不對稱樹狀聚兩性電解質(zhì)的合成及pH響應(yīng)性自組裝行為

徐曉嬋, 陳 濤, 房文祥, 董玉茹, 牛 磊, 蔡春華

(華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海市先進聚合物材料重點實驗室,超細材料制備與應(yīng)用教育部重點實驗室,上海 200237)

?

不對稱樹狀聚兩性電解質(zhì)的合成及pH響應(yīng)性自組裝行為

徐曉嬋, 陳 濤, 房文祥, 董玉茹, 牛 磊, 蔡春華

(華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海市先進聚合物材料重點實驗室,超細材料制備與應(yīng)用教育部重點實驗室,上海 200237)

通過發(fā)散法、開環(huán)聚合以及“點擊化學(xué)”等方法合成了樹狀聚兩性電解質(zhì)聚(L-賴氨酸)-聚酰胺-胺-聚(L-谷氨酸)[(PLL)4-D2-b-D1-(PLGA)2],其中,D1和D2分別代表第1代和第2代聚酰胺-胺。通過氫核磁共振波譜(1H-NMR)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)和凝膠滲透色譜(GPC)對產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)、相對分子質(zhì)量及其分布進行了表征;結(jié)合電位電導(dǎo)滴定、1H-NMR、Zeta電位測定、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和動態(tài)光散射(DLS)等表征方法研究了(PLL)4-D2-b-D1-(PLGA)2溶液的pH響應(yīng)性自組裝行為。研究結(jié)果表明,(PLL)4-D2-b-D1-(PLGA)2具有pH響應(yīng)性多重膠束化行為,在酸性條件下形成PLL為殼、PLGA為核的聚集體,而在堿性條件下形成PLGA為殼、PLL為核的聚集體,同時伴隨著PLGA和PLL鏈段從無規(guī)線團到α-螺旋構(gòu)象的轉(zhuǎn)變。隨著溶液pH的增加,自組裝聚集體由球形膠束向棒狀膠束再向紡錘形膠束轉(zhuǎn)變,并在高pH下二次自組裝形成松葉狀分形結(jié)構(gòu)。

聚兩性電解質(zhì); 聚(L-賴氨酸); 聚(L-谷氨酸); pH 響應(yīng)性; 自組裝

聚兩性電解質(zhì)或兩性聚電解質(zhì)通常是指聚合物鏈上既含有陽離子基團又含有陰離子基團的一類特殊聚電解質(zhì)。由于其結(jié)構(gòu)上的特殊性,聚兩性電解質(zhì)具有等電點并在等電點附近表現(xiàn)出反聚電解質(zhì)效應(yīng)[1-2],使得其性質(zhì)比普通聚電解質(zhì)更接近蛋白質(zhì)、核酸等天然生物高分子。帶有聚弱酸或聚弱堿基團的聚兩性電解質(zhì),其基團的離解依賴于溶液pH的變化,表現(xiàn)出有趣的多重膠束化過程(Schizophrenic Micellization)[3-6]。這類具有pH響應(yīng)性的自組裝體系在生物醫(yī)藥診斷及基因與蛋白質(zhì)傳輸方面具有潛在的應(yīng)用價值[7]。由于合成技術(shù)的限制,目前有關(guān)聚兩性電解質(zhì)的研究主要集中于無規(guī)、交替及嵌段型等線型聚合物,而很少涉及具有支化拓撲結(jié)構(gòu)的非線型聚合物[8]。對于線型聚兩性電解質(zhì),其自組裝過程主要是疏水作用及靜電相互作用推動[9]。對于非線型聚兩性電解質(zhì)而言,支化的拓撲結(jié)構(gòu)帶來的鏈段間的空間及靜電相互作用對其自組裝行為有著重要影響,并形成形貌更加豐富的自組裝聚集體[10]。

本文聯(lián)用開環(huán)聚合及“點擊化學(xué)”的方法,以第1代聚酰胺-胺(D1)和第2代聚酰胺-胺(D2)為內(nèi)核,合成了含有聚(L-賴氨酸)(PLL)陽離子和聚(L-谷氨酸)(PLGA)陰離子的A4B2型不對稱樹狀聚兩性電解質(zhì)(PLL)4-D2-b-D1-(PLGA)2,研究了其pH響應(yīng)性自組裝行為,以探討非線型拓撲結(jié)構(gòu)對聚兩性電解質(zhì)溶液性質(zhì)及自組裝行為的影響。

