读书笔记-聚乙二醇接枝诱导水凝胶的薄片层-胶束转变

聚乙二醇接枝诱导水凝胶的薄片层-胶束转变首先，我们证实了一个基于层状-胶束转变的水凝胶体积性质的明显改变。这种水凝胶由成千上万个双层聚十二烷基丙三衣康酸盐（PDGI）膜的周期堆积而成，里面是一个稀释的聚丙烯酰胺网络。沿着一个明亮结构色，水凝胶的体积性质表现出强烈的各向异性。通过接枝一个短链聚十二烷基乙醚（C12EO23）高分子类质到双层膜中，在一个窄的C12EO23浓度变化范围内，我们能观察到明亮颜色的结构发生形状改变，如水凝胶的胀大及各种模量的变化。这些改变归咎于单筹的薄层相到PDGI的多域胶束相的结构转变，而这种结构转变是由聚乙二醇（PEG）的二维接枝的排除体积效应诱导而导致的。通过控制在结构转变期间形成的水渗透纳米通道，我们可以证实一个具体分子的扩散和识别。这种薄片双层水凝胶会是一个新的视野进入到脂质双分子层体系中，进而通过水凝胶的体积行为研究生物膜的性质。前沿脂质体主要由磷脂组成，例如磷脂酰胆碱,它基于双层磷脂的自组装在纳米尺度下形成了大量的单薄层囊泡【】。空间稳定的脂质由于它们在血液中的长循环次数而广泛被研究作为药物的传输系统。空间的稳定性由脂质双层成分，例如胆固醇，以及双亲分子PEG共价结合到脂质来完成的。PEG是一种惰性的水溶性高分子，它已经广泛应用于静脉注射脂质体药物载体；因为它能适应不同的构象并且通过接枝到双层膜表面调控结构来控制膜的性能。例如，在脂质体双层表面接枝PEG引起空间的相互作用而使脂双分子层稳定而抵制蛋白质及细胞膜的靠近，并因此增加脂质体对渗漏和降解的抵抗能力。PEG接枝到双分子层表面的许多尝试已经研究了双分子膜的结构和性能。然而，目前的大部分这些研究仅限于纳米尺度，这是因为脂质双层膜在大尺度下不稳定。最近，我们成功地在一个柔软的稀释高分子网络水凝胶体系中制备了稳定的具有宏观大尺寸的薄片状双分子层结构。这种类似薄板的薄片层，成千上万个双分子层膜堆积在一个单域内，是由一个类脂质的高分子表面活性剂—聚十二烷基丙三衣康酸盐（PDGI）的自组装形成的。在少量化学交联剂存在下，通过DGI和丙烯酰胺（AAm）的逐步聚合反应，PDGI稳定地嵌入到化学交联的聚丙烯酰胺网络中，形成一个分层复合水凝胶，并命名为PDGI-PAAm（图1a）。PDGI双层分子的厚度为4.7nm，邻近PDGI双分子膜的中心距离d为150—300nm，这取决于DGI的浓度以及PAAm网络的溶胀度。在室温下，单个PDGI双层膜是刚性的，其模量大约为几个MPa，同时PAAm基底是柔软的，其模量为几个KPa。由于可见光在在周期片状膜上的Bragg衍射作用，PDGI-PAAm片状水凝胶在不同的波长段先呈现出可见光的颜色。这种片层膜对于水和亲水性分子物质非常重要。由于片层双层膜的整体单轴取向，则能渗透水的PAAm网络在垂直于双层膜的方向上可以自由地溶胀。然而，PAAm分子层的溶胀完全受到刚性不渗透水的PDGI分子层的约束。结果导致这种水凝胶在它的体积性能中表现出强烈的各向异性：表现出在垂直于薄片双分子层方向上的一维溶胀，而双分子层方向上的溶胀完全受限。这种水凝胶沿着薄片层方向上的模量是垂直于膜方向的10倍还高。在这篇文章中，我们试着研究包埋在水凝胶网络的片层双分子结构是如何与带有庞大疏水基官能团的另外两性分子的扰动一起发生改变的。并试着研究这种水凝胶的体积性能的改变是如何随着这种双分子层的可能的结构改变而变化的。为了这个目的，我们使用了一种含有23个氧乙烯单元（C12EO23）的聚（乙二醇）十二烷基醚短链的高分子。烷基修饰的聚乙二醇（简称PEG）链通过疏水缔合作用能够接枝到双分子层膜上。这种PDGI-PAAm水凝胶的性质，比如结构色、溶胀、模量，在一个窄的PEG接枝浓度下发生极大的改变，表现出从双分子层状向胶束相的结构转变。这种在水凝胶的双层膜中的结构转变导致了纳米通道的形成。通过在双层膜上接枝PEG形成的纳米通道表明了这种水凝胶作为一种特殊药物分子的控制释放所需要的药物传输系统的潜在应用。在脂质基底的药物传输体系中，这种片层双分子层水凝胶体系是一个理想的模型来研究脂质体系。以我们掌握的最好知识，这是首次工作将纳米片层薄膜性能，薄片层-胶束转变，与水凝胶的体积行为联系起来。2实验部分2.1PDGI-PAAm胶的制备透明的PDGI-PAAm胶，它表现出黄绿色（在60度Bragg衍射角下，衍射的最大波长为550±5nm下测得），被用来PEG接枝研究。这种水凝胶由0.1M十二烷基衣康酸盐（DGI：n-C12H25OCH2C(=CH2)COOCH2CH(OH)CH2OH)）、含有0.025mol%十二烷基硫酸钠（SDS）的DGI、2M丙烯酰胺（AAm）、2mMN,N’-亚甲基双（丙烯酰胺）（MBAA）作为AAM的交联剂、2mMIrgacur作为引发剂组成的水溶液下发生同步自由基聚合制备。