（材料学专业论文）双亲性多糖的合成及其自组装和修饰纳米微粒的行为的研究.pdf

摘要 本文以胆固醇为疏水基团对亲水性多糖进行疏水改性，合成具有双亲性的 聚合物。研究其在水溶液中的自组装行为以及对聚乳酸纳米粒子的表面修饰 作用。 利用胆固醇丁二酸酯的酰氯化产物与葡聚糖分子结构中的羟基反应，制备 出胆围醇一葡聚糖双亲性偶联物。红外光谱与核磁共振谱图表明，通过控制反 应条件可以制各出不同取代度的偶联物。利用透析法可制备双亲性偶联物在水 中的自组装胶束，荧光光谱、粘度测试结果表明随着取代度的增加，偶联物临 界聚集浓度降低。透射电子显微镜和动态光散射照的结果显示胶束呈球状，粒 径主要分布在1 0 0 3 0 0 n m 之间。 利用高碘酸钠氧化胆圊醇葡聚糖偶联物改变其主链结构。荧光光谱、粘 度测试、透射电子显微镜和动态光散射结果共同说明随着氧化度的上升胶束 的临界聚集浓度降低。 在水溶性的碳二亚胺的催化下，台成胆固醇壳聚糖偶联物。核磁共振谱 图说明胆固醇通过酯链偶联于壳聚糖分子主链，取代度为4 6 3 1 0 0 u g l ( 糖单 元) 。分析荧光光谱和粘度测试结果，冷冻干燥过程导致偶联物临界聚集浓度降 低、平均粒径上升。 在以上研究的基础上，本文又研究了双亲性聚合物对聚乳酸纳米微球的表 面修饰作用。分析x 射线光电子能谱与z e t a 电位结果，微球表面的胆固醇 壳聚糖偶联物含量与其在外水相中的浓度成正比，但含量较低。透射电子硅微 镜结果与动态光散射结果表明，聚乳酸纳米微球的粒径基本随胆固醇壳聚糖 偶联物在外水相含量的增加而减小，但偶联物在外水相中的自组装结构也列粒 径有定影响；以纳米共沉淀方法制各的经胆固醇葡聚糖偶联物修饰的聚乳 酸纳米微粒具有比较明显的核壳结构，其粒径分布随着偶联物浓度的下降、聚 乳酸浓度的上升而增大。 关键字：胆圃醇；多糖；双亲性聚合物；自组装：胶柬；表面修饰 p o l y s a c c h a r i d e sw e r eh y d r o p h o b i c a l l y m o d i f i e db yc h o l e s t e r 0 1 i t ss e l t - a s s e m b l e b e h a v i o ri na q u e o u ss o l u t i o na n di t ss u r f a c em o d i f i c a t i o no fp l an a n o p a r t i c l e sw e r e s t u d i e d a m p h i p h i l i ep o l y m e rc o m p o s e do fd e x 口a na n dc h o l e s t e r o lw a ss y n t h e s i z e db yr e a c t i n g o fc h o l e s t e r o ls u c c i n i ca c y lc h l o r i n ew i t ht h eh y d r o c y lg r o u p so nd e x t r a nm a i n c h a i nt h e r e s u l t a n t sw e r ec h a r a e t e r i z e d b yf t - i ra n d 。hn m r t h er e s u l t ss h o wt h a t d e x t r a n c h o l e s t e r o lc o n j u g a t e 州t hd i f f e r e n td e g r e eo fs u b s t i t u t ec a i lb eo b m i n e d t h eh j g h c r t h ed e g r e eo fs u b s t i t u t e ，t h el o w e rt h ec r i t i c a la g g r e g a t ec o n c e n t r a t i o nx , v & sc o m f l r m e db y t h e r e s u l t so ff l u o r e s c e n c es p e c l r u ma n dv i s c o s i t ym e a s u r e m e n t t e ma n dp c sr e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h a tt h ea g g r e g a t e sw e r es p h e r i c a la n dt h ed i a m e t e rw a sm a i n l yw i t h i n 10 0 一3 0 0 n m d e x t r a nw a so x i d a t e db ys o d i u mp e r i o d a t et oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fm a i n c h a i n s t r u c t u r