含聚乙二醇的嵌段共聚物的合成及自組裝研究進展

栗志廣，馬曉燕，常 海，陳智群

（1西北工業(yè)大學空間應用物理與化學教育部重點實驗室和陜西省高分子科學與技術重點實驗室，陜西 西安710129；2西安近代化學研究所，陜西 西安 710065）

聚乙二醇（PEG）和聚環(huán)氧乙烷（PEO）是兩個親水性聚合物，有趣的是它們具有相同的化學結構，但是制備方法不一樣。聚乙二醇（PEG）通過乙二醇的縮合制備，而聚環(huán)氧乙烷（PEO）通過環(huán)氧乙烷開環(huán)聚合制備[1]。由于它們具有良好的親水性和柔軟性，常常被用于制備兩親嵌段共聚物，具有良好的物理化學特性和生物相容性，具有一些獨特的性質，如溶解性、黏彈性、生物降解特性等，在生物醫(yī)藥[2-3]、表面化學[4-5]和電化學[6]領域有潛在的應用價值，受到越來越多科學家們的關注和研究。

嵌段共聚物由熱力學上互不相容的鏈段通過化學鍵連接而成，在選擇性溶劑中發(fā)生微相分離，在介觀尺度上形成各種有序的自組裝形貌。自組裝形貌會直接影響材料的性能與應用。影響自組裝形貌的因素有嵌段共聚物的組成、鏈長、外場條件及自組裝的方法等。自組裝分為本體自組裝和溶液自組裝，含PEG的嵌段共聚物的自組裝一般采用溶液自組裝，根據鏈結構的不同可以形成不同形貌的自組裝結構，如球狀、囊泡狀、棒狀、蠕蟲狀等，嵌段越長聚集狀態(tài)越復雜，這些結構在納米材料、藥物控釋、介孔材料、光電材料中有潛在的應用價值，成為當前研究的熱點問題，利用含PEG的嵌段共聚物自組裝形貌來開發(fā)更多的新材料已經成為今后發(fā)展的一個方向。

1 含PEG的嵌段共聚物的合成

含PEG的嵌段共聚物有多種合成方法，如活性陰離子聚合、活性陽離子聚合、可控/活性自由基聚合、縮聚反應等。常采用的合成方法是活性自由基聚合的方法，有原子轉移自由基聚合（ATRP）、氮氧穩(wěn)定自由基聚合（NMP）、可逆加成斷裂鏈轉移聚合（RAFT）等，其中以ATRP技術應用最為廣泛。

1.1 ATRP法合成含PEG的嵌段共聚物

原子轉移自由基聚合具有無鏈轉移、無鏈終止和引發(fā)速度遠大于增長速率的特點，為合成具有預定相對分子質量，預定端基功能化以及相對分子質量分布窄的聚合物提供了一種有效的方法。ATRP法合成含 PEG的嵌段共聚物首先合成鹵化物為端基的PEG大分子引發(fā)劑，過渡金屬配合物作為鹵原子載體，實現鹵原子可逆轉移，聚合成所需結構的嵌段共聚物。該法已成功地制備了相對分子質量大小可控的含PEG的端官能基聚合物、梯度共聚物、接枝共聚物及星形[7-8]、梳形[9]、H形[10-11]及超支化聚合物[12]。

Chen等[13]通過兩步ATRP法合成了含PEG段的兩親五嵌段共聚物。他們首先合成了Br-PEG4600-Br大分子引發(fā)劑，在2,2-聯吡啶和CuBr的催化體系下與甲基丙烯酸甲酯（MMA）單體通過 ATRP反應合成了三嵌段共聚物 Br-PMMA-b-PEG4600-b-PMMA-Br，然后再以這個三嵌段共聚物為大分子引發(fā)劑，同樣的催化體系下與1-(甲基丙烯酰氧乙氨基-羧甲基)芘（PyMOI）通過 ATRP反應合成了兩親五嵌段共聚物 Py-b-PMMA-b-PEG4600-b-PMMA-b-Py。此五嵌段共聚物具有相對窄的相對分子質量分布，PEG鏈段的結晶度因為引入了PMMA和PyMOI鏈段發(fā)生了變化，PyMOI的增加得到了較大的聚集體尺寸，五嵌段共聚物的濃度為1.0 mg/mL時是鏈狀聚集體形態(tài)。

