（物理化学专业论文）温度ph敏感性p（aagnipam）的胶束化及其核交联纳米粒子的制备.pdf

温度p h 敏感性p ( a a - g - n i p a m ) 的胶束化及其 核交联纳米粒子的制备 刘侠 摘要利用大分子单体技术通过自由基共聚法合成了由丙烯酸( a a ) 和- 异丙 基丙烯酰胺( n i p a m ) 组成的p ( a a 苫n i p a m ) 接枝共聚物。以u v 透光率的测定和 荧光探针、荧光猝灭技术对共聚物在水溶液中的相行为和构象行为进行了研究。 结果表明，此接枝共聚物具有温度和p h 双重敏感性，几种组成不同的 p ( a a p n i p a m ) 接枝共聚物具有不同的低临界溶解温度( l c s t ) 和临界相变p h ；它 们的低临界溶解温度( l c s d 和临界褶变p h 均与接枝共聚物的组成有关，随着温敏 性p n i 队m 相对含量的增加，其低临界溶解温度( l c s n 降低，而临界相变p h 随 之增加。另外还发现，p n i p a m - n h 2 和p ( a a - g - n i p a m ) 从无规线团( c o i l ) 至q 蜷曲球 ( g l o b u l a 0 的转变是一个不可逆过程。结果发现，室温下，几种组成不同的 p ( a a 骨n i p a m ) 在p h3 1 0 的稀水溶液中表现为较为松散的伸展构象。这种接枝 共聚物高分子有可能在新型敏感性水凝胶和新的纳米复合材料的合成方面获得应 用。 利用紫外可见分光光度法和荧光探针、荧光各向异性技术研究了稀水溶液中 聚异丙基丙烯酰胺( p n i p a m ) 与丙烯酸( a a ) 和- 异丙基丙烯酰胺( n i p a m ) 组成的 接枝共聚物( p a a - g - p n i p a m ) i 油j 的络合作用。结果表明，两种聚合物通过氢键相互 作用形成聚合物测络合物，而且，这种络合作用的大小依赖于溶液p h 及 p ( a a - g - n i p a m ) 中a a 的相对含量。溶液p h 越小，a a 相对含量越高，聚合物问络 合作用则越强。这种络合作用的发生使得聚合物主链变的较为收缩，同时整个体 系表现出一定的疏水性，而亲水性有所减弱。这种变化有可能在新型“智能”水 凝胶的设计合成以及环境响应性聚合物的自组装行为方面获得应用。 在上述研究的基础上，将所台成的p ( a a - g ，n l p a m ) 接枝共聚物在某一特定p h 下进行胶束化，然后进一步将所得p ( a a - g n i p a m ) 的p h 诱导胶束“核”中的p a a 链进行化学交联，得到了稳定的纳米粒子。以透射电子显微镜( t e m ) 对所得p h 诱 导胶柬后的核交联纳米粒子的大小、形态进行了观察并对有关实验现象作了初步 的解释。 关键词；接枝共聚物，温度车p h 敏感性，络合作用，胶束化，核交联 m i c e l l i z a t i o no ft e m p e r a t u r e - a n dp h s e n s i t i v ep ( a a - g - n i p a m ) a n d s y n t h e s i s o fc o r ec r o s s l i n k e d n a n o p a r t i c a l s x i a l i u a b s t r a c t ：an u m b e ro f p o l y ( a c r y l i ca c i d - g - n - i s o p r o p y la c r y l a m i d e ) ( p ( a a - g - n i p a m ) ) c o p o l y m e r sw e r es y n t h e s i z e dv i ac o p o l y m e r i z a t i o no fa aa n d o l i g o - n i p a m ，w h i c hh a db e e ns y n t h e s i z e db yu t i l i z i n gam a e r o m o n o m e rt e c h n i q u e 1 1 1 ep h a s eb e h a v i o ra n dc o n f o r m a t i o nc h a n g eo fp ( a _ a g - n i p a m ) i n a q u e o u ss o l u t i o n s w e r ei n v e s t i g a t e d b yu , v - v i st r a n s m i t t a n c em e a s u r e m e n t s , f l u o r e s c e n c ep r o b ea n d f l u o r e s c e n c eq u e n c h i n gt e c h n i q u e s t b er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ep ( a a - g - n i p a m ) c o p o l y m e