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大分子组装是研究高分子之间、高分子与小分子之间、高分子与纳米粒子之间或高分子与基底之间的相互作用,并通过非共价健合而实现不同尺度上的规则结构的科学。从上世纪90年代起,在以大分子为组装单元的超分子化学领域,研究得最为深透的是嵌段共聚物溶液中的胶束化合本体中的相分离,但超分子化学或分子组装的著作或期刊中很少涉及大分子络合的研究,这可能主要是由于大分子络合物通常都是无规则的聚集体,这与人们对分子组装过程导致规则结构的共识是不同的。从90年代后期起,能否借助于大分子见的络合作用实现规则的组装的问题被提出。近几年来研究者的总结发现,其实通过大分子间或大分子-小分子间的特殊作用实现高分子胶束化的路径极为多样化,这是个前景广阔的新领域。
我们课题组曾独创性的提出了“非模板聚合法(core-template-free)”,将带负电的单体和聚合物或带正电的聚合物和单体通过化学聚合以及聚合物之间静电相互作用力在溶剂中直接自组装形成聚电解质复合物的纳米微粒,并成功将此法运用于壳聚糖-聚丙烯酸(CS-PAA),海藻酸-聚N,N-二乙基丙烯酰胺(ALG-PDEA)等复合纳米微粒的制备。为了进一步扩展“非模板聚合法”的使用范围,本论文的主要工作为将此方法推广至氢键体系。分别选取乙基羟乙基纤维素(EHEC)、羟丙基纤维素(HPC)为聚合物大分子,丙烯酸(AA)为单体,研究“非模板聚合法”在这两种体系中产生的不同的自组装结果:(1)EHEC/AA体系中获得了椭球形聚合物囊泡,并且由于形成囊泡的膜结构特殊性,这类聚合物囊泡在对渗透压的响应方面表现出活细胞的某些生理特点,对人工生物膜的模拟研究具有一定的指导意义;(2)HPC/AA体系中获得了具有pH和温度的双重敏感的特性的可控粒径的半互穿聚合物网络HPC-PAA纳米微粒。该纳米微粒能够通过简单的调节pH值方法成功转变为PAA中空纳米凝胶。具体研究内容如下:(1)在EHEC水溶液中直接聚合单体丙烯酸,利用EHEC和聚合过程中形成PAA两聚合物之间的氢键诱导复合物EHEC-PAA自组装形成椭球形囊泡,椭球的长径比为1.8。EHEC-PAA囊泡的尺寸可通过引发温度的调节得以控制,并且可控范围广泛,能够获得不同尺寸类型的囊泡,如小囊泡(SV,纳米级),大囊泡(LV,微米级),巨型囊泡(GV,几十微米级)。我们采用了电子显微镜、原子力显微镜、光学显微镜、扫描显微镜和激光共聚焦扫描显微镜等表征手段对EHEC-PAA囊泡进行了系统的形态结构表征,得出了EHEC-PAA囊泡为椭球形结构的结论,并提出了一种新型的适用于EHEC-PAA囊泡膜结构分子堆积模型。(2)系统地研究了EHEC-PAA囊泡对各类渗透压溶质产生的渗透压的响应情况,并通过实时观察了解囊泡对渗透压的整个响应过程。首次发现了EHEC-PAA囊泡在某些渗透压环境下可以“自我修复”,这一特性与细胞膜的离子通道有所类似,表明了EHEC-PAA囊泡可能作为生物模拟膜的应用前景。另外,本文还研究EHEC-PAA囊泡的融合和分裂现象。(3)利用水溶液中自由基聚合反应和交联反应,基于聚合物氢键相互作用,制备了具有半互穿网络结构的羟丙基纤维素(HPC)和聚丙烯酸(PAA)纳米微粒(HPC-PAA,NP),并且探讨和研究了它作为抗肿瘤药物载体的应用。HPC-PAA纳米微粒的制备方法简单、易操作,并且纳米微粒尺寸可控,具有温度和pH双重敏感性。(4)通过调节HPC-PAA纳米微粒所在体系的pH值,促使HPC与PAA之间的氢键连接消除,从而成功获得中空的具备pH敏感性PAA纳米凝胶。并且以牛血清蛋白(BSA)为模型药物,研究了PAA纳米凝胶与蛋白质BSA的结合能力。