具有光和温度响应性的两亲性嵌段共聚物及其制备方法

摘要

本发明属有机功能高分子材料领域，涉及一种含有光响应性和温度响应性基团的两亲性嵌段共聚物及其制备方法和其在溶液中形成可刺激响应聚集体的应用。所述的两亲性嵌段共聚物通过原子转移自由基聚合得到，并且能够在溶液中形成纳米级的聚集体材料。该材料的特点有：聚集体的尺寸达到纳米级，分布均一，并且能够通过光和温度进行调节和控制；能够在光和温度的单独或共同控制下实现对所包覆物质的可控释放。本发明提供的纳米级可控释放载体材料，可广泛应用在生物医学、化学催化和合成、传感器技术等领域。

说明书

技术领域

本发明属有机功能高分子材料领域，具体涉及一种含有光响应性和温度响应性基团的两亲性嵌段共聚物及其制备方法和其在溶液中形成可刺激响应聚集体的应用。

背景技术

两亲性嵌段共聚物因其具有的科学研究价值和潜在的广泛应用，在本领域受到了越来越多的关注。所述聚合物一般由亲水性的大分子链段和疏水性的大分子链段通过化学键连结而成。这种聚合物结构可控、性质特殊，能够通过自组装的方式形成高度规整的微结构，比如在选择性溶液体系中能够形成诸如胶束、囊泡和微球等聚集体；研究公开了在聚合物本体中基于不同嵌段的相分离和宏观质量迁移机理，会形成具有周期性结构的有序体系。有研究对上述由两亲性嵌段共聚物制备得到的有机功能高分子材料进行了大量的基础性研究和应用性研究。并由此材料制得的胶束、囊泡和微球作为药物、催化剂和某些化合物的载体应用于生物医学、化学催化和合成等方面。

近年来高分子合成方面的巨大进展，尤其是以原子转移自由基聚合(ATRP)、可逆加成-断裂-链转移聚合(RAFT)为代表的活性/可控自由基聚合方法的发展，为上述嵌段共聚物材料的制备提供了技术手段。另一方面，两亲性嵌段共聚物在溶液体系中的自组装理论、制备方法和表征手段日臻完善，为聚集体材料的制备打下了良好的基础。

随着基础研究的深入和实际应用的要求，研究者们开始关注具有外界刺激响应性的纳微米级聚集体材料。外界刺激因素主要包括化学作用和物理作用两个方面：化学作用主要有pH值、溶液组成、离子强度和溶剂极性等；物理作用主要有电场、磁场、光、声、温度和压力等。通过外界因素的刺激，可以实现对聚集体材料的微观和宏观上的性质的改变，比如微观形貌、尺寸的变化、相转变、宏观质量迁移等等。在溶液体系中，研究较多的是温度以及pH敏感性微聚集体。还有其他的刺激响应性的材料也应运而生，特别是随着光响应性的聚合物材料的不断出现，例如专利CN 101041779和CN 101225137中公开了两种化学结构不同的光致形变聚合物材料，从而对光敏感性聚合物在溶液体系中自组装聚集体的研究也应运而生。

有关光响应纳微米级聚集体的开发和应用处于起步阶段，主要是利用诸如偶氮苯基团的光响应性实现聚集体的光响应，比如光致融合、解离、形变、坍缩等，并进一步实现光控释放、催化、传感器等实际功能。同时光本身是一种非接触式的清洁能源，具有可远程定向定位及可调控等优势，是其他刺激形式所无法替代的，所以光响应性的聚集体有着广泛的应用前景，开发具有光响应特性的聚集体材料显得颇为重要，但是单一光响应性材料可能会有诸多局限性，会受到所处环境和相关条件的约束，以致限制了它的应用。专利CN 101041779公开了具有光和pH双重响应性的嵌段共聚物聚集体材料，由于温度是最基本的物理量之一，是自然界最基本的影响因素之一，实现光和温度的双重响应性，比如光和温度双重可控释放、催化、传感器等技术，在响应性智能材料的实际应用研究方面具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种含有光响应性和温度敏感性基团的两亲性嵌段共聚物。所述的共聚物具有式(a)的化学结构：

其中n为5-2500，i为0-500，j为0-500；X是卤素原子Br或者Cl；

R¹是H，或者是C₁～C₁₈的取代或未取代的烃基，所述的烃基是饱和的或者不饱和的，或上述烃基的衍生物；

R²是C₁～C₁₈的取代或未取代的烃基，所述的烃基是饱和的或者不饱和的，或上述烃基的衍生物；

R³是H，或者CH₃；

R⁴是C₁～C₁₈的取代或未取代的烃基，所述的烃基是饱和的或者不饱和的，烷氧基、烷硫基、烷氨基、二烷氨基、烷酰基、烷酰氧基、烷酰胺基或烷磺酰基，或上述基团的衍生物，或R⁴在(a)式中不出现；