简单来说，前驱体溶液是在55℃水浴中反应大约4小时，直到自组装的DGI的稳定微域层状双分子的达到平衡构象时制得。聚合前，通过将剪切流应用于前驱体溶液中，双分子层微域在宏观尺度下的一个方向上是对称的。为此，在两个玻璃板之间的夹层硅橡胶中制得片状聚合物细胞。接着，前驱体溶液以5cms-1的高的流动速度，大约为200s-1强剪切率下注射到聚合物细胞中。由于在两个平行板之间的强剪切流，成千上万个双层分子（cm级）在平行于基底表面方向上对称的排布。当浸泡在水里后，胶达到溶胀平衡后胶的厚度会增加2.4cm。在注射和聚合反应阶段要维持50-55℃以阻止DGI-薄片层相的分离。在没有DGI和SDS条件下，PAAm胶的制备也是相似的。2.2PEG接枝双分子层的接枝可以简单执行：通过将水膨胀的PDGI-PAAm胶沉浸在双亲分子短链高分子类脂（含有23个氧乙烯（C12EO23）单元的聚（乙二醇）十二烷基乙醚）水溶液中，在不同浓度下沉浸2—3周时间直到溶胀平衡状态。为了缩短PEG链段接枝到水凝胶片层膜的平衡时间，我们把水凝胶切成小片（～4×1×0.12cm3）。C12EO23（即PEG）的浓度，用摩尔比nC12EO23/nDGI表示，这里的nC12EO23和nDGI投料中的摩尔数量。2.3反射光谱氙灯作为光源获得反射光谱。具有可变换角度的反射测量光学仪（HamamatsuPhotonicsKK,C10027A10687）检测反射的亮度。光子多道分析仪（HamamatsuPhotonicsKK,C10027）用来分析检测到的信号。通过保持入射角（Bragg′s角）和反射角都为60°获得整个反射谱图，并且可从反射谱图中得到最大的波长λmax。两个片状双分子层的距离d可以用Bragg的衍射定理（2ndsinθ=λ，水的折射率n=1.33）求得.θ是Bragg角或者是入射角，λ为反射谱图中的最大波长。2.4溶胀系数的测定正如前面报道的，PDGI-PAAm水凝胶的双分子层结构的面内结构是各项同性的。平行于双层膜方向的凝胶的溶胀率（L1/L0，L2/L1）可通过测量片状胶的长度（L）获得。垂直于双层膜方向的溶胀率（T1/T0,T2/T1）可通过测量凝胶的厚度（T）获得。这里下标的0,1,2分别代表的是初始状态值，纯水中达到平衡的值以及在C12EO23溶液中达到平衡的值。胶在不同的膨胀状态下的长度由游标卡尺测得，而厚度由抗拉-抗压试验机(TensilonRTC-1310A,OrientecCo）测得。2.5力学试验及模量测试用一个凝胶铣刀把凝胶切成标准尺寸（JIS-6251-7）的哑铃状，沿着平行于双层膜方向上用一个商业测试仪器（TensilonRTC-1310A,OrientecCo）完成凝胶的拉伸应力-应变测试。伸长速率为200mmmin-1。平行于双层膜方向的弹性模量定义为E=Δσ／Δε，可以通过应力应变曲线中初始线性弹性变化部分（初始凝胶样品长度拉伸了10%）的斜率测得。这里的σ为正应力，定义为单位初始凝胶样品横截面受到的力；ε为应变，定义为ε=（l-l0）/l0，这里l0凝胶初始长度，l为拉伸过程的长度值。2.6偏振光学显微镜（POM）观察在室温下，通过POM（NikonEclipseLV100POL）在交叉尼科尔偏光镜下可以观察到凝胶结构的各向异性。这种凝胶也可以在平行偏振器下观察。从横截面（侧面）观察放在玻璃基底上的片状凝胶。3结果与讨论图2a是片状水凝胶在聚（乙二醇）十二烷基醚溶液中沉浸前后的照片。在低的PEG浓度下（nPEG/nDGI=1/40）下凝胶的颜色基本没变化。相比之下，在高的PEG浓度（1/17，1/5）下凝胶的颜色向蓝紫色转变。图2b为凝胶在不同摩尔分数的PEG溶液中溶胀相对应的反射谱图。在高浓度的PEG溶液下中等强度的波峰的存在表明了即使接枝了PEG凝胶的周期有序的片层结构保留了下来。在高的PEG浓度中，用偏振光学显微镜的交叉偏光镜下观察片状凝胶的横截面，观察到的双折射现象也证实了这一点（图2c）。当样品沿着偏振片方向放置得到的是完全黑的图像（图2c，左边），而当样品45°放置时得到明亮的图片（图2c，右边）。这表明凝胶即使沉浸在高浓度的PEG溶液中，但是凝胶的双层分子仍然保持了单轴取向结构，与透明的PDGI-PAAm凝胶相似。值得一提的是PEG接枝后的凝胶的各向异性减弱了，如接枝PEG凝胶双折射（Δn=0.4×10-4）比透明的PDGI-PAAm凝胶折射率（Δn=1.6×10-4）更弱。