eo nt h es e l f - a g g r e g a t e ，a n dt h eh i g h e rt h ed e g r e eo fo x i d a t i o n ，t h el o w e rt h ec r i t i c a l a g g r e g a t ec o n c e n t r a t i o ni n v e s t i g a t e db yf l u o r e s c e n c es p e c t r u ma n dv i s c o s i 粤m e a s u r e m e n t t h er e s u i t so f t e ma n dp c ss h o wt h ed e c r e a s ei nd i a m e t e ro f a g g r e g a t e s t h ec h i t o s a nw a sh y d r o p h o b i c a l l ym o d i f i e db yc h o l e s t e r o l s u c c i n i s e s t e r , u s i n g h y d r o p h i l i ce d c t h er e s u l t so f hn m r s h o wt h a tc h o l e s t e r o lc o r l i u g a t ew i t hm a i n c h a i n o fc h i t o s a na n dt h ed e g r e eo fs u b s t i t u t ew a s4 6 3 10 0u 9 1 t h ei n f l u e n c eo fd i f i e r e n t p r e p a r a t i o nm e t h o d so l lt h es e l f - a g g r e g a t ew a sm e a s u r e db yf l u o r e s c e n c es p e c t r u ma n d v i s c o s i t ym e a s u r e m e n t i ti sc o n f i r m e dt h a tf r o z e n d r y i n gp r o c e s sw o u l dl o w e rt h ec r i t i c a l a g g r e g a t ec o n c e n t r a t i o no f r e s u l t a n t sa n di n c r e a s et h ea v e r a g ed i a m e t e ro f a g g r e g a t e s b a s e do nt h ea b o v ei n v e s t i g a t i o n t h ef u n o t i o no f s u r f a c em o d i f i c a t i o nw i t ha m p h i p h i l i c p o l y m e rw a sa l s os t u d i e d t h er e s u l t so fx p sa n dz e mp o t e n t i a ls h o wt h a tt h ec o n t e n to l c h o l e s t e r o lm o d i f i e dc h i t o s a no nt h es u r f a c eo fp l an a r l o s p h e r e si sd i r e c tp r o p o r t i o nt ot h e c o n c e n t r a t i o no fc h o l e s t e r o lm o d i f i e dc h i t o s a ni ut h ew a t e r , t h o u 曲t h ec o n t e n ti sj o w e rt h a n p r e v i o u se x p e c t a t i o n a ss h o w nb yt e ma n dp c sr e s u l t s ，d i a m e t e ro fp l an a n o p a r t i c a l e s w i t hs u r f a c em o d i f i c a t i o no fc h o l e s t e m jm o d i f i e dc h i t o s a ni n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s eo f c h o l e s t e r o lm o d i f i e dc h i t o s a ni nt h ew a t e r t h es t r u c t u r eo fs e l f - a g g r e g a t eo fa m p h i p h i l i c p o l y m e ri nw a t e rw o u l di n f i u e n c et h ee f f e c to fs u r f a c em o d i f i c a t i o no fp l an a n o p a r t i c l e s p l an a n o p a r t i c l e ss i l i - f a c em o d i f i e db yc h o t e s t e r o lm o d i f i e dd e x t r a nh a v eo b v i o u sc o r e 。