（高分子化学与物理专业论文）含多肽嵌段共聚物的合成与性能.pdf

博士掌位论文 含多肽嵌段共聚物的合成与性能 摘要 多肽链是蛋白质的基本共价结构，是生命现象的基础。因此合成与研究含有 聚多肽链段的聚合物目前是一个热点的课题之一。本论文围绕着聚谷氨酸类多肽 这个中心，合成了一系列聚谷氨酸类嵌段共聚物，并探讨了这些新合成的嵌段共 聚物的相关性能，分析了聚谷氨酸类链段的二级结构对于嵌段共聚物性能的影 响，研究了聚谷氨酸类链段的二级结构对嵌段共聚物的一维，二维，和三维自组 装的作用。采用a f m ，t e m ，和s e m 等方法，直观地分析研究了含聚谷氨酸类 嵌段共聚物的自组装特性，并从微观的角度上对观察到的各种现象进行了原理分 析，阐明了聚谷氨酸类嵌段共聚物结构与性能之间的关系。主要内容如下： 含聚多肽与p e g 嵌段共聚物的合成。我们的合成主要是围绕着含p s l g 嵌段 共聚物为中心展开，同时，将p e g 这一独特的亲水性及生物相容性嵌段引入共聚 物中，组合成新的嵌段共聚物，为以后的性能研究做好铺垫。在聚多肽与p e g 嵌 段共聚物的合成中，我们从羟基p e g 出发，首先将p e g 端氨基化，然后利用氨基 酸的n c a 开环反应合成p e g 与p s l g 的嵌段共聚物，同时探讨了一次性合成含 p e g 与聚氨基酸类胶束的路线。 p e g 扛p s l g 嵌段共聚物在溶液中自组装研究。两亲性嵌段共聚物在溶液中 的自组装是高分子物理研究的一个课题，近年来人们合成了许多两亲性嵌段共聚 物并探讨了其自组装的机理。在这一方面e i s e n 吨等人作了许多杰出的研究工 作。已经有很多人研究过p e g 与p b l g 嵌段共聚物在液体表面的二维与在溶液中 的三维自组装。我们研究主要针对在溶液中p e g b p s l g 嵌段共聚物的三维自组 装。我们采用t e m ，s e m ，和d l s 等方法研究了其在混合溶剂中的自组装，发现 p e g 与p b l g 嵌段共聚物在有机混合溶剂中能够自组装成囊泡状结构，分析了其 自组装形貌与机理的关系。 p e g - 瓜p s l g 嵌段共聚物在h o p g 表面上的自组装。w a t a n a b e 等人研究了聚 谷氨酸烷烃酯类在h o p g 表面上的二维自组装，发现了h o p g 的晶向附生长对聚 谷氨酸烷烃酯类二维自组装的诱导作用。我们主要采用a f m 对p e g 与p s l g 嵌段 共聚物在h o p g 表面上的二维自组装进行了系统地研究。研究表明，嵌段共聚物 中的p s l g 嵌段首先在h o p g 上进行取向附生排列，p e g 则在其周围与上方排列堆 积。制样浓度对嵌段共聚物在表面上的二维自组装没有本质上的影响，但浓度的 增加导致了嵌段共聚物在h o p g 表面上的二维组装由岛状排列逐渐到形成单分 ，o 已，津 博士掌位论文擅重 予层。浓度继续增加时，嵌段共聚物在单分子层表面上将会形成纳米棒状和圆环 状结构。制样方法，如：旋涂和滴膜，对嵌段共聚物在h o p g 表面上的自组装并 没有本质的影响。根据试验结果，我们设计了嵌段共聚物在h o p g 表面上二维自 组装的模型。 聚氨基酸嵌段共聚物凝胶的研究。我们合成了新的聚谷氨酸十八醇酯与聚谷 氨酸苄酯的嵌段共聚物( p s l g b p b l g ) ，研究了其在甲苯中形成凝胶的一维自 组装现象与机理。通过a f m ，t e m ，和s a x s 的研究与分析，我们发现 p s l g 6 - p b l g 在甲苯中形成热可逆凝胶，其凝胶的外观特征与p b l g 和p s l g 有 颜色上的区别。通过改变p s l g _ b p b l g 的浓度制备凝胶并进行a f m 观察发现凝 胶有形成丝带装形貌的特征。将a f m ，t e m ，和s a x s 的结果进行比较分析，我 们认为p s l g b p b l g 在甲苯中的凝胶是一种丝带状的结构。 关键词：自组装，聚多肽，n c a ，两亲性嵌段共聚物，刚棒柔性链，晶体取向 附生，热可逆凝胶 r j 驮掌离分日蝌掌秉 博士学位论文擅要 s y n t h e s i sa n dp r o p e r t i e so fp o l y p e p t i d e b a s e d c o p o l y m e r s a b s t r a c t a so n eo ft h eb a s i cc o m p o n e n t so fp r o t e i na n dl i f e ，p e p t i d eh a sa t t r a c t e dm u c h a t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s i nt h i st h e s i sw ef o c u s e do nt h es y n t h e s i so fas e r i e so f g l u t a m a t ep o l y p e p t i d e sb a s e dc o p o l y m e r s ，a sw e l la