多重响应型杂臂星和环状聚合物的控制合成及性能研究

摘要

拓扑聚合物的控制合成、性能研究及应用探索是当前高分子科学中的重要研究课题。众所周知，星形、环状、支化等非线型拓扑结构聚合物的物理化学性质与其内在结构具有密切的联系。同时，刺激断裂键和刺激响应链段的引入能进一步提升拓扑聚合物的功能和多样化应用。通过文献调研发现，迄今关于多重响应星形和环状聚合物合成及性能研究的实例较少。因此，目前亟需发展它们的简易合成方法，并系统阐述结构-性能-应用之间的内在关联。本文结合控制聚合和点击化学，分别制备了具有多重刺激响应性的三臂星形聚合物和环状聚合物，并探索其潜在生物性能、刺激响应性能和溶液相变行为。主要内容和结论如下：
　　1、多重刺激响应型星形聚合物的合成及生物性能研究
　　（1）结合开环聚合、可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合和叠氮-炔点击反应，合成了三臂星PEG-PCL-P(NIPAM-co-DMA)（S1-S3）和PEG-PCL-PDMA（S4）。这些聚合物中，缩醛键位于 PEG与核之间，二硫键位于P(NIPAM-co-DMA)与核之间，温敏链段为N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）和N,N-二甲基丙烯酰胺（DMA）的无规共聚物。通过调整温敏链段的长度可以改变最低临界共溶温度，各种聚合物的浊点分别为34.4（S1）、44.7（S2）、47.6（S3）和60.0 oC（S4）。
　　（2）采用S2与化疗药物紫杉醇（PTX）和光热制剂吲哚菁绿（Cypate）进行共组装，得到同时具有还原、pH、温度、近红外光多重响应的纳米粒子（MS-NPs），测试了聚合物胶束的粒径、形貌、稳定性及载药效率。DLS测试结果表明，胶束的流体力学直径为126 nm，粒径分布指数（PD）为0.051，符合被动靶向要求。同时，它们在不同刺激条件及血清环境中具有良好的稳定性。
　　（3）模拟生物体内环境，研究了不同刺激条件及近红外光诱导的体外药物释放性能。实验结果表明，MS-NPs对pH、还原、温度具有良好的响应性，在施加不同刺激时聚合物拓扑结构发生改变，药物累积释放量随之发生相应的变化。在同时施加三种刺激（45 oC、10 mM DTT、pH5.0）时，药物释放量大幅提高。采用近红外光刺激模拟生物体内药物释放行为，发现纳米粒子对近红外光具有显著的响应性。当固定光强为1.5 W cm?2，分别在不同时间点照射15 min时，药物累积释放速率比非温度响应对照组明显提高。
　　（4）考察了细胞摄取行为、细胞毒性及破膜效应，并研究了MS-NPs在体外细胞水平上的抑瘤活性。由于胶束适宜的粒径大小和较窄的粒径分布，其摄取量比游离态的药物要高3-4倍。通过MTT比色法探究材料本身及MS-NPs的细胞毒性，发现聚合物材料本身具有良好的生物相容性。MS-NPs光照下的IC50为1.8μg mL?1，比对照组显著降低。
　　（5）研究了MS-NPs体内的抑瘤活性。成功建立了4T1荷瘤小鼠模型，考察了MS-NPs在裸鼠体内的近红外荧光成像、组织分布、光热效应和抑瘤效果。近红外荧光成像实验结果表明，MS-NPs通过肿瘤血管的渗透滞留效应（EPR）具有一定的被动靶向性，药物能够较多地积累在肿瘤组织，组织分布结果进一步印证了上述结果。同时，发现MS-NPs在体内具有灵敏的近红外响应性，短时间光照即可以产生过高热现象。最后，通过小鼠肿瘤生长状态观测不同条件下的抑瘤效果，发现MS-NPs不仅能够促使肿瘤消融而且能够防止其复发，呈现出良好的光热治疗和化疗协同抑瘤作用。
　　2、多重刺激响应型环状PDMAEMA的合成及性能研究
　　结合RAFT聚合和紫外光照诱导的Diels-Alder加成反应，简单高效地合成了三例聚合度不同的环状聚甲基丙烯酸二甲氨乙酯（PDMAEMA）。紫外光照诱导关环反应具备诸多优势，如方便易控，不需要添加任何催化剂，反应温度低，空气的耐受性，处理方法简便等。线型及环状均聚物同时具备温度、pH、盐、二氧化碳等多重刺激响应性。同时，环状聚合物因其拓扑结构的特殊性，呈现出与相应线型前驱体不同的化学性质。选取L2、C2为典型样品，重点比较线型与环状聚合物热性质及刺激响应性的差异。发现环化后聚合物的玻璃化转变温度大幅升高（?Tg=51.8-59.7 oC），聚合物侧基的最大分解温度由309 oC降低到278 oC。以上结果说明拓扑结构对聚合物热性能影响非常大，因为环状聚合物中具有环状结构，且新形成的连接位点具有一定的刚性。同时，考察了聚合度、溶液浓度、盐浓度、pH、CO2等因素对L2、C2水溶液浊点的影响。通常C2的浊点比L2高，在相应条件下?Tc最大可以达到20.7 oC，表明拓扑结构对聚合物相变温度的重要影响。该研究为探索环状聚合物及其衍生物的性质和潜在应用奠定了坚实的基础。
　　综上所述，本文结合控制聚合和点击化学，成功合成了具有多重刺激响应性的三臂星形共聚物和环状均聚物，进一步丰富了非线型拓扑聚合物的种类。在此基础上，深入探究了三臂星细胞水平及生物体内的药物传输性能及环状聚合物物理化学性能与结构的内在联系。本研究的开展，为刺激响应型智能材料的控制合成及其潜在应用研究提供了重要的借鉴意义。

