双亲水性嵌段共聚物胶束及其控制释放行为的研究-博士论文

南开大学 博士学位论文 双亲水性嵌段共聚物胶束及其控制释放行为的研究 姓名：马如江 申请学位级别：博士 专业：高分子化学与物理 指导教师：史林启 20070401 摘要 摘要 双亲水性嵌段共聚物的自组装是高分子科学领域中的一个研究热点，通过 自组装能够获得新型的功能高分子材料，在生物医药和材料科学等领域中具有 良好的应用前景。本论文研究了多价阴离子诱导含有聚( 4 乙烯基毗啶) 嵌段的双 亲水性嵌段共聚物在水溶液中的胶束化自组装复合胶束对离子性物质的p H 响 应控制释放以及具有混合壳层的复合胶束的温度响应表面相分离行为。 通过原子转移自由基聚合方法分别合成了分子量可控且分布较窄的双亲水 性嵌段共聚物聚L - - - 醇齿聚( 4 乙烯基吡啶) ( P E G - b P 4 V P ) 和聚( - 异丙基丙烯 酰胺) - b 聚( 4 乙烯基吡啶) ( P N I P A A m - b P 4 V P ) 。 利用荧光黄( P y r a n i n e ) 诱导P E G - b P 4 V P 在p H 2 的水溶液中自组装，得到 了以P 4 V P P y r a n i n e 复合物为核、P E G 链为壳的单分散复合胶束通过光散射 ( L s ) ，核磁共振氢谱( 1 HN M R ) 以及透射电镜( T E M ) 等手段研究了荧光黄 与4 V P 的摩尔比( 固定聚合物浓度) ，聚合物的初始浓度、溶液的离子强度以及 制备方法对胶束的形态结构的影响固定聚合物的浓度( 0 4 0g L ) 不变，改变 荧光黄的浓度对胶束的形态结构有重要影响。在0 3 8g L 以下，随着荧光黄浓度 的增加，胶束的粒径逐渐减小，分布变窄，胶束的核变得致密。在0 3 8 9 L 以上， 随着荧光黄浓度的增加，胶束的粒径略有增大，而分布基本保持不变。 在不同的p H 值条件下，复合胶束对荧光黄的释放行为行不同p H7 时，有 突释现象发生，在5h 内便有8 5 的荧光黄被释放出来。p H4 时，复合胶束对 荧光黄具有良好的控制释放特性，释放速率适中而且持续时间较长，在5h 和 2 3h 时分别有3 1 和6 8 的荧光黄被释放出来。p H2 时，荧光黄的释放速率很 慢，而且释放主要是在最初几个小时有较明显的释放，在5h 和2 4h 时分别只 有8 和1 1 的荧光黄被释放出来 利用硫酸根诱导聚乙一_ 醇b 聚( 4 乙烯基吡啶) ( P E G - b P 4 V P ) 和聚( - 异丙 摘要 基丙烯酰胺) b 聚( 4 乙烯基吡啶) ( P N I P A A m - b P 4 V P ) 的混合物在水溶液中自组 装，制备了以P 4 V P 嵌段为核，以P E G P N I P A A m 为混合壳的复合胶束。将胶束 溶液的温度到P N I P A A m 嵌段的L C S T 以上诱导混合壳发生相分离，得到了具有 核一壳一冠状结构的胶柬。研究了混合壳组成不同的复合胶束的表面形态 P N I P A A m 嵌段塌缩后的形态与P N I P A A m 和P E G 在混合壳中的相对含量有 关P N I P A A m 的含量较低时，其塌缩形成的疏水区域会孤立地分布在P 4 V P 核 的表面，形成“补丁”状结构但当P N I P A A m 的含量高于某一临界值坼N 邛雌。c 后，其塌缩形成的疏水区域便相互连接起来，从而在P 4 V P 核的表面形成连续膜 的结构连接在P 4 V P 核上的P E G 链会穿过P N I P A A m 疏水膜伸向介质中由 于P E G 仍然具有良好的水溶性和活动能力，它们在穿过P N I P A A m 膜时会在自 身周围形成亲水性的通道，可供小分子和离子从其中穿过。胶束的混合壳中的 P N I P A A m 含量越高，通道的数量或尺寸越小。这种表面带有通道结构的胶束将 对促进嵌段共聚物胶束在药物控制释放领域中的应用具有重要价值。 A b s t r a c t A b s t r a c t T h e p y r a n i n e - i n d u c e d m i c e l l i z a t i o no f p o l y ( e t h y l e n e g l y c 0 1 ) 一b l o c k p o l y ( 4 一v i n y l p y r i d i n e ) ( P E G - b P 4 V P ) i na q u e o u ss o l u t i o n sa n dp H t r i g g e r e dr e l e a s eo fp y r a n i n ef r o mt h ec o m p l e xm i c e l l e sw e r es t u d i e db yd y n a m i ca n d s t a t i cl i g h ts c a t t e r i n g , 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 ，l HN M R s p e c t r o s c o p ya n d U V - V i ss p e c t r o s c o p y A tp H2 ，t h ei o n i z e dp y r a n i n e t o n i c a l l yC R O S S l i n k e dt h e p r o t o n a t e dP 4 V Pb l o c ka n dr e s u l t e di nw e l l d e f i n e ds p h e r i c a lc o m p l e xm i c e l l e sw i t h aP 4 V P p y r a n i n ec o r es u r r o u n d e db yaP E Gc o r o n a T h er a t i oo fp y r a n i n et op y r i d y l u n i t s ，t h ei o n i cs t r e n g t h ，t h ei n i t i a lp o l y m e rc o n c e n t r a t i o n ，a n dt h ep r o t o c o lf o rt h e p r e p a r a t i o nc o u l di n f l u e n c et h es t r u c t u r ea n dt h ep r o p e r t i e so ft h er e s u l t a n tc o m p l e x m i c e l l e s T h ec o m p l e xm i c e l l e sw e r es t a b l eu p o nd i l u t i o na n dh e a t i n gb u ts e n s i t i v et o p Hc h a n g e s p H t r i g g e r e dr e l e a s eo ft h ei n c o r p o r a t e dp y r a n i n ef r o mt h ec o m p l e x m i c e l l e sa td i f f e r e n tp Hv a l u e sd e m o n s t r a t e dt h a tt h er e l e a s eb e h a v i o rw a s p H t u n a b l e A tp H7ab u r s tr e l e a s ew a so b t a i n e dw i t ha l m o s t8 5 o ft h ei n c o r p o r a t e dp y r a n i n e w a sr e l e a s e do u ti n5h A tp H4t h er e l e a s er a t ew a ss l o w e rt h a nt h a to fa tp H7w i t h 3 1 a n d6 8 o ft h ei n c o r p o r a t e dp y r a n i n ew e r er e l e a s e do u ti n5 ha n d2 3h r e s p e c t i v e l y ，w h i c hi n d i c a t e dag o o dc o n t r o l l e d r e l e a s ec h a r a c t e r i s t i c sa tp H4 A tp H 2 ，h o w e v e r , t h er e l e a s er a t ew a sm u c hs l o w e rt h a nt h a to fa tp H7a n d4w i t ho n l y8 a n d1 1 o ft h ei n c o r p o r a t e dp y r a n i n ec o u l db er e l e a s e do u ti n5ha n d2 4h r e s p e c t i v e l y C o m p l e xm i c e l l e sw i t haP 4 V P c o r es u r r o u n d e db yam i x e dP N I P A A m P E Gs h e l l w e r ep r e p a r e db yC O - m i c e l l i z a t i o no fP N I P A A m 9 3 - b - P 4 v P s 8a n dP E G l l 4 - b - P 4 V P s si n a q u e o u ss o l u t i o n s I n c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r ea b o v et h eL C S To ft h eP N l P A A m