PACMO-b-PDPA两亲性嵌段聚合物的合成及其纳米自组装

陈莉;杨雪;赵军强;赵义平

【摘 要】为了制备pH响应型聚丙烯酰吗啉基纳米药物载体,通过两步可逆加成-断裂链转移(RAFT)活性自由基聚合方法制备了一系列具有不同PDPA链段长度的聚丙烯酰吗啉-b-2-(二异丙基氨基)乙基甲基丙烯酸酯(PACMO-b-PDPA)两亲性嵌段聚合物.采用红外光谱、核磁共振氢谱、凝胶渗透色谱等对产物的结构进行了表征;采用动态光散射、透射电镜等对聚合物在水溶液中自组装形成的纳米粒进行了表征.结果表明:该聚合物符合RAFT活性聚合的根本特征,分子质量可控且分布较窄(Mw/Mn值<1.2);自组装形成的纳米粒为均匀的球形,并且平均粒径均小于200 nm,满足纳米药物载体的粒径要求.%For the preparation of pH-responsive Poly (N-acryloylmorpholine) based nano-drug carriers, a series of am-phiphilic block copolymer poly(acryloyl morpholine)-b-poly(2-(diisopropylamino)ethyl methacrylate) (termed as PACMO-CTA and PACMO-b-PDPA) with different PDPA chain length were synthesized via two-step re-versible addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. The structure of the products were char-acterized by Fourier transform infrared spectrum(FT-IR), proton nuclear magnetic resonance (1H-NMR)spec-trometry , gel permeation chromatography(GPC). The results showed that the molecular weight of the polymers were controlled and the molecular weight distribution was narrow (Mw/Mn<1.2) in accordance with the funda-mental characteristics of RAFT active

polymerization. Moreover, the nanoparticles formed by self-assembly were

spherical and the average particle size were less than 200 nm, which meet the requirement of nano-drug carriers. 【期刊名称】《天津工业大学学报》 【年(卷),期】2017(036)003 【总页数】5页(P1-5)

【关键词】聚丙烯酰吗啉;聚2-(二异丙基氨基)乙基甲基丙烯酸酯;自组装;纳米粒 【作 者】陈莉;杨雪;赵军强;赵义平

【作者单位】天津工业大学 材料科学与工程学院,天津 300387;天津工业大学 省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室,天津 300387;天津工业大学 材料科学与工程学院,天津 300387;天津工业大学 省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室,天津 300387;天津工业大学 材料科学与工程学院,天津 300387;天津工业大学 省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室,天津 300387;天津工业大学 材料科学与工程学院,天津 300387;天津工业大学 省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室,天津 300387

【正文语种】中 文 【中图分类】TQ463

聚合物纳米粒是两亲性聚合物在水溶液中通过一定的相互作用自组装形成的，两亲性聚合物的分子结构中同时含有亲水段和疏水段，聚合物中的亲水性链段伸展在水溶液中形成壳，疏水性链段则聚集成核[1-4].两亲性聚合物分子在水溶液中发生自组装形成纳米粒的主要驱动力是界面自由能的降低[5]，疏水性链段在水溶液中聚集成核的直接驱动力是疏水作用、静电作用、配位络合作用、分子间作用力等[6].

聚丙烯酰吗啉（PACMO）同时包含亲水的吗琳基团和疏水的碳链结构，其既可以溶于水，又可以溶于大多数有机溶剂，其亲水性和生物相容性极佳，毒理学实验证实其无毒，免疫原性低，安全可靠，对蛋白质吸附和细胞粘附有排斥性能[7-9]，这些特性使其成为一种极具生物医药潜力的高分子材料.聚2-（二异丙基氨基）乙基甲基丙烯酸酯（PDPA）[10-11]具有pH敏感性，在pH为7.4条件下呈现为疏水性，在肿瘤组织和微环境弱酸条件下可以发生疏水性到亲水性的转变，以其为疏水链段的纳米载体可有效提高抗癌药物的生物利用度.近来许多报道称PEG表面修饰的纳米颗粒会在体内诱导产生PEG抗体，二次注射后会加速血液清除现象.两性离子表面修饰的纳米颗粒合成困难.为此设计合成PACMO基纳米药物载体很有意义.

本课题通过两步可逆加成断裂链转移（RAFT）自由基聚合方法，拟制备结构可控的两亲性PACMO-b-PDPA嵌段聚合物[12-14]，并对其化学结构进行表征. 1.1 实验药品与仪器

所用药品包括：丙烯酰吗啉（ACMO），分析纯，嘉兴思诚化工有限公司产品；2-（二异丙基氨基）乙基甲基丙烯酸酯（DPA），纯度99%，天津希恩思生化科技有限公司产品；4-4’偶氮双（4-氰基戊酸）（ACVA），化学纯，天津市光复科技发展有限公司产品；氘代氯仿，纯度98%，北大大北公司产品；1，4-二氧六环，分析纯，天津市光复科技发展有限公司产品；乙醚，分析纯，天津风船化学试剂有限公司产品；四氢呋喃，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司产品；三硫代十二烷酰-2-氰基异丙酸酯（CTA），参照文献[15]合成，并对其进行了核磁表征.