R⁵是H，或者是C₁～C₁₈的取代或未取代的烃基，所述的烃基是饱和的或者不饱和的，或烷氧基或是具有极性的端基；

R⁶是H，或者是CH₃；R⁷选自以下基团中的一种：

本发明的另一目的是提供制备上述两亲性嵌段共聚物的方法，其包括如下步骤：

(1)大分子引发剂(d)的合成(参考专利CN 101434684中所述的方法)，该反应的方程式为：

(2)将大分子引发剂(d)、含有光响应基团的单体(e)、含有温敏性基团的单体(f)以及过渡金属卤化物及配体组成的催化剂混合，加入合适的反应溶剂，设定合适的反应温度和反应时间，根据ATRP原理得到两亲性嵌段共聚物，其反应的方程式为：

本发明中，单体e和单体f同时添加到体系中参加反应，得到的疏水链段是无规或交替结构；当先加入其中一种单体，后加入另一种单体，得到的疏水链段是嵌段结构，所述先后加入的两种单体可以任意选择其中的一种先加或后加。

在(2)所述过程中，大分子引发剂(d)和两单体(e、f)摩尔比是1∶10-1∶1000；过渡金属卤化物与大分子引发剂(d)的摩尔比是20∶1-1∶20；配体与过渡金属卤化物摩尔比是20∶1-1∶20；所述反应时间为0.5h-200h，反应温度为25℃-250℃；

所述反应溶剂选自极性或非极性的有机溶剂中一种或者几种混合，优选乙腈、三氯甲烷、丙酮、丁酮、环己酮、四氢呋喃、1，4-二氧六环、苯甲醚、N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺及二甲基亚砜中的一种或几种；

所述过渡金属卤化物选自铬Cr、铁Fe、镍Ni、铜Cu、钼Mo、钌Ru、铑Rh、钯Pd、铼Re或铱Ir卤化物中的一种或者几种，优选Fe、Ni或Cu卤化物中的一种或几种；

所述配体选自含磷或氮的有机物中的一种或者几种。

本发明根据专利CN 101434684中公开的方法制备得到聚集体材料，再通过蒸馏水透析或者常温挥发的条件下除去有机溶剂，成为纯水体系。

所述聚集体具有如下特点：尺寸范围为5nm-200nm，分布均一，形态均一，是长期稳定的球形胶束纳米聚集体。

所述的聚集体材料，在紫外光的照射下聚集体材料发生变形，疏松，解离破坏，当转换成可见光照射时，聚集体材料又恢复到初始状态。本发明的聚集体材料可在具有光响应特性领域中的应用，具体的应用包括但不限于光控释放、光催化、光开关及传感领域。

所述的聚集体材料还应用在温度响应领域中，其中，优选的升温速率在1℃/min和100℃/min之间，降温速率在0.1℃/min和40℃/min之间；在5℃-95℃范围内，聚集体材料的尺寸随着温度的变化而发生可逆的线性变化，即随着温度升高，聚集体材料的尺寸线性变小；随即当温度降低时，聚集体材料的尺寸线性增大；并且具有良好的可逆性和重复性。

本发明所述的聚集体材料具体的应用包括但不限于温度控制酶催化或药物释放、温度敏感性溶液环境、模板合成、温控开关及传感领域。10、如权利要求9所述的聚集体材料的应用，其特征是，

经实验结果显示，本发明实现了一种纳米聚集体材料纳米在光和温度单独或者共同控制下对所包覆油溶性物质的释放。以油溶性的尼罗红作为示范，便于利用荧光进行检测和表征。

其中光控制释放过程中，其特点是，通过紫外光和可见光的反复交替照射，可以实现油溶性包覆物质(尼罗红，荧光光谱检测)的释放。并且释放的量可控，调节光强可控制每一次释放的量在5％-40％之间变化；释放效率高，经过多次反复交替照射，最终释放的量最高可达90％。所用的紫外光波长为200nm-400nm，强度在1mW/cm²-300mW/cm²，优选为5mW/cm²-150mW/cm²；可见光波长在450nm-750nm，强度在0.5mW/cm²-300mW/cm²，优选为1mW/cm²-150mW/cm²。

其中温度控制释放过程中，其特点是，通过连续的升温降温反复进行，可以实现油溶性包覆物质(尼罗红，荧光光谱检测)的释放。并且释放的量可控，调节升温过程中的最高温度和升温降温速率，可控制每一次释放的量在3％-30％之间变化；释放效率高，经过多次反复变温，最终释放的量最高可达95％。所用变温速率是：升温速率在1℃/min和100℃/min之间；降温速率在0.1℃/min和40℃/min之间。