1 實驗部分

1.1 原料

丙烯酸甲酯(MA)、炔丙胺、乙二胺(EDA)、無水甲醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、石油醚、乙酸乙酯、氫化鈣、甲苯、無水氯化鈣、濃硫酸、碳酸氫鈉、無水硫酸銅、抗壞血酸鈉,L-谷氨酸,國藥集團化學(xué)試劑有限公司;L-谷氨酸、L-賴氨酸酯,吉爾生化有限公司;疊氮化鈉、溴化亞銅,上海凌峰化學(xué)試劑有限公司;三光氣(w=0.99),美國Acros Organics公司;氫溴酸冰醋酸混合液、氫氧化鈉、濃鹽酸、上海達瑞精細化學(xué)品有限公司;三氟乙酸(TFA),Sigma公司。所有藥品均為分析純。

1.2 含炔基及疊氮基樹枝狀聚酰胺-胺(PAMAM)的合成

圖1所示為樹狀聚兩性電解質(zhì)(PLL)4-D2-b-D1-(PLGA)2的合成路線示意圖。如圖1(a)所示,參考文獻[11]的合成方法,分別以炔丙胺和疊氮丙胺為核基元,采用發(fā)散法制得不同代數(shù)的樹枝狀PAMAM。例如,在冰浴條件下,將炔丙胺或疊氮丙胺甲醇溶液緩慢滴加到過量的丙烯酸甲酯(MA)甲醇溶液中,繼續(xù)攪拌1 h后室溫反應(yīng)24 h,經(jīng)減壓除去未反應(yīng)的丙烯酸甲酯和甲醇,得到橙黃色油狀液體D0.5,產(chǎn)率98%。接著在冰浴條件下將D0.5的甲醇溶液滴加到過量的乙二胺甲醇溶液中,攪拌1 h后室溫反應(yīng)48 h,減壓除去過量的乙二胺和甲醇溶劑,得到黃色黏稠油狀液體D1,反應(yīng)產(chǎn)率為95%。繼續(xù)重復(fù)上述Michael加成和酰胺化反應(yīng),得到D2,產(chǎn)率為94%。N3-D1的1H-NMR(CDCl3):化學(xué)位移1.47～1.59 (CH2NH2,4H),1.51～1.59 (N3CH2CH2CH2,2H),2.42～2.58 (NCH2CH2CO,4H),2.71～2.87 (CONHCH2CH2NH2+NCH2CH2CO +N3CH2CH2CH2,10H),3.03～3.21 (N3CH2CH2CH2,2H),3.32～3.49 (CONHCH2CH2NH2,4H),8.03～8.11 (CONH,2H)。炔基內(nèi)核C2-D2的1H-NMR(CDCl3):化學(xué)位移1.50 (CH2NH2,8H),2.22 (HC≡CCH2,1H),2.33 (NCH2CH2CO,12H),2.51 (NHCH2CH2N,4H),2.72 (NHCH2CH2NH2,8H),2.81 (NCH2CH2CO,12H),3.26 (NHCH2CH2N+NHCH2CH2NH2,12H),3.42 (HC≡CCH2,2H),7.63～7.87 (CONH,6H)。

