两亲梳型嵌段共聚物的合成及其对PAN 膜的改性

郭睿威，崔福员，赵书英，张建华

(天津大学化工学院，天津 300072)

聚丙烯腈具有良好的化学稳定性、不易水解、抗氧化、抗菌能力强等特点，同时成膜性好，因此广泛应用于血液渗析材料、超滤膜等方面[1-3]．但聚丙烯腈膜在应用过程中表面易被蛋白质污染．为了降低膜表面的蛋白质污染，对聚丙烯腈膜进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)作为亲水侧链的两亲共聚物在膜表面改性方面的研究已有很多报道，但大多采用共混合表面接枝改性方法[11-14].相比之下，利用物理吸附对聚合物膜进行表面改性，操作简单，易于控制聚合物的结构，有利于研究聚合物结构与表面改性效果间的构效关系．提高吸附层的表面覆盖率及吸附层厚度可望改善表面改性效果和抵抗污染物的附着．

RAFT 聚合是一种功能强大的自由基活性聚合技术，可合成指定结构、相对分子质量窄分布的规整聚合物，特别是嵌段聚合物，因而受到人们的青睐[15-17]．本课题组前期采用 RAFT 聚合法合成了两亲梳型嵌段共聚物PSt-b-P(A-mPEG)，并采用共混法改性聚醚砜(PES)，使 PES 超滤膜抗牛血清蛋白(BSA)污染的能力明显提高[18]．笔者以咔唑二硫代甲酸苄基酯为RAFT 试剂，由苯乙烯(St)、N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)和丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯(A-mPEG)经 RAFT 活性聚合制备了不同 PEG 侧链长度和侧链数目的两亲性梳型嵌段共聚物 P(St-co-DMAM)-b-PDMAM-b-P(A-mPEG)x，将该系列聚合物通过物理吸附法对聚丙烯腈膜(PAN)进行表面吸附改性，并探讨了聚合物结构对改性聚丙烯腈膜表面亲水性及抗蛋白吸附的影响规律．

1 实验部分

1.1 原 料

聚丙烯腈(PAN，Mz＝41.8×104,g/mol，天津大学科威公司)；苯乙烯(St，分析纯)，减压蒸馏后使用；聚乙二醇单甲醚(mPEG，分析纯，Sigma-Aldrich 化学公司)；丙烯酰氯(ACC，分析纯，山东淄博益新化工有限公司)，减压蒸馏后使用；咔唑二硫代甲酸苄基酯(BCBD)，实验室自制[12]；偶氮二异丁腈(AIBN，化学纯)，无水乙醇中结晶；N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAM，纯度＞99%，北京瑞博龙石油科技发展有限公司)；牛血清白蛋白(BSA，电泳纯＞98%，中国医学科学院血研所科技公司)．

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

参照本课题组已报道方法制备丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯(A-mPEG) 大分子单体[18]．将 10.00,g(0.096,mol) St 和 4.76,g(0.048,mol)DMAM 用30,mL 无水乙醇溶解，置于反应瓶中，加入 1.00,g(3.024,mmol)BCBD 和 99,mg(0.605,mmol)AIBN，将反应体系通氮除氧30,min 后密封，于65,℃的水浴中聚合反应 12,h，冷却至室温，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)．将上述得到的聚合物 20.00,g(5.36,mmol)与6.37,g(0.064,mol) DMAM 溶于 30,mL 无水乙醇中，再加入0.104,g (0.637,mmol)AIBN，65,℃水浴下聚合12,h，冷却至室温，用石油醚反复沉析 3 次，真空干燥，得到第二嵌段共聚物 P(St-co-DMAM)-b-PDMAM(PSDD)．将 10.00,g(1.762,mmol)上述制备的 PSDD 与 12.71,g(11.02,mmol)A-mPEG2溶于30,mL 无水乙醇中，加入0.18,g(1.10,mmol)AIBN，通氮除氧 30,min 后密封，于 65,℃水浴中聚合反应48,h，冷至室温，用石油醚反复沉析3 次，然后用蒸馏水反复萃取 3 次，以除去未反应 A-mPEG．真空干燥得两亲性梳型嵌段聚合物 PSDD-b-P(A-mPEG)x．x代表A-mPEG 链的平均聚合度．

1.3 PAN薄膜的制备

用溶剂蒸发法制备 PAN 薄膜．将一定质量的PAN 溶于溶剂 DMF 中，搅拌下配制成质量分数为8%的均匀溶液，待溶液静置脱泡后，将其铺展在洁净的玻璃板上，流延使其铺展为一均匀薄层，在60,℃下蒸发溶剂，待溶剂蒸发完后，真空干燥，储存待用．

1.4 膜改性

将制备的嵌段梳型聚合物溶于乙醇/水(体积比8∶2)混合溶剂中，将PAN 薄膜在室温下浸入该溶液中一定的时间．取出后用去离子水洗涤薄膜两次，以除去附着的过量聚合物．

