呂海燕 劉守信 徐 超 田 榮 王 莉

(應用表面與膠體化學教育部重點實驗室,陜西師范大學化學化工學院,西安710062)

1 引言

刺激響應性聚合物能夠響應外界條件的變化,如pH值、溫度、離子強度、電場、磁場的變化等.1-4對溫度敏感性(簡稱溫敏性)聚合物來說,當環(huán)境溫度變化時聚合物的親水性與疏水性發(fā)生變化引起聚合物分子構象的變化,導致溶液體系發(fā)生相變化.5有一類溫敏性聚合物水溶液當溫度比較低時溶液是透亮的,當溫度升高到某一溫度時溶液變?yōu)闇啙?體系發(fā)生了相變化,將這一相轉變溫度稱為低臨界溶解溫度(LCST).6溫敏性聚合物及其水凝膠可用于組織培養(yǎng)、酶的固化、藥物輸運、藥物緩釋以及組織工程等.7-10

2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯(MEO2MA)的均聚物,聚2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯(PMEO2MA),是一種溫度敏感性聚合物,其LCST約為26°C;11寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(OEGMA)的均聚物,聚寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(POEGMA),是另一種溫度敏感性聚合物,其LCST約為90°C.12由2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯與寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯共聚所形成的共聚物P(MEO2MA-co-OEGMA)具有溫敏性,其LCST可以通過合成時改變兩個單體的投料比來調控.13-19P(MEO2MA-co-OEGMA)除了具有溫敏性外,還具有良好的生物相容性,所以該共聚物及其水凝膠在生物醫(yī)學領域有良好的應用前景.20-24

為了使P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物在生物醫(yī)學領域能獲得應用,本文用原子轉移自由基聚合(ATRP)技術,以MEO2MA和OEGMA為共聚單體,合成不同組成的P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物.通過調節(jié)兩個單體的投料比,使合成共聚物的LCST能夠接近人體生理溫度(37°C).為用于人體環(huán)境,本文研究了鹽種類、鹽濃度、溶液pH值等對P(MEO2MA-co-OEGMA)溫敏性的影響.

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

超導傅里葉數(shù)字化核磁共振譜儀(AVANCF300 MHz,德國Bruker公司);凝膠滲透色譜儀(Watersbreeze,美國Waters公司);激光粒度儀(BI-90Plus,美國布魯克海文儀器公司);紫外-可見分光光度計附帶帕爾貼控溫系統(tǒng)(TU-1901,北京普析通用儀器有限責任公司);流變儀(AR-G2,美國TA公司).

2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯及聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(Sigma Aldrich,分析純);氯化亞銅(ACROS,99.999%);2,2?-聯(lián)二吡啶(上?？曝S化學試劑有限公司);2-溴代丙酸乙酯(Alfa Aesar, 98%);乙醇(國藥集團化學試劑有限公司,分析純);溴化鈉、氯化鈉、氯化鉀、硫酸鎂、氯化鎂、硫酸鈉、磷酸鈉、氫氧化鈉、鹽酸(西安化學試劑廠,99%,分析純);二次蒸餾水.

2.2 P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物的合成

向干燥的史萊克管中通入氬氣30 min,加入單體MEO2MA(5 mL,27.12 mmol)和OEGMA(0.99 mL,2.35 mmol),溶劑無水乙醇(7 mL),引發(fā)劑2-溴代丙酸乙酯(37.74 mL,0.295 mmol),將體系冷凍、抽真空、解凍反復三次后通入氬氣,加入配體2,2?-聯(lián)二吡啶(0.1057 g,0.59 mmol)和催化劑CuCl(0.0292 g, 0.30 mmol),在60°C下反應8 h,反應結束后,將反應液暴露于空氣中,直至反應液由紅棕色變?yōu)樗{色,向其中加入蒸餾水稀釋,采用截留分子量為5000透析袋進行透析,每6 h換一次水,透析3天,最后進行冷凍干燥得無色透明的粘稠液體.分別合成了投料單體摩爾比(nMEO2MA:nOEGMA)為100:0,95:5,92: 8,90:10,85:15的聚合物,所得樣品分別記為1#、2#、3#、4#、5#,反應式見圖1.

2.3 P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物的表征

室溫下以CDCl3作為溶劑,測定P(MEO2MA-co-OEGMA)的1H NMR譜;以四氫呋喃為流動相,聚苯乙烯為標樣,流速為1 mL·min-1,溫度為30°C,通過凝膠滲透色譜(GPC)測定其分子量.

