基于AIE效应的多重刺激响应性聚合物纳米微球的制备及其细胞示踪应用

基于AIE分子和智能响应性聚合物构筑的纳米材料,具有优良的AIE发光性能、环境刺激响应性和生物相容性,已在生命科学领域展现出诱人的应用前景. 本研究通过ATRP活性聚合方法, 以合成的TPE-BIB为引发剂, 引发具有多刺激响应特性的N-[2-(二乙氨基)-乙基]丙烯酰胺单体聚合, 成功制备具有温度/pH/CO₂三重响应性的两亲性聚合物: TPE-g-PDEAEAM, 并自组装形成约200 nm的纳米微球. 研究表明: 这种聚合物纳米粒子具有优良的水溶性、单分散性、稳定性及优异的AIE发光特性. 其相转变温度为60 ℃, 溶液荧光对环境温度、pH及CO₂均表现出快速敏感响应性能. 同时, 该纳米粒子表现出低细胞毒性, 能够有效示踪HeLa细胞增殖至11代以上, 有望作为一种活细胞荧光示踪探针材料.     

上转换荧光响应性复合纳米凝胶的制备及荧光能量传递行为

采用水热法合成NaYF₄∶Yb³⁺,Er³⁺稀土纳米晶, 再经3-苄基三硫代碳酸酯基丙酸(BSPA)修饰, 制得功能化纳米晶体; 以罗丹明6G(R6G)为母体荧光染料, 经一系列反应合成了乙烯基功能化单体罗丹明6G酰基邻羧基苯甲肼腙(R6GHA); 将功能化纳米晶体与R6GHA构成荧光共振能量传递(FRET)的“给体/受体”对, 通过可逆加成断裂链转移(RAFT)聚合和“点击化学”反应, 合成具有多重响应性复合荧光纳米凝胶NaYF₄∶Yb³⁺,Er³⁺/PNIPAm-co-R6GHA. 采用TEM, XRD, FTIR和DSC对产物的微观结构进行了表征; 采用上转换荧光光谱(PL)研究了该复合纳米凝胶对pH值、 环境温度和不同金属离子的荧光响应行为, 并对相关机理进行了探讨. 结果表明, 环境温度变化对复合纳米凝胶的荧光发射具有显著影响, 且该复合纳米凝胶对Hg²⁺具有选择性荧光响应; 在H⁺或Hg²⁺作用下, 复合纳米凝胶中纳米晶和R6GHA之间会发生荧光共振能量传递; 通过纳米凝胶中纳米晶与R6GHA特征荧光发射峰比率的变化, 实现对Hg²⁺的检测.     

壳聚糖复合纳米凝胶的聚合诱导自组装制备及生物应用

以生物大分子壳聚糖为主要组成基元,在壳聚糖的羟基碳上引发单体自由基共聚合。在聚合过程中疏水的合成高分子接枝链与亲水的壳聚糖分子自组装诱导形成纳米尺度的聚集体,通过引入具有肿瘤还原环境响应性的交联剂,得到了肿瘤环境响应的壳聚糖-合成高分子共聚物纳米凝胶。采用透射电镜、红外光谱等手段对纳米凝胶的粒径、结构、形貌和性能进行表征,探讨了聚合诱导自组装高效制备壳聚糖纳米凝胶的机理,证实了所得纳米凝胶粒径的可控性。进一步采用近红外荧光分子和磁共振显影(MRI)分子标记的方法制备了荧光/MRI多功能复合纳米凝胶,对凝胶显影性能进行了探讨,证实了其优异的细胞标记能力和良好的生物相容性。     

全亲水无规共聚物P(NIPAM-co-AA)的pH和温度双重刺激响应性水相自组装

从N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和丙烯酸(AA)单体合成了一种全亲水无规共聚物P(NIPAM-co-AA),实验发现该聚合物在水相中可以产生pH或温度双重刺激响应性自组装.采用透射电子显微镜(TEM)观察了自组装体的形貌,采用动态光散射(DLS)和静态光散射(SLS)观察了其粒径及粒径分布.测定了该聚合物水溶液的最低临界溶解温度(LCST)及其zeta电位随pH的变化,通过分析NIPAM和AA两种链节的质子化状态随温度和pH变化的趋势,阐释了其在水相中产生双重响应性自组装的推动力;并结合傅里叶红外(FT-IR)光谱测定自组装体表面富集基团的结果,进一步阐释了不同环境下自组装体的微结构.这类全亲水无规共聚物的合成方法简单,具有pH和温度双重响应性,其全水相中的刺激响应性自组装行为在药物释放等方面具有潜在的应用价值.     

