层层自组装膜的研究进展

层层自组装膜的研究进展

表面改性膜的应用涂层防护是1960年至20世纪90年代初提出的一种高密度膜结构。其基本过程如图1所示。当一个基片交替地在一个阳离子聚电解质溶液和一个阴离子聚电解质溶液中浸泡时,由于阴阳离子之间的静电相互作用,阴阳离子聚电解质就会在基片上“一层一层”地组装起来。这种组装制膜的技术具有操作简单、无需特殊设备、膜组分及厚度可控等许多优点,因此一经问世就受到广泛的关注。经过二十年的发展,现已成为应用非常广泛的高分子薄膜制备技术。经过许多学者的深入研究,人们对以聚电解质多层膜为代表的层层自组装膜的结构和性质已有了比较清楚的认识。研究表明,由于膜中高分子链的相互穿插,层层自组装膜实际上并不具有真正的一层一层的层状结构。聚电解质多层膜虽然是通过阴阳离子之间的静电相互作用而形成的,但由于离子键数量并不改变,因此组装过程中的焓变极小。相反在此过程中由于小分子量对离子及溶剂分子的释放,体系的熵增加,因此组装的主要驱动力是熵而不是焓。除了传统的基于静电相互作用的组装方法外,人们还发展了基于氢键、共价键、电荷转移相互作用、配位键、立构复合等各种分子间相互作用的新组装方法。这些新组装方法的引入,极大地扩展了层层组装适用的范围。与此同时,层层组装膜的应用研究是热门课题。层层组装方便易行,因此可望用于制备精密的电子或光学器件。例如,Rubner等曾制备了具有梯度折光指数的聚电解质多层膜,可用作可折叠的滤光片。利用层层组装可对很多材料表面进行修饰。例如,张希等用层层组装结合电沉积的方法制备了具有超疏水性的薄膜,可使材料表面具有超疏水性。作为微反应器层层组装膜还可用于制备金属或半导体纳米颗粒。层层组装膜更多的应用是在生物医学领域。例如,利用这一组装方法可构筑具有抗凝血能力的表面,提高医学器械的血液相容性。一些组装膜具有抗菌能力,可抑制细菌在表面的生长繁殖[11~13]。在这一领域研究最多的是药物控释,已有大量层层组装的高分子膜和空心微胶囊用于药物控释体系[14~19]。我们课题组在层层自组装膜的基础研究和应用领域已进行了多年的探索,在基础研究方面致力于新的组装方法的探索,在应用研究方面主要探索组装膜在生物医学领域的应用。我们认为层层自组装膜本质上是一种微纳米尺度的水凝胶薄膜,具有较好的生物相容性,因此在生物医学领域大有用武之地。我们近年来主要对以氢键和可逆共价键为驱动力的层层组装体系进行了研究,在此基础上提出了动态层层自组装膜(dynamicLBLfilms)的概念,并将其应用于药物控释和生物传感。1空心微囊的制备层层组装方法不受基片形状和大小的限制,因此除了可在二维平面上进行外,还可在三维的颗粒表面进行,进一步将模板颗粒除去就可得到层层组装的空心微胶囊。1998年Donath等首次将层层组装技术用于制备空心微胶囊,由于囊壁组成和厚度可控,这样的微胶囊作为药物载体具有很大的优势。但长期以来这方面的工作局限于使用基于静电相互作用的层层组装技术,因此囊壁材料局限于聚电解质,而且只能在水相中进行组装。为了突破这些限制,我们于2003年首次将基于氢键的层层自组装技术从二维体系扩展到三维体系,成功制备了氢键键合的空心微胶囊。我们选用聚乙烯基吡喏烷酮为氢键受体、间甲酚醛树脂为氢键给体首先在二维平面进行氢键组装。组装介质为有机溶剂甲醇。用紫外-可见光谱监测组装过程发现,膜的紫外吸收随组装层数增加而线性增长,表明组装是成功的。用红外光谱研究膜中高分子的相互作用发现,间甲酚醛树脂的O—H振动吸收峰的波数减少约100cm-1,与此同时,聚乙烯基吡喏烷酮中C═O的伸缩振动频率减小21cm-1。这些结果表明,膜中的两个高分子之间形成了非常强的氢键,如图2A所示。我们进一步发现,加热组装膜后,随着温度升高,键合羟基的吸收减弱,而自由羟基吸收逐渐显著,同时键合羰基的吸收减弱,并在1681cm-1处出现了自由羰基的吸收峰。