專利名稱：一種基于聚烷撐亞胺的多功能膠囊及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有pH響應(yīng)的多功能膠囊材料 及其制備方法。
技術(shù)背景支化聚合物是一類新興的高分子材料，跟樹(shù)枝狀聚合物有相似之處，又有很多不同。 樹(shù)枝狀聚合物具有完美的拓?fù)浞植娼Y(jié)構(gòu)，它的核殼結(jié)構(gòu)具有很清晰的界限，不過(guò)，復(fù)雜的 合成限制了它的大規(guī)模應(yīng)用。因此，出現(xiàn)了同樣具有密集端基且內(nèi)部有空穴結(jié)構(gòu)的超支化 聚合物，超支化聚合物的核殼界限并不清晰，內(nèi)部也可引入功能基團(tuán)，合成單體也更豐富， 由于多數(shù)超支化聚合物可以一步合成，因而廣泛用于納米技術(shù)和超分子化學(xué)。早在1990 年，利用超支化聚合物封裝對(duì)苯甲胺的研究已經(jīng)出現(xiàn)(Kim， Y.H.; Webster, O.W. J.Am.Chem.Soc. 1990， 112, 4592)， Frey小組曾經(jīng)深入進(jìn)行過(guò)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，而后還對(duì)封裝分子的釋放過(guò) 程進(jìn)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(duì) 兩種不同染料分子的封裝進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了超分子協(xié)同增溶作用。Wan等發(fā)展了將PG 與雙官能團(tuán)鹵代烷烴進(jìn)行Williamson反應(yīng)的方法，在PG表面引入烯丙基和鹵素基團(tuán)。在 此基礎(chǔ)上引入疏水性的十二烷基，所得的兩親性聚合物內(nèi)部可以封裝零價(jià)金納米粒子，金 粒子的尺寸可以由PG的分子量來(lái)控制(Journal of Applied Polymer Science, Vol. 101， 509-514， 2006)。這些方法的特點(diǎn)是在親水的超支化聚合物外周引入一定數(shù)量的憎水基團(tuán)， 從而獲得穩(wěn)定的膠囊，稱為單分子膠囊。但就膠囊化能力、對(duì)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(zhuǎn)染載體而受關(guān)注，如Jiang等利用藻酸鹽對(duì) PEI/DNA進(jìn)行必要的包覆，制備出可對(duì)癌細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)染的復(fù)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(jìn)行陽(yáng)離子聚合獲得衍生物，該P(yáng)EI衍生物在10-100嗎/ml范圍內(nèi)的細(xì)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(bào)道(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(shù)膠囊化能力較強(qiáng)，也具 有一定的可逆釋放能力，但不具有完全釋放能力的報(bào)道，對(duì)客體的選擇性的研究有限，且 這些膠囊一般能水解，長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性不夠理想。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種兩親性的、核殼結(jié)構(gòu)的、具有PH響應(yīng)功能的高效可逆膠 囊化材料及其制備方法。本發(fā)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，采用環(huán)氧端基的開(kāi) 環(huán)反應(yīng)將非極性長(zhǎng)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(duì)環(huán)氧的開(kāi)環(huán)使氨基本身變成三級(jí)胺，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的羥基，三級(jí)胺 可以進(jìn)一步通過(guò)與鹵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(nèi)部帶有負(fù)電荷的膠囊。