兩親梳型嵌段共聚物的合成及其對(duì)PAN 膜的改性

郭睿威，崔福員，趙書英，張建華

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

聚丙烯腈具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、不易水解、抗氧化、抗菌能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)成膜性好，因此廣泛應(yīng)用于血液滲析材料、超濾膜等方面[1-3]．但聚丙烯腈膜在應(yīng)用過(guò)程中表面易被蛋白質(zhì)污染．為了降低膜表面的蛋白質(zhì)污染，對(duì)聚丙烯腈膜進(jìn)行表面改性十分必要[4-7]．改性方法主要包括表面吸附法、表面接枝法和共混改性法等[8-10]．聚乙二醇(PEG)作為親水側(cè)鏈的兩親共聚物在膜表面改性方面的研究已有很多報(bào)道，但大多采用共混合表面接枝改性方法[11-14].相比之下，利用物理吸附對(duì)聚合物膜進(jìn)行表面改性，操作簡(jiǎn)單，易于控制聚合物的結(jié)構(gòu)，有利于研究聚合物結(jié)構(gòu)與表面改性效果間的構(gòu)效關(guān)系．提高吸附層的表面覆蓋率及吸附層厚度可望改善表面改性效果和抵抗污染物的附著．

RAFT 聚合是一種功能強(qiáng)大的自由基活性聚合技術(shù)，可合成指定結(jié)構(gòu)、相對(duì)分子質(zhì)量窄分布的規(guī)整聚合物，特別是嵌段聚合物，因而受到人們的青睞[15-17]．本課題組前期采用 RAFT 聚合法合成了兩親梳型嵌段共聚物PSt-b-P(A-mPEG)，并采用共混法改性聚醚砜(PES)，使 PES 超濾膜抗牛血清蛋白(BSA)污染的能力明顯提高[18]．筆者以咔唑二硫代甲酸芐基酯為RAFT 試劑，由苯乙烯(St)、N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)和丙烯酸聚乙二醇單甲醚酯(A-mPEG)經(jīng) RAFT 活性聚合制備了不同 PEG 側(cè)鏈長(zhǎng)度和側(cè)鏈數(shù)目的兩親性梳型嵌段共聚物 P(St-co-DMAM)-b-PDMAM-b-P(A-mPEG)x，將該系列聚合物通過(guò)物理吸附法對(duì)聚丙烯腈膜(PAN)進(jìn)行表面吸附改性，并探討了聚合物結(jié)構(gòu)對(duì)改性聚丙烯腈膜表面親水性及抗蛋白吸附的影響規(guī)律．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原 料

聚丙烯腈(PAN，Mz＝41.8×104,g/mol，天津大學(xué)科威公司)；苯乙烯(St，分析純)，減壓蒸餾后使用；聚乙二醇單甲醚(mPEG，分析純，Sigma-Aldrich 化學(xué)公司)；丙烯酰氯(ACC，分析純，山東淄博益新化工有限公司)，減壓蒸餾后使用；咔唑二硫代甲酸芐基酯(BCBD)，實(shí)驗(yàn)室自制[12]；偶氮二異丁腈(AIBN，化學(xué)純)，無(wú)水乙醇中結(jié)晶；N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAM，純度＞99%，北京瑞博龍石油科技發(fā)展有限公司)；牛血清白蛋白(BSA，電泳純＞98%，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院血研所科技公司)．

1.2 P(St-co-DMAM)-b-PDMAM-b-P(A-mPEG)x的合成

參照本課題組已報(bào)道方法制備丙烯酸聚乙二醇單甲醚酯(A-mPEG) 大分子單體[18]．將 10.00,g(0.096,mol) St 和 4.76,g(0.048,mol)DMAM 用30,mL 無(wú)水乙醇溶解，置于反應(yīng)瓶中，加入 1.00,g(3.024,mmol)BCBD 和 99,mg(0.605,mmol)AIBN，將反應(yīng)體系通氮除氧30,min 后密封，于65,℃的水浴中聚合反應(yīng) 12,h，冷卻至室溫，用石油醚沉析聚合物 3次，真空干燥，得到第一嵌段 P(St-co-DMAM)(PSD)．將上述得到的聚合物 20.00,g(5.36,mmol)與6.37,g(0.064,mol) DMAM 溶于 30,mL 無(wú)水乙醇中，再加入0.104,g (0.637,mmol)AIBN，65,℃水浴下聚合12,h，冷卻至室溫，用石油醚反復(fù)沉析 3 次，真空干燥，得到第二嵌段共聚物 P(St-co-DMAM)-b-PDMAM(PSDD)．將 10.00,g(1.762,mmol)上述制備的 PSDD 與 12.71,g(11.02,mmol)A-mPEG2溶于30,mL 無(wú)水乙醇中，加入0.18,g(1.10,mmol)AIBN，通氮除氧 30,min 后密封，于 65,℃水浴中聚合反應(yīng)48,h，冷至室溫，用石油醚反復(fù)沉析3 次，然后用蒸餾水反復(fù)萃取 3 次，以除去未反應(yīng) A-mPEG．真空干燥得兩親性梳型嵌段聚合物 PSDD-b-P(A-mPEG)x．x代表A-mPEG 鏈的平均聚合度．