这些结果表明,聚乙烯基吡喏烷酮与间甲酚醛树脂之间的氢键在加热条件下部分断裂,进一步证明,这两个高分子是通过氢键相互作用进行层层组装的。三维组装是在直径分别为640nm和440nm的聚苯乙烯和二氧化硅胶体粒子表面进行的。组装过程与二维组装类似:先加入聚乙烯基吡喏烷酮使胶体粒子表面吸附一层聚乙烯基吡喏烷酮,多余的聚乙烯基吡喏烷酮通过洗涤除去,再加入间甲酚醛树脂使粒子表面吸附一层间甲酚醛树脂。重复这一过程即可得聚乙烯基吡喏烷酮/间甲酚醛树脂多层膜,再除去模板即可得空心微胶囊。聚苯乙烯小球可通过加入四氢呋喃而除去。然而我们未能用这一方法得到完整的空心微胶囊,这可能是因为氢键键合的聚乙烯基吡喏烷酮/间甲酚醛树脂多层膜强度较弱,经受不住高分子量聚苯乙烯溶解产生的较大的渗透压。二氧化硅胶体粒子可用加入氢氟酸的方法除去,生成的小分子可顺利地穿过聚乙烯基吡喏烷酮/间甲酚醛树脂多层膜,因此可以得到完整的空心微胶囊,如图2B所示。微胶囊直径与所用的模板相当。由于囊壁是氢键键合的,这样的微胶囊在酸性或中性溶液中可稳定存在,在碱性溶液中则因氢键的破坏而溶解。以两个高分子之间自发的化学反应为驱动力,可进行基于共价键的层层自组装,得到的组装膜是通过共价键键合在一起的,因此具有很高的稳定性,在DMF等强极性溶剂中也能稳定存在。为了得到高稳定性的空心微胶囊,我们首次将共价键自组装技术从二维体系扩展到三维体系,并制备得到了共价键合的空心微胶囊。硝基重氮树脂和间甲酚醛树脂之间可发生自发的耦合反应,如图3A所示,利用这一反应可将这两种高分子在基片上一层一层组装起来,同样也可在聚苯乙烯胶体粒子的表面顺利进行。由于生成偶氮键,得到的组装膜呈黄色,白色的聚苯乙烯胶体粒子也因此变为黄色。如前所述,聚苯乙烯模板可用加入四氢呋喃的办法除去。用这一方法我们得到了完整的硝基重氮树脂/间甲酚醛树脂空心微胶囊。空心微胶囊的TEM图片如图3B所示。完整微胶囊的成功制备表明共价交联的硝基重氮树脂/间甲酚醛树脂组装膜具有很高的稳定性,能抵抗聚苯乙烯溶解产生的高渗透压而不破裂。我们进一步研究了空心微胶囊在强极性溶剂DMF中的稳定性。在DMF中处理40h后,微胶囊的形貌几乎没有变化,显示其极强的抗溶剂刻蚀能力。由于引入了氢键和共价键层层组装技术,大量中性的合成或生物高分子也可被用于制备微胶囊,与此同时,在有机相中制备微胶囊也成为可能。氢键微胶囊的响应性和共价键微胶囊的高稳定性更拓展了它们在一些特殊条件下的应用。我们在这方面工作的首创意义获得国际同行的认可。高长有等在有关综述中评价我们的工作是共价层层组装微胶囊的第一例(ThefirstexampleofcovalentLbLassembledmicrocapsules)。Caruso和Sukhishvili则分别在他们撰写的综述中评价我们首创了三维氢键层层组装(Thefirstexampleofhydrogen-bondedmultilayerassemblyoncolloidalparticles.)。层层组装一般是基于两个高分子之间的相互作用,因此层层组装膜一般含有两个以上的组分。利用层层组装膜的这一特点,我们可以将各组分的特性结合在一起,从而使得到的膜表现出每个单一组分都不具备的独特性质。但在一些情况下第二组分的存在也可能带来副作用。例如壳聚糖具有优异的生物相容性和生物可降解性,在生物医学领域有广泛用途。作为阳离子聚电解质,它可与聚丙烯酸等阴离子聚电解质进行层层组装。但是,聚丙烯酸这样的第二组分的存在会降低组装膜的生物相容性和生物可降解性,不利于组装膜在生物医学领域的应用。为此我们首次提出了一种制备单一组分层层组装膜或微胶囊的技术,即选择性将第一组分交联,然后除去第二组分,得到只有第一组分的膜或微胶囊,如图4A所示。