i n d u c e dap h a s es e p a r a t i o no ft h ei n i x e ds h e l ld u et ot h ec o l l a p s eo ft h eP N I P A A m A b s t r a c t b l o c ka n dr e s u l t e di uac o r e - s h e l l - c o r o n as t r u c t u r ew i t hP 4 V P a st h ec o r e ，P N I P A A m a st h ei n n e rs h e l l ，a n dP E Ga st h ec o r o n a T h em o r p h o l o g yo ft h ec o l l a p s e d P N I P A A mw a sd e p e n d e n to nt h ec o m p o s i t i o no ft h em i x e ds h e l l ；l o w e rc o n t e n to ft h e P N I P A A mr e s u l t e di ns e p a r a t e l yd i s t r i b u t e dd o m a i n so nt h es u r f a c eo ft h eP 4 V Pc o r e ， w h i l eh i g h e rc o n t e n to ft h eP N I P A A ml e dt ot h ef o r m a t i o no fc o n t i n u o u sm e m b r a n e a r o u n dt h eP 4 V Pc o l e W h e nt h ec o n t i n u o u sm e m b r a n ew a f t ；f o r m e d ，t h eh y d r o p h i l i c P E Gb l o c kc o u l dp e n e t r a t et h r o u g ht h eP N I P A A ms h e l la n dc o n n e c tt h ei n n e rP 4 V P c o r ea n dt h eo u t e rm i l i e ut of o r mc h a n n e l sa c r o s st h eP N I P A A Mm e m b r a n ef o rw a t e r a n do t h e rs m a l lm o l e c u l e st op a s st h r o u g h K e y w o r d s ：i n d u c e dm i c e U i z a t i n n ，c o n t r o l l e dr e l e a s e ，s e l f - a s s e m b l y , c o m p l e x m i c e l l e s ，p h a s es e p a r a t i o n ，s u r f a c em o r p h o l o g y , c h a n n e l s l V 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名；学位论文作者签名： 解密时间：年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 两亲性嵌段共聚物在稀溶液中的自组装 分子自组装是指分子在平衡条件下，依赖分子间的氢键、静电相互作用、 疏水亲脂作用，范德华力，配位作用等弱的非共价键相互作用，自发地构筑成 结构稳定的、具有特定结构和功能的分子聚集体的过程 分子自组装在生物 体系中普遍存在，它是形成千姿百态、结构复杂的生命体的基础，如D N A 的合 成，R N A 的转录调控以及蛋白质的合成与折叠等生物化学过程都是自组装的 过程更完整，更复杂的生命有机体也都是自组装所形成的产物。自组装过程 的关键不是大量原子、离子，分子之间弱相互作用的简单叠加，而是一种整体 的，复杂的协同作用分子自组装技术既可用于有机纳米材料的合成，也可用 于复杂形态无机纳米材料的制备。利用分子自组装技术不仅可以合成出纳米多 孔材料，而且可以制备出纳米微粒，纳米棒，纳米线甚至纳米管，纳米网等多 种形态和结构的材料协 自1 9 8 0 年代以来，大分子的自组装已经逐渐发展成为高分子科学和材料科 学中的一个重要研究领域。其中，科学家们对嵌段共聚物的自组装，尤其是对 两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中的自组装研究得尤为深入和广泛 嵌段共聚物在溶液中通常仍保持其不同嵌段间的不相容性，而对于两亲性 嵌段共聚物来说则更是如此。两亲性嵌段共聚物一般由一个亲水性嵌段和一个 疏水性嵌段组成，所以它们也被称为高分子表面活性剂9 , 1 0 和小分子表面活性 剂类似，在水溶液中，两亲性嵌段共聚物的疏水链段会驱动聚合物分子链发生 聚集，从而自组装形成高分子胶束。