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基于超支化聚合物及包结络合作用的自组装研究

孙晓毅  
【摘要】:超支化聚合物是一类具有准球形结构的高度支化大分子,在其不规则的分子结构中含有大量内部空穴和末端官能团。由于超支化聚合物独特的拓扑结构和性能特点,它在分子自组装方面的应用引起了众多科研工作者的关注。而在分子自组装的多种驱动力中,主-客体包结络合作用占有重要的地位,环糊精作为第二代主体化合物的代表已经得到了深入的研究。特别是β-环糊精(β-CD)与金刚烷因其包结络合常数高达105,在大分子自组装领域得到了广泛的应用。本课题组在超支化共聚物的理论研究、合成以及自组装等方面已经积累了大量的经验,在此基础上,本文开展了基于超支化聚合物及包结络合作用的自组装研究。将β-CD和金刚烷的包结络合作用引入到亲水或疏水的超支化聚合物体系中,对其在溶液中的自组装行为进行了详细的研究;此外还对超支化聚合物的多级自组装和基于环糊精包结络合作用的有机-无机纳米粒子自组装等方面进行了探索研究。具体研究内容和主要结论概括如下: 1.金刚烷修饰的疏水性超支化聚醚HBPO-AD与β-环糊精的自组装研究; 通过阳离子开环聚合及端基改性的方法合成了金刚烷修饰的疏水性超支化聚[3-乙基-3-(羟甲基)氧杂环丁烷](HBPO-AD)。结合包结络合作用和自组装方法,利用HBPO-AD和β-CD在水溶液中制备了具有较窄粒径分布的聚合物胶束,并发现AD/β-CD不同配比对胶束的尺寸和分布影响不大。~1H NMR和TEM结果表明形成的聚合物胶束以HBPO-AD为核,β-环糊精为壳。通过DLS和SEM等测试手段对聚合物胶束进行了详细表征,发现HBPO-AD/β-CD胶束倾向于紧密堆积形成胶子晶体。该聚合物胶束在热陈化条件下可以进一步在溶液中自组装形成二维片状结构,TEM、SEM和AFM结果表明二维片状结构是通过HBPO-AD/β-CD聚合物胶束粒子的紧密堆积和进一步融合形成的。根据表征结果,提出了HBPO-AD/β-CD胶束以及二维片状结构的组装机理,认为HBPO-AD/β-CD胶束的形成是疏水作用、包结络合作用以及氢键作用的共同结果,当升高温度后,HBPO-AD/β-CD胶束溶解性变差以及热陈化温度高于HBPO-AD的玻璃化转变温度是使胶束相互紧密堆积并进一步融合形成二维片状结构的主要原因。 2.金刚烷改性超支化聚缩水甘油制备温敏性聚合物及自组装研究; 结合金刚烷改性和包结络合作用,利用亲水性的超支化聚缩水甘油(HPG)制备了一种最低临界溶解温度(LSCT)可调控的温敏性聚合物,并研究了其自组装行为。首先通过1-金刚烷酰氯和HPG的酯化反应合成了一系列不同接枝率的金刚烷改性的超支化聚缩水甘油(HPG-AD),发现HPG-ADs的T_g随着聚合物中金刚烷基团(AD)重量百分含量的增加而线性增加。HPG-AD在水溶液中具有明显的温度响应性,其LSCT对浓度有依赖性,随着聚合物浓度的降低,LCST逐渐升高。结合DLS、变温~1H NMR和TEM等测试手段对HPG-AD的温度响应性和自组装行为进行了详细研究,发现它在水溶液以多胶束聚集(MMA)机理组装形成大的多分子胶束,其LCST转变是由于HPG-AD的亲水疏水平衡被改变,随着温度的升高其疏水性增加导致胶束发生二次聚集形成更大的聚集体的过程。HPG-AD的温敏性还与金刚烷的接枝率有关,在一定AD接枝率范围即亲水疏水平衡范围内,才能够表现出明显的LCST。利用β-CD和金刚烷的包结络合作用可以调控HPG-AD的LCST,通过改变β-CD/AD摩尔比可以调节HPG-AD的LCST在一个很宽的温度范围内变化。采用MTT法对金刚烷改性后聚合物的细胞毒性进行了评价,发现金刚烷基团的引入使HPG的细胞毒性大大增加,但当加入β-CD后,其细胞毒性又可相应地被抑制。 