三元共聚物P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)的制備與膜性能研究*

王 月，李小杰，施冬健，東為富，陳明清

(江南大學 化學與材料工程學院，食品膠體與生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

?

三元共聚物P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)的制備與膜性能研究*

王 月，李小杰，施冬健，東為富，陳明清

(江南大學 化學與材料工程學院，食品膠體與生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

以聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)、甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(DEAEMA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)為共聚單體，采用自由基聚合法合成一系列三元無規共聚物P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA) (PEDM)。通過傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、核磁共振(1H NMR)、凝膠滲透色譜(GPC)和動態熱機械分析儀(DMA)等對無規共聚物的結構及性能進行了表征。采用溶劑揮發法將共聚物制備成膜，接觸角測試表明共聚物膜具有一定的pH值響應性；改變溶劑種類還可以調控膜的浸潤性及表面形貌，并研究了不同膜表面的細胞粘附行為。

DEAEMA；共聚物膜；pH值響應性；浸潤性

0 引 言

20世紀80年代中期問世的響應性聚合物膜材料使得人們能夠通過外界刺激來調控膜的各種性能[1-3]。其中，通過外界刺激來調控聚合物膜材料的表面浸潤性引起了極大關注，在物質分離[4]、微流控系統[5-6]、生物醫學和組織工程[7-9]等領域具有重要的潛在應用價值。這種浸潤性的響應主要是由于聚合物膜中含有響應性分子，可以在光、熱、電、磁場和pH值等外界刺激下帶來膜表面微結構的變化而引起浸潤性變化[10-13]；另一方面，對于特定化學組成的聚合物膜，膜表面的粗糙度同樣可以改變其表面浸潤性，粗糙化會導致固體與液體之間的實際接觸面積大于表觀面積，使親水的表面更親水或疏水表面更疏水[14]。因此，如果將響應性膜材料與合適的表面粗糙度相結合，有望拓寬響應性膜的應用范圍。基于此，本文以甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(DEAEMA) 為響應性組分，聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)為親水柔性組分，甲基丙烯酸甲酯單體(MMA)為疏水剛性組分，通過自由基聚合制備得到三元無規共聚物P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)(PEDM1～6)。對共聚物結構與性能進行表征，并通過溶劑揮發法將共聚物制備成膜。選用力學性能適宜的PEDM4共聚物膜為例，重點研究外界刺激和表面粗糙度變化對膜表面浸潤性的影響，從而實現對膜表面浸潤性的調控，并在此基礎上研究了不同膜表面的細胞粘附行為。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA，Mn=475)，阿拉丁試劑公司，直接使用；甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(DEAEMA)，Aldrich公司，直接使用；甲基丙烯酸甲酯(MMA)，阿拉丁試劑公司，用前經減壓蒸餾；偶氮二異丁腈(AIBN)，分析純，中國上海試劑四廠，無水乙醇中重結晶后使用；1,4-二氧六環(1,4-Dioxane)，分析純，國藥集團化學試劑有限公司，CaH2浸泡過夜減壓蒸餾后使用；無水乙醚、正己烷、三氯甲烷(CHCl3)、氫氧化鈉(NaOH)、鹽酸(HCl)，分析純，國藥集團化學試劑有限公司，直接使用；小鼠胚胎成纖維細胞(NIH/3T3)，上海艾研生物科技有限公司；小牛血清(CS)，青霉素、鏈霉素和胰酶，美國Gibco公司，直接使用。

傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)，FTLA2000-104型，加拿大ABB公司；核磁共振(1H NMR)，AVANCE III 400 MHz型，瑞士布魯克公司；凝膠滲透色譜(GPC)，Waters1515型，美國Waters公司；差示掃描量熱儀(DSC)，DSC8000型，美國PE公司；拉伸試驗機，英國INSTRON儀器有限公司；流變儀，Discovery DHR-2型，美國TA儀器公司；視頻光學接觸角測量儀，OCA15EC型，德國德菲儀器股份有限公司；掃描電子顯微鏡(SEM)，S-4800型，日立公司；倒置生物顯微鏡，OLYMPUS CKX41型，日本奧林巴斯株式會社；正置熒光顯微鏡，Nikon 80i型，日本尼康株式會社；酶標儀，Infinite M200Pro 型，瑞士帝肯公司。