1.3 不對稱樹狀聚兩性電解質(zhì)(PLL)4-D2-b-D1-(PLGA)2的合成

如圖1(b)合成路線圖所示,參照文獻[12]的合成方法,結(jié)合開環(huán)聚合、“點擊反應(yīng)”與脫保護基團反應(yīng),得到樹狀聚兩性電解質(zhì)(PLL)4-D2-b-D1-(PLGA)2。具體合成步驟如下:首先以C2-D2為引發(fā)劑,室溫下在無水DMF中引發(fā)ε-芐氧羰基-L-賴氨酸酯羧酸酐(ZLL-NCA)開環(huán)聚合72 h后,用無水乙醇沉淀,抽濾、真空干燥后得到炔基為末端基的四臂聚(ε-芐氧羰基-L-賴氨酸酯)-聚酰胺-胺[(PZLL)4-D2],該反應(yīng)產(chǎn)率為84%。再將其和N3-D1溶于DMF,以無水硫酸銅/抗壞血酸鈉作為“點擊反應(yīng)”的催化體系,60 ℃下攪拌24 h,經(jīng)透析、凍干后得到產(chǎn)物聚(ε-芐氧羰基-L-賴氨酸酯)-聚酰胺-胺-聚酰胺-胺[(PZLL)4-D2-b-D1],產(chǎn)率為90%。接著以此作為大分子引發(fā)劑,室溫下引發(fā)γ-芐基-L-谷氨酸酯羧酸酐(BLG-NCA)開環(huán)聚合72 h,在乙醚中沉淀,抽濾、真空干燥后得到樹狀聚合物聚(ε-芐氧羰基-L-賴氨酸酯)-聚酰胺-胺-聚酰胺-胺-聚(γ-芐基-L-谷氨酸酯)[(PZLL)4-D2-b-D1-(PBLG)2],該聚合反應(yīng)產(chǎn)率為82%。最后將此樹狀聚合物溶于TFA,室溫下用HBr(w=33%)的冰醋酸溶液酸解8 h,經(jīng)透析凍干后得到粉末狀聚兩性電解質(zhì)(PLL)4-D2-b-D1-(PLGA)2,產(chǎn)率為95%。

圖1 樹狀聚兩性電解質(zhì)(PLL)4-D2-b-D1-(PLGA)2的合成路線示意圖Fig.1 Schematic representation for synthesis route of dendron-like polyampholyte,(PLL)4-D2-b-D1-(PLGA)2

1.4 不同pH樣品溶液的制備

用去離子水稀釋濃鹽酸和氫氧化鈉,配成不同pH的標(biāo)準溶液,將聚兩性電解質(zhì)(PLL)4-D2-b-D1-(PLGA)2溶于上述溶液中,配制質(zhì)量濃度為0.2 g/L的樣品溶液,室溫下攪拌3 d,測定樣品溶液的最終pH,得到一系列不同pH的樣品溶液。

1.5 表征方法

采用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR,Nicolet 6700,美國熱電公司)及氫核磁共振波譜(1H-NMR,AVANCE 500,德國BRUKER)表征產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。通過凝膠滲透色譜(GPC,Waters 1515,Wyatt Technology Corp,PS為標(biāo)樣,DMF為流動相,流速1.0 mL/min,25 ℃)測定相對分子質(zhì)量及其分布。配制0.2 g/L,pH=12的聚電解質(zhì)溶液,用0.1 mol/L的稀鹽酸溶液在25 ℃下進行滴定,通過pH計(Model 868,美國熱電公司)和電導(dǎo)儀(DDSJ-308A,上海雷磁儀器廠)分別測定溶液pH和電導(dǎo)率的變化,表征聚兩性電解質(zhì)的等電點。利用1H-NMR和Zeta電位分析儀(Zetasizer 3000HS,Malven Zetasizer,25 ℃)表征聚集體結(jié)構(gòu)的變化。將配制好的聚兩性電解質(zhì)溶液滴到覆有碳膜的銅網(wǎng)上,室溫干燥后通過掃描電鏡(SEM,S4800,HITACH)和透射電鏡(TEM,JEOL/JEM-2000EXII) 表征聚電解質(zhì)聚集體的形貌及尺寸。利用動態(tài)光散射(DLS,ALV/CGS-5022F,德國ALV公司)來測定溶液中聚集體的尺寸分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹狀聚兩性電解質(zhì)(PLL)4-D2-b-D1-(PLGA)2的結(jié)構(gòu)

結(jié)合1H-NMR、FT-IR和GPC對中間產(chǎn)物及最終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、相對分子質(zhì)量及分布進行了表征。圖2中a曲線所示為四臂樹狀共聚物(PZLL)4-D2在CDCl3中的1H-NMR譜圖。其中,化學(xué)位移δ為8.3,7.3,5.0,3.9,3.1,1.2～1.8處的吸收峰依次為PZLL分子中α-螺旋構(gòu)象的NH基團(c)、側(cè)鏈苯環(huán)(j)、側(cè)鏈芐基(i)、主鏈α位亞甲基(d)、側(cè)鏈ε位亞甲基(h)以及側(cè)鏈β,γ,δ位的亞甲基(e,f,g)質(zhì)子吸收峰。以上吸收峰的出現(xiàn)表明成功進行了ZLL-NCA的開環(huán)聚合反應(yīng),合成了(PZLL)4-D2。圖2中b曲線所示為樹狀聚合物 (PZLL)4-D2-b-D1-(PBLG)2的1H-NMR譜圖。