r sh a dt e m p e r a t u r e a n dp h s e n s i t i v i t i e s ，a n dt h e s ed i f f e r e n tc o m p o s i t i o ng r a f t c o p o l y m e r sh a dt h ed i f f e r e n tl o w e rc r i t i c a ls o l u t i o nt e m p e r a t u r e ( l c s t ) a n dc r i t i c a l p h a s et r a n s i t i o np hv a l u e s 1 1 1 el c s to fg r a f tc o p o l y m e rd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h e p n i p a mc o n t e n t ，a n dt h ec r i t i c a lp h a s et r a n s i t i o np hv a l u e si n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n g p n i p a mc o n t e n t t h ep ( a a - g - n i p a m ) g r a f tc o p o l y m e r si nd i l u t ea q u e o u ss o l u t i o n s ( o 0 0 1 ( w ) ) w a sal o o s ec o n f o r m a t i o nw i t h i nap hr a n g eo f3 0t o lo 0 f o rt h e p ( a a - g - n i p a m ) a q u e o u ss o l u t i o n s ，t h et r a n s i t i o n f r o mc o i lt o g l o b u l a r w a sa n i n c o m p l e t er e v e r s i b l ep r o c e s s t h eu n i q u ep r o p e r t i e so ft h eg r a f tc o p o l y m e rm a yb e u s e di nd e s i g na n ds y n t h e s i so f n o v e ls e n s i t i v eg e l sa n dn a n o c o m p o s i t em a t e r i a l s t h e c o m p l e x a t i o n b e t w e e n p o l y( a c r y l i c a c i d - g - n - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ) ( p ( a a - g - n i p a m ) ) a n dp o l y ( n i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ) ( p n l p a m ) i na q u e o u ss o l u t i o n w a ss t u d i e d b y u v - v i st r a n s m i t t a n c em e a s u r e m e n t s ， f l u o r e s c e n c ep r o b ea n d f l u o r e s c e n c ea n i s o t r o p yt e c h n i q u e s i tw a sf o u n dt h a ta ni n t e r p o l y m e rc o m p l e xf o r m e d b e t w e e nt h et w op o l y m e r st h r o u g hh y d r o g e nb o n d i n gi n t e r a c t i o n s m o r e o v e r , t h e c o m p l e xf o r m a t i o ns h o w e dt h ed e p e n d e n c eo np hv a l u e sa n dt h ea ac o n t e n t si nt h e g r a f tc o p o l y m e r s t h ec o m p l e x a t i o nb e c a m es t r o n g e rw i t hi n c r e a s i n ga a c o n t e n t si nt h e g r a f tc o p o l y m e r sa n dd e c r e a s i n gt h es o l u t i o np hv a l u e t h i si n t e r a c t i o nm a d et h e p o