基于大分子精确合成设计制备具有规整结构的功能聚合物网络的研究

摘要

功能性聚合物网络（水凝胶）作为新型生物材料具有质地柔软，功能多样等特点，受到广泛的关注。近20年来，已经开发了两亲性聚合物网络，温敏性聚合物网络，pH响应性聚合物网络，电场响应性聚合物网络，光响应性聚合物网络，磁响应性聚合物网络和多重响应性聚合物网络等，这些功能聚合物网络在药物控制释放，自修复材料，生物支架材料和智能传感材料领域中具有重要的应用价值。制备聚合物网络也有多种方法，主要有物理交联和化学交联，其中化学交联包括传统自由基聚合，“点击化学”和活性自由基聚合（原子转移自由基聚合(ATRP)，可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT))等。但是目前大多数聚合物网络结构不规整，聚合物网络内部存在大量的应力缺陷，导致聚合物网络机械性能差，限制了聚合物网络在生物材料特别是仿生器件中的应用。因此本论文分别采用“活性”自由基聚合和氨基-环氧开环聚合方法在大分子精确合成与设计的基础上，将可点击的官能团按照设计数目，精确地引入指定的位置，合成不同分子量且具有拓扑结构的多官能度大分子，再通过“点击化学”技术制备具有不同拓扑结构、不同功能系列的聚合物网络。具体如下所述:
　　(1)采用可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)和“点击化学”相结合，在线性聚合物末端精确控制末端交联点数目制备规整两亲性共聚物和聚合物网络。首先，以3-溴丙基马来酰亚胺和β-蒎烯为单体采用多步RAFT聚合制备在线性聚苯乙烯(PS)链末端精确引入特定数目的溴官能团;其次，将叠氮基团取代溴官能团，形成线性聚苯乙烯末端带有特定数目的叠氮官能团聚合物((N3)x-PS-(N3)x);最后，分别与末端带有炔基的聚乙二醇(PEG)单甲醚和聚乙二醇聚合物链通过铜催化叠氮-炔环加成“点击化学”（CuAAC）反应，制备具有规整结构的PS-PEG两亲性共聚物和两亲性聚合物网络结构(APCNs)。所制得的两亲性聚合物网络结构具有独特的亲水，疏水相分离的特性，并在不同极性溶剂中具有不同的溶胀行为。
　　(2)采用可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）和“点击化学”相结合，在线性聚合物链段中间精确控制交联点数和位置目制备规整两亲性聚合物网络。首先，以苯乙烯和3-溴丙基马来酰亚胺为单体采用多步RAFT聚合，将3-溴丙基马来酰亚胺精确引入聚苯乙烯链形成线性多嵌段聚合物;其次，将溴官能团转化为叠氮官能团，与通过氨基-环氧开环聚合制备的丙炔胺-聚乙二醇多嵌段共聚物，采用铜催化叠氮-炔环加成“点击化学”反应制备具有特定交联点数目和位置的规整结构的两亲性聚合物网络，所制得的两亲性聚合物网络具有独特的亲水，疏水相分离等特性。并且两亲性聚合物网络随着交联密度的增加，其具有更加优异的力学性能。
　　(3)采用原子转移自由基聚合（ATRP）和“点击化学”相结合制备精确控制交联结构且具有多重响应性规整聚丙烯酸-聚乙二醇合物网络。首先，采用原子转移自由基聚合制备具有不同分子量的四臂聚丙烯酸(PAA);其次，采用铜催化叠氮-炔环加成“点击化学”分别与末端带有炔基官能团的线性聚乙二醇(PEG)交联反应，制备不同交联密度的PAA-PEG多重响应水凝胶。该多重响应性水凝胶的物理性能和机械性能在不同pH和钙离子浓度下有规律的变化。随着pH的增加，多重响应PAA-PEG水凝胶的溶胀率显著增加，随着水凝胶中钙离子次级交联度的增加，水凝胶的溶胀率下降，储能模量增加，电导率上升，热稳定性增加，通过对规整PAA-PEG多重响应性凝胶进行生物毒性评价，多重响应PAA-PEG水凝胶具有良好的生物相容性，能在生物材料中应用。
　　(4)采用氨基-环氧开环在聚乙二醇末端和链中间精确控制交联点数，并采用硫醇-烯“点击化学”制备带有季铵盐官能团的规整抗菌型聚合物网络。首先，采用氨基-环氧开环反应分别在聚乙二醇聚合物链中和链末端接上双键官能团;其次，将聚乙二醇聚合物链上接枝季铵盐官能团，并分别与带有巯基聚乙二醇系列聚合物采用硫醇-烯“点击”制备具有季铵盐结构的抗菌性水凝胶。采用该方法制备的水凝胶其物理化学性能与凝胶内部交联结构和交联密度有很大关系，在聚乙二醇链末端接枝季铵盐官能团的抗菌水凝胶其内部交联结构的规整性优于在聚乙二醇链段中间接枝季铵盐官能团的抗菌水凝胶。通过抗菌测试表明，带有季铵盐的水凝胶能有效得杀灭金黄色葡萄球菌，因此可以作为抗感染的生物医用材料。
　　通过以上四种方法制备的具有可控分子结构的功能聚合物网络丰富了功能聚合物网络的制备方法，为探索聚合物网络在具有生物膜功能仿生器件中的应用提供了一种重要的合成途径。

