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刺激响应性生物大分子-合成高分子共聚物同时具备刺激响应性高分子的环境响应性和生物大分子的生物相容性、生物降解性,是一类性能独特的新型高分子材料,在可控药物释放、生物制药和生物传感器等领域极具应用潜力。目前生物大分子-合成高分子的合成方法步骤繁琐,需要多步反应和提纯才能得到最终产物,并且大多需要在有机溶液中进行,甚至有些方法会在过程中引入金属离子等对生物体有害的物质。
针对以上问题,本论文以叔丁基过氧化氢(TBHP)与含氨基化合物相互作用引发聚合的研究成果为基础,将其拓展应用于刺激响应性生物大分子-合成高分子接枝共聚物及其微凝胶的合成,以期获得一类反应步骤简单、反应条件温和且具有大规模工业化生产潜质的合成方法;通过对所得接枝共聚物及其微凝胶响应行为的研究,探讨接枝型pH和温度刺激响应聚合物及其微凝胶的响应机理,以期为接枝类型pH和温度双重刺激响应性生物大分子.合成高分子共聚物的设计合成及应用研究提供有益的理论参考。本论文的研究内容和主要结果如下:
1.以叔丁基过氧化氢(TBHP)为引发剂,以酪素、壳聚糖和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)为主要原料,采用自由基接枝聚合,分别合成了pH和温度双重响应的Casein-g-PNIPAAm和Chitosan-g-PNIPAAm接枝共聚物,并对其聚合动力学进行了研究。结果表明:聚合过程按无皂乳液聚合进行,反应过程中乳胶粒子是以核壳状态存在,其壳部分由生物大分子主链构成,核部分由PNIPAAm支链构成;TBHP引发体系对于合成刺激响应性生物大分子-合成高分子具有普适性,但碱性条件下共聚物的接枝率更高。
2.在酪素接枝聚合体系中当引发剂浓度为0.06×10-3~0.12×10-3molL-1、反应时间为2~3h、反应温度为75~85℃和NIPAAm:酪素(w/w)为4~5时,可以得到较高单体转化率、接枝率和接枝效率;而在壳聚糖体系中当引发剂浓度为0.04×10-3~0。06×10-3molL-1、反应时间为50~120min、反应温度为75~80℃、反应介质pH值为3.0~3.5时和壳聚糖和NIPAAm配比为4~6时,可以得到较理想的单体转化率、接枝率和接枝效率。
3.通过透光率和透射电子显微镜(TEM)等对接枝共聚物的响应性能进行了研究,并对接枝型pH和温度响应共聚物的响应机理进行了探索。结果表明:Casein-g-PNIPAAm和Chitosan-g-PNIPAAm都具有pH和温度双重响应性。Casein-g-PNIPAAm共聚物的LCST在一定程度上受到接枝率和pH值的影响,和PNIPAAm均聚物的LCST相差2℃以内;PNIPAAm支链对接枝共聚物的pH响应行为具有一定的影响,其影响程度与接枝率和温度直接相关,当温度高于LCST时,将增加共聚物析出沉淀的pH值范围;而当温度低于LCST时,接枝共聚物溶液在酪素的等电点附近没有沉淀析出,且随着接枝率的增加,共聚物溶液在酪素等电点附近透光率降低的程度度减少。Casein-g-PNIPAAm在不同的外界刺激下可以自组装成结构不同的核.壳结构纳米胶束,当温度为40~C、pH为8.0时,自组装成以疏水的PNIPAAm支链为核、酪素主链为壳的核壳结构纳米胶束;当温度为25℃、pH为4.5时,自组装成以溶胀的酪素主链为核,亲水的PNIPAAm支链为壳的核壳结构纳米胶束。
4.以丙烯酰胺(AM)为共聚单体,考察了影响Casein-g-PNIPAAm共聚物LCST的因素。结果表明:接枝共聚物的LCST与混合单体中AM的含量几乎成线性关系,可以通过共聚单体中AM的含量来调节接枝共聚物的LCST;酪素和混合单体的比例对响应温度影响很小,可以通过改变酪素和混合单体的比例来获得接枝率不同而响应温度相同的接枝共聚物。
5.以N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,合成了Casein-g-PNIPAAm微凝胶,对其响应性能、溶胀和消溶胀行为进行了研究。结果表明:Casein-g-PNIPAAm微凝胶具有pH和温度响应性,并且分散介质的pH值对微凝胶的LCST影响很小。Casein-g-PNIPAAm微凝胶的溶胀速率和平衡溶胀率不仅受微凝胶自身因素如交联剂用量和酪素与NIPAAm配比的影响,也受外界环境温度和pH值的影响。
6.以水杨酸为模型药物,利用所制备的Casein-g-PNIPAAm微凝胶,进行了药物释放实验。结果表明:干、湿态载药微凝胶的药物释放速率受释放介质因素(温度、pH值)和微凝胶自身因素(交联剂用量、酪素和NIPAAm配比)影响明显,同时还受微凝胶所带电荷和药物分子所带电荷的影响。