s h e l l s t r u c t u r ew i t hn a n o p r e c i p i t a t i o nm e t h o d ，a sp r o v e db yt e ma n dp c s t h ed i a m e t e ro fp l a n a n o p a r t i c l e ss u r f a c em o d i f i e db yc h o l e s t e r 0 1m o d i f i e dd e x t r a n i n c r e a s e sa s t h e c o n c e n t r a t i o no fc b o l e s t e r o lm o d i f i e dd e x t m nd e c r e a s ea n dt h ec o n c e n t r a t i o no fp i 。a i n c r e a s e k e yw o r d s ：c h o l e s t e r o l ；p o l y s a c c h a r i d e ；a m p h i p h i l i cp o l y m e r ；s e l f - a g g r e g a t e m i c e l l e ；s u r f a c e - m o d i f i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞走茔或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者始夕子盔、签字嘲勋一j 年，月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：苤茎盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨蓥盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：土。叮年月7f - 聊妊唐 芗，歹k 签字日期：，：。r 年，月7 同 、氢 ) 一 第一章绪论 1 1 双亲性聚合物 1 1 1 简介 第一章绪论 双亲性嵌段聚合物( a m p h i p h i l i cb 1 0 c kp o l y m e r ，a b p ) ，是指在同一大分子 中即含有亲水链段又含有憎水链段的聚合物”3 。1 9 5 1 年，c e r e s a 合成了双亲性 嵌段聚合物聚环氧乙烷聚环氧丙烷嵌段聚合物。3 ，结构如下： c h 3 h ( o c h 2 c h2 ) 。( o c h c h 2 ) b ( o c h 2 c h 2 ) c h 亲水链段憎水链段亲水链段 将其应用于表面活性剂工业以后，世界上很多国家开始了双亲性聚合物的 研究工作。双亲性聚合物从分子结构形态来分，可分为3 类：双嵌段型、三嵌 段型和无规嵌段型”1 。 由于a b p 分子中同时含有亲水链段和憎水链段，与普通聚合物相比，有许 多特殊的性质，如表面活性、增溶性、增稠性等，这使其在乳液聚合、石油i 次开采、医用高分子材料等方面有着广泛的应用。因此a b p 的合成引起了人们 的普遍关注。 1 1 2 双亲- 睦聚合物的合成 由于亲水单体和憎水单体极性差别很大，两者不能互溶，因此双亲性聚合 物难以用普通方法合成。迄今为止，文献报道的合成方法有以下几种。 ( 1 ) 共溶剂法： 此种方法是选择一种共溶剂或混合溶剂，使互不相容的单体或均聚物能够 溶于同一种介质中发生聚合反应。1 9 7 7 年，r i e s s 及其合作者合成了苯乙烯和 环氧乙烷的嵌段聚合物“1 ，并研究了这些表面活性材料的溶解性，他们选用 t h f ( 四氢呋喃) 作为共溶剂，利用阴离子聚合先合成了聚苯乙烯嵌段，然后加入 环氧乙烷，通过大分子活性端引发聚合，最后合成了具有双亲性的聚合物具体 合成步骤如下： 第一章绪论 c h 3c 瞰 一k 苟兮 母唾 c h 3 6 c h 3 由于阴离子聚合反应条件苛刻，共溶剂或混合溶剂选择比较困难，而n 生 成的聚合物在未达到所需相对分子质量就可能沉淀下来，故这种方法的应用范 围比较小。 1 9 8 9 年，m a ) 【e t l 等人合成了聚甲基丙烯酸甲酯一嵌段一聚甲基丙烯酸2 ( 二甲基溴乙基) 氨基乙酯( p m 姒一- b p d m ) 5 ： h 3 o c h 3 h _ e 午一c h ： 的 c h 2 - 甜 c o o c h 3 c o o c h 2 c h 2 n ( c h 3 ) 2 c 2 l 5 b r 他们首先以h s c h 。