按照这一思路,我们首先利用静电组装技术制备了壳聚糖和聚丙烯酸的层层组装膜,然后将膜浸泡在戊二醛中,将壳聚糖组分选择性地交联起来。再将膜浸泡在pH9.0的碳酸盐缓冲溶液中,这样壳聚糖上氨基所带电荷减少,与聚丙烯酸的结合减弱,聚丙烯酸就可以扩散出来,从而得到单组分的壳聚糖膜。这样得到的组装膜的红外光谱与原来的壳聚糖/聚丙烯酸膜的红外光谱有很大的不同,而与以戊二醛交联的壳聚糖凝胶的红外光谱几乎一样,证明聚丙烯酸已被完全除去,得到的膜是单一组分的壳聚糖膜。这一技术同样可以从二维体系扩展到三维体系。我们在二氧化硅胶体小球表面组装了壳聚糖和聚丙烯酸的层层组装膜,再在戊二醛溶液和碱性缓冲溶液中处理,将壳聚糖组分交联并除去聚丙烯酸组分。最后加入氢氟酸,将二氧化硅模板刻蚀除去,得到单组分的壳聚糖空心微胶囊。国际同行评价我们这一工作是合成单组分层层组装膜和微胶囊第一个成功的范例(thefirstsuccessfulattempttosynthesizecationicsinglecomponentLbLhydrogelfilmsandcapsules)。单组分的壳聚糖空心微胶囊还具有明显的pH响应性。当体系pH值从3.5逐步升高至5.7时,微胶囊粒径逐步降低。这是由于随着pH值的降低,壳聚糖上氨基的离子化程度逐渐降低的结果。pH值高于5.7后微胶囊粒径不再随pH变化而变化。但微胶囊的pH响应性受交联度的影响很大,如图4B所示。对于高交联度的微胶囊,其粒径几乎不受pH值的影响。2fabra-perot条纹氢键是最重要的一种分子间相互作用,氢键层层自组装是对经典的静电自组装技术的一个重要补充。1997年清华大学张希课题组以及MIT的Rubner课题组同时提出了基于氢键的层层自组装技术。聚乙烯基吡喏烷酮与聚丙烯酸之间存在强烈的氢键相互作用,它们通过氢键形成的高分子复合物已得到广泛深入的研究。以氢键为主要驱动力可组装得到聚乙烯基吡喏烷酮/聚丙烯酸多层自组装膜。可以说,聚乙烯基吡喏烷酮/聚丙烯酸膜是最典型的氢键层层自组装膜。在研究这些膜的时候,我们首次观察到了一种特殊的光学现象:Fabry-Perot干涉条纹。如图5A所示,膜的紫外-可见光谱上,我们观察到了一系列波纹。这是由于光线在膜的两个界面反复反射,形成一系列的反射光和透射光。这些光束具有相干性,在一定条件下互相增强或减弱而形成的。相邻两个峰的位置可由下式描述:这里λp和λp+1是相邻的两个峰的波长,θ是膜的厚度,ne是膜的折光指数。因此,Fabry-Perot干涉条纹提供了组装膜的膜厚等重要信息。利用这一特殊的光学现象可对膜的组装过程进行深入研究。我们发现,用上述公式计算得到的膜厚与相应的组装层数呈很好的线性关系,显示在此阶段膜的组装是以线性增长的模式进行的。所用高分子的分子量和组装液的浓度对膜厚都有显著影响,一般而言,分子量越大,膜厚越大,组装液的浓度越高,得到的膜也越厚。与此相反,在静电层层组装中,通常高分子的分子量和组装液的浓度对膜厚的影响都非常小。Fabry-Perot干涉条纹还是一个研究组装膜中高分子链重排的简单而有效工具。我们发现,聚乙烯基吡喏烷酮-碘复合物(PVPON-I)与聚丙烯酸组装的膜可直接观察到Fabry-Perot条纹,而相同分子量的聚乙烯基吡喏烷酮与聚丙烯酸组装的膜则不出现Fabry-Perot条纹。但是通过延长水洗时间或在组装后在水中进行浸泡处理,就可以观察到Fabry-Perot条纹。据此,我们提出膜的组装过程实际上可分解为高分子链的吸附及高分子链的重排两个步骤,如图5B所示。高分子链的吸附是一个较快的过程,因此在此过程中会形成很多的缺陷,导致膜的结构不均匀,且表面比较粗糙,因此膜的透光性不好,不出现Fabry-Perot条纹。但是如果延长水洗时间或在组装后在水中进行浸泡处理,使高分子链得以重排,膜中的缺陷将消除,膜的结构更均匀,且表面更光滑,因此膜的透光性提高,出现Fabry-Perot条纹。