所用仪器包括：傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，TENSOR 37）、核磁共振波谱（1H-NMR，AVANCE 300 MHz）、纳米粒径电位分析仪（DLS，ZS-90），瑞士Bruker公司产品；凝胶渗透色谱仪（GPC，Viscotek 270），英国 Malvern

公司产品；透射电镜（TEM，H-7650），日本日立公司产品. 1.2 嵌段共聚物PACMO-b-PDPA的制备 制备嵌段共聚物PACMO-b-PDPA如图1所示. 1.2.1 大分子链转移剂（PACMO-CTA）的合成 大分子链转移剂的制备流程如图1中第1步所示.

将 ACMO 单体（10g，70.84mmol）、RAFT 试剂CTA（0.673 g，1.67 mmol）、引发剂 ACVA（0.156 g，0.56 mmol）以及1，4-二氧六环溶剂（40 g）加入到Schlenk反应管中，密封；液氮冷冻，抽真空，通入高纯氩气，如此反复操作3次后，将反应管置于70℃油浴锅中，反应12 h，液氮淬冷终止反应，在过量乙醚中沉淀，抽滤得到淡黄色粉末状固体，25℃条件下真空干燥至恒重. 1.2.2 嵌段聚合物PACMO-b-PDPA的合成

嵌段聚合物PACMO-b-PDPA的反应方程式如图1中第2步所示.以PACMO-b-PDPA5K的合成步骤为例：称取大分子链转移剂PACMO-CTA（0.8 g，0.146 mmol）、引发剂 ACVA（0.013 6 g，0.049 mmol）、第二嵌段单体 DPA（0.729 g，3.42 mmol）以及 1，4-二氧六环溶剂（8 g）加入到Schlenk反应管中，密封，液氮冷冻，抽真空，通入高纯氩气，如此反复操作3次后，将反应管置于70℃油浴锅中，反应18 h之后，液氮淬冷以终止反应.将反应后的溶液装入透析袋（截留分子质量为1 000）中透析48 h，冻干得到白色絮状物质，即为PACMO-b-PDPA5K两嵌段聚合物. 1.3 聚合物NPs的制备

采用纳米沉淀技术制备NPs：称量10 mg PACMO-b-PDPA聚合物，将其完全溶解在一定量的四氢呋喃（THF）中，在磁力搅拌下，将其缓慢滴加到pH为7.4的PBS缓冲液中，滴加完毕后室温搅拌过夜使THF完全挥发，即可得到1 mg/mL的PACMO-b-PDPA纳米组装体溶液.

1.4 结构表征

采用溴化钾压片法，用TENSOR 37型傅里叶变换红外光谱仪对样品进行红外测试表征，测试条件为25℃，波数范围为4000～500cm-1.用AVANCE300MHz型核磁共振波谱（1H-NMR）仪对氘代氯仿（CDCl3）溶解的样品进行测试表征，测试条件均为25℃，四甲基硅烷（TMS）为内标.

在25℃条件下，采用Viscotek 270型凝胶渗透色谱仪（GPC）测定样品的分子质量及其分布（Mw/Mn）.其中，以聚苯乙烯为标样，DMF为淋洗液，流速为1.0 mL/min，实验仪器为示差折光检测器.

采用纳米粒径电位分析仪（DLS）测定自组装得到的纳米粒的粒径大小及分布，扫描波长为532nm，散射角为90°，检测温度为37℃，溶液质量浓度为1.0 mg/mL，每次反复测试3次，取其平均值作为测试结果.

采用透射电镜（TEM）测定纳米粒的形态，其加速电压为100 kV. 2.1PACMO-CTA的化学结构表征

聚合物的核磁共振技术和GPC测试是表征活性/可控自由基聚合常用的2种测试方法.图2所示为CTA和PACMO-CTA的1H-NMR图.

由图2可见，与CTA的核磁谱图相比，PACMOCTA的核磁谱图在3.2×10-6～3.8×10-6处出现了新峰，这个峰是聚丙烯酰吗啉中吗啉环的氢质子特征峰.由此得知，大分子链转移剂PACMO-CTA已被成功合成.化学位移0.89×10-6是RAFT试剂CTA中端甲基的氢质子特征峰，因此通过CTA中端甲基和PACMO-CTA中吗啉环的氢质子特征峰面积之比，可以计算PACMO-CTA中ACMO的聚合度为36，转化率为84.7%，通过核磁计算的Mn为5.49×103.

