温度敏感性P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物的合成与性质

吕海燕 刘守信 徐 超 田 荣 王 莉

(应用表面与胶体化学教育部重点实验室,陕西师范大学化学化工学院,西安710062)

1 引言

刺激响应性聚合物能够响应外界条件的变化,如pH值、温度、离子强度、电场、磁场的变化等.1-4对温度敏感性(简称温敏性)聚合物来说,当环境温度变化时聚合物的亲水性与疏水性发生变化引起聚合物分子构象的变化,导致溶液体系发生相变化.5有一类温敏性聚合物水溶液当温度比较低时溶液是透亮的,当温度升高到某一温度时溶液变为浑浊,体系发生了相变化,将这一相转变温度称为低临界溶解温度(LCST).6温敏性聚合物及其水凝胶可用于组织培养、酶的固化、药物输运、药物缓释以及组织工程等.7-10

2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯(MEO2MA)的均聚物,聚2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯(PMEO2MA),是一种温度敏感性聚合物,其LCST约为26°C;11寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(OEGMA)的均聚物,聚寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(POEGMA),是另一种温度敏感性聚合物,其LCST约为90°C.12由2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯与寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯共聚所形成的共聚物P(MEO2MA-co-OEGMA)具有温敏性,其LCST可以通过合成时改变两个单体的投料比来调控.13-19P(MEO2MA-co-OEGMA)除了具有温敏性外,还具有良好的生物相容性,所以该共聚物及其水凝胶在生物医学领域有良好的应用前景.20-24

为了使P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物在生物医学领域能获得应用,本文用原子转移自由基聚合(ATRP)技术,以MEO2MA和OEGMA为共聚单体,合成不同组成的P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物.通过调节两个单体的投料比,使合成共聚物的LCST能够接近人体生理温度(37°C).为用于人体环境,本文研究了盐种类、盐浓度、溶液pH值等对P(MEO2MA-co-OEGMA)温敏性的影响.

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

超导傅里叶数字化核磁共振谱仪(AVANCF300 MHz,德国Bruker公司);凝胶渗透色谱仪(Watersbreeze,美国Waters公司);激光粒度仪(BI-90Plus,美国布鲁克海文仪器公司);紫外-可见分光光度计附带帕尔贴控温系统(TU-1901,北京普析通用仪器有限责任公司);流变仪(AR-G2,美国TA公司).

2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯及聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(Sigma Aldrich,分析纯);氯化亚铜(ACROS,99.999%);2,2ʹ-联二吡啶(上海科丰化学试剂有限公司);2-溴代丙酸乙酯(Alfa Aesar, 98%);乙醇(国药集团化学试剂有限公司,分析纯);溴化钠、氯化钠、氯化钾、硫酸镁、氯化镁、硫酸钠、磷酸钠、氢氧化钠、盐酸(西安化学试剂厂,99%,分析纯);二次蒸馏水.

2.2 P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物的合成

向干燥的史莱克管中通入氩气30 min,加入单体MEO2MA(5 mL,27.12 mmol)和OEGMA(0.99 mL,2.35 mmol),溶剂无水乙醇(7 mL),引发剂2-溴代丙酸乙酯(37.74 mL,0.295 mmol),将体系冷冻、抽真空、解冻反复三次后通入氩气,加入配体2,2ʹ-联二吡啶(0.1057 g,0.59 mmol)和催化剂CuCl(0.0292 g, 0.30 mmol),在60°C下反应8 h,反应结束后,将反应液暴露于空气中,直至反应液由红棕色变为蓝色,向其中加入蒸馏水稀释,采用截留分子量为5000透析袋进行透析,每6 h换一次水,透析3天,最后进行冷冻干燥得无色透明的粘稠液体.分别合成了投料单体摩尔比(nMEO2MA:nOEGMA)为100:0,95:5,92: 8,90:10,85:15的聚合物,所得样品分别记为1#、2#、3#、4#、5#,反应式见图1.

2.3 P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物的表征

室温下以CDCl3作为溶剂,测定P(MEO2MA-co-OEGMA)的1H NMR谱;以四氢呋喃为流动相,聚苯乙烯为标样,流速为1 mL·min-1,温度为30°C,通过凝胶渗透色谱(GPC)测定其分子量.