c 0 0 h 为链转移剂合成了以羧基终止的p m 姒一c 0 0 l ： c h ， c h 3 i 。h s c h ，c o o hr _i ， c h 2 - c = 煮，h o o c c h 2 s - t c h 2 一年# h ia i b n l 1 _ j “ c o o c h 3 c o o c h 3 然后再以h s c h 。c h 如h 为转移剂，利用自由基聚合合成了p d m o h ： c h 3c h 3 c ，t 一；一h s c a h ；2 b c n h 2 0 hi -hoch2ch2s-c o c h 2 c h h ：一c hc 琏一j a i b n 午h 2 一c h c o o c h 2 c h 2 飞i ( c h 3 ) 2 c 2 h 5 b r c o o c h 2 c h 2 一( c h3 ) 2 c 2 h 5 b r 最后这两个预聚物溶于t h f 中，以t h f 为共溶剂，在1 ，3 一二环己基碳化 二亚胺( d c c ) 存在下缩合成双亲性聚合物。这神使用两种预聚物缩合成双亲性聚 合物的方法比阴离子聚合法反应条件要简单的多，应用范围也广一些。 母 z 讲 卜 产一删占 融眺 兮 菩f 第一蕈绪论 ( 2 ) 胶束聚合法 6 - 7 将油溶性单体包溶在由乳化剂形成的胶束中，分散在水溶性单体的连续相 里，由在连续相生成的水溶挂单体的聚合物自由基的活性端基伸入胶束中，引 发胶柬中的油溶性单体的聚合，而且胶束中聚合物活性自由基也可能会伸入到 连续相中引发水溶性单体聚合，而合成了双亲性聚合物。a l a i nh i 】j 等人以 s d s ( 十二烷基磺酸钠) 为乳化剂，以过硫酸钾为引发剂，在水溶液中引发苯乙烯 和丙烯酰胺共聚，合成了无规嵌段型的双亲性聚合物，见图】一l 。这种聚合方 法的共聚效率低，需要消耗大量乳化剂、而且在聚合过程中会有大量均聚物产 牛。 c 弭爝蘸矗 油溶性单体：一寰面活性删；* 呼i 显燕 图1 - 1胶柬聚合发反映示意图 ( 3 ) 超声波法 超生波能使水溶性单体和憎水性单体问形成乳液，并能打断各均聚物的高 分子链，生成聚合物自由基，达到共聚目的。但这种方法很难控制嵌段长度和 嵌段比，也难得到高相对分子质量的共聚物，随机性很强。故目前使用较少。， ( 4 ) 自由基界面聚合法”1 圆i f 1 , 3 1 界面固羿谢圈四黼删黝幽 d ) 崇木部分憎水豁分 兰 双亲双官健司目l 盎荆分子自由薹 r c ) 一 增长薛商分子鼍 ( a ) 双亲性双官能团引发剂分 子排，在油水相接面上 ( b ) 一定条件f 取亲性取官能 团引发剂分子产生自由基 ( c ) 产生的自由基在各自相内 引发反应 图1 - 2 自由基界面反应法示意图 此方法采用了一种结构类似表面活性剂的新型弓i 发剂排列在亲水单体和亲 油单体的界面上，在一定条件下使其在两相中分别产生自由基，引发亲水单体 第一章绪论 和亲油单体在各自相中均聚，从而生成二嵌段的双亲性聚合物。其聚合原理示 意图卜2 。这种合成方法工艺简单，易于操作有利于工业化生产，但它也存 在着引发剂不易合成等缺点。 1 1 3 双亲性聚合物的应用 ( 】) 作为乳液聚合的乳化剂 目前，乳液聚合已成为高分子科学和技术的重要领域，是合成高聚物的熏 要方法之一。在乳液聚合中，乳胶粒的稳定性、数目、大小与聚合速度、最终 产物的相对分子质量有直接的关系，因此乳胶粒的稳定性研究十分重要。双亲 性聚合物可以作为乳化剂用于乳液聚合，以产生稳定的乳胶粒，这种大分子乳 化剂排列在乳胶粒周围，它的亲水部分围绕着乳胶粒，亲油部分则伸入n s l 胶 粒内部。由于聚合物相对分子质量要l l d , 分子大许多，而且立体性强，力学稳 定性好，所以和小分子乳化荆相比，不仅性能优良，而且用量少，价格也便宜。 对于一种特定的乳液聚合，作为乳化剂的双亲性聚合物的性能查于坏，与它的化 学结构、相对分子质量以及分子中的亲水部分与憎水部分的比例有很大关系。 ( 2 ) 双亲性聚合物在石油三次开采中的应用 油田经过两次开采以后，采收率一般为2 5 一4 0 ，到二次采油不能有效 进行时，再采用注水以外的新技术进行开采，这就是三次采油，也叫强化采油 ( e n h a n c e d0 i1r e c o v e r y ) 。根据国内外生产和科研实践，已经工业化或最有希 望工业化的是聚合物驱油，即在注入水中加入一定浓度的水溶性商分子，增加 水的粘度，改善流度比，扩大波及系数，以提高采收率。9 1 。用于聚合物驱油增 稠的水溶性高分子，主要有聚丙烯酰胺( p a m ) 、部分水解的聚丙烯酰胶( h p a m ) 、 羟乙基纤维素等。这些增稠剂在实践应用中有许多缺点和不足。酋先，对较经 济的高相对分子质量的p a m 来说，其溶解困难，并且在剪切和拉伸条件下，易 发生降解，而h p a m 对盐的存在非常敏感，尤其在二价或多价金属离子存在下易 发生相分离。再者，到了三次采油阶段油层较深，油井内温度较高而p a m 在较高温度下( 大于7 0 ) 易水解，水解后在矿化度较高的油层中，常伴有相分 离产生而导致失粘；纤维素等高分子在高温时生物降解非常严重。