An等[8]首先合成親水性四臂官能化PEG大分子引發(fā)劑，然后大分子引發(fā)劑與苯乙烯和氯甲基苯乙烯（CMS）ATRP聚合，并控制鏈段的長度和數量，CMS中苯甲基上的氯也能引發(fā)進一步的苯乙烯單體聚合，因此通過調節(jié) CMS與親水四端功能化的大分子引發(fā)劑初始投料比來控制每個引發(fā)劑官能團分支的數量，進而控制PS鏈段的數量，增加CMS單體的投料比，會產生更多ATRP聚合的引發(fā)點。PS鏈的平均鏈段長度也通過調整苯乙烯與CMS的投料比和聚合時間來控制。在特定的時間內，得到的聚合物具有良好的結構和架構控制，得到兩親星形嵌段共聚物。使用過量的 CMS和反應較長的時間導致兩親嵌段共聚物具有4個超支化聚合物臂的樹枝狀高分子，與一般星形聚合物相比接近于球形核殼結構，如圖1和圖2所示。

Li等[11]用合成的PEG大分子引發(fā)劑引發(fā)苯乙烯ATRP聚合，在其兩端各聚合兩個聚苯乙烯（PS）支鏈嵌段，合成了 H 形嵌段共聚物(PS)2-b-PEG-b-(PS)2，如圖3所示，并用NMR和GPC驗證了產物的H形結構。DSC測試結果表明，當H形嵌段共聚物中PEG嵌段相對分子質量越大，結晶能力越強。

圖1 兩親星形嵌段共聚物控制結構的合成反應

圖2 核-殼狀嵌段共聚物的合成反應

圖3 H形嵌段共聚物(PS)2-b-PEG-b-(PS)2的制備

1.2 NMP法合成含PEG的嵌段共聚物

NMP 技術的機理是利用控制氮氧穩(wěn)定自由基與增長鏈自由基之間的結合和可逆分解平衡來實現單體的活性可控聚合，通過單分子引發(fā)劑分解為活性自由基，在穩(wěn)定的氮氧自由基存在下使活性自由基變穩(wěn)定的聚合，氮氧穩(wěn)定自由基不能引發(fā)單體聚合，但能與增長鏈自由基結合成休眠種，受熱情況下斷裂成自由基而繼續(xù)與單體反應聚合，NMP法在含PEG的嵌段共聚物中有較多的應用[1，14-15]。

Perrin等[14]用NMP法合成了PS-b-PEO-b-PS。首先合成 AMA-SG1即N-叔丁基-N-[1-二乙基二氧磷基-(2,2-二甲基丙基)]烷氧基胺，以 AMA-SG1烷氧基胺和 PEO反應生成雙官能團 PEO大分子引發(fā)劑SG1-AMA-PEO-AMA-SG1，然后PEO大分子引發(fā)劑與苯乙烯發(fā)生氮氧穩(wěn)定自由基聚合生成PS-b-PEO-b-PS三嵌段共聚物，其具有較大的鏈尺寸和鏈長度，PDI為1.1～1.3，相對分子質量分布比較窄。

Wegrzyn等[15]用PEO大分子引發(fā)劑利用NMP法合成了PEO-b-PI兩親嵌段共聚物。采用相對分子質量Mn=5200 g/mol的PEO單甲醚與2-溴丙酰溴反應，然后用2,2,5-三甲基-4-苯基-3-氮雜己烷-3-硝基氧取代端基的溴，制得 PEO大分子引發(fā)劑，并在125 ℃下引發(fā)異戊二烯單體進行本體氮氧穩(wěn)定自由基聚合，制得相對分子質量分布較窄的兩親嵌段共聚物PEO-b-PI。