2.4 P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物水溶液温敏性

2.4.1 共聚物水溶液透光率测定

将共聚物分别溶于水中,配成浓度为3 mg· mL-1的溶液,放置0.5 h,用附带帕尔贴控温系统的TU-1901紫外-可见分光光度计来测定不同组成共聚物溶液在不同浓度下透光率随温度的变化曲线,测定波长为670 nm.

2.4.2 共聚物水溶液粘度测定

图1 P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物的合成Fig.1 Synthesis of P(MEO2MA-co-OEGMA)

将共聚物分别溶于二次蒸馏水中,配成浓度为3 mg·mL-1的溶液,用美国TA公司的AR-G2型流变仪来测定,剪切速率为100 r·s-1,使用同心套筒,测试温度范围为15-60°C,升温速率为1°C·min-1,采用循环水控温,其控温精度为±0.1°C,测定其溶液粘度随温度的变化.

2.4.3 共聚物水溶液粒径测定

将共聚物溶于水中,配制成浓度为0.5%(w)的溶液,搅拌过夜,测量前用孔径为0.45 μm的水系滤膜过滤除去杂质,使用美国布鲁克海文仪器公司的BI-90Plus型激光粒度仪来测定溶液中聚集体的粒径随温度的变化曲线,测量温度为20-50°C,升温速率为1°C·min-1.

2.5 盐的加入对共聚物水溶液温敏性的影响

测定了盐的加入对P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物温敏性的影响,不同盐、不同浓度下对P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物溶液透光率随温度变化的影响.

2.6 pH对共聚物水溶液温敏性的影响

分别测定了HCl和NaOH加入后对P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物水溶液温敏性的影响.

图2 4#样品在CDCl3中的1H NMR图Fig.2 1H NMR spectrum of sample 4#in CDCl3sample 4#:nMEO2MA:nOEGMA=90:10

3 结果与讨论

3.1 聚合物的结构表征

图2为P(MEO2MA-co-OEGMA)的核磁共振氢谱(1H NMR)图:δ0.67-1.3(H,－C－CH3),1.67-1.75 (杂质H2O),1.75-2.0(H,－C－CH2－C),3.0-3.5 (H,－O－CH3),3.5-4.0(H,－O－CH2－CH2－O－),4.0-4.5(H,－CH2－OOC－),结果说明该产物为P(MEO2MA-co-OEGMA).21通过对峰面积进行计算,可得出产物中两种单元的组成比,nMEO2MA/ (nMEO2MA+nOEGMA)计算结果分别为96.8%(2#)、94.7% (3#)、94.4%(4#)、89.9%(5#).

表1为通过GPC测定的聚合物数均分子量Mn及分子量分布.从表中可以看出,随着OEGMA投料量的增加,聚合物分子量增加,5#样品分子量反而变小,这可能由于合成5#样品时OEGMA单体的投料量已经较大了,OEGMA单体体积较大、反应性有所降低所致.聚合物分子量分布不是很好,这可能与反应时间过长有关.将所测得共聚物样品的LCST也列于表1中,可以看出其LCST随OEGMA投料量的增加而升高.

3.2 聚合物的性质

3.2.1 P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物的温敏性

表1 P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物性质Table 1 Properties of the P(MEO2MA-co-OEGMA) copolymers

图3为1#、2#、3#、4#、5#五种不同组成聚合物水溶液透光率随温度的变化曲线,溶液浓度均为3 mg· mL-1.以曲线拐点开始和结束曲线中点所对应的温度作为透光率所测的低临界溶解温度.由图可以看出,对1#样品PMEO2MA均聚物来说,其LCST约为26°C;对于2#、3#、4#、5#共聚物来说,其LCST分别为32、36、39和43°C.共聚物的LCST均高于PMEO2MA均聚物的LCST,说明OEGMA的引入量能对共聚物P(MEO2MA-co-OEGMA)的LCST进行调控,13其中3#样品的LCST为36°C,接近人体生理温度.随着P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物中OEGMA量的增加,寡聚乙二醇单元中的醚氧链增多,导致侧链亲水性增强,能够与水分子形成更多的氢键.要破坏聚合物分子链周围这种有序的水结构,只有升高温度获得更多的能量,使聚合物链与水的相互作用减弱、侧链间疏水相互作用加强,因此随着P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物中OEGMA量的增加,其LCST升高.25

