴的功能高分子材料。并且由于某些高分子材料具有长效、低毒、 缓释、选择性好、副作用小等优点，因而高分子纳米粒子在医学工程中的应用是 近年来发展最为迅速的领域。 第一章绪论 很多药物无法直接使用，或者直接使用疗效不理想。需要用高分子材料来包 埋药物。并通过合理地设计纳米粒子的尺寸、膜壁结构、表面性质、缓释能力等 来达到在所需时间、所需部位、以所需的速度释放出药物的目的。 一般来说，像多肽蛋白类亲水性较强的生物大分子药物很难通过口服而被胃 肠道吸收。一方面是由于生物大分子药物易被胃肠道中的酶分解，稳定性差；另 一方面是由于肠道表面粘膜是亲脂性的，水溶性好和极性高的药物很难透过【6 。 如果采用亲脂链接枝亲水链的接枝共聚物形成的反向纳米粒子亲脂的表面、 亲水的内核作为给药载体，由于粒子内部存在大量离子基团或亲水基团，亲 水性药物通过静电相互作用或氢键作用进入粒子内部。载有药物的粒子通过表面 的亲脂基团吸附在肠道黏膜上，从而释放药物进入上皮细胞，并最终到达毛细血 管。s a k u m a 【6 8 等人研究了降钙素( s c t ) 肽类药物在具有不同亲水表面性质的高分 子纳米粒子上的吸附情况。通过动物试验证明，与口服s c t 溶液相比，用接枝共 聚物形成的纳米粒子输送的s c t 被有效吸收，血液中钙的浓度明显降低。 一种理想的药物纳米载体应具备以下性质：( 1 ) 无毒性；( 2 ) 具有生物相 容性；( 3 ) 具有可生物降解性；( 4 ) 尺寸要满足应用目的的需要； ( 5 ) 要有 较长的体内循环周期；( 6 ) 具有较高的药物负载量。高分子纳米粒子在药物负 载方面具有许多优越性：( 1 ) 可缓释药物，从而延长药物作用的时间；( 2 ) 可 实现靶向给药的目的，从而提高药物的利用率和疗效减轻或避免毒副作用；( 3 ) 可提高药物的稳定性，有利于存储药物；( 4 ) 可保护被负载的药物，防止其被 别的物质吸收或与其发生作用。这些都是其它输送体系所无法比拟的，为临床各 种疾病的治疗提供了理想的药物和手段【6 9 j 。 载药高分子纳米粒子进入机体内部时，高分子与周围组织发生了一系列复杂 的生理反应。如高分子与周围环境发生离子交换、与体液相互反应、与蛋白质分 子等有机分子相互反应、发生生理腐蚀 7 0 等。这些反应影响了高分子的物理性质、 化学组成和化学结构，改变了高分子的表面活性，导致高分子链断裂，分解为齐 聚物，最终成为小分子单体。可生物降解的高分子在生物学环境、生理环境、生 物生理环境、生物环境、细胞周围环境下发生降解的根本原因是二者之间的相互 作用。高分子降解有多种类型。而生物可降解高分子在体内降解主要以如下两种 方式进行：即以水解方式，被动断链；外界作用下，主动水解、酶解。对大多数 生物可降解高分子，特别是合成聚合物而言，如低级脂肪族聚酯、聚己内酯、聚 酐聚原酸酯等水解是降解的主要方式。而酶解主要发生在天然高分子，如聚多糖、 蛋白质以及聚乳酸等之中。 一些天然高分子，如多糖类、自蛋白、海藻酸盐等，还有脂肪族聚酯类聚合 物，如聚乳酸( p l a ) 、聚乙交酯( p l g ) 、聚乙交酯丙交酯共聚物( p l g a ) 、聚己内 第一章绪论 酯( p c l ) 等，它们具有良好的可生物降解性，现已被广泛用于给药载体的制各。 近年来，制备负载药物用纳米载体的常用一种手段是通过将两亲性的嵌段或 接枝共聚物( 疏水的骨架链亲水的支链或亲水的骨架链疏水的支链) 分散在水 中自组装形成纳米粒子。该方法形成的纳米粒子具有核壳结构【7 1 】。粒子内核由疏 水骨架链组成，而外壳则是亲水的支链。 合成这种两亲性嵌段或接枝共聚物通常采用大单体路线。其形成的纳米粒子 大小与大单体分子量以及用量有关，同时在合成过程中可对接枝共聚物的构型、 支链的长短、接枝点数量进行有效控制。还可通过选用含有特殊官能团的单体来 赋予产物粒子特殊的性能。比如可设计合成的嵌段或接枝共聚物的亲水链段带有 c o o h 或n h 2 7 2 】等基团。这种共聚物形成的粒子表面具有p h 敏感性和富余电荷。 而以n 异丙基丙烯酰胺为单体，聚合成亲水链段将使最终的纳米粒子具有温敏性 【7 3 ，7 4 】 口 高分子络合物的络合作用力主要包括静电力、氢键、范德华力以及电荷转移 作用等。而最常见、研究最多的则是氢键、静电力、疏水缔合作用这几种非共价 键力。两种大分子通过氢键作用形成的络合物，称之为氢键络合物，能形成这种 络合物的大分子一般都含有o h 、c o o h 、n h 2 或醚键等基团，常见的有聚丙烯 酸( p a a ) 、聚甲基丙烯酸( p m a a ) 等丙烯酸系列聚合物，聚乙烯醇( p v a ) 、羧甲基 纤维索( c m c ) 等含羟基聚合物，聚氧化乙烯( p e o ) 等聚醚类以及聚氯乙烯( p v c ) 、 聚碳酸酯( p c ) 等聚酯类。而通过聚阳离子和聚阴离子大分子间的库仑力或静电力 形成的络合物则称作聚电解质络合物( p e c ) ，能形成此类络合物的聚电解质大分 子都需带有供质子基团或受质子基团，常见阴离子基团( 质子受体) 有c o o 一、 s 0 3 二、o c s 2 。、一o p 0 3 厶，常见的阳离子( 质子供体) 基团有- n h 4 + 等。氢键络合 物和聚电解质络合物都是利用了大分子共混后所能形成的次价力这种特殊的相 互作用。尽管都是物理共混，但络合物却都表现出了与单组分聚合物区别很大的 性质及特点，因此这两类络合物在很多领域应用的研究得到了重视。 在药物控释领域中，目前研究较多的主要集中在壳聚糖( c s ) 、聚丙烯酸 ( p a a ) 、聚乙烯基毗咯烷酮f p v p ) 、聚乙烯醇( p v a ) 以及一些纤维素衍生物等大分 子上。 壳聚糖由于它的无毒性、生物相容性好、可降解性，被广泛应用于药物释放 领域，但它不良的溶解性能和机械性能都限制了它的广泛使用。而将壳聚糖和 p v a 共混，利用它们之间的氢键作用能明显改善这些缺点。同样c s 可与几种纤 维素都可形成很好的氢键络合物，如羧甲基纤维素，在特定p h 值下都表现出了 很好的释药性能。 l i u 【75 ，7 6 】等用高磷酸钾氧化纤维素，然后分散在壳聚糖的水溶液中，利用