這種設(shè)計(jì)改變了膠囊對(duì)客體的膠囊化能力和選擇 能力。對(duì)比其它膠囊，本發(fā)明的客體封裝能力極強(qiáng)，封裝效率增強(qiáng)數(shù)十倍，與此同時(shí)，本 發(fā)明的選擇捕捉能力非常優(yōu)秀，可以輕易分離數(shù)種性質(zhì)相似的客體混合溶液。由于核內(nèi)大 量三級(jí)胺可以可逆質(zhì)子化，因此在酸性和中性環(huán)境下，核呈強(qiáng)極性、親水性、陽(yáng)離子性， 而在堿性條件下，核又變成憎水性，中性。因此可以通過(guò)pH的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)可逆膠囊化， 即對(duì)封裝客體的釋放。本發(fā)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， 其特征為支化度(DB)大于20%，分子量大于IOOO。所述的環(huán)氧端基的非極性化合物，是帶有環(huán)氧端基的碳原子數(shù)大于10的脂肪烴，如 十二烷基環(huán)氧、2-十六垸氧甲基環(huán)氧丙垸等，以及以任意方式獲得的帶有環(huán)氧端基的分子 量不大于2萬(wàn)，特別是在120到1萬(wàn)之間的非極性化合物。本發(fā)明所述的pH響應(yīng)的可逆膠囊化材料的制備方法，可以采用以下制備方法中的一種(1) 將摩爾數(shù)低于NH基團(tuán)摩爾數(shù)的含有環(huán)氧端基的非極性長(zhǎng)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?jǐn)嚢瑁谑?溫下進(jìn)行開(kāi)環(huán)反應(yīng)50-90小時(shí)，反應(yīng)完成后，將甲醇溶劑去除并提純，放入真空烘箱中以 50-80° C烘干，即可得一種兩親性核殼膠囊。(2) 將摩爾數(shù)低于羥基(由NH與環(huán)氧反應(yīng)生成)基團(tuán)摩爾數(shù)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，并加入催化量級(jí)的二甲氨基吡啶催化，充分?jǐn)?拌，在室溫下進(jìn)行反應(yīng)50-90小時(shí)，然后將氯仿溶劑揮發(fā)，用甲醇洗滌，放入真空烘箱中 以50-80° C烘干，即可得內(nèi)部帶有負(fù)電荷的兩親性核殼膠囊。(3)將摩爾數(shù)低于NH基團(tuán)摩爾數(shù)的鹵代垸加入到方法(1)中所得兩親性核殼膠囊的氯仿 溶液中，在25-75° C下反應(yīng)50-90小時(shí)，然后將氯仿溶劑分離，用甲醇洗滌，放入真空 烘箱中以50-80° C烘干，即可得內(nèi)部帶有正電荷的兩親性核殼膠囊。本發(fā)明研究了采用開(kāi)環(huán)制備外部鍵接有非極性鏈的聚烷撐亞胺聚合物膠囊的制備工 藝，并研究了不同種類、不同長(zhǎng)度的烷烴膠囊對(duì)封裝的影響；不同酸堿度下的膠囊化效果； 膠囊對(duì)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后，可以 部分或全部被釋放并回到水層中。該發(fā)明的合成步驟簡(jiǎn)單，分離提純方便，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。該膠囊封裝染料后可以用 于樹(shù)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(shù)脂中加幾十克包 裹有染料的膠囊就可達(dá)到充分的染色。該膠囊也可用于化學(xué)物質(zhì)的分離。如甲基橙和次甲 基蘭都是水溶性染料，且都不溶于氯仿，它們的混合物呈綠色，且可溶于氯仿。以常規(guī)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(kāi)。當(dāng)將膠囊的氯仿溶液加 入到染料混合物水溶液中并振蕩?kù)o置后，二者完全被分開(kāi)。加入新的堿性水溶液，則被膠 囊化的甲基橙可被釋放并回到水層中。紫外-可見(jiàn)光分析可以證明二者100%的被分開(kāi)并完 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后的紫外吸光度。 根據(jù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)可以計(jì)算出每個(gè)HPEI—DO可以包裹58個(gè)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后的紫外吸光度。 