一种具有pH响应性的有机硅-聚乙二醇两亲性接枝聚合物及其制备与应用的制作方法

一种具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇两亲性接枝聚合物及其制备与应用
技术领域
1.本发明属于有机合成技术领域，具体涉及一种具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇两亲性接枝聚合物及其制备与应用。


背景技术：

2.两亲性聚合物的分子链上同时具有亲水链段和疏水链段，由于两种链段的不相容性，将其分散在水里，当浓度超过一定值时会自组装形成一个外部亲水内部疏水的聚集体。这种两亲性聚合物的形态结构多种多样，例如线性、接枝、支化、环状等，经过分散自组装后能形成各种形貌的聚集体包括球形胶束、柱状胶束、大复合胶束、纳米管、囊泡等。
3.目前应用比较广泛的是两亲性嵌段聚合物，其自组装形成的囊泡结构在材料自修复、物质分离、仿生材料、药物递送和释放等，都具有巨大的潜在应用价值。但其大多数合成路线中会使用金属催化剂，并且带有毒性大和成本高、反应条件苛刻等特点，这一定程度上限制了它的快速发展。经研究发现，部分两亲性接枝聚合物分散后也具有两亲性嵌段聚合物类似的囊泡结构，而且其合成路线更加简便环保。它通过一步反应将亲水(疏水)链段直接接枝在疏水(亲水)主链上，避免了小分子的聚合反应，使得反应过程更加便捷绿色。
4.随着科技行业的发展，对于材料的各种性能也有新的要求，其中具有智能ph响应的两亲性聚合物开始被科学家们注意到。这类智能ph响应的两亲性聚合物一般会带有一种或多种具有ph响应性的腙键、酰胺键、β-硫代丙酸酯等结构基团，因此它能根据环境中ph的变化，而做出特定响应。此类智能ph响应聚合物在药物运载、物料分离、酶的固定等领域中有着实际应用。目前这些ph响应的两亲性聚合物大多数是采用可逆加成-断裂转移法合成的，虽然得到的聚合物整体规整度要好，但其反应过程复杂、反应条件苛刻也在制约其发展。


技术实现要素：

5.为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇两亲性接枝聚合物。
6.本发明的另一目的在于提供上述一种具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇两亲性接枝聚合物的制备方法。
7.本发明的再一目的在于提供上述一种具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇两亲性接枝聚合物的应用。
8.本发明目的通过以下技术方案实现：
9.一种具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇两亲性接枝聚合物，具有如下结构：
[0010][0011]
其中，r1为h或甲基，r2为甲氧基(-och3)或羟基(-oh)；
[0012]
40≤x≤130；
[0013]
7≤y≤20；
[0014]
7≤n≤50。
[0015]
优选地，所述n为8～24。
[0016]
一种具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇两亲性接枝聚合物的制备方法，包括以下步骤：
[0017]
(1)以有机溶剂为反应介质，将3-巯丙基甲基二甲氧基硅烷和水混合，在30～60℃下水解6～12h，去除有机溶剂，加入羟基硅油和四甲基氢氧化铵，于80～90℃减压蒸馏反应1～3h，再升温至140～160℃，减压蒸馏反应1～2h，得到含巯基有机硅；
[0018]
(2)以有机溶剂为反应介质，在催化剂作用下，将含巯基有机硅与聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯和聚乙二醇丙烯酸酯中的至少一种在25～40℃下反应5～8h，结束反应，纯化，得到具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物。
[0019]
优选地，步骤(1)所述有机溶剂为异丙醇和乙醇中的至少一种。
[0020]
优选地，步骤(1)所述3-巯丙基甲基二甲氧基硅烷、水和有机溶剂的质量比为1：2～3：4～6。
[0021]
优选地，步骤(1)所述3-巯丙基甲基二甲氧基硅烷、羟基硅油和四甲基氢氧化铵的质量比为1：2～8：0.1～0.3。
[0022]
优选地，步骤(1)所述四甲基氢氧化铵以四甲基氢氧化铵甲醇溶液的形式加入，该溶液的质量浓度为25～50％。
[0023]
优选地，步骤(1)所述羟基硅油的粘度为40mpa.s，羟基含量为4％。
[0024]
优选地，步骤(2)所述有机溶剂为丙酮、四氢呋喃、二氯甲烷和二氧六环中的至少一种。
[0025]
优选地，步骤(2)所述含巯基有机硅中的巯基与聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯和聚乙二醇丙烯酸酯中的至少一种的摩
尔比为1：1～3。
[0026]
优选地，步骤(2)所述聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯和聚乙二醇丙烯酸酯的分子量均在200～1000之间；更优选为360～950。
[0027]
优选地，步骤(2)所述催化剂为1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯、4-二甲氨基吡啶、1,1-二甲基-4-苯基哌嗪碘化物和磷酸叔丁基苯二苯酯中的至少一种。
[0028]