3. HPG-g-PDMAEMA的合成、自组装及药物释放研究; 通过阳离子开环聚合和原子转移自由基聚合成功地合成了低接枝率的双亲水性超支化接枝共聚物HPG-g-PDMAEMA。~1H NMR以及GPC结果表明平均每个超支化HPG核上接枝了3条聚甲基丙烯酸-2-(N,N-二甲氨基)乙酯(PDMAEMA)臂,平均臂长27。通过芘荧光探针法、~1HNMR、DLS和TEM等对HPG-g-PDMAEMA的自组装行为进行了详细表征,发现不同于普通pH敏感的线形双亲水性嵌段共聚物,低接枝率的HPG-g-PDMAEMA共聚物在酸性、中性和碱性条件下都能形成胶束。Zeta电位测试表明HPG-g-PDMAEMA形成的胶束中PDMAEMA处在胶束的外表面。以香豆素102为模型药物进一步研究了HPG-g-PDMAEMA胶束在不同pH条件下的药物释放行为,发现溶液pH值在11.5和2.5连续循环改变的条件下该胶束对药物能实现部分“可逆”的释放和包载,可逆程度和溶液的pH值以及药物释放的循环次数有关。由于HPG和PDMAEMA具有较好的生物相容性,预计这类双亲水性超支化接枝共聚物在医药及生物工程领域具有一定的应用价值。 4.平头状HBPO-star-PEO的多级自组装研究; 通过阳离子开环聚合的方法合成了平头状的两亲性超支化多臂共聚物HBPO-star-PEO。该聚合物能够在水中自组装形成宏观的二维囊泡膜,单个囊泡的直径可达200μm左右。通过光学显微镜实时观察,发现囊泡膜的形成是一个多级自组装过程,在连续的水合作用下,平头状HBPO-star-PEO先聚集形成小囊泡,这些囊泡经过连续生长融合过程形成巨大的囊泡膜。此外,平头状HBPO-star-PEO和HBPO-star-PDMAEMA复合自组装也能形成二维囊泡膜,随着溶剂的缓慢挥发,可以进一步形成微米管。通过光学显微镜,激光共聚焦显微镜,SEM和TEM对微米管的形貌和形成过程进行了详细的表征,发现这些微米管的直径为2μm左右,长度可达毫米级别。根据光学显微镜实时观察结果提出了由二维囊泡膜到微米管转变的形成机理:大囊泡边界的小囊泡首先发生融合形成纤维结构;而随着溶剂挥发HBPO-star-PEO和HBPO-star-PDMAEMA发生微相分离,在大囊泡表面产生很多新的小囊泡,这些小囊泡进一步以大囊泡边界生成的纤维结构为模板,在大囊泡表面有序的取向并融合,逐渐形成线形排列的微米管结构。 5.金刚烷修饰的六面体倍半硅氧烷与β-环糊精及其衍生物的自组装研究; 通过1-金刚烷酰氯与单官能度氨丙基异丁基六面体倍半硅氧烷(POSS)反应合成了金刚烷修饰的六面体倍半硅氧烷(POSS-AD),并研究了它与β-CD、羟丙基-β-环糊精(HP-β-CD)以及水溶性β-环糊精环氧氯丙烷交联聚合物(β-CDEP)在甲苯-水体系中的自组装行为。借助于金刚烷基团与环糊精的包结络合作用,POSS-AD能诱导β-CD在油水两相界面聚集形成组装体薄膜。FT-IR和NMR等表征结果显示组装体薄膜的主要成分是β-CD和甲苯的包结物,据此提出了POSS-AD诱导β-CD在油水界面形成薄膜的自组装机理:POSS-AD和β-CD先在油水两相界面发生包结络合形成单层复合膜,由于β-CD之间有很强的氢键作用,两相界面形成的单层膜可以进一步诱导β-CD和β-CD/甲苯包结物层-层组装形成多层的组装体膜。此外,在超声作用下,POSS-AD与HP-β-CD能在水相中形成胶束,而同样条件下POSS-AD和β-CDEP在水相中却能得到囊泡结构,通过TEM、SEM和~1H NMR对这两种结构进行了初步的研究,认为POSS-AD/β-CDEP体系能稳定更多的甲苯是囊泡结构形成的原因。


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