環(huán)境響應性聚合物超分子組裝體的構筑和結構調控.pdf

1、通過非共價鍵相互作用而自發(fā)進行的小分子以及大分子的超分子自組裝對材料科學、生命科學、信息科學以及納米科學與技術等眾多的科學領域的發(fā)展都產(chǎn)生了重大的影響，已經(jīng)成為21世紀最重要的科學問題之一。本論文，主要集中在環(huán)境響應性超分子聚合物組裝體的構筑和結構調控。在論文的前半部分，基于環(huán)境敏感水溶性高分子設計合成了一系列具有不同結構的兩親和全親水性嵌段聚合物。在水溶液中，研究了聚合物鏈構造以及不同的條件對超分子組裝體的影響，另外，對AB兩嵌段在可

2、控催化和可視化靶向治療上的應用進行了初步的探索。論文的后半部分，主要基于冠醚和環(huán)糊精的主客體相互作用以及三聯(lián)吡啶的金屬配體絡合作用構筑了不同結構的環(huán)境響應性高分子，并且在不同的條件下研究了它們的組裝行為以及可逆超分子凝膠的形成。具體來說，本論文的工作包括以下幾個方面： 1.通過可逆加成-斷裂鏈轉移/黃酸鹽交換的大分子設計技術在可控條件下成功制備了全親水性兩嵌段聚合物聚(N-異丙基丙烯酰胺)-b-聚(N-乙烯基咪唑)。這也是首次得

3、到基于PVim的嵌段聚合物。PVim是常用的酯水解反應的催化劑。含咪唑基團的嵌段聚合物，PNIPAM-b-PVim，在低溫下可以分子溶解于水。但是在高于嵌段聚合物最低臨界溶解溫度下或者適當?shù)募状?水混合溶液中，PNIAPM嵌段變得不溶于水，嵌段聚合物形成以PNIPAM為核PVim為殼的膠束。在不同的溫度以及不同比例甲醇/水的混合溶劑中，PNIPAM-b-PVim以及相應的PVim均聚物對乙酸對硝基苯酚酯水解的催化活性進行了比較。在Arr

4、henius坐標中，對均聚物來說，log(V)～T1(V為催化反應速率)呈直線關系；然而對含咪唑基團的嵌段聚合物來說，在溫度高于PNIPAM嵌段的臨界膠束化溫度，嵌段聚合物發(fā)生膠束化，催化反應的log(V)～T1曲線的曲率增加。在不同比例甲醇/水的混合溶劑中，PVim均聚物催化反應的速率保持恒定。然而對于嵌段聚合物PNIPAM-b-PVim，催化活性在甲醇體積分數(shù)為0.3-0.5的范圍內，催化反應的速率有明顯提高，表現(xiàn)出了最大值。我們第

5、一次觀察了全親水性嵌段聚合物膠束作為自催化的納米反應器，更重要的是，催化反應的活性可以通過外界溫度和溶劑成分來調控。然后，結合原子轉移自由基聚合物、開環(huán)聚合、click反應成功地合成了生物相容的兩親性嵌段聚合物聚(ε-己內酯)-b-聚(寡聚環(huán)氧乙烷甲基丙烯酸酯-co-疊氮丙基甲基丙烯酸酯)。通過點擊化學反應，將含炔基的具有腫瘤靶向功能的葉酸以及含炔基的MRI增強對比劑Gd分別接到聚合物鏈上制備得到PCL-b-P以及PCL-b-P。在水溶

6、液中，通過自組裝的方法制備了同時含有腫瘤靶向分子葉酸以及MRI增強對比試劑Gd的PCL-b-P和PCL-b-P混合膠束。在初步的大白兔的體內MRI增強對比實驗中，以混合膠束作為增強對比劑，對肝臟顯示了良好的對比增強效果；同時混合膠束對疏水性抗癌藥物紫杉醇的負載能力和釋放情況與具有類似組成的的聚合物PCL-b-POEGMA相似。這些都表明我們得到的多功能化生物相容的混合膠束在腫瘤靶向以及可視化治療上有著很大潛在應用價值。 2.基于