1.3 PAN薄膜的制備

用溶劑蒸發(fā)法制備 PAN 薄膜．將一定質(zhì)量的PAN 溶于溶劑 DMF 中，攪拌下配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的均勻溶液，待溶液靜置脫泡后，將其鋪展在潔凈的玻璃板上，流延使其鋪展為一均勻薄層，在60,℃下蒸發(fā)溶劑，待溶劑蒸發(fā)完后，真空干燥，儲(chǔ)存待用．

1.4 膜改性

將制備的嵌段梳型聚合物溶于乙醇/水(體積比8∶2)混合溶劑中，將PAN 薄膜在室溫下浸入該溶液中一定的時(shí)間．取出后用去離子水洗滌薄膜兩次，以除去附著的過(guò)量聚合物．

1.5 分析與測(cè)試

采用 Varian Mercury Vx300 型核磁共振儀，以CDCl3作溶劑、四甲基硅烷(TMS)作內(nèi)標(biāo)，測(cè)定各物質(zhì)的1H-NMR 譜圖．采用 Agilent 1,100 型 GPC 儀，測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量及其分布，THF 作淋洗劑，柱溫35,℃，流速 1.00,mL/min．標(biāo)準(zhǔn)聚苯乙烯作校正曲線．聚合物樣品質(zhì)量濃度為 3～5,mg/mL，注樣量約為 100,μL．

2 結(jié)果討論

2.1 PSDD-b-P(A-mPEG)x的合成與表征

由3 種不同鏈長(zhǎng)的聚乙二醇單甲醚(mPEG)與丙烯酰氯(ACC)反應(yīng)制備丙烯酸聚乙二醇單甲醚酯 AmPEG(見表 1)．反應(yīng)方程式如圖 1 所示，由溴化法測(cè)試雙鍵含量均在 90%以上，相對(duì)分子質(zhì)量根據(jù)1H-NMR 計(jì)算．

以 BCBD 作為 RAFT 試劑，先將 St 與 DMAM無(wú)規(guī)共聚，合成第一嵌段 P(St-co-DMAM)(簡(jiǎn)記為PSD)，經(jīng)分離純化后再加入第 2 段單體 DMAM，進(jìn)行嵌段共聚，得到雙嵌段共聚物 P(St-co-DMAM)-b-PDMAM(簡(jiǎn)記為PSDD)．加入PDMAM 段的目的在于降低 PEG 與膜表面間的斥力，以提高表面的覆蓋率．兩種嵌段聚合物的分析結(jié)果列于表 2．由表 2 可知，利用 BCBD 作為 RAFT 試劑合成的聚合物其相對(duì)分子質(zhì)量分布較窄，具有活性聚合特征．

PSDD 經(jīng)純化后與 A-mPEG 共聚．根據(jù)加入的A-mPEG 相對(duì)分子質(zhì)量及用量的不同，得到不同嵌段長(zhǎng)度和不同PEG 側(cè)鏈長(zhǎng)度的嵌段梳型聚合物PSDDb-P(A-mPEG)x(見表 3)，x值根據(jù)核磁譜圖計(jì)算．合成反應(yīng)方程式如圖2 所示．

表1 大分子單體A-mPEG的合成條件及結(jié)構(gòu)Tab.1 Synthesis conditions and results of A-mPEG

圖1 丙烯酸聚乙二醇單甲醚酯的合成Fig.1 Synthesis of A-mPEG

表2 PSD與PSDD嵌段共聚物的相對(duì)分子質(zhì)量分析結(jié)果Tab.2 Molecular weight of PSD and PSDD copolymers

表3 樣品PSD D-b-P(A-mPEG)x 結(jié)構(gòu)及吸附效果Tab.3 Structure of PSDD-b-P(A-mPEG)x and film modification results