基于上述原 因，耐温耐盐水溶性高分子的研究与开发成为各国油田工作者竟相致力研究的 课题。 目前为止，耐温耐盐性较好的聚合物是水溶性的双亲性聚合物，当双亲性 聚合物溶于水时憎水部分为了最低限度地和水接触，将缔合在一起。因此， 聚合物的表观相对分子质量也将随缔合而增加，表现出溶液的表观粘度随之增 大“”1 “。相同相对分子质量相同浓度的聚合物溶液的粘度，随着憎水基增加而 第一章绪论 和亲油单体在各自相中均聚从而生成二嵌段的双亲性聚合物。其聚合原理示 意图l 一2 。这种合成方法工艺简单，易于操作有利于工、i p 化生产，但它也存 在着引发剂不易合成等缺点。 11 3 双亲性聚合物的应用 ( 1 ) 作为乳液聚合的乳化剂 目前，乳液聚合己成为高分子科学和技术的重要领域，是合成高聚物的熏 要方法之一。在乳液聚合中，乳胶粒的稳定性、数目、大小与聚合速度、蜃终 产物的相对分子质量有直接的关系，因此乳胶粒的稳定性研究十分重要。双亲 性聚合物可出作为乳化剂用于乳液聚合，以产生稳定的乳胶精，这种大分子乳 化剂排列在乳胶粒周围，它的亲水部分围绕着乳胶粒，亲油部分则仲入到乳胶 粒内部。由于聚合物相对分子质量要比小分子大许多而且立体性强，力学稳 定性好，所以和小分子乳化剂相比，不仅性能优良而且用量少，价格也便寅。 对于一种特定的乳液聚合，作为乳化剂的双亲性聚合物的性能好坏，与它的化 学结构、相对分子质量以及分子中的亲水部分与憎水部分的比例有很大关系。 ( 2 ) 双亲性聚合物在石油三次开采中的应用 油田经过两次开采以后，采收率一般为2 5 一4 0 ，到二次采油不能有效 进行时，再采用注水以外的新技术进行开采，这就是三次采油，也叫强化采油 ( e n h a n c e d0 i lr e c o v e r y ) 。根据蓬| 内外生产和科研实践，已绎工业化或最有希 望工业化的是聚合物驱油，即在注入水中加入一定浓度的水溶性商分子，增加 水的粘度，改善流度比，扩大波及系数，以提高采收率。用于聚合物驱油增 稠的水溶性高分子，主要有聚丙烯酰胺( p a m ) 、部分水解的聚丙烯酰胺( h p a m ) 、 羟乙基纤维素等。这些增稠剂在实践应用中有许多缺点和不足。首先，对较经 济的高相对分子质量的p a m 来说。其溶解困难，并h 存剪叻和拉伸条件下，易 发生降解，而h p a m 对盐的存在非常敏感，尤其在二价或多价金属离子存在下易 发生相分离。再者，到了三次采油阶段油屡较椿，油井内温度较商而j ，a m 在较高温度f ( 大于7 0 。c ) 易水解水解后在矿化度较高的油层中，常伴有相分 离产生而导致失粘：纤维素等高分子在高温时生物降解非常严重。基 上述原 因，耐温耐盐水溶性高分子的研究与开发成为各国油田工作者竟相致力研究的 课题。 目前为止，耐温耐盐性较好的聚合物是水溶性的般亲性聚合物，当双亲性 聚合物溶于水时憎水部分为了最低限度地和水接触，将缔合在一起。因此， 聚合物的表观相对分子质量也将随缔合而增加，表现出溶液的表观粘度随之增 大“”1 。相同相对分子质量相同浓度的聚合物溶液的粘度，随着憎水辇增加而 大“”。相同相对分子质量相同浓度的聚合物溶液的粘度，随着憎水基增加而 第一章绪论 增加。实验表明，加入电解质或升高温度，将有利于憎水缔合，所以聚合物溶 液粘度随电解质浓度增加而增加，随温度升高而增加”“。因此这种水溶性双 亲性聚合物表现出极好的耐温耐盐性能，在大规模： 业应用上有美好的前景。 ( 3 ) 双亲性聚合物用于医用高分子材料”6 医用高分子目前最大的难点是血凝性。生物体有一种排斥异物的能力，瞧 液一接触到植入人体的高分子材料就会产生排异作用在植入物表面形成赢凝， 生物机体的高级结构是由亲水性微区和疏水性微区组成的微观结构。采用能够 引起微相分离的双亲性聚合物可望解决这一问题。例如已合成出聚醚与聚氯酷 形成的双亲嵌段聚合物b i o m e r ，具有层状微观相分离结构，与血浆蛋白质中的 白蛋白亲和性特别好，抗血凝性优良。其他抗血凝性好的高分子还有聚醚聚氨 醅嵌段共聚物与聚硅氧烷形成的a v c o t h a n e ，甲基丙烯酸羟乙酯和二二甲基硅氡 烷嵌段共聚物，以及聚环氧丙烷和尼龙6 1 0 组成的嵌段共聚物等。利用t 述这 些共聚物材料制造人工脏器或特其涂覆在人工脏器上，可获得良好的抗m 凝性。 1 2 双亲性聚合物胶束 12 1 引言 大分子自组装可以指聚合物分子在氨键、静电相互作用、疏水亲脂作用、 范德华力等弱相互作用力推动下，自发地构筑成具有特殊结构和形状的集合体 的过程。在大分子自组装领域中，对嵌段共聚物的胶束化研究尤为广泛和深入。 自m e r r e t t 提出高分子胶束的概念以柬，人们发现高分子胶束有着良好的应用 前景。聚合物胶柬是很好的药物输运、靶向载体，用作“纳米反应器”可得到 单分教的金属粒子和半导体纳米粒子或纳米晶体，在水相中可以稳定存在的聚 合物胶束因其对有机小分子有较强的吸附能力，可用于污水处理，环境诤化及 微量成分的富集等。因此，近年来，对高分子胶柬体系的研究受到越来越多的 重视。 