圖2 (PZLL)4-D2和(PZLL)4-D2-b-D1-(PBLG)2在CDCl3中的1H-NMR譜圖Fig.2 1H-NMR spectra of (PZLL)4-D2 and (PZLL)4-D2-b-D1-(PBLG)2 in CDCl3

比較圖2中a曲線和b曲線可知,除原有的PZLL的特征吸收峰外,b曲線中化學(xué)位移8.3處α-螺旋構(gòu)象的NH基團吸收峰、5.1處芐基吸收峰和3.9處主鏈α位亞甲基吸收峰均增強,3.1處PZLL特征峰強減弱,并在1.8～2.8處出現(xiàn)了PBLG的亞甲基(e',f')特征吸收峰,表明成功合成了(PZLL)4-D2-b-D1-(PBLG)2不對稱樹狀嵌段共聚物。

圖3所示為聚合物(PZLL)4-D2和(PZLL)4-D2-b-D1-(PBLG)2在DMF中的GPC曲線。由圖3中b曲線可知開環(huán)聚合過程控制得比較好。由于D1及D2末端的氨基處于相同的化學(xué)環(huán)境,具有相同的引發(fā)效率,因此根據(jù)PZLL及PBLG結(jié)構(gòu)單元相對分子質(zhì)量計算得到每個PZLL鏈段聚合度為9,每個PBLG鏈段聚合度為30,因此將所合成的嵌段共聚物標(biāo)記為(PZLL9)4-D2-b-D1-(PBLG30)2。

圖3 (PZLL9)4-D2和(PZLL9)4 D2-b-D1-(PBLG30)2的GPC流動曲線Fig.3 GPC elution traces of (PZLL9)4-D2, (PZLL9)4-D2-b-D1-(PBLG30)2

圖4為聚合物(PZLL9)4-D2,(PZLL9)4-D2-b-D1-(PBLG30)2和(PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2的FT-IR譜圖。圖4中a曲線為(PZLL9)4-D2的FT-IR譜圖。其中,1 652 cm-1和1 547 cm-1處為PZLL鏈段采取α-螺旋構(gòu)象時酰胺I和酰胺II的特征吸收峰,1 735 cm-1處的吸收峰歸屬于PZLL鏈段中的酯基,746 cm-1和696 cm-1處吸收峰是聚合物中苯環(huán)的特征峰。圖4中b曲線為樹狀聚合物(PZLL9)4-D2-b-D1-(PBLG30)2的FT-IR譜圖。比較曲線a與曲線b可知,“點擊反應(yīng)”進行后,2 100 cm-1左右處炔基特征峰基本消失。考慮到紅外光譜中的高靈敏性,可以認為“點擊反應(yīng)”進行得比較徹底。圖4中c曲線為聚合物(PZLL9)4-D2-b-D1-(PBLG30)2脫保護基團后得到的聚兩性電解質(zhì)(PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2的FT-IR譜圖,其中746 cm-1,696 cm-1處苯環(huán)及1 734 cm-1處酯基吸收峰的消失,表明成功脫除了芐基及芐氧羰基保護基團,得到了聚兩性電解質(zhì)(PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2。

圖5所示為(PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2在酸性(pH=2，曲線a)和堿性(pH=12，曲線b)條件下的1H-NMR譜圖。與圖2中b曲線(PZLL9)4-D2-b-D1-(PBLG30)2的1H-NMR譜圖比較可以看出,化學(xué)位移5.0處的芐基特征峰和7.3處的苯環(huán)特征峰在圖5中明顯消失,表明成功脫除了PBLG的芐基及PZLL的芐氧羰基保護基團,得到了含PLGA鏈段和PLL鏈段的聚電解質(zhì),與紅外分析結(jié)果相一致。

圖4 聚合物(PZLL9)4-D2,(PZLL9)4-D2-b-D1-(PBLG30)2和(PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2的FT-IR譜圖Fig.4 FT-IR spectra of (PZLL9)4-D2,(PZLL9)4-D2-b-D1- (PBLG30)2 and (PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2

