微膠囊的改性

1、1.5 聚N-異丙基丙烯酰胺的研究1.5.1 聚N-異丙基丙烯酰胺的研究現(xiàn)狀聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）是一種重要的溫敏性聚合物，是目前報(bào)道最多的典型的溫度敏感型高分子。自從1984年Hirokawa和Tanaka等13N-異丙基丙烯酰胺具有低溫溶解、高溫相分離的特性以來(lái)，PNIPAAm就成了溫敏性聚合物研究的熱點(diǎn)。聚N-異丙基丙烯酰胺類聚合物溫敏性凝膠的研究工作很多，但都是得到線性的無(wú)規(guī)或嵌段共聚物。隨著技術(shù)的發(fā)展，ATRP技術(shù)的出現(xiàn)，開(kāi)始利用ATRP技術(shù)合成含有NIPAAm嵌段的具有特定結(jié)構(gòu)的A-B、A-B-A嵌段性兩親性的共聚物。由于其大分子側(cè)鏈上同時(shí)具有親水性的酰胺基-CON

2、H-和疏水性異丙基-CH（CH3）2，使線型PNIPAAm的水溶液及交聯(lián)后的PNIPAAm水凝膠呈現(xiàn)出溫敏性。NIPAAm的水溶液有這樣的特性：在32左右存在一個(gè)低臨界溶解溫度（LCST），溶液達(dá)到或高于此溫度時(shí)，NIPAAm水溶液在一個(gè)相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)可以發(fā)生相分離，而溫度低于LCST以下時(shí)，沉淀的PNIPAAm又能迅速溶解。1.5.2 聚N-異丙基丙烯酰胺的溫敏機(jī)理在對(duì)PNIPAAm的研究中，它產(chǎn)生溫敏特性的機(jī)理是人們最關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題。其溫敏機(jī)理為：在其分子內(nèi)具有一定比例的疏水和親水基團(tuán)，它們與水在分子內(nèi)、分子間會(huì)產(chǎn)生相互作用。在LCST以下，PNIPAAm分子鏈溶于水時(shí)，由于氫鍵及范德

3、華力的作用，大分子鏈周圍的水分子將形成一種由氫鍵連接的、有序化程度較高的溶劑化層，并使高分子表現(xiàn)出一種伸展的線團(tuán)結(jié)構(gòu)。溫度上升后，部分氫鍵被破壞，大分子鏈?zhǔn)杷糠值娜軇┗瘜与S之被破壞。PNIPAAm大分子內(nèi)及分子鍵疏水相互作用加強(qiáng)，形成疏水層，水分子從溶劑化層排出表現(xiàn)為相變。此時(shí)高分子有疏松的線團(tuán)結(jié)構(gòu)變?yōu)榫o密的膠粒狀結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生溫敏性14。1.5.3 聚N-異丙基丙烯酰胺的改性PNIPAAm的機(jī)械強(qiáng)度很差，尤其是在被水溶脹的狀態(tài)下，基本喪失了支撐其自身的能力，因而在很大程度上限制了其應(yīng)用效果?；赑NIPAAm的嵌段共聚物同樣具有溫度響應(yīng)性，因此可以將PNIPAAm與其他單體共聚或與基材接枝

4、等來(lái)賦予材料特殊的性能。例如，PNIPAAm聚合物存在著機(jī)械強(qiáng)度差，伸展?fàn)顟B(tài)下過(guò)于柔軟以及難以從溶液中分離除盡等缺點(diǎn)，故將PNIPAAm與疏水性鏈段共聚，可以降低其相轉(zhuǎn)變溫度，與親水性鏈段共聚，可以提高其相轉(zhuǎn)變溫度。與具有pH響應(yīng)性、光敏感性的材料共聚，可以得到具有多重響應(yīng)性的共聚物。與具有良好力學(xué)性能的材料共聚或接枝，可以改善其機(jī)械性能等。乙基纖維素是制備微膠囊的優(yōu)良壁材，具有出色的理化穩(wěn)定性和良好的生物降解性，制備的微膠囊具有控制釋放、靶向作用等特點(diǎn)，已被廣泛地用作藥物載體。龔建森等以乙基纖維素為載體材料，采用乳化溶劑揮發(fā)法制備了禽霍亂微膠囊疫苗，制成的微膠囊疫苗具有較高的抗原包埋率，體外