目录

声明

摘要

本论文专用术语注释表

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 功能聚合物网络的应用

1．2．1 功能聚合物网络在药物输送和药物释放中的应用

1．2．2 功能聚合物网络在自修复材料中的应用

1．2．3 功能聚合物网络在生物支架降解材料中的应用

1．2．4 功能聚合物网络在传感材料中的应用

1．3 功能聚合物网络制备的方法

1．3．1 传统自由基聚合制备聚合物网络

1．3．2 “点击化学”制备聚合物网络

1．3．3 通过原子转移自由基聚合与“点击化学”相结合制备聚合物网络

1．3．4 可逆加成断-裂链转移聚合与“点击化学”相结合制备聚合物网络

1．3．5 氨基-环氧开环反应与“点击化学”相结合制备聚合物网络

1．4 功能聚合物网络制备目前存在的问题

1．4．1 传统自由基聚合制备功能聚合物网络存在的问题

1．4．2 “点击化学”制备功能聚合物网络存在的问题

1．4．3 活性自由基聚合与“点击化学”相结合制备功能聚合物网络存在的问题

1．4．4 氨基-环氧开环聚合与“点击化学”相结合制备功能聚合物网络存在的问题

1．5 本论文研究的目的和意义

第二章 采用RAFT精确控制聚合物末端官能团的数目制备规整两亲性聚合物网络

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 原料和试剂

2．2．2 化学试剂的精制

2．2．3 结构表征与性能测试

2．2．4 3-溴丙基马来酰亚胺(PBMI)的制备

2．2．5 链转移剂双十二烷基三硫代异丁酸乙二醇酯(EDBDCMP)的制备

2．2．6 聚乙二醇末端炔基化改性

2．2．7 RAFT聚合制备线性聚苯乙烯PS50

2．2．9 RAFT聚合制备线性功能聚苯乙烯(Br)2-PS50-(Br)2

2．2．10 RAFT聚合制备线性功能聚苯乙烯(Br)3-PS50-(Br)3

2．2．11 制备聚合物(N3)x-PS50-(N3)x(x=1，2，3)

2．2．12 采用“点击化学”制备PS-PEG两亲性聚合物

2．2．13 采用“点击化学”制备PS-PEG两亲性聚合物网络

2．3 结果与讨论

2．3．1 制备具有精确控制末端官能团数目的线性聚合物

2．3．2 聚合物(N3)x-PS50-(N3)x的合成

2．3．3 “点击化学”制备两亲性聚合物(PEG)x-PS50-(PEG)x

2．3．4 “点击化学”制备两亲性聚合物网络

2．4 本章小结

第三章 通过精确控制聚合物链上的交联点数目制备具有规整结构的两亲性聚合物网络

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 原料和试剂

3．2．2 化学试剂的精制

3．2．3 结构表征与性能测试

3．2．4 α，ω-二环氧基-聚乙二醇(DEPn)的合成

3．2．5 多炔基PEG衍生物(PEGn(C≡CH))m的合成

3．2．6 RAFT聚合制备线性聚苯乙烯PS50

3．2．7 RAFT聚合制备线性功能聚苯乙烯PS50Br2

3．2．8 RAFT聚合制备线性功能聚苯乙烯PS126Br4

3．2．9 RAFT聚合制备线性功能聚苯乙烯PS240Br6

3．2．10 制备线性聚合物PSx(N3)y(y=2，4，6)