2.2 (PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2的等電點

聚兩性電解質(zhì)的等電點可通過滴定獲得。圖6所示為(PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2水溶液的電位和電導(dǎo)滴定曲線。滴定過程中HCl的緩慢滴加使得溶液中(PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2分子鏈上陰陽離子離解基團的數(shù)目及分布不斷發(fā)生變化,并導(dǎo)致聚合物分子內(nèi)鹽鍵的形成,溶液電導(dǎo)率隨之發(fā)生變化。圖6中虛線將滴定曲線分成4個區(qū)域、3個轉(zhuǎn)變點。第1個區(qū)域?qū)?yīng)滴加HCl中和過量NaOH的過程;第1個轉(zhuǎn)折點為PLGA鏈段上-COO-質(zhì)子化的開始;第2個區(qū)域?qū)?yīng)-COO-的質(zhì)子化過程;第2個轉(zhuǎn)折點為-COO-質(zhì)子化的結(jié)束以及PLL鏈段上—NH2質(zhì)子化的開始;第3個區(qū)域?qū)?yīng)—NH2的質(zhì)子化過程;第3個轉(zhuǎn)折點為—NH2質(zhì)子化的結(jié)束;第4個區(qū)域?qū)?yīng)滴加過量HCl的過程。根據(jù)Homola和James提出的推算方

圖5 (PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2在pH=2,pH=12 D2O中的1H-NMR譜圖Fig.5 1H-NMR spectra of (PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2 in D2O at pH=2 and pH=12

圖6 (PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2水溶液的電位 和電導(dǎo)滴定曲線(0.2 g/L,25 ℃)Fig.6 Potentiometric and conductometric titration of (PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2 aqueous solution (0.2 g/L) at 25 °C

法[13],可以推算出該體系中PLGA和PLL結(jié)構(gòu)單元的相對物質(zhì)的量之比(nG∶nL)為60∶40,其中nG和nL分別為質(zhì)子化PLGA羧基和PLL氨基所需HCl的摩爾數(shù),這一結(jié)果與根據(jù)GPC推算出的PLGA和PLL鏈段相對物質(zhì)的量之比(60∶36)很接近。

聚兩性電解質(zhì)的等電點(IEP)可以由估算公式計算得到[14],如式(1)所示,其中R為本體系中酸堿基團的物質(zhì)的量之比,PLGA和PLL鏈段的電離常數(shù)pKa,PLGA=4.4,pKa,PLL=9.3。因此,根據(jù)GPC和滴定得到的r值分別計算出(PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2的等電點約為4.6和4.7,結(jié)果近似。

(1)

Zeta電位也可用來推測聚電解質(zhì)的等電點并測定聚集體表面荷電狀態(tài)。圖7所示為(PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2溶液隨pH變化的Zeta電位圖。

圖7 (PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2水溶液 的Zeta電位圖(0.2 g/L,25 ℃)Fig.7 Zeta potential of (PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2in aqueous solution (0.2 g/L) at 25 °C

從圖7可以看出,當(dāng)pH<4時,Zeta電位為正值,表明此時溶液中聚集體表面帶有正電荷;當(dāng)pH>5時,Zeta電位為負值,表明此時溶液中聚集體表面帶有負電荷;當(dāng)pH為4～5時,Zeta電位接近為零,表明此時聚集體表面正負電荷近乎中和,呈電中性。根據(jù)圖7可以推算出(PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2的等電點約為4.5,近似于上述計算得到的等電點值。這些結(jié)果表明由1H-NMR和GPC數(shù)據(jù)分析得到的聚兩性電解質(zhì)結(jié)構(gòu)組成是正確的。

