CN109485863A - 一种响应性双亲嵌段共聚物及其制备方法 - Google Patents

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周兴
刘洁
张强
曹丰
麻伍军
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董延茂
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    • C08G81/00—Macromolecular compounds obtained by interreacting polymers in the absence of monomers, e.g. block polymers
    • C08G81/02—Macromolecular compounds obtained by interreacting polymers in the absence of monomers, e.g. block polymers at least one of the polymers being obtained by reactions involving only carbon-to-carbon unsaturated bonds
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Abstract

本发明涉及一种响应性双亲嵌段共聚物及其制备方法，属于功能高分子材料技术领域。本发明以3‑羟基肉桂酸(3HCA)为主要原料，通过缩聚反应制备不同分子量的聚3‑羟基肉桂酸(P3HCA)均聚物，并将其分子链末端进行酰氯化。再通过链转移自由基聚合法，制备羟基封端的聚N‑异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)和聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(PDMAEMA)，最后将酰氯化的P3HCA和羟基封端的PNIPAAm或PDMAEMA反应制备聚3‑羟基肉桂酸‑b‑聚N‑异丙基丙烯酰胺(P3HCA‑b‑PNIPAAm)和聚3‑羟基肉桂酸‑b‑聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(P3HCA‑b‑PDMAEMA)嵌段共聚物。本发明制得的共聚物具有两亲性、光响应性和温度响应性，具有良好的结构稳定性和生物相容性，可广泛应用于药物控释、组织工程和农业等领域。