图4为2#、3#、4#、5#四种不同组成聚合物水溶液粘度随温度的变化曲线,溶液浓度均为3 mg·mL-1.可以看出,四种共聚物溶液的粘度(η)随温度升高曲线都出现了拐点,以拐点开始和结束曲线中点所对应的温度作为粘度所测的低临界溶解温度,记为LCSTη,2#、3#、4#、5#样品的LCSTη分别为31.0、36.5、39.3和42.8°C.粘度法所测的LCSTη与透光率所测共聚物的LCST基本一致.在拐点以前温度,溶液粘度较大且随温度升高几乎不变,这是因为在拐点温度以前,聚合物在水溶液中醚氧链均与水分子有氢键作用,当温度升高至拐点温度时,这种氢键作用被严重破坏,聚合物发生了从无规线团到塌缩球的转变,25因此溶液的粘度急剧下降;当溶液温度继续升高,聚合物完全以塌缩球的形式存在于溶液中,此时溶液粘度趋于平稳.

图3 共聚物水溶液的透光率随温度的变化Fig.3 Plots of transmittance as a function of temperature in the aqueous solutions of the copolymersC(copolymer)=3 mg·mL-1

图4 共聚物水溶液的粘度随温度的变化Fig.4 Plots of viscosity as a function of temperature in the aqueous solutions of the copolymersC(copolymer)=3 mg·mL-1

图5为1#、2#、3#、4#、5#五种不同组成聚合物水溶液中聚集体粒径随温度的变化曲线,溶液浓度均为0.5%(w).由图可以看出,聚合物水溶液的聚集体粒径(D)随温度升高曲线也出现了拐点,同样以拐点开始和结束曲线中点所对应的温度作为粒径法所测的低临界溶解温度,记为LCSTD,1#、2#、3#、4#、5#样品的LCSTD分别为29.5、32.0、38.0、39.5和41.5°C,可以看出随着共聚物中OEGMA投入量的增加,共聚物溶液对应的LCSTD也相应增加,LCSTD与透光率所测的LCST基本一致.随着温度的升高,分子周围有序的水分子层被破坏,在各样品的LCSTD温度时,聚合物分子间疏水相互作用占优势,聚集体粒径迅速增加.21

3.2.2 浓度对其温敏性的影响

图5 聚合物水溶液的粒径随温度的变化Fig.5 Plots of diameter as a function of temperature in the aqueous solutions of the copolymersw(copolymer)=0.5%

研究了浓度对聚合物LCST的影响.图6为1#、3#、5#样品水溶液在不同浓度下透光率随温度的变化曲线.可以看出,三种聚合物水溶液均随其浓度的降低,其LCST也有所降低,降低幅度比较小.这是由于随着P(MEO2MA-co-OEGMA)浓度的增大,溶液中醚氧链结构单元的数目增加,醚氧链间疏水相互作用将有所增加,导致共聚物溶液的LCST随浓度的增加有所降低.

3.2.3 外加盐对共聚物温敏性的影响

生物医用高分子及其水凝胶是要在人体生理条件下使用,所以研究了盐的加入对P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物温敏性的影响.

3.2.3.1 不同盐对共聚物温敏性的影响

图7为1#、2#、3#、4#、5#样品盐溶液的透光率与温度的关系曲线.图7A是加入NaCl后1#、2#、3#、4#、5#样品水溶液的透光率随温度的变化曲线.可以看出,与共聚物水溶液相比较,加入NaCl后,1#、2#、3#、4#、5#样品溶液的LCST都有所下降.加入盐后,溶液中离子强度增大,使聚合物中醚氧链段与水分子之间的氢键作用减弱,产生脱水现象,导致聚合物的LCST降低.18图7B是KCl对1#、2#、3#、4#、5#样品水溶液LCST的影响.可以看出,加入KCl后,1#、2#、3#、 4#、5#样品水溶液LCST也呈现下降趋势.比较图7A和7B可以看出其NaCl和KCl对共聚物水溶液LCST的影响相近,这是由于NaCl和KCl都是1-1价型的盐,且两者含有相同的阴离子(Cl-).图7C是NaBr对1#、2#、3#、4#、5#样品水溶液LCST的影响.可以看出,NaBr对1#、2#、3#、4#、5#样品水溶液LCST的影响没有NaCl和KCl的影响大.这是因为Cl-比Br-半径小,与共聚物水溶液中水分子结合的能力要比Br-强,所以NaCl和KCl对于聚合物水溶液LCST的干扰就比NaBr大.