1.2 共聚物的合成

將定量的DEAEMA、MMA和一定比例的PEGMA加入到50 mL的圓底燒瓶中，加入25 mL 1,4-Dioxane和單體總物質的量1.5%的AIBN，通入氮氣30 min后密封，65 ℃下攪拌反應12 h，制得三元共聚物P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA) (PEDM1～6) (圖1)。以無水乙醚為沉淀劑，經3次溶解、沉淀后除去未參加反應的單體后真空干燥至恒重。

圖1 P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)的合成

1.3 共聚物膜的制備與性能表征

將共聚物PEDM4溶解在三氯甲烷中，配成0.1 g/mL的聚合物溶液。將溶液涂在聚四氟乙烯板上，室溫下使溶劑揮發成膜后真空干燥，制得厚度約為0.5 mm的共聚物膜。采用相同方法，以三氯甲烷和正己烷-三氯甲烷混合溶液(20∶80體積比)為溶劑分別制備共聚物膜。

2 結果與討論

2.1 P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)的結構表征

為進一步確定P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)的結構，對其進行了1H NMR表征，結果如圖2所示。隨著PEGMA含量的增加，共聚物中PEGMA組分的質子峰強度相對變大，而DEAEMA和MMA組分的質子峰強度基本保持不變，表明聚合物按照預期目標成功合成。

2.2 P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)的表征參數

聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)含有較長的柔性鏈段，設計改變PEGMA的用量以得到更適宜成膜的共聚物。利用共聚物1H NMR圖譜中δ3.75～3.47，3.45～3.35和2.80～2.50處質子峰的積分面積，計算PEGMA、DEAEMA與MMA各組分的摩爾比，聚合物各組分含量與理論值基本相符，其結果如表1所示。

圖2 PEDM的核磁譜圖

Fig 21H NMR spectra of PEDM

PEGMA含量對共聚物的分子量和玻璃化轉變溫度以及拉伸強度、斷裂伸長率的影響如表2所示。PEGMA含量不同的共聚物的數均分子量分布在2.2×104～3.6×104之間。其中，相較于未加入PEGMA時制備的共聚物PEDM1，加入PEGMA后制備得到的共聚物PEDM(2～6)的數均分子量均出現不同程度的增加；而隨著PEGMA含量的增加，共聚物的玻璃化轉變溫度(Tg)逐漸降低。

為進一步探究PEGMA柔性鏈段的引入對共聚物性能的影響，利用動態熱機械分析儀(DMA)對共聚物的粘彈性行為進行測試。圖3為不同PEGMA含量共聚物的儲能模量(a)，損耗模量(b)和復數粘度(c)與剪切頻率的關系曲線。可以看出，不同PEGMA含量共聚物的儲能模量G′和損耗模量G″均隨著剪切頻率的增加而增大，其變化趨勢基本保持一致，但隨著PEGMA含量的增加，G′和G″均變小；而共聚物的復數粘度均隨著剪切速率的增大而減小，表現出明顯的剪切變稀特征。這進一步說明，柔性PEGMA鏈段的加入增強了分子鏈間的潤滑作用，致使儲能模量變小，同時分子鏈在剪切作用下運動變得容易，流動時損耗更少的能量，從而共聚物的損耗模量也相應變小。

表1 不同PEGMA含量P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)的組成

注：aFeed molar ratio;bMolar ratio determined from1H NMR spectra of PEDM;c PEGMA content(%) determined from feed molar ratio;dPEGMA content(%) determined from1H NMR spectra of PEDM

表2 不同PEGMA含量P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)的相關參數

圖3 不同PEGMA含量共聚物的儲能模量、損耗模量和復數粘度

基于以上研究結果，進一步研究了PEGMA含量對共聚物膜性能的影響。以三氯甲烷為溶劑利用溶劑揮發法制備共聚物膜，膜的力學性能測試結果如表2所示。隨著柔性PEGMA含量的增加，共聚物膜的拉伸強度從11.2 MPa降低到3.6 MPa，而斷裂伸長率大幅上升，最終增至550%。三元共聚物中PEGMA單元含量約為13%時(PEDM4)，共聚物膜的拉伸強度達到5.4 MPa，而斷裂伸長率達到436%。該共聚物膜具有較好的柔韌性和拉伸強度，在后續作為研究重點。

2.3 共聚物膜的pH值響應性

共聚物膜中DEAEMA組分具有pH值響應性，其中的叔胺結構在酸性條件下可質子化，使得DEAEMA組分親水性增強，從而帶來膜表面浸潤性的變化[15]。選用三氯甲烷為成膜溶劑的PEDM4共聚物膜裁成樣條，分別浸泡在pH值為2，4，6，8，10和12的溶液中。室溫下靜置10 h后，PEDM4共聚物膜的數碼照片如圖4所示。