利用Fabry-Perot条纹我们还研究了氢键组装膜在水中的长期稳定性。我们发现,在去离子水甚至10-3mol·L-1HCl中,聚乙烯基吡喏烷酮/聚丙烯酸膜的厚度都随着时间延长而逐渐减小。膜的刻蚀速度随pH值降低而降低,随所用高分子分子量的增大而减小。我们认为这是组装膜在水中逐步解离的结果,如图5C所示。综上所述,氢键组装的聚乙烯基吡喏烷酮/聚丙烯酸膜的性质与常见的聚电解质多层膜有很大的差异,产生这些差异的根本原因在于作为驱动力的氢键键能较小且具有可逆性。在介绍氢键层层自组装的一篇综述中,我们这一工作被反复引述达5次之多。在实际应用中高分子自组装膜可能遇到各种不同的环境条件,这些环境条件包括不同的温度、pH值以及不同的离子强度等。Sukhishvili和Granick曾对氢键组装膜在不同pH条件下的稳定性进行了详细研究,发现它们能在某临界pH值以上迅速解离。前文也提到,pH值也影响氢键组装膜在水中的逐步解离的速度。另一个可能影响高分子组装膜的重要环境因素是离子强度。Dubas和Schlenoff曾对无机盐对静电层层组装膜的影响进行了详细研究。他们发现,在浓的NaCl溶液中浸泡可使由强聚电解质组装的膜溶胀,表面更平坦,而由强的阳离子聚电解质和弱的阴离子聚电解质组装的膜则会迅速解离。Kovacevic等也报道聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和聚丙烯酸的组装膜在高离子强度下迅速完全脱附。可以看到,无机盐主要通过对电荷的屏蔽作用影响静电层层组装膜的性质,而且只在高的离子强度下这一作用才能得以体现。有关无机盐或离子强度对氢键组装膜的影响的研究还不多见。Sukhishvili和Granick曾报道加入NaCl可提高氢键组装的聚氧化乙烯/聚甲基丙烯酸膜的临界解离pH值,但同一课题组随后又报道在0.5mol·L-1NaCl存在条件下,聚乙烯基吡喏烷酮/聚甲基丙烯酸膜的临界解离pH值降低。为此,我们以Fabry-Perot干涉条纹为工具,详细研究了无机盐对聚乙烯基吡喏烷酮/聚丙烯酸氢键组装膜的影响。我们发现,在浓度仅0.002mol·L-1的NaCl溶液中短暂处理就会使聚乙烯基吡喏烷酮/聚丙烯酸膜的吸光度明显增加,如图6A所示,表明膜中形成了缺陷,但FabryPerot条纹中各峰的位置基本不变,显示膜的厚度不变。在0.001mol·L-1HCl中浸泡缺陷可完全修复,膜的紫外可见光谱几乎完全恢复。处理液中盐的浓度越高,pH值越高,产生的缺陷就越多,对光谱的影响就越强烈。我们认为,膜中缺陷的生成是由于盐的加入增大了聚丙烯酸的解离度,并进一步使膜中发生微相分离的结果。无机盐的存在还大大增加了膜在水中的解离速度。在0.01mol·L-1的NaCl溶液中处理2min,膜厚就降低至原来的67%。显然聚丙烯酸解离度微弱的增加不能解释大大增加的膜的解离速度。通过SEM研究我们发现,在浸泡过程中膜的形貌发生很大变化,原本光滑的膜表面出现了很多孔洞,如图6B所示,显示组装膜出现了去浸润的现象(dewetting)。孔洞的出现增加了膜的表面积,因此膜的解离速度大大增快。加入较大浓度的盐可使聚乙烯基吡喏烷酮/聚丙烯酸膜迅速解离,利用这一特性我们可以设计盐触发的药物或染料释放体系,附载在膜中的模型药物可通过加入较大浓度的盐得以迅速释放。与在NaCl溶液中的情形正好相反,在AgNO3溶液中聚乙烯基吡喏烷酮/聚丙烯酸氢键自组装膜的稳定性不但不降低,相反还得到显著提高,因此这一氢键组装膜无需交联即可直接用于Ag+的附载,并进一步作为微反应器用于银纳米颗粒的制备。由于量子效应以及大的比表面积,金属纳米颗粒具有许多独特的性质。层层组装膜作为制备纳米颗粒的微反应器可控制纳米颗粒的生长。