环糊精-聚合物超分子材料的研究进展.pdf
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1、第 4期 高 分 子 通 报 环糊精 聚合物超分子材料 的研究进展 余志军,范敏敏,孟宪伟,张 晟(四川大学高分子研究所,高分子材料工程国家重点实验室,成都6 1 0 0 6 5)摘要:环糊精是 由若 干 D 吡喃葡萄糖单元 环状排列 而成 的圆锥 状筒形分 子,具有 中空 内孔 结构。研究 表 明:当长链 高分子 的分子 尺寸与环 糊精 内径 相匹配时,高分子可作 为客体分子串入环糊精的 中空 内孔 中 自聚集 成为一种独特的超分子包结物。本文从环糊 精的结 构性质、环糊 精一 聚合 物超分 子的复合 机理、客体 聚合物 的 种类、以及复合物 的应用领域 四个方 面全面综述 了近年来有关 环
2、糊 精和高 聚物包 结物 的相关研 究现状。并 在 最后展望 了环糊精 聚合物超分子未来 的发展方 向0 关键词:环糊精一 聚合物;包结物;超分子 引言 1 9 7 8 年法国化学家 L e n h首次提出“超分子化学”概念,指出:具有特定结构的分子作为接受体借助各 种分子内作用(电性作用、磁性作用、氢键、范德华 力以及各种近距离力)选择性与底物结合,这样形成的 分子聚集体为“超分子”。以分子识别为基础、分子 自组装为手段的超分子体系,为分子器件、材料科学和 生命科学的发展开辟了一条崭新 的道路。环状分子的主客体识别是形成超分子的其 中一个重要手段,人 们发现含有中空内孔的环形分子如:冠醚、环
3、糊精、葫芦脲、环芳烃等由于其独特的中空内孔结构,可和特 定的分子以自组装的形式结合在一起形成分子有序体,即超分子。环糊精就是环状分子其 中的一个重要 分 子。1 环糊精结构及 其性质 H2 OH 图 l 环糊精的分子结构示意 图 F i g ur e 1 Ch e mi c M s t r u c t u r e o f t h e 口-c y c l o d e x t r i n 环糊精(c y c l o d e x t r i n,c D)也称作环聚葡萄糖,是 由若干 D 吡喃葡萄糖单元环状排列而成 的圆锥状筒 形分子。其 中葡萄糖残基个数一般为 6、7、8个,分别称 为 a 一、9-
4、、7 环糊精,三种 环糊精 的 内径分别为 基金项 目:国家 自然科学基金(5 0 7 0 3 0 2 5);作者 简介:余志军(1 9 8 4一),男,硕士在读,从 事高分子 自组装 的研究;*通信联 系人。E-m a i l:z s l b j 1 6 3 c o rn 高 分 子 通 报 2 0 0 9年 4 月 0 5 7 n m、0 7 8 ri m、0 9 5 ri m。C D s 中所有葡萄糖残基均采取未扭 曲的椅式构象,葡萄糖单元 的 6位羟基(伯 羟基)构成了 C D s 截锥状结构的主面(较窄端);而 2位和 3位羟基(仲羟基)构成 了 C D s 截锥状结构 的次 面(较
5、阔端),图 1为 a C D的结构示意图。C D s 分子 的内空腔表面仅存在糖苷氧原子及覆盖糖苷氧原子 的氢原子,所以腔内呈疏水环境,外侧面 由于羟基的聚集而呈亲水性。C D s 的空腔可以容纳多种客体分 子形 成包结 物。图 2环糊 精-聚合 物 包 结 物 的项 链 状 结 构 F i g u r e 2 Ne c k l a c e s t r u c t u r e o f t h e i nc l us i o n c o mp l e x o f CD a n d p o l y me r s 能与 C D s 形成包结物的客体非常广泛,如有机分子、无机离子、生物小分子、配合物、
6、甚至惰性气体。分子大小适于其洞穴尺寸的客体分子,只要极性小于水,就有可能代替小分子而进入 C D s 空腔形成包结 物。C D s 和这些小分子的超分子研究起步较早,已经成功应用于医药、纳米材料、生物分子识别 系统等领 域。在医药、碳纳米管、纳米电线 以及生物分子的识别系统都取得了令人瞩 目的成果 。但直到 1 9 9 0年,日本的 H a r a d a等才首次发现:当长链高分子的分子尺寸与环状分子内径相匹配时,高分子也可串人环状分子的中空 内孔 中自聚集成为一种项链状的超分子,如图 2所示。自此,C D s 对 聚合物长链 的选择性包结作用引起了国内外学者的广泛关注。本文将对十几年来有关