7、第二代或者第三代Fréchet型樹枝形聚合物聚芐基醚，設計制備了RAFT試劑，以此進行NIPAM的RAFT聚合，分別制備了樹枝形/線性兩親性兩嵌段共聚物。在水溶液中，兩親性嵌段聚合物可以自組裝形成含有疏水的致密聚芐基醚核和親水的具有溫度敏感性的PNIPAM殼的膠束。研究證明了膠束殼上的PNIPAM隨著溫度的升高呈二階塌縮行為。第一個階段的塌縮發(fā)生在20-29℃的溫度范圍內，第二個階段的塌縮發(fā)生在29-31℃很窄的溫度范圍內。然后，基于合

8、成了結構新穎的兩端分別含有的三硫代碳酸酯，以此為RAFT試劑，RAFT聚得到了兩端含有的樹枝形/線性/樹枝形三嵌段聚合物。同樣地，在水溶液中，該三嵌段聚合物也可以自組裝形成以[G-3]為核，溫敏的PNIPAM為殼的球形膠束。 3.對于星形聚合物的合成，基于四官能團PNIPAM大分子ATRP引發(fā)劑引發(fā)聚合N，N-二乙基胺乙基甲基丙烯酸酯得到了AB4型雜臂星形聚合物，為了比較聚合物鏈結構對其膠束化行為的影響，與以上聚合物具有可比的鏈

9、長度和組成的線性兩嵌段聚合物，PNIPAM-b-PDEA通過RAFT聚合得到。在水溶液中表現(xiàn)出了pH和溫度響應多重膠束化行為。在酸性溶液中和較高的溫度下，得到了以PNIPAM為核，PDEA為殼的膠束；在堿性以及室溫下，可以得到以PDEA為核的膠束。以上兩個嵌段聚合物在pH值從4躍遷到10的過程中的膠束化動力學，它們的膠束化動力學曲線都可以通過二次擬合得到一個快的和一個慢的弛豫過程。對兩個聚合物來說，得到的τ1值都隨著聚合物濃度的增加而增

10、加。表明慢過程主要通過單分子鏈的插入/解離機理完成的；由PNIPAM70-b-PDEA260得到的τ2隨聚合物濃度增加而降低，表明慢過程主要通過膠束融合/分裂機理完成的。基于相似的方法，我們合成了H-型A2BA2以及星形/線性/星形A4BA4雜臂星形聚合物，觀察了它們在水溶液中的多重響應性自組裝行為。然后，通過ATRP使用“in-out”方法合成了以聚(二乙烯基苯)微凝膠核為交聯(lián)點，以聚甲基丙烯酸和聚環(huán)氧乙烷的為臂的全親水性雜臂星形聚合

11、物。所得全親水性雜臂星形聚合物表現(xiàn)出了pH依賴的水溶性。在高pH值下，在水中可溶；在低pH值下，由于PEO和PMAA的氫鍵絡合作用，該星形聚合物不溶于水。然而，隨著兩嵌段聚合物PEO113-b-PQDMA48的加入，混合溶液在整個pH值范圍內穩(wěn)定存在。在高pH值下，PQDMA嵌段和離子化的PMAA形成不溶性的靜電絡合物，此時的膠體粒子是由(PEO)n-PDVB-(PMAA)n和PEO113-b-PQDMA48上的PEO鏈段穩(wěn)定的。在低p

12、H值下，質子化的PMAA和PEO之間形成氫鍵絡合物，此時形成的穩(wěn)定的膠體粒子含有疏水的PDVB核，內層PMAA/PEO氫鍵絡合物以及起穩(wěn)定作用的PQDMA外殼。 4.以含有炔基的ATRP引發(fā)劑進行ATRP聚合以及親核取代反應得到了α-炔，ω-疊氮且在水溶液中溫度敏感的兩嵌段聚合物linear-PMEO2MA-b-POEGMA-N3。首先，通過在相同的聚合條件下，以2-溴異丁酸芐酯為ATRP引發(fā)劑進行ATRP聚合以及與疊氮化鈉親核