1.3 RAFT法合成含PEG的嵌段共聚物

2 含PEG的嵌段共聚物的自組裝及其應用

圖4 PEG-CTA和PEG-b-PADMO嵌段共聚物合成反應

含 PEG的嵌段共聚物由于熱力學性質不同在水中自組裝形成各種不同形貌的超分子結構，如球形膠束、管狀膠束、囊泡和蠕蟲狀聚集體。這些超分子結構在納米反應器、納米材料、藥物控釋、人工組織和軟生物物質中具有潛在的應用價值，近幾十年來引起了廣泛的研究興趣。

2.1 含PEG的嵌段共聚物在溶液中的自組裝

含 PEG的嵌段共聚物由于各鏈段通常是熱力學不相容的，當溶解在選擇性溶劑中時，溶解性差的鏈段就會互相聚集，在最小化界面張力的驅動下，便會形成核殼膠束或者囊泡等超分子聚集體。膠束大體上呈分散球形，不溶性鏈段形成膠束核，可溶性鏈段在核周圍形成殼層。在水溶液中，親水PEG鏈段以溶劑化形式在核周圍形成殼層。PEG鏈段較長時，含PEG的嵌段共聚物在水溶液中形成大殼小核的膠束，反之含較長疏水鏈段的含PEG的嵌段共聚物在水溶液中形成大核小殼的膠束。但在一定條件下會發(fā)生變化，與嵌段共聚物的組成、添加劑的種類及加入方式、濃度、溫度和pH值多種因素有關。到目前為止，人們已經發(fā)現了球狀、囊泡狀、棒狀、蠕蟲狀等多種形態(tài)的自組裝體[19-23]。

超臨界CO2具有環(huán)保、操作安全、價廉易得、近似于液體的密度和低黏度等特性，同時具有高擴散性和高溶解性的優(yōu)點，因此近年來在聚合物合成方面應用廣泛。Xu等[20]用超臨界CO2法誘導PS-b-PEO嵌段共聚物形成了囊泡，當嵌段共聚物溶解在四氫呋喃（THF）中，在70 ℃下超臨界CO2處理不同時間，嵌段共聚物先組裝成聚集球體，然后聚集球體演變?yōu)榇蟮木酆衔锬z束，最后演變?yōu)槟遗荨?/p>

Tan等[24]合成了聚乙二醇-b-聚(甲基丙烯酸異丁酯-多面體低聚倍半硅氧烷)[PEG-b-P(MA-POSS)]兩親嵌段共聚物，PEG作為親水嵌段，P(MA-POSS)作為疏水嵌段，POSS納米粒子用于調節(jié)膠束的形成、凝膠化和流變性能。通過加入疏水POSS納米微粒到兩親嵌段共聚物中，在水溶液中對自組裝產生很大影響，增加POSS的含量導致形成較大的膠束尺寸和較高的聚集數，在溶液中聚集的膠束和凝膠結構如圖5所示。

2.2 含PEG的嵌段共聚物在藥物載體方面的應用

PEG是生物可降解高分子，所以含 PEG的嵌段共聚物膠束在生物醫(yī)學方面具有重要的應用價值，嵌段共聚物膠束可以溶解多種小分子，其尺寸與病毒的尺寸接近，可以在血液中穩(wěn)定存在一定時間，是很好的靶向載體、藥物輸送載體[3，25-32]。

Xiong等[32]合成了以PEO作為親水鏈段，聚己丙酰胺作為疏水鏈段的兩親嵌段共聚物PEO-b-PCL，在其表面與甘氨酸-精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸-絲氨酸五肽共軛成不同形貌的 GRGDSPEO-b-PCL，與化學共軛、物理裝載阿霉素自組裝成膠束，如圖6所示。

Yao等[30]合成了pH值響應的ABC三嵌段共聚物作為疏水性藥物細胞內輸送載體，用 DMA（甲基丙烯酸二甲氨基乙酯）、ε-CL（己內酯）和 PEG大分子引發(fā)劑合成三嵌段共聚物 PEG-b-PDMA-b-PCL。三嵌段共聚物溶于水，在不同 pH值自組裝成不同的聚集體，這些聚集體的尺寸可以變化，結果表明PCL嵌段作為藥物載體，PDMA嵌段pH值響應釋放，PEG嵌段對生物親和性具有重要作用，因此含PEG的嵌段共聚物作為pH值響應的疏水性藥物細胞內輸送載體在生物醫(yī)藥方面具有很大應用前景。

