三元共聚物P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)的制备与膜性能研究*

王 月，李小杰，施冬健，东为富，陈明清

(江南大学 化学与材料工程学院，食品胶体与生物技术教育部重点实验室，江苏 无锡 214122)



三元共聚物P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)的制备与膜性能研究*

王 月，李小杰，施冬健，东为富，陈明清

(江南大学 化学与材料工程学院，食品胶体与生物技术教育部重点实验室，江苏 无锡 214122)

以聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)、甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(DEAEMA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)为共聚单体，采用自由基聚合法合成一系列三元无规共聚物P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA) (PEDM)。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、核磁共振(1H NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)和动态热机械分析仪(DMA)等对无规共聚物的结构及性能进行了表征。采用溶剂挥发法将共聚物制备成膜，接触角测试表明共聚物膜具有一定的pH值响应性；改变溶剂种类还可以调控膜的浸润性及表面形貌，并研究了不同膜表面的细胞粘附行为。

DEAEMA；共聚物膜；pH值响应性；浸润性

0 引 言

20世纪80年代中期问世的响应性聚合物膜材料使得人们能够通过外界刺激来调控膜的各种性能[1-3]。其中，通过外界刺激来调控聚合物膜材料的表面浸润性引起了极大关注，在物质分离[4]、微流控系统[5-6]、生物医学和组织工程[7-9]等领域具有重要的潜在应用价值。这种浸润性的响应主要是由于聚合物膜中含有响应性分子，可以在光、热、电、磁场和pH值等外界刺激下带来膜表面微结构的变化而引起浸润性变化[10-13]；另一方面，对于特定化学组成的聚合物膜，膜表面的粗糙度同样可以改变其表面浸润性，粗糙化会导致固体与液体之间的实际接触面积大于表观面积，使亲水的表面更亲水或疏水表面更疏水[14]。因此，如果将响应性膜材料与合适的表面粗糙度相结合，有望拓宽响应性膜的应用范围。基于此，本文以甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(DEAEMA) 为响应性组分，聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)为亲水柔性组分，甲基丙烯酸甲酯单体(MMA)为疏水刚性组分，通过自由基聚合制备得到三元无规共聚物P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)(PEDM1～6)。对共聚物结构与性能进行表征，并通过溶剂挥发法将共聚物制备成膜。选用力学性能适宜的PEDM4共聚物膜为例，重点研究外界刺激和表面粗糙度变化对膜表面浸润性的影响，从而实现对膜表面浸润性的调控，并在此基础上研究了不同膜表面的细胞粘附行为。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA，Mn=475)，阿拉丁试剂公司，直接使用；甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(DEAEMA)，Aldrich公司，直接使用；甲基丙烯酸甲酯(MMA)，阿拉丁试剂公司，用前经减压蒸馏；偶氮二异丁腈(AIBN)，分析纯，中国上海试剂四厂，无水乙醇中重结晶后使用；1,4-二氧六环(1,4-Dioxane)，分析纯，国药集团化学试剂有限公司，CaH2浸泡过夜减压蒸馏后使用；无水乙醚、正己烷、三氯甲烷(CHCl3)、氢氧化钠(NaOH)、盐酸(HCl)，分析纯，国药集团化学试剂有限公司，直接使用；小鼠胚胎成纤维细胞(NIH/3T3)，上海艾研生物科技有限公司；小牛血清(CS)，青霉素、链霉素和胰酶，美国Gibco公司，直接使用。

傅里叶变换红外光谱(FT-IR)，FTLA2000-104型，加拿大ABB公司；核磁共振(1H NMR)，AVANCE III 400 MHz型，瑞士布鲁克公司；凝胶渗透色谱(GPC)，Waters1515型，美国Waters公司；差示扫描量热仪(DSC)，DSC8000型，美国PE公司；拉伸试验机，英国INSTRON仪器有限公司；流变仪，Discovery DHR-2型，美国TA仪器公司；视频光学接触角测量仪，OCA15EC型，德国德菲仪器股份有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，S-4800型，日立公司；倒置生物显微镜，OLYMPUS CKX41型，日本奥林巴斯株式会社；正置荧光显微镜，Nikon 80i型，日本尼康株式会社；酶标仪，Infinite M200Pro 型，瑞士帝肯公司。