l y m e r b a c k b o n e ss h r i n k ，m e a n w h i l e ，t h e c o m p l e xs y s t e me x h i b i t sh y d r o p h o b i e p r o p e r t i e s a n di t sh y d r o p h i l i cc h a r a c t e ri sw e a k e n e d 1 1 1 ea l t e r a t i o nm a yb et a k e na s b a s e sf o rt h ed e s i g na n ds y n t h e s i so fn o v e ls e n s i t i v eg e l sa n ds e l f - a s s e m b l yo f s t i m u l i r e s p o n s i v ep o l y m e r s o nt h eb a s i so ft h es t u d i e sa b o v e ，t h ep h i n d u c e dm i c e l l e so fp ( a a - g n i p a m ) w e r e f o r m e d c o r e - e r o s s l i n k i n go f t h ep a a c h a i n si nt h ep ( a a g - n i p a m ) m i c e l l e si n a c i d i cm e d i u mr e s u l t e di ns t a b l en a n o p a r t i c l e s t h es i z ea n ds h a p eo ft h ec o r e l i n k i n g m i c e l l e sw e r eo b s e r v e db yt e m k e y w o r d s ：g r a f tc o p o l y m e r ；t e m p e r a t u r e a n dp h - s e n s i t i v i t y ；c o m p l e x a t i o n ； m i c e l l i z a t i o n ； c o r e c r o s s 1 i n k i n g i i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其它个人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得陕西师范大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期： 学位论文使用授权声明 本人同意研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属陕西师范大 学。本人保证毕业离校后，发表本论文或使用本论文成果时署名单位仍为陕西师 范大学。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其它指定机构送交论文的电 了版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校 图书馆、院系资料室被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索； 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 作者签名：日期： 第一章绪论 1 1 引言 纳米材料由于其独特的尺寸结构，使得它有着传统材料不具备的特征，即尺 寸效应、量子效应、表面效应和宏观量子隧道效应等四大效应，并产生奇异的力 学、电学、磁学等特性，从而使其在国防、电子、化工、航空、医药、生物、核 技术等领域具有广泛的应用前景，因此纳米材料是2 l 世纪材料科学的研究热点。 制备纳米材料的方法有两种：一种是“由上而下的方法”( t o pd o w n ) ，即尽力 降低物质结构维数，如机械研磨粉碎法以及非传统的光刻蚀技术；另外一种是“自 下而上的方法”( b o t t o mu p ) ，如通过分子的自组装来构建纳米材料。 自组装的概念源自生命科学，单个的生物分子能自发地组装成复杂的结构。 从化学角度讲，分子自组装是指分子间通过非共价键作用，如氢键、静电作用、 疏水作用、范德华力、金属配位等作用力自发连接成结构稳定的分子聚集体的过 程。通过分子自组装我们可以获得许多在催化剂、药物载体、传感器、微反应器 等诸多领域有应用前景的新型功能纳米材料，如纳米金属簇、半导体材料、高分 子胶束等。 由于在诸多领域的广泛应用，商分子胶束已成为高分子自组装领域的一大热 点。高分子胶束是高分子在稀溶液中自组装得到的、由不溶组分和可溶组分组成 的、具有特定形状和尺寸的聚集体。高分子胶束按照溶剂不同可分为水溶性胶束 和油溶性胶束，按小分子表面活性剂的说法，前者为常规胶束，后者为反向胶束； 按核壳的相对比例又有“星型”胶束( 胶束的“核”很小而“壳”相对较大) 和与之 相反的“平头”胶束之分；按胶束形态可分为球状、囊泡状、圆柱状，还有二维 胶束、蠕虫状胶束等。