st h ep r o p e r t i e so fp o l y p e p t i d e s s y n t h e s i z e da n dt h ee f f e c to fs e c o n d a r ys t r u c t u r eo fp o l y p e p t i d eo nt h ep r o p e r t i e so f c o p o l y m e r s w ed e s c r i b e dh e r e t h er e l a t i o nb e t w e e ns e c o n d a r yb q l l l c t n e so f p o l y p o p t i d e sa n d2 - d i m e n s i o n a la n d3 - d i m e n s i o n a ls e l f - a s s e m b l yp r o p e r t i e s o f c o p o l y m e r s t h es e l f - a s s e m b l yc h a r a c t e ro fp o l y s l u t a m a t eb a s e dc o p o l y m e r sw a s s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e db yd i r e c tv i s u a l i z a t i o nm e t h o d ss u c ha sa f m ，t e m ，a n ds e m m o d e la n a l y s i sw a sp r o p o s e do na n ys e l f - a s s e m b l yp h e n o m e n ao b s e r v e d , a n dt h e r e l a t i o nb e t w e e np r o p e r t i e sa n dc o p o l y m e r sw a sc l e a r l ye x p r e s s e d t h em a i nc o n t e n t o f t h i st h e s i si sl i s t e da sb e l o w ： s y n t h e s i sp o l y p e p t i d eb a s e de o p o l y m e r $ as e r i e so f p o l y ( r - s t e n r y ll - g u r a n i a r e ) ( p s l g lb a s e dc o p o l y m e r sw a ss y n t h e s i z e db yr i n g o p e np o l y m e r i z a t i o no fa m i n o a c i dn c a ，w h i c hw a si n i t i a t e db yh y d r o p h i l i cp o l y m e rs u c ha sa m i n et e r m i n a t e dp e g s o m es p e c i f i cp r o p e r t i e sw o u l db ef o u n dd e r i v e df r o mt h e s en o v e lm o l e c u l a r s t r u c t u r e so fp s l g b p e gc o p o l y m e r s t h ea m i n et e r m i n a t e dp e gw a ss y n t h e s i z e d f r o mh y d r o x y lp e g b yt o s y l a t i o na n dt h ec l a s s i cp h t h a l i m i d e h y d r a z i n ep r o c e d u r e w es t u d i e dt h em i c e l l i z a t i o no fp s l g - - b - p e gc o n t a i n e dc o p o l y m e r sb yi n s i t u s y n t h e s i sm e t h o da l s o s e l f - a s s e m b l yo fp e g - b - p s l ge o p o l y m e r si ns o l v e n t s t h es e l f - a s s e m b l yo f a m p h i p h i l i cc o p o l y m e r si so n eo f t h ea t t r a c t i v et o p i co fm a c r o m o l e c u l a rp h y s i c s a s e r i e so f s t u d i e so nt h es y n t