高分子胶柬按照溶剂不同可分为水溶性胶束和有机溶剂胶束，按小分子表 面活性剂的说法，前者为常规胶束，后者为反向胶束。按胶束的结构又有“星 型”胶柬( 胶柬的“核”很小，而“壳”相对较大) 和与之相反的“平头”( c r e w c u t ) 胶束之分( 图1 3 ) ”“。 第一章绪论 图卜3 核壳结构示意图 从热力学角度考虑，假定胶柬聚集体和单分子链达到一定的平衡状态。，j 、 分子表面活性剂的胶束和小分子处于动态平衡。而高分子胶柬由于胶柬核中的 链段的粘度极高而使胶束和自由高分子链之间的交换很慢。如果高分子的核强 聚苯乙烯) 处于玻璃态，在一个合理的时间标尺尺度上，高分子胶束是一种被“冻 结”的结构。 ( 1 ) 聚合物在选择性溶剂中的胶柬化 分子自组装在近几年里成为一个引起广泛兴趣的研究热点。在众多的分子 自组装的途径中，嵌段共聚物在选择性溶剂中的胶束化受到广泛深入地研究 “”：。研究嵌段共聚物在选撵性溶剂中的形成胶束的机理和结构，对于开发嵌 段共聚物作表面活性剂、增溶剂、药物载体和纳米材料，以及了解嵌段共聚物 结构和性能的关系有重要的理论和实际意义。 双亲性小分子化合物在亲水性溶裁中能够发生聚集，这种聚集是可逆的， 当改变溶剂的极性，胶束将发生解缔合。含有这种聚集体的溶液具有胶体的性 质，故称为胶束( m i c e 】e ) 。对小分子形成的胶束的研究己经相当透彻。双亲性 小分子包含1 ) 台成表面活性剂类。如：非离子型、阳离子型、阴离子型等，2 ) 天然产物，如磷脂、胆汁酸盐( b i l es a l t ) 等。胶束的结构为：内部是由憎水基 组成的致密的球，外部包围着由亲水基组成的含水的壳。胶束的形成由两种作 用完全相反的力所控制：一种是导致聚集的吸引力：另一种是防止胶束无限增长 而成为沉淀的排斥力。当这两种力达到平衡时，胶束可以稳定地存在。在对胶 束溶液行为的研究中，临界胶束浓度( c r i t i c a lm i c e l l ec o n c e n t r a t jo n ，c m c ) 和聚集数( n u m b e ro fa g g r e g a t i o i l ，n a g g ) 是两个非常重要的参数。临界胶束浓 度定义为：在双亲性聚合物溶液浓度超过个临界值时，双亲性小分子聚集成 为胶束时的浓度。聚集数定义为：每个胶柬所含有的分子数称为。 嵌段、接枝共聚物在选择性溶剂中能形成稳定的，结构与小分予双亲性化 合物胶柬相似的聚集体，这种聚集体也被称之为胶束。所谓选择性溶剂。是指 该溶荆对于嵌段共聚物的一种嵌段为良溶剂，而对另一嵌段为不良溶剂：或指该 第一章绪论 溶剂对接枝共聚物的主链或接枝部分为良溶剂，而对相应的另一部分为不良溶 剂。嵌段共聚物所形成的胶束通常是球形的，含有一个由不溶性嵌段组成的核 和由可溶性嵌段组成的外壳。“3 。e i s e n b e r g 等人则通过改变嵌段共聚物不同嵌 段的相对长度以及溶剂条件等制得了诸如平头形( c f e w - c u t ) 胶柬( 不溶性嵌段 较长，可溶性嵌段较短) 和各种不同的形态的胶束，如球形( s p h e r e s ) 、柱状 ( r o d s ) 、层状( 1 a m e l l a e ) 、泡囊状( v e s i c l e s ) 等等“o 。 ( 2 ) 聚合物胶柬的结构 嵌段共聚物由于含有结构和性能不同的链段，在选择性溶剂中发生缔合， 形成结构规整的球形缔合体胶柬。嵌段共聚物的胶束化文献中己有大营 的报道，例如t i r r e 】”等人用光散射等方法研究了嵌段共聚物的组成，结构 以及选择性溶剂对胶束化行为的影响，发现即使在极稀的浓度下，两嵌段共聚 物a b 和三嵌段共聚物b a b 在对a 嵌段为不良溶剂的选择性溶剂中也能够形成胶 柬。 他们认为，a b 型两嵌段共聚物形成的胶束，其核由不溶性的a 嵌段组成， 而可溶性的b 嵌段形成壳包围在外圈。嵌段b 一端在核壳界面，另一端则伸展 于溶剂中，如图l _ 4 a 所示。图l 一4b - d 为b a b 型嵌段共聚物在选择性溶剂中所 形成的胶束的示意图。b a b 型三嵌段共聚物的两端为不溶性嵌段，中间为可溶 性嵌段，胶束化过程中，不溶性嵌段形成核，可溶性中间嵌段组成壳并形成线 圈状( 1 0 0 p ) ，如图卜4 b 所示。1 0 0 p 的形成将导致体系的熵损失，当熵损失过 大，不溶性嵌段也有可能伸展于溶剂中，形成如图卜4 c 的结构，另一可能则是 形成交联的网状结沟，难溶性端嵌段组成一个个小的紧缩的微区并由可溶性中 央嵌段连接起来，如图卜4 d 所示。 a bb l o c kc 铆柚b m e a 下 唑曼罂兰! ! 巴盘p r b a8 9 汐 a b cd 图卜4 由两嵌段和三嵌段聚合物在选择性溶剂中形成的胶柬的可能结构 a 两嵌段在选择性溶剂中形成的胶柬：b ，c ，d 三嵌段在选择性溶剂中形成的胶柬 除此之外，嵌段共聚物胶束在溶液中的临界胶束浓度和聚集数分别与嵌段 的组成、相对长度和溶剂的性质有关。同时，嵌段长度和溶剂也决定聚合物胶 束在溶液中的形态，其中三嵌段共聚物的胶束溶液行为相对两嵌段共聚物的复 第一章绪论 杂得多。 共聚物能够形成胶柬的主要原因是其含有两种溶解性质不同且具有确定结 构的嵌段。