7、C D s 聚合物包结 物 的研究 进行 综述。2 C D s 和 聚合物复合包 结 的机理 影响 C D s 与聚合物形成包结物的因素有很多,其 中聚合物分子直径的大小起决定作用。聚合物长链 尺寸若太大,则不易进入 C D s 空腔;尺寸太小,包结物不稳定。H a r a d a 等 的研究 证 明:在 C D s 与聚合 物长链 发 生包 结 时,聚合 物 长链 上 相邻 C D s间 由于环 外 侧 的羟 基相互形成多个氢键,于是彼此靠氢键紧密连接起来形成项链状 的结晶结构。另外,C D分子的内腔与 P E G的链节也会彼此形成氢键。氢键作用力对聚合物与 C D s 的复合起到了关键作用
8、,如果体系中含有尿 素等妨碍 C D s 彼此氢键生成的物质,则会严重干扰 C D s 聚合物包结物的生成b 。C e c c a t o等 以聚乙二醇(P E G)和 a C D s 为例建立模型说 明了聚合物与 C D s 的整个穿合过程。结果 表明:P E G与 a C D穿合过程的关键在于 P E G链末端穿人第一个 a C D分子内孔 的能力和 C D分子沿 P E G链 向链 中心 滑移 的能力。这 两个 因素与外 界 温 度 和溶 剂 的 性质 密 切 相关。低 温 以及 含有 较 强 氢键 作 用 的溶剂往 往对 穿合更 为有利。由于 C D s 沿聚合物的长链上彼此通过氢键紧
9、密连系成为一种高度有序的结构,整个包结物表现出很 强 的结 晶性。x射线 衍射 表 明:在聚合 物 C D s 的包结 物结 晶 中,C D s 呈 隧道 状排 列,因此 科学 界形 象 的将 聚合物 C D s 的包结物称为项链状结构。聚合物与 C D s 产生包结后,其热力学性质会发生很大变化。首先,由于所有 的聚合物链节均被 C D s 分子包合覆盖,所以不再有玻璃化转变和熔融,只在热分解温度 以上直接分解。其次,多数情况下,聚合 物一 C D s 包结物表现出两步失重,即 C D s 与客体高分子分别分解。通常,形成包结物后,C D s 的分解温度提 高而 客 体 聚 合 物 的 分
10、解 温 度 略 有 下 降。但P o r b e n i 等 在 表 征 P D M S(聚 二 甲 基 硅 氧 烷,P o l y (d i m e t h y l s i l o x a n e)与 7 一 c D包结物的热力学性能时发现,低分子量的 P D M S与 y-c D复合后,会使 y c D的 热失重温度略微降低。第 4 期 高 分 子 通 报 3 C D s 和聚合物 的复合种类 目前 已发现多种聚合物能与 C D s 产生包结。表 1 列出了近期部分研究报道。可以看到,根据分子链 尺寸和 C D s内孔的尺寸不同,聚合物与 C D s 之间的包结呈一定选择性。值得 注意 的
11、是:分子链尺寸较小 的聚乙二醇和聚己内酯等不仅能和 a C D产生复合包结,也可通过两根聚合物链同时穿入内径尺寸较大 的 y C D产生双链包结物。不过,聚二氧戊环由于分子链上的氧原子密度较高,能和 C D s 内孑 L 产生较强 的氢键作用,于是对 C D s 分子的内径尺寸不再具有选择性,与 a C D,C D和 y C D均可产生组装包结。如果聚合物为离子型,由于 p H值会影响聚合物带电离子的离子化状态,c D对离子型聚合物 的包结情况 常常呈现 p H敏感性。如聚赖氨酸(P L)和 a c D在 p H值 为 8 5l 2时可产生包结,但当 p H值小于 8 5 时,由于氨基被质子化
