響應(yīng)性超支化多臂共聚物的可控合成及自組裝研究.pdf

1、超支化聚合物是一類具有準(zhǔn)球形結(jié)構(gòu)的高度支化大分子,在其不規(guī)則的分子結(jié)構(gòu)中含有大量內(nèi)部空穴和末端官能團(tuán)。由于超支化聚合物獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn),目前它己成為高分子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。經(jīng)過近20年的發(fā)展和探索,人們在超支化聚合物的合成、結(jié)構(gòu)表征、功能化改性等方面已經(jīng)取得了重要進(jìn)展,尤其是超支化聚合物的合成方法已經(jīng)趨于全面和成熟,這為超支化聚合物的應(yīng)用開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是,在超支化聚合物的研究中還有許多問題亟待解決,如基礎(chǔ)理論的完善、未知性能

2、的挖掘、新穎現(xiàn)象的解釋、應(yīng)用領(lǐng)域的拓展等等。本文在綜述前人有關(guān)超支化聚合物工作的基礎(chǔ)上,在超支化聚合物的功能化及自組裝方面做了一些新的探索和研究。將具有環(huán)境響應(yīng)性的聚合物鏈段通過活性聚合的方法引入超支化聚醚表面,設(shè)計(jì)合成了兩類功能性的基于超支化聚醚的多臂共聚物,并且研究了其環(huán)境響應(yīng)性和自組裝行為,進(jìn)一步開展了應(yīng)用的研究。研究工作中,通過活性聚合的方法制備得到了兩類不同臂鏈段的響應(yīng)性兩親超支化多臂共聚物HBPO-g-PDMAEMA和HBP

3、O-g-PDEAEMA；前者可在水中直接自組裝形成大膠束,且具有良好的溫度響應(yīng)性,將其作為藥物載體實(shí)現(xiàn)了溫度響應(yīng)的藥物釋放；后者在二氧六環(huán)/水混合溶劑中組裝時(shí),隨水含量的變化而產(chǎn)生了一系列的形貌轉(zhuǎn)變,并在溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)作用下發(fā)生了多種形貌變化,并且具有良好的pH值響應(yīng)性,將其組裝液同時(shí)作為穩(wěn)定劑和還原劑,分別在水相和油相中制備得到了具有膠體金納米粒子分散液。主要研究內(nèi)容和結(jié)論概括如下:
　　 1.HBPO-g-PDMAEMA的可控

4、合成及水中直接自組裝行為研究；
　　 采用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法,成功在HBPO表面接枝PDMAEMA鏈段,合成了一系列不同臂長的超支化多臂共聚物HBPO-g-PDMAEMA。多臂共聚物的臂長可通過調(diào)節(jié)單體DMAEMA的加入量來很好地控制。臂平均聚合度為5到77的HBPO-g-PDMAEMA均可在水中經(jīng)直接溶解法組裝成10 nm的球形小膠束和100 nm的球形大膠束。且大膠束的尺寸隨著多臂共聚物中PDMAEMA臂聚合度的增加而減小

5、,小的單分子膠束基本保持不變。核磁表征證明所形成的膠束為核-殼結(jié)構(gòu),在水中溶解性良好的PDMAEMA伸展為殼,而溶解性不好的HBPO卷曲成核。透射電鏡的直觀證據(jù)證明大的多膠束聚集體由很多5 nm左右的小基元構(gòu)成。在此基礎(chǔ)上,提出了單分子膠束經(jīng)PDMAEMA鏈段問的疏水相互作用聚集形成多分子膠束聚集體的多膠束聚集機(jī)理(MMA機(jī)理)。該機(jī)理的提出,為高度支化聚合物形成大球形膠束的體系提供了理論參考。
　　 2.HBPO-g-PDMA