与小分子表面活性剂胶束相比，由两亲性 嵌段共聚物自组装形成的高分子胶束具有更低的临界胶束浓度( C r i t i c a lM i c e l l e C o n c e n t r a t i o n C M C ) 和更慢的胶束一单分子交换速率1 0 在选择性溶剂巾，当嵌段共聚物的浓度高于临界胶束浓度( C M C ) 时，共 南开人学搏：仁毕业( 学位) 论文 聚物中不同的嵌段之闻可以发生微相分离形成形态丰富的纳米尺度的聚集体， 即高分子胶束1 1 ，1 2 文献中已有大量关于嵌段共聚物在溶液中形成胶束的形态、 结构，共聚物的组成嵌段相对长度，溶剂等对胶束结构的影响以及胶束的动 力学和胶束的应用等方面的报道1 ，埘两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中自组装 形成胶束的形态- 9 选择性溶剂的性质( 如极性，离子强度，p H 值等) ，共溶剂 的性质、胶柬的制备方法、嵌段共聚物的组成，嵌段共聚物的初始浓度等诸多 因素有关迄今为止，科学家们通过研究发现，两亲性嵌段共聚物在选择性溶 剂中可以自组装形成形态结构丰富的纳米胶束或胶束状聚集体2 2 。3 2 ，其中包括球 形、棒状。囊泡状，空心。管状，纤维状等形态丰富的嵌段共聚物胶束3 1 甜。 最简单的高分子胶束是具有核一壳结构的球形胶束，它通常由两亲性嵌段 或接枝共聚物在选择性溶剂中形成，不溶的链段形成胶束的核，而可溶性链段 则围绕在核的周围形成胶束的壳层1 6 2 2 , 2 7 , 3 1 皿由于可溶性壳层的存在，大大降 低了胶束之问由于相互碰撞而发生聚集并沉淀的可能性，因而在一定的浓度范 围内，高分子胶束可以长时问稳定地存在于溶液中。 按照成核链段和成壳链段的相对长度，核一壳结构的球形胶束可以分为星 形胶束( s t a r m i c c l l e s ) 和平头胶束( C I C W c u t m i c e l l e s ) 2 2 筇具有较长可溶性 链段的嵌段共聚物在选择性溶剂中会自组装形成核较小而壳层较厚的星形胶 束；相反，含有较长不溶性链段的嵌段共聚物则会在选择性溶剂中聚集形成核 较大而壳层较薄的“平头”胶束( c r e w c u t m i c e l l e s ) 。高分子胶束根据溶剂不同又 可分为水溶性胶束和有机溶剂胶束，按小分子表面活性荆的概念，前者为常规 胶束，后者为反向胶柬3 6 。 经典的制备嵌段共聚物胶束的方法是利用选择性溶剂，在其中，一种嵌段 因为不洛而聚集形成胶束的核，另一种可溶性嵌段形成胶束的壳。一种方法是 先将聚合物溶解于两嵌段的共溶剂中，然后加入某一嵌段的沉淀荆，使两嵌段 的共溶剂变为该嵌段的不良溶剂1 5 , 3 7 另一种方法是将嵌段共聚物直接溶解在某 第一章文献综述 单一溶剂或混合溶剂中，反应过程中可能需要超声振荡或加热3 8 这种方法一般 只对制备“星形”胶束有效。 除了传统的利用选择性溶剂进行嵌段共聚物的胶束化的方法以外，近年来， 科学家研究开发出一些新的嵌段共聚物胶束化的方法。一类方法是利用高分子 的溶解性对一些环境因素( 如温度、p H 值、离子强度，光照等) 的依赖性来制 备具有环境响应性的嵌段共聚物胶束。另一类方法是利用嵌段共聚物与其它物 质通过静电力、配位，氢键等相互作用形成难溶的复合物，从而诱导嵌段共聚 物胶束化。对于这两类嵌段共聚物胶束化的方法我们将在后面进行较为详细的 综述 两亲性嵌段共聚物在稀溶液中的白组装不仅在学术研究上有着重要的研究 价值，而且在生命科学，药学材料科学以及环境保护等领域具有广泛的应用 前景两亲性嵌段共聚物自组装形成的高分子胶束可将一些药物分子包裹在其 内部，从而作为药物输送和控制释放载体得到应用3 9 - 4 1 另外，嵌段共聚物胶束 可作为纳米反应器或模板来制备单分散的金属和半导体纳米粒子4 2 埘。最后，两 亲性嵌段共聚物自组装胶束在水相可以长期稳定存在，且对小分子有较强的吸 附能力，因而用于污水处理、环境净化以及微量成分的富集等4 5 目前，两亲性嵌段共聚物自组装胶束的研究已成为高分子科学和材料科学 的一个重要研究领域 1 2 环境响应性嵌段共聚物的自组装 1 2 1 环境响应性嵌段共聚物概述 环境敏感聚合物又称为智能聚合物或刺激响应性聚合物。这类聚合物对于 外界环境的微小物理或化学刺激，如温度p H 值，离子强度，电场、磁场，光 或紫外光等，自身的某些物理和化学性质，如相，形状，光学、力学、表面能 南开人学博：I ：毕业( 学位) 论文 反应速率，渗透速率和识别性能等也会发生相应的变化。环境敏感聚合物在生 物材料，环境工程、分子开关等方面具有广泛的应用前景。 一般情况下，嵌段共聚物胶束的制备需要使用有机溶剂，但在生物医学领 域的应用中，经骷要求在全亲水环境下制备胶束，而且所制得的胶束最好具有 环境响应性( 如p H 、温度响应等) ，以实现胶束对药物在特定环境下的控制释放 通过改变环境条件来诱导嵌段共聚物进行胶束化自组装或解胶束化已成为高分 子白组装领域中的一个重要的研究方面，对此已经大量的文献报道。