与小分子胶束如表面活性剂胶束相比，高分子胶束也是由 亲水疏水两部分组成，但其临界胶束浓度更低，并且由于链段可运动性小，其解 缔合速率更小。高分子胶束是很好的药物输运、靶向载体，用作“纳米反应器” 可得到单分散的会属粒子和半导体纳米粒子或纳米晶，在水相中可以稳定存在的 高分子胶束因其对有机小分子有较强的吸附能力，可用于污水处理、环境净化及 微量成分的富集等。 目前在高分子自组装领域中，对嵌段共聚物的胶束化研究尤为广泛和深入。 本文以高分子在溶液中的自组装为重点，就近年柬高分子胶束的研究进展进行了 论述。首先概述了高分子胶束化的方法，然后介绍了高分子胶束结构的固定，最 后对高分子胶束的表征和应用作了简要介绍。 1 2 高分子胶束化的方法 1 2 1 “经典”方法 制备高分子胶束的传统途径是使用选择性溶剂，在其中一种嵌段不溶形成胶 束的核而另一嵌段可溶形成胶束的壳。具体操作办法有两种： 一种是将嵌段或接枝共聚物溶解在它们的共同溶剂中，然后加入某一嵌段或 接枝链的沉淀剂，还可进一步透析或蒸发掉原来的共同溶剂，使溶剂性质变为某 一嵌段的强的不良溶剂。e i s e n b e r g 等所制备的“平头”胶束就是将聚苯乙烯b 聚丙烯酸先溶解在两个嵌段的共同溶剂d m f 中，然后加入聚苯乙烯嵌段的沉淀剂 一水，在经过透析除去d m f 。制各“星型”胶束也可以用这秽办法，如l i u 等1 2 】在 t h f n h e x a n e 混合溶剂中用聚异戊二烯一b 一聚甲基丙烯酸肉桂酸乙酯制备的胶束。 另种办法是将本身在固态中就具有微相分离结构且可溶嵌段相对很长的嵌 段共聚物直接溶解在某一选择性溶剂中，过程中可能需要加热，这种方法一般只 对制备“星型”胶束有效。 对于嵌段共聚物在选择性溶剂中形成的胶束，文献中已有较系统和深入的报 道。大量工作研究了共聚物在溶液中的临界胶束浓度、聚集数和核及壳的尺寸对 共聚物组成、嵌段的相对长度、溶剂等的依赖关系。对于接技共聚物利用传统方 法形成的胶束，文献中也有报道，女l ：i k i k u c h i 等1 3 i 报道具有多个短支链的接枝共聚 物在选择性溶剂中形成了单分子胶束。改变溶剂的性质，可分别得到花朵状和棒 状的单分子胶束。此外，w e b b e r 等1 4 1 用光散射、透射电镜等方法证实了接技共聚 物在选择性溶剂水中也可形成球形胶束。 1 2 2 高分子胶束化的新途径 实现高分子胶束化的新途径包括各种物理化学过程，这种胶束化过程超出了 传统的只依赖于应用选择性溶剂的胶束制备范围，大大扩展了高分子胶束化的研 究领域。 1 2 2 1 特殊相互作用诱导胶束化 高分子问( 内) 通过非共价键相互作用可自发地形成稳定的、结构确定的高分子 胶束。一般常利用的非共价键相互作用包括氢键、静电相互作用、会属配位作用。 1 ) 利用氢键络合作用 利用氖键络合诱导胶束化的基本思路足：将均聚物或无规兵聚物c 加入到a b 嵌段共聚物在非选择性溶剂的溶液中，若c 可与a 嵌段形成配合物，便可导致a c 聚集。但可溶嵌段b 的存在促使聚集体稳定化，最终形成a c 为核，b 为壳的胶 束。具体的一个例子是：由p s b p m m a ( 聚甲肇丙烯酸甲酯) p s ( 0 h ) ( 含羟基的改 性聚苯乙烯) 在共同溶剂甲苯中得到了以p s ( o h ) 和p m m a 嵌段通过氢键络合作用 形成的络合物为核、可溶的p s 嵌段为壳的胶束【5 】。 另外，在低极性油相介质中，利用嵌段共聚物的嵌段与小分子的氢键络合作 用，也可以形成以络合物为核、可溶嵌段为壳的胶束结构。姚喜梅等1 6 1 选用p s 嵌段 与p 4 v p 嵌段长度比( l r ) 为2 1 的p s b p 4 v p 与甲酸( f a ) 自组装，发现调节4 v p f a 摩 尔比可以形成低密度核胶束( 其核类似于溶胀的物理凝胶) 和常规胶束；他们还在 p s b p 4 v p 与癸酸( d a ) 在氯仿中形成的分子分散的络合物溶液中加入f a ，制备得到 了高浓度的胶束( 5 0 m g m l ) 盯j 。 2 ) 利用静电相互作用 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 面活性剂复合物。b r o n i c h 掣s 】报道了聚环氧乙烷b 聚丙烯酸钠盐嵌段共聚物和- 烷基吡啶盐表面活性剂形成的胶束结构，形成的聚集体分布窄，具有球形结构。 带相反电荷的聚电解质混合时也可产生聚电解质复合物，将嵌段共聚物( 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 聚电解质复合物为核，以溶解的不带电荷的嵌段为壳的水溶性胶束。k a t a o k a 等 9 - 1 2 i 对此已作了系统研究。 3 ) 利用金属配位作用 n i s h i y a m a g - 宰1 ”l 报道了如二氯二氨合铂( 1 i ) ( c d d p ) 与聚环氧乙烷b 聚( 口， 天门冬氨酸) 在水溶液中利用c d d p 与聚( 口，天门冬氨酸) 之问的配位相互作 用而形成胶束化，其中c d d p 与聚( t 2 ，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。 