Description

一种响应性双亲嵌段共聚物及其制备方法
技术领域
一种响应性双亲嵌段共聚物及其制备方法，属于功能高分子制备技术领域。
技术背景
环境响应性聚合物是近年发展起来的一种新型的功能性聚合物，外界中的微小刺激都能对它产生迅速的影响，进而从结构、物理性能以及化学性能上发生突然改变。响应性聚合物是通过在高分子链段上引入不同的功能基团，实现在微弱环境刺激下，产生物理化学性质变化的聚合物。这类功能聚合物在纳米技术、基因转染、药物控制释放等领域具有广泛的应用，成为“智能”高分子材料的研究热点。
聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)和聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(PDMAEMA)是常见的环境响应性高分子材料，二者均具有低温溶解、高温分相的特点，体现了典型的温度响应特性。而PDMAEMA除了具有温度响应性外，还具有pH响应性，其pKa约为7.0，在很广的pH值范围内能够很好的溶解在水中，其低临界共溶温度(LCST)随介质pH的变化而变化，在pH为7的缓冲溶液中，其LCST约为46℃。当pH值降低时，其LCST上升，当pH上升到11以上时，PDMAEMA表现出强疏水性，会在水溶液中析出。
3-羟基肉桂酸(3HCA)是一种来源于禾木胶和稻壳等植物体的“植物性单体”，具有抑菌、抗病毒等医学功效，还可通过聚合反应制备成良好热稳定性、荧光、机械性能、生物相容性和可降解性聚3-羟基肉桂酸(P3HCA)聚合物。此外，P3HCA还具有光反应活性，可利用紫外光照对其性能进行调控，可望应用于药物负载、组织工程等生物医药领域。
本发明以3HCA为原料合成了P3HCA，并利用氯化亚砜实现了P3HCA末端的酰氯化；再以N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)为原料，以偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂、巯基乙醇为链转移剂，合成了羟基封端的PNIPAAm和PDMAEMA；进一步将酰氯封端的P3HCA和羟基封端的PNIPAAm和PDMAEMA进行亲核取代反应制备聚3-羟基肉桂酸-b-聚N-异丙基丙烯酰胺(P3HCA-b-PNIPAAm)和聚3-羟基肉桂酸-b-聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(P3HCA-b-PDMAEMA)嵌段共聚物。
发明内容
本发明的目的是公开一种具有光/温度响应性双亲共聚物的制备方法。
本发明的总体构思是：采用熔融缩聚法将功能性的3HCA制备成具有端羧基的可降解性紫外光敏性P3HCA均聚物；利用氯化亚砜实现P3HCA端基的酰氯化；采用链转移自由基聚合法将亲水性的N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)制备成具有端羟基的PNIPAAm和PDMAEMA；将酰氯封端的P3HCA和羟基封端的PNIPAAm和PDMAEMA进行亲核取代反应制备P3HCA-b-PNIPAAm和P3HCA-b-PDMAEMA嵌段共聚物。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
1.合成带有端羧基的P3HCA聚合物
将质量比为100∶2～5的3HCA单体和无水磷酸钠催化剂分别加入到乙酸酐中，乙酸酐与3HCA的质量比为5～15∶1，室温混合均匀后持续通入氮气，以100～500r/min的搅拌速度下升温至140～160℃，反应1-4h；继续搅拌并将温度升至200～230℃，反应6～8h后停止加热，冷却至室温，整个反应过程在氮气和避光条件下进行；反应完毕后，将产物用3～5倍质量的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶解，以无水乙醇或甲醇为沉淀剂进行沉淀析出，重复三次，最终产物在30～40℃下干燥，得棕色式1所示带有端羧基的P3HCA聚合物。
2.合成酰氯封端的P3HCA聚合物
将步骤1中制备的P3HCA聚合物与二氯甲烷、DMF和氯化亚砜按质量比1∶10～15∶0.05～0.1∶3～5混合均匀，搅拌，加热至50～70℃反应10～15h，旋转蒸发除去液体部分，制备成式2所示的褐色固体酰氯封端的P3HCA聚合物。
3.合成羟基封端的PNIPAAm和PDMAEMA
将质量比为100∶0.5～3的PNIPAAm或PDMAEMA单体和偶氮二异丁腈(AIBN)引发剂分别加入到无水乙醇溶剂中溶解，单体与溶剂的质量比为1∶5～15；混合均匀后通氮气30min，并快速向溶液中加入巯基乙醇做为链转移剂，单体和链转移剂的质量比为100∶0.5～10；在50～70℃下搅拌反应6～10h，用重均分子量为1000的透析袋透析提纯3天，冷冻干燥，制备成式3所示羟基封端的PNIPAAm或PDMAEMA聚合物。
4.合成响应性双亲嵌段共聚物
将步骤2中制备的酰氯封端的P3HCA聚合物和步骤3中合成的具有端羟基的PNIPAAm或PDMAEMA按质量比1∶1.1-2.5加入到二氯甲烷中，P3HCA和二氯甲烷的质量比为1∶10～20；混合均匀后加入P3HCA5～10倍质量的吡啶或三乙胺做为缚酸剂，20～35℃下搅拌反应24～48h，反应结束后用真空泵将反应物抽干，加入大量无水乙醇超声洗涤三次，抽滤并在30℃下干燥至恒重，得如式4所示P3HCA-b-PNIPAAm或P3HCA-b-PDMAEMA响应性双亲嵌段共聚物。
附图说明
图1响应性双亲嵌段共聚物P3HCA-b-PNIPAAm的核磁谱图。
图2响应性双亲嵌段共聚物P3HCA-b-PDMAEMA的核磁谱图。
图3响应性双亲嵌段共聚物P3HCA-b-PDMAEMA的光响应图。
图4响应性双亲嵌段共聚物P3HCA-b-PNIPAAm胶束的透射电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1 P3HCA-b-PNIPAAm响应性双亲嵌段共聚物的合成
(1)P3HCA的合成：称取3HCA5g，无水磷酸钠0.05g，乙酸酐30mL，加入100mL反应器中，在搅拌转速为300r/min下升温至160℃，反应3h后，升温至210℃，继续搅拌、恒温反应6h，整个反应在氮气保护和避光条件下进行。取20mLDMF将产物充分溶解，用无水乙醇沉淀提纯，重复三次，最后在30℃下干燥，得棕色的产物。
(2)酰氯封端的P3HCA的合成：取步骤(1)中合成的P3HCA2g，加入25mL二氯甲烷、0.1gDMF和10mL氯化亚砜，混合溶解后搅拌，60℃下加热反应12h，旋转蒸发除去液体反应物，并将反应物充分抽干，得深棕色酰氯封端的P3HCA。
(3)羟基封端PNIPAAm的合成：取2gNIPAAm单体和0.2gAIBN引发剂溶于20mL无水乙醇中，充分溶解，通氮气30min，继续快速加入0.2g巯基乙醇链转移剂，搅拌加热至70℃反应8h，反应结束后将产物倒入重均分子量1000的透析袋中透析提纯3天，冷冻干燥，得白色产物。
(4)响应性双亲嵌段共聚物的合成：取步骤(2)中合成的酰氯封端的P3HCA1g、步骤(3)中合成的羟基封端的PNIPAAm1.5g加入到20mL二氯甲烷中，搅拌混合均匀，加入5mL吡啶，30℃下搅拌反应24h，反应结束后旋转蒸发除去二氯甲烷，并加入100mL无水乙醇超声分散，搅拌洗涤三次，抽滤并在30℃下干燥，得棕色P3HCA-b-PNIPAAm双亲嵌段共聚物。
实施例2 P3HCA-b-PDMAEMA响应性双亲嵌段共聚物的合成
本实施例中P3HCA及酰氯封端的P3HCA的合成步骤与实施例1中相同。
P3HCA-b-PDMAEMA共聚物的制备方法如下：取2gDMAEMA单体和0.2gAIBN引发剂溶于20mL无水乙醇中，充分溶解，通氮气30min，继续快速加入0.1g巯基乙醇链转移剂，搅拌加热至70℃反应8h，反应结束后将产物倒入重均分子量1000的透析袋中透析提纯3天，冷冻干燥，得白色羟基封端的PDMAEMA聚合物。取酰氯封端的P3HCA1g、羟基封端的PDMAEMA1.2g加入到20mL二氯甲烷中，搅拌混合均匀，加入5mL吡啶，30℃下搅拌反应24h，反应结束后旋转蒸发除去二氯甲烷，并加入100mL无水乙醇超声分散，搅拌洗涤三次，抽滤并在30℃下干燥，得棕色P3HCA-b-PDMAEMA双亲嵌段共聚物。
实施例3 双亲嵌段共聚物的光响应性行为
取适量P3HCA-b-PNIPAAm或P3HCA-b-PDMAEMA共聚物，配置成0.02mg/mL的DMF溶液，利用紫外-可见光分光光度计测试聚合物溶液在302nm的紫外光照射0、5、10、20、30、40、50、60min后的紫外吸收光谱图，波长范围从200nm到500nm，进行光响应性分析。
实施例4 自组装法制备P3HCA-b-PNIPAAm与P3HCA-b-PDMAEMA胶束
以DMF为溶剂，将不同组成的P3HCA-b-PNIPAAm及P3HCA-b-PDMAEMA共聚物配制成2mg/mL的溶液。在800r/min的搅拌速度下，用微量进样器以1滴/秒的速度向共聚物溶液中滴加适量超纯水，制得共聚物胶束分散液，继续搅拌12h，再将该胶束分散液逐滴加入到大量的超纯水中以固定胶束的形态，然后置于去离子水中透析，每隔5h换一次去离子水，充分除去有机溶剂后得共聚物胶束分散液，并将最终的浓度调整至0.5mg/mL。