根據(jù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)可以計(jì)算出每個(gè)HPEI—MI膠囊可以包裹143個(gè)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(jīng)過(guò)丁二酸酐改性后(HPEI-COOH)對(duì)不 同濃度甲基橙染料的封裝能力圖。根據(jù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)可以計(jì)算出每個(gè)HPEI—COOH膠囊可以包 裹4.0個(gè)甲基橙染料分子。(HPEI-DO， HPEI-MI， HPEI-COOH的制備見(jiàn)實(shí)施例)具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例是僅為更進(jìn)一步具體說(shuō)明本發(fā)明，在不違反本發(fā)明的主旨下，本發(fā)明應(yīng)不 限于以下實(shí)例具體明示的內(nèi)容。實(shí)施例l2-十二烷氧基環(huán)氧丙烷。環(huán)氧氯丙烷45g,十二醇9.3g,氫氧化鉀U.2g和聚環(huán)氧乙垸 2g在50°C下攪拌3天，倒入大量水中，并以氯仿萃取，所得的氯仿以清水洗.除去氯仿 后，在減壓下收集124°C/5mmHg的餾分。收率65%。 實(shí)施例2取1.5g支化聚乙撐亞胺(HPEI， Aldrich購(gòu)買(mǎi))，溶于10毫升甲醇，隨后加入llg 2-十二垸氧基環(huán)氧丙烷(按實(shí)施例1合成)，在室溫下攪拌3天，將甲醇蒸餾除去，余物以大 量甲醇洗滌，得到一種無(wú)色粘性液態(tài)產(chǎn)物(HPEI-DO)。收率95%。 實(shí)施例3pH響應(yīng)膠囊(HPEI-DE)的制備。 取1.5g支化聚乙撐亞胺，溶于10毫升甲醇，隨后加入6.4g 1， 2-環(huán)氧十二垸，在室溫下 攪拌3天，將甲醇蒸餾除去，余物以甲醇洗滌，得到一種無(wú)色粘性液態(tài)產(chǎn)物。收率96%。 實(shí)施例4內(nèi)部具有正電荷的膠囊(HPEI-MI)的制備。 取實(shí)施例1中制備的HPEI-DO lg和碘甲烷0.4g溶解于二氧六環(huán)，60° C反應(yīng)3天，揮 發(fā)掉過(guò)量的溶劑后，將所剩淡黃色固體用甲醇洗滌，在60° C真空環(huán)境中烘干。收率98 %實(shí)施例5內(nèi)部具有負(fù)電荷的膠囊HPEI-COOH的制備。 取實(shí)施例1中制備的PEI-DO lg和丁二酸酐0.14g溶解于氯仿，滴加催化劑量的4-二甲 氨基吡啶3滴，室溫反應(yīng)3天，蒸發(fā)除去氯仿，所得的固體用甲醇洗滌三遍后，在60° C 真空環(huán)境中烘干。收率100% 實(shí)施例6 (膠囊的封裝性能的測(cè)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，然后靜置至兩相平衡，抽出三氯甲垸溶液并進(jìn)行紫 外一可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)量。并根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出每個(gè)聚合物分子的封裝能力。結(jié)果表 明每個(gè)HPEI-DO膠囊在飽和狀態(tài)能包裹58個(gè)染料分子。 實(shí)施例7 (與聚丙烯的共混效果測(cè)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，在雙螺桿擠 出機(jī)上19(T C擠出，按擠出時(shí)間的先后分別取出IO份樣品，每份2克，分別溶于同樣體 積的氯仿溶劑中，待產(chǎn)品充分溶解后，以紫外光譜測(cè)試每份的吸光度并進(jìn)行比較，可以以此評(píng)估共混效果。再以水洗，并測(cè)試水洗后的氯仿溶液的紫外吸收光譜，以此評(píng)估膠囊中 的染料是否被泄漏。結(jié)果表明染料沒(méi)有泄漏，均勻分布在聚丙烯基料中。 實(shí)施例8 (在混合物的分離上的應(yīng)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，加堿性水溶液，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(guò)紫外分光光度計(jì)測(cè)量證明甲基橙 和甲基蘭完全被分開(kāi)。
權(quán)利要求