1 2 2 2 溶液中高分子共混物的相分离诱导胶束化 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1 1 4 l 报道在聚苯乙烯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。 1 2 2 3 化学反应诱导 在嵌段高分子的溶液中，可以利用化学修饰的方法改变某一嵌段的溶解性能， 从而达到形成胶束的目的。吴奇等i l 剐报道了聚对甲基苯乙烯b 一聚苯乙烯基亚砜 ( p m p s b p v s o ) 嵌段共聚物在共同溶剂中，加热使p v s o 嵌段转变为不溶的聚乙 炔，从而诱导产生了胶束。最近陈道勇等人i l6 j 也报道了在含有可交联嵌段的嵌段 共聚物p s b p 4 v p 的共同溶剂d m f 中，通过加入交联剂l ，4 二溴丁烷交联p 4 v p 得到了高浓度的胶束，即实现了化学交联诱导的胶束化。 3 1 2 2 4 非共价键连接胶束 近年来江明课题组致力于发展高分子胶束化的新路线。基于他们长期有关高 分子络合物的研究成果，获得了新型高分子胶束。这些胶束的核壳间无共价键， 被称为“非共价键连接胶束”( n o n c o n v a l e n t l yc o n n e c t e dm i c e l l e s ，n c c m s ) 。制备 此类胶束的途径概括起来有四种，分别为：溶剂沉淀剂方法；可溶“接枝共聚物” 方法；刚性链柔性链方法以及短接枝链的无规共聚物和均聚物对的自组装方法。 所谓溶剂沉淀剂的方法就是将存在氢键作用的聚合物a 和聚合物b 分别溶解 在两种溶剂中，其中a 的溶剂是b 的沉淀剂，而b 的溶剂同时也是a 的溶剂。这 样当b 的溶液加到a 的溶液中时b 会发生聚集，出于氢键作用，a 会聚集在b 的 周围从而稳定了b 的聚集体，这样就形成了以b 为核、以a 为壳的非共价键连接 的胶束。一个典型的例子是苯乙烯与甲基丙烯酸共聚物( p s c o p m a a ) 与聚( - 乙烯 基吡咯烷酮) ( p v p o ) 的自组装1 1 7 1 。 可溶“接枝共聚物”的方法就是将聚合物a 和聚合物b 中一种聚合物链上的 作用基团相对限定在链的端基上。这样在它们的共同溶剂中a 和b 将通过氢键作 用形成可溶的“接枝络合物”。然后将介质变换为一种选择性溶剂，即可形成胶束。 例如，端羧基聚苯乙烯( m c p s ) 和p 4 v p l 墙1 及端羧基聚丁二烯( m c p b ) 和p 4 v p l l 9 】在 溶液中形成的胶束。 用刚性聚酰亚胺和均聚物、无规共聚物在共同溶剂中可直接形成胶束。段宏 伟等人1 2 。1 发现，刚性的端羧基聚酰亚胺和柔性的p 4 v p 通过简单的混合，在它们 的共同溶剂氯仿中会有聚集体生成。 带有短接枝链的无舰共聚物均聚物对在溶液中的自组装。刘晓亚等1 2 1 l 发现， 将聚己内酯( p c l ) 的d m f 溶液滴加到m a f ( 主链为亲水链，侧链接有p c l 短链的 类接枝共聚物1 的水溶液，p c l 自聚集，由于m a f 组份中p c l 支链和p c l 均聚物 结构上的相似，使m a f 在p c l 粒子周围聚集并对其产生稳定作用，这样就形成 了以p c l 为核、m a f 为壳的高分子胶束。他们认为，上述胶束的核壳之问不是 通过氢键作用连接的，而是p c l 均聚物和m a f 中p c l 接枝链问的亲和力。 上述四种利用均聚物和无舰共聚物制备胶束的途径完全不同于传统的胶束制 备方法。它避免了合成复杂的嵌段f 接枝) 共聚物，并可方便地通过改变成核和成壳 聚合物的浓度束调节胶束的核与壳的相对大小，制备的途径也更简单，这就为高 分子胶束化方法提供了更多的选择。 1 2 3 全亲水性嵌段( 接枝) 共聚物的环境敏感胶束化 近年来高分子领域出现了新的研究热点全亲水性嵌段( 接枝) 共聚物( d o u b l e h y d r o p h i l i cb l o c k ( g r a f t ) e o p o l y m e r s ，d h b c so rd h g c s ) ，其就是指山两种或两种 4 以上分别具有不同化学结构和环境响应的水溶性链段构成的嵌段( 接枝) 共聚物。在 一定条件下，此类共聚物可完全溶于水，但当环境条件如p h 、温度改变，或加入 某些能与一种链段形成络合物的高分子或小分子时，其中一个链段变为非水溶性， 从而可在水溶液中自组装得到胶束。由d h b c s 或d h g c s 自组装制备纳米粒子不 需任何有机溶剂的引入，可在完全亲水的环境下进行，这相对于传统的由两亲性 嵌段共聚物来制各纳米粒子具有不可比拟的优势。虽然d h b c s 的首次直接合成是 在1 9 7 2 年报道的1 翻，但对于这类聚合物的重要性是在近年来才被认识到。据统计， 近五六年来所发表的此领域文章就占四十年来发表论文数的一半以上。此类聚合 物的环境敏感自组装行为可应用于药物负载和基因治疗1 2 3 1 ，矿化模板1 2 4 1 ，结晶生 长修饰剂1 2 5 1 ，金属胶体粒子合成的纳米反应器【2 6 】等领域。 