h e s i sa n dp r o p e 啊o f a m p h i p h i l i cc o p o l y m e r sw e r ec a r r i e d o u tt h e s ey e a r s ，a n dg r e a tw o r k sh a v eb e e nd o n eb ye i s e n b e r g sg r o u po nt h i sa r e a i t h a sb e e ne x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e da b o u t2 ds e l f - a s s e m b l yo nt h es u r f a c eo fs o l v e n t a n d3 ds e l f - a g g r e g a t ei ns o l u t i o n so fp e g - b p b l gt h e s ey e a r s w ef o c u s e d0 1 1 1 i n v e s t i g a t i o no nt h e3 ds e l f - a g g r e g a t i o no fp e g - b - p s l gd i a n dt r i b l o c kc o p o l y m e r s b yt e m ，s e m ，a n dd l se t e v e s i c u l a rl i k ea g g r e g a t e so fp e g b p s l gw e r ef o u n d ，l 巨j 津，防子* l - n j b - l t i ! i 博士掌位论文摘要 i no r g a n i cm i x e ds o l v e n t s ，a n dt h es e l f - a s s e m b l ym e c h a n i s mo fp e g - b - p s l gw a s s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e da l o n g 埘t l lad e s i g n e dm o d e l e p i t a x i a la r r a yo fp e g - b - p s l gc o p o l y m e g $ o nh o p g w a t a n a b ea n d e o w o r k e r si n v e s t i g a t e dt h e2 ds e l f - a s s e m b l yo fp o i y ( y - l - g l u t a m a t e s ) w i t hl o n g n - a l k y ls i d ec h a i n so i lg r a p h i t e ，a n dd e m o n s t r a t e dt h e i re p i t a x i a la r r a yp h e n o m e n ab y a im 。p e g 也p s l gd i a n dt r i b l o c kc o 印l y m e r se x h i b i t e dt h ee p i t a x i a la r r a yo n h o p gg u i d e db yt h ei n t e r a c t i o no fp s l ga n dh o p gt o o ，w i t hp e ga g g r e g a t e d s u r r o u n do ra b o v et h ep a r a l l e la l i g n e dp s l g t h e r ei sn od i s t i n c td i f f e r e n c eb e t w e e n 2 da r r a yw i t hv a r i a n c eo fs a m p l ec o n c e n t r a t i o n s , w h i l et h e2 da g g r e g a t e ss h a p e so n t h eh o p gs u r f a c ec h a n g i n gf r o ms u b m o n o l a y e ri s l a n di n t om o n o l a y e rw i t ht h e i n c r e a s i n go fs a m p l ec o n c e n t r a t i o n t h e r e s h o u l db en a n o r o d so rr i n g s h a p e d a g g r e g a t e so nt h em o n o l a y e ro fe o p o l y m e rw i 也e v e nh i d e rs o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n s a m p l