13、取代反應后與1-(2-炔丙基氧基)苯進行click反應，通過1H NMR譜圖，證明了linear-PMEO2MA-b-POEGMA-N3含有較高的端基疊氮官能化率。在40℃水中時，linear-PMEO2MA-b-POEGMA-N3超分子自組裝成膠束，炔基和疊氮會分別置于膠束的表面和內核，而同時體系中存在濃度極低的單鏈分子，通過click反應成功實現(xiàn)了在較高濃度下進行線型前體聚合物的分子內關環(huán)反應，同時抑制前體分子間的偶合反應，從而達到

14、了在高濃度下制備環(huán)型嵌段聚合物的目的。另外，環(huán)形嵌段聚合物在水溶液中自組裝所得的膠束與其對應的線性聚合物前體相比較有很大的不同，有著更高的臨界膠束化濃度，較小的流體力學半徑以及較低的平均聚集數(shù)。 5.結合ROP和click反應，制備出結構明確的端基二苯并24-冠-8官能化的四臂星形PCL以及兩端二芐胺離子官能化的PCL。基于這些結構清晰的高分子前體并利用它們鏈端的冠醚基團和胺基之間的準輪烷連接作用，在非極性溶劑中較高的濃度下，環(huán)

15、境響應性的超分子凝膠被成功構建。這些超分子凝膠表現(xiàn)出完全可逆的溫度和pH響應的凝膠-溶液相變行為。然后，通過ATRP以及click化學反應制備了端基DB24C8功能化的聚苯乙烯，結合以上的2-arm PCL-DBAS，通過DB24C8和DBAS之間的主客體相互作用在非極性溶劑中構筑了超分子ABA三嵌段聚合物。通過改變PCL鏈的長度可以得到具有不同絡合常數(shù)的三嵌段聚合物，基本的規(guī)律是隨著PCL鏈的不斷增長，空間位阻增大導致超分子自組裝得到

16、三嵌段超分子聚合物的絡合常數(shù)逐漸降低。另外，所得到的超分子ABA三嵌段在選擇性溶劑中可以自組裝得到以PCL為核，PS為殼的核殼結構超分子膠束。膠束的核和殼之間通過冠醚和銨離子的主客體相互作用連接。 6.通過以含金剛烷基團的ATRP引發(fā)劑引發(fā)聚合NIPAM，再通過端基疊氮化以及與大大過量的含三炔基團的小分子點擊化學反應后，得到端基雙炔官能化的AD-PNIPAM-2。再與單疊氮基團官能化的β-環(huán)糊精進行點擊化學反應成功制備了一端含一

17、個AD和另一端兩β-CD的聚合物，AD-PNIPAM-(β-CD)2。在水溶液中，相對較高的濃度下，該AB2型聚合物可以形成高分子量的超分子高分子超支化聚合物在，這可以通過二維NOESY譜圖和粘度測試得到證明。 7.通過RAFT聚合以基于PMEO2MA的大分子RAFT試劑，成功合成了其中一個嵌段含三聯(lián)吡啶基團的全親水性兩嵌段聚合物PMEO2MA-b-P。在合適的條件下，該嵌段聚合物可以通過自交聯(lián)得到金屬絡合超分子核交聯(lián)膠束。該C

18、CL膠束的內核在水溶液中表現(xiàn)出了pH值敏感性，外殼表現(xiàn)出了溫度敏感性，并且隨著與Ru2+有著更高絡合常數(shù)的配體羥乙基乙二胺三乙酸(HEEDTA)的加入，膠束可以成功解離得到單分子的嵌段聚合物。然后，基于兩端三聯(lián)吡啶功能化的PPO-PEO-PPO(tpy-PPO-PEO-PPO-tpy，PPO為聚環(huán)氧丙烷)，分別在較高(1g/mL)和較低(0.46 mg/mL)的絡合反應濃度下，通過三聯(lián)吡啶和Ru2+的金屬配體絡合作用構筑了金屬超分子多嵌