优选地，步骤(2)所述催化剂的加入量为含巯基有机硅的重量的1～5％。
[0029]
优选地，步骤(2)所述纯化的方法为：将产物混合液转移至3500～10000d的透析袋中，用去离子水透析3～4d，每隔6小时换一次去离子水，再经过冷冻干燥或热烘干得到目标产物。
[0030]
上述步骤中，含巯基有机硅的制备的反应方程式为：
[0031][0032]
有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的合成方程式，如下：
[0033][0034]
上述一种具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇两亲性接枝聚合物在制备胶束、材料自修复、物质分离、仿生材料和药物制备领域中的应用。
[0035]
一种具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物胶束，由以下方法制得：
[0036]
将上述具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇两亲性接枝聚合物溶于适量有机溶剂中，然后在搅拌下，加入去离子水，在室温条件下敞口搅拌5～8h，得到胶束溶液。
[0037]
优选地，所述有机溶剂为四氢呋喃和丙酮中的至少一种。
[0038]
优选地，所述具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇两亲性接枝聚合物、有机溶剂和水的比例为25～50mg：0.5～1.0ml：25～50ml。
[0039]
优选地，所述去离子水的加入速度为0.1～0.5ml/s。
[0040]
优选地，所述搅拌转速为400～1000rpm。
[0041]
上述一种具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物胶束溶液在材料自修复、物质分离、仿生材料和药物制备领域中的应用。
[0042]
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
[0043]
(1)本发明提供了一种无金属催化剂、低毒、简便的两亲性接枝共聚物的合成方法。
[0044]
(2)本发明利用有机硅上的巯基与聚乙二醇上的丙烯酸酯进行迈克尔加成合成了具有β-硫代丙酸酯结构的两亲性接枝聚合物，此聚合物具有ph响应性。
[0045]
(3)本发明扩展了智能ph响应两亲性聚合物的开发应用，得到一种能智能ph响应的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物胶束。为药物负载、物料分离等提供了一条新路线。
附图说明
[0046]
图1为实施例1制备的聚合物的核磁图。
[0047]
图2为实施例1制备的聚合物胶束溶液的粒径分布图。
[0048]
图3为实施例1制备的聚合物胶束溶液的最大荧光强度对胶束浓度的log值的函数图。
[0049]
图4为实施例1制备的聚合物胶束溶液的ph响应图。
[0050]
图5为实施例2制备的聚合物的核磁图。
[0051]
图6为实施例3制备的聚合物的核磁图。
[0052]
图7为实施例4制备的聚合物的核磁图。
[0053]
图8为对比例1制备的聚合物的核磁图。
[0054]
图9为实施例1与对比例1的聚合物胶束溶液的tem图。
具体实施方式
[0055]
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0056]
本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0057]
本发明中相关性能测试，按如下测试方法或标准进行：
[0058]
核磁氢谱：采用bruker avance 400m型核磁共振仪对样品进行分析，氘代氯仿(cdcl3)作为溶剂进行测试。
[0059]
粒径分析：采用纳米粒度电位分析仪malvern zetasizer nano zs90测定其胶束粒径及分布，其中胶束分散液浓度为0.5mg/ml，测试前用0.22μm的聚醚砜针式过滤器过滤。
[0060]
临界胶束浓度测试：使用尼罗红作为荧光探针，测定不同浓度的聚合物胶束的荧光强度，从而计算出聚合物的临界胶束浓度(cmc)。首先，配置0.2mg/ml的尼罗红四氢呋喃(thf)溶液，用移液器分别移取20μl尼罗红溶液至多个样品瓶中，放在通风橱内挥发部分thf溶液，然后分别加入定量配置好的1mg/ml的两亲性接枝聚合物胶束溶液，用适量去离子水稀释聚合物溶液，经过搅拌挥发剩余的thf，最终调配成浓度为1mg/ml、0.8mg/ml、0.6mg/ml、0.4mg/ml、0.2mg/ml、0.1mg/ml、5
×
10-2
mg/ml、1
×
10-2
mg/ml、5
×
10-3
mg/ml、1
×
10-3
mg/ml的聚合物胶束溶液。最后经过超声混合30min，进行荧光测试。
[0061]
ph响应性测试：本发明所包含的一种具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物含有的β-硫代丙酸酯结构会在酸性环境中断裂，导致胶束破裂，其相应的胶束溶液吸光度也会受此影响。具体操作：配置浓度为1mg/ml的胶束溶液，分别加入等量的pbs缓冲溶液，使得体系ph值分别为7.4和5.0，使用岛津uv2550紫外分光光度计测量其在210nm的条件下吸光度，绘制胶束溶液吸光度的变化率随时间变化的曲线。
[0062]