1.5 分析与测试

采用 Varian Mercury Vx300 型核磁共振仪，以CDCl3作溶剂、四甲基硅烷(TMS)作内标，测定各物质的1H-NMR 谱图．采用 Agilent 1,100 型 GPC 仪，测定相对分子质量及其分布，THF 作淋洗剂，柱温35,℃，流速 1.00,mL/min．标准聚苯乙烯作校正曲线．聚合物样品质量浓度为 3～5,mg/mL，注样量约为 100,µL．

2 结果讨论

2.1 PSDD-b-P(A-mPEG)x的合成与表征

由3 种不同链长的聚乙二醇单甲醚(mPEG)与丙烯酰氯(ACC)反应制备丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯 AmPEG(见表 1)．反应方程式如图 1 所示，由溴化法测试双键含量均在 90%以上，相对分子质量根据1H-NMR 计算．

以 BCBD 作为 RAFT 试剂，先将 St 与 DMAM无规共聚，合成第一嵌段 P(St-co-DMAM)(简记为PSD)，经分离纯化后再加入第 2 段单体 DMAM，进行嵌段共聚，得到双嵌段共聚物 P(St-co-DMAM)-b-PDMAM(简记为PSDD)．加入PDMAM 段的目的在于降低 PEG 与膜表面间的斥力，以提高表面的覆盖率．两种嵌段聚合物的分析结果列于表 2．由表 2 可知，利用 BCBD 作为 RAFT 试剂合成的聚合物其相对分子质量分布较窄，具有活性聚合特征．

PSDD 经纯化后与 A-mPEG 共聚．根据加入的A-mPEG 相对分子质量及用量的不同，得到不同嵌段长度和不同PEG 侧链长度的嵌段梳型聚合物PSDDb-P(A-mPEG)x(见表 3)，x值根据核磁谱图计算．合成反应方程式如图2 所示．

表1 大分子单体A-mPEG的合成条件及结构Tab.1 Synthesis conditions and results of A-mPEG

图1 丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯的合成Fig.1 Synthesis of A-mPEG

表2 PSD与PSDD嵌段共聚物的相对分子质量分析结果Tab.2 Molecular weight of PSD and PSDD copolymers

表3 样品PSD D-b-P(A-mPEG)x 结构及吸附效果Tab.3 Structure of PSDD-b-P(A-mPEG)x and film modification results

图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

图3给出了聚乙二醇单甲醚mPEG2单体、嵌段共聚物 PSD、嵌段共聚物 PSDD 和两亲梳型嵌段共聚物 PSDD-b-P(A-mPEG)2-4的1H-NMR 谱．图 3 曲线1 中δ＝5.7～6.3 处出现的质子峰为丙烯酸酯双键CH2＝CH—COO—，表明在mPEG 中引入了丙烯酰基基团，且对应质子峰 a、b、c 和链端—CH3氢原子 e的峰面积约为 1 ∶1∶1∶3，表明合成的 A -mPEG 纯度较高．c 与 e 处氢个数比为 32.5∶1，可计算出mPEG2链结数为 2 4．图 3 曲线 2 中δ＝6.4～7.3 处峰对应的是苯乙烯链段苯环上的 H；δ＝2.4～1.4 处的质子峰对应于主链上重复单元—CH2—CH—中的亚甲基和次亚甲基上的 H；δ＝3.0～2.6 的峰为二甲基丙烯酰胺中甲基上的质子氢，可以得出δ＝6.4～7.3处与δ＝3.0～2.6 处氢个数之比为1∶0.71，由此计算PSD 中 S t 与 D MAM 结构单元比例 2 0∶13．图 3 中曲线 3 中δ＝3.0～2.6 两处氢个数比例增至 1 ∶1.2，嵌段 A -mPEG 后，图 3 中曲线 4 在δ＝3.4 处的位移峰为mPEG 链端单甲醚—OCH3中端甲基上的氢引起，δ＝4.0～3.5 处的峰为(CH2－ C H2－ O )p中的亚甲基质子引起的，这是醚键中质子的特征化学位移值，说明已经接枝有PEG．δ＝4.0～3.5 处与δ＝3.0～2.6 处氢个数之比为 3 .4∶1，则产物中 A -mPEG 的聚合度为 4，分析表明，合成的产物与目标 PSDD-b-P(A-mPEG)相一致．

图3 各聚合产物的1H-NMR谱图Fig.3 1H-NMR spectra of products

2.2 PAN膜的表面接触角测试

测量静态接触角是衡量材料表面亲疏水性常用方法之一．首先选取嵌段聚合物中 PEG 相对分子质量为1,100、聚合度为4 的样品2 和PEG 相对分子质量为 2,000、聚合度为 20 的样品 6 配置成浓度为3.0,mg/mL 的溶液，将膜分别吸附不同的时间，考察吸附时间对接触角的影响，其结果见图 4．PAN 原膜的水接触角为 71.92°，随吸附时间的增长，接触角逐渐减小，4,h 后变化不明显，说明随着吸附时间的增加，膜表面上吸附的聚合物量增大，PEG 链段覆盖率增大，使PAN 膜的亲水性增强．但4,h 后吸附达到饱和状态，接触角不再随时间的延长而变化．

