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《中国科学技术大学》 2007年
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环境敏感水溶性嵌段共聚物的超分子自组装及其纳米结构的固定

江晓泽  
【摘要】: 全亲水性嵌段共聚物由化学性质不同的两嵌段或多嵌段组成,由于其中的某一嵌段可通过调节外部环境条件如温度、pH值、离子强度等,从亲水性嵌段变为疏水性嵌段,导致全亲水性嵌段聚合物转化为典型的两亲性嵌段共聚物,从而具有环境敏感的胶束化行为。与两亲性嵌段共聚物相比,全亲水性嵌段共聚物具有更大的结构可调性和更丰富的自组装形态,且在疏水内核上其链段的构象会与自由链段的构象变化有很大的差别,这些独特的溶液性质和自组装行为使得它们具有广泛的潜在应用价值。本论文的前部分工作主要是合成出新型的全亲水性嵌段共聚物,研究其在水溶液中不同的胶束形态以及在疏水内核上构象的特殊变化。 但是这种由全亲水性嵌段共聚物组装成的具有核壳结构的球形胶束,在工业应用以及药物释放的过程中面临着结构不稳定的问题,即在一定的条件下,这种胶束的结构会遭到破坏而失去其应有的重要功能。为了保持胶束结构的稳定性,可以利用化学或物理反应通过交联胶束的壳层或内核来固定整个胶束的结构。本论文后半部分的工作主要就是讨论怎样利用包括点击化学、紫外光交联等不同交联方法合成内核为环境敏感性的壳交联胶束。本论文的具体内容包括以下五个方面: 1、利用RAFT聚合方法,合成了结构规整的两亲性二嵌段聚合物PS-b-PNIPAM。通过光散射(LLS)和微量示差扫描量热(Micro-DSC)研究其组装后PNIPAM嵌段在胶束表面形成的聚合物刷,当温度从15到40℃变化时,PNIPAM链在疏水内核表面是一个连续塌缩且有两阶相转变的过程。通过RAFT聚合链延伸的方法,利用芘标记内外PNIPAM链,我们可以清楚地看到由于靠近疏水内核链的密度高,使内层的PNIPAM链在较早的温度下就开始塌缩,当达到其自由链段相转变点时,外层的PNIPAM链才开始塌缩。另外我们还合成了含有PS、PNIPAM、PDMA三嵌段聚合物,也利用芘标记的方法可以得出:对于PS-b-PNIPAM-b-PDMA胶束存在两个明显的相转变过程,第一个是内层的PNIPAM这一个很宽的温度(20-32℃)的塌缩过程,接着是32-50℃下的PNIPAM和PDMA的混合塌缩或聚集过程。但是对于PS-b-PDMA-b-PNIPAM胶束,由于中间亲水嵌段的作用,使PNIPAM的相转变温度提高,且PDMA由于靠近PS内核以及随着外壳PNIPAM的水溶性变差其相转变点降低,因此我们只能看到一个转变过程。 2、通过原子转移自由基聚合(ATRP),我们合成了三种不同PtBMA长度的PEG-b-PtBMA二嵌段聚合物,将叔丁基水解后得到了三种PEG-b-PMAA二嵌段聚合物。在碱性条件下,PMAA以羧基负离子形式溶解于水,当pH在2-3时,则PMAA以羧基形式存在,导致其在水溶液中溶解性变差,且会与PEG嵌段发生氢键作用。我们利用停留光谱仪来研究pH跳跃诱导的氢键复合动力学,可以看到当pH从9跳跃到2后,在开始的几十秒内有一个很快的大聚集体形成过程,而后是一个慢慢平衡过程。我们还制备了PEG-b-PtBMA-b-PDEA三嵌段聚合物,在酸性条件下水解叔丁基,可以得到PEG-b-PMAA-b-PDEA离子型三嵌段,其在水溶液中可以形成三种不同结构的胶束/聚集体。在酸性条件下,受氢键的作用形成PEG/PMAA为核,未络和的PEG和质子化的PDEA为壳的胶束;在中性条件下,受电荷间的静电作用形成PDEA/PMAA为核,水溶的PEG为壳的胶束;在碱性条件下,由于PDEA的去质子化形成以PDEA为核,水溶的PEG和离子化的PMAA为壳的胶束。 3、通过连续加料的方法使用PEG-Br做为大分子引发剂,合成了PEG-b-PGMA-b-PDEA三嵌段聚合物,利用酯化反应改性中间的GMA嵌段得到PEG-b-(PGMA-co-CGMA)-b-PDEA,使其带有5%-50%不同摩尔含量的可紫外光交联的肉桂基团。在碱性条件下,PEG-b-(PGMA_(0.5)-co-CGMA_(0.5)-b-PDEA三嵌段自组装形成以PDEA为核,PGMA-co-CGMA为内壳和PEG为外壳的三层洋葱状胶束。用紫外光辐照10分钟后,即可固定这种内核pH敏感的胶束结构。这种环保、快速、高效的交联方法有望得到工业化的应用。 4、利用ATRP聚合方法,我们合成了PDEA-b-PDMA-b-PNIPAM三嵌段共聚物。在碱性条件下,该三嵌段聚合物自组装形成以PDEA为核、PDMA为内壳和PNIPAM为外壳的三层洋葱状胶束。通过BIEE对中间DMA嵌段的季胺化反应,可以得到结构固定的pH敏感的PDEA内核和温度敏感的PNIPAM外壳的壳交联胶束。通过其对双嘧达莫(DIP)小分子药物的包裹,我们可以有效地通过控制溶液的温度和pH来调控包裹药物的释放。 5、结合活性自由基聚合的方法和点击化学,我们通过合成含有可点击交联的叠氮基团的PDMA-b-(PNIPAM-co-AzPAM)嵌段共聚物,并通过其自组装再交联和直接在良溶剂交联的两种交联方式,利用点击化学反应得到结构固定的内核温度敏感的核交联胶束。也研究了利用端炔基的ATRP引发剂通过ATRP聚合得到alkyn-POEGMA-b-PDMA-b-PDEA三嵌段共聚物,并利用这种聚合物制备出结构固定的表面带有炔基的壳交联胶束。通过与端基为叠氮基团的PNIPAM均聚物的点击化学反应,可以制备出四层水溶的内核pH敏感、最外壳温度敏感的壳交联胶束。另外,还可以使用溴丙炔对ATRP聚合出的PMEO_2MA-b-PDMA-b-PDEA三嵌段的中间PDMA嵌段进行部分季胺化,这样可以利用两端叠氮化的四甘醇来交联由PMEO_2MA-b-PDMA-b-PDEA在不同条件下形成的两种分别以PMEO_2MA或PDEA为核的胶束,从而实现了从同一个聚合物直接在水溶液中得到两种内核不同敏感的壳交联胶束。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:O631;TB383.1

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