3.2.3.2 盐浓度对共聚物温敏性的影响

图8是盐浓度对1#、2#、3#、4#、5#水溶液LCST的影响.可以看出随着盐浓度的增加,1#、2#、3#、4#、5#水溶液的LCST逐渐降低,盐种类不同其对P(MEO2MA-co-OEGMA)水溶液的LCST影响程度不同,曲线的斜率不同.NaCl、KCl、NaBr对共聚物温敏性影响程度较小,其曲线斜率绝对值较小.Na3PO4对聚合物溶液的LCST影响程度较大,曲线斜率绝对值也较大.盐对聚合物水溶液LCST的影响主要取决于外加盐中阴离子的价数,阴离子价数越高,对其LCST影响程度越大.

3.2.4 溶液pH值对共聚物温敏性的影响

图6 不同浓度共聚物水溶液的透光率与温度的关系Fig.6 Plots of transmittance as a function of temperature in the aqueous solutions of copolymers with different concentrations

图7 共聚物盐溶液的透光率与温度的关系Fig.7 Plots of transmittance as a function of temperature in the copolymer salt solutionsC(copolymer)=3 mg·mL-1;(A)1 mol·L-1NaCl,(B)1 mol·L-1KCl,(C)1 mol·L-1NaBr

图8 LCST与盐(2#)浓度的关系Fig.8 Plots of the LCST as a function of the concentration of the salts(2#)C(copolymer)=3 mg·mL-1

图9 共聚物水溶液pH值对LCST的影响Fig.9 Plots of the LCST as a function of the pH of the copolymers aqueous solutionspH:(a)2.15,(b)7.00,(c)10.35;C(copolymer)=3 mg·mL-1

图9是分别加入HCl和NaOH后对1#、2#、3#、4#、5#水溶液LCST的影响.加入HCl调节溶液的pH为2.15,与水溶液相比较,引入酸后1#、2#、3#、4#、5#水溶液的LCST有所降低.酸加入后,聚合物中醚氧链段与水分子及氢离子间竞争作用,削弱了醚氧链段与水分子间的氢键作用,这种被削弱了的氢键相互作用导致聚合物的LCST降低.加入NaOH调节溶液的pH为10.35,与水溶液相比较,NaOH的加入,使1#、2#、3#、4#、5#水溶液的LCST有所升高.碱的加入,使聚合物中醚氧链段与氢氧根负离子相互排斥,这样更有利于醚氧链段与水分子之间的氢键相互作用,这种加强了的氢键相互作用导致聚合物LCST升高.

4 结论

采用ATRP方法合成了五种不同投料比的温敏性共聚物P(MEO2MA-co-OEGMA).随OEGMA投入量的增加,P(MEO2MA-co-OEGMA)水溶液的LCST逐渐升高,当MEO2MA与OEGMA的投料摩尔比为92:8时,共聚物P(MEO2MA-co-OEGMA)的LCST约为36°C.共聚物浓度降低时,其LCST升高.盐的加入使得P(MEO2MA-co-OEGMA)共聚物水溶液的LCST降低,降低程度主要取决于所加盐的阴离子价数,阴离子价数越高,影响越大.共聚物水溶液的LCST也受溶液pH值的影响.HCl的加入使得共聚物水溶液的LCST降低,NaOH的加入使得共聚物水溶液的LCST升高.

(1) Gil,E.S.;Hudson,S.M.Prog.Polym.Sci.2004,29,1173.doi: 10.1016/j.progpolymsci.2004.08.003

(2) De las HerasAlarcón,C.;Pennadam,S.;Alexander,C.Chem. Soc.Rev.2005,3,276.

