新型热响应OEGDA-MAA纳米凝胶聚合物的合成与表征

摘要

刺激响应聚合物在生物医学和先进材料应用中日益重要。本文报道一种交联聚合物，聚(低聚(乙二醇)二丙烯酸酯-甲基丙烯酸)（P(OEGDA-MAA)），通过沉淀聚合制备。该材料在水介质中显示下临界溶解温度（LCST）型体积相变温度（VPTT）33°C，在乙醇中显示上临界溶解温度（UCST）型VPTT 43°C，浓度均为1 mg mL⁻¹。相变通过调节浓度和pH高度可调，为生物医学及其他响应系统提供多功能平台。

研究背景

响应温度、pH、离子强度等外部触发的聚合物在执行器、药物递送、组织工程中至关重要。其中，具有明确VPTT的热响应聚合物——通常称LCST聚合物——备受关注。典型例子聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）在32°C附近显示VPTT，成为生物医学应用基准。然而PNIPAM存在滞后、强蛋白吸附和水解产物限制临床应用。

聚乙二醇（PEG）基聚合物提供无毒、无免疫原性替代品。但PEG仅在高温高压下热响应，推动设计端基带官能团的OEG大分子单体。这些大分子单体通过阴离子、阳离子、ATRP、RAFT、NMP等路线聚合，实现分子量、结构和共聚单体比例精细控制。调节这些参数可调控OEG聚合物LCST/UCST，近期综述有记载。

大多数基于OEG的响应聚合物为梳状，甲基丙烯酸酯主链侧挂OEG链。相比之下，本文报道的P(OEGDA-MAA)通过水中沉淀聚合将OEG二丙烯酸酯（OEGDA）与甲基丙烯酸（MAA）共聚合成交联网络。这种结构在水中呈现独特LCST、在乙醇中呈现UCST，提供新型刺激响应材料，具潜在生物医学相关性。

实验方法

材料

OEGDA（Mn=575）购自Aladdin（上海）。MAA经碱性Al₂O₃处理纯化，购自天津广成化学。过硫酸铵（APS）购自天津河东红岩化学。透析膜（MWCO 3500）购自Union Carbide公司。

P(OEGDA-MAA)制备

1 L烧瓶中溶解0.8166 g OEGDA（1.43 mmol）和0.1834 g MAA（2.11 mmol）于500 mL去离子水。氮气吹扫后加入10 wt% APS（300 µL）。密封加热至70°C反应4 h。浑浊指示聚合物沉淀。冷却后浑浊乳液变清。加入2 M NaCl溶液（pH 1.0）诱导沉淀，离心（10,000 rpm），水中重分散，透析72 h除盐。

表征

¹H NMR（400 MHz, Bruker）在DMSO-d₆中确认组成。OEGDA含量也经电位滴定定量。水分散液（pH 1.0, 150 mM NaCl）和乙醇分散液中通过监测565 nm透射率随温度从70°C降至10°C测定VPTT。动态光散射（DLS, Malvern Nano-ZS）测量颗粒尺寸和分布。

结果与讨论

组成分析

¹H NMR积分羧基（12.35 ppm）和酯基（4.11 ppm）峰得OEGDA含量40.9 mol%，匹配进料比，确认完全共聚合（式1）。电位滴定得38.8 mol% OEGDA，佐证NMR结果。

$$\text{[OEGDA]}(\%) = \frac{S_b/4}{S_a + S_b/4}$$

形貌

SEM图像（图2）显示水分散液干燥态约40 nm纳米凝胶颗粒。低于VPTT分散液（<33°C）透明，确认完全溶胀态。DLS在70°C测得流体动力学半径~12 nm，指示高度溶胀孤立颗粒，干燥时可能聚集。

乙醇中同种聚合物形成更大聚集体（图2b-c），因UCST型VPTT以上亲水链相互渗透。高乙醇浓度下出现连续水凝胶膜。

水中LCST型VPTT

1 mg mL⁻¹时pH 1.0下VPTT为33°C，pH 3升至42°C，pH 5完全消失。pH依赖源于羧基pKa 4.8以下质子化，使其与醚氧氢键结合。高pH电离诱导静电排斥，维持全温度范围溶胀态。

DLS（图4）显示尺寸从10°C的15 nm渐增至25°C的20 nm，随后VPTT以上骤增至~600 nm，指示脱水诱导聚集。

乙醇中UCST型VPTT

乙醇中聚合物70°C透明，但透射率随温度降低下降。1 mg mL⁻¹时VPTT为43°C，呈两步跃变：初始链脱水（尺寸增至~7 nm）和后续聚集（40°C达150 nm，25°C达270 nm）。机制镜像LCST行为但温度方向相反（图6）。

相变机制

LCST和UCST跃变均涉及两步：(1) 溶剂亲和力丧失导致链塌缩，(2) 塌缩纳米凝胶聚集。交联OEGDA-MAA网络显著浓度依赖——VPTT随浓度从1 mg mL⁻¹的33°C降至5 mg mL⁻¹的27°C，因颗粒间接触概率增加。

结论

我们合成一种交联OEG-MAA聚合物，在水中显示LCST型VPTT（1 mg mL⁻¹, pH 1.0下33°C），在乙醇中显示UCST型VPTT（43°C）。相变可通过浓度和pH调控，颗粒尺寸跨相变可预测演变。这些特性使P(OEGDA-MAA)成为温度响应生物医学应用的有力候选者。

缩略语

APS:

过硫酸铵

ATRP:

原子转移自由基聚合

DLS:

动态光散射

EG:

乙二醇

LCST:

下临界溶解温度

MAA:

甲基丙烯酸

OEG:

低聚(乙二醇)

OEGDA:

低聚(乙二醇)二丙烯酸酯

P(OEGDA-MAA):

聚(低聚(乙二醇)二丙烯酸酯-甲基丙烯酸)

PEG:

聚(乙二醇)

PNIPAM:

聚(N-异丙基丙烯酰胺)

POEGMA:

聚[(低聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯]

RAFT:

可逆加成-断裂链转移聚合

R_h:

流体动力学颗粒半径

UCST:

上临界溶解温度

VPTT:

体积相变温度