2.4 P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物水溶液溫敏性

2.4.1 共聚物水溶液透光率測定

將共聚物分別溶于水中,配成濃度為3 mg· mL-1的溶液,放置0.5 h,用附帶帕爾貼控溫系統(tǒng)的TU-1901紫外-可見分光光度計來測定不同組成共聚物溶液在不同濃度下透光率隨溫度的變化曲線,測定波長為670 nm.

2.4.2 共聚物水溶液粘度測定

圖1 P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物的合成Fig.1 Synthesis of P(MEO2MA-co-OEGMA)

將共聚物分別溶于二次蒸餾水中,配成濃度為3 mg·mL-1的溶液,用美國TA公司的AR-G2型流變儀來測定,剪切速率為100 r·s-1,使用同心套筒,測試溫度范圍為15-60°C,升溫速率為1°C·min-1,采用循環(huán)水控溫,其控溫精度為±0.1°C,測定其溶液粘度隨溫度的變化.

2.4.3 共聚物水溶液粒徑測定

將共聚物溶于水中,配制成濃度為0.5%(w)的溶液,攪拌過夜,測量前用孔徑為0.45 μm的水系濾膜過濾除去雜質,使用美國布魯克海文儀器公司的BI-90Plus型激光粒度儀來測定溶液中聚集體的粒徑隨溫度的變化曲線,測量溫度為20-50°C,升溫速率為1°C·min-1.

2.5 鹽的加入對共聚物水溶液溫敏性的影響

測定了鹽的加入對P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物溫敏性的影響,不同鹽、不同濃度下對P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物溶液透光率隨溫度變化的影響.

2.6 pH對共聚物水溶液溫敏性的影響

分別測定了HCl和NaOH加入后對P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物水溶液溫敏性的影響.

圖2 4#樣品在CDCl3中的1H NMR圖Fig.2 1H NMR spectrum of sample 4#in CDCl3sample 4#:nMEO2MA:nOEGMA=90:10

3 結果與討論

3.1 聚合物的結構表征

圖2為P(MEO2MA-co-OEGMA)的核磁共振氫譜(1H NMR)圖:δ0.67-1.3(H,－C－CH3),1.67-1.75 (雜質H2O),1.75-2.0(H,－C－CH2－C),3.0-3.5 (H,－O－CH3),3.5-4.0(H,－O－CH2－CH2－O－),4.0-4.5(H,－CH2－OOC－),結果說明該產物為P(MEO2MA-co-OEGMA).21通過對峰面積進行計算,可得出產物中兩種單元的組成比,nMEO2MA/ (nMEO2MA+nOEGMA)計算結果分別為96.8%(2#)、94.7% (3#)、94.4%(4#)、89.9%(5#).

表1為通過GPC測定的聚合物數(shù)均分子量Mn及分子量分布.從表中可以看出,隨著OEGMA投料量的增加,聚合物分子量增加,5#樣品分子量反而變小,這可能由于合成5#樣品時OEGMA單體的投料量已經較大了,OEGMA單體體積較大、反應性有所降低所致.聚合物分子量分布不是很好,這可能與反應時間過長有關.將所測得共聚物樣品的LCST也列于表1中,可以看出其LCST隨OEGMA投料量的增加而升高.

3.2 聚合物的性質

3.2.1 P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物的溫敏性

表1 P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物性質Table 1 Properties of the P(MEO2MA-co-OEGMA) copolymers

圖3為1#、2#、3#、4#、5#五種不同組成聚合物水溶液透光率隨溫度的變化曲線,溶液濃度均為3 mg· mL-1.以曲線拐點開始和結束曲線中點所對應的溫度作為透光率所測的低臨界溶解溫度.由圖可以看出,對1#樣品PMEO2MA均聚物來說,其LCST約為26°C;對于2#、3#、4#、5#共聚物來說,其LCST分別為32、36、39和43°C.共聚物的LCST均高于PMEO2MA均聚物的LCST,說明OEGMA的引入量能對共聚物P(MEO2MA-co-OEGMA)的LCST進行調控,13其中3#樣品的LCST為36°C,接近人體生理溫度.隨著P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物中OEGMA量的增加,寡聚乙二醇單元中的醚氧鏈增多,導致側鏈親水性增強,能夠與水分子形成更多的氫鍵.要破壞聚合物分子鏈周圍這種有序的水結構,只有升高溫度獲得更多的能量,使聚合物鏈與水的相互作用減弱、側鏈間疏水相互作用加強,因此隨著P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物中OEGMA量的增加,其LCST升高.25