ep r e p a r i n gm e t h o d s ，s u c ha s _ s t i i l g o rs p i nc o a t i n g ，c a r r i e do u tn od i v e r s eo n 2 da r r a yo fc o p o l y m e r so nh o p ( am o d e lo fp e g - b - p s l ge p i t a x i a la r r a yo n h o p gw a sd e s i g n e do nt h eb a s e so f o u re x p e r i m e n t s i n v e s t i g a t i o n o f c o p o l y p e p t i d eo r g a n o g e l a n o v e l c o p o l y p e p t i d e ( p o l y ( y - s t e a r y lt - g l u t a m a t e ) 一b - p o l y ( y - b e n z y ll - g l u t a m a t e ) ) ( p s l g b p b l g ) h a sb e e n s y n t h e s i z e d , a n di tc o u l di ds e l f - a s s e m b l ei n t ot h e r m a lr e v e r s i b l eo r g a n o g e li n t o l u e n e t h e r ei ss o m ev i s u a ld i v e r s eo ft h o s eg e l s , f o re x a m p l e ，b o t l lt h eg e l so f p b l g t o l u e n ea n dp s l g d o d e e a n ew e i eo p a e i t y , w h i l et h ep s l g b - p b l g t o l u e n e e x h i b i t e dt r a n s p a r e n c y p s l g b p b l g t o l u e n eg e ld e m o n s t r a t e df l b r i l l as t r u c t u r e u n d e ri n v e s t i g a t i o no fa f m ，t e m ，a n ds a x s n a n o r i b b o ns t r u c t u r ew a sf o u n dw i t h d r o p - c a s t i n gp s l g b p b l o t o l u e n e ( o 2w t ) s o l u t i o no nm i c ab ya f m o b s e r v a t i o n n a n o r i b b o n - l i k em o d e lo fp s l g b - p b l g t o l u e n eg e lw a sp r o p o s e db ya l lo ft h e r e s u l t so f a f m ，t e m a n ds a x s k e y w o r d e ：s e l f - a s s e m b l y , p e p t i d e ，n c a ，a m p h i p h i l i cc o p o l y m e r , r o d - c o i l ，e p i t a x i a l ，卫夫掌，r 分子科掌j i i v 论文独创性声明 本论立是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名 论文使用授权声明 日飙, 璐, 0 7 - 4 - f ， 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名；益皇缁导作者签名：q 翌! 丛导譬。日期：翌! ：! 拯 博士掌位论文 1 1 引言 第一章绪论 多肽链是蛋白质的基本共价结构，是生命现象的基础。在自然界中含多肽链 的蛋白质因为其氨基酸有序排列以及其分子内的相互作用力而呈现多彩的一级， 二级，和三级结构。同时，含有聚多肽嵌段共聚物因为其固有的生物相容性而备 受合成化学家们的关注，另外聚多肽固有的口螺旋与口折叠等二级结构也为这 些新合成的嵌段共聚物赋予了全新的物理化学性能。 人们通过实验室合成蛋白质的基本组分多肽的时间也是由来已久。合成聚 多肽嵌段共聚物的最常用的方法是通过含有端氨基的聚合物引发氨基酸- n c a 的 开环反应。然而在合成多肽的历史上我们不能不提的是l e u c h s ，他在1 9 0 6 ，1 9 0 7 ， 1 9 0 8 发表了氨基酸n c a 的合成的三篇论文，这三篇论文奠定了用氨基酸- n c a 合成聚多肽的全新基础。以至于其后的很长一段时间，人们称n c a 为l e u c h s s 酐。