由于嵌段共聚物的合成可使用多种方法，如阴离子聚合、阳离子聚合、活性 自由基聚合等，相对于d h g c s ，文献中对d h b c s 的报道很多，下面主要对各种环 境变化下d h b c s 的胶束化行为进行介绍。 1 2 3 1 温度改变诱导胶束化 一般来说，表现出温敏性胶束化行为的d h b c s 至少含有一个具有最低相转变 温度( 1 0 w e rc r i t i c a ls o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，l c s n 的嵌段。此l c s t 通常高于室温， 加热时这一嵌段变为非水溶性从而导致d h b c s 表现出温敏性胶束化行为。 聚- 异丙基丙烯酰胺( p n i p a m ) 是一种重要的温敏性聚合物，其l c s t 在3 2 左右。由于通过将p n l p a m 与某一亲水单体共聚会使其l c s t 升高到人体体温附 近，在药物负载上具有潜在用途，所以含p n i p a m 的嵌段共聚物受到了人们的广 泛关注。t o p p 等1 27 j 对p e o - b p n i p a m 的温敏胶束化行为研究发现，当 m p n l p a m m p e o = i ：3 时，在3 0 以上出现胶束化行为，而3 0 以下则未发现p n i p a m 有任何聚集行为；增加p n l p a m 的含量，可降低共聚物的l c s t 。 下图所示的p p o b p d m a e m a b p o e g m a 三嵌段共聚物的温度敏感胶束化 图1 ：p p o - b - p d m a e m a b p o e g m a 二嵌段共聚物的胶求化和胶束的壳交联示意幽 行为比较特殊而有趣圳。由于p p o 均聚物的l c s t 在1 6 2 0 c 之问，而p d m a e m a 均聚物的l c s t 在4 0 6 0 c 之问，因此随着温度升高，三嵌段共聚物先形成以p p o 为核、p d m a e m a 嵌段为内壳、p o e g m a 为外壳的三层“洋葱”状胶束；进一步 升高温度到p d m a e m a 嵌段的l c s t 以上后，p p o 和p d m a e m a 两种嵌段都变 得不溶解而p o e g m a 嵌段仍保持溶解，此时胶束进一步发生结构演化。 1 2 3 2p h 改变诱导胶束化 当d h b c s 某一嵌段是聚弱酸或聚弱碱，则可通过调节p h 使弱酸或弱碱嵌段 呈电中性来改变其溶解度，适当条件下，一些嵌段会变得疏水，而另外一些嵌段 保持水溶性。有关这类p h 诱导胶束化行为有很多报道。w e b b e r 等f 2 9 】首次报道了 p 2 v p b p e o 的p h 诱导胶束化行为，发现在酸性条件下，p 2 v p 嵌段因质子化而 溶解，当加入碱时，p 2 v p 嵌段呈中性而变得疏水成“核”，可溶的p e o 成“壳” 保护在其周围使之形成稳定的胶束。 由两种阳离子聚电解质形成的d h b c s 中，比较有代表性的是 p d m a e m a b p d e a e m a 。当溶液p h 升高时，p d m a e m a 嵌段就会失去质子呈 中性变得不溶解从而形成胶束的核i3 0 】。两种阴离子聚电解质嵌段形成的共聚物也 可以通过p h 诱导形成胶束，如g a b a s t o n 等p l j 报道的p s s b p s c o o n a ( 聚苯乙烯磺 酸钠b 聚对乙烯基苯甲酸钠) ，在酸性条件下，p s c o o n a 嵌段的质子化使其水溶 性降低，而另一嵌段由于是强电解质仍保持其水溶性，所以共聚物就表现出p h 敏 感的胶束化行为。 a r m e s 等1 3 2 j 则报道了只通过调节p h 就可使嵌段共聚物p v b a b p d e a e m a 形 成胶束和反向胶束，即p v b a b p d e a e m a 在p h = 2 和2 0 下形成p v b a 为核的 胶束，而p h = 1 0 和2 0 时则形成以p d e a e m a 为核的反向胶束。具体示意图见图 2 。 图2 ：p v b a b - p d e a e m a 嵌段共聚物在水溶液中的胶求化行为 1 2 3 3 离子强度改变诱导胶束化 离子强度敏感的d h b c s 大多同时具有p h 敏感性。离子强度诱导胶束形成的 个典型的例子是a r m e s 研究组p 叫报道的p m e m a b p d m a e m a ，其中的弱碱性 嵌段p m e m a 在酸性条件下是完全溶解的，而在加入盐时则比较容易沉淀出来。 通过调节溶液p h 和合适的舱浓度可形成p d m a e m a 为核的胶束和p m e m a 为核 6 的反向胶束。 1 2 3 4 络合诱导胶束化 d h b c s 中的聚电解质嵌段不仅会由于其质子化或脱质子化改变其溶解性，当 与带相反电荷的分子相互作用时也会形成不溶的离子络合物( p o l y i o nc o m p l e x ， p i c ) ，从而形成通常分布很窄的离子络合物成核的胶束。这种胶束也具有p h 敏感 性和离子强度敏感性。