多数的环 境响应性自组装都在水溶液中进行当环境条件改变时，会使聚合物中某一嵌 段由可溶变得不溶或由不溶变得可溶，从而使嵌段共聚物在溶液中发生胶束或 解胶束化目前，两亲性嵌段共聚物对环境响应的研究主要集中在p H 值温度、 离子强度、光等方面的响应 1 2 2 p H 响应自组装 当双亲水性嵌段共聚物的某一嵌段是聚弱酸或聚弱碱时，可通过调节溶液 的p H 值，改变弱酸或弱碱性嵌段带电量，从而改变其在水中的溶解性在适当 条件下，弱酸或弱碱性嵌段会呈电中性，从而变得疏水，而另一嵌段则保持良 好的水溶性这时，嵌段共聚物就会自组装形成胶束这类嵌段共聚物包括非 离子一离子嵌段共聚物、聚酸一聚碱嵌段共聚物以及由两种p K a 值不同的聚酸或 聚碱组成的嵌段共聚物。对这类体系研究最早的是聚乙二醇- 6 聚( 2 一乙烯基吡啶) ( P E G - b P 2 V P ) 的p H 响应胶束化4 6 在酸性条件下，P 2 V P 因质子化而溶解 当调节p H 值至碱性时，P 2 V P 则由于去质子化而变得不溶解，因而P E G - b P 2 V P 便自组装形成以P 2 V P 为核，以P E G 为壳的胶束。 在嵌段共聚物的p H 响应自组装方面，# a m e s 及其所在的研究小组做出了突 出的贡献，取得了令人瞩目的成就。下面将主要介绍A t m e s 等在嵌段共聚物的 p H 响应自组装方面所做的工作。 第一章文献综述 A r m e s 等4 7 采用T E M P O 活性自由基聚合反应合成了含有各种不同的酸性和 碱性链段的嵌段共聚物，并研究了它们在水溶液中的p H 响应自组装行为。F i g u r e 1 - 1 为聚( 4 - 乙烯苯磺酸钠) b ，聚( 4 一乙烯苯甲酸钠) ( P S S N a b P S C O O N a ) 的可逆 彳、婶彳、婶 审审 舯N ic f x 卅I g o ，N c E J J I 彳 M i c e l l e s F i g u r e1 - 1 S c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fp H - i n d u c e dm i c e U ef o r m a t i o nb yt h e P S S N a - P S C O O N aa c i d i cb l o c kc o p o l y m e r s P S C O O N a 的p K = 4 4 ，而P S S N a 的p K , 1 向P S S N a - b P S C O O N a 的中 性溶液逐渐加入H C I 使p H 减小，当p H 4 4 以后( 但p H 略大于1 ) ，P S C O O N a 嵌段被质子化，由于其疏水性的增强以及一C O O H 间较多的氢键的形成使 P S C O O N a 相互聚集起来，形成胶束的核但P S S N a 嵌段仍具有良好的亲水性， 从而使胶束结构得以稳定。升高p H 又会使胶束结构解体根据嵌段共聚物的组 成不同，所得胶束的平均流体力学直径为2 0 6 0 n m A r m e s 等4 8 通过基团转移聚合方法合成了含有两种聚碱嵌段的聚【甲基丙烯 酸2 ( 二甲基胺基) 乙基酯】七一聚【甲基丙烯酸- 2 一( 二乙基胺基) 乙基酯】 ( P D M A E M A b P D E A E M A ) ，如F i g u r e l - 2 所示。P D M A E M A 嵌段在酸性以及 接近中性的水中是可溶的，而P D E M E M A 嵌段则只能溶解于酸性( 约p H2 ) 水 溶液中。向该嵌段共聚物的酸性水溶液中逐渐加入N a O H 水溶液，当p H 值升至 。 一。 房y。 。丫一一 气 ( a c ( 机吱咖 南开人学博士毕业( 学位) 论文 9 5 左右时，溶液中便有胶束形成，这是由于P D E A E M A 嵌段首先去质子化而交 得不溶于水，从而形成胶束的核。另外，还可用丙磺酸内酯选择性地与 P D M A E M A 嵌段反应，将其转化为两性离子嵌段4 9 。改性后的P D M A E M A 在 p H1 2 以上仍是可溶的，这使胶束能够稳定存在的p H 范围变宽。 甲eY e 甲e 甲e n H 2 C 2 早 m H 2 C 2 宁- k - c H 2 一字了弋c H 2 一 ：尢 C = OC = O C 。= OC = O +竺型生 H 2 l H 2 t 。M T e H M F 一, 。2 a 5 a * 。