更重要的是,由于层层组装膜可制作成不同的形态,通过在层层组装膜中原位生成金属纳米颗粒的方法,可以方便地将纳米颗粒“加工”成技术上有用的形态。静电组装膜和氢键组装膜都可作为微反应器用于纳米颗粒的制备。相比而言,氢键组装膜可提供更多的结合位点用于金属离子的附载。然而金属离子的附载将破坏膜中的氢键,导致膜的解离,因此需要先对膜进行交联以提高膜的稳定性。我们的发现则表明,未经交联处理的聚乙烯基吡喏烷酮/聚丙烯酸氢键组装膜在AgNO3溶液中很稳定,可直接用于Ag+的附载。在Ag+的附载过程中体系的pH逐渐降低,显示Ag+是通过离子交换的机理进行附载的,即Ag+取代羧酸中的氢并与羧酸根结合,同时被取代的氢离子释放出来,使体系pH值降低。红外研究也显示,随着Ag+的附载,位于1725cm-1处羧酸的吸收逐渐降低,而在1543和1395cm-1处则出现了羧酸负离子的吸收峰,同样证明了离子交换的机理。从膜的Fabry-Perot条纹的位置可计算附载Ag+前后膜厚度的变化。计算表明,经过附载过程膜的厚度不但没有减小,反而略有增加,显示在附载过程中没有发生膜的解离。我们也研究了附载了Ag+的膜在去离子水中的长期稳定性,发现经过18h的浸泡,膜的厚度仅降为原来的91%。而未附载Ag+的膜则降至原来的35%,可见膜的长期稳定性也在附载Ag+之后得到很大的提高。为了研究膜稳定性提高的原因,我们分别使用红外和XPS(X射线光电子能谱)研究了膜中物质之间的相互作用。结果表明,在Ag+存在条件下,聚乙烯基吡喏烷酮中羰基的红外吸收峰可从约1680cm-1移动至1639cm-1,显示两者之间存在强烈的相互作用。XPS研究也显示,在聚乙烯基吡喏烷酮存在条件下,Ag3d5/2峰发生较明显移动。这些结果都表明,Ag+和聚乙烯基吡喏烷酮的羰基之间生成了配位键。因此,组装膜稳定性的提高是由于Ag+一方面通过静电相互作用与聚丙烯酸相结合,另一方面又通过配位作用与聚乙烯基吡喏烷酮相结合。Ag+就像“胶水”一样将膜中的聚乙烯基吡喏烷酮和聚丙烯酸粘合在一起,如图7A所示。由于Ag+与聚丙烯酸之间的离子键和Ag+与聚乙烯基吡喏烷酮之间的配位键都比氢键强,因此组装膜的稳定性不但不降低,反而有较大的提高。膜中Ag+附载量随pH值升高而增加,因此可通过调节pH值调节Ag+的附载量。此外,附载在膜中的Ag+还能通过在pH为3.0的稀酸溶液中处理而完全卸载,而且可以反复地进行Ag+的附载和卸载。附载在膜中的Ag+可在紫外光照下还原生成银纳米颗粒。生成的银颗粒呈球形,直径约10nm,如图7B所示。其它的氢键组装体系也表现出了类似的性质,即具有pH响应性以及在适当条件下逐步解离的特性。例如我们同样可以将羟丙基纤维素(HPC)和聚丙烯酸通过氢键作用层层组装为膜和微胶囊,如图8A所示。同样以二氧化硅小球为模板,先进行HPC和PAA的层层组装,再用氢氟酸除去二氧化硅模板,即可得空心的HPC/PAA微胶囊。红外研究发现,HPC/PAA微胶囊中PAA羰基的吸收峰从1713cm-1移动到1723cm-1,羟基吸收峰则从3138cm-1移动到3442cm-1,显示两个高分子间存在较强的氢键作用。HPC/PAA微胶囊显示明显的pH响应性。当体系pH值在约2.0至3.0变化时,微胶囊粒径维持不变,pH值高于3.0后,微胶囊粒径迅速增大,同时散射光强迅速降低,显示由于PAA中羧酸的解离,微胶囊发生溶胀,因此粒径增大。继续监测微胶囊粒径随时间的变化发现,当pH<2.7时,微胶囊粒径不随时间变化,pH>3.3时,微胶囊粒径迅速膨胀,并在数天内完全解离。当2.7<pH<3.3时,微胶囊粒径先随时间逐渐增大,并在3天后达到平衡。考虑到HPC/PAA微胶囊粒径仅数百纳米,如此慢的溶胀速度似乎是不可思议的。我们认为HPC较为刚性的结构可能是其响应慢的原因之一,更重要的是HPC具有温度敏感性,其临界最低溶解温度约为41℃。