5、釋藥研究表明微膠囊疫苗具有良好的緩釋特性。通過(guò)接枝乙基纖維素共聚，不僅提高了PNIPAAm的力學(xué)性能，同時(shí)也賦予了高分子基材許多特殊的性能，大大提高了基材的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。1.6 纖維素及其衍生物接枝改性1.6.1 纖維素主要接枝改性方法接枝共聚是指在聚合物主鏈上通過(guò)化學(xué)鍵連接上另外一種單體單元，是對(duì)纖維素及其衍生物進(jìn)行改性的有效途徑。目前常用的纖維素接枝改性的方法主要包括自由基聚合、離子型聚合、原子轉(zhuǎn)移自由基聚合15等。1.6.1.1 自由基引發(fā)接枝自由基引發(fā)的纖維素接枝研究較多，如四價(jià)鈰引發(fā)接枝、五價(jià)釩引發(fā)接枝、高錳酸鉀引發(fā)接枝、過(guò)硫酸鹽引發(fā)接枝、Fentons試劑引發(fā)接枝、光引發(fā)接枝

6、、高能輻射引發(fā)接枝等。引發(fā)反應(yīng)的大分子自由基，可以借助各種化學(xué)方法、光、高能輻射和等離子體輻射等手段產(chǎn)生。在化學(xué)方法中，氧化還原體系的研究比較廣泛，如高氧化態(tài)金屬可以與纖維素構(gòu)成氧化還原體系，使纖維素產(chǎn)生大分子自由基。另一種氧化還原體系是引發(fā)劑本身產(chǎn)生小分子自由基，然后從纖維素骨架上奪取氫原子，產(chǎn)生大分子自由基。1.6.1.2 離子引發(fā)接枝離子型接枝共聚可以分為陽(yáng)離子聚合和陰離子聚合兩種，它們都是通過(guò)在纖維素分子上生成活性點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。陽(yáng)離子引發(fā)接枝聚合，主要是通過(guò)BF3、TiCl4等金屬鹵化物，在微量的共催化劑存在下，進(jìn)行包括碳正離子在內(nèi)的接枝共聚反應(yīng)。陰離子引發(fā)接枝，則根據(jù)Michael反應(yīng)

7、原理，首先將纖維素制成鈉鹽，再與乙烯基單體反應(yīng)生成接枝共聚物。與自由基接枝共聚相比，離子型接枝在纖維素接枝共聚反應(yīng)中所占的比例不大，但在反應(yīng)的可重復(fù)性、可控性（指對(duì)接枝側(cè)鏈的分子量、取代度和纖維素骨架接枝點(diǎn)的控制）、以及消除反應(yīng)中的均聚物等方面具有優(yōu)勢(shì)。目前離子引發(fā)接枝多為陰離子引發(fā)接枝，陰離子接枝聚合所得的聚合物支鏈規(guī)整，分子量可控。離子引發(fā)接枝共聚反應(yīng)不僅速度快，接枝位置可以控制，而且對(duì)一些不能由自由基引發(fā)聚合的單體，也可以采用離子引發(fā)接枝，但離子型接枝共聚需在無(wú)氧無(wú)水的情況下進(jìn)行，實(shí)施困難，同時(shí)在堿金屬氧化物的存在下，纖維素可能會(huì)發(fā)生降解16。Malmstrom用22溴異丁酰溴將纖維素(

8、濾紙)表面?；?形成活性引發(fā)點(diǎn),引發(fā)了與甲基丙烯酸酯的ATRP接枝共聚17，實(shí)現(xiàn)了羥乙基甲基丙烯酸酯的ATRP聚合Temuz、Huang與Vlcek等采用類似方法合成了纖維素及其衍生物與甲基丙烯酸酯或苯乙烯的接枝共聚物,。Meng在離子液體中合成了纖維素大分子引發(fā)劑, 隨后引發(fā)了甲基丙烯酸甲酯與苯乙烯的ATRP。1.6.2 纖維素衍生物接枝纖維素衍生物(cellulose derivatives)是指利用纖維素原料通過(guò)簡(jiǎn)單工業(yè)處理得到的各種取代型纖維素。根據(jù)取代基的不同,常用的纖維素衍生物主要有羧甲基纖維素、乙基纖維素(EC)、二醋酸纖維素(CDA)、羥乙基纖維素(HEC)、羥丙基纖維素(HP