2.3 (PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2的pH響應(yīng)性自組裝行為

PLGA和PLL鏈段中羧基和氨基的離子化程度受溶液pH的影響,PLGA和PLL鏈段因溶劑化作用分別由親水性鏈段轉(zhuǎn)變成疏水鏈段,并導(dǎo)致其鏈段構(gòu)象發(fā)生變化,最終影響聚集體的自組裝結(jié)構(gòu)。這些變化可以從圖5中1H-NMR譜圖反映出來。當(dāng)pH=2時(圖5中a曲線),化學(xué)位移2.9處PLL鏈段的ε位亞甲基峰特征峰明顯,而α位CH基團化學(xué)位移為4.2,說明PLL采取無規(guī)線團構(gòu)象[4,12,15]。此時PLL鏈段由于—NH2完全質(zhì)子化而溶解在水中,且因為靜電斥力的作用而處于伸展?fàn)顟B(tài)。同時PLGA特征峰強度減弱,α位亞甲撐基團化學(xué)位移為4.0,說明低pH下PLGA上的—COOH未解離,導(dǎo)致溶解性不好,采取α-螺旋構(gòu)象[4,12,15]。因此在酸性條件下,由于PLGA鏈段的疏水作用,體系中形成以疏水的PLGA為核、親水的PLL為殼的聚集體。與此相反,當(dāng)pH=12時(圖5中b曲線),PLL的特征峰峰強大幅減弱。而PLGA的特征峰信號比較明顯,兩者α位亞甲撐基團化學(xué)位移位置互換,表明在堿性條件下PLL鏈段不溶于水中,而PLGA鏈段溶于水中,離解的COO-間的靜電斥力使PLGA鏈段處于伸展?fàn)顟B(tài),采取無規(guī)線團構(gòu)象。因此堿性條件下形成了以PLL為疏水核、PLGA為親水外殼的聚集體。

圖7中聚集體表面Zeta電位值的變化,也驗證了上述聚集體隨溶液酸堿的變化而發(fā)生的結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)。聚兩性電解質(zhì)溶液在pH=2時的Zeta電位值大于+30 mV,表明此時溶液中聚集體表面為帶有正電荷的PLL鏈段,即形成了以PLL為殼、PLGA為核的聚集體。而聚兩性電解質(zhì)溶液在pH=12時的Zeta電位值小于-30 mV,說明PLGA位于聚集體的表面,而PLL位于聚集體的內(nèi)核。Zeta電位的結(jié)果與不同pH下的1H-NMR譜圖結(jié)果相吻合,均表明在酸性和堿性條件下分別形成了以PLGA和PLL為核的聚集體。

圖8所示為樹狀聚兩性電解質(zhì)(PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2在pH為2.3、3.7、9.2、12.0時形成的聚集體的形貌電鏡圖片,其中圖8(a)、8(b)、8(c)為TEM圖片,圖8(d)為SEM圖片。

圖8 (PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2在(a) pH=2.3,(b) pH=3.7,(c) pH=9.2時聚集體形貌的TEM圖片和(d) pH=12.0時聚集體形貌的SEM圖片

Fig.8 TEM images of aggregates of (PLL9)4-D2-b-D1- (PLGA30)2in aqueous solutions at (a) pH=2.3,(b) pH=3.7,(c) pH=9.2 and SEM image of aggregates at (d) pH=12.0

繼續(xù)增加溶液pH到12.0時,通過SEM觀察到了類似松葉狀的聚集體,長度達毫米級,如圖8(d)所示,每個“松葉”都是由直徑約70 nm的棒狀聚集體聚集而成。Zeta電位結(jié)果表明,該pH下聚集體表面Zeta電位絕對值大于30 mV,溶液中的聚集體因靜電排斥不應(yīng)發(fā)生聚集。事實上,實驗過程中也并未觀察到pH=12.0的樣品溶液有明顯沉淀出現(xiàn)。因此,判斷該松葉狀聚集體是在樣品干燥過程中,由溶液中的鈉離子與羧酸根結(jié)合形成的谷氨酸鈉結(jié)晶與溶液中過量的NaOH結(jié)晶共同誘導(dǎo)聚兩性電解質(zhì)棒狀聚集體進行再次組裝形成的,符合近年來陸續(xù)見諸報道的多級組裝形成分形結(jié)構(gòu)的機理[16-17]。

圖9所示為動態(tài)光散射DLS測定溶液pH分別為2.3、3.7、9.2、12.0時形成的聚集體的流體力學(xué)半徑(Rh)分布圖。

圖9 (PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2在pH=2.3,3.7,9.2, 12.0時的流體力學(xué)半徑分布圖Fig.9 Hydrodynamic radius distribution of (PLL9)4- D2-b-D1-(PLGA30)2 aggregates in aqueous solution at pH=2.3,3.7,9.2,12.0

