两亲性超支化聚合物研究进展

强涛涛，张国国，王学川

（陕西科技大学教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室，陕西 西安 710021）

超支化聚合物是一类拥有立体三维结构的高度支化的聚合物，其分子外围拥有大量的活性官能团，同时还具有分子间不易缠绕、黏度低和高反应活性等特点。此外，超支化聚合物比树枝状聚合物的合成方法简单，合成过程中不需要严格的保护/去保护步骤，有可能实现大规模工业化生产，因此超支化聚合物及其功能化成为人们研究的热点之一[1-2]。

利用超支化聚合物具有多端基官能团的特点对其进行端基改性，可以得到不同类型的超支化聚合物。两亲性超支化聚合物是一种新型功能高分子，人们对其合成方法以及应用进行了深入的研究，主要是通过酯化反应、酰胺化反应、自由基聚合、开环聚合等方法对超支化聚合物进行亲水/亲油改性，从而制备不同结构的两亲性超支化聚合物[3-4]。不同功能化的两亲性超支化聚合物在溶液中拥有独特的性质，如在溶液中可以稳定存在的pH值敏感、温敏型核壳型单分子胶束。此外，两亲性超支化聚合物可以在溶液中自组装成不同的胶束聚集体，如球状、棒状、层状以及单分子膜、聚合物囊泡等。由于两亲性超支化聚合物特殊的分子结构以及化学性能，使其在药物运输载体、材料表面改性以及染料小分子的封装与释放等领域具有良好的应用前景。

1 两亲性超支化聚合物的合成

目前人们对两亲性超支化聚合物的合成方法已经有了广泛的研究。具体可以采用两种思路，其一是通过酯化反应、酰胺化反应等反应以长碳链羧酸或聚乙二醇类疏水／亲水基团对超支化聚合物进行端基改性，得到以超支化聚合物为核、亲水／疏水基团为壳的两亲性超支化聚合物；二是通过改变合成单体的浓度，生成拥有不同引发点数和不同分子质量的链末端含自由基引发点的超支化大分子引发剂，再利用合成的超支化大分子引发剂与乙烯基类单体通过原子自由基聚合、开环聚合得到两亲性超支化聚合物。

1.1 端基接枝改性合成两亲性超支化聚合物

由于超支化聚合物拥有大量可以继续反应的端基官能团，因此直接利用亲水／疏水的基团对超支化聚合物进行端基接枝改性是合成两亲性超支化聚合物的主要方法[5-6]。Samuel等[7]以5-羟基异酞酸为原料反应得到AB2单体，通过AB2单体熔融酯交换反应得到超支化聚酯，再以二十二烷基叠氮化合物和聚乙二醇-350单甲醚叠氮化合物对超支化聚酯接枝改性，得到超支化聚酯为核、外围接枝亲水性聚乙二醇长链和疏水性二十二烷基长链的两亲性超支化聚酯。Cheng等[8]以棕榈酰氯端基接枝改性超支化聚甘油醇，得到具有亲水性的超支化聚醚核和许多疏水性烷基链的两亲性接枝共聚物，并研究了改性产物在水中的自组装性能（图1）。这种疏水性长链羧酸改性得到的两亲性超支化聚合物拥有疏水性的外壳和亲水性的内核，因此这种特殊的两亲物在水溶液中会以反相胶束的形式存在而可以封装亲水性的小分子。超支化聚酯Boltorn H40是一种已经商品化的超支化聚合物，其拥有超支化聚合物的典型特点，如末端大量活性端羟基，通过长链烷基酰氯或其它疏水性长链对其进行接枝改性，得到内部拥有亲水基团、外围为疏水长链的两亲性超支化聚酯[9]。Santra等[10]通过丙二酸二乙酯的聚合反应得到端羧基超支化聚酯，并对其进行端基改性得到了拥有不同表面基团的聚合物：端胺基、端叠氮基以及端丙炔基超支化聚合物。进一步的研究发现，得到的产物显示特殊的性能，如磁性、荧光、抗氧化等性能。Zhao等[11]利用氯化对苯二甲酰作为耦合剂，通过接枝聚乙二醇到超支化聚酯分子的端基，合成了两亲性超支化-星型聚合物（图2）。

1.2 自由基聚合、开环聚合合成两亲性超支化聚合物

利用上述接枝改性的方法得到的两亲性超支化聚合物主要是一种核-壳型的结构，而通过自由基聚合、开环聚合等方法可以得到多种不同结构的两亲性超支化聚合物[12-13]。周立等[14]利用阴离子开环聚合制备了超支化聚缩水甘油醚，再以 1,3-二环己基碳化二亚胺作为脱水剂，将疏水性的长链棕榈酸和活性溴接枝到超支化聚缩水甘油醚外围而得到超支化大分子引发剂，最后利用原子转移自由基聚合反应将亲水性的聚N,N-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯接枝到超支化聚缩水甘油醚表面得到了两亲性超支化共聚物。Schömer等[15]通过缩水甘油和环氧丙烷阴离子开环聚合得到了一种温敏型超支化聚合物，而进一步的研究发现，通过调节缩水甘油与环氧丙烷的反应比可以得到拥有不同数目功能羟基和较低临界溶解温度的超支化聚醚多元醇。

