兩親性超支化聚合物研究進展

強濤濤，張國國，王學川

（陜西科技大學教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室，陜西 西安 710021）

超支化聚合物是一類擁有立體三維結構的高度支化的聚合物，其分子外圍擁有大量的活性官能團，同時還具有分子間不易纏繞、黏度低和高反應活性等特點。此外，超支化聚合物比樹枝狀聚合物的合成方法簡單，合成過程中不需要嚴格的保護/去保護步驟，有可能實現大規模工業化生產，因此超支化聚合物及其功能化成為人們研究的熱點之一[1-2]。

利用超支化聚合物具有多端基官能團的特點對其進行端基改性，可以得到不同類型的超支化聚合物。兩親性超支化聚合物是一種新型功能高分子，人們對其合成方法以及應用進行了深入的研究，主要是通過酯化反應、酰胺化反應、自由基聚合、開環聚合等方法對超支化聚合物進行親水/親油改性，從而制備不同結構的兩親性超支化聚合物[3-4]。不同功能化的兩親性超支化聚合物在溶液中擁有獨特的性質，如在溶液中可以穩定存在的pH值敏感、溫敏型核殼型單分子膠束。此外，兩親性超支化聚合物可以在溶液中自組裝成不同的膠束聚集體，如球狀、棒狀、層狀以及單分子膜、聚合物囊泡等。由于兩親性超支化聚合物特殊的分子結構以及化學性能，使其在藥物運輸載體、材料表面改性以及染料小分子的封裝與釋放等領域具有良好的應用前景。

1 兩親性超支化聚合物的合成

目前人們對兩親性超支化聚合物的合成方法已經有了廣泛的研究。具體可以采用兩種思路，其一是通過酯化反應、酰胺化反應等反應以長碳鏈羧酸或聚乙二醇類疏水／親水基團對超支化聚合物進行端基改性，得到以超支化聚合物為核、親水／疏水基團為殼的兩親性超支化聚合物；二是通過改變合成單體的濃度，生成擁有不同引發點數和不同分子質量的鏈末端含自由基引發點的超支化大分子引發劑，再利用合成的超支化大分子引發劑與乙烯基類單體通過原子自由基聚合、開環聚合得到兩親性超支化聚合物。

1.1 端基接枝改性合成兩親性超支化聚合物

由于超支化聚合物擁有大量可以繼續反應的端基官能團，因此直接利用親水／疏水的基團對超支化聚合物進行端基接枝改性是合成兩親性超支化聚合物的主要方法[5-6]。Samuel等[7]以5-羥基異酞酸為原料反應得到AB2單體，通過AB2單體熔融酯交換反應得到超支化聚酯，再以二十二烷基疊氮化合物和聚乙二醇-350單甲醚疊氮化合物對超支化聚酯接枝改性，得到超支化聚酯為核、外圍接枝親水性聚乙二醇長鏈和疏水性二十二烷基長鏈的兩親性超支化聚酯。Cheng等[8]以棕櫚酰氯端基接枝改性超支化聚甘油醇，得到具有親水性的超支化聚醚核和許多疏水性烷基鏈的兩親性接枝共聚物，并研究了改性產物在水中的自組裝性能（圖1）。這種疏水性長鏈羧酸改性得到的兩親性超支化聚合物擁有疏水性的外殼和親水性的內核，因此這種特殊的兩親物在水溶液中會以反相膠束的形式存在而可以封裝親水性的小分子。超支化聚酯Boltorn H40是一種已經商品化的超支化聚合物，其擁有超支化聚合物的典型特點，如末端大量活性端羥基，通過長鏈烷基酰氯或其它疏水性長鏈對其進行接枝改性，得到內部擁有親水基團、外圍為疏水長鏈的兩親性超支化聚酯[9]。Santra等[10]通過丙二酸二乙酯的聚合反應得到端羧基超支化聚酯，并對其進行端基改性得到了擁有不同表面基團的聚合物：端胺基、端疊氮基以及端丙炔基超支化聚合物。進一步的研究發現，得到的產物顯示特殊的性能，如磁性、熒光、抗氧化等性能。Zhao等[11]利用氯化對苯二甲酰作為耦合劑，通過接枝聚乙二醇到超支化聚酯分子的端基，合成了兩親性超支化-星型聚合物（圖2）。

1.2 自由基聚合、開環聚合合成兩親性超支化聚合物

利用上述接枝改性的方法得到的兩親性超支化聚合物主要是一種核-殼型的結構，而通過自由基聚合、開環聚合等方法可以得到多種不同結構的兩親性超支化聚合物[12-13]。周立等[14]利用陰離子開環聚合制備了超支化聚縮水甘油醚，再以 1,3-二環己基碳化二亞胺作為脫水劑，將疏水性的長鏈棕櫚酸和活性溴接枝到超支化聚縮水甘油醚外圍而得到超支化大分子引發劑，最后利用原子轉移自由基聚合反應將親水性的聚N,N-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯接枝到超支化聚縮水甘油醚表面得到了兩親性超支化共聚物。Sch?mer等[15]通過縮水甘油和環氧丙烷陰離子開環聚合得到了一種溫敏型超支化聚合物，而進一步的研究發現，通過調節縮水甘油與環氧丙烷的反應比可以得到擁有不同數目功能羥基和較低臨界溶解溫度的超支化聚醚多元醇。