圖2 PSDD-b-P(A-mPEG)x 的合成方程式Fig.2 Synthesis of block copolymer PSDD-b-P(A-mPEG)x

圖3給出了聚乙二醇單甲醚mPEG2單體、嵌段共聚物 PSD、嵌段共聚物 PSDD 和兩親梳型嵌段共聚物 PSDD-b-P(A-mPEG)2-4的1H-NMR 譜．圖 3 曲線1 中δ＝5.7～6.3 處出現(xiàn)的質(zhì)子峰為丙烯酸酯雙鍵CH2＝CH—COO—，表明在mPEG 中引入了丙烯酰基基團(tuán)，且對(duì)應(yīng)質(zhì)子峰 a、b、c 和鏈端—CH3氫原子 e的峰面積約為 1 ∶1∶1∶3，表明合成的 A -mPEG 純度較高．c 與 e 處氫個(gè)數(shù)比為 32.5∶1，可計(jì)算出mPEG2鏈結(jié)數(shù)為 2 4．圖 3 曲線 2 中δ＝6.4～7.3 處峰對(duì)應(yīng)的是苯乙烯鏈段苯環(huán)上的 H；δ＝2.4～1.4 處的質(zhì)子峰對(duì)應(yīng)于主鏈上重復(fù)單元—CH2—CH—中的亞甲基和次亞甲基上的 H；δ＝3.0～2.6 的峰為二甲基丙烯酰胺中甲基上的質(zhì)子氫，可以得出δ＝6.4～7.3處與δ＝3.0～2.6 處氫個(gè)數(shù)之比為1∶0.71，由此計(jì)算PSD 中 S t 與 D MAM 結(jié)構(gòu)單元比例 2 0∶13．圖 3 中曲線 3 中δ＝3.0～2.6 兩處氫個(gè)數(shù)比例增至 1 ∶1.2，嵌段 A -mPEG 后，圖 3 中曲線 4 在δ＝3.4 處的位移峰為mPEG 鏈端單甲醚—OCH3中端甲基上的氫引起，δ＝4.0～3.5 處的峰為(CH2－ C H2－ O )p中的亞甲基質(zhì)子引起的，這是醚鍵中質(zhì)子的特征化學(xué)位移值，說(shuō)明已經(jīng)接枝有PEG．δ＝4.0～3.5 處與δ＝3.0～2.6 處氫個(gè)數(shù)之比為 3 .4∶1，則產(chǎn)物中 A -mPEG 的聚合度為 4，分析表明，合成的產(chǎn)物與目標(biāo) PSDD-b-P(A-mPEG)相一致．

圖3 各聚合產(chǎn)物的1H-NMR譜圖Fig.3 1H-NMR spectra of products

2.2 PAN膜的表面接觸角測(cè)試

測(cè)量靜態(tài)接觸角是衡量材料表面親疏水性常用方法之一．首先選取嵌段聚合物中 PEG 相對(duì)分子質(zhì)量為1,100、聚合度為4 的樣品2 和PEG 相對(duì)分子質(zhì)量為 2,000、聚合度為 20 的樣品 6 配置成濃度為3.0,mg/mL 的溶液，將膜分別吸附不同的時(shí)間，考察吸附時(shí)間對(duì)接觸角的影響，其結(jié)果見圖 4．PAN 原膜的水接觸角為 71.92°，隨吸附時(shí)間的增長(zhǎng)，接觸角逐漸減小，4,h 后變化不明顯，說(shuō)明隨著吸附時(shí)間的增加，膜表面上吸附的聚合物量增大，PEG 鏈段覆蓋率增大，使PAN 膜的親水性增強(qiáng)．但4,h 后吸附達(dá)到飽和狀態(tài)，接觸角不再隨時(shí)間的延長(zhǎng)而變化．

圖4 吸附改性PAN膜的水接觸角隨吸附時(shí)間的變化Fig.4 Contact angle of PAN membranes with different adsorption time

將各種兩親梳型聚合物配制成濃度3,mg/mL，然后將空白膜浸于該溶液中 4,h，取出用清水沖洗后晾干，測(cè)其接觸角，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表 3 中．比較樣品 1、樣品 4、樣品 6 聚合物可反映 PEG 側(cè)鏈長(zhǎng)度對(duì)膜表面親水改性效果的影響，在 A-mPEG 聚合度相近(約為20)的條件下，PEG 相對(duì)分子質(zhì)量為750 的嵌段物樣品 1 處理的膜接觸角較高，PEG 相對(duì)分子質(zhì)量分別為1,100 和2,000 的兩親梳型聚合物改性膜的接觸角相近且較低．表明 PEG 段側(cè)鏈長(zhǎng)度的增加有利于增加膜的親水，膜表面吸附的聚合物與水接觸時(shí)，PEG 鏈長(zhǎng)增大時(shí)，鏈段在溶液中運(yùn)動(dòng)面積增加，親水性增強(qiáng)．但當(dāng) PEG 相對(duì)分子質(zhì)量分別大于 1,100(為2,000)時(shí)，接觸角并未進(jìn)一步下降，反而略有增大，這表明當(dāng)PEG 鏈長(zhǎng)達(dá)一定程度后，進(jìn)一步增加鏈長(zhǎng)，對(duì)進(jìn)一步增加親水性作用不大，反而可能會(huì)因親水鏈過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致聚合物親水性太強(qiáng)，在膜表面吸附量減少而導(dǎo)致親水改性效果變差．