有关络合诱导胶束化的文献报道也不1 3 ，3 4 - 3 s ，分类来说 有d h b c s 与带反离子聚电解质的嵌段共聚物络合，d h b c s 与阳离子聚电解质的 络合，d h b c s 与阴离子聚电解质的络合，含有聚阴离子嵌段的d h b c s 与金属络 合物的络合，d h b c s 与表面活性剂的络合以及全亲水性共聚物自身的p h 敏感络 合。此类络合作用原理类似于前面1 2 2 1 中所述，因此在这里就不对所举例子加 以详述了。 1 3 高分子胶束结构的固定 在溶液中形成的胶束不稳定，这是由于胶束内分子闻均以非共价键缔合，因 而易受外界条件的影响，如溶剂、p h 值、温度等的改变及稀释、浓缩和剪切力作 用等，都可能使其解缔合。那么，怎样彳+ 能使胶束稳定呢? 根据目前文献报道， 高分子胶束固定的方法主要是将胶束的“核”或“壳”部分进行物理或化学交联。 下面就对这两种方法形成的稳定胶束进行简要介绍。 1 3 1 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。k a t a o k a 等研究了聚环氧乙烷一聚乳酸嵌段共聚物 ( p e o b p l a ) 在水中形成p l a 为核的胶束，通过自由基聚合而使核交联1 3 。l i u 等 对含有聚甲基丙烯酸2 肉桂酸乙基酯( p c e m a ) 的嵌段共聚物中p c e m a 链段经紫 外光光照可发生双键加成反应，故方便地将胶束结构固定下来f 。 1 3 2 壳交联胶束 这是目i j i 研究较多的一种胶束，它是由壳层带有双键的分子问进行自由基聚 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。壳交联胶束 ( s c k ) 在结构上类似于树枝状大分子，具有周围带功能基团、内核具有良好穿透性、 尺寸在纳米数量级和制备简单等特点。般认为，它综合了树枝状大分子、中空 微球、普通胶束和乳液粒子等多种特点。 采用交联胶束壳层来制备稳定胶束的研究相对较多，w o o l e y l 4 1 4 3 1 ，l i u l 4 4 4 们， a r m e s l 4 7 - 4 8 1 等在此方面做了大量的工作。例如，w o o l e y 等首先利用自由基引发交 联反应制得了交联了p 4 v p 壳层的p s b p 4 v p 嵌段共聚物胶束1 4 i l ，进一步w o o l e y 等又用端二胺基的聚乙二醇交联p a a 壳层，得到了p 1 b p a a 的壳交联胶束，然后 通过臭氧降解p l 核，形成了壳交联的中空纳米粒子1 4 9 j 。l i u 等利用光交联 p s b p c e m a 嵌段共聚物胶束的p c e m a 壳，制得了稳定的壳交联胶束f 4 4 j 。但以 上壳交联方法的缺点是用于交联反应的胶束溶液的浓度必须很低( 约l m g m l ) ，否 则会导致胶束之间的交联。a r m e s 等从三嵌段共聚物形成的核一壳一冠胶束结构出 发，使交联反应只发生在中间壳层，由于有可溶解的最外层冠的保护作用，可以 防止胶束之间的交联反应，因而能够制备高固含量的壳交联胶束。最近，他们通 过“一锅法”合成了固含量较高( 约1 0 0 m g m l ) k j 壳交联纳米粒子1 2 8 1 。 1 4 高分子胶束的表征 目的，大量的物理化学方法可用于高分子胶束的结构表征。常用的表征方法 包括激光光散射( l l s ) 、荧光光谱( f l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y ) 、核磁共振( 1 h - n m r ， ”c - n m r ) 、透射电镜( t e m ) 及原子力显微镜( a f m ) 等。基于这些方法，可以得到关 于高分子胶束的大量物理化学参数：流体力学半径( r ) 、均方旋转半径( r 。) 、第二 维罩系数( 爿力、平均扩散系数、聚集数、聚集体摩尔质量( m 曲、临界胶束浓度( c m c ) 、 微区极性或粘度等微环境以及各种形貌等。 1 5 应用 通过自组装原理所获得的具有纳米尺寸的、结构稳定的高分子胶束，在高技 术领域的应用已显现出光明的前景，归纳起来表现在以下几个方面：( 1 ) 因为高分 子胶束的尺寸与病毒尺寸极为接近，并且能够在人体血液中停留较长时间，可以 通过修饰攻击并穿透到受肿瘤感染的毛细血管处，所以可用作药物输送和靶向载 体 5 0 - 5 1 。( 2 ) 利用高分子胶束作“纳米反应器”可得到高分散的金属或半导体纳米 粒子1 5 2 彤】。( 3 ) 可基于高分子胶束制备智能化及具有环境响应特性的中空纳米球阻 强5 4 】。最后，利用水溶性的高分子胶束对有机小分子有较强的吸附能力，可用于污 水处理，环境净化及微量成分的富集等。 1 6 研究课题的提出 自组装法是一种重要的聚合物纳米粒子的制备方法。传统的自组装方法是利 用两亲性嵌段或接枝其聚物在选择性溶剂中形成胶束，但由于此法制备初期不可 避免要引入有机溶剂作为共同溶剂，已很难满足生物医药领域全亲水环境制备聚 合物纳米粒子的需要。