单峰和窄分子质量分布是RAFT聚合产物的主要特征之一，图3和表1为所制备聚合物的GPC谱图和分子量及其分子量分布数值.从图3中可以看出PACMO-CTA的GPC谱图呈现单峰，且近似对称分布.由表1可以看出PACMO-CTA的

Mn理论设计值与1H-NMR测试结果值非常相近，分子量分布指数Mw/Mn为1.16，符合RAFT活性聚合的根本特征，说明已经成功合成了化学结构可控且分子量分布窄的PACMO-CTA大分子链转移剂. 2.2PACMO-b-PDPA的化学结构表征

以PACMO-CTA为大分子链转移剂，通过控制投料比可制备具有不同PDPA链段长度的两亲性嵌段聚合物PACMO-b-PDPA.图4所示为所制备聚合物的FT-IR谱图.

从图4中可以看出，PACMO-CTA所对应的谱图在2 962～2 856 cm-1处为饱和碳氢键（—C—H）的伸缩振动吸收峰，1 640 cm-1处为酰胺键中的羰基（—C＝O）的伸缩振动吸收峰，1 444 cm-1处为碳氢键（—C—H）的面内弯曲振动吸收峰，1 116 cm-1处为吗啉环上碳氧键（—C—O—C—）的伸缩振动吸收峰.由此可以判断PACMO-CTA被良好的合成.与图中PACMO-CTA的FT-IR谱图相比，PACMO-b-PDPA所对应的谱图在1 727 cm-1处出现了PDPA所含酯键的羰基（—C＝O）的伸缩振动吸收峰，而且随着PDPA链段的增长，2 968 cm-1和1 727 cm-1所对应的特征峰强度呈现出明显的增强趋势；而且1 727 cm-1和1 640 cm-1所对应的特征峰面积之比进一步增大.FT-IR测试结果表明通过RAFT聚合方法成功合成具有不同链段组成的PACMO-b-PDPA. 图5为具有不同结构组成的PACMO-b-PDPA的1H-NMR谱图.

由图5可见，与PACMO-CTA的1H-NMR谱图相比，在化学位移 3.82× 10-6、3.0× 10-6、2.6× 10-6处分别出现了新的PDPA所含氢质子特征峰，而且随着PDPA链段长度的延长，相对峰强度也在变大.同时，通过PACMO吗啉环的氢质子特征峰（3.2×10-6～3.8×10-6）和PDPA所含异丙基叔碳质子特征峰（3.0×10-6）二者面积之比，可以计算聚合物中PDPA的聚合度，进而计算聚合物的分子量，测试结果如表1所示.从表1中可以看出所合成的PACMO-b-PDPA

理论设计分子量和经1H-NMR测试的分子量几乎一致，说明ACMO和DPA这2种单体进行RAFT聚合反应时，均具有很高的化学反应活性，转化率很高.同时从图3中也可以看出，具有不同结构组成的PACMO-b-PDPA的GPC测试曲线均呈现了单峰，且近似对称分布，而且分子量分布较窄（表1）.综上所述，ACMO和DPA的RAFT聚合反应符合活性聚合的特征，因此通过两步RAFT聚合便可制备化学结构可控的两亲性嵌段共聚物PACMO-b-PDPA. 2.3 聚合物NPs的粒径和形貌分析

两亲性PACMO-b-PDPA嵌段共聚物自组装形成的NPs的粒径大小、分布和形貌，分别通过DLS和TEM进行了测试表征，结果如表2和图6、图7所示.

从图6和表2中可以看出，3种聚合物NPs的分布指数PDI均较窄，粒径大小随着PDPA链段长度增长而增大，这是由于疏水链段增大时，由其自组装形成的NPs的内核越大，从而使粒径增大.从图7中可以看出，自组装得到的不同NPs形态均为近似的球形，分散较为均匀，且随着PDPA链段长度的增大粒径也在变大.同时对比同一聚合物的TEM图和DLS测试图可以发现，TEM图测试的粒径要比DLS测得的小，这是由于DLS是测的湿态下的NPs粒径，而TEM测的是干态下的NPs粒径，在TEM制样过程中水分蒸发造成外壳收缩导致粒径变小. （1）利用合成的RAFT试剂，通过两步RAFT聚合方法，成功合成了一系列具有不同PDPA链段长度的两亲性嵌段聚合物PACMO-b-PDPA，通过FT-IR、1H-NMR和GPC对其化学结构进行了表征，得知其符合RAFT活性聚合的根本特征，分子量结构可控、分子量分布较窄（Mw/Mn值 ＜1.2）.

（2）通过纳米沉淀技术，成功制备了具有不同PDPA链段长度的PACMO-b-PDPA NPs，对其进行粒径和透镜测试，得知其形态近似球形，并且NPs粒径随着PDPA链段长度增大而变大，因此通过RAFT聚合方法制备的结构可控两亲性嵌段聚合物可以调控聚合物NPs的大小和形态.并且NPs粒径均小于200 nm，满

足纳米药物载体在体内循环中的粒径要求，证实pH响应型聚丙烯酰吗啉基纳米药物载体被成功合成.

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