2 两亲性超支化聚合物的溶液性质

由于两亲性超支化聚合物特殊的分子结构以及优异的表面活性，使其与传统的表面活性剂以及小分子线性两亲物在溶液中存在的形式不同，即在较小浓度下两亲性超支化聚合物就可以以单分子胶束的形式存在；而随着其存在环境的改变，两亲性超支化聚合物可以相互聚集，通过自组装形成多种多样的胶束形态。

2.1 特殊的单分子胶束

两亲性超支化聚合物既不同于传统的小分子表面活性剂，也不同于一般的线性两亲性聚合物，它可以在溶液中以单分子胶束的形态存在。这种基于超支化大分子的单分子胶束，根据其核层或壳层分子的性质不同，可以分为两种：一种是随着环境pH值变化而发生结构变化的pH值敏感型单分子聚合物胶束；另外一种是随着环境温度改变而发生结构变化的温敏型单分子聚合物胶束。钟玲等[16]通过研究两亲性超支化多臂共聚物在水溶液中的pH值响应的自组装，发现在稀溶液条件下，两亲性超支化多臂共聚物始终以单分子胶束的形式存在，随着溶液pH值的降低，胶束的壳层会逐步塌缩，导致胶束尺寸减小；而在浓溶液条件下，当溶液的 pH值较低时，单分子胶束会进一步聚集形成多分子胶束（图3）。Luo等[17]合成了一种以超支化聚甘油醇为核、温敏型聚异丙基丙烯酰胺为壳的两亲性超支化聚合物，发现随着水溶液温度的升高或降低，其外围聚异丙基丙烯酰胺壳层会相应收缩或扩张，这种可逆的相转移行为使其在纳米材料领域有着潜在的应用（图4）。

2.2 自组装性能

两亲性超支化聚合物不但能够在溶液中以单分子胶束的形式存在，通过改变其用量以及存在的外界条件，两亲性超支化聚合物也可以自组装成不同形态的胶束聚集体，如球状、棒状、蠕虫状以及单分子膜、聚合物囊泡、宏观的自组装纳米管等。Hofmann等[18]以线性聚乙二醇和超支化聚甘油为原料制备得到线性-超支化脂质体，再将得到的线性-超支化脂质体与 L-α-二油酸磷酯酰胆碱结合得到隐形脂质体，研究发现产物可以形成单层脂质体。Tao等[19]通过β-环糊精接枝超支化聚甘油与金刚烷功能化长链烷基之间的非共价键结合而合成线性-超支化两亲物，得到的两亲性分子可以在水中自组装成直径为100 nm的囊泡，且得到的自组装体系稳定性很好，在外力的作用下显示出很好的延伸性。

3 两亲性超支化聚合物的应用

与一般的线性两亲性聚合物相比，两亲性超支化聚合物具有众多的特点，特别是其在溶液中可以以单分子胶束的形式存在以及多样的胶束形态，体现出了其它线性两亲性聚合物无法比拟的优势。研究结果表明，两亲性超支化聚合物在众多领域都得到了很好的应用效果，特别是在作为药物输送载体、材料表面改性以及染料分子的封装等领域有着广阔的应用前景。

3.1 药物输送载体

由于两亲性超支化聚合物特殊的分子结构、良好的生物相容性使其成为药物输送的优良载体。两亲性超支化聚合物结构中存在的大量空腔可以用来封装疏水性的药物，同时通过控制两亲性超支化聚合物的结构可以使药物可控释放；而通过引入具有特殊功能的分子到超支化聚合物的外围，得到的两亲物在抗肿瘤药物输送领域有着特殊的应用。Steinhilber等[20]通过超支化聚甘油醇十丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯自由基聚合，分别采用微乳液模板法和微流体模板法制备了不同尺寸的超支化聚合物粒子，即纳米凝胶和微凝胶，研究发现得到的微凝胶可以封装酵母细胞，还可以提高酵母细胞存活率到 30%。Wu等[21]通过聚 L-亮氨酸、1,2-二棕榈酰-Sn-甘油-3-磷酸乙醇胺接枝改性超支化聚胺-酯得到新型两亲性共聚物纳米粒子，并将其应用于封装阿霉素，发现装载阿霉素的纳米粒子可以进入细胞且定位于溶酶体而在细胞质中快速释放，从而具有更加优异的抗癌效果。Yang等[22]以Boltorn H40为核，聚己内酯和聚羟基丁二酸无规共聚物为疏水内层，聚乙二醇为亲水外层制备一种新型多功能单分子胶束药物载体，研究发现产物可以形成半径约为25 nm的单分子胶束，进一步的研究发现，产物可以装载阿霉素且装载阿霉素的载体在酸性环境下可以快速释放抗肿瘤分子阿霉素。