图4 吸附改性PAN膜的水接触角随吸附时间的变化Fig.4 Contact angle of PAN membranes with different adsorption time

将各种两亲梳型聚合物配制成浓度3,mg/mL，然后将空白膜浸于该溶液中 4,h，取出用清水冲洗后晾干，测其接触角，实验结果列于表 3 中．比较样品 1、样品 4、样品 6 聚合物可反映 PEG 侧链长度对膜表面亲水改性效果的影响，在 A-mPEG 聚合度相近(约为20)的条件下，PEG 相对分子质量为750 的嵌段物样品 1 处理的膜接触角较高，PEG 相对分子质量分别为1,100 和2,000 的两亲梳型聚合物改性膜的接触角相近且较低．表明 PEG 段侧链长度的增加有利于增加膜的亲水，膜表面吸附的聚合物与水接触时，PEG 链长增大时，链段在溶液中运动面积增加，亲水性增强．但当 PEG 相对分子质量分别大于 1,100(为2,000)时，接触角并未进一步下降，反而略有增大，这表明当PEG 链长达一定程度后，进一步增加链长，对进一步增加亲水性作用不大，反而可能会因亲水链过长，导致聚合物亲水性太强，在膜表面吸附量减少而导致亲水改性效果变差．

通过样品 1、样品 4、样品 6 聚合物的接触角比较表明，PEG 侧链相对分子质量为 1,100 时，改性效果较 PEG 相对分子质量为 750 和 2,000 明显．因此针对 PEG 相对分子质量为 1,100 时，讨论共聚物中A-mPEG 不同聚合度对亲水性的影响．梳型嵌段聚合物样品2、样品 3、样品 4 和样品 5 的侧链 PEG 链长均为 1,100，但 A-mPEG 聚合度不同，分别为 4、10、20、30，对比各自样品改性 PAN 膜的表面亲水性表明，随着PEG 接枝度的增加，膜接触角先降低后略有增加，分别为 58.15°、52.32°、24.83°和 25.64°，表明PEG 聚合度在较小(分别为4、10)时亲水改性效果并不明显，随着 PEG 接枝度的增加，聚合物中亲水段PEG 所占含量逐渐增加，亲水性增加．但当 PEG 含量过多时，聚合度达到 30 时，接触角反而上升，不利于聚合物的表面吸附．

2.3 蛋白质吸附特性

考马斯亮蓝 G-250 与蛋白质通过范德华相互作用可以形成蛋白质-考马斯亮蓝复合物蓝色溶液，引起该染料的最大吸收λmax的位置发生红移，在595,nm 处有最大吸收值．因此，可大大地提高蛋白质的测定灵敏度．通过在 WFZ-26A 紫外-可见分光光度计上测其 595,nm 处的吸光度值，就可以测定蛋白在膜表面的吸附量．首先，以不同浓度牛血清白蛋白在 595,nm 处的吸光度 A 值绘制 A-ρ标准工作曲线(A 为吸光度，ρ为 BSA 浓度)，如图 5 所示，在 0～120,µg/mL 内具有良好的线性关系，其线性回归方程为 A ＝ 0.006,3ρ＋ 0.102,9 ，其 相 关 系 数 为 R2＝0.998,9．利用标准曲线计算聚丙烯腈膜经 3,mg/L 聚合物溶液浸泡 5,h 改性后对 BSA 的吸附量，结果列于表3 和图6．由图6 可知，纯PAN 膜表面蛋白污染严重，其吸附量可达 6.130,µg/cm2；经嵌段聚合物表面吸附改性后，膜表面的蛋白吸附量都有明显降低．比较改性膜的蛋白吸附量与水接触角数据可知，嵌段共聚物吸附处理后膜的蛋白吸附量与其水接触角间具有很好的相关性，接触角降低伴随着蛋白质吸附量的降低，其中以样品4 两亲梳型聚合物改性膜的BSA 吸附量最低，为 0.672,µg/cm2，仅为未改性 PAN膜的11%．

图5 牛血清蛋白浓度与吸光度工作曲线Fig.5 Standard curves of BSA and adsorption

图6 改性膜的蛋白质吸附量值Fig.6 BSA adsorption amount of modification film

3 结 语

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两亲梳型嵌段聚合物，并通过物理吸附法对 PAN 膜进行表面改性，接触角测试结果表明，随嵌段共聚物中 PEG的链长或含量增加，改性膜的亲水性有明显的提高，BSA 蛋白在膜表面的吸附量下降；但更多地引入PEG 则导致聚合物的吸附能力下降，接触角与蛋白吸附量并未进一步改善．在 PEG 相对分子质量为1,100、接枝数为20 时，嵌段共聚物的改性效果最好，接触角由原来的 72.2°降低至 24.8°，蛋白质吸附量为 0.672,µg/cm2，仅为未改性 PAN 膜的 11%．

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