1、双嵌段共聚物PEG-PDMAEMA微胶囊的制备和其修复剂载体的性能研究摘 要具有特定官能团片段的两亲性嵌段聚合物能够感知外部pH变化自发地改变自身形态。本文首先通过原子转移自由基聚合（ATRP）的方法合成两亲性双嵌段共聚物PEG-PDMAEMA；然后采用红外、核磁等表征方法对合成的聚合物的分子结构进行结构表征；最后研究了pH对嵌段共聚物自组装成的胶束粒径的影响，胶束对修复剂的负载程度和pH响应释放行为。结果表明在碱性条件下，两亲性嵌段共聚物能形成较大粒径的胶束并包裹修复剂DCPD，包裹率为3.53 wt%，载药率为12.36 wt%；修复剂在中性条件下几乎可实现零释放而在酸性条件下能快速、且较
2、大程度的释放出修复剂。本研究成果有望作为响应型纳米容器应用于涂层修复。关键词：双嵌段共聚物；两亲性；自组装；pH刺激响应释放Research of Properties of Diblock Copolymer PEG-PDMAEMA Filling and Releasing Repairing AgentAbstractAmphiphilic block polymers with specific functional group segments are able to perceive changes in the external pH to spontaneously chang
3、e their morphology. In this paper, firstly, the amphiphilic diblock copolymer PEG-PDMAEMA was synthesized by the method of atom transfer radical polymerization; then the molecular structure of the synthesized polymer was characterized by Infrared Spectroscopy, Nuclear Magnetic Resonance and other ch
4、aracterization methods; then, the influence of pH of the self-assembled micelle size of block copolymer, the degree of loading the repair agent by the micelle and the pH-responsive release behavior were studied. The results showed that the amphiphilic block copolymers can form micelles with larger p
5、article size and encapsulate the repair agent DCPD under alkaline conditions, with a wrap ratio of 3.53% and a drug-loading rate of 12.36%. Finally, under acidic conditions, micelles can releases repair agents quickly and to a large degree. The results of this study are expected to be applied as a r
6、esponsive nano-container for coating repair.Keywords： Diblock copolymer；Amphiphilic ；Self-assembly；pH responsive release目 录第1章 绪论11.1 嵌段共聚物的性质及结构11.1.1 嵌段共聚物及其两亲性11.1.2 嵌段共聚物的结构及分类11.1.3 嵌段共聚物的合成方法及原理21.2 嵌段共聚物的工作原理及发展现状21.2.1 嵌段共聚物的自组装21.2.2 嵌段共聚物的药物包裹31.3 嵌段共聚物的发展现状及应用领域31.3.1 嵌段共聚物在生物医用材料方面的应用41.
7、3.2 嵌段共聚物在纳米结构材料方面的应用41.3.3 嵌段共聚物在表面活性剂方面的应用41.3.4 嵌段共聚物在光催化方面的应用41.3.5 嵌段共聚物在金属防腐方面的应用51.4 主要研究内容和选题意义51.4.1 选题意义51.4.2主要研究内容5第2章 PEG-PDMAEMA两亲性嵌段共聚物的制备及表征62.1 实验材料和实验仪器62.1.1 实验材料62.1.2 实验仪器62.2 嵌段共聚物的制备72.2.1 合成大分子引发剂PEG-Br72.2.2 合成两亲性嵌段共聚物PEG-PDMAEMA72.2.3 嵌段聚合物的自组装82.3 制备聚合物的表征方法82.3.1 核磁氢谱分析82
8、.3.2 红外光谱测定92.3.3 动态光散射粒度分析92.3.4 透射电子显微镜92.4 结果与讨论92.4.1 核磁谱图分析102.4.2 红外光谱分析122.4.3 动态光散射粒度分析(DLS)132.4.4 透射电子显微镜(TEM)142.5 本章小结15第3章 嵌段共聚物对修复剂DCPD的包裹和释放163.1 实验材料及实验仪器163.1.1 实验材料163.1.2 实验仪器163.2 嵌段共聚物对修复剂DCPD的包裹和释放163.2.1 修复剂的填装163.2.2 载药率和包封率的测量163.2.3 修复剂的释放速率的测定163.3 结果与讨论173.3.1 动态光散射粒度分析(D