全亲水无规共聚物P(NIPAM-co-AA)的pH和温度双重刺激响应性水相自组装

从N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）和丙烯酸（AA）单体合成了一种全亲水无规共聚物P（NIPAM-co-AA）,实验发现该聚合物在水相中可以产生pH或温度双重刺激响应性自组装. 采用透射电子显微镜（TEM）观察了自组装体的形貌,采用动态光散射（DLS）和静态光散射（SLS）观察了其粒径及粒径分布. 测定了该聚合物水溶液的最低临界溶解温度（LCST）及其zeta 电位随pH的变化,通过分析NIPAM和AA两种链节的质子化状态随温度和pH变化的趋势,阐释了其在水相中产生双重响应性自组装的推动力;并结合傅里叶红外（FT-IR）光谱测定自组装体表面富集基团的结果,进一步阐释了不同环境下自组装体的微结构. 这类全亲水无规共聚物的合成方法简单,具有pH和温度双重响应性,其全水相中的刺激响应性自组装行为在药物释放等方面具有潜在的应用价值.     

新型核壳结构水凝胶的合成与表征

以羟丙基纤维素为模板,在水溶液中合成了不含表面活性剂的聚甲基丙烯酸（PMAA）纳米水凝胶。再以该PMAA纳米水凝胶为模板,合成了具有pH和温度双重敏感的聚甲基丙烯酸/聚N-异丙基丙烯酰胺（PMAA-PNIPA）核壳结构纳米水凝胶。对纳米水凝胶的形态、结构、pH以及温度敏感性的表征结果表明,纳米水凝胶粒径为338.8～407.9 nm,并随交联剂用量的增加而减小,其体积相转变具有良好的pH及温度响应性,这种绿色合成的生物相容性新型核壳结构纳米水凝胶具有极为广泛的应用前景。     

新型侧链偶氮聚电解质的合成及性能研究

通过自由基聚合合成了一种侧链型偶氮聚电解质 ,聚丙烯酸 2 [4 (4′ 羧基苯基偶氮 )苯基 ]乙酯(PCAPEA) .详细研究了PCAPEA水溶液的pH值对其紫外 可见光谱和光响应性的影响 .研究发现 ,PCAPEA水溶液的紫外吸收光谱对pH值具有高度敏感性 ,并且在不同pH值条件下其光响应性有很大差别 .这种差别反映了PCAPEA分子中的偶氮苯基团在水溶液中聚集状态的变化 .本论文还研究了PCAPEA与聚二烯丙基二甲基氯化铵 (PDAC)在不同溶剂中的静电逐层自组装 .研究发现 ,PCAPEA的水和有机溶剂的混合溶液也可用来进行自组装 ,这一新方法可用于水溶性差的聚电解质的自组装     

金属离子/胆酸钠超分子水凝胶特殊温度响应性的机理研究

研究了胆酸钠溶液与金属离子溶液混合自组装而成的水凝胶随温度升高而机械强度增强的独特温度响应性. 利用透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)仪表征了水凝胶中聚集体的微观形貌及分子排列方式. 考察了其流变学行为、荧光性质随温度的变化. 结果表明,升温促进凝胶形成的速率, 并提高凝胶的机械强度. 随着温度的升高, 稀土离子的荧光强度显著增强. 表面张力测量表明, 胆酸钠溶液的临界胶束浓度随温度的升高而略有降低. 综合实验事实, 我们提出随温度升高导致的凝胶强度增强行为是由胆酸钠分子在高温下聚集能力增强的结果.     