圖4為2#、3#、4#、5#四種不同組成聚合物水溶液粘度隨溫度的變化曲線,溶液濃度均為3 mg·mL-1.可以看出,四種共聚物溶液的粘度(η)隨溫度升高曲線都出現(xiàn)了拐點,以拐點開始和結束曲線中點所對應的溫度作為粘度所測的低臨界溶解溫度,記為LCSTη,2#、3#、4#、5#樣品的LCSTη分別為31.0、36.5、39.3和42.8°C.粘度法所測的LCSTη與透光率所測共聚物的LCST基本一致.在拐點以前溫度,溶液粘度較大且隨溫度升高幾乎不變,這是因為在拐點溫度以前,聚合物在水溶液中醚氧鏈均與水分子有氫鍵作用,當溫度升高至拐點溫度時,這種氫鍵作用被嚴重破壞,聚合物發(fā)生了從無規(guī)線團到塌縮球的轉變,25因此溶液的粘度急劇下降;當溶液溫度繼續(xù)升高,聚合物完全以塌縮球的形式存在于溶液中,此時溶液粘度趨于平穩(wěn).

圖3 共聚物水溶液的透光率隨溫度的變化Fig.3 Plots of transmittance as a function of temperature in the aqueous solutions of the copolymersC(copolymer)=3 mg·mL-1

圖4 共聚物水溶液的粘度隨溫度的變化Fig.4 Plots of viscosity as a function of temperature in the aqueous solutions of the copolymersC(copolymer)=3 mg·mL-1

圖5為1#、2#、3#、4#、5#五種不同組成聚合物水溶液中聚集體粒徑隨溫度的變化曲線,溶液濃度均為0.5%(w).由圖可以看出,聚合物水溶液的聚集體粒徑(D)隨溫度升高曲線也出現(xiàn)了拐點,同樣以拐點開始和結束曲線中點所對應的溫度作為粒徑法所測的低臨界溶解溫度,記為LCSTD,1#、2#、3#、4#、5#樣品的LCSTD分別為29.5、32.0、38.0、39.5和41.5°C,可以看出隨著共聚物中OEGMA投入量的增加,共聚物溶液對應的LCSTD也相應增加,LCSTD與透光率所測的LCST基本一致.隨著溫度的升高,分子周圍有序的水分子層被破壞,在各樣品的LCSTD溫度時,聚合物分子間疏水相互作用占優(yōu)勢,聚集體粒徑迅速增加.21

3.2.2 濃度對其溫敏性的影響

圖5 聚合物水溶液的粒徑隨溫度的變化Fig.5 Plots of diameter as a function of temperature in the aqueous solutions of the copolymersw(copolymer)=0.5%

研究了濃度對聚合物LCST的影響.圖6為1#、3#、5#樣品水溶液在不同濃度下透光率隨溫度的變化曲線.可以看出,三種聚合物水溶液均隨其濃度的降低,其LCST也有所降低,降低幅度比較小.這是由于隨著P(MEO2MA-co-OEGMA)濃度的增大,溶液中醚氧鏈結構單元的數(shù)目增加,醚氧鏈間疏水相互作用將有所增加,導致共聚物溶液的LCST隨濃度的增加有所降低.

3.2.3 外加鹽對共聚物溫敏性的影響

生物醫(yī)用高分子及其水凝膠是要在人體生理條件下使用,所以研究了鹽的加入對P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物溫敏性的影響.