当与PAA结合后,其临界最低溶解温度可降至约16℃。因此在室温下,HPC链处于脱水和收缩的状态,这可能是HPC/PAA响应慢的主要原因。同时我们发现体系的散射光强随时间持续降低,这表明即使其粒径维持不变,微胶囊膜在水中也能逐步解离,就象前述的PVPON/PAA氢键组装膜一样,如图8B所示。加入NaCl可显著提高微胶囊的稳定性,当加入0.25mol·L-1的NaCl时,仍可观察到微胶囊的溶胀,但达到溶胀平衡的时间延长至约1个星期。加入0.5mol·L-1以上的NaCl时,微胶囊的溶胀被完全抑制,其粒径不再随时间变化。盐的稳定作用可归因于其对电荷的屏蔽效应。虽然高浓度NaCl可提高微胶囊的稳定性,其散射光强仍随时间下降,显示微胶囊仍能逐步解离。HPC/PAA微胶囊可通过加入EDC使其共价交联而最终稳定化。通过控制EDC的浓度可控制微胶囊的交联度,且交联的微胶囊仍表现良好的pH响应性。我们还利用可逆的共价键-苯硼酸酯键-作为驱动力进行了层层组装。苯硼酸与1,2-二醇或1,3-二醇反应生成苯硼酸酯键。利用苯硼酸酯键为驱动力也能进行共价键的层层组装。通常进行共价键自组装的目的是提高膜的稳定性。如前文介绍的,我们以共价键组装的硝基重氮树脂/间甲酚醛树脂空心微胶囊就具有非常好的稳定性,在强极性溶剂等极端环境中仍能保持稳定。这里的设计则正好相反,我们拟利用苯硼酸酯键的可逆性实现膜在一定条件下的解离。我们用来进行组装的高分子是丙烯酰胺与3-丙烯酰胺基苯硼酸的共聚物P(AAm-AAPBA)及聚乙烯醇。聚乙烯醇含有1,3-二醇结构,其与P(AAm-AAPBA)中的苯硼酸基团作用生成苯硼酸酯键的反应如图9A所示。事实上,对于聚乙烯醇与含苯硼酸基团的高分子通过生成苯硼酸酯键形成的高分子复合物很早就有作者进行了研究。为了将两个高分子在基片上组装起来,我们首先对基片进行改性,将苯硼酸基团修饰到基片表面,然后将基片轮流在聚乙烯醇和P(AAm-AAPBA)的溶液中浸泡,进行层层组装。用紫外-可见光谱检测膜的组装过程发现,膜的吸光度随组装层数线性增加,表明每层的吸附量几乎相同。为了证明聚乙烯醇和P(AAm-AAPBA)确实是通过形成苯硼酸酯键进行组装的,我们在聚乙烯醇的溶液中加入果糖。果糖具有邻二醇的结构,也可与苯硼酸基团形成苯硼酸酯,且有较大的结合常数。在组装过程中由于果糖与聚乙烯醇竞争苯硼酸结合位点,导致每层的组装量降低。这一结果证明聚乙烯醇和P(AAm-AAPBA)确实是通过形成苯硼酸酯键进行组装的。从组装膜的红外光谱我们可以得到更直接的证据,我们发现在1730cm-1处出现了一个新的吸收峰。根据Brewer等的研究结果,这是苯硼酸酯键在红外上的指示峰。Brewer等认为该峰是两个振动模式叠加的结果,其一可能是B—O位于1341cm-1的伸缩振动,另一个则是苯硼酸或聚乙烯醇在390cm-1的振动。在pH7.5~9.0的范围内,膜的组装速度随pH值提高而减慢。加入NaCl提高组装液的离子强度,可加快膜的组装速度。如同预期,由于膜中的两个高分子以可逆的共价键相结合,组装膜在水溶液中可逐渐解离,如图9B所示。在不同pH值的缓冲溶液中进行解离实验,结果表明膜的解离速度随pH值升高而加快。pH值的变化对膜的解离速度的影响体现在两个方面。一方面提高pH值有利于两个高分子间形成更多的苯硼酸酯键,这将使膜解离的速度下降。但另一方面pH值升高也促进了苯硼酸基团的解离,使膜中生成更多的负电荷。由于负电荷之间互相排斥作用的增强,膜的解离速度提高。实验结果表明,pH值第二方面的作用更为显著。由于高离子强度可以屏蔽电荷间的相互排斥,并使高分子的溶解度下降,加入NaCl可使膜的解离速度降低。更重要的是,膜的解离速度随体系中葡萄糖浓度的提高而加快,如图9B所示。这是因为一方面葡萄糖可与膜中的苯硼酸基团结合生成带负电荷的苯硼酸酯,增加高分子之间的电荷排斥作用。