6、EMA的環(huán)境響應(yīng)性研究及其在藥物釋放方面的應(yīng)用；
　　 HBPO-g-PDMAEMA在純水中具有離子響應(yīng)性和pH值響應(yīng)性。動態(tài)光散射測試表明,在其水溶液中加入氯化鈉至一定濃度時(shí),組裝體發(fā)生聚集形成微米級的聚集體；隨著水溶液pH值的增加,逐漸聚集形成大的聚集體。尼羅紅為熒光探針的臨界膠束濃度(CMC)測試表明,隨著pH值的增加,共聚物的CMC增大。HBPO-g-PDMAEMA同時(shí)也具有溫度敏感性,且發(fā)現(xiàn)其分子量分布對溫敏性能有較大

7、影響。分子量單分散的HBPO-g-PDMAEMA具有可逆的溫敏特性,在高于LCST的溫度下很快達(dá)到熱力學(xué)穩(wěn)定。動態(tài)光散射和變溫核磁分析表明,隨著溫度的升高,首先發(fā)生殼層PDMAEMA鏈段的脫水,塌縮在多膠束聚集體表面,使組裝體尺寸小幅下降,接著組裝體間由于殼層PDMAEMA鏈段間疏水相互作用增加而發(fā)生進(jìn)一步聚集,多膠束聚集體的尺寸增加。在此基礎(chǔ)上,提出了分子量單分散的HBPO-g-PDMAEMA溫敏響應(yīng)組裝的機(jī)理。而分子量分布寬的HBP

8、O-g-PDMAEMA在溫度高于LCST時(shí),達(dá)到熱力學(xué)穩(wěn)定需非常長的時(shí)間。這也導(dǎo)致其在加熱-冷卻循環(huán)下的溫度響應(yīng)行為受熱歷史的影響。作者認(rèn)為分子量分布寬的HBPO-g-PDMAEMA中PDMAEMA長鏈和短鏈的選擇性排列是造成這種現(xiàn)象的原因。藥物釋放的探索性研究表明:HBPO-g-PDMAEMA對藥物吲哚美辛有較好的包裹特性,包裹效率可達(dá)68％,在pH值為7.4的磷酸鹽緩沖溶液中體外釋放實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),溫度對藥物的釋放有一定影響。
　　

9、 3.HBPO-g-PDEAEMA的可控合成及溶液中自組裝行為研究；
　　 同樣采用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法成功制備得到臂聚合度可控的HBPO-g-PDEAEMA共聚物。HBPO-g-PDEAEMA在諸多混合溶劑如二氧六環(huán)/水、乙醇/水、丙酮/水、四氫呋喃/水、DMF/水中均可發(fā)生聚集。聚合物在各混合溶劑中發(fā)生聚集的臨界聚集水濃度與有機(jī)溶劑的溶解度參數(shù)有關(guān)。冷凍透射電鏡分析表明,臂平均聚合度為11的POPE3在二氧六環(huán)/水混合溶劑

10、中隨著水含量的變化而發(fā)生了一系列的形貌轉(zhuǎn)變:囊泡--單分子膠束和囊泡共存--多分子聚集體膠束和囊泡共存--多分子聚集體--空心球--空心球聚集體。核磁分析表明這種多階段的形貌變化由PDEAEMA臂多階段的溶解性變化引起。第一階段中,由于PDEAEMA臂溶解性上升,導(dǎo)致囊泡中部分分子解離出來形成單分子膠束；第二階段中,由于PDEAEMA臂溶解性的下降,導(dǎo)致單分子膠束聚集形成多膠束聚集體；第三階段中,PDEAEMA臂溶解性繼續(xù)下降,導(dǎo)致PD

11、EAEMA分子塌縮,多膠束聚集體結(jié)構(gòu)向外圍收縮,形成中空球結(jié)構(gòu)；第四階段,PDEAEMA臂溶解性繼續(xù)下降,導(dǎo)致臂塌縮程度增加,空心球壁厚下降,而后PDEAEMA間的疏水相互作用增加,導(dǎo)致空心球間聚集,形成較大的聚集體。另外,丹磺酰氯標(biāo)記的HBPO-g-PDEAEMA的熒光分析可以很好地反應(yīng)體系中其所處微環(huán)境的變化,從而為組裝形貌的轉(zhuǎn)變提供了另一強(qiáng)有力的證據(jù)。
　　 4.HBPO-g-PDEAEMA響應(yīng)性研究及其在還原穩(wěn)定納米金方