3.2.3.1 不同鹽對共聚物溫敏性的影響

圖7為1#、2#、3#、4#、5#樣品鹽溶液的透光率與溫度的關系曲線.圖7A是加入NaCl后1#、2#、3#、4#、5#樣品水溶液的透光率隨溫度的變化曲線.可以看出,與共聚物水溶液相比較,加入NaCl后,1#、2#、3#、4#、5#樣品溶液的LCST都有所下降.加入鹽后,溶液中離子強度增大,使聚合物中醚氧鏈段與水分子之間的氫鍵作用減弱,產生脫水現(xiàn)象,導致聚合物的LCST降低.18圖7B是KCl對1#、2#、3#、4#、5#樣品水溶液LCST的影響.可以看出,加入KCl后,1#、2#、3#、 4#、5#樣品水溶液LCST也呈現(xiàn)下降趨勢.比較圖7A和7B可以看出其NaCl和KCl對共聚物水溶液LCST的影響相近,這是由于NaCl和KCl都是1-1價型的鹽,且兩者含有相同的陰離子(Cl-).圖7C是NaBr對1#、2#、3#、4#、5#樣品水溶液LCST的影響.可以看出,NaBr對1#、2#、3#、4#、5#樣品水溶液LCST的影響沒有NaCl和KCl的影響大.這是因為Cl-比Br-半徑小,與共聚物水溶液中水分子結合的能力要比Br-強,所以NaCl和KCl對于聚合物水溶液LCST的干擾就比NaBr大.

3.2.3.2 鹽濃度對共聚物溫敏性的影響

圖8是鹽濃度對1#、2#、3#、4#、5#水溶液LCST的影響.可以看出隨著鹽濃度的增加,1#、2#、3#、4#、5#水溶液的LCST逐漸降低,鹽種類不同其對P(MEO2MA-co-OEGMA)水溶液的LCST影響程度不同,曲線的斜率不同.NaCl、KCl、NaBr對共聚物溫敏性影響程度較小,其曲線斜率絕對值較小.Na3PO4對聚合物溶液的LCST影響程度較大,曲線斜率絕對值也較大.鹽對聚合物水溶液LCST的影響主要取決于外加鹽中陰離子的價數(shù),陰離子價數(shù)越高,對其LCST影響程度越大.

3.2.4 溶液pH值對共聚物溫敏性的影響

圖6 不同濃度共聚物水溶液的透光率與溫度的關系Fig.6 Plots of transmittance as a function of temperature in the aqueous solutions of copolymers with different concentrations

圖7 共聚物鹽溶液的透光率與溫度的關系Fig.7 Plots of transmittance as a function of temperature in the copolymer salt solutionsC(copolymer)=3 mg·mL-1;(A)1 mol·L-1NaCl,(B)1 mol·L-1KCl,(C)1 mol·L-1NaBr

圖8 LCST與鹽(2#)濃度的關系Fig.8 Plots of the LCST as a function of the concentration of the salts(2#)C(copolymer)=3 mg·mL-1

圖9 共聚物水溶液pH值對LCST的影響Fig.9 Plots of the LCST as a function of the pH of the copolymers aqueous solutionspH:(a)2.15,(b)7.00,(c)10.35;C(copolymer)=3 mg·mL-1

圖9是分別加入HCl和NaOH后對1#、2#、3#、4#、5#水溶液LCST的影響.加入HCl調節(jié)溶液的pH為2.15,與水溶液相比較,引入酸后1#、2#、3#、4#、5#水溶液的LCST有所降低.酸加入后,聚合物中醚氧鏈段與水分子及氫離子間競爭作用,削弱了醚氧鏈段與水分子間的氫鍵作用,這種被削弱了的氫鍵相互作用導致聚合物的LCST降低.加入NaOH調節(jié)溶液的pH為10.35,與水溶液相比較,NaOH的加入,使1#、2#、3#、4#、5#水溶液的LCST有所升高.堿的加入,使聚合物中醚氧鏈段與氫氧根負離子相互排斥,這樣更有利于醚氧鏈段與水分子之間的氫鍵相互作用,這種加強了的氫鍵相互作用導致聚合物LCST升高.

4 結論

采用ATRP方法合成了五種不同投料比的溫敏性共聚物P(MEO2MA-co-OEGMA).隨OEGMA投入量的增加,P(MEO2MA-co-OEGMA)水溶液的LCST逐漸升高,當MEO2MA與OEGMA的投料摩爾比為92:8時,共聚物P(MEO2MA-co-OEGMA)的LCST約為36°C.共聚物濃度降低時,其LCST升高.鹽的加入使得P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物水溶液的LCST降低,降低程度主要取決于所加鹽的陰離子價數(shù),陰離子價數(shù)越高,影響越大.共聚物水溶液的LCST也受溶液pH值的影響.HCl的加入使得共聚物水溶液的LCST降低,NaOH的加入使得共聚物水溶液的LCST升高.