3．2．11 采用“点击化学”制备两亲性聚合物网络APCN(PSx(PEG45)7)

3．3 结果与讨论

3．3．1 含有多个炔基的聚乙二醇聚合物的合成

3．3．2 3-溴丙基马来酰亚胺-聚苯乙烯多嵌段聚合物的合成

3．3．3 线性多嵌段聚合物侧基官能团叠氮化PSx(N3)y

3．3．4 通过“点击化学”制备两亲性聚合物网络APCN(PSx(PEG45)7)

3．3．5 两亲性聚合物网络APCN(PSx(PEG45)7)的溶胀率

3．3．6 两亲性聚合物网络APCN(PSx(PEG45)7)的流变行为

3．3．7 两亲性聚合物网络APCN(PSx(PEG45)7)的表面形貌

3．3．8 两亲性聚合物网络APCN(PSx(PEG45)7)的热性能

3．4 本章小结

第四章 采用原子转移自由基聚合(ATRP)和“点击化学”制备具有规整结构的多重响应性水凝胶

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 原料和试剂

4．2．2 化学试剂的精制

4．2．3 主要仪器与测试方法

4．2．4 ATRP引发剂的合成

4．2．5 制备端二炔基聚乙二醇(DAPEG45)2

4．2．6 采用ATRP制备四臂聚丙烯酸叔丁酯(PtBA-Br)4

4．2．7 四臂聚丙烯酸叔丁酯末端叠氮化(PtBA-N3)4

4．2．8 通过“点击化学”制备PtBA-PEG水凝胶(gel-PtBA-PEG)

4．2．9 Gel-PAA-PEG与Ca2+络合制备复合水凝胶

4．2．10 水凝胶gel-PtBA-PEG／gel-PAA-PEG溶胀率测试

4．2．11 水凝胶gel-PAA-PEG Ca2+次级交联度测试

4．2．12 水凝胶gel-PAA-PEG电导率测试

4．2．13 水凝胶gel-PAA-PEG降解率测试

4．2．14 水凝胶gel-PAA-PEG细胞存活率分析(MTT viability assay)

4．3 结果与讨论

4．3．1 凝胶gel-PAA-PEG的合成

4．3．2 水凝胶的溶胀率

4．3．3 钙离子次级交联

4．3．4 多重响应性水凝胶的热性能

4．3．5 多重响应性水凝胶的表面形貌

4．3．6 多重响应性水凝胶的流变行为

4．3．7 多重响应性水凝胶的电导率测试

4．3．8 多重响应性水凝胶的生物降解和细胞毒性测试

4．4 本章小结

第五章 采用环氧-氨基开环反应和硫醇-烯键“点击”反应制备季铵盐抗菌型水凝胶

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 原料和试剂

5．2．2 聚合物表征

5．2．3 合成三臂巯基聚乙二醇(3-armed PEG-SH)

5．2．4 合成四臂巯基聚乙二醇(4-armed PEG-SH)

5．2．5 合成3-溴丙酸酐

5．2．6 合成带双键的聚乙二醇PEG Pedant vinyl

5．2．7 合成带溴官能团的聚乙二醇PEG Pendant Br

5．2．8 合成带有季铵盐官能团的聚乙二醇PEG Pedant QA

5．2．9 合成聚合物Ts-PEG-Ts

5．2．10 合成聚合物N3-PEG-N3

5．2．11 合成聚合物NH2-PEG-NH2

5．2．12 合成末端带有双键的聚乙二醇PEG Chain-End vinyl

5．2．13 合成末端带有溴官能团的聚乙二醇PEG Chain-End Br

5．2．14 合成末端带有季铵盐官能团的聚乙二醇PEG Chain-End QA

5．2．15 抗菌水凝胶的制备

5．2．16 溶胀率测试

5．2．17 流变性能测试

5．2．18 压缩测试

5．2．19 水凝胶生物抗菌测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 合成带有季铵盐官能团的聚乙二醇PEG Pendant QA

5．3．2 合成末端带有季铵盐官能团的聚乙二醇PEG Chain-End QA

5．3．3 合成抗菌凝胶

5．3．4 抗菌水凝胶的机械性能

5．3．5 水凝胶抗菌测试

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 论文的创新点

6．3 展望

附图

参考文献

攻读博士学位期间研究成果，参与项目及获奖情况

致谢