1.2 共聚物的合成

将定量的DEAEMA、MMA和一定比例的PEGMA加入到50 mL的圆底烧瓶中，加入25 mL 1,4-Dioxane和单体总物质的量1.5%的AIBN，通入氮气30 min后密封，65 ℃下搅拌反应12 h，制得三元共聚物P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA) (PEDM1～6) (图1)。以无水乙醚为沉淀剂，经3次溶解、沉淀后除去未参加反应的单体后真空干燥至恒重。

图1 P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)的合成

1.3 共聚物膜的制备与性能表征

将共聚物PEDM4溶解在三氯甲烷中，配成0.1 g/mL的聚合物溶液。将溶液涂在聚四氟乙烯板上，室温下使溶剂挥发成膜后真空干燥，制得厚度约为0.5 mm的共聚物膜。采用相同方法，以三氯甲烷和正己烷-三氯甲烷混合溶液(20∶80体积比)为溶剂分别制备共聚物膜。

2 结果与讨论

2.1 P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)的结构表征

为进一步确定P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)的结构，对其进行了1H NMR表征，结果如图2所示。随着PEGMA含量的增加，共聚物中PEGMA组分的质子峰强度相对变大，而DEAEMA和MMA组分的质子峰强度基本保持不变，表明聚合物按照预期目标成功合成。

2.2 P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)的表征参数

聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)含有较长的柔性链段，设计改变PEGMA的用量以得到更适宜成膜的共聚物。利用共聚物1H NMR图谱中δ3.75～3.47，3.45～3.35和2.80～2.50处质子峰的积分面积，计算PEGMA、DEAEMA与MMA各组分的摩尔比，聚合物各组分含量与理论值基本相符，其结果如表1所示。

图2 PEDM的核磁谱图

Fig 21H NMR spectra of PEDM

PEGMA含量对共聚物的分子量和玻璃化转变温度以及拉伸强度、断裂伸长率的影响如表2所示。PEGMA含量不同的共聚物的数均分子量分布在2.2×104～3.6×104之间。其中，相较于未加入PEGMA时制备的共聚物PEDM1，加入PEGMA后制备得到的共聚物PEDM(2～6)的数均分子量均出现不同程度的增加；而随着PEGMA含量的增加，共聚物的玻璃化转变温度(Tg)逐渐降低。

为进一步探究PEGMA柔性链段的引入对共聚物性能的影响，利用动态热机械分析仪(DMA)对共聚物的粘弹性行为进行测试。图3为不同PEGMA含量共聚物的储能模量(a)，损耗模量(b)和复数粘度(c)与剪切频率的关系曲线。可以看出，不同PEGMA含量共聚物的储能模量G′和损耗模量G″均随着剪切频率的增加而增大，其变化趋势基本保持一致，但随着PEGMA含量的增加，G′和G″均变小；而共聚物的复数粘度均随着剪切速率的增大而减小，表现出明显的剪切变稀特征。这进一步说明，柔性PEGMA链段的加入增强了分子链间的润滑作用，致使储能模量变小，同时分子链在剪切作用下运动变得容易，流动时损耗更少的能量，从而共聚物的损耗模量也相应变小。

表1 不同PEGMA含量P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)的组成

注：aFeed molar ratio;bMolar ratio determined from1H NMR spectra of PEDM;c PEGMA content(%) determined from feed molar ratio;dPEGMA content(%) determined from1H NMR spectra of PEDM

表2 不同PEGMA含量P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)的相关参数

图3 不同PEGMA含量共聚物的储能模量、损耗模量和复数粘度

基于以上研究结果，进一步研究了PEGMA含量对共聚物膜性能的影响。以三氯甲烷为溶剂利用溶剂挥发法制备共聚物膜，膜的力学性能测试结果如表2所示。随着柔性PEGMA含量的增加，共聚物膜的拉伸强度从11.2 MPa降低到3.6 MPa，而断裂伸长率大幅上升，最终增至550%。三元共聚物中PEGMA单元含量约为13%时(PEDM4)，共聚物膜的拉伸强度达到5.4 MPa，而断裂伸长率达到436%。该共聚物膜具有较好的柔韧性和拉伸强度，在后续作为研究重点。

2.3 共聚物膜的pH值响应性

共聚物膜中DEAEMA组分具有pH值响应性，其中的叔胺结构在酸性条件下可质子化，使得DEAEMA组分亲水性增强，从而带来膜表面浸润性的变化[15]。选用三氯甲烷为成膜溶剂的PEDM4共聚物膜裁成样条，分别浸泡在pH值为2，4，6，8，10和12的溶液中。室温下静置10 h后，PEDM4共聚物膜的数码照片如图4所示。

