基于胆甾醇和半乳糖构建功能性环状聚合物及其性质研究

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基于拓扑结构聚合物构建新型功能高分子材料一直备受科学家的关注。作为一种典型的拓扑结构,环状聚合物由于没有链末端基,因而与其线性前体相比表现出很多不同的本体和溶液性质,引起了科研工作者广泛的关注。早期,环状聚合物的研究主要集中在一些基础物理性质和理论模型的构建上。近年来,得益于合成技术的丰富和发展,特别是“活性”/可控自由基聚合和“点击”化学的灵活运用,一些具有特定性质的功能性环状聚合物相继被报道出来,环状聚合物独特的或改进的性能激励着科研工作者在这一领域开展更为广泛而深入的研究。探索拓扑结构对聚合物性质的影响,可以促进我们对聚合物结构与性质之间构效关系的深刻理解,同时也为开发新型功能材料提供理论支撑。本论文主要从功能性环状聚合物的合成和性质研究出发,以具有生物活性的胆甾醇和半乳糖作为功能基团,采用“活性”/可控自由基聚合(RAFT和ATRP)与CuAAC“点击”反应相结合的方法设计和合成系列功能性环状聚合物,考察环状拓扑结构对聚合物液晶、溶液自组装、含糖聚合物与凝集素多价结合等性质的影响。研究内容具体如下:(1)设计合成了炔基功能化的RAFT试剂以及具有和RAFT试剂R基团一样的炔基结构的引发剂ACVAP,通过RAFT聚合制备了三种具有不同柔性间隔亚甲基数(m=2,6,11)的侧链含胆甾醇基的液晶聚合物。随后,在一锅中同时进行氨解/迈克尔加成反应得到两端分别含有叠氮和炔基的线性聚合物。最后在极稀的条件下,线性聚合物分子内CuAAC关环得到环状液晶聚合物。通过GPC、1H NMR、TD-GPC、FT-IR对其化学结构进行了明确的表征。然后通过DSC、POM、SAXS对环状和线性聚合物的液晶性质进行了考察。结果表明环状和线性液晶聚合物都可以形成近晶相,并且具有相同的层间距,但环状液晶聚合物较其线性前体具有较低的液晶相转变温度、焓变值及熵变值,并且环状液晶聚合物的纹影织构比线性液晶聚合物的要小一些。此外,当侧链柔性间隔亚甲基数为11时,环状液晶聚合物比线性液晶聚合物更倾向形成近晶C相。(2)首先通过RAFT聚合制备了一系列不同亲疏水嵌段比例的侧链含胆甾醇基的两亲性刷状液晶嵌段共聚物linear PChEMA-b-POEGMA,然后在THF/H2O,1,4-dioxane/H2O,DMF中较为细致地考察了其溶液自组装行为。以THF为共溶剂,当加水量较低时,linear PChEMA-b-POEGMA组装形成球形胶束,当加水量提高时,则转变为巨大的囊泡结构,并且随着疏水嵌段含量的提高,这一形貌转变现象提前发生。以1,4-dioxane为共溶剂,随着疏水嵌段含量的提高,可以依次得到球形胶束、短的柱状胶束、纳米纤维、带有流苏状的片状结构和椭球形囊泡,除球形胶束外,其它组装体结构都具有近晶型内核。此外,在DMF中则可以得到柱状胶束。这些结果证明linear PCh EMA-b-POEGMA是一种简单而便捷的制备多种形貌和功能性的的胶束化聚集体的模型分子。基于上述研究结果,最后,我们参照上述形成柱状胶束的亲疏水嵌段比例重新合成了两组嵌段共聚物,然后结合CuAAC“点击”反应制备了两种不同亲疏水嵌段比例的两亲性环刷状液晶嵌段共聚物cyclic PChEMA13-b-POEGMA15和cyclic PChEMA18-b-POEGMA14,考察其在1,4-dioxane/H2O中的溶液自组装行为。发现环状聚合物形成的是囊泡和其它聚集体,而其线性前体则分别形成了具有近晶型内核的短的柱状胶束和纳米纤维,这是由于环状拓扑结构降低液晶基元排列的有序性造成的。该研究为拓扑结构两亲性液晶嵌段共聚物结构与性质的关系提供了新的认识。(3)首次通过ATRP和CuAAC“点击”反应及脱保护策略制备了三种不同分子量的半乳糖功能化的环状含糖聚合物,通过GPC、1H NMR、FT-IR、MALDI-TOF MS等测试手段对环状聚合物的化学结构进行了明确表征,丰富了拓扑结构含糖聚合物的种类。用浊度法测试发现由于环状拓扑结构的约束,环状含糖聚合物与凝集素RCA120的结合能力要弱一些。此外还通过耗散型石英晶体微天平(QCM-D)测定了环状含糖聚合物与凝集素RCA120的结合常数,进一步阐述环状拓扑结构对含糖聚合物与凝集素结合作用的影响。(4)基于以上研究,我们将胆甾醇和半乳糖两种功能性基团结合起来,通过RAFT聚合和CuAAC“点击”反应及脱保护策略制备了两亲性环状含糖嵌段共聚物,并对其结构进行了明确表征。然后研究其溶液自组装行为,发现环状含糖聚合物组装形成的胶束尺寸要大于线性含糖聚合物的胶束尺寸,并且环状含糖聚合物胶束可以包载更多量的疏水药物模型分子尼罗红。此外,我们采用浊度法探索环状含糖聚合物胶束与凝集素的结合作用。基于胆甾醇和半乳糖两种构筑基元的生物相容性及生物活性,该环状含糖聚合物胶束可用作靶向药物载体,在生物医药领域具有潜在的应用前景。
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