一种偶氮聚电解质在不同pH值条件下的静电逐层自组装研究

研究了一种光响应偶氮聚电解质(PEAPE)在不同pH值条件下的自组装,重点讨论了pH值对静电逐层自组装以及对光响应性能的影响.研究表明,在所研究的pH范围内,pH值越低,越有利于生成吸光度高的自组装膜,对应的自组装膜厚度也越大.红外光谱分析表明,偶氮聚电解质在不同pH溶液中存在不同的电离情况.pH值越低,用于自组装的溶液中的聚合物链上的电荷数越少,链构象越卷曲.解释了不同pH值条件下自组装膜吸光度和厚度差别的原因.     

聚谷氨酸基双重响应性纳米胶束的制备及药物控释性能

首先制备端氨基聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-聚乙二醇)大分子引发剂,再通过端氨基引发L-谷氨酸-γ-苄酯-N-羧酸酐开环聚合,制备了聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-聚乙二醇)与聚(L-谷氨酸-γ-苄酯)的嵌段共聚物,将其中的γ-苄酯基团转化为酰肼基团后与阿霉素(DOX)共价结合,最后在水溶液中自组装成纳米胶束,制备了温度和pH值双重响应性纳米胶束。胶束外层由亲水性聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-聚乙二醇)组成,具有温敏性,低临界溶液温度为38℃;胶束内层由聚(L-谷氨酸-γ-酰肼-阿霉素)组成。该胶束对于药物的释放具有温度和pH双重敏感性。     

温敏型微球表面接枝交联复合凝胶的制备及性能

为改善高分子微球复合凝胶响应速率慢及韧性差的缺陷,采用非交联温敏型疏水单体组装的高分子微球作为交联剂,在不外加交联剂的条件下制备微球表面接枝交联聚丙烯酰胺复合凝胶.由于微球内部无化学交联结构,因此可通过自身可逆性结构及形态改变对复合凝胶机械性能和刺激响应特性进行调控.复合凝胶具有良好的韧性,断裂伸长率和断裂强度分别可达2400%和80 k Pa,且凝胶机械强度可通过温度进行调控.由于温敏型微球交联点的存在,采用非敏感型聚丙烯酰胺为基质的复合凝胶对温度具有良好的响应性,其响应速率较传统聚N-异丙基丙烯酰胺有机凝胶提升5~10倍.     

由自组装构筑蛋白酶响应性近红外/磁共振双显影微球

由分子侧链上修饰近红外荧光分子的聚赖氨酸及表面聚丙烯酸修饰的磁共振显影磁性纳米颗粒为组装单元,采用自组装法构筑了在近红外、磁共振双重显影中均具有蛋白酶响应性的纳米尺度自组装微球.微球形成的组装驱动力为聚赖氨酸侧链氨基与磁性纳米颗粒表面羧基在水相中的静电相互作用,两类组装前驱体在静电力作用下组装为纳米尺度团聚体,再通过戊二醛对氨基的适度交联来构筑胰蛋白酶响应的双显影复合微球.该复合微球处于自组装聚集状态时,微球内近红外荧光分子间的距离减小从而发生荧光共振能量转移,导致荧光分子的自淬灭;而在胰蛋白酶活化后的解组装状态,微球内聚赖氨酸重复单元间的酰胺键被胰蛋白酶切断,荧光分子间距扩大,共振能量转移现象消失,从而导致复合微球在胰蛋白酶存在下释放荧光,荧光释放强度/淬灭强度的比值最高可达18.此外,自组装微球的磁共振显影同样具有胰蛋白酶敏感性,这与组装—解组装过程导致微球内磁性纳米颗粒的局部浓度及聚集状态发生变化有关.细胞和动物实验研究表明,复合微球呈现低细胞毒性,并可特异性地对胰蛋白酶阳性的细胞和组织进行近红外/磁共振双显影,在胰蛋白酶的生物影像学检测中具有潜在的应用前景.     