通过氨基酸n c a 法合成聚多肽为聚多肽研究打开了一扇便利的大门，也使 得有关聚多肽的研究更加活跃。目前，人们通过开环反应合成聚多肽比较常用的 氨基酸是谷氨酸苄酯，天冬氨酸苄酯，和赖氨酸羰基苄酯等。而含端氨基的引发 氨基酸n c a 开环的聚合物的结构也各不相同，例如：疏水的有聚苯乙烯，聚丁 二烯，聚异戊二烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙二醇，聚二甲基硅氧烷，和苯基唑 啉：亲水性的有聚乙二醇，聚乙烯醇，和甲基唑啉等。 当然，还有另外一种合成含聚多肽嵌段共聚物的方法越来越受关注，即通过 固相合成法合成聚多肽序列，通过固相合成法合成的聚多肽具有精确的氨基酸序 列和聚合度的单分散性，而最终的含聚多肽的嵌段共聚物则通过烷氧基或酰胺基 团偶合而成。 聚多肽嵌段共聚物的自组装按照从微观到宏观的角度来看应该分成三类： 一，聚多肽链段的二级结构；二，嵌段共聚物的一维自组装，三，嵌段共聚物的 二维自组装：四，嵌段共聚物的三维自组装。 在聚多肽链段内的二级结构方面，人们在过去研究的比较多，主要来讲合成 的聚多肽链段的二级结构主要有三种，一是口螺旋，二是，折叠，再是无规结 构。通过开环反应合成的嵌段共聚物中的聚多肽链段一般随着聚合度的增加链段 的构象由卢折叠向a 螺旋转变，呈钢棒状的分子嵌段。另外聚多肽链段的二级 结构与外部条件也有一定的关系，例如：p h 值，温度等。 ，丑大掌，r 分子科掌秉 第一幸j i 论 有关含有聚多肽嵌段共聚物的三维自组装研究的也比较多，由于其在医药载 体等实际应用的价值而备受关注。这一方面主要牵涉的是嵌段共聚物在溶液中的 自组装，其自组装的基本结构形态为：实心胶束以及空心的囊泡等。而关于这一 领域中的研究方向则比较多，例如：通过改变嵌段共聚物的嵌段长度研究白组装 形态的变化；通过改变聚多肽或偶合嵌段的结构组成来测试其对聚集形态的影 响；和改变外部环境调控嵌段共聚物的自组装等。到目前为止人们在聚多肽嵌段 共聚物自组装成囊泡形貌的研究与探索相对较少。 对于含有聚多肽嵌段共聚物的二维自组装的研究则相对来讲比较少，人们过 去的主要研究着眼点是含有聚多肽嵌段共聚物在溶液界面上的自组装，主要通过 l b 膜技术制作嵌段共聚物的单分子层或多分子层，然后研究在这一自组装形态 中聚多肽嵌段的作用。然而由于在液体界面上的影响因素比较多，聚多肽嵌段在 白组装中所起的作用或规律并不明显，因此人们的研究也比较少 还有一种有关一维自组装是聚多肽凝胶的研究。含有聚多肽的均聚物或共聚 物可以自组装成凝胶，在均聚物聚多肽凝胶方面人们的研究相对比较成熟，但 是有关凝胶形成的机理到如今也难成定论，而含聚多肽嵌段共聚物凝胶的形成机 理则是一个相对较新的课题。 1 2p e g 与聚多肽嵌段共聚物的合成 p e g 与聚多肽嵌段共聚物( p e g - b p o l y p e p t i d ) 的合成方法有很多。比较常用 的方法是通过带氨基的p e g ( p e g n h 2 ) 大分子引发氨基酸- 羧基环内酸酐 ( n c a ) 的开环反应合成嵌段共聚物( s c h e m e1 ) 。氨基酸的n c a 的开环反应自 2 0 世纪初年代就已经被发现，以后便被广泛应用【l 叫通过这种开环反应还可以 有效的合成各种含有聚多肽类链段的嵌段共聚物。 s c h e m e l ，叶 、诫n h 2 + - f l c 0 2 ，扣“椭o ) ： 再一个方法是通过环氧键的偶合反应获得p e g b 聚多肽的嵌段共聚物。 - ( s c h e m e2 ) 这种方法是先将羟基p e g 通过与环氧氯丙烷反应生成代环氧基团的 p e g 大分子，然后通过开环反应与带端氨基的多肽偶合，得到p e g - b p e p t i d e 嵌段 聚合物。理论上带氨基的聚多肽或蛋白质都可以通过这种方法与p e g 偶合形成嵌 段共聚物。1 7 , 明 ，：且大掌高分子科掌j 2 博士掌位论文 还可以通过酰氯化耦合反应合成含有p e g 与聚多肽的嵌段共聚物( s c h 啪e 3 1 。【7 棚 s c h e m e 3 八h 似h 2 n - p e p t k 。八h 枞，一 也可以通过羧基耦合的方法将p e g 与多肽连接起来( h e m e4 ) 【9 。1 1 j ： s c h e m e 4 私一扫一和小 私护心 1 ，l 二琥珀酰亚胺碳酸酯( d s c ) 可以将p e g 的端羟基转化为反应活性基团， 然后再与带氨基的分子偶合形成氨基甲酸酯键( s c l 姗e5 ) 。0 2 s c h e m e 5 ，。n 。卜n h 2 竺一一。p 。个v h 删。 h 2 n 一睥呻d e o 再者，可以利用异氰酸酯的活性基团将p e g 与多肽联系起来( s c h e m e6 ) 。 s c h e m e6 【1 ，1 2 】 一，蚧甜v n c o h 2 n - 删e 我们采用的方法是用端氨基引发氨基酸的n c a 开环( s c h e m e1 ) 的方式合 成p e g 与聚多肽的嵌段共聚物。 