(1) Gil,E.S.;Hudson,S.M.Prog.Polym.Sci.2004,29,1173.doi: 10.1016/j.progpolymsci.2004.08.003

(2) De las HerasAlarcón,C.;Pennadam,S.;Alexander,C.Chem. Soc.Rev.2005,3,276.

(3) Lutz,J.F.Polym.Int.2006,55,979.doi:10.1002/pi.2058

(4) Bonini,M.;Lenz,S.;Falletta,E.;Ridi,F.;Carretti,E.;Fratini, E.;Wiedenmann,A.;Baglioni,P.Langmuir 2008,24,12644. doi:10.1021/la802425k

(5) Qi,X.J.;Liu,S.X.;Liu,T.;Dang,L.;Yang,X.;Yu,W.N.; Wang,H.M.Acta Chim.Sin.2011,69,1803.[齊曉君,劉守信,劉 騰,黨 莉,楊 曦,雨薇娜,王紅梅.化學學報,2011, 69,1803.]

(6) Heskins,M.;Guillet,J.E.Macromolecules 1993,26,3156.

(7)Choi,Y.J.;Yamaguchi,T.;Nakao,S.Ind.Eng.Chem.Res. 2000,39,2491.doi:10.1021/ie9907627

(8) Zhang,S.;Liu,S.X.;Han,X.Y.;Dang,L.;Qi,X.J.;Yang,X. Acta Phys.-Chim.Sin.2010,26,2189.[張 颯,劉守信,韓曉宇,黨 莉,齊曉君,楊 曦.物理化學學報,2010,26,2189.] doi:10.3866/PKU.WHXB20100819

(9)Cai,T.;Marquez,M.;Hu,Z.B.Langmuir 2007,23,8663. doi:10.1021/la700923r

(10) Vihola,H.;Laukkanen,A.;Valtola,L.;Tehnhu,H.;Hirnoven,J. Biomaterials 2005,26,3055.doi:10.1016/j.biomaterials. 2004.09.008

(11) Han,S.;Hagiwara,M.;Ishizone,T.Macromolecules 2003,36, 8312.doi:10.1021/ma0347971

(12)Kitano,H.;Hirabayashi,T.;Gemmei-Ide,M.;Kyogoku,M. Macromol.Chem.Phys.2004,205,1651.doi:10.1002/macp. 200400135

(13) Lutz,J.F.;Hoth,A.Macromolecules 2006,39,893.doi: 10.1021/ma0517042

(14) Luzon,M.;Boyer,C.;Peinado,C.;Corrales,T.;Whittaker,M.; Tao,L.;Davis,T.P.J.Polym.Sci.Part A:Polym.Chem.2010, 48,2783.doi:10.1002/pola.24027

(15) Ishizone,T.;Seki,A.;Hagiwara,M.;Han,S.Macromolecules 2008,41,2963.doi:10.1021/ma702828n

(16) Zarafshani,Z.;Obata,T.;Lutz,J.F.Biomacromolecules 2010, 11,2131.

(17)Jonas,A.M.;Glinel,K.;Oren,R.;Nysten,B.;Huck,W.T.S. Macromolecules 2007,40,4403.doi:10.1021/ma070897l

(18) Stefaniu,C.;Chanana,M.;Wang,D.;Brezesinski,G.; Mohwald,H.J.Phys.Chem.C 2011,115,5478.

(19) Jiang,Y.Y.;Hu,X.L.;Hu,J.M.;Liu,H.;Zhong,H.;Liu,S.Y. Macromolecules 2011,44,8780.doi:10.1021/ma2018588

(20)Lutz,J.F.;Akdemir,O.;Hoth,A.J.Am.Chem.Soc.2006,128, 13046.doi:10.1021/ja065324n

(21) Lutz,J.F.;Weichenhan,K.;Akdemir,O.;Hoth,A. Macromolecules 2007,40,2503.doi:10.1021/ma062925q

(22) Lutz,J.F.;Andrieu,J.;üzgün,S.;Rudolph,C.;Agarwal,S. Macromolecules 2007,40,8540.doi:10.1021/ma7021474

(23) Liu,T.;Liu,S.Y.Anal.Chem.2011,83,2775.doi:10.1021/ ac200095f

(24) Zhang,M.;Müller,A.H.E.J.Polym.Sci.Part A:Polym. Chem.2005,43,3461.doi:10.1002/pola.20900

(25) Ji,W.X.Fine and Specialty Chemicals 2010,18(8),58. [計文希,精細與專用化學品,2010,18(8),58.]