圖4 不同pH值條件下PEDM4共聚物膜的數碼照片

Fig 4 Digital photos of PEDM4 copolymer films after 10 h incubation at various pH values

在pH值為6～12的水溶液中，聚合物膜的透過性未發生明顯變化；但是，在pH值為2和4的水溶液中，共聚物膜出現明顯的溶脹現象，其透明性降低，可能是氨基質子化引起共聚物膜中的組分出現相分離。將上述共聚物膜取出并通風干燥后，測定其表面接觸角。如圖5所示，在pH值為 6～12的水溶液中培養的聚合物膜的接觸角穩定在82～84°；而在pH值為2和4的水溶液中培養的聚合物膜的接觸角則減小到68和74°，展現了更強的表面親水性。此外，不同pH值培養后共聚物膜的相分離在干燥過程中保持不變，仍展現出較強的pH值響應性。

圖5 不同pH值條件下PEDM4共聚物膜的接觸角

2.4 表面粗糙度對共聚物膜的浸潤性的影響

利用聚合物的溶解性差異，在成膜過程中選用不同的溶劑會導致所成膜的粗糙度不同。選用以三氯甲烷和正己烷-三氯甲烷混合溶液(20∶80體積比)為溶劑分別制備的PEDM4共聚物膜，對其進行接觸角測試，結果如圖6所示。

圖6 不同溶劑成膜的PEDM4共聚物膜的接觸角

Fig 6 Contact angles of PEDM4 copolymer films formed at different conditions

未加正己烷時，膜表面光滑接觸角為82.6°；加入20%正己烷后，膜表面的接觸角為93.3°，正己烷的加入使膜表面的接觸角增大。利用SEM分別對兩種膜進行觀察，結果如圖7所示。

圖7 不同溶劑成膜的PEDM4共聚物膜接觸角和SEM照片

Fig 7 SEM images of PEDM4 copolymer films formed at different conditions. The inset images show surface water contact angle of copolymer films

從圖7明顯可以看出，未加入正己烷的膜表面平整光滑，而加入20%正己烷后，膜表面粗糙程度明顯增大。這可能是因為三氯甲烷是PEDM4的良溶劑，共聚物以單分子鏈的形式存在于三氯甲烷中，而正己烷是PEDM4的不良溶劑，隨著正己烷的加入，體系出現相分離，所得膜表面的粗糙度也隨之增大，使接觸角增大。

2.5 細胞粘附實驗

為了研究不同膜表面性能對細胞粘附及生長行為的影響，將細胞在兩種不同粗糙程度的共聚物膜表面進行培養，并觀察細胞的形態和數量[16]。從圖8可以看出，兩種共聚物膜表面均有較多的細胞存活，表明共聚物具有較低的細胞毒性。但是，圖8(b)膜表面的細胞分布明顯更為密集，可能是由于膜表面粗糙程度提高，使小鼠胚胎成纖維細胞更易于在膜表面粘附。上述結果表明改變膜表面的粗糙程度可調控細胞的粘附性。

圖8 不同溶劑成膜的PEDM-4共聚物膜表面生長的染色NIH/3T3細胞的熒光照片

Fig 8 Fluorescent microscopy images of NIH/3T3 cells on PEDM-4 copolymer films prepared at different conditions

3 結 論

通過自由基共聚得到不同組成的三元無規共聚物聚(聚乙二醇甲基丙烯酸酯-co-甲基丙烯酸二乙氨基乙酯-co-甲基丙烯酸甲酯)，利用溶劑揮發法制備共聚物膜，其拉伸強度隨著共聚物中PEGMA含量的增加而降低，斷裂伸長率則相應提高。改變pH值可以調控共聚物膜的浸潤性，改變成膜溶劑可顯著調控膜表面的表面粗糙度。共聚物膜具有較低的細胞毒性，且隨著膜表面粗糙度的增加，膜表面的細胞粘附數量增加，有望用于組織工程支架與包裝材料等領域。

[1] Okahata Y, Seki T. Functional capsule membranes. 10. pH-sensitive capsule membranes. Reversible permeability control from the dissociative bilayer-coated capsule membrane by an ambient pH change[J]. Journal of American Chemical Society, 1984, 106(26):8065-8070.

[2] Russell T P. Surface-responsive materials[J]. Science, 2002, 297(5583):964-967.

