一種基於聚烷撐亞胺的多功能膠囊及其製備方法

2023-10-11 09:08:44

專利名稱：一種基於聚烷撐亞胺的多功能膠囊及其製備方法
技術領域：
本發明屬於功能高分子材料技術領域，具體涉及一種具有pH響應的多功能膠囊材料 及其製備方法。
技術背景支化聚合物是一類新興的高分子材料，跟樹枝狀聚合物有相似之處，又有很多不同。 樹枝狀聚合物具有完美的拓撲分叉結構，它的核殼結構具有很清晰的界限，不過，複雜的 合成限制了它的大規模應用。因此，出現了同樣具有密集端基且內部有空穴結構的超支化 聚合物，超支化聚合物的核殼界限並不清晰，內部也可引入功能基團，合成單體也更豐富， 由於多數超支化聚合物可以一步合成，因而廣泛用於納米技術和超分子化學。早在1990 年，利用超支化聚合物封裝對苯甲胺的研究已經出現(Kim， Y.H.; Webster, O.W. J.Am.Chem.Soc. 1990， 112, 4592)， Frey小組曾經深入進行過將染料分子封裝入兩親性超 支化聚合物的研究，包括聚縮水甘油、聚酯、聚乙撐亞胺等，而後還對封裝分子的釋放過 程進行了研究(Sunder, A ; Kramer, M ; Hanselmann， R ; Mulhaupt， R; Frey， H。 Angew.Chem， Int.Ed.1999， 38， 3552)。 高超(Macromolecules 2006, 39, 8102-8111)等對 兩種不同染料分子的封裝進行了研究，發現了超分子協同增溶作用。Wan等發展了將PG 與雙官能團滷代烷烴進行Williamson反應的方法，在PG表面引入烯丙基和滷素基團。在 此基礎上引入疏水性的十二烷基，所得的兩親性聚合物內部可以封裝零價金納米粒子，金 粒子的尺寸可以由PG的分子量來控制(Journal of Applied Polymer Science, Vol. 101， 509-514， 2006)。這些方法的特點是在親水的超支化聚合物外周引入一定數量的憎水基團， 從而獲得穩定的膠囊，稱為單分子膠囊。但就膠囊化能力、對客體的選擇性吸收以及可逆 釋放而言，目前的膠囊還存在不少缺陷。支化聚烷撐亞胺聚合物中，以支化聚乙撐亞胺 (HPEI)用得較為廣泛，主要作為基因轉染載體而受關注，如Jiang等利用藻酸鹽對 PEI/DNA進行必要的包覆，製備出可對癌細胞進行轉染的複合載體，已證明比單純載體效 率高10-30倍。(Jiang G， MinSH， Kim廳，etal。 Alginate/PEI/DNApolyplexes: a new gene delivery system。 Acta Pharm Sinica， 2006， 41(5》439-445)， Wong等在添加殼聚糖的情 況下，使PEI進行陽離子聚合獲得衍生物，該PEI衍生物在10-100嗎/ml範圍內的細胞存 活率是分子量為25000的PEI的1.2-4倍(WongK， SunG， etal。 Bioconjug Chem, 2006,17(1): 152-158)。以HPEI作為衍生支架合成的膠囊也有報導(如Liu HJ, Chen Y, Shen Z， J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem,, 45, 1177, 2007; Liu HJ, Shen Z, Stiriba SE, et. al., J. Polym. Sci" Part A: Polym. Chem.