3.2 材料改性

近年来，对于材料进行表面改性越来越引起人们的研究兴趣，其中包括利用特殊的改性剂提高材料在应用时的分散性，通过改性剂与材料共混制备特殊的薄膜，特别是纳米颗粒的制备及提高其在均相中的稳定性。而两亲性超支化聚合物拥有大量的末端功能基团、优异的表面活性，如在材料的应用中添加相应的两亲性超支化聚合物，可以使得材料的加工与应用变得更加容易，同时赋予材料特殊的性能，如抗菌性能、抗氧化性以及表面疏水性能等。Zhao等[11]利用氯化对苯二甲酰作为耦合剂，通过接枝聚乙二醇到超支化聚酯分子表面合成了两亲性超支化-星型聚合物，然后将合成的两亲物与聚偏氟乙烯混合通过相反演过程制备多孔膜，发现两亲性超支化-星型聚合物的添加导致膜的孔隙率明显增加而结晶性有相当大的减小。Morikawa等[23]通过光聚合反应合成了外围拥有大量二乙胺基二硫代氨甲酰基的超支化聚合物（HBP-DC），由于其特殊的外围基团可以与银离子相互作用而在硝酸银溶液中自发自组装成纳米球，而通过改变盐溶液的浓度可以调整 Ag(I)/HBP-DC纳米球的尺寸，随着外围银离子的增加，可以得到Ag纳米晶体。

3.3 染料分子的封装与释放

由于两亲性超支化聚合物独特的分子结构，使其在染料分子的封装与释放中有着得天独厚的应用，许多学者研究了其对各种不同结构的染料的封装，同时研究了其对双染料甚至多染料体系的封装与释放实验，发现了许多特殊的现象。Kitajyo等[24]通过超支化聚苏糖与三苯甲基氯反应得到核壳型两亲性超支化聚合物，研究发现产物对玫瑰红具有很好的单分子封装性能。Wu等[25]通过棕榈酰氯改性超支化聚合物合成了两亲性超支化聚酰胺-胺和超支化聚砜胺，并将其应用于水不溶染料的封装，发现对于两种不同染料的封装时存在竞争作用，这主要是由于不同染料的分子大小、染料与聚合物之间的静电相互作用以及不同染料分子之间的相互作用引起的。Kline等[26]通过比较超支化聚乙烯亚胺和树枝状聚丙亚基亚胺对于酚蓝和2-羟基尼尔红的吸收实验，发现酚蓝与超支化聚乙烯亚胺和树枝状聚丙亚基亚胺吸附结合强于2-羟基尼尔红。Böhm等[27]研究了超支化聚乙烯亚胺接枝β-环糊精对蒽醌染料的封装与释放，发现在温度与pH值变化时被封装在β-环糊精中的染料分子可以可控释放。

3.4 其它领域中的应用

利用两亲性超支化聚合物特殊的分子结构与性能，人们将其作为研究人类细胞活动的模型，用于研究细胞的聚集和融合。Jin等[28]合成了两种不同结构的两亲性超支化多臂共聚物，并将其应用于研究大型细胞模拟聚集过程，发现得到的两亲物可以自组装成大型的囊泡，同时囊泡之间又可以进行相互的聚集融合。Liu等[29]通过超支化聚甘油接枝聚乙二醇十八酰胺对血红细胞的活体吸附研究，发现随着聚合物浓度的增加，其结合血红细胞的数目也会相应地增加，进一步研究发现，聚合物是与血红细胞中的细胞膜相互结合的，且吸附聚合物后的血红细胞的形态也发生了变化。此外，人们通过对超支化聚合物进行改性并且制备了相应的材料，并对其在有机发光领域的应用进行了研究。Yu等[30]合成了一种含偶氮苯的两亲性超支化聚醚-胺，并将其溶于水中形成聚合物纳米粒子，研究发现聚合物纳米粒子对紫外光有明显的刺激响应性。

4 结 语

本文综述了通过多种改性方法对超支化聚合物进行表面亲水/亲油改性，制备不同结构的两亲性超支化聚合物。同时两亲性超支化聚合物在溶液中可以形成多种不同形态的胶束。在作为药物输送载体、材料表面改性以及染料分子的封装等领域有着重要的应用。随着更加深入的研究，采用新型改性方法、聚合技术制备新型两亲性超支化聚合物，探索两亲性超支化聚合物在生物医药领域的应用成为两亲性超支化聚合物的主要发展方向。

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