本发明提供了含有光响应性和温度敏感性基团的两亲性嵌段共聚物及在溶液中形成的聚集体材料的制备和在可控释放领域的应用。所述的两亲性嵌段共聚物是通过原子转移自由基聚合(ATRP)得到的，并且能够在溶液中形成纳米级的聚集体材料。该材料具有下述的特点：聚集体的尺寸达到纳米级，分布均一，并且能够通过温度进行调节和控制；能够在光和温度的单独或共同控制下实现对所包覆物质的可控释放。

本发明提供了一种新型的纳米级可控释放载体材料，可广泛应用在生物医学、化学催化和合成、传感器技术等领域。

附图说明

图1为两亲性嵌段共聚物的图形示意图；

图2为两亲性嵌段共聚物自组装形成聚集体材料的示意图；

图3为聚集体材料在光和温度双重控制下实现包覆物质释放的过程示意图；

图中主要符号含义为：

1为亲水性聚氧化乙烯链段，

2为含有光响应性和温度敏感性基团高分子链段，

3为胶束聚集体，

4为被聚集体材料包覆的油溶性物质。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

实施例1

合成含有光响应性基团的6-(4-(4-乙氧基苯基)偶氮苯氧基)己基甲基丙烯酸酯(MeA6AB2)单体(合成方法参考专利CN 101434684)。

首先在三颈瓶中依次加入4-乙氧基-4’-(6-羟基己氧基)偶氮苯1.2g，50mL TEA，150mL四氢呋喃(THF)，在快速的搅拌下缓慢滴加甲基丙烯酰氯3mL，在室温下反应4h，分离纯化得到6-(4-(4-乙氧基苯基)偶氮苯氧基)己基甲基丙烯酸酯纯品。

实施例2

合成大分子引发剂(合成方法参考专利CN 101434684)。

在三颈瓶中依次加入10g聚乙二醇单甲醚(数均分子量为2000)，100mL二氯甲烷和10mL三乙胺(TEA)，冰水浴冷却。将3.2g二甲氨基吡啶和5mL 2-甲基-2-溴代丙酰溴混合，并用5mL二氯甲烷溶解稀释，然后缓慢滴加到上述溶液中，室温下反应4h。分离提纯后得溴代端基的聚乙二醇单甲醚大分子引发剂(PEO-Br)纯品。

实施例3

合成两亲性嵌段共聚物。

在25mL聚合管中加入200mg实施例2中所合成的PEO-Br大分子引发剂，50mg实施例1中所合成的MeA6AB2单体，50mg N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)单体，2mg CuCl和5μL三(N，N-二甲氨基乙基)胺，10mL 1，4-二氧六环，经过三次“冷冻-抽气-解冻”循环过程，将管封住。55℃下油浴反应10h。用凝胶渗透色谱测得数均分子量为1.6×10⁴，多分散系数为1.12。

实施例4

制备由两亲性嵌段共聚物构成的聚集体材料。

将实施例3中得到的两亲性嵌段共聚物用THF配成10g/L溶液，往该溶液中以500μL/s的速率滴加蒸馏水，至水体积含量达到50％，在蒸馏水中透析除去THF得到纯水体系的胶束聚集体溶液。

实施例5

制备包覆有油溶性物质(以尼罗红作为模拟物质)的纳米级的胶束聚集体。

将实施例3中得到的两亲性嵌段共聚物用THF配成1g/L溶液0.5mL，加入10mg尼罗红，往该溶液中以500μL/s的速率滴加蒸馏水共5mL。此时溶液浑浊，过滤除去悬浮在溶液中的尼罗红，蒸馏水透析除去THF得到纯水体系的胶束聚集体溶液。

实施例6

由实施例4得到的聚集体材料的温度响应性。

取按实施例4制备得到的聚集体溶液1mL，从25℃开始以30℃/min的速率升温到55℃，每隔五分钟利用动态光散射测定粒径，再以10℃/min的速率降温到25℃，在相同的数据点利用动态光散射测定粒径。

实施例7

实施例5得到的聚集体材料在光控制下的释放过程。

取按实施例5制备得到的聚集体溶液1mL。用100mW/cm²紫外光进行照射1min，紧接着用50mW/cm²可见光进行照射1min，如此反复进行多次，并用荧光分光光度计检测尼罗红的释放过程。

实施例8

实施例5得到的聚集体材料在温度控制下的释放过程。按实施例5制备得到的聚集体溶液1mL。从25℃开始快速升温到55℃，之后迅速降温到25℃，如次反复多次，并用荧光分光光度计检测尼罗红的释放过程。