2 兩親性超支化聚合物的溶液性質

由于兩親性超支化聚合物特殊的分子結構以及優異的表面活性，使其與傳統的表面活性劑以及小分子線性兩親物在溶液中存在的形式不同，即在較小濃度下兩親性超支化聚合物就可以以單分子膠束的形式存在；而隨著其存在環境的改變，兩親性超支化聚合物可以相互聚集，通過自組裝形成多種多樣的膠束形態。

2.1 特殊的單分子膠束

兩親性超支化聚合物既不同于傳統的小分子表面活性劑，也不同于一般的線性兩親性聚合物，它可以在溶液中以單分子膠束的形態存在。這種基于超支化大分子的單分子膠束，根據其核層或殼層分子的性質不同，可以分為兩種：一種是隨著環境pH值變化而發生結構變化的pH值敏感型單分子聚合物膠束；另外一種是隨著環境溫度改變而發生結構變化的溫敏型單分子聚合物膠束。鐘玲等[16]通過研究兩親性超支化多臂共聚物在水溶液中的pH值響應的自組裝，發現在稀溶液條件下，兩親性超支化多臂共聚物始終以單分子膠束的形式存在，隨著溶液pH值的降低，膠束的殼層會逐步塌縮，導致膠束尺寸減小；而在濃溶液條件下，當溶液的 pH值較低時，單分子膠束會進一步聚集形成多分子膠束（圖3）。Luo等[17]合成了一種以超支化聚甘油醇為核、溫敏型聚異丙基丙烯酰胺為殼的兩親性超支化聚合物，發現隨著水溶液溫度的升高或降低，其外圍聚異丙基丙烯酰胺殼層會相應收縮或擴張，這種可逆的相轉移行為使其在納米材料領域有著潛在的應用（圖4）。

2.2 自組裝性能

兩親性超支化聚合物不但能夠在溶液中以單分子膠束的形式存在，通過改變其用量以及存在的外界條件，兩親性超支化聚合物也可以自組裝成不同形態的膠束聚集體，如球狀、棒狀、蠕蟲狀以及單分子膜、聚合物囊泡、宏觀的自組裝納米管等。Hofmann等[18]以線性聚乙二醇和超支化聚甘油為原料制備得到線性-超支化脂質體，再將得到的線性-超支化脂質體與 L-α-二油酸磷酯酰膽堿結合得到隱形脂質體，研究發現產物可以形成單層脂質體。Tao等[19]通過β-環糊精接枝超支化聚甘油與金剛烷功能化長鏈烷基之間的非共價鍵結合而合成線性-超支化兩親物，得到的兩親性分子可以在水中自組裝成直徑為100 nm的囊泡，且得到的自組裝體系穩定性很好，在外力的作用下顯示出很好的延伸性。

3 兩親性超支化聚合物的應用

與一般的線性兩親性聚合物相比，兩親性超支化聚合物具有眾多的特點，特別是其在溶液中可以以單分子膠束的形式存在以及多樣的膠束形態，體現出了其它線性兩親性聚合物無法比擬的優勢。研究結果表明，兩親性超支化聚合物在眾多領域都得到了很好的應用效果，特別是在作為藥物輸送載體、材料表面改性以及染料分子的封裝等領域有著廣闊的應用前景。

3.1 藥物輸送載體

由于兩親性超支化聚合物特殊的分子結構、良好的生物相容性使其成為藥物輸送的優良載體。兩親性超支化聚合物結構中存在的大量空腔可以用來封裝疏水性的藥物，同時通過控制兩親性超支化聚合物的結構可以使藥物可控釋放；而通過引入具有特殊功能的分子到超支化聚合物的外圍，得到的兩親物在抗腫瘤藥物輸送領域有著特殊的應用。Steinhilber等[20]通過超支化聚甘油醇十丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯自由基聚合，分別采用微乳液模板法和微流體模板法制備了不同尺寸的超支化聚合物粒子，即納米凝膠和微凝膠，研究發現得到的微凝膠可以封裝酵母細胞，還可以提高酵母細胞存活率到 30%。Wu等[21]通過聚 L-亮氨酸、1,2-二棕櫚酰-Sn-甘油-3-磷酸乙醇胺接枝改性超支化聚胺-酯得到新型兩親性共聚物納米粒子，并將其應用于封裝阿霉素，發現裝載阿霉素的納米粒子可以進入細胞且定位于溶酶體而在細胞質中快速釋放，從而具有更加優異的抗癌效果。Yang等[22]以Boltorn H40為核，聚己內酯和聚羥基丁二酸無規共聚物為疏水內層，聚乙二醇為親水外層制備一種新型多功能單分子膠束藥物載體，研究發現產物可以形成半徑約為25 nm的單分子膠束，進一步的研究發現，產物可以裝載阿霉素且裝載阿霉素的載體在酸性環境下可以快速釋放抗腫瘤分子阿霉素。