2.3 含PEG的嵌段共聚物介孔材料的制備

含 PEG的嵌段共聚物形成的介孔材料具有巨大的比表面積、均一可調的介孔孔徑以及良好的穩(wěn)定性，在吸附與分離、催化、氣體存儲、生物醫(yī)藥等眾多領域具有廣闊的應用前景。

Deng等[33]以合成的兩親嵌段共聚物PEO-b-PS為模板，通過蒸發(fā)誘導自組裝方法合成介孔二氧化硅和二氧化碳的毛孔模板，甲階酚醛樹脂和正硅酸乙酯分別為二氧化碳和二氧化硅的前體，通過小角X射線衍射法和透射電鏡法顯示孔碳材料（C-FDU-18）在大的排列次序下具備面心封閉立方微觀結構，氮氣吸附等溫線顯示在窄的孔徑分布下有平均值為 22.6 nm的孔，介孔二氧化硅（Si-FDU-18）也顯示高度有序面心立體封閉微觀結構，形成過程如圖7所示。

圖5 PEG-b-P(MA-POSS)嵌段共聚物膠束和凝膠結構圖

圖6 化學偶聯或物理裝載阿霉素與GRGDS-PEO-b-PCL膠束的形成

Meng等[34]以嵌段共聚物PEO-b-PPO-b-PEO為結構導向劑，以甲階酚醛樹脂（resol）為碳前體，通過溶劑蒸發(fā)自組裝過程得到了 PEO-b-PPO-b-PEO/resol復合材料。隨后在100 ℃熱聚合酚醛樹脂，600 ℃炭化得到了各種結構的高度有序的介孔碳材料，如圖8所示（圖中La表示層狀，Iad表示螺旋立方，p6m表示平面六方，Imm表示體心立方）。

2.4 含PEG的嵌段共聚物修飾碳納米管

碳納米管由于其獨特的納米中空結構、封閉的拓撲構型及不同的螺旋結構使其具有諸多優(yōu)異性能，如高強度、高彈性、較大比表面積、耐熱性、導電性和耐腐蝕等特性。但是碳納米管間較大自發(fā)團聚的趨勢嚴重影響其性能的發(fā)揮，因此采用含PEG的嵌段共聚物對碳納米管進行表面改性引起人們極大興趣[35-38]。

圖7 PEO-b-PS為模板的高度有序介孔碳及形成圖

圖8 高度有序介孔碳的制備

Semaan等[36]用含 PEG的兩親嵌段共聚物PE-b-PEO、PPO-b-PEO、PT-b-PEO作為分散劑，制成了嵌段共聚物/多壁碳納米管（MWCNT）復合物。MWCNT在水溶液中由含 PEG的兩親嵌段共聚物包覆，分散體復合材料結晶行為與納米粒子在聚合物基體的分散有關，所以碳納米管在水相中的分散主要是由于PEG嵌段共聚物作用的結果。

Zhao等[38]通過縮合反應和氧化還原聚合反應使 PEG-b-PAN兩親嵌段共聚物與多壁碳納米管（MWCNT）接枝，通過紅外和熱重確定化學結構和接枝聚合物產率。透射電鏡顯示的碳納米管上涂有聚合物層，MWCNT-g-PEG-b-PAN在DMF中分散幾個月依然比較穩(wěn)定。結果顯示高濃度的碳納米管可以被分散在聚合物基體中，膜的形貌和表面的親水性的特點通過 MWCNT-g-PEG-b-PAN的組成來控制。

3 結 語

近年來，含PEG的嵌段共聚物在藥物載體、基因治療、納米材料等方面的研究取得了相當大的發(fā)展，但現階段含PEG的嵌段共聚物物種較少，因此開發(fā)多種結構可控、具有多重的自組裝驅動力的功能性含PEG的嵌段共聚物，構建具有新型結構、形貌可控的自組裝體，開發(fā)其新的應用領域等相關研究仍然是今后一段時間的研究熱點。

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