通過(guò)樣品 1、樣品 4、樣品 6 聚合物的接觸角比較表明，PEG 側(cè)鏈相對(duì)分子質(zhì)量為 1,100 時(shí)，改性效果較 PEG 相對(duì)分子質(zhì)量為 750 和 2,000 明顯．因此針對(duì) PEG 相對(duì)分子質(zhì)量為 1,100 時(shí)，討論共聚物中A-mPEG 不同聚合度對(duì)親水性的影響．梳型嵌段聚合物樣品2、樣品 3、樣品 4 和樣品 5 的側(cè)鏈 PEG 鏈長(zhǎng)均為 1,100，但 A-mPEG 聚合度不同，分別為 4、10、20、30，對(duì)比各自樣品改性 PAN 膜的表面親水性表明，隨著PEG 接枝度的增加，膜接觸角先降低后略有增加，分別為 58.15°、52.32°、24.83°和 25.64°，表明PEG 聚合度在較小(分別為4、10)時(shí)親水改性效果并不明顯，隨著 PEG 接枝度的增加，聚合物中親水段PEG 所占含量逐漸增加，親水性增加．但當(dāng) PEG 含量過(guò)多時(shí)，聚合度達(dá)到 30 時(shí)，接觸角反而上升，不利于聚合物的表面吸附．

2.3 蛋白質(zhì)吸附特性

考馬斯亮藍(lán) G-250 與蛋白質(zhì)通過(guò)范德華相互作用可以形成蛋白質(zhì)-考馬斯亮藍(lán)復(fù)合物藍(lán)色溶液，引起該染料的最大吸收λmax的位置發(fā)生紅移，在595,nm 處有最大吸收值．因此，可大大地提高蛋白質(zhì)的測(cè)定靈敏度．通過(guò)在 WFZ-26A 紫外-可見分光光度計(jì)上測(cè)其 595,nm 處的吸光度值，就可以測(cè)定蛋白在膜表面的吸附量．首先，以不同濃度牛血清白蛋白在 595,nm 處的吸光度 A 值繪制 A-ρ標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(A 為吸光度，ρ為 BSA 濃度)，如圖 5 所示，在 0～120,μg/mL 內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，其線性回歸方程為 A ＝ 0.006,3ρ＋ 0.102,9 ，其 相 關(guān) 系 數(shù) 為 R2＝0.998,9．利用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算聚丙烯腈膜經(jīng) 3,mg/L 聚合物溶液浸泡 5,h 改性后對(duì) BSA 的吸附量，結(jié)果列于表3 和圖6．由圖6 可知，純PAN 膜表面蛋白污染嚴(yán)重，其吸附量可達(dá) 6.130,μg/cm2；經(jīng)嵌段聚合物表面吸附改性后，膜表面的蛋白吸附量都有明顯降低．比較改性膜的蛋白吸附量與水接觸角數(shù)據(jù)可知，嵌段共聚物吸附處理后膜的蛋白吸附量與其水接觸角間具有很好的相關(guān)性，接觸角降低伴隨著蛋白質(zhì)吸附量的降低，其中以樣品4 兩親梳型聚合物改性膜的BSA 吸附量最低，為 0.672,μg/cm2，僅為未改性 PAN膜的11%．

圖5 牛血清蛋白濃度與吸光度工作曲線Fig.5 Standard curves of BSA and adsorption

圖6 改性膜的蛋白質(zhì)吸附量值Fig.6 BSA adsorption amount of modification film

3 結(jié) 語(yǔ)

利用 RAFT 活性聚合法成功合成了一系列的P(St-co-DMAM)-b-PDMAM-b-P(A-mPEG)x兩親梳型嵌段聚合物，并通過(guò)物理吸附法對(duì) PAN 膜進(jìn)行表面改性，接觸角測(cè)試結(jié)果表明，隨嵌段共聚物中 PEG的鏈長(zhǎng)或含量增加，改性膜的親水性有明顯的提高，BSA 蛋白在膜表面的吸附量下降；但更多地引入PEG 則導(dǎo)致聚合物的吸附能力下降，接觸角與蛋白吸附量并未進(jìn)一步改善．在 PEG 相對(duì)分子質(zhì)量為1,100、接枝數(shù)為20 時(shí)，嵌段共聚物的改性效果最好，接觸角由原來(lái)的 72.2°降低至 24.8°，蛋白質(zhì)吸附量為 0.672,μg/cm2，僅為未改性 PAN 膜的 11%．

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