12、,P L 链段与 C D内腔不再能形成氢键等作用,包结不能产生。并且,当体系的 p H值 大于 1 2时,由于 a C D上的羟基产生电离,包结也不能发生 J。从表 1中可看到嵌段共聚物也可与 C D s 分子发生包结复合。并且,通过选择和调节不同嵌段分子链 的性质与尺寸,C D分子可选择性的包结在某一特定 的链段上。尤为有趣 的是,C h o i 等 将 a C D衍生物 与共聚物聚乙烯基酰亚胺 聚乙二醇 聚乙烯基酰亚胺(P E I P E G P E I)进行 自组装包结后,由于 C D对离子 型聚合物链段包结的 p H值响应性,所 以当 p H值 等于 4时,P E I 上 的氨基质子化
13、 导致 a C D分子不能与 P E I 链段产生包结,于是 a C D分子集中在共聚物长链 的 P E G链 段上,但 当 p H值为 1 0时,P E I 和 P E G则 均能和 a c D产生包结,a C D分子均匀分散在共聚物长链上。图 3为这种活塞式的 p H响应过程示意图。Ho f 4 漕 黧羰 嗍 一 I=jlj 瞪 睁 C O O C(C M,h 图 3 P E I P E G-P E I 与 a C D衍 生物 p H响应包结 F i g u r e 3 S c he ma t i c i l l u s t r a t i o n f o r t h e mo b i l
14、 i t y o f a CD-PEI P EG-P EI i nc l u s i o n c o mp l e x v i a p H v a r i a t i o n 表 1 C D s 与聚合物 的包 合种 类 Ta bl e 1 Ov e r v i e w o f t he i nc l u s i o n c o mp l e x e s be t we e n CDs a nd p o l y me r s P o l y me r s Cy e l o d e x t r i n s P o l y me r s Cy e l o d e x t r i n s P o l
15、 y(d i me t h y l s i l o x a n e)E s y P o l y(a e r y l o n i tr i l e)5 y P o l y(1,3-d i o x o l a n e)口、口、y P o l y(-l y s i n e)。口 P EI P E G-P E I 9 3 口 P o l y(e t h y l e n e g l y c o 1)。口 P o l y(e thy l e n e g l y c o 1)1 I _ y P o l y(p m p y l e n e g l y c o 1)口、7,P o l y(m e t h y l
16、 v i n y l e t h e r)y P o l y(e t h y l v i n y l e t h e r)P o l y(p r o p y l v i n y l e th e r)1 7 P o l y(m e t h acr y l i c a c i d)口、J9 P o ly(e th y le n e)。口 P o l y(i s o b u ty l e n e)口、y P o l y(t e t r a h y d r o f u r a n),。口、y P o l y(s t y r e n e s u l f o n a t e s o d i u m)1
17、3 口、口 P o l y(E c a p r a l act o n e)】口 P o l y(L-h e c t i c a c i d)P o l y(-c a p r a l act o n e)口 Ny l o n-6。a、口 C o-p o l y me r o f P P O P E O p P O 圳 口 C o po l y me r o f P UA P E G-P L L A 圳。C o-po l ym e r o f P CL-P EO-P CL a、C O po l ym e r o fP C L P T HF-P C L 别 口、,C o po l y me r o