多重环境响应性蓝光共聚物的合成与表征

采用Suzuki偶联反应合成了一系列具有聚集诱导荧光增强特性的双亲性共聚物Pa,Pb和Pc,这些共聚物都有较高的分子量和可进一步支链化的羟基.聚合物Pa,Pb和Pc在四氢呋喃溶液中的紫外吸收峰在380 nm左右,荧光发射峰在470 nm左右,属于蓝光材料.对这些聚合物在四氢呋喃和水的混合溶剂中发光特性的研究发现,这类聚合物在一定比例混合溶剂中都有聚集诱导荧光增强现象,通过表征自组装得到胶束的粒径和形貌进一步验证了这一结果.3种共聚物在混合溶剂中的聚集诱导荧光增强特性与聚合物中聚集诱导荧光增强结构单元的含量有关,并且该特性只有在一定比例混合溶剂中才能体现.通过研究聚合物Pa在不同混合溶剂中荧光发射和自组装行为,发现聚合物Pa在四氢呋喃中处于高度分散状态,聚合物呈小的胶束;当减少混合溶剂中四氢呋喃的含量时,聚合物聚集形成了稳定的胶束并且粒径比较集中;当继续减小四氢呋喃的含量,聚合物部分析出.从动态光散射和透射电子显微镜结果中明显发现聚合物胶束的粒径有很大波动.聚合物Pb和Pc在不同溶剂中自组装得到的胶束的大小演变规律和聚合物Pa相似,说明共聚物中芴和聚集诱导荧光增强结构单元之间的比例只影响聚合物聚集时水的比例,并不对聚集形成胶束的演化过程产生明显影响.通过改变共聚物Pa,Pb和Pc自组装所用溶剂的比例和种类,可以得到尺寸在10到900 nm之间的胶束.聚合物Pa在不同溶剂中自组装形成胶束的尺寸分散性比较单一,而聚合物Pb和Pc在不同溶剂中自组装形成胶束的尺寸分布比较宽,形貌多样化.通过原子转移活性自由基聚合在聚合物Pb引入聚(N-异丙基丙烯酰胺)侧链,得到具有更高分子量、更窄分子量分布的水溶性和温度敏感性多重环境响应性蓝光聚合物P-N.在聚(N-异丙基丙烯酰胺)最低临界溶解温度附近,随着溶液温度的改变,该聚合物荧光发光峰的位置基本保持不变,但发射强度变化,聚合物P-N在混合溶剂中自组装形成胶束的大小和形貌也随之改变.     

聚合物-纳米金在油水界面的自组装及有序结构的构筑

聚合物-纳米金复合物既具有金纳米粒子的光、电及催化性能,又具有聚合物的可加工性及对外界的刺激响应性,因此已成为高分子科学及材料科学研究的热点。本文主要介绍了我们实验室在聚合物-纳米金在油水界面的自组装及有序结构的构筑研究方面的相关工作:(1)利用界面聚合的方法制备侧链接枝亲水性金纳米粒子的聚苯乙烯及杂化聚合物在水溶液中的自组装;(2)亲水性金纳米粒子及疏水性聚合物(或疏水性磁性纳米粒子)在油水界面的自组装研究;(3)利用金纳米粒子为交联点制备具有温度响应性聚合物微凝胶的研究。     

荧光淬灭法研究疏水缔合共聚物(PAM-b-PPOEA)_n自组装聚集数

运用荧光淬灭技术,包括稳态荧光淬灭法(SSFQ)和时间分辨荧光淬灭法(TRFQ),研究了疏水缔合水溶性丙烯酰胺2苯氧基丙烯酸酯多嵌段共聚物[P(AM POEA)]在水溶液中自组装的聚集数.这类聚合物在水溶液中易形成胶束状聚集体,探针芘分子和淬灭剂二苯酮增溶于疏水微区,荧光测定结果很好地符合Poisson淬灭模型.实验结果表明聚合物链结构、聚合物浓度和无机盐对聚集体的尺寸具有重要影响.聚合物自组装聚集数NA随疏水单体含量的增加和疏水嵌段长度的减小而增大,同时也随聚合物浓度和NaCl浓度增加而增大.另外对聚合物链结构、聚集数和溶液粘度的相互关系进行了讨论.     