而由全亲水性嵌段( 接枝) 共聚物( d o u b l eh y d r o p h i l i cb l o c k ( g r a f t ) c o p o l y m e r s ，d h b c so rd h g c s ) 自组装制备纳米粒子却不需任何有机溶剂的 引入，可住完全亲水的环境下进行，这相对于传统的出两亲性嵌段共聚物来制各 纳米粒子具有不可比拟的优势。近年来，d h b c s 或d h g c s 成为高分子领域新的研 究热点。d h b c s 在药物负载、p i c 胶束的形成和稳定等领域己显示出重要作用：在 涂料稳定荆、结晶生长修饰剂等领域具有诱人的应用前景。可以预见，对于全亲 水性共聚物的自组装及其应用的研究将成为高分子自组装领域重要的一部分。目 前我国学者对于d h b c s 的应用研究还不多，而有关d h g c s 的报道就更少。基于以 上的研究背景和发展趋势，本论文选用具有温敏性单体n i p a m 与具有p h 敏感的单 体a a 共聚，以得到环境响应的智能化聚合物纳米粒子为目的，主要歼展了以下几 方面的研究工作： ( 1 ) 利用大分子单体技术，通过自由基共聚法合成了组成递变的一系列 p ( a a 詈n i p a m ) 接枝共聚物。在接枝共聚物中，p a a 为骨架链、p n i p a m 为支链。 然后以u v 透光率的测定和荧光探针、荧光猝灭技术对共聚物在水溶液中的相行 为和构象行为进行了研究。 ( 2 ) 利用u v 透光率、荧光探针和荧光各向异性研究了稀水溶液中聚- 异丙基 丙烯酰胺( p n i p a m ) 与接枝共聚物p ( a a - g - n i p a m ) 间的络合作用。通过络合作用的 研究，了解p ( a a 嘿n i p a m ) 接枝共聚物p h 敏感性的本质，特别是对p n i p a m 均 聚物对p ( a a - g - n i p a m ) 接枝共聚物大分子的构象调制作用作进一步的了解。 ( 3 ) 在上述研究的基础上，将所合成的p ( a a - g n i p a m ) 接枝共聚物在某一特定 p h 下进行胶束化，然后进一步将所得p ( a a 骨n i p a m ) 的p h 诱导胶束“核”中的 p a a 链进行化学交联，得到了稳定的纳米粒子。以透射电子显微镜( t e m ) 对所得 p h 诱导胶束后的核交联纳米粒子的大小、形态进行了观察。 9 第二章温度i p h 敏感性p ( a a - g - n i p a m ) 接枝共聚物 在水溶液中的相行为 2 1 引言 敏感性高分子是指对环境具有可感知、可响应，并具有功能发现能力的高分 子。当外界环境的物理、化学乃至生物信号变化时，敏感性高分子的某些物理或 化学性质会发生突变1 5 5 - 5 8 1 。因此，敏感性高分予通常也被称为“刺激响应性高分 子”或者“环境敏感性高分子”。以6 所研究的敏感性高分子大都仅响应一种刺激。 为了获得一些特殊应用，希望敏感性分子能响应两种或两种以上的外界刺激，特 别是要求对温度和p h 的同时响应。近年来在这方面已有大量文献报道【5 9 卅】。研究 这些敏感性高分子对p r t 和温度变化的响应性，具有重要的学术价值和潜在的应用 意义。它们可应用于许多领域，例如：药物控释、组织工程、人工肌肉、细胞培 养、固定化生物催化荆、生物分离和生物传感器等1 5 - 5 8 ，6 6 5 1 。 聚- 异丙基丙烯酰胺( p n i p a m ) 是一种温敏性高分子，其低临界溶解温度 ( l c s t ) 约为3 2 【6 6 舯j ，聚丙烯酸( p a a ) 是一种p h 敏感性高分子。本文以n i p a m 和a a 为原料，利用大分子单体技术通过自由基聚合合成了以p a a 为骨架链以 p n l p a m 为接枝链的温度和p h 双重敏感的p ( a a - g - n i p a m ) 接技共聚物。以u v 透 光率的测定f 嘲和荧光探针技术l6 9 】为主要手段，对p ( a a - g - n i p a m ) 在水溶液中的相 行为进行了研究。 2 2 实验部分 2 2 1 试剂与仪器 丙烯酸( a a ) ，化学纯，广东汕头市西陇化工厂，用前经减压蒸馏；丙烯酰氯 自制，具体方法参照文献【7 0 1 ；- 异丙基丙烯酰胺( n i p a m ) ，a l f a a e s a r 公司，用莳 经币己烷重结晶；毓基乙胺盐酸( n h 2 c h 2 c h 2 s hr h c l ) ，分析纯，a c r o s o r g a n i c s 公 司；芘( p y ) ，分析纯，a l d r i c h 公司，用前经9 5 的乙醇重结晶三次；偶氮二异丁 腈( a i b n ) ，化学纯，中国上海试剂四厂，用9 5 的乙醇重结晶：硝基甲烷，分析 纯，医药公司北京采购供应站；蹦氡呋确、三乙胺、乙醚、及甲醇，均为分析纯， 西安试剂厂；实验用水为二次蒸馏水；溶液p h 的分别用o 5t o o l l ，5t o o l l 。h c i 和0 5t o o l l ，5 m o l u 1n a o h 溶液调节。溶液透光率在t u 1 9 0 1 紫外一可见分光光 度计上测定，所有荧光光谱均在荧光磷光发光仪( p e r k i n e l m e rl s 5 0 b ) 上测定， p h 在p h s 一1