18、 f p P G-P EG 口、口 P EG P HI 1 P E G 3 2 口 P EG-P CL-PE I 3 3 1 口 高 分 子 通 报 2 0 0 9年 4月 4 C D s 聚合物包 结物的制备方法 C D s 聚合物的包结通常采用共沉淀的方法进行制备,即搅拌或超声振荡 C D s 溶液与客体聚合物溶液 的混合物,包结物会从混合溶液中结晶析出。两种物质 的溶液要互溶,混合物溶液体系最好为均相。由 于升温不利于包结过程进行,并会导致包结物的稳定性下降,因此在保持主客体分子充分溶解的前提下,应采用尽量低 的制备温度。5 C D s复合 物的应用 5 1 高分子 形态结 构控 制 C
19、 D s 包结高聚物后,随着项链型晶体结构的形成,高分子链被 C D s 分子隔离开,在隧道内呈充分伸展 的直链状态。如果采用适 当的方式脱去 C D s 分子,高分子可保 留这种链高度伸展 的状态,得到链完全伸 展的新型聚合物材料,这样 的材料将具备更好 的抗张强度和模量等优 良性 能。如 T o n e l l i 等 制备尼龙 6 a C D s(N y l o n 6 O C D)包结物后,用酸性水溶液(p H=1 0)解包结并除去 C D s,可达到分子链高度取 向的 N y l o n 6,材料结晶度高达 8 0,且 N y l o n 6的晶体形态绝大部分为更为稳定的 a晶型。用
20、此方法得到的 N y l o n 6具有更高拉伸强度和模量。另外,将两种相容性较差的聚合物同时与 C D s 形成包结后,若采用适当方法解包结并除去体系 中的 C D s,那么得到的聚合物共混体系中,两种聚合物的相容性将得到很大改善。如聚 L乳 酸(P L L A)和聚己 内酯(P C L)的物理共混物 中,两种材料因为相容性较差,所以各 自分散结晶。但 当二者共同与 a C D形成 包 结物后,再 经历一 个解包 结 去 O t C D的过 程,就 可得 到一种 相容性 很好 的均 相共混 物 。5 2生物 医药 方面 的应 用 L e e 等 通过酰胺键将氨基 P E G与 P E G O
21、 t C D相连(合成过程见图 4),形成三维的聚乙二醇水凝胶 体 系并将 此体 系应用 于组 织工 程软 骨支架 的研 究。实 验表 明,这 种新 型支 架材料 十分有 利 于软 骨细 胞 的 附着和生长,在细胞培养 2 1天后,支架材料中的细胞个数可达到 1,2 2 8个 m g。图 4 P E G与 P E G C D三维水凝胶 的合成示意 图 Fi g u r e 4 S y n t h e t i c r o u t e o f P EG d CD h y d r o g e l L i 等则将 C D与聚合物的包结物应用到药物缓释领域。首次应用于药物缓释体系的 C D 聚合物包结
22、物是部分复合的 P E G a C D水凝胶,这种水凝胶通过物理缠结形成交联且具有触变性,即:其粘度可随外 界剪切应力 的增大而减小。由于体系不使用交联剂,药物的包覆在水介质 中完成,因此适合通过注射方 法应用于药物 的原位释放。体外缓释动力学的研究表明:这种 P E G a C D水凝胶 的药物缓释通过体系的 溶蚀作用而实现,药物缓释率随着 P E G分子量 的提高而下降。但 即使体 系中的 P E G分子量高达 1 0 0,0 0 0,药物经 1 3 0 h就 已被完全释放,不适合于长效释放应用。2 0 0 6年 L i 等又发展出一种更为长效的 c D 聚合物药物缓释水凝胶,该水凝胶 由
23、嵌段共聚物聚乙二醇 聚羟基丁酯 聚 乙二醇(P E G P H B-P E G)与 c D包结复合而成,其 中 a C D选择性的包结在部分 P E G链段上,而 P H B链段裸露在外。P H B链段的分 il 霆 咿 峨 一 第 4期 高 分 子 通 报 子量越大,a C D P E G的包结链段越长,药物缓释越长效,最长可高达 1个月 。另外,聚乙二醇一 聚己内 酯一 聚乙烯酰亚胺(P E G P C L P E I)共聚物与 a C D的选择性包结物(分子结构见图 5 A)、以及聚乙二醇 聚丙 二醇一 聚乙二醇(P E G-P P O P E G)与 p C D的选择性包结物接枝 P
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