其它具有类似性质且结构确定的共聚物也有可能形成胶束。w e b b e r 等用接枝共聚物p o l y ( a c r y i ca c i d ) - g r a f l p o l y s t y r e n e 在选择性溶剂水中也 得到了形状较为规整的球形胶束并通过光散射、透射电镜等方法得到了证实 1 2 12 0 ( ： ) 高分子胶束化的各种新途径 大分子组装研究的另一方面是高分子间的络合。通过氢键或离子相互作用， 异种大分子可在溶液中形成链间配对的大分子络合物。经过长期研究，证实r 在没有特殊相互作用的体系中引入作用基团，可使不相容高分子转化为商分子 络合物，在溶液中实现了独立分子线团和大分子聚集体问的转变。但是通常的 大分子络含物聚集体一般并不具有规则的结构。天津大学原续波教授等研究发 现了一种新的实现大分子自组装的途径，即在共混物的选择性溶剂中，不溶组 分会发生聚集，但籍助于与可溶组分间的特殊相互作用，并不产生宏观沉淀。 可溶组分的稳定作用导致了纳米尺寸的类似于胶束结构的自组装聚集体。与“经 典”的胶束结构不同的是，这里核一壳之间只有特殊相互作用而无化学键连接， 故核与壳可以进一步分离。通过这一方法，可以直接采用无规共聚物或改性的 聚合物进行分子组装，避开了复杂的制备嵌段共聚物或接枝共聚物的过程。这 一多组分聚合物胶束化的新途径己在多种聚合物体系和有机及水介质中实现。 实现高分子胶束化的新途径包括多种物理化学过程。分别利用高分子间的 特殊相互作用、嵌段的溶解能力对温度依赖性、化学反应及介质环境的调铃等 可导致高分子胶束的形成。这些胶束化过程超出了传统的只依赖于应用选择性 溶剂的胶束制备范围，大大扩展了高分子胶束化的研究领域。 1 2 2 双亲性聚合物单体的自组装 ( 】) 双亲性聚合物溶液的胶束化理论”“。 在溶液中双亲性聚合物会从单体( 单体离子或分子) 缔合成为胶态聚集体， 即胶柬。溶液性质发生突变时的浓度，即形成胶柬时的浓度，称为临界胶柬浓 度( c r i t i c a lm i c e l l ec o n c e n t r a t i 0 1 1 简写为c m c ) ，此过程称为胶束化作用。 图1 5 为双亲性聚台物随其水溶液的浓度变化在溶液中生成胶束的过程。 当溶液中表面活性剂浓度极低时( 图1 5a ) 空气和水几乎是直接接触，水的表 面张力下降不多，接近纯水状态。当双亲性聚合物的浓度开始增加，双亲性聚 合物就会很快聚集到水面，使水和空气的接触减少，表面张力急剧下降。同时， 水中的双亲性聚合物也三三两两地聚集在一起，互相把憎水基团靠在起，开 r 第一章绪论 始形成小胶束( 图1 5b ) 。随着双亲性聚合物浓度增大到饱和吸附浓度时，就 形成紧密排列的单分子膜( 图1 - 5c ) 。此时溶液的浓度达到双亲性聚合物的临 界胶柬浓度，溶液的表面张力降至最低。若浓度继续增加，溶液的表面张力几 乎不再下降，只是溶液中的胶束数目和聚集数增加。 雷l 隧坚 ( - ) 仆) f d ) 图卜5 双亲性聚合物在水溶液中的自组装过程 ( 2 ) 高分子胶束的形成方式” 形成高分子胶柬的方式很多，超过临界胶束浓度的高分子( 嵌段高分“于或商 分子均聚物) 的不溶部分只要能相对稳定地存在选择性溶剂中，就有形成高分予 胶束的可能。归纳起来，形成高分子的方式有以下几种： 1 溶解性诱导 它是简单地利用不同嵌段在选择性溶剂中的溶解性差异而形成高分子胶束 的一种方式。这是最箍单的形成高分子胶束的方法，虽然其它的形成胶束的途 径不一样，但在本质上，它们都是差不多的。 2 温度诱导 z h o uq f 等人合成了液晶结构的嵌段共聚物p s - b - p m p c s ( 聚2 ，5 二二( 4 甲氧基苯酞基) 苯乙烯) 。在1 0 0 c 以上，p m p c s 链段可以溶解在对二甲苯溶剂中， 1 0 0 以下，p m p c s 链段是不溶的，p s 链段在二甲苯溶剂中是可溶的，即二甲苯 是p s _ b p m p c s 的选择性溶剂。因此，利用p s 曲一p m p c s 链段在不同温度下在二 甲苯中的溶解性可以方便地制备和研究高分子胶束。 3 化学反应诱导 在嵌段高分子的溶液中，可以利用化学修饰的方法改变某一嵌段的溶解性， 从而达到形成胶束的目的。w uc 等人通过化学反应的方法，把在t h f 可溶的 p m s _ h p v s 0 ( 聚( 4 一甲基苯乙烯) 一聚苯基乙烯基硫酞) 二嵌段共聚物转化为 p m s _ b p a ( p o ly a c e t y l e n e ，聚炔) 。p m s b p a 中的p a 链段在t i - t f 中不溶，因丽 第一章绪论 形成丁高分子胶柬。 4 配合诱导( c o m p l e x a t i o ni n d u c e ds e l 卜a s s e m b l y ) w u c 等人发现，在甲苯中溶解的良好的p m m a 甲苯溶液和 p s o h ( h y d r o x y l c o n t a i n i n gp o ly s t y r e n e ) 甲苯溶液混合后溶解性会降低。这 是因为p 垤a 和p s o h 之间的配合作用导致聚合物的浓度降低。