9、LS)193.3.2 载药率和包封率203.3.3 pH对修复剂释放速率的影响213.4 本章小结22第4章 结论23致 谢24参考文献25第1章 绪论第1章 绪论两亲嵌段共聚物溶解在选择性溶剂中，自发的自组装成纳米聚集体，形成球状，圆柱体和囊泡等复杂的纳米结构，这些复杂的纳米结构已经发现在纳米技术领域中的生物技术，表面活性剂和药物输送应用1。近年来，多个研究小组已经成功制备了两亲性二嵌段、两亲性三嵌段、不对称三嵌段、四嵌段等多种功能多样化的嵌段聚合物；逐渐形成更复杂的能满足不同领域需求的胶束体系，例如通过不对称三嵌段聚合物形成多间隔胶束。在多室胶束中，在胶束的疏水性内核中存在大于等于两个疏水
10、性隔间。若将多间隔胶束应用到药物控释方面2，则不同的隔间就可以各自负载并控释不同种类、不同功能的药物3。聚合物的不同官能团具有不同的功能，能对不同的刺激产生响应，如pH、温度、离子强度等4。聚乙二醇(PEG)是一种亲水性材料5；pKa为7.2的弱碱甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)其片段上的胺基在不同pH条件下能发生质子化和去质子化，故PDMAEMA具有 pH响应6。故以溴代后的聚乙二醇作为大分子引发剂；使单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯发生原子转移自由基聚合，合成一类具有pH响应性两亲性双嵌段共聚物PEG-PDMAEM，PEG-PDMAEM可以在水中自组装成胶束微胶囊，待其感知到外部pH变化的
11、刺激后，自发实现聚集形态改变，即本文中的药物(DCPD)包裹和释放，使涂层修复剂能在金属表面涂层被破坏时，尽快释放出来，起到对涂层的修复作用，从而保护内部金属。1.1嵌段共聚物的性质及结构1.1.1 嵌段共聚物及其两亲性嵌段共聚物是指具有多种（包含两种）官能团不同，进而导致功能不同的重复链段的共聚物7。而两亲性嵌段共聚物是指一个聚合物分子中同时含有亲水性和疏水性链段的一类聚合物；具两亲性的嵌段共聚物在溶液中可自组装成纳米聚集体8。1.1.2 嵌段共聚物的结构及分类两亲性嵌段共聚物的结构包括亲水段和疏水段。两亲性嵌段共聚物在水中溶解后，亲水段具有亲水性，自发相互靠近，构成胶束外层，能减少胶束之间
12、的缔合，对胶束的稳定性有利；疏水段具有憎水性，也自发相互靠近，在范德华力的作用和氢键的作用下，在水中构成胶束的内核，疏水段分子量决定芯核直径的大小9。嵌段共聚物根据拓扑结构具有不同分类10。线型聚合物包含以下几类：AB二嵌段、ABA对称三嵌段、ABC不对称三嵌段、ABCD四嵌段、ABCDE五嵌段；非线型聚合物包含以下：星型、梳型、树枝型、环型、H型、网状等。1.1.3 嵌段共聚物的合成方法及原理目前比较普遍的嵌段共聚物的合成方法有以下几种：活性聚合、正离子聚合转化法等。其中活性聚合包括：活性阴离子和阳离子聚合、基团转移聚合、可控活性自由基聚合；正离子聚合转化法包括：正离子向自由基聚合、负离子聚
13、合、缩聚反应转化；其他方法:力化学转化、缩聚反应、特殊引发剂法等11 。本文采用活性自由基(ATRP)的聚合方法来合成两亲性嵌段共聚物。其原理是引发剂PEG-Br与金属配合物(DMAEMA)nCu发生氧化还原反应变为初级自由基PEG，初级自由基PEG与单体DMAEMA反应生成单体自由基PEG-DMAEMA，PEG-DMAEMAn与PEG-DMAEMA性质相似均为活性种，可继续引发单体DMAEMA发生自由基聚合，也可从休眠种PEG-DMAEMAn-Br/PEG-DMAEMA-Br上夺取卤原子，自身变成休眠种，从而在休眠种PEG-DMAEMA-Br与活性种PEG-DMAEMAn之间建立一个可逆平衡
14、，于是体系中的游离基Br浓度低，使不可逆的PEG-DMAEMAn与Br生成PEG-DMAEMAn-Br的终止反应降低到最低程度，实现可控自由基聚合12。1.2 嵌段共聚物的工作原理及发展现状1.2.1 嵌段共聚物的自组装自组装是指聚合物分子弱相互作用力的推动下，溶剂中的聚合物分子自发地聚集成具有特定功能结构的纳米聚集体的过程13，如图1-1。自组装包括本体自组装和在溶液中自组装。图1-1 两亲性嵌段共聚物自组装示意图Fig. 1-1 Self-assembly of Amphiphilic Block Copolymers聚合物在选择性溶液中的自组装是逐渐形成胶束的步骤：当嵌段共聚物在特定的溶
15、剂中的浓度大于临界胶束浓度，且溶剂和其中的聚合物所处环境温度大于嵌段共聚物的玻璃化温度时14，给予足够的时间，热力学平衡胶束即可形成。两亲嵌段共聚物可以在溶液中自组装成亲水外壳-疏水内核的纳米胶束。体系能自组装为几种热力学上稳定的平衡相态，能形成球状、圆柱状、囊泡状、层状等结构。1.2.2 嵌段共聚物的药物包裹 两亲性嵌段共聚物自组装时，能形成聚集的疏水段内核和亲水性外壳。若在嵌段共聚物自组装的溶液中加入能够均匀分散的疏水性药物，则在疏水段和亲水段之间的药物就能被自发的包裹进疏水性内核；若嵌段共聚物在感知到外界刺激时，自组装的胶束体系被破坏甚至分解，药物就能够被释放出来，由此达到药物控释的目的15。图1-2 两亲性嵌段共聚物自组装包裹药物示意图Fig. 1-2 Block copolymers self-assembled to encapsulate drugs1.3 嵌段共聚物的发展现状及应用领域合成嵌段共聚物的方法很多，然而都存在各自的优缺点，只能满足不同分子设计要求的聚合物合成，比如活性聚合能合成分子量分布较窄的嵌段共聚物、而正离子转移聚合法可以合成具有特异结构和性质的聚合物