图4 不同pH值条件下PEDM4共聚物膜的数码照片

Fig 4 Digital photos of PEDM4 copolymer films after 10 h incubation at various pH values

在pH值为6～12的水溶液中，聚合物膜的透过性未发生明显变化；但是，在pH值为2和4的水溶液中，共聚物膜出现明显的溶胀现象，其透明性降低，可能是氨基质子化引起共聚物膜中的组分出现相分离。将上述共聚物膜取出并通风干燥后，测定其表面接触角。如图5所示，在pH值为 6～12的水溶液中培养的聚合物膜的接触角稳定在82～84°；而在pH值为2和4的水溶液中培养的聚合物膜的接触角则减小到68和74°，展现了更强的表面亲水性。此外，不同pH值培养后共聚物膜的相分离在干燥过程中保持不变，仍展现出较强的pH值响应性。

图5 不同pH值条件下PEDM4共聚物膜的接触角

2.4 表面粗糙度对共聚物膜的浸润性的影响

利用聚合物的溶解性差异，在成膜过程中选用不同的溶剂会导致所成膜的粗糙度不同。选用以三氯甲烷和正己烷-三氯甲烷混合溶液(20∶80体积比)为溶剂分别制备的PEDM4共聚物膜，对其进行接触角测试，结果如图6所示。

图6 不同溶剂成膜的PEDM4共聚物膜的接触角

Fig 6 Contact angles of PEDM4 copolymer films formed at different conditions

未加正己烷时，膜表面光滑接触角为82.6°；加入20%正己烷后，膜表面的接触角为93.3°，正己烷的加入使膜表面的接触角增大。利用SEM分别对两种膜进行观察，结果如图7所示。

图7 不同溶剂成膜的PEDM4共聚物膜接触角和SEM照片

Fig 7 SEM images of PEDM4 copolymer films formed at different conditions. The inset images show surface water contact angle of copolymer films

从图7明显可以看出，未加入正己烷的膜表面平整光滑，而加入20%正己烷后，膜表面粗糙程度明显增大。这可能是因为三氯甲烷是PEDM4的良溶剂，共聚物以单分子链的形式存在于三氯甲烷中，而正己烷是PEDM4的不良溶剂，随着正己烷的加入，体系出现相分离，所得膜表面的粗糙度也随之增大，使接触角增大。

2.5 细胞粘附实验

为了研究不同膜表面性能对细胞粘附及生长行为的影响，将细胞在两种不同粗糙程度的共聚物膜表面进行培养，并观察细胞的形态和数量[16]。从图8可以看出，两种共聚物膜表面均有较多的细胞存活，表明共聚物具有较低的细胞毒性。但是，图8(b)膜表面的细胞分布明显更为密集，可能是由于膜表面粗糙程度提高，使小鼠胚胎成纤维细胞更易于在膜表面粘附。上述结果表明改变膜表面的粗糙程度可调控细胞的粘附性。

图8 不同溶剂成膜的PEDM-4共聚物膜表面生长的染色NIH/3T3细胞的荧光照片

Fig 8 Fluorescent microscopy images of NIH/3T3 cells on PEDM-4 copolymer films prepared at different conditions

3 结 论

通过自由基共聚得到不同组成的三元无规共聚物聚(聚乙二醇甲基丙烯酸酯-co-甲基丙烯酸二乙氨基乙酯-co-甲基丙烯酸甲酯)，利用溶剂挥发法制备共聚物膜，其拉伸强度随着共聚物中PEGMA含量的增加而降低，断裂伸长率则相应提高。改变pH值可以调控共聚物膜的浸润性，改变成膜溶剂可显著调控膜表面的表面粗糙度。共聚物膜具有较低的细胞毒性，且随着膜表面粗糙度的增加，膜表面的细胞粘附数量增加，有望用于组织工程支架与包装材料等领域。

[1] Okahata Y, Seki T. Functional capsule membranes. 10. pH-sensitive capsule membranes. Reversible permeability control from the dissociative bilayer-coated capsule membrane by an ambient pH change[J]. Journal of American Chemical Society, 1984, 106(26):8065-8070.

[2] Russell T P. Surface-responsive materials[J]. Science, 2002, 297(5583):964-967.

[3] Ying L, Li M, Liu B, et al.Controlled switchable surface[J]. Chemistry (Weinheim an der Bergstrasse, Germany), 2005, 11(9):2622-2631.

