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温度响应嵌段共聚物的自组装在纳米器件,生物医药等领域中都具有重要的应用前景。聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)是一种典型的温度响应聚合物,本文以PNIPAM为主要嵌段,通过原子转移自由基聚合(ATRP)合成了一系列含PNIPAM的二嵌段和三嵌段共聚物,针对PNIPAM链段在自组装过程中的一些基本问题进行了深入讨论,并巧妙地利用PNIPAM的温度响应特性设计制备一种实时(Real-time)给药系统-温度响应纳米泵。
通过原子转移自由基聚合(ATRP)合成了三嵌段聚合物聚苯乙烯-b-聚(N-异丙基丙烯酰胺)-b-聚丙烯酸三嵌段共聚物(PS-b-PNIPAM-b-PAA)、两嵌段聚合物聚乙二醇-b-聚(4-乙烯基吡啶)(PEG-b-P4VP)和聚乙二醇-b-聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PEG-b-PNIPAM),并用核磁共振(1H NMR)和凝胶渗透色谱(GPC)对嵌段共聚物进行了表征,确定了嵌段共聚物的结构。
PS-b-PNIPAM嵌段共聚物的自组装形成的胶束远大于普通两亲性聚合物。通过分析,PNIPAM在纯水和一般的有机溶剂中都是可溶的,但在一定比例的水和有机溶剂的混合体系中却是不溶的,即PNIPAM在混合溶剂中存在非共溶剂效应,正是由于PNIPAM的非共溶剂性质影响了含有PNIPAM的两亲性嵌段聚合物的正常胶束化,这在很大程度上限制了对于PNIPAM自组装行为的研究和在多方面的应用。因此,我们通过激光光散射和原子力显微镜等详细研究了在不同的有机溶剂丙酮,DME DMSO,THF和水的混和稀溶液中PS-b-PNIPAM的相转变和胶束聚集行为,系统分析了PNIPAM的非共溶剂效应对两亲性嵌段聚合物PS-b-PNIPAM胶束化行为的影响。研究发现,在20℃以下丙酮和水的混和溶剂中,无论组成比例怎样变化,混和溶剂对于PNIPAM来说都是良溶剂,PNIPAM没有相转变行为,因此就能够避免非共溶剂效应的影响,PS-b-PNIPAM能够自组装形成结构规整的"core-shell"普通胶束。这一研究结果对于含有PNIPAM的双亲性嵌段聚合物普通胶束的制备以及其在药物传输等相关领域的应用具有重要的指导意义。
双亲水性嵌段共聚物PEG-b-PNIPAM的温度响应胶束化经常形成大的胶束聚集体以至于网状堆积体,这极大的限制了其作为药物载体方面的应用。我们通过调控加热速度研究了PEG-b-PNIPAM在水溶液中不同的胶束化行为,研究表明,在纯水溶液中,逐步慢速升温会导致PEG-b-PNIPAM聚合物链间相互缠结形成不规则的胶束复合体；快速升温至PNIPAM的LCST以上,PEG-b-PNIPAM趋向于形成结构规整,粒径较小的“核-壳”胶束结构。同时也利用PNIPAM链段的非共溶剂效应研究了PEG-b-PNIPAM在甲醇-水混合溶剂中的胶束化。在制胶束的过程中,无论是将水滴入到甲醇中还是将甲醇滴入到水中,得到的PEG-b-PNIPAM胶束并不能够保持稳定的"core-shell"结构,趋向于形成胶束缔合体。随着生物医药科学的逐步发展,对于靶向药物载体的研究成为众多科学家研究和关注的热点问题,在众多的药物载体之中,由于嵌段共聚物胶束具有高的结构稳定性、清晰的核-壳相分离、纳米级的尺寸(10～100nm)以及低的CMC(临界胶束浓度)值等特性,使其在作为靶向药物载体方面具有其独特的优势。我们利用嵌段聚合物PS-b-PNIPAM-b-PAA和PEG-b-P4VP中PAA链段和P4VP链段之间稳定的共价键作用和氢键作用制备了一种复合胶束体系,此复合胶束以PS链段为核用来固定复合胶束,PNIPAM链段为空腔层可以用来包埋药物小分子,PAA链段与P4VP链段形成的复合壳层起到一个半透膜的保护作用,PEG为最外围冠层使胶束具有良好的溶解性,在溶液中可以稳定存在,PNIPAM的温度敏感性使复合胶束收缩与膨胀,其功能类似一个温度响应的纳米泵。同时,我们以布洛芬为例,研究了这种复合胶束对于药物分子的控制释放。在25℃,PAA/P4VP复合膜对包埋在空腔中的药物分子有很好的保护效果,只有很少的布洛芬释放出来,在实际应用中可以很好的控制药物在长时间血液循环中的释放问题,减小了药物的毒副效果。在38℃和45℃,由于PNIPAM链段的快速收缩,药物可以在很短的时间内释放出来,很好地解决了药物释放驱动力的问题。同时更值得关注的是,不同于传统的端基靶向控释体系,我们实现了更为方便与实用的温敏性靶向释药。我们设计的复合胶束体系综合了自组装胶束,半透性离子复合膜,以及温敏性聚合物的优势,在作为温敏性的热靶向药物输送载体方面具有重要的潜在应用价值。