[3] Ying L, Li M, Liu B, et al.Controlled switchable surface[J]. Chemistry (Weinheim an der Bergstrasse, Germany), 2005, 11(9):2622-2631.

[4] Kwak M J, Oh M S, Yoo Y, et al. Series of liquid separation system made of homogeneous copolymer films with controlled surface wettability[J]. Chemistry of Materials, 2015, 27(9): 3441-3449.

[5] Liu Y, Wang X, Fei B, et al. Bioinspired, stimuli-responsive, multifunctional superhydrophobic Surface with directional wetting, adhesion, and transport of water[J]. Advanced Functional Materials, 2015, 31(25):5047-5056.

[6] Liu K, Ma X, Cao M, et al. Bio-inspired humidity responsive switch for directional water droplet delivery[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2015, 30(3):15540-15545.

[7] Abdul B K. Preparation andcharacterization of aspirin-chitosan complex: An attempt for its solubility and stability improvement[J]. Journal of Pharmacy Research, 2010, 6(3):1-6.

[8] Meredith H J,Wilker J J. The interplay of modulus, strength, and ductility in adhesive design using biomimetic polymer chemistry[J]. Advanced Functional Materials, 2015, 25(31):5057-5065.

[9] Chang Y, Shih Y J,Ruaan R C, et al. Preparation of poly(vinylidene fluoride) microfiltration membrane with uniform surface-copolymerized poly(ethylene glycol) methacrylate and improvement of blood compatibility[J]. Journal of Membrane Science, 2008, 309(1-2):165-174.

[10] Zhou Y N, Li J J, Zhang Q, et al. Light-responsive smart surface with controllable wettability and excellent stability[J]. Langmuir, 2014, 30(41):12236-12242.

[11] Dunphy D R, Atanassov P, Bunge S D, et al. Photoregulation of mass transport through a photoresponsive azobenzene-modified nanoporous membrane[J]. Nano Letters, 2004, 4(4):551-554.

[12] Li Y, Liu R, Liu W, et al. Synthesis, self-assembly, and thermosensitive properties of ethyl cellulose-g-P(PEGMA) amphiphilic copolymers[J]. Journal of Polymer Science, 2008, 46(20):6907-6915.

[13] 江 雷，馮 琳．仿生智能納米界面材料[M]．北京：化學工業出版社,2007．

[14] Sun G, Fang Y. Highadhesive superhydrophobicity and wetting mechanism of locust wing surface[J]. Advanced Materials Research, 2015, 1089(1):190-193.

[15] Che H, Huo M, Peng L, et al. CO2-responsive nanofibrous membranes with switchable oil/water wettability[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2015, 54(31):8934-8938.

[16] Liang Weidong，Shi Yingkang. The research of evaluation the compatibility of biotic material in cell-cultureing method[J].Journal of Biomedical Engineering,1999，16(1)：86-90.

梁衛東，石應康．細胞培養法評價生物材料生物相容性研究進展[J]. 生物醫學工程學雜志，1999, 16(1):86-90.

Preparation and film properties of terpolymer P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)

WANG Yue，LI Xiaojie，SHI Dongjian，DONG Weifu，CHEN Mingqing

(The Key Laboratory of Food Colloids and Biotechnology, Ministry of Education,School of Chemical and Material Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122,China)

A new type of pH sensitive terpolymers was synthesized by free radical polymerization of polyethylene glycol methacrylate (PEGMA), diethylaminoethyl methacrylate (DEAEMA) and methyl methacrylate (MMA). The obtained poly(polyethylene glycol methacrylate-co-diethylaminoethyl methacrylate-co-methyl methacrylate) (PEDM1-6) were characterized using fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), proton nuclear magnetic resonance (1H NMR), gel permeation chromatography (GPC), and dynamic mechanical analyzer (DMA). Among them, the PEGM4 with adjusted tensile strength and elongation properties was used to prepare polymer film by a solvent evaporation method. The pH sensitivity of the resulting polymer film were investigated by contact angle measurements. In addition, the wettability and surface morphology of the films were found to be controllable by changing the type and amount of the solvents. Moreover, the cell adhesion behavior on varying film surface were also investigated.

DEAEMA; copolymer film; pH-sensitive; wettability

1001-9731(2016)11-11145-06

國家自然科學基金資助項目(51173072)

2015-12-01

2016-04-22 通訊作者：陳明清，E-mail: mqchen@jiangnan.edu.cn

王 月 (1991-)，女，內蒙古呼倫貝爾人，在讀碩士，師承陳明清教授，從事功能高分子研究。

TQ317

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.029