tem测试：将一滴共聚物溶液沉积在涂有碳的铜网格上，用2％醋酸铀溶液负染。使用日本电子jeol jem-1200exii电子显微镜，在120kv下操作。
[0063]
实施例1
[0064]
(1)含巯基有机硅的制备：将3-巯丙基甲基二甲氧基硅烷、去离子水和异丙醇按照质量比1：2：4的比例加入到三口烧瓶中，其中3-巯丙基甲基二甲氧基硅烷为1g，在60℃的条件搅拌水解6h，然后减压蒸馏除去异丙醇，加入4.73g羟基硅油(粘度为40mpa.s，羟基含量为4％)以及1g质量浓度为25％的四甲基氢氧化铵甲醇溶液，升温至90℃，减压蒸馏反应2h，再次升温至140℃，减压蒸馏反应1h，得到含巯基有机硅反应物。
[0065]
(2)具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的合成制备：用25ml的四氢呋喃溶解上述制备的2.0g含巯基有机硅和0.4g的聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(分子量为950)，投入单口烧瓶中，加入0.05g 4-二甲氨基吡啶催化剂，在40℃的条件搅拌反应8h。将产物转移至3500d的透析袋中，用去离子水透析4d，每隔6小时换一次去离子水。再经过烘箱干燥得到有机硅-聚乙二醇接枝共聚物，其中x＝70～90、y＝7～9、n＝24。
[0066]
(3)具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的胶束制备：精确称取25mg上述目标产物，加入0.6ml四氢呋喃将其溶解，以600rpm的速度搅拌，以0.3ml/s的速度滴加25ml去离子水，并在室温条件下敞口搅拌7h，得到1mg/ml的胶束溶液。
[0067]
本实施例所得的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的核磁氢谱图见图1。
[0068]
本实施例所得的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的胶束溶液的平均粒径为199.6nm，见图2。
[0069]
本实施例所得的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的胶束临界浓度为0.1751mg/ml，见图3。
[0070]
本实施例所得的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的胶束溶液的ph响应强度随时间变化图，见图4。
[0071]
实施例2
[0072]
(1)含巯基有机硅的制备：将3-巯丙基甲基二甲氧基硅烷、去离子水和乙醇按照质量比1：3：4的比例加入到三口烧瓶中，其中3-巯丙基甲基二甲氧基硅烷为1g，在50℃的条件搅拌水解8h，然后减压蒸馏除去乙醇，加入3.8g羟基硅油(粘度为40mpa.s，羟基含量为4％)以及0.6g质量浓度为40％的四甲基氢氧化铵甲醇溶液，升温至90℃，减压蒸馏反应2h，再次升温至140℃，减压蒸馏反应1h，得到含巯基有机硅反应物。
[0073]
(2)具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的合成制备：用25ml的四氢呋喃溶解上述制备的2.0g含巯基有机硅和1.5g的聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯(分子量为500)，投入单口烧瓶中，加入0.05g 4-二甲氨基吡啶催化剂，在30℃的条件搅拌反应7h。将产物转移至3500d的透析袋中，用去离子水透析3d，每隔6小时换一次去离子水。再经过冷冻干燥烘干得到有机硅-聚乙二醇接枝共聚物，其中x＝70～100、y＝8～10、n＝13。
[0074]
(3)具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的胶束制备：精确称取25mg上述目标产物，加入0.5ml四氢呋喃将其溶解，以700rpm的速度搅拌，以0.2ml/s的速度滴加25ml去离子水，并在室温条件下敞口搅拌6h，得到1mg/ml的胶束溶液。
[0075]
本实施例所得的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的核磁氢谱图见图5。
[0076]
本实施例所得的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的胶束溶液的平均粒径为268.1nm。
[0077]
本实施例所得的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的胶束临界浓度为0.3004mg/ml。
[0078]
实施例3
[0079]
(1)含巯基有机硅的制备：将3-巯丙基甲基二甲氧基硅烷、去离子水和异丙醇按照质量比1：2：5的比例加入到三口烧瓶中，其中3-巯丙基甲基二甲氧基硅烷为1g，在45℃的条件搅拌水解10h，然后减压蒸馏除去异丙醇，加入2.8g羟基硅油(粘度为40mpa.s，羟基含量为4％)以及0.4g质量浓度为50％的四甲基氢氧化铵甲醇溶液，升温至85℃，减压蒸馏反应3h，再次升温至145℃，减压蒸馏反应1h，得到含巯基有机硅反应物。
[0080]