获得环境响应聚合物胶束和空心球的途径

概述了本研究组近年来发展的几种制备环境敏感的聚合物纳米胶束和空心球的新方法,包括通过聚合物间的氢键相互作用构建“非共价键合胶束”的自组装方法,将聚合物自组装与单体的原位聚合相结合的方法以及利用接枝共聚物中的主链和支链间的络合作用诱导胶束化和胶束与空心球的可逆转化等.讨论了这些聚合物纳米微球和空心球对温度、pH及离子强度等的响应特性.     

星型三杂臂共聚物的合成及其自组装性能研究

通过将点击化学,原子转移自由基聚合与阳离子开环聚合相结合,合成了一种含亲水性聚乙二醇(PEG),疏水性聚四氢呋喃(PTHF)和环境响应性聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯(PDMA)的ABC星型杂臂聚合物MPEG-PTHF(-PDMA).通过FTIR、1H-NMR和凝胶渗透色谱/多角度激光光散射联用(SEC/MALLS)对其结构进行了表征.通过激光粒度仪和透射电子显微镜测试,并研究其在溶液中的自组装行为,分别在pH为5.0、7.4和9.5的缓冲溶液中测试了这种星型三元共聚物自组装性能,其可表现出温度响应性.     

响应性支化聚合物的合成、组装及其生物医药应用

环境响应性超支化聚合物作为超支化聚合物中一类智能聚合物,备受研究者关注,已被广泛用于生物医药领域.本文主要介绍了本课题组在响应性支化聚合物的合成、组装及其生物医药应用方面的部分研究工作.主要包括以下三方面的内容:第一部分介绍了酸响应性支化聚合物、温敏性支化聚合物、还原响应性支化聚合物和光响应性支化聚合物的合成;第二部分介绍了含有二硫键的温敏性超支化聚合物在温度诱导下的自组装及自交联反应制备纳米凝胶、纳米胶囊和交联复合囊泡;第三部分介绍了响应性支化聚合物在药物传递和基因传递方面的应用.     

基于糖基化反应及自组装法制备大豆分离蛋白-可溶性大豆多糖核壳结构纳米凝胶

结合大分子拥挤环境下的糖基化反应与自组装两步法,制备了安全而新型的具有核壳结构的纳米凝胶.首先,通过水相体系中的Maillard反应使亲水性大豆多糖(SSPS)共价连接到大豆分离蛋白(SPI)上形成两亲性嵌段共聚物;然后,在疏水聚集及静电吸引作用力的驱动下诱导接枝共聚物自组装形成SPI-SSPS纳米凝胶.原子力显微镜与透射电子显微镜分析表明,SPI-SSPS纳米凝胶为分布均匀、具有核壳结构的球形粒子,以亲水性的SPI为壳,以交联的SSPS为核;利用圆二色光谱法与荧光光谱法表征了SPI-SSPS纳米凝胶的结构,结果表明,SPI-SSPS纳米凝胶中蛋白的三级结构发生改变,疏水基团暴露于蛋白表面使纳米凝胶内部形成疏水微区,有利于荷载疏水性药物;稳定性实验结果表明,所制备的SPI-SSPS纳米凝胶具有环境稳定性,在一定的pH值与生理离子强度范围内粒子基本不变,于4℃能稳定储藏120 d以上.因此,SPI-SSPS纳米凝胶在生物医药领域具有广阔的应用前景.     

自组装法制备pH响应性马来酰化壳聚糖纳米粒子的研究

采用碳酸钠为催化剂,室温下制备了水溶性的马来酰化壳聚糖,研究了反应物投料比对酰化取代度以及产物水溶性的影响。红外光谱结果说明马来酸酐成功接枝到壳聚糖分子上;XRD结果说明马来酸酐酰化破坏了壳聚糖分子内和分子间的氢键作用,使水溶性大大提高。用Nano-ZS90Malvern仪器对不同pH值下的粒子粒径和Zeta电位进行测定,发现存在1个等电点:pH=3.01。文章首次采用自组装方法分别在醋酸、甲酸、乳酸溶液中制备得到三种不同的马来酰化壳聚糖纳米粒子并用SEM做了表征;DLS测试表明,当pH值增大后,三种纳米粒子粒径均由几十纳米溶胀到几百纳米,显示具有pH响应性。