和p m m a 、p s o | 之间的作用类似，嵌段共聚物p s - b p m m a 的甲苯溶液和p s o h 的甲苯溶液混合 后，由于p m m a 链段和p s o h 之间的配合诱导导致离分子胶束的形成，其中p m m a 链段和p s o l j 形成胶束的核，p s 链段形成胶束的壳。 5 微相转变诱导 微相转变诱导是最常用的制备高分子胶柬的方法。其原理是把处于溶液：状 态的双亲性共聚物的一种溶液转入另一种溶液中，该溶液对双亲性共聚物的一 个组分是溶解的，而对另一组分是不溶解的，从而使聚合物的相态发生转变。 1 2 3 双亲性聚合物胶束的形态结构以及袭征方法 双亲性高分子在选择溶剂形成胶束的形态结构多种多样。s a m s o na j e n e k h e ，a e is e n b e r g ，l i ug 等的研究发现：2 6 “，对于某一特定的双亲性高分 子中在选择性溶剂中就可以自组装形成实心球状、棒状、囊状、层状、管状、 纤维状等等形态各异的形态。改变选择性溶剂的性质、改变体系的温度等诸多 条件中的某一个条件，高分子胶束的形态结构就可能发生相应的改变。高分子 胶束的不同形态结构的形成枫理还有待送一步的研究。球形的高分子胶束是最 常见和最简单的胶束结构，对于球形的高分子胶束的形成机理，一般用球体模 型来表示图1 6 。 围1 - 6 球形高分子胶柬的核壳模型 在上述模型中，球状的疏溶剂内核外面由一定厚度的壳层所包围。疏溶剂 内核由不溶组分组成是高分子胶束的核，外面的壳层由可溶组分组成是高分子 胶束的壳。在核、壳的中间是一个界面层，界面层的厚度随核、壳两相的差异 第一章绪论 而变化，两相的差异越大，界面屡越薄。一些组成差异很大双亲性聚合物，在 临界胶束浓度以下自由高分子链在选择性溶剂中是以单分子胶束的形式存在。 这种状态下，高分子的不溶性片段自身卷曲形成微相，微相外面为亲溶剂链段 所包围。 表征菇聚物胶束的方法较多，文献报道主要有光散射法和粘度法、凝胶色 谱法、超速离心沉降法、电镜法、荧光法、n m r 法、中子散射法和小角x 射线 散射法。表1 - 1 列出了采用不同的方法获得胶柬不同的信息。 袭卜1 双亲性共聚物胶柬的表征方法。1 方法胶束信息 静态光散射( s l s ) 动态光散射( d l s ) 小角x 射线散射( s a x s ) 中子散射( n s ) 透射电镜( t e m ) 凝胶色谱法( s e c ) 停流技术 静态荧光光谱法 核磁共振( n m r ) 粘度法 胶束的重均相对分子质量和回旋、 ：径 核半径和微品格结构 胶束的重均相对分子质量和回旋半径 胶束的重均相对分子质量和回旋半径 胶束大小和形态 胶束动力学平衡 胶束形成和解缔合的松弛时间 胶束动力学平衡的能量变化 胶束的动力学 胶束的流体力学 双亲性聚合物胶束的重要参数和测量方法如下所示： 1 临界聚集浓度c a c ( c r i t i c a la g g r e g a t ec o n c e n t r a t i o n ) 临界胶束浓度通常可以通过1 ) 散射，如s l s ，s a x s 等：2 ) 荧光：3 ) 染 料增溶；4 ) 表面张力等手段加以表征。这些表征手段不仅适用于小分子物质， 同样也适用于聚合物胶束系统。所不同的是在聚合物胶束系统中c a c 值会很低， 而且由于体系的扩散系数很低，需要很长时间才能打到平衡。相比之下，利用 荧光技术来测量c a c 就更加方便。 2 形貌 早在上个世纪八十年代就有学者通过透射电镜t e m 研究a b 、a b a 型嵌段芡 聚物胶束的形貌和胶束尺寸分布情况，其研究成果也得到了后人的肯定。后来， 一些学者利用s e d i m e n t a t i 0 1 3v e o c i t ya n a l y s i s 的方法研究聚合物胶束的形 貌也获得了相似的结果。我们采用透射电子显微镜t e m 来研究聚合物胶束的形 态。 3 尺寸、相对分子质量 聚合物胶柬的尺寸、相对分子质量可以通过散射法和测量流体力学参数获 第一覃绪论 得。在实际应用中，流体力学半径r h 可以通过动态光散射( d l s ) 或者s e c 试 验获得。而静态光散射法( s l s ) 可以缛到关于分子质量( m o l e c u l a rw e i g h t ) 方面的数据。由于单分子嵌段共聚物的分子重量已知，其在胶束系统中的重量 分数可以通过高速离心或s e e 方法获得。而对于具有很低c m c 值的嵌段共聚物 胶束系统，单分子的重量百分含量也可以忽略不计。 1 2 4 双亲性聚合物胶束的应用 1 - 药物载体”。”。 把药物包裹起来，输送到靶向细胞，并尽可能达到缓释的目的，这是药学 领域研究的一个热点。尤其对那些毒性较大、易对非靶向细胞产生副反应或者 在生理条件下非常容易失活的药物更为重要。嵌段共聚物胶束的核可以作为药 物的载体，而被溶剂化了的壳则提供保护层并起到稳定作用，如果在双亲性共 聚物分子链上有靶向基团，则具有靶向作用，控制胶束动力学平衡从而达到呵 控释放的目的。选择双亲性共聚物胶束作为药物输送载体，有以下几个优点： ( 1 ) 双亲性共聚物胶束具有较高的结构稳定性