[4] Kwak M J, Oh M S, Yoo Y, et al. Series of liquid separation system made of homogeneous copolymer films with controlled surface wettability[J]. Chemistry of Materials, 2015, 27(9): 3441-3449.

[5] Liu Y, Wang X, Fei B, et al. Bioinspired, stimuli-responsive, multifunctional superhydrophobic Surface with directional wetting, adhesion, and transport of water[J]. Advanced Functional Materials, 2015, 31(25):5047-5056.

[6] Liu K, Ma X, Cao M, et al. Bio-inspired humidity responsive switch for directional water droplet delivery[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2015, 30(3):15540-15545.

[7] Abdul B K. Preparation andcharacterization of aspirin-chitosan complex: An attempt for its solubility and stability improvement[J]. Journal of Pharmacy Research, 2010, 6(3):1-6.

[8] Meredith H J,Wilker J J. The interplay of modulus, strength, and ductility in adhesive design using biomimetic polymer chemistry[J]. Advanced Functional Materials, 2015, 25(31):5057-5065.

[9] Chang Y, Shih Y J,Ruaan R C, et al. Preparation of poly(vinylidene fluoride) microfiltration membrane with uniform surface-copolymerized poly(ethylene glycol) methacrylate and improvement of blood compatibility[J]. Journal of Membrane Science, 2008, 309(1-2):165-174.

[10] Zhou Y N, Li J J, Zhang Q, et al. Light-responsive smart surface with controllable wettability and excellent stability[J]. Langmuir, 2014, 30(41):12236-12242.

[11] Dunphy D R, Atanassov P, Bunge S D, et al. Photoregulation of mass transport through a photoresponsive azobenzene-modified nanoporous membrane[J]. Nano Letters, 2004, 4(4):551-554.

[12] Li Y, Liu R, Liu W, et al. Synthesis, self-assembly, and thermosensitive properties of ethyl cellulose-g-P(PEGMA) amphiphilic copolymers[J]. Journal of Polymer Science, 2008, 46(20):6907-6915.

[13] 江 雷，冯 琳．仿生智能纳米界面材料[M]．北京：化学工业出版社,2007．

[14] Sun G, Fang Y. Highadhesive superhydrophobicity and wetting mechanism of locust wing surface[J]. Advanced Materials Research, 2015, 1089(1):190-193.

[15] Che H, Huo M, Peng L, et al. CO2-responsive nanofibrous membranes with switchable oil/water wettability[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2015, 54(31):8934-8938.

[16] Liang Weidong，Shi Yingkang. The research of evaluation the compatibility of biotic material in cell-cultureing method[J].Journal of Biomedical Engineering,1999，16(1)：86-90.

梁卫东，石应康．细胞培养法评价生物材料生物相容性研究进展[J]. 生物医学工程学杂志，1999, 16(1):86-90.

Preparation and film properties of terpolymer P(PEGMA-co-DEAEMA-co-MMA)

WANG Yue，LI Xiaojie，SHI Dongjian，DONG Weifu，CHEN Mingqing

(The Key Laboratory of Food Colloids and Biotechnology, Ministry of Education,School of Chemical and Material Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122,China)

A new type of pH sensitive terpolymers was synthesized by free radical polymerization of polyethylene glycol methacrylate (PEGMA), diethylaminoethyl methacrylate (DEAEMA) and methyl methacrylate (MMA). The obtained poly(polyethylene glycol methacrylate-co-diethylaminoethyl methacrylate-co-methyl methacrylate) (PEDM1-6) were characterized using fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), proton nuclear magnetic resonance (1H NMR), gel permeation chromatography (GPC), and dynamic mechanical analyzer (DMA). Among them, the PEGM4 with adjusted tensile strength and elongation properties was used to prepare polymer film by a solvent evaporation method. The pH sensitivity of the resulting polymer film were investigated by contact angle measurements. In addition, the wettability and surface morphology of the films were found to be controllable by changing the type and amount of the solvents. Moreover, the cell adhesion behavior on varying film surface were also investigated.

DEAEMA; copolymer film; pH-sensitive; wettability

1001-9731(2016)11-11145-06

国家自然科学基金资助项目(51173072)

2015-12-01

2016-04-22 通讯作者：陈明清，E-mail: mqchen@jiangnan.edu.cn

王 月 (1991-)，女，内蒙古呼伦贝尔人，在读硕士，师承陈明清教授，从事功能高分子研究。

TQ317

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.029