开环聚合/阴离子聚合法相结合制备功能性高分子研究

【摘要】：本论文主要包含两部分研究内容：第一部分，研究基于生物相容和生物可降解聚磷酸酯的pH响应性水凝胶的合成、表征和探索它们在药物输送载体方面的应用；第二部分，利用氧阴离子聚合、高真空活性阴离子聚合、开环聚合和“Click”化学反应等方法制备具有各种拓扑结构的多功能性聚合物。作者在攻读博士学位期间，获得国家留学基金委（CSC）公派出国留学基金的资助，于2010年8月至2011年10月期间在美国阿克隆大学（the University of Akron）高分子科学与工程学院、美国工程院院士程正迪教授的科研组学习和工作，主要的学习和研究方向是高真空活性阴离子聚合以及与其它有机合成方法（如“Click”化学反应、氢硅烷化反应（Hydrosilylation）等）相结合，制备和表征新型的不对称形状两亲物（Shapeamphiphile）以及具有明确结构的星形聚合物等。本论文的研究内容分为以下几个方面： （1）结合开环聚合与酯化反应制备两端带有双键的聚磷酸酯大分子交联剂（HEMA-PEOP-Ac），并以丙烯酸为共聚单体，通过普通自由基聚合反应成功合成基于聚磷酸酯的阴离子型水凝胶。利用FT-IR、~(1)H NMR、~(31)P NMR和GPC对聚合物进行结构表征，详细研究水凝胶的溶胀/退胀行为、pH响应性、流变性质和体外细胞毒性，并以牛血清白蛋白作为模型药物，对水凝胶的体外药物释放性能进行探讨。 （2）在上述(1)工作的基础上，进一步利用相同的聚磷酸酯大分子交联剂，与阳离子型单体甲基丙烯酸-N, N-二甲氨基乙酯（DMAEMA）和引发剂过硫酸铵（APS）的水溶液混合在一起，不添加任何加速剂，即可在温和条件下（室温、水相、空气氛围）快速地形成水凝胶。利用旋转流变仪详细研究了溶胶-凝胶转变过程，并进一步考察了影响凝胶化时间的因素，发现可以通过改变反应物配比来调节凝胶化时间。研究水凝胶的溶胀行为、pH响应性、内部多孔结构和体外细胞毒性，并以阿霉素盐酸盐作为模型药物，对这种可注射性水凝胶的体外药物释放性能进行研究。结果表明，这类具有良好细胞相容性、快速形成的可注射水凝胶在药物控释载体方面有潜在的应用。 （3）以Pluronic F127与KH反应形成大分子引发体系K~(+)O~(-)-F127-O~(-)K~(+)，引发甲基丙烯酸-（2,2,3,3,4,4,5,5-八氟）戊酯（OFPMA）聚合，获得两亲性含氟五嵌段共聚物。通过改变引发剂与含氟单体的投料比，在F127两端接上不同聚合度的POFPMA链段。利用FT-IR、~(1)H NMR、~(19)F NMR和GPC对聚合物的结构进行表征。并利用表面张力法、浊度法和TEM研究两亲性含氟五嵌段共聚物的水溶液行为。 （4）结合活性阴离子聚合和“Click”化学反应的优点，成功制备一类具有明确结构和不同功能基团的遥爪型聚苯乙烯，实现以可控方式向高分子链上的确定位置高效引入多种官能团。实验结果表明“Click”化学反应的先后顺序对最终产物没有明显影响。利用FT-IR、1H NMR、13C NMR、MALDI-TOF MS和GPC对所合成的聚合物进行详尽的结构表征。在此基础之上，还利用活性阴离子聚合制备聚合物链两端和链中间分别可以进行功能化修饰的聚苯乙烯，并对其进行表征以确定化学结构。 （5）设计合成两种基于氟化多面体齐聚倍半硅氧烷（FPOSS）、具有不同拓扑结构和化学组成的不对称形状两亲物：（i）利用单羟基七乙烯基多面体齐聚倍半硅氧烷（VPOSS-OH）引发ε-己内酯（ε-CL）开环聚合，随后选用1H,1H,2H,2H-全氟癸基硫醇利用“thiol-ene”“Click”化学反应对POSS进行修饰，在其端头引入七个全氟烷基链，获得聚己内酯均聚物键接的FPOSS（FPOSS-PCL）；（ii）首先利用活性阴离子聚合和氢硅烷化反应相结合制备链段中分别带有-OH和VPOSS的聚苯乙烯前驱体[PS-(VPOSS)-OH]，随后依次通过引发ε-CL开环聚合和“thiol-ene”反应，即可获得聚苯乙烯和聚己内酯链键接的FPOSS [PS-(FPOSS)-PCL]。利用FT-IR、1HNMR、~(13)C NMR、MALDI-TOF MS和GPC对所合成的聚合物进行详尽的结构表征。 （6）利用聚苯乙烯锂活性链（PSLi）与八乙烯基多面体齐聚倍半硅氧烷（OVPOSS）在苯中发生加成反应，一步法制备星形聚合物。与传统方法相比，该方法对反应物的化学计量比和聚苯乙烯链的分子量适用范围很广，而且反应速度非常快，在单根聚苯乙烯链的分子量高达33.6k的情况下，加成反应依然可以在5min之内进行完全。用分级沉淀法除去少量的低分子量加成产物，即可得到纯的八臂星形聚合物（8PS-POSS）。利用FT-IR、~(1)H NMR、~(13)C NMR、~(29)Si NMR、MALDI-TOFMS和GPC对所合成的聚合物进行结构表征。在此基础上，发现聚异戊二烯锂活性链（PILi）同样可以与OVPOSS发生相同的加成反应，由此成功地合成了含有一根PS链和七根PI链的八臂星形聚合物PS-POSS-7PI；以及具有不同链段顺序的八臂星形嵌段共聚物8(PSPI)-POSS和8(PIPS)-POSS。