(2)具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的合成制备：用25ml的四氢呋喃溶解上述制备的2.0g含巯基有机硅和1.2g的聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯(分子量为360)，投入单口烧瓶中，加入0.03g 4-二甲氨基吡啶催化剂，在35℃的条件搅拌反应6h。将产物转移至2000d的透析袋中，用去离子水透析3d，每隔6小时换一次去离子水。再经过烘箱烘干得到有机硅-聚乙二醇接枝共聚物，其中x＝100～120、y＝10～12、n＝8。
[0081]
(3)具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的胶束制备：精确称取30mg上述目标产物，加入0.6ml丙酮将其溶解，以900rpm的速度搅拌，以0.4ml/s的速度滴加30ml去离子水，并在室温条件下敞口搅拌7h，得到1mg/ml的胶束溶液。
[0082]
本实施例所得的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的核磁氢谱图见图6。
[0083]
本实施例所得的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的胶束溶液的平均粒径为318.4nm。
[0084]
本实施例所得的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的胶束临界浓度为0.3114mg/ml。
[0085]
实施例4
[0086]
(1)含巯基有机硅的制备：将3-巯丙基甲基二甲氧基硅烷、去离子水和异丙醇按照质量比1：2：6的比例加入到三口烧瓶中，其中3-巯丙基甲基二甲氧基硅烷为1g，在55℃的条件搅拌水解9h，然后减压蒸馏除去异丙醇，加入2.8g羟基硅油(粘度为40mpa.s，羟基含量为4％)以及0.4g质量浓度为30％的四甲基氢氧化铵甲醇溶液，升温至90℃，减压蒸馏反应2h，再次升温至160℃，减压蒸馏反应1h，得到含巯基有机硅反应物。
[0087]
(2)具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的合成制备：用25ml的四氢呋喃溶解上述制备的2.0g含巯基有机硅和0.25g的聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(分子量为475)，投入单口烧瓶中，加入0.04g 4-二甲氨基吡啶催化剂，在35℃的条件搅拌反应7h。将产物转移至3500d的透析袋中，用去离子水透析43d，每隔6小时换一次去离子水。再经过烘箱干燥得到有机硅-聚乙二醇接枝共聚物，其中x＝110～120、y＝9～11、n＝12。
[0088]
(3)具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的胶束制备：精确称取25mg上述目标产物，加入0.6ml四氢呋喃将其溶解，以800rpm的速度搅拌，以0.3ml/s的速度滴加25ml去离子水，并在室温条件下敞口搅拌7h，得到1mg/ml的胶束溶液。
[0089]
本实施例所得的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的核磁氢谱图见图7。
[0090]
本实施例所得的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的胶束溶液粒径为289.8nm。
[0091]
本实施例所得的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的胶束临界浓度为0.3095mg/ml。
[0092]
对比例1
[0093]
(1)含巯基有机硅的制备：将3-巯丙基甲基二甲氧基硅烷、去离子水和乙丙醇按照质量比1：3：6的比例加入到三口烧瓶中，其中3-巯丙基甲基二甲氧基硅烷为1g，在55℃的条件搅拌水解9h，然后减压蒸馏除去乙醇，加入14.2g羟基硅油(粘度为40mpa.s，羟基含量为
4％)以及0.5g质量浓度为25％的四甲基氢氧化铵甲醇溶液，升温至80℃，减压蒸馏反应2h，再次升温至150℃，减压蒸馏反应1h，得到含巯基有机硅反应物。
[0094]
(2)具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的合成制备：用25ml的四氢呋喃溶解上述制备的2.0g含巯基有机硅和1.0g的聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(分子量为950)，投入单口烧瓶中，加入0.04g 4-二甲氨基吡啶催化剂，在35℃的条件搅拌反应7h。将产物转移至3500d的透析袋中，用去离子水透析4d，每隔6小时换一次去离子水。再经过烘箱干燥得到有机硅-聚乙二醇接枝共聚物，其中x＝140～160、y＝4～6、n＝24。
[0095]
(3)具有ph响应性的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的胶束制备：精确称取25mg上述目标产物，加入0.6ml四氢呋喃将其溶解，以500rpm的速度搅拌，以0.2ml/s的速度滴加25ml去离子水，并在室温条件下敞口搅拌7h，得到1mg/ml的胶束溶液。
[0096]
本对比例所得的有机硅-聚乙二醇接枝共聚物的核磁氢谱图见图8。
[0097]
本对比例与实施例1的胶束溶液透射电镜对比图见图9，可见实施例1的胶束形态为囊泡结构(图9-a、b)，本对比例的胶束形态为不定形状态(图9-c、d)。
[0098]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。