3.2 材料改性

近年來，對于材料進行表面改性越來越引起人們的研究興趣，其中包括利用特殊的改性劑提高材料在應用時的分散性，通過改性劑與材料共混制備特殊的薄膜，特別是納米顆粒的制備及提高其在均相中的穩定性。而兩親性超支化聚合物擁有大量的末端功能基團、優異的表面活性，如在材料的應用中添加相應的兩親性超支化聚合物，可以使得材料的加工與應用變得更加容易，同時賦予材料特殊的性能，如抗菌性能、抗氧化性以及表面疏水性能等。Zhao等[11]利用氯化對苯二甲酰作為耦合劑，通過接枝聚乙二醇到超支化聚酯分子表面合成了兩親性超支化-星型聚合物，然后將合成的兩親物與聚偏氟乙烯混合通過相反演過程制備多孔膜，發現兩親性超支化-星型聚合物的添加導致膜的孔隙率明顯增加而結晶性有相當大的減小。Morikawa等[23]通過光聚合反應合成了外圍擁有大量二乙胺基二硫代氨甲酰基的超支化聚合物（HBP-DC），由于其特殊的外圍基團可以與銀離子相互作用而在硝酸銀溶液中自發自組裝成納米球，而通過改變鹽溶液的濃度可以調整 Ag(I)/HBP-DC納米球的尺寸，隨著外圍銀離子的增加，可以得到Ag納米晶體。

3.3 染料分子的封裝與釋放

由于兩親性超支化聚合物獨特的分子結構，使其在染料分子的封裝與釋放中有著得天獨厚的應用，許多學者研究了其對各種不同結構的染料的封裝，同時研究了其對雙染料甚至多染料體系的封裝與釋放實驗，發現了許多特殊的現象。Kitajyo等[24]通過超支化聚蘇糖與三苯甲基氯反應得到核殼型兩親性超支化聚合物，研究發現產物對玫瑰紅具有很好的單分子封裝性能。Wu等[25]通過棕櫚酰氯改性超支化聚合物合成了兩親性超支化聚酰胺-胺和超支化聚砜胺，并將其應用于水不溶染料的封裝，發現對于兩種不同染料的封裝時存在競爭作用，這主要是由于不同染料的分子大小、染料與聚合物之間的靜電相互作用以及不同染料分子之間的相互作用引起的。Kline等[26]通過比較超支化聚乙烯亞胺和樹枝狀聚丙亞基亞胺對于酚藍和2-羥基尼爾紅的吸收實驗，發現酚藍與超支化聚乙烯亞胺和樹枝狀聚丙亞基亞胺吸附結合強于2-羥基尼爾紅。B?hm等[27]研究了超支化聚乙烯亞胺接枝β-環糊精對蒽醌染料的封裝與釋放，發現在溫度與pH值變化時被封裝在β-環糊精中的染料分子可以可控釋放。

3.4 其它領域中的應用

利用兩親性超支化聚合物特殊的分子結構與性能，人們將其作為研究人類細胞活動的模型，用于研究細胞的聚集和融合。Jin等[28]合成了兩種不同結構的兩親性超支化多臂共聚物，并將其應用于研究大型細胞模擬聚集過程，發現得到的兩親物可以自組裝成大型的囊泡，同時囊泡之間又可以進行相互的聚集融合。Liu等[29]通過超支化聚甘油接枝聚乙二醇十八酰胺對血紅細胞的活體吸附研究，發現隨著聚合物濃度的增加，其結合血紅細胞的數目也會相應地增加，進一步研究發現，聚合物是與血紅細胞中的細胞膜相互結合的，且吸附聚合物后的血紅細胞的形態也發生了變化。此外，人們通過對超支化聚合物進行改性并且制備了相應的材料，并對其在有機發光領域的應用進行了研究。Yu等[30]合成了一種含偶氮苯的兩親性超支化聚醚-胺，并將其溶于水中形成聚合物納米粒子，研究發現聚合物納米粒子對紫外光有明顯的刺激響應性。

4 結 語

本文綜述了通過多種改性方法對超支化聚合物進行表面親水/親油改性，制備不同結構的兩親性超支化聚合物。同時兩親性超支化聚合物在溶液中可以形成多種不同形態的膠束。在作為藥物輸送載體、材料表面改性以及染料分子的封裝等領域有著重要的應用。隨著更加深入的研究，采用新型改性方法、聚合技術制備新型兩親性超支化聚合物，探索兩親性超支化聚合物在生物醫藥領域的應用成為兩親性超支化聚合物的主要發展方向。

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