12、面應(yīng)用；
　　 HBPO-g-PDEAEMA具有一定的pH值響應(yīng)性。隨著pH值的升高發(fā)生了聚集。NMR、DLS、冷凍透射電鏡等分析表明:在低pH值下,形成了具有核殼結(jié)構(gòu)的粒徑較小的單分子膠束及多膠束聚集體；隨著pH值的增加,發(fā)生形貌轉(zhuǎn)變,形成囊泡結(jié)構(gòu):而pH值進(jìn)一步升高導(dǎo)致組裝體沉積。以HBPO-g-PDEAEMA為還原劑和穩(wěn)定劑,可分別在水相和油相中成功制備納米金膠體粒子。在水相中制備納米金粒子時(shí),溶液pH值對金納米粒子的制備

13、有很大影響,pH較小的溶液中不能實(shí)現(xiàn)金納米粒子的有效還原,制備穩(wěn)定納米金分散溶液的條件為pH大于6.15以及N/Au高于10。且在低pH下制備時(shí)所得金顆粒為球形顆粒和棒狀顆粒的混合物,而高pH時(shí)為球形顆粒。在油相中制備納米金粒子時(shí),通過改變?nèi)軇┲卸趿h(huán)和水的配比可控制生成的納米金顆粒的大小和形貌。水含量較低的二氧六環(huán)和水混合溶劑中不能實(shí)現(xiàn)金粒子的有效還原,使用水含量為32.4wt％的POPE3組裝液作為還原劑時(shí),在N/Au為20和10

14、的條件下均可獲得穩(wěn)定性良好的膠體球形金顆粒分散液；使用水含量為42.8 wt％的POPE3組裝液作為還原劑時(shí),在N/Au為20的條件下可獲的穩(wěn)定的粒徑為22 nm金顆粒分散液,該條件下獲得的金顆粒形貌豐富而將N/Au由20降至10后,所得金顆粒粒徑較大,沉積在容器底部。
　　 5.HBPO-g-PDEAEMA溶劑誘導(dǎo)組裝行為研究--囊泡的不對稱分裂、薄壁空心球的粘連及網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的形成；
　　 首先發(fā)現(xiàn)在溶劑揮發(fā)過程誘導(dǎo)下

15、,囊泡內(nèi)外溶劑滲透壓的驅(qū)動下,HBPO-g-PDEAEMA囊泡發(fā)生由雙分子層母囊泡分裂為單分子層子囊泡的不對稱分裂。整個(gè)過程中HBPO-g-PDEAEMA的超支化特性為單分子層子囊泡的穩(wěn)定提供了可能,這也是成功分裂的關(guān)鍵。另外,溶劑的揮發(fā)還會導(dǎo)致組裝體間粘連、締合的發(fā)生。不同揮發(fā)時(shí)間下的冷凍透射電鏡表明,水含量為10 wt％的二氧六環(huán)/水混合溶劑中形成的囊泡間在溶劑揮發(fā)的驅(qū)動下發(fā)生粘連,而水含量為50 wt％的二氧六環(huán)/水混合溶劑中形成

16、的薄壁空心球在溶劑揮發(fā)的驅(qū)動下,經(jīng)PDEAEMA鏈間的疏水相互作用發(fā)生空心球的締合。而對于水含量更高的混合溶劑中形成的空心球,其間的疏水相互作用因PDEAEMA溶解性的下降而表現(xiàn)的更為明顯,即使在無溶劑揮發(fā)的驅(qū)動下,仍能形成大的締合體。而后發(fā)現(xiàn)空心結(jié)構(gòu)的組裝體可作為模板制備得到網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。用液氮冷凍的方法,將較高水含量下形成的薄壁空心球狀組裝體固定,經(jīng)真空干燥,可獲得納米孔徑的微觀網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。另外低水含量下的組裝體在溶劑揮發(fā)作用下發(fā)生聚