合成带氨基的p e g 的方法很多，我们在第二章中进行了较为详细的介绍， 我们采用了首先将羟基p e g 对甲苯磺酰化，而后用邻苯二甲酰亚胺的钾盐置换 ，己大掌，r 分子科掌j k 一 以 一 毒婶 鸯 一 一 山 第一章绪论 对甲苯磺酰基团，再用水合肼将之还原，生成带氨基的p e g ( s c h e m e7 ) 。 s c h e m e 7 夕h 矿喑口眺一，。h 卜。一险c 也 ，。h 1 0 毗 o p 一 o 一一。七、o 蠢 ，0 0 、o = ，洲z 1 3p e g 与聚多肽嵌段共聚物在溶液中的自组装 1 3 1 嵌段共聚物自组装简介 自组装的概念来源于生命科学，是由单个分子自发地组装成复杂聚集态结构 的过程。生物体内存在着各式各样的自组装现象，如蛋白质分子折叠，核酸的配 对，和生物膜的形成等。生命有机体也多是自组装形成的产物。从化学的角度讲， 分子的自组装是指分子间通过非共价键作用自发形成热力学稳定却具有明确有 序结构的有机体过程，【1 3 】高分子液晶及胶束的形成都属于自组装的范畴。具 有可逆性和选择性的氢键，静电作用，疏水作用，范德华力，金属配位键作用及 能够可逆形成和破坏的共价键都可以成为驱动自组装过程的作用力。 与共价键作用能( 4 0 1 0 0 k c a l m 0 1 ) 相比，非共价作用能相对比较弱。氢键 的作用能为0 1 5 k c a l m o l ，与分子的无规热运动的能量( r t = 0 6 k c a l m o l ，t = 3 0 0k ) 类似。因此，为了形成稳定的聚集体，分子间弱的非共价键连接必须发 挥协同作用。即以范德华力驱动分子自组装时，就要求相互作用的分子有较大的 形状互补的表面积；以氢键驱动自组装时，最好有多点氢键作用。 近年来，对含有刚性嵌段的共聚物的研究也越来越受到人们的重视。刚性组 分在自组装过程中具有规整排列的趋势，造成刚性一柔性嵌段共聚物体系表现出 了独特的自组装特点，如o b e r 等人1 1 5 - 1 7 报道- f n l f j 性链为聚异氰酸酯，柔性链为聚 苯乙烯的嵌段共聚物在本体中的自组装。自组装体的形貌与刚性链密切相关，而 且改变刚性链与柔性链的比例也能够造成聚集形貌的变化。l e e 等人“”研究表明， ，卫大学，i 分蝌掌j 4 如。 如 博士掌位论文 柔性一刚性一柔性共聚物的柔性与刚性嵌段的比例以及柔性链的长度同样是造成 嵌段共聚物在本体中自组装结构的改变的因素。 在稀溶液中，高分子嵌段共聚物能够自组装成胶束状结构聚集体。组成高分 子胶束的高分子基本结构一般是由溶解性差异较大的不同组分组成的。在嵌段共 聚物中，组成高分子胶束的高分子基本结构一般是由不溶组分与可溶组分组成的 嵌段共聚物。按照溶剂的不同，高分子胶束又可分为水溶性胶柬和有机溶剂胶束； 按胶束的结构，可分为有可溶段很长的星形胶束( s t a r - l i k e ) 和可溶链段较短的 平头胶束( c r e w - c u t ) 。0 9 - 2 2 1 按胶束的聚集态来分，可以划为球状，囊泡状，圆柱 状，蠕虫状( w o r m 1 i k e ) ，棒状，管状，片状，和花状等形态。而这些聚集态之 间并非是一成不变的，改变高分子结构或者改变外部条件都可能造成这些聚集态 之间的相互转变。如改变溶剂的组分就能够使得各种聚集态之间相互转变( 图1 ) 。 05 o1 5器笃砷薯 _ c _ _ 忡瞒) 0 51 01 5 蜀五笛ou饕 - r c ， 啊佃t 蜘 f i g u r e1 p h a s ed i a g r a mo ft h ef r a c t i o n a t e dc o p o l y m e rp s 3 , 0 - b - p a a 5 2 i n d i o x a n e h 2 0m i x t 山e t h es y m b o l ss t a n df o rm o r p h o l o g i e s ，i ec l o s e dc i r c l e sf o r s p h e r e s , c l o s e dc i r c l e sw i t hp l u ss i g nf o rn x n l r e so fs p h e r e sa n dr o d s p l u ss i g nf o r r o d s ，o p e nc i r c l e s 、析t i lp l u ss i g nf o rm i x m r e so fr o d sa n dv e s i c l e s ，o p e nc i r c l e sf o r v e s i c l e s t h es o l i dl i n e sa r et h ep h a s eb o u n d a r i e sd e t e r m i n e df r o mt e mp i c t u r e s t h e d o t t e dl i n ei st h em i c e l l i z a t i o nc = i l l v ef r o ms l sm e a s u r e m e n t s ( a ) ( t o p ) s h o w st h e r e g i o n so fs t a b i l i t yo nap l o to ft h el o g a r i t h mo ft h ep o l y m e rc o n c e n t r a t i o na g a i n s t w a t e rc o n t e n t ( b ) ( b o t t o m ) i sa p a r to f at e r n a r yp h a s ed i a g r a m 封 高分子胶束相对来讲比小分子胶束稳定，这是由于胶束核中的大分子链段粘 度较高，限制了胶束中与溶液中大分子之间的交换。