從圖中可以看出,不同pH下得到的聚集體都呈單峰分布,但尺寸分布較寬。當(dāng)pH=2.3時,DLS測定的聚集體平均流體力學(xué)半徑約為220 nm,比TEM測試結(jié)果大一些。這是由于TEM反映的是膠束在干燥狀態(tài)下的大小,而DLS測定的是溶液中的聚集體大小,更接近于真實粒徑。另外可以看出,pH為3.7、9.2、12.0時測得的平均流體力學(xué)半徑均在1 μm以上,與相同pH下TEM獲得的棒狀聚集體的長度尺寸基本一致,而寬度尺寸相差較大。這主要由于棒狀膠束、紡錘形膠束結(jié)構(gòu)上的不對稱性,DLS測得的流體力學(xué)半徑并不能出反映聚集體的真實形貌[18]。盡管如此,DLS數(shù)據(jù)表明,在上述pH的溶液中棒狀聚集體能較好地分散而沒有發(fā)生聚集,也由此進一步驗證了在pH為12.0時獲得的松葉狀分形結(jié)構(gòu)是在干燥過程中經(jīng)再次組裝形成的。

3 結(jié) 論

本文聯(lián)用發(fā)散法、開環(huán)聚合以及“點擊化學(xué)”成功合成了含有氨基酸鏈段的A4B2型不對稱樹狀聚兩性電解質(zhì)(PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2,并研究了(PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2水溶液性質(zhì)及水溶液pH變化對自組裝行為和聚集體形貌的影響。研究結(jié)果表明,(PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2的水溶液具有明顯的pH響應(yīng)性,在酸性條件下形成了PLL為殼、PLGA為核的聚集體,隨著溶液pH的增加,自組裝聚集體由球形膠束轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻钅z束。而在堿性條件下形成了PLGA為殼、PLL為核的紡錘形膠束,同時伴隨著PLGA和PLL鏈段從無規(guī)線團到α-螺旋構(gòu)象的轉(zhuǎn)變,并在高pH下二次自組裝形成松葉狀分形結(jié)構(gòu)。由于PLL和PLGA鏈段均為生物相容性及生物可降解性聚合物,因此制備的聚兩性電解質(zhì)(PLL9)4-D2-b-D1-(PLGA30)2在環(huán)境響應(yīng)型藥物控釋載體及基因與蛋白質(zhì)傳輸方面具有潛在的應(yīng)用價值。此外,由多級自組裝形成的分形結(jié)構(gòu)對理解自然界中的天然分形結(jié)構(gòu)的形成過程也具有積極的意義。

[1] LOWE A B,MCCORMICK C L.Synthesis and solution properties of zwitterionic polymers[J].Chemical Reviews,2002,102(11):4177-4190.

[3] LIU Shiyong,ARMES S P.Synthesis and aqueous solution behavior of a pH-responsive schizophrenic diblock copolymer[J].Langmuir,2003,19(10):4432-4438.

[5] LIU Futian,EISENBERG A.Preparation and pH triggered inversion of vesicles from poly (acrylic acid)-block-polystyrene-block-poly (4-vinyl pyridine)[J].Journal of the American Chemical Society,2003,125(49),15059-15064.

[6] LIU Shiyong,ARMES S P.Polymeric surfactants for the new millennium:A pH-responsive,zwitterionic,schizophrenic diblock copolymer[J].Angewandte Chemie International Edition,2002,41(8):1413-1416.

[7] FELLBER A E,DUFRESNE M H,LEROUX J C.pH-sensitive vesicles,polymeric micelles,and nanospheres prepared with polycarboxylates[J].Advanced Drug Delivery Reviews,2012,64(11):979-992.

[8] ZHOU Yongfeng,HUANG Wei,LIU Jinyao,etal.Self-assembly of hyperbranched polymers and its biomedical applications[J].Advanced Materials,2010,22(41):4567-4590.

[9] RAY J G,JOHNSON A J,SAVIN D A.Self-assembly and responsiveness of polypeptide-based block copolymers:How “Smart” behavior and topological complexity yield unique assembly in aqueous media[J].Journal of Polymer Science:Part B.Polymer Physics,2013,51(7):508-523.

[10] 陳莉莉,張帆,陳濤,等.基于聚氨基酸的線型-樹狀聚兩性電解質(zhì)的合成及pH響應(yīng)性研究[J].高分子學(xué)報,2013(2):270-278.