C an ，；t ，i ： H2CH2H 29 9 H 2 , C H 2 N M e 2 N E t 2 N M e 2N E b D M A E M AD E A E M A D M A E M A 一0 巳E M A b l o c kc o p o l y m e r F i g u r e 1 - 2 S y n t h e s i s o fP D M A E M A - b - P D E A E M A b yg r o u p t r a n s f e r p o l y m e r i z a t i o n( G T P ) ， w h e r eM T Sa n dT B A B B d e s i g n a t e 1 - m e t h o x y 一1 一m m e t h y l s i l y l o x y 2 - m e t h y l p r o p - 1 - e n e ( i n i t i a t o r ) a n d t e t r a b u t y l a m m o n i u mb i b e n z o a t e ( c a t a l y s t ) r e s p e c t i v e l y 上述两种嵌段共聚物中的两种嵌段均为酸性或碱性嵌段，而A r m c $ 等5 0 采 用原子转移自由基聚合( A T R P ) 方法还合成了同时含有酸性链段的碱性链段的 嵌段共聚物聚( 4 乙烯苯甲酸p 聚【甲基丙烯酸一2 一( 二乙基胺基) 乙基酯】 ( V B A 6 0 - b D E A 6 6 ) ，如F i g u r e1 - 3 所示) 在酸性溶液中，V B A 6 0 - b D 酗响能形 成以V B A 嵌段为核、以D E A 嵌段为壳且带正电荷的胶束，其直径约3 6 n m 。而 在碱性溶液中，V B A e o - b - D E A 砸则形成以D E A 嵌段为核、l ；之V B A 嵌段为壳且 带负电荷的胶束，其直径约为3 5 n m 。在接近中性的时候，V B A 6 0 b D E A 6 6 具有 等电点该嵌段共聚物在颜料分散5 1 j 2 以及蛋白质的分离和纯化方面有着潜 在的应用。 6 第一章文献综述 F i g u r e1 - 3 C h e m i c a ls t r u c t u r eo fW A 6 0 - b - D E A “d i b l o c kc o p o l y m e ra n d i t s p H - i n d u c e d “s c h i z o p h r e n i c m i c e l l i z a t i o nb e h a v i o ri na q u e o u ss o l u t i o n A r m e s 等5 4 采用双功能引发剂利用A T R P 合成了中间嵌段为甲基丙烯酰氧乙 基磷酸胆碱( M P C ) 、两端嵌段为甲基丙烯酸双异丙基氨基乙酯( D P A ) 的三嵌 段共聚物D P A - b M P C - b D P A ，如F i g u r e1 - 4 所示D P A 嵌段具有弱碱性，而 M P C 嵌段则具有良好的生物相容性。 业竖；B ， M P c 斗B r ! 坐L m e t h a n o I 、m - 2 4 - 4 8h 2 0 T 4 5h Ac o m m e r c i a l l ya v a i l s b k b i f u a c t k m a IA r R I ；n i t i a l o t ( d i e 岫Im e * - 2 5 - d i b r m n o a d i p 曩t e ) D P A 一M P C - - D P A 订i b l o c kc o p o l y m e r s n ；2 0 - 1 0 0 ；m = 1 0 0 3 0 0 F i g u r e1 - 4 S y n t h e s i so ft r i b l o c kc o p o l y m e rD P A - b ，M P C - b - D P Ab yA T R P 这种嵌段共聚物能较好地溶解于酸性溶液中( p H 4 ) ，当用N a O H 将溶液 的p H 调至7 8 时，D P A 嵌段由于去质子化而变得疏水，而中间嵌段M P C 仍 具有良好的亲水性。这时，在释溶液中D P A - b M P C - b D P A 便形成以D P A 嵌段 为核，以M P C 嵌段为“花瓣”的花状胶束；但在较浓的溶液中D P A - b M P C b D P A 叶守n个( 丫 廿Y 巾尺 十：p 廿? “( 丫 南开大学博士毕业( 学位) 论文 则形成宏观物理凝胶，如F i g u r e1 - 5 所示。上述胶束和凝胶在加酸以后会立即溶 解。另外，作者以迪普莱达莫( d j P y r i d a m o l e ，冠状动脉扩张剂) 为模型疏水药 物，研究了D P A - b M P C - b D P A 凝胶对它的释放行为。结果表明，在生理条件下， D P A - b M P C - b D P A 凝胶能持续释放迪普菜达莫。 