， 44, 4165, 2006; Kramer M， Kopaczynska M, Krause S, et al.丄 Polym. Sci.， Part A: Polym. Chem., 45， 2287, 2007).這些膠囊中多數膠囊化能力較強，也具 有一定的可逆釋放能力，但不具有完全釋放能力的報導，對客體的選擇性的研究有限，且 這些膠囊一般能水解，長期使用穩定性不夠理想。 發明內容本發明的目的在於提供一種兩親性的、核殼結構的、具有PH響應功能的高效可逆膠 囊化材料及其製備方法。本發明提供的多功能膠囊材料，是以聚烷撐亞胺聚合物做為支架，採用環氧端基的開 環反應將非極性長鏈連接在聚垸撐亞胺周圍，從而形成的核為親水性、殼為親油性的兩親 性核殼膠囊。氨對環氧的開環使氨基本身變成三級胺，同時產生相應數量的羥基，三級胺 可以進一步通過與滷代烷烴作用形成正電離子，從而使核帶正電荷，也可利用羥基與丁二 酸酐作用，形成內部帶有負電荷的膠囊。這種設計改變了膠囊對客體的膠囊化能力和選擇 能力。對比其它膠囊，本發明的客體封裝能力極強，封裝效率增強數十倍，與此同時，本 發明的選擇捕捉能力非常優秀，可以輕易分離數種性質相似的客體混合溶液。由於核內大 量三級胺可以可逆質子化，因此在酸性和中性環境下，核呈強極性、親水性、陽離子性， 而在鹼性條件下，核又變成憎水性，中性。因此可以通過pH的改變來實現可逆膠囊化， 即對封裝客體的釋放。本發明所述的聚烷撐亞胺聚合物，是以任意方式獲得的含有主鏈氨基的支化聚合物， 其特徵為支化度(DB)大於20%，分子量大於IOOO。所述的環氧端基的非極性化合物，是帶有環氧端基的碳原子數大於10的脂肪烴，如 十二烷基環氧、2-十六垸氧甲基環氧丙垸等，以及以任意方式獲得的帶有環氧端基的分子 量不大於2萬，特別是在120到1萬之間的非極性化合物。本發明所述的pH響應的可逆膠囊化材料的製備方法，可以採用以下製備方法中的一種(1) 將摩爾數低於NH基團摩爾數的含有環氧端基的非極性長鏈化合物加入到濃度為 0.5-3g/ml (聚合物完全溶解即可)的聚烷撐亞胺聚合物的甲醇溶液中，充分攪拌，在室 溫下進行開環反應50-90小時，反應完成後，將甲醇溶劑去除並提純，放入真空烘箱中以 50-80° C烘乾，即可得一種兩親性核殼膠囊。(2) 將摩爾數低於羥基(由NH與環氧反應生成)基團摩爾數的丁二酸酐加入到由方法(l)中所得兩親性核殼膠囊的氯仿溶液中，並加入催化量級的二甲氨基吡啶催化，充分攪 拌，在室溫下進行反應50-90小時，然後將氯仿溶劑揮發，用甲醇洗滌，放入真空烘箱中 以50-80° C烘乾，即可得內部帶有負電荷的兩親性核殼膠囊。(3)將摩爾數低於NH基團摩爾數的滷代垸加入到方法(1)中所得兩親性核殼膠囊的氯仿 溶液中，在25-75° C下反應50-90小時，然後將氯仿溶劑分離，用甲醇洗滌，放入真空 烘箱中以50-80° C烘乾，即可得內部帶有正電荷的兩親性核殼膠囊。本發明研究了採用開環製備外部鍵接有非極性鏈的聚烷撐亞胺聚合物膠囊的製備工 藝，並研究了不同種類、不同長度的烷烴膠囊對封裝的影響；不同酸鹼度下的膠囊化效果； 膠囊對不同客體的膠囊化能力。如水中溶解的甲基橙染料可以完全由該膠囊萃取至三氯甲 烷溶液中。被上述膠囊萃取倒水中的黃色甲基橙染料，在溶液的pH由7升至12後，可以 部分或全部被釋放並回到水層中。該發明的合成步驟簡單，分離提純方便，易於實現工業化。該膠囊封裝染料後可以用 於樹脂的著色，如聚乙烯、聚丙稀等直接和包有染料的膠囊共混，每噸樹脂中加幾十克包 裹有染料的膠囊就可達到充分的染色。該膠囊也可用於化學物質的分離。如甲基橙和次甲 基蘭都是水溶性染料，且都不溶於氯仿，它們的混合物呈綠色，且可溶於氯仿。以常規方 法分離二者有一定困難，但利用本膠囊可以極容易將二者分離開。當將膠囊的氯仿溶液加 入到染料混合物水溶液中並振蕩靜置後，二者完全被分開。加入新的鹼性水溶液，則被膠 囊化的甲基橙可被釋放並回到水層中。紫外-可見光分析可以證明二者100%的被分開並完 全回收。