【2 4 2 习同时高分子胶束的核 处于玻璃化温度转变以下时，在适当条件下胶束的核将处于玻璃态，整个高分子 喜j l 大掌 5 1 重量量i菩lt董。d 第一章绪论 胶束处于冻结状态，造成胶束与溶液中的高分子链之间几乎无法进行分子交换。 【2 6 】 影响嵌段共聚物在溶液中的自组装形貌的因素很多。如：嵌段共聚物的组成， 分子量，两嵌段的相对长度，共聚物溶液的初始浓度，共同溶剂，沉淀剂，添加 离子的类型及浓度，白组装温度等均会影响高分子的胶束化过程，进而影响胶束 的尺寸与形貌。对于柔性一柔性嵌段共聚物而言，在溶液中自组装的胶束形貌与 两嵌段的相对长度有一定关联。在溶液中，当嵌段共聚物可溶嵌段较长时，共聚 物倾向于形成球形胶束；当嵌段共聚物可溶性嵌段较短时，共聚物更倾向于形成 囊泡或圆柱形胶束。e i s e n b e r g 等t 2 0 , 2 1 , 弘弛1 研究了长度高度不对称的嵌段共聚物 ( 成核的嵌段远大于成壳的嵌段) 的胶束化行为。通过改变壳嵌段的长度，嵌段 的组成，初始共聚物的浓度，离子的种类及浓度，共溶剂的性质等，得到了丰富 多彩的胶束形貌，包括球形，棒状，囊泡，片晶，管束和六角堆积等。他们还用 成核嵌段的拉伸程度，胶束壳与溶剂间的界面能，以及壳链段的相互作用三者间 的相互作用力平衡来解析各种胶束形貌的形成机理。 1 3 2 嵌段聚合物的不对称结构对自组装的影响 与在本体中相似，在嵌段共聚物中引入不对称的刚性组分，也可以导致形成 多种形貌的胶束。j e n e k e 等p 3 m j 报道了刚性一柔性两嵌段共聚物p p q b p s ( 聚苯基 喹啉- b - 聚苯乙烯) 的胶束化过程。他们在胶束的分子自组装模型假设方面完全抛 弃了以往的可溶性链段为外层的双层壳的空腔结构，而是假设了一种以刚性棒的 空间挤压排列为主要原因的单层壳结构。由于刚性p p q 嵌段分子链问有序排列的 趋势，形成的胶束具有空腔结构，尺寸为微米数量级。聚集数达到1 0 8 。而且两 嵌段之间的酰胺键会形成分子间氢键，对胶束结构具有稳定作用。这种中空结构 的胶束还可溶解大量的富勒烯。n o l t e 等人【3 5 】合成并研究了聚苯乙烯一沪聚异氰酸 基二肽( p s b - p i a t ) 嵌段共聚物的胶束化行为，发现：通过调节刚性链段的长度， p h 值和阳离子段相互作用，可以改变胶束的形貌；这种嵌段共聚物在水中还会 自组装形成超螺旋结构。他们还用含有可交联的噻吩基团的聚异氰酸基氨基酸刚 性嵌段和p s 嵌段组成的共聚物，分别在有机溶剂和水中获得了以柔性的p s 链段 为外层壳的囊泡，并通过噻吩进一步稳定了囊泡的结构。【3 6 l j i a n g 等将这- - n u 性柔性两嵌段共聚物的自组装特性应用到借助于分子问作 用力进行的自组装。 3 7 4 0 l 他们将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，在他们的共同溶剂氯仿中会有聚集体形成。动态静态光散射以及扫描 透射电镜的结果表明，体系中形成了5 0 0 纳米左右的聚合物空心球。进一步合 成了可光交联的聚酰亚胺，得到了结构稳定的聚合物空心球。 宴j l 大学，r 分子科掌j l 6 博士掌位论文 第一章绪论 1 3 3p e g 与聚多肽嵌段共聚物的自组装 聚多肽与p e g 的嵌段共聚物与以上介绍的刚性柔性共聚物在结构上有相似 之处。聚多肽由于分子内氢键造成的分子链a 螺旋与，折叠等二级结构使得分 子链呈典型的棒状结构，p e g 是柔性的分子链，因此聚多肽与p e g 的嵌段共聚物 也是刚棒一柔性嵌段共聚物。这种共聚物无论在本体中还是在溶液中都表现出其 特有的性能与自组装形态。 1 1 , 4 1 埘l 近年来对囊泡的研究在胶体化学，生物化学，以及材料科学等领域中已经成 为人们注意的焦点。1 4 5 j 到目前为止，只有少数几篇文章探讨了p e g 与聚多肽嵌段 共聚物在溶液中自组装成囊泡类形貌的现象。鼬m u r a 等合成了p e g 与短杆菌肽- a 的嵌段共聚物，同时研究了其在水相中自组装成囊泡的自组装机理。1y a i l g 等 合成了p e g 与聚赖氨酸类的共聚物并分析研究了调控其自组装成球形胶束，棒状 胶柬，和囊泡状结构的过程。m i 聚谷氨酸十八醇酯是一个很特别的聚氨基酸，它在普通溶剂中有着良好的溶 剂性，同时还具有氨基酸类聚合物特有的刚棒状主链，因此曾是人们一度关注的 研究焦点。4 9 】人们预期p e g 与聚谷氨酸十八醇酯的嵌段共聚物将会具有新的特 性和有效的应用前景。