1. 一種基于聚烷撐亞胺的多功能膠囊，其特征在于是以聚烷撐亞胺聚合物做為支架，采用環(huán)氧端基的開(kāi)環(huán)反應(yīng)將非極性長(zhǎng)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚垸撐亞胺的多功能膠囊，其特征在于所述的聚垸撐 亞胺聚合物為含有主鏈氨基的支化聚合物，其支化度大于20%，分子量大于1000。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚烷撐亞胺的多功能膠囊，其特征在于所述的環(huán)氧端 基的非極性鏈化合物為帶有環(huán)氧端基的，碳原子數(shù)大于10的脂肪烴，其分子量不大于2萬(wàn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于聚烷撐亞胺的多功能膠囊，其特征在于所述環(huán)氧端基 的非極性化合物的分子量為120-10000。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于聚烷撐亞胺的多功能膠囊的制備方法，其特征在于具體 步驟如下將摩爾數(shù)低于NH基團(tuán)摩爾數(shù)的含有環(huán)氧端基的非極性長(zhǎng)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?jǐn)嚢?，在室溫下進(jìn)行開(kāi)環(huán)反應(yīng)50-90 小時(shí)，反應(yīng)完成后，將甲醇溶劑去除并提純，放入真空烘箱中以50-80° C烘干，即可得 一種兩親性核殼膠囊。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于將摩爾數(shù)低于羥基基團(tuán)摩爾數(shù)的丁二 酸酐加入到所得的兩親性核殼膠囊的氯仿溶液中，并加入催化量級(jí)的二甲氨基吡啶催化， 充分?jǐn)嚢?，在室溫下進(jìn)行反應(yīng)50-90小時(shí)，然后將氯仿溶劑揮發(fā)，用甲醇洗滌，放入真空 烘箱中以50-80° C烘干，即可得內(nèi)部帶有負(fù)電荷的兩親性核殼膠囊。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于將摩爾數(shù)低于NH基團(tuán)摩爾數(shù)的鹵代 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(yīng)50-90小時(shí)，然后將 氯仿溶劑分離，用甲醇洗滌，放入真空烘箱中以50-80° C烘干，即可得內(nèi)部帶有正電荷 的兩親性核殼膠囊。
8. 如權(quán)利要求1所述的基于聚烷撐亞胺的多功能膠囊在親水染料的包裹和樹(shù)脂的著 色中的應(yīng)用。
9. 如權(quán)利要求1所述的基于聚烷撐亞胺的多功能膠囊在電荷性質(zhì)不同的化學(xué)物質(zhì)的 分離中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明屬于功能高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于聚烷撐亞胺的多功能膠囊及其制備方法。該膠囊材料是通過(guò)環(huán)氧基團(tuán)的開(kāi)環(huán)反應(yīng)將非極性的長(zhǎng)鏈化合物鍵接在聚烷撐亞胺表層而形成的兩親性核殼結(jié)構(gòu)材料。膠囊的核可以被進(jìn)一步加工成各種結(jié)構(gòu)，如通過(guò)與丁二酸酐反應(yīng)，可以使膠囊內(nèi)部帶負(fù)電荷，而用鹵代烷改性則使膠囊內(nèi)部帶正電荷。所制得的膠囊材料具有很好的裝載染料的能力。通過(guò)pH的調(diào)節(jié)，能對(duì)染料進(jìn)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(zhǎng)期穩(wěn)定。由于該膠囊能選擇性的膠囊化客體，又能通過(guò)酸堿度的調(diào)節(jié)進(jìn)行釋放，可以用于某些水溶性混合物的分離。
文檔編號(hào)C08J5/00GK101270195SQ20081003655
公開(kāi)日2008年9月24日 申請(qǐng)日期2008年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月24日
發(fā)明者萬(wàn)德成, 浦鴻汀, 蔡相宇 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)