9、C)等。纖維素衍生物與纖維素相比,具有較好的溶解特性(可以溶解于常見(jiàn)的有機(jī)溶劑體系,如三氯甲烷、四氫呋喃等),更高的分解溫度,較弱的氫鍵作用,而且不改變纖維素本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與優(yōu)良機(jī)械性能。纖維素衍生物的接枝共聚物結(jié)構(gòu)多樣,功能復(fù)雜, 是非常有潛力的發(fā)展方向181.6.3 接枝共聚物的性能纖維素接枝共聚物的性能隨單體的選擇和反應(yīng)條件的不同而差異。根據(jù)Stannett等的評(píng)述,接枝親水性單體可改善纖維的潤(rùn)濕性、粘合性、可染性及提高洗滌劑去油污速率;接枝疏水性單體則生成對(duì)合油污等各種液體低潤(rùn)濕性的產(chǎn)物19而采用兩種單體的混合接枝,更能制得綜合性能優(yōu)異的產(chǎn)品。一般說(shuō)來(lái),表面接枝可使纖維素具有耐磨、潤(rùn)濕

10、或疏水、抗油與粘合等性能,本體接枝則賦予其抗微生物降解與阻燃性能。1.7 溫敏性嵌段共聚物的制備由溫敏性單體接枝成的溫敏性嵌段共聚物的方法很多，常用的有活性可控自由基聚合、離子型活性聚合、直接縮聚法及嵌段共聚物化學(xué)改性等方法。這里主要介紹活性/可控自由基聚合的方法?；钚跃酆?，在1956年時(shí)由美國(guó)科學(xué)家Szware第一次建立了這個(gè)概念。自Xerox公司于1993年發(fā)現(xiàn)氮氧調(diào)控自由基聚合方法后，活性可控自由基聚合進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期。活性聚合是高分子發(fā)展史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，它不但可以有效地控制聚合物的分子量和分子量分布，作為聚合物的分子設(shè)計(jì)最強(qiáng)有力的手段之一，還可以用來(lái)合成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的聚合物，是高分子

11、合成技術(shù)從自由王國(guó)向必然王國(guó)進(jìn)發(fā)邁出最有意義的一步。活性聚合，是無(wú)終止、無(wú)轉(zhuǎn)移、引發(fā)速率遠(yuǎn)大于增長(zhǎng)速率的聚合反應(yīng)?；钚跃酆习凑找l(fā)機(jī)理的不同，可以分為陽(yáng)離子聚合、陰離子聚合、配位活性聚合、自由基活性聚合等.在近年來(lái)，相繼發(fā)現(xiàn)多種活性可控自由基聚合方法，并迅速成為制備嵌段、接枝、星型、梯度、超支化及無(wú)機(jī)雜化等結(jié)構(gòu)聚合物的最常用方法20制備嵌段共聚物的方法主要有陰離子聚合、氮氧自由基（TEMPO）調(diào)控自由基聚合、ATRP和RAFT211.7.1 原子轉(zhuǎn)移自由基聚合 原子轉(zhuǎn)移自由基聚合ATRP(atom transfer radical polymerization)由Matyjaszewski22

12、-25awamoto26兩個(gè)研究組于1995年幾乎同時(shí)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的，該法被認(rèn)為是一種“萬(wàn)能”的活性聚合方法，其實(shí)現(xiàn)了真正意義上的活性自由基聚合，引起了世界各國(guó)高分子學(xué)家的極大興趣。ATRP備受關(guān)注，通過(guò)它可以合成預(yù)定結(jié)構(gòu)、預(yù)定分子量、分子量分布很窄的均聚物或共聚物，其產(chǎn)品在高性能粘合劑、分散劑、表面活性劑、高分子合金增溶劑和加工助劑、熱塑性彈性體等高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)都具有廣泛的應(yīng)用前景。ATRP體系一般由有機(jī)鹵化物引發(fā)劑、聚合單體、低價(jià)過(guò)渡金屬鹵化物催化劑以及配體等組成。原子轉(zhuǎn)移自由基聚合具有以下優(yōu)點(diǎn)27：（1）單體適用面積十分廣泛，幾乎包括了所有適用于其他活性聚合體系的單體和一些目前無(wú)法進(jìn)行活性聚合

13、的單體；（2）ATRP不需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的合成路線，反應(yīng)速度快，對(duì)反應(yīng)條件要求低，聚合條件溫和，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化；（3）與經(jīng)典的自由基聚合相比，ATRP實(shí)現(xiàn)了活性/可控自由基聚合，得到的聚合物分子量可控且分布窄，并可對(duì)聚合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)控制。但是ATRP的缺點(diǎn)主要是其對(duì)價(jià)格昂貴的催化劑用量大，且聚合速率慢，因而ATRP實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的過(guò)程面臨較大的挑戰(zhàn)。ATRP的基本原理是聚合體系中處于低價(jià)氧化態(tài)的金屬絡(luò)合物從有機(jī)鹵化物分子中奪取鹵原子，得到高價(jià)氧化態(tài)的金屬絡(luò)合物和具有引發(fā)活性的自由基（R），使得體系中始終存在自由基活性種與有機(jī)大分子鹵化物的可逆平衡，從而有效的控制了反應(yīng)中自由基的濃度，降低自由基聚合速