F i g u r e1 - 5 S c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no ft h ef o r m a t i o no fs o c a l l e d “f l o w e r m i c e l l e s a tl o w c o p o l y m e rc o n c e n t r a t i o n a n d m a c r o s c o p i cg e l sa th i g hc o p o l y m e r c o n c e n t r a t i o nb yD P A - b - M P C - b - D P A c o p o l y m e r s A r m e $ 等5 5 以聚乙二醇( P E O ) 为大分子引发剂，采用连续A T R P 的方法， 合成了聚乙二醇，b 聚甲基丙烯酸甘油酯b 聚I 甲基丙烯酸2 ( 二乙基氨基) 乙基 酯】( P E O b P G M A - b P D E A ) 三嵌段共聚物，如F i g u r e l - 6 所示，该嵌段共聚物 能很好地溶解于酸性溶液中若向酸性的聚合物溶液中加入N a O H 溶液，将其 p H 值调节至7 8 时，该三嵌段共聚物则发生胶束化，形成以P D E A 为核、P G M A 为内壳，P E O 为外壳的三层洋葱状胶柬。在室温下向碱性胶束溶液中加入二乙 烯亚砜( D V S ) 可以选择性地将P G M A 层交联起来( 如F i g u r e l - 6 所示) ，形成 壳交联胶束这种壳交联胶束会表现出可逆的P H 响应溶胀一退胀行为，并可作 为纳米反应器，用于金纳米粒子的合成。需要指出的是，上述三嵌段共聚物中 P G M A 嵌段也可用聚甲基丙烯酸羟乙酯( P H E M A ) 代替。 8 第一章文献综述 F i g u r e1 - 6 + ( a ) R e a c t i o ns c h e m ef o r t h es y n t h e s i so ft h eP E O - b G M A - b - D E A t r i b l o c kc o p o l y m e 雎；( b ) s c h e m a l i ei l l u s t r a t i o no ft h ef o r m a t i o no ft h r e e l a y e r o n i o n l i k em i c e l l e sa n ds h e l lC R O S S 1 i n k e dm i c e l l e sf r o mP E O b G M A - b - D E A t t i b l o c kc o p o l y m e r s 1 2 3 温度响应自组装 如果双亲水性嵌段共聚物的某一嵌段具有最低临界溶解温度( L C S T ) 或最 高临界溶解温度( U C S T ) ，那么，溶液温度的改变就会导致嵌段共聚物在溶液 中的胶束化或解胶束化聚( - 烷基丙烯酰胺) 是一类典型的具有L C S T 相行为的 高分子，F i g u r e1 - 7 给出了一些不同烷基取代的聚( - 烷基丙烯酰胺) 在聚( 烷基丙烯酰胺) 聚当中，聚( - 异丙基丙烯酰胺) ( P N I P A A m ) 是最具 代表性、被研究最为广泛的温度敏感性高分子，其L C S T 约为3 2 * C 5 6 , 5 7 P N l P A A m 在水溶液中发生温度响应相转变的主要驱动力是氢键效应和疏水效应。 P N I P A A m 分子链中同时合有亲水性的酰胺基一C O N H 和疏水性的异丙基一 C H ( C H 3 ) 2 。在L C S T P Z 下，分子链上极性的酰胺基团与周围的水分子发生相互作 用，形成较强的氢键，因而聚合物具有良好的亲水性，能以单分子无规线团的 形式存在于水洛液中；当温度高于L C S T 时，P N I P A A m - 与水分子问的氢键被破坏， 分子链中非极性的异丙基疏水相互作用占主导地位，使整条分子链表现为疏水 性，从而导致溶液发生相分离。P N I P A A m I 均相转变温度可通过将N I P A A m 单体 与其它单体无规共聚来凋节，从而在实际应用时获得最佳。一般而言，与亲水 南开人学搏I ：毕业( 学位) 论文 单体( 如丙烯酰胺，A A m ) 共聚会提高L C S T ，甚至使L C S T 相行为完全消失； 而与疏水单体( 如| 丁基丙烯酰胺) 共聚则会降低L C S T ，并增强其温度敏感性 5 8 , 5 9 。聚( N - - - 乙基丙烯酰胺) ( P D E A A m ) 是另一种被研究较多的温度敏感性 高分子，其L c s T 为2 6 3 6 ( 2 砷此外，一些聚【甲基丙烯酸2 一( M L 二烷基) 乙酯】 如P D M A E M A 、P D P A E M A 和P M E M A 也具有L C S T , 相行为6 1 9 一c l I 扣H 龋 a b c H _ P 涪 C = O ( b ) P zf H z C H ，C H 3 一“_ 掣涪 o R 。