(3) Lutz,J.F.Polym.Int.2006,55,979.doi:10.1002/pi.2058

(4) Bonini,M.;Lenz,S.;Falletta,E.;Ridi,F.;Carretti,E.;Fratini, E.;Wiedenmann,A.;Baglioni,P.Langmuir 2008,24,12644. doi:10.1021/la802425k

(5) Qi,X.J.;Liu,S.X.;Liu,T.;Dang,L.;Yang,X.;Yu,W.N.; Wang,H.M.Acta Chim.Sin.2011,69,1803.[齐晓君,刘守信,刘 腾,党 莉,杨 曦,雨薇娜,王红梅.化学学报,2011, 69,1803.]

(6) Heskins,M.;Guillet,J.E.Macromolecules 1993,26,3156.

(7)Choi,Y.J.;Yamaguchi,T.;Nakao,S.Ind.Eng.Chem.Res. 2000,39,2491.doi:10.1021/ie9907627

(8) Zhang,S.;Liu,S.X.;Han,X.Y.;Dang,L.;Qi,X.J.;Yang,X. Acta Phys.-Chim.Sin.2010,26,2189.[张 飒,刘守信,韩晓宇,党 莉,齐晓君,杨 曦.物理化学学报,2010,26,2189.] doi:10.3866/PKU.WHXB20100819

(9)Cai,T.;Marquez,M.;Hu,Z.B.Langmuir 2007,23,8663. doi:10.1021/la700923r

(10) Vihola,H.;Laukkanen,A.;Valtola,L.;Tehnhu,H.;Hirnoven,J. Biomaterials 2005,26,3055.doi:10.1016/j.biomaterials. 2004.09.008

(11) Han,S.;Hagiwara,M.;Ishizone,T.Macromolecules 2003,36, 8312.doi:10.1021/ma0347971

(12)Kitano,H.;Hirabayashi,T.;Gemmei-Ide,M.;Kyogoku,M. Macromol.Chem.Phys.2004,205,1651.doi:10.1002/macp. 200400135

(13) Lutz,J.F.;Hoth,A.Macromolecules 2006,39,893.doi: 10.1021/ma0517042

(14) Luzon,M.;Boyer,C.;Peinado,C.;Corrales,T.;Whittaker,M.; Tao,L.;Davis,T.P.J.Polym.Sci.Part A:Polym.Chem.2010, 48,2783.doi:10.1002/pola.24027

(15) Ishizone,T.;Seki,A.;Hagiwara,M.;Han,S.Macromolecules 2008,41,2963.doi:10.1021/ma702828n

(16) Zarafshani,Z.;Obata,T.;Lutz,J.F.Biomacromolecules 2010, 11,2131.

(17)Jonas,A.M.;Glinel,K.;Oren,R.;Nysten,B.;Huck,W.T.S. Macromolecules 2007,40,4403.doi:10.1021/ma070897l

(18) Stefaniu,C.;Chanana,M.;Wang,D.;Brezesinski,G.; Mohwald,H.J.Phys.Chem.C 2011,115,5478.

(19) Jiang,Y.Y.;Hu,X.L.;Hu,J.M.;Liu,H.;Zhong,H.;Liu,S.Y. Macromolecules 2011,44,8780.doi:10.1021/ma2018588

(20)Lutz,J.F.;Akdemir,O.;Hoth,A.J.Am.Chem.Soc.2006,128, 13046.doi:10.1021/ja065324n

(21) Lutz,J.F.;Weichenhan,K.;Akdemir,O.;Hoth,A. Macromolecules 2007,40,2503.doi:10.1021/ma062925q

(22) Lutz,J.F.;Andrieu,J.;Üzgün,S.;Rudolph,C.;Agarwal,S. Macromolecules 2007,40,8540.doi:10.1021/ma7021474

(23) Liu,T.;Liu,S.Y.Anal.Chem.2011,83,2775.doi:10.1021/ ac200095f

(24) Zhang,M.;Müller,A.H.E.J.Polym.Sci.Part A:Polym. Chem.2005,43,3461.doi:10.1002/pola.20900

(25) Ji,W.X.Fine and Specialty Chemicals 2010,18(8),58. [计文希,精细与专用化学品,2010,18(8),58.]