[11] CHONG Hua,PENG Songming,DONG Changming.Synthesis and characterization of linear-dendron-like poly (ε-caprolactone)-b-poly (ethylene oxide) copolymers via the combination of ring-opening polymerization and click chemistry[J].Macromolecules,2008,41(18):6686-6695.

[12] CHEN Lili,CHEN Tao,FANG Wenxiang,etal.Synthesis and pH-responsive “schizophrenic” aggregation of a linear-dendron-like polyampholyte based on oppositely charged polypeptides[J].Biomacromolecules,2013,14(12):4320-4330.

[13] HOMOLA A,JAMES R O.Preparation and characterization of amphoteric polystyrene latices[J].Journal of Colloid and Interface Science,1977,59(1):123-134.

[14] PATRICKIOS C S,YAMASAKI E N.Polypeptide amino acid composition and isoelectric point:Ⅱ.Comparison between experiment and theory[J].Analytical Biochemistry,1995,231(1):82-91.

[15] RAO Jingyi,ZHANG Yanfeng,ZHANG Jingyan,etal.Facile preparation of well-defined AB2 Y-shaped miktoarm star polypeptide copolymer via the combination of ring-opening polymerization and click chemistry[J].Biomacromolecules,2008,9(10):2586-2593.

[16] SUN Shengtong,XU Shengjie,ZHANG Weidong,etal.Cooperative self-assembly and crystallization into fractal patterns by PNIPAM-based nonlinear multihydrophilic block copolymers under alkaline conditions[J].Polymer Chemistry,2013,4(24):5800-5809.

[17] GIRI K,BHATTACHARYYA N P,BASAK S.pH-dependent self-assembly of polyalanine peptides[J].Biophysical Journal,2007,92(1):293-302.

[18] VON MALTZAHN G,VAUTHEY S,SANTOSO S,etal.Positively charged surfactant-like peptides self-assemble into nanostructures[J].Langmuir,2003,19(10):4332-4337.

Synthesis and pH-Responsive Self-Assembly Behaviors of Asymmetry Dendron-Like Polypeptide-Based Polyampholyte

XU Xiao-chan, CHEN Tao, FANG Wen-xiang, DONG Yu-ru, NIU Lei, CAI Chun-hua

(Shanghai Key Laboratory of Advanced Polymeric Materials,Key Laboratory for Ultrafine Materials of Ministry of Education,School of Materials Science and Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

An asymmetry dendron-like polyampholyte,poly(L-lysine)4-D2-b-D1-poly(L-glutamic acid)2[(PLL)4-D2-b-D1-(PLGA)2],where D1 and D2 are the first and second generation of poly(amido amine),was synthesized via the combination of divergent synthesis procedure,ring-opening polymerization (ROP) and click chemistry.The molecular structure,molecular weight and molecular weight distribution were characterized by proton nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H-NMR),Fourier transform-infrared spectroscopy (FT-IR) and gel permeation chromatograph (GPC).The pH-responsive self-assembly behaviors were investigated via potentiometric and conductometric titration,1H-NMR spectroscopy,zeta potential measurement,scanning electron microscopy (SEM),transmission electron microscopy (TEM) and dynamic light scattering (DLS).It was found that (PLL)4-D2-b-D1-(PLGA)2shows pH-responsive “schizophrenic” micellization behaviors.It can self-assemble into aggregates with PLL-corona and PLGA-core at acid pH,and with PLGA-corona and PLL-core at alkaline pH,companied with the coil-to-helix conformational transition of PLGA and PLL segments.The self-assembled aggregates changed their morphology from spherical to rod-like and then to spindle-like micelles.Moreover,novel villus-like fractal structure was formed by hierarchical assembling of spindle-like micelles at high pH value.

polyampholyte; poly(L-lysine); poly(L-glutamic acid); pH responsive; self-assembly

1006-3080(2016)05-0644-09

10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.05.009

2016-01-16

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(22A201514001);上海市大學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃(S15052)

徐曉嬋(1991-),女,江蘇徐州人,碩士生,研究方向為聚兩性電解質(zhì)自組裝。

陳 濤,E-mail:tchen@ecust.edu.cn

TQ316.341

A