- - C H ， “二豢 F i g u r e 1 - 7 C h e m i c a ls t r u c t u r e so fp o l y ( N - a l k y l a c r y l a m i d e ) w i t hL C S Tp h a s e b e h a v i o r ：( a ) p o l y ( H - i m p m p y l a e t y l a m i d e ) ( P N I P A A m ) , ( b ) p o l y m e r ( N , N - d i e t h y l a e r y l a m i d e ) 0 D E A A m ) ，( c ) p o l y ( 2 - c a r b o x y l - N - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ) ( P C I P A A m ) ， ( d ) p o l y N - ( L ) - ( 1 - h y d m x y m e t h y l ) p r o p y l m e t h y l a c r y l a m i d e 】 ( P L H M A A m ) ，( c ) p o l y ( N - a e r y l - N - a l k y l p i p e r a z i n e ) 能够进行温度响应性自组装的嵌段共聚物通过包含一个具有L C S T 相行为 的嵌段，在水中通过温度的变化，该嵌段共聚物会表现出可逆的温度响应性胶 束化行为 Z h a n g 等6 2 利用光散射方法研究了P E G l l o - b P N I P A A m 4 4 在水溶液中的温度响 应性胶束化行为该嵌段共聚物的L c s T 略高于P N I P A A m 均聚物的L C S T ，并且 随着聚合物浓度的减小，L C S T 逐渐升高在L C S T I ? A 上，P E G l l o - b P N I P A A m “ 会自组装形成以P N l P A A m 为核、P E G 为壳的球形胶束。另外，较高的聚合物浓 度有利于形成尺寸较小，较为致密且分布较窄的胶束。 A n n e s 等6 3 将聚【甲基丙烯酸2 咿二甲基胺基) 乙基酯】一b 聚( 甲基丙烯酸 陆Lk、器一t太占尸。 a a 书 扣 凹 第一章文献综述 _ 2 吗啉基乙基酯) ( P D M A E M A - b P M E M A ) 中的P D M A E M A 嵌段选择性地季 铵化，研究了其在水溶液中的自组装行为。当p H = 7 时，P M E M A 在具有可逆的 L C S T 相行为( 3 4 4 5 之间) ，升高溶液的温度至6 0 以上即可形成以 P D M A E M A 为壳，P M E M A 为核的胶束尔后，将溶液降温，胶束又会逐渐解体。 另外，A r m e s 等还以P P o 为大分子引发剂，采用A T R P 方法合成了三嵌段共 聚物P P O - b P D M A E M A b P O E G M A 6 4 。由于P P O 均聚物自纷L C S T 在1 0 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 之间，因此随着温度的升高，在溶液中 首先形成以P P o 嵌段为核，P D M A E M A 嵌段为内壳，P O E G M A 嵌段为外壳的三 层“洋葱”状胶束；进一步升高温度超过6 0 ，P D M A E M A 嵌段又会塌缩在P P O 核的周围，而P O E G M A 嵌段仍然保持溶解状态 1 2 4 离子强度响应自组装 有些聚合物在离子强度较低的水溶液中能够较好地溶解，但离子强度升高 到一定程度以后，该聚合物便会由于盐析作用而变得不溶利用聚合物的这种 性质可制备具有离子强度响应性质的嵌段共聚物自组装体系。 A i m c $ 等6 5 利用基团转移聚合( G T P ) 法合成了甲基丙烯酸低聚乙二醇酯与 甲基丙烯酸四氢吡喃酯的嵌段共聚物P O E G M A - b - P T H P M A ，通过酸解得到聚甲 基丙烯酸低聚7 , - - 醇酯b 聚甲基丙烯酸( P O E G M A - b P M A A ) ，如F i g u r eI - 8 所 示 S H ，c H | F c 地一 。- 。啦一丹 O l c f f 2 c l t 2 0 k c n j O H F i g u r e 1 - 8 R e a c t i o ns c h e m e i l l u s t r a t i n g t h ea c i d h y d r o J y s i s o t P O E G M A 一P T H P M Ad i b l o c kc o p o l y m e r s 在2 0 C 及中性条件下，P O E G M A - b P M A A 能较好地溶解于水中。此时，如 果当向聚合物溶液中加入K 2 C 0 3 溶液，随着离子强度的增加，P O E G M A 嵌段就 器 。甘1 融一 ” 卜 南开大学博I ：毕业( 学位) 论文 会变得不洛，从