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pH响应和温度响应的高分子具有良好的环境感应功能,可以通过调节外界pH或温度使高分子体系的静电、氢键、疏水相互作用等分子间的相互作用发生改变,从而得到各种各样具有丰富形貌或性质的智能响应材料,并被广泛应用于生物医学、生物工程和细胞学等领域。本论文利用红外光谱和核磁技术探讨了智能高分子环境响应的分子间相互作用,以PEO-PPO-PEO温度响应以及壳聚糖、聚丙烯酸pH响应的作用机理为基础,将壳聚糖和PEO-PPO-PEO嵌段共聚物环境响应、结构可控和生物相容等优点应用到纳米材料的合成和功能化中,开发出pH响应的磁性分离载体、粒径可控的双响应载药胶团和双响应磁性纳米载体。进一步利用各种光谱技术和其他分析检测技术,揭示了环境因素(pH、温度、离子强度等)对纳米材料性质的调控机理。研究内容主要包括以下四个方面:
(1)通过在Fe3O4纳米颗粒表面共价修饰CMCH成功合成了具有pH响应的MagCMCH磁性分离载体。其等电点pI为5.75左右,将其用于漆酶的吸附分离发现:MagCMCH载体在酸性条件下(pH5)对漆酶有较高的吸附容量(186.79 mg/g),并且当pH值调整到弱碱性条件的时候,载体对漆酶的解吸率很高,达到97％。载体在循环使用6次以后,吸附容量保持在原有吸附容量的80％以上。将载体用于实际发酵体系中漆酶的提纯,结果表明,通过调节环境的pH值可以选择性地分离漆酶。在吸附pH值为4的时候,酶活回收可以达到63％,并且漆酶的纯度与Sigma公司的漆酶标准品纯度相近。这种带有pH响应的磁性分离载体可以为蛋白的分离纯化提供一种简单的一步吸附解吸的方法。
(2)与日本Yusa博士合作,设计合成了两端PAA改性的Pluronic嵌段共聚物PAA-b-PEO-b-PPO-b-PEO-b-PAA,该嵌段共聚物具有温度和pH响应相转变行为。用红外光谱和核磁技术研究了该嵌段共聚物温度和pH响应的相变过程,发现该嵌段共聚物温度和pH响应的相变过程是通过影响该嵌段共聚物分子内的氢键来实现的。升高温度以及提高pH值都可以破坏聚合物分子内COOH之间以及COOH与C-O-C之间氢键,从而促使聚合物分子链段发生构象转变,导致聚合物水溶液相转变的发生。其中,COOH与C-O-C之间形成的羧基与醚氧基间氢键对聚合物水溶液相变过程起决定性作用。低温以及低pH值条件下,COOH与C-O-C之间形成强氢键,嵌段共聚物链段之间相互缠绕附着而析出,导致相分离。随着温度不断升高,COOH与C-O-C之间的氢键发生断裂,缠绕的链段相互分离,PAA链段上的亚甲基与水结合形成氢键使得PAA链段变得更加亲水,嵌段共聚物在两亲平衡的推动下形成小簇聚集体,使聚合物水溶液从相分离状态向微相分离状态转变,宏观表现为溶解度增大,透光率增加。pH值增大可使羧基与醚氧基间氢键断裂临界温度Tc以及嵌段共聚物PAA—b-P65-b-PAA发生聚集的临界聚集温度CAT降低,降低聚合物浓度也可以使醚氧基间氢键断裂临界温度Tc降低。
(3)合成了壳寡糖CSO改性的Pluronic接枝共聚物(CSO-g-Pluronic),该聚合物具有温度依赖和pH响应胶团化性质。在温度升高至30℃左右时,CSO-g-Pluronic接枝共聚物胶团的平均水力学半径从120nm大幅下降到20nm。这一温度依赖的体积转变,是由于高温下嵌段共聚物Pluronic链段脱水引发了CSO-g-Pluronic接枝共聚物在水溶液中的自组装。当pH环境由中性(pH7.2)变为弱酸性pH4.75)时,由于酸性条件下聚合物CSO链段间存在静电排斥导致胶团被溶胀,CSO-g-Pluronic接枝共聚物胶团的水力学半径增加了近67％。将聚合物的双响应性质用于抗癌药物多柔比星的负载释放发现,通过对温度和pH值的调整,可以调控CSO-g-Pluronic聚合物的胶束结构,使得多柔比星可在肿瘤或炎症组织(酸性环境)优先释放,在人体温度附近实现药物持续释放。
(4)合成了pH响应型壳寡糖作为内壳和温度响应型嵌段共聚物PEO-PPO-PEO作为外冠修饰的磁性纳米颗粒,该纳米颗粒具有温度和pH双响应的可逆自组装聚集行为。在室温下(20℃),在较高或较低的pH值(pH9或pH6.5)时,纳米粒子呈现单独分散；但在等电点(pH值7.93)时,纳米粒子自组装形成小簇聚集体。此外,在pH为6.5时,MCP纳米粒子的平均水力学半径随温度升高而下降,因为在此pH值下,MCP表面由于带电(+37mV)而不相互聚集,温度升高使MCP颗粒表面的Pluronic由舒展变得卷曲,从而水力学半径下降；当pH为7.93时,MCP纳米粒子的平均水力学半径却随温度增加而增加,由于在此pH值下颗粒表面基本不带电,温度升高引发MCP颗粒表面的Pluronic自组装使颗粒表面呈疏水性,颗粒之间由于疏水相互作用而相互聚集。MCP纳米颗粒的自聚集行为可以很容易地通过调整pH值或温度来实现逆转。此温度和pH响应性使得MCP作为药物载体可以实现人体温附近的药物持续释放,以及弱碱性环境组织内药物的控制释放,超顺磁性性质使其还具有靶向药物的功能。