14、率，最終得到分子量可控且分布窄的聚合物28其原理如下圖1.1所示：圖1.1 ATRP反應(yīng)原理上圖中，X為Cl、Br、I；M為單體；Ki為引發(fā)反應(yīng)速率常數(shù)；Kp為聚合反應(yīng)速率常數(shù)。采用ATRP法可以制備AB型、ABA型、ABC型、嵌段型及星型等多種結(jié)構(gòu)的嵌段共聚物.嵌段共聚物是分子結(jié)構(gòu)規(guī)整聚合物中研究最多、應(yīng)用最廣的一類聚合物。至今為止只有活性聚合反應(yīng)才能合成出不含均聚物、分子量及組成均可控制的嵌段共聚物。1.7.2 可逆-加成-斷裂-鏈轉(zhuǎn)移聚合Rizzardo等人于1998年首次報(bào)道了一種新的活性/可控自由基聚合的方法，即是可逆-加成-斷裂-鏈轉(zhuǎn)移聚合（Reversible Addition

15、Fragmetation Chain Transfer Polymerization），簡(jiǎn)稱RAFT。這種聚合的特點(diǎn)是向經(jīng)典的自由基聚合體系中加入了一種具有較高鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)的強(qiáng)制鏈轉(zhuǎn)移劑，且此鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)能可逆進(jìn)行，從而克服了由于活性種向溶劑或其他雜質(zhì)發(fā)生不可逆鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)而造成聚合失控的缺點(diǎn)，成功實(shí)現(xiàn)了自由基的活性/可控聚合。RAFT聚合由于其反應(yīng)條件溫和，單體適用廣，成為制備嵌段共聚物較為廣泛使用的方法29。其反應(yīng)機(jī)理如下圖1.2所示：圖1.2 FART反應(yīng)活性機(jī)理RAFT的優(yōu)點(diǎn)為：（1）對(duì)聚合物分子量的控制完全通過(guò)調(diào)節(jié)單體與強(qiáng)制鏈轉(zhuǎn)移劑初始濃度比來(lái)實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單易行；（2）與陰離子聚合制備嵌段共聚

16、物相似，RAFT聚合可以采用分步加料方法，向聚合物體系中加入第二種單體來(lái)制備一系列預(yù)期的嵌段共聚物；（3）與其他活性/可控自由基聚合相比，可用于RAFT聚合的單體比較多，且聚合反應(yīng)可控性好，沒(méi)有雜質(zhì)的殘留；（4）RAFT聚合對(duì)反應(yīng)條件要求低，反應(yīng)可在較低的溫度下進(jìn)行，且適用于本體、溶液、懸浮和乳液聚合等。1.7.3 氮氧自由基聚合氮氧自由基聚合（TEMPO）由于其空間位阻不能引發(fā)單體聚合，但可以快速與增長(zhǎng)鏈自由基耦合生成休眠種，而這種休眠種在高溫下（>100）又可分解產(chǎn)生自由基，復(fù)活成活性種，即通過(guò)TEMPO的可逆鏈終止作用，活性種與休眠種之間建立了一種快速的動(dòng)態(tài)平衡，從而實(shí)現(xiàn)了活性/可控自由基聚合。但目前適用于氮氧自由基聚合的單體只有苯乙烯及其衍生物，且該聚合反應(yīng)速率較慢，所需的時(shí)間長(zhǎng)。1.8 本論文的思路和目的ATRP技術(shù)適用面廣、聚合工藝簡(jiǎn)單，可以像自由基聚合那樣不需經(jīng)過(guò)復(fù)雜的合成路線就可合成具有指定結(jié)構(gòu)的聚合物，因此有十分廣闊的應(yīng)用前景。乙基纖維素是制備微膠囊的優(yōu)良壁材，具有出色的理化穩(wěn)定性和良好的生物降解性，制備的微膠囊具有控制釋放、靶向作用等特點(diǎn)，已被廣泛地用作藥物載體。乙基纖維素為疏水型聚合物，引入親水聚合物短鏈后將得到兩親型共聚物。NIPPAm是一種具