另一方面,葡萄糖可与聚乙烯醇竞争苯硼酸结合位点,导致膜的交联度降低。这两方面的作用均导致膜的解离速度增大。这样的葡萄糖敏感膜有望用于可自我调控的胰岛素可控释放。在这些实验研究的基础上,我们最近提出了动态层层自组装膜(dynamicLBLfilms)的概念。所谓动态键(dynamicbond)是指可在接近平衡的条件下可逆地生成或断裂的化学键。动态键包括共价键和非共价键。动态的共价键是在接近平衡的条件下可逆地生成或断裂并且不伴随不可逆的副反应的共价键。非共价的动态键则包括氢键、疏水缔合等分子间相互作用。将动态键引入聚合物中可设计出新型的具有动态结构和性能的聚合物,即动态高分子(dynamers或dynamicpolymers)[49~51],类似地,以动态键为驱动力的层层自组装膜可称为动态层层自组装膜。前述的以氢键和苯硼酸酯键为驱动力组装得到的各种膜均属此类。这样的组装膜和动态高分子一样,也具有特殊的动态结构和性质。例如这些膜都能在水溶液中逐步解离等。动态组装膜的这些独特性质将使其在很多方面得到应用。3pnipam-aapba的背景和过程层层自组装膜的一个重要用途是作为药物控释载体用于药物控释。许多医学装置,如心脏支架等,需从其表面小范围释放生物活性成分,以获得相应的治疗效果。在这方面层层自组装技术具有许多独特的优势。首先层层组装可以在任意形状、任意尺寸的基质表面进行,包括在不规则形状的医学装置表面进行;其次通过改变组装层数我们可方便地控制生物活性成分的附载量。除了作为药物释放载体,层层自组装膜还能同时起到对医学装置进行表面修饰的作用,增加医学装置的生物相容性和血液相容性。目前已有许多层层组装膜被用于药物控制释放。这些研究可分为两类:在第一类中,药物被包埋在空心的层层组装微胶囊中。这里层层组装膜起到扩散隔膜的作用,可通过改变膜的层数、离子强度、pH值或温度等调节膜的可渗透性从而控制药物释放速度;在第二类研究中,药物被附载在二维的组装膜中。药物释放一般通过被动扩散而实现,也可通过膜组分分子的降解而得以释放。对于以被动扩散进行药物释放的体系,可利用组装膜的环境刺激响应性实现药物的控制释放。为了实现这一点,我们将PVPON/PAA氢键组装膜进行交联和改性,不仅可使膜稳定化,还可使膜具备多种刺激响应性。我们对PVPON/PAA膜进行改性的方法非常简单,就是将膜在含EDC、异丙基胺、3-氨基苯硼酸及乙二胺的混合溶液中进行处理。在EDC催化下,膜中的PAA与异丙基胺、3-氨基苯硼酸及乙二胺反应,最终产物为乙二胺交联的P(NIPAM-AAPBA)。PNIPAM的引入使膜具有温敏性。当温度低于20℃时,膜的溶胀度急剧增大。一些研究者曾以静电组装或氢键组装的方法将PNIPAM与另一高分子组装成膜,试图得到具有温敏性的层层组装膜[55~57]。然而得到的膜均只具有相当有限的温敏性,而且它们对温度的响应是不可逆的或仅是部分可逆的。原因在于由于与第二组分的结合,膜中的PNIPAM链在空间上受到很大的限制。这里PNIPAM与PVPON之间没有强烈的相互作用,因此膜能表现出较好的温敏性。苯硼酸基团的引入则使膜具备了pH敏感性和葡萄糖敏感性。由于苯硼酸是pKa约为8.6的弱酸,当pH高于9.0后,膜的溶胀度明显提高。由于葡萄糖能与苯硼酸结合,将更多的苯硼酸基团由中性的、疏水的形式转化为带负电荷的、亲水的形式,因此膜的溶胀度随体系中葡萄糖浓度的提高而提高。接着我们以茜素红为模型药物研究了药物在膜上的附载和释放。茜素红是含有1,2-二醇结构的染料,可与苯硼酸结合形成苯硼酸酯。茜素红的附载量随茜素红浓度提高而提高。不论附载液浓度高低,茜素红均在约500min达到最大负载量。茜素红在溶液中的最大吸收峰在约515nm处,而附载在膜中的茜素红最大吸收峰移至467nm,表明膜中的茜素红大部分以与苯硼酸结合的形式存在。