k i m 等合成t p e g 与谷氨酸十八醇酯两嵌段共聚物，并研 究了其在水相中通过动态光散射与荧光测试分析了其自组装成胶束的机理。d o 】 我们将合成及自组装的重点集中在p e g 与聚谷氨酸十八醇酯的嵌段共聚物上，并 观察其在溶剂中的自组装特性及分析其自组装机理。 1 4p e g 与聚多肽嵌段共聚物在h o p g 上的二维自组装 嵌段共聚物的自组装在纳米科技领域中占据着重要的位置。【5 1 ，鲍1 近年来， 其在基础研究与工业应用方面的价值u 益显现出来，自组装技术和白组装机理因 而也受到人们的重视而被广泛研究。其实在现实生活中许多现象，大到生命现象， 小到肥皂泡都是自组装的结果。而在界面以及表面上的吸附其实从某种意义上讲 也是一种自组装，是分子在固体表面上的排列，现在也是一个热门研究的方向。 弄清楚在固体表面自组装的机理有利于人们实现自主调拧分子的自组装，进而实 现有目的的合成新的生物材料，功能性涂料，超分子电极设计，超分子手性感应 器，纳米结构功能材料，及分子自组装设计与实际应用等都具有实际意义。【珏蜘 1 4 1 扫描探测显微镜对固体表面分子吸附的研究 通过分子间力而将有机分子吸附在固体表面上形成分子在固体表面上的有 ，j l 夫掌r j 于子科掌囊 博士掌位论文 第一 自论 序排列具有一定的理论研究与实际使用价值。将分子吸附固体表面上又不破坏分 子的化学结构与物理特性，在这一方面人们做了很多的工作，1 5 7 】而扫描探测显 微镜( s p m ) ，如扫描隧道显微镜( s t m ) 和原子力显微镜( a f m ) ，等仪器的 发明为人们提供了一些可以直接观察在固体表面原子和分子吸附的新工具。借助 这些实验工具人们能够直接调控或者观测固体表面上单个原子或分子的物理特 性。瞪s 】近年来，通过s p m 研究合成高分子在固体表面的吸附与自组装吸引了很 多人的兴趣。【5 9 ，删同时直接观察单个分子和它们在表面上的自组装现在已经成 为表面的结构分析等的必要研究方式。p 9 “l f i g u r e2 m o d e lo ft h ee p i t a x i a la d s o r p t i o no fs u r f a c t a n tp o l y m e ro ng r a p h i t e t h e e x t e n s i o na n da l i g n m e n to ft h ep o l y ( v i n y la m i n e ) b a c k b o n e ( t h i c kl i n e s ) a r ed r i v e nb y t h ep r e f e r e n t i a la d s o r p t i o no fh e x a n o y ls i d ec h a i n si nr e g i s t r yw i t ht h ea t o m i cl a t t i c e o ft h eg r a p h i t e ( s e ee x p a n d e dv i e w ) t h er e l a t i v e l yh i 曲d e n s i t yo fr a n d o m l ys p a c e d h y d r o c a r b o ns i d ec h a i n sr e q u i r e st h ep o l y m e rb a c k b o n et oe x t e n dt oa l l o we a c h h e x a n o y lt ob ei nr e g i s t r y t h ee n t r o p yl o s ti ne x t e n d i n gt h ep o l y m e rc h a i ni so f f s e t b yt h ee n t h a l p i ce n e r g yg a i n e df r o me p i t a x i a la d s o r p t i o n h e x a n o y ls i d ec h a i n sc a l l a l i g ni nt h r e es y m m e t r i cd i r e c t i o n so i lt h eg r a p h i t el a t t i c e ，l e a d i n gt ot h ea l i g n m e n to f t h ep o l y m e rb a c k b o n ei nt h r e ed i r e c t i o n sa so b s e r v e db ya f m d e x t r a ns i d ec h a i n s a t t a c h e dt ot h eb a c k b o n e ( n o ts h o w n ) a r eo r i e n t e da w a yf r o mt h es u b s t r a t ei n t ot h e a q u e o u ss o l u t i o n1 6 3 1 高度取向的石墨( h o p g ) 表面上的分子吸附或自组装是近来固体表面