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第一章 文献综述

1.1 聚合方法简介

1.2 星形聚合物的合成方法介绍

1.2.1先臂后核法

1.2.2先核后臂法

1.2.3 偶联方法

1.3 环状聚合物的合成方法介绍

1.3.1 闭环法

1.3.2扩环法

1.3.3 线型与环状聚合物的性能差别

1.4 刺激响应型聚合物的合理设计

1.4.1酸刺激响应体系

1.4.2 还原刺激响应体系

1.4.3 温度敏感性体系

1.4.4 外部刺激体系

1.4.5 多重刺激响应体系

1.5本课题目的及意义

第二章 多重刺激响应型杂臂星的合成及生物性能研究

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验原料

2.2.2 PCL-b-P(NIPAM-co-DMA)和PCL-b-PDMA的合成

2.2.3 三臂星形聚合物的合成

2.2.4 LCST的测试

2.2.5 MS-NPs胶束的制备和表征

2.2.6体外药物释放研究

2.2.7 细胞摄取

2.2.9细胞毒性

2.2.10 吖啶橙染色

2.2.11 4T1细胞荷瘤裸鼠模型的建立及活体荧光成像

2.2.12抑瘤实验

2.2.13表征方法

2.3结果与讨论

2.3.1 PCL-b-P(NIPAM-co-DMA）和PCL-b-PDMA的合成

2.3.2星形聚合物的合成

2.3.3 LCST的测试

2.3.4胶束的制备和表征

2.3.5体外药物释放行为研究

2.3.6细胞摄取

2.3.7内吞途径

2.3.8 吖啶橙染色

2.3.9细胞毒性

2.3.10 近红外荧光成像及组织分布

2.3.11 胶束在裸鼠4T1肿瘤模型体内产生过高热的探究

2.3.12抑瘤实验

2.4 小结

第三章 多重刺激响应型环状均聚物的合成及性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 主要原料

3.2.2 线型PDMAEMA的合成

3.2.3 环状PDMAEMA的合成

3.2.4 环状聚合物季铵化后修饰

3.2.5 PDMAEMA水溶液浊点影响因素的探究

3.2.6 L2和C2聚集体的制备及表征

3.3 测试与表征

3.4 结果与讨论

3.4.1 线型和环状PDMAEMA的合成与表征

3.4.2 对环状聚合物进行季铵化后修饰

3.4.3 PDMAEMA温度响应性能影响因素的探究

3.4.4 PDMAEMA热性能的探究

3.4.5 PDMAEMA聚合物胶束的制备及表征

3.5小结

总结与展望

参考文献

文章录用及发表情况

致谢