圖1為HPEI-DO氯仿溶液(0.05 g/L)萃取不同濃度的甲基橙水溶液後的紫外吸光度。 根據轉折點可以計算出每個HPEI—DO可以包裹58個甲基橙染料分子圖2為HPEI-MI氯仿溶液(0.025 g/L)萃取不同濃度的甲基橙水溶液後的紫外吸光度。 根據轉折點可以計算出每個HPEI—MI膠囊可以包裹143個甲基橙染料分子。圖3為端基為十二垸烴的聚乙撐亞胺聚合物經過丁二酸酐改性後(HPEI-COOH)對不 同濃度甲基橙染料的封裝能力圖。根據轉折點可以計算出每個HPEI—COOH膠囊可以包 裹4.0個甲基橙染料分子。(HPEI-DO， HPEI-MI， HPEI-COOH的製備見實施例)具體實施方式
以下實施例是僅為更進一步具體說明本發明，在不違反本發明的主旨下，本發明應不 限於以下實例具體明示的內容。實施例l2-十二烷氧基環氧丙烷。環氧氯丙烷45g,十二醇9.3g,氫氧化鉀U.2g和聚環氧乙垸 2g在50°C下攪拌3天，倒入大量水中，並以氯仿萃取，所得的氯仿以清水洗.除去氯仿 後，在減壓下收集124°C/5mmHg的餾分。收率65%。 實施例2取1.5g支化聚乙撐亞胺(HPEI， Aldrich購買)，溶於10毫升甲醇，隨後加入llg 2-十二垸氧基環氧丙烷(按實施例1合成)，在室溫下攪拌3天，將甲醇蒸餾除去，餘物以大 量甲醇洗滌，得到一種無色粘性液態產物(HPEI-DO)。收率95%。 實施例3pH響應膠囊(HPEI-DE)的製備。 取1.5g支化聚乙撐亞胺，溶於10毫升甲醇，隨後加入6.4g 1， 2-環氧十二垸，在室溫下 攪拌3天，將甲醇蒸餾除去，餘物以甲醇洗滌，得到一種無色粘性液態產物。收率96%。 實施例4內部具有正電荷的膠囊(HPEI-MI)的製備。 取實施例1中製備的HPEI-DO lg和碘甲烷0.4g溶解於二氧六環，60° C反應3天，揮 發掉過量的溶劑後，將所剩淡黃色固體用甲醇洗滌，在60° C真空環境中烘乾。收率98 %實施例5內部具有負電荷的膠囊HPEI-COOH的製備。 取實施例1中製備的PEI-DO lg和丁二酸酐0.14g溶解於氯仿，滴加催化劑量的4-二甲 氨基吡啶3滴，室溫反應3天，蒸發除去氯仿，所得的固體用甲醇洗滌三遍後，在60° C 真空環境中烘乾。收率100% 實施例6 (膠囊的封裝性能的測定)取溶有甲基橙的水溶液(濃度為l一100ppm)和溶有聚合物HPEI-DO(濃度為0.05g/L) 的三氯甲垸溶液各3.5ml，充分震蕩，然後靜置至兩相平衡，抽出三氯甲垸溶液並進行紫 外一可見光分光光度計測量。並根據測量結果計算出每個聚合物分子的封裝能力。結果表 明每個HPEI-DO膠囊在飽和狀態能包裹58個染料分子。 實施例7 (與聚丙烯的共混效果測定)將以甲基橙或剛果紅飽和的HPEI-MI固體0.025克與1千克聚丙烯混合，在雙螺杆擠 出機上19(T C擠出，按擠出時間的先後分別取出IO份樣品，每份2克，分別溶於同樣體 積的氯仿溶劑中，待產品充分溶解後，以紫外光譜測試每份的吸光度並進行比較，可以以此評估共混效果。再以水洗，並測試水洗後的氯仿溶液的紫外吸收光譜，以此評估膠囊中 的染料是否被洩漏。結果表明染料沒有洩漏，均勻分布在聚丙烯基料中。 實施例8 (在混合物的分離上的應用)在甲基橙和次甲基蘭的混合水溶液(濃度各為3X10—5 mol/L)中加入HPEI-DO的氯 仿溶液(濃度為1X1(T5 mol/L)，充分振蕩，靜置分層。可以看到橙色的甲基橙被完全萃 取倒氯仿層中，而蘭色的次甲基蘭保持在水層中，分出下層，加鹼性水溶液，使pH值為 12以上，可以看到，甲基橙又完全被釋放到水層中。通過紫外分光光度計測量證明甲基橙 和甲基蘭完全被分開。