Claims (5)

1.一种响应性双亲嵌段共聚物及其制备方法，其特征在于以3-羟基肉桂酸为单体，制备酰氯封端的聚3-羟基肉桂酸(P3HCA)；通过链转移自由基聚合法，以N-异丙基丙烯酰胺和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯为单体，制备羟基封端的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)和聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(PDMAEMA)；将酰氯封端的P3HCA和羟基封端的PNIPAAm和PDMAEMA进行亲核取代反应制备聚3-羟基肉桂酸-b-聚N-异丙基丙烯酰胺(P3HCA-b-PNIPAAm)和聚3-羟基肉桂酸-b-聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(P3HCA-b-PDMAEMA)嵌段共聚物。
2.根据权利要求1所述的嵌段共聚物，其特征是以巯基乙醇结构单元为连接单元，连接P3HCA和PNIPAAm链段构成聚合物主链；其中P3HCA的分子量为1.0×103-5.0×104g/mol，PNIPAAm的分子量为1.0×103-1.0×105g/mol；所得共聚物的结构为：
表示成为P3HCA-b-PNIPAAm。
3.根据权利要求1所述的嵌段共聚物，其特征是以巯基乙醇结构单元为连接单元，连接P3HCA和PDMAEMA链段构成聚合物主链；其中P3HCA的分子量为1.0×103-5.0×104g/mol，PDMAEMA的分子量为1.0×103-1.0×105g/mol；所得共聚物的结构为：
表示成为P3HCA-b-PDMAEMA。
4.根据权利要求2-3中任一所述制备的共聚物，其特征在于该共聚物在300nm的紫外光照下均可发生光交联反应，在254nm的紫外光照下可发生解交联反应，具有光响应性；该共聚物可通过300nm的紫外光照发生的光交联反应提高热稳定性。
5.根据权利要求2-3中任一所述制备的共聚物，其特征在于可在N，N-二甲基甲酰胺/水中进行自组装成球状或棒状胶束，该共聚物胶束具有一定的可降解性，在酸性、碱性和中性条件下均可实现降解，且降解速度可控。
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