分别在含不同浓度葡萄糖的pH8.5缓冲溶液中进行茜素红的释放实验,结果表明,茜素红的释放速度随葡萄糖浓度提高而提高。葡萄糖导致膜溶胀度的提高可能是茜素红释放速度提高的主要原因。这样的具有葡萄糖敏感性的组装膜有望用于可自我调控的胰岛素的可控释放。如前所述,动态层层组装膜的一个重要特点是在水中可逐渐解离。例如以可逆苯硼酸酯键为驱动力组装的层层组装膜在水中可逐渐解离,并且解离速度随葡萄糖浓度提高而提高,据此我们设计了一种新的可自我调控的胰岛素可控释放体系。为了便于检测,我们将胰岛素用荧光素进行标记,然后在EDC催化下将胰岛素连接到聚乙烯醇上,得到荧光标记的胰岛素-聚乙烯醇缀合物。同样我们先将基片进行表面修饰,将苯硼酸基团引入。然后将基片交替浸泡在胰岛素-聚乙烯醇缀合物insulin–PVA和P(AAm-AAPBA)溶液中进行组装。用紫外可见光谱检测膜的组装过程,发现膜厚的增加仍呈线性增长。膜的增长速度仍随pH值增大而减小,随离子强度升高而增大。用荧光光谱检测膜的组装过程,同样发现膜的荧光随组装层数的增加线性增强,显示胰岛素被成功地组装到了膜中。相反,将基片在荧光标记的胰岛素与聚乙烯醇的混和溶液和P(AAm-AAPBA)溶液中交替浸泡,膜的荧光并不随组装层数增加规律地增强,显示在这种情况下,胰岛素并不能成功地组装到膜中。由于组装膜是以可逆的苯硼酸酯键进行组装的,如图10A所示,当组装膜浸泡在水中时,随着膜的逐步解离,胰岛素被释放到水溶液中,导致溶液荧光强度增加。胰岛素的释放速度随pH值提高而提高,随离子强度升高而降低,这与pH值和离子强度对类似膜解离的影响规律一致。在pH为8.5的缓冲溶液中,胰岛素释放速度随葡萄糖浓度提高而提高。如前所述,葡萄糖可与膜中的苯硼酸基团结合生成带负电荷的苯硼酸酯,增加高分子之间的电荷排斥作用,又可与聚乙烯醇竞争苯硼酸结合位点,导致膜的交联度降低,因此在葡萄糖存在条件下,膜的解离速度增大,进而导致胰岛素释放速度提高,如图10B所示。但是在生理离子强度下,胰岛素释放速度并不随葡萄糖浓度提高而提高。这是因为我们所用的苯硼酸的pKa约为8.6,因此只在较高的pH值下才能与葡萄糖结合。比较两个pH值条件下的结果,可以判断,葡萄糖与苯硼酸基团结合生成带负电荷的苯硼酸酯导致的电荷排斥作用,是组装膜具有葡萄糖敏感性的主要原因,因为这一作用直接受pH值影响。而葡萄糖与聚乙烯醇的竞争反应的平衡常数是苯硼酸分别与葡萄糖和聚乙烯醇的结合常数之商,因此受pH值影响较小。故这一反应不应是组装膜葡萄糖敏感性的主要原因。4膜的热性能及葡萄糖敏感性检测利用动态层层组装膜的刺激响应性可以设计化学/生物传感器。我们最近提出了一种新型光学传感方法,其原理如图11A所示。我们利用层层组装方法制备微米/亚微米级的葡萄糖敏感水凝胶膜,以薄膜自身作为Fabry-Perot谐振腔,以Fabry-Perot干涉条纹的移动指示葡萄糖浓度的变化。由于Fabry-Perot干涉条纹主要取决于组装膜的厚度,当膜的溶胀度随被测物浓度改变而改变时,Fabry-Perot干涉条纹的位置亦将随之移动。因此从Fabry-Perot干涉条纹的移动可以指示被测物浓度的改变。这里我们还是用P(AAm-AAPBA)和聚乙烯醇两种高分子进行基于共价键的层层自组装。我们曾在氢键组装的聚乙烯基吡喏烷酮/聚丙烯酸膜上观察到了Fabry-Perot干涉条纹。P(AAm-AAPBA)/PVA膜厚度合适的时候,我们同样可以在它的反射光谱上观察到Fabry-Perot干涉条纹。根据公式(1)可以从Fabry-Perot条纹的位置计算得到膜的光程OPL:计算表明不同层数膜的光程与层数有很好的线性关系,可见膜是以线性增长的模式进行组装的,这与我们先前用紫外可见光谱得到的结果一致。当把膜浸泡在水中时,我们依然可以观察到清晰的FabryPerot