權利要求
1. 一種基於聚烷撐亞胺的多功能膠囊，其特徵在於是以聚烷撐亞胺聚合物做為支架，採用環氧端基的開環反應將非極性長鏈連接在聚烷撐亞胺周圍，從而形成的核為親水性、殼為親油性的兩親性核殼膠囊。
2. 根據權利要求1所述的基於聚垸撐亞胺的多功能膠囊，其特徵在於所述的聚垸撐 亞胺聚合物為含有主鏈氨基的支化聚合物，其支化度大於20%，分子量大於1000。
3. 根據權利要求1所述的基於聚烷撐亞胺的多功能膠囊，其特徵在於所述的環氧端 基的非極性鏈化合物為帶有環氧端基的，碳原子數大於10的脂肪烴，其分子量不大於2萬。
4. 根據權利要求3所述的基於聚烷撐亞胺的多功能膠囊，其特徵在於所述環氧端基 的非極性化合物的分子量為120-10000。
5. 如權利要求1所述的基於聚烷撐亞胺的多功能膠囊的製備方法，其特徵在於具體 步驟如下將摩爾數低於NH基團摩爾數的含有環氧端基的非極性長鏈化合物加入到濃度為 0.5-3g/ml的聚烷撐亞胺聚合物的甲醇溶液中，充分攪拌，在室溫下進行開環反應50-90 小時，反應完成後，將甲醇溶劑去除並提純，放入真空烘箱中以50-80° C烘乾，即可得 一種兩親性核殼膠囊。
6、根據權利要求5所述的製備方法，其特徵在於將摩爾數低於羥基基團摩爾數的丁二 酸酐加入到所得的兩親性核殼膠囊的氯仿溶液中，並加入催化量級的二甲氨基吡啶催化， 充分攪拌，在室溫下進行反應50-90小時，然後將氯仿溶劑揮發，用甲醇洗滌，放入真空 烘箱中以50-80° C烘乾，即可得內部帶有負電荷的兩親性核殼膠囊。
7. 根據權利要求5所述的製備方法，其特徵在於將摩爾數低於NH基團摩爾數的滷代 烷加入到所得的兩親性核殼膠囊的氯仿溶液中，在25-75° C下反應50-90小時，然後將 氯仿溶劑分離，用甲醇洗滌，放入真空烘箱中以50-80° C烘乾，即可得內部帶有正電荷 的兩親性核殼膠囊。
8. 如權利要求1所述的基於聚烷撐亞胺的多功能膠囊在親水染料的包裹和樹脂的著 色中的應用。
9. 如權利要求1所述的基於聚烷撐亞胺的多功能膠囊在電荷性質不同的化學物質的 分離中的應用。
全文摘要
本發明屬於功能高分子材料技術領域，具體涉及一種基於聚烷撐亞胺的多功能膠囊及其製備方法。該膠囊材料是通過環氧基團的開環反應將非極性的長鏈化合物鍵接在聚烷撐亞胺表層而形成的兩親性核殼結構材料。膠囊的核可以被進一步加工成各種結構，如通過與丁二酸酐反應，可以使膠囊內部帶負電荷，而用滷代烷改性則使膠囊內部帶正電荷。所製得的膠囊材料具有很好的裝載染料的能力。通過pH的調節，能對染料進行完全可逆的封裝/釋放。該膠囊能完全與聚乙烯、聚丙烯相容，每噸聚乙烯、聚丙烯中只需加幾十克裝有染料的膠囊就可使聚合物充分著色且能長期穩定。由於該膠囊能選擇性的膠囊化客體，又能通過酸鹼度的調節進行釋放，可以用於某些水溶性混合物的分離。
文檔編號C08J5/00GK101270195SQ20081003655
公開日2008年9月24日 申請日期2008年4月24日 優先權日2008年4月24日
發明者萬德成, 浦鴻汀, 蔡相宇 申請人:同濟大學