基于聚N-乙烯基吡咯烷酮的两亲性嵌段共聚物*

张禄练，杨龙花，宝利军，彭小琼，谢广帆，毕韵梅

(云南师范大学化学 化工学院，云南 昆明 650500)

两亲性嵌段共聚物由疏水嵌段和亲水嵌段组成，结构类型多样(如线形、线形-树枝状、超支化和星形等)[1]，是一类特殊的表面活性剂[2]，在选择性溶剂中能自组装为胶束[3]、纳米球[4]、囊泡[5]等聚合体[6]。组成嵌段和结构不同的两亲性嵌段共聚物因不同的理化性能而被应用于多孔材料[7]、表面修饰[8]、胶束化[9]、药物输送[10]等领域。目前，用于构成两亲性嵌段共聚物的亲水嵌段多为聚乙二醇(PEG)，但是，PEG和含PEG的聚合物正在慢慢显示出许多缺点。例如，PEG修饰的纳米载体倾向于富集在肝脏和脾脏组织，多次静脉注射 PEG 修饰的纳米载体促进血液清除(ABC)，并在体内产生PEG抗体。PEG 的这些缺陷最终影响药物的剂量和治疗效果，甚至产生毒副作用。因此，有必要研究开发 PEG 的替代品[11]。聚N-乙烯基吡咯烷酮(PNVP)是一种水溶性聚合物，具有优异的化学稳定性和良好的生物相容性[12]。因此，近几年，以PNVP为亲水性嵌段的两亲性嵌段共聚物得到了较多的研究，并在生物医学材料领域[13]、化妆品行业[14]、食品行业[15]、印刷油墨[16]和纺织品[17]等领域具有广阔的应用前景。

本文结合本课题组的工作，主要对以PNVP为亲水嵌段的两亲性嵌段共聚物的制备方法及其应用进行了归纳总结，并对PNVP的两亲性嵌段共聚物的发展趋势和研究方向进行了展望。

1 基于PNVP的两亲性嵌段共聚物的制备

在合成含PNVP的两亲性嵌段共聚物时，通常有以下几种方法：一是大分子引发剂(链转移剂)法，即先合成亲水性PNVP嵌段或疏水性嵌段，再将其作为大分子引发剂或链转移剂通过活性/可控自由基聚合去引发下一个单体的聚合；二是通过“点击”反应制备：分别合成亲水性PNVP嵌段和疏水性嵌段，再通过“点击”反应将二者偶联合成两亲性嵌段共聚物；三是选择能够同时引发亲水性NVP和疏水性单体聚合的引发剂(链转移剂)通过“一锅法”直接合成基于PNVP的两亲性嵌段共聚物。

1.1 大分子引发剂(链转移剂)法

先合成亲水性PNVP嵌段，以PNVP嵌段为大分子引发剂来引发疏水性嵌段单体的聚合。本课题组周璐[18]通过黄原酸酯调控的可逆加成——链转移自由基聚合(MADIX/RAFT)，合成了PNVP，再通过官能团转化得到末端基团为溴原子的大分子引发剂，在CuBr的催化下引发甲基丙烯酸羟乙酯的原子转移自由基聚合(ATRP)得到了具有酶和pH双重刺激响应的两亲性嵌段共聚物。Hedir等[19]首先通过RAFT聚合，得到不同相对分子质量的PNVP大分子引发剂，再引发醋酸乙烯酯(VAc)和2-亚甲基-1，3-二氧六环(MDO)的共聚反应，合成了两亲性嵌段共聚物PNVP-b-P(MDO-co-VAc)。

先合成疏水性大分子链转移剂，用它再来调控NVP的RAFT聚合。例如，Rajput等[20]报道了以2-氰基丙基-2-甲基-N-(吡啶-4-甲基)二硫代氨基甲酸酯为链转移剂，进行苯乙烯和2,3,4,5,6-五氟苯乙烯(PFS)的RAFT聚合，成功合成了以聚苯乙烯(PS)或聚(2,3,4,5,6-五氟苯乙烯)(PPFS)为疏水嵌段，且相对分子质量分布可控的大分子CTA，然后再用CTA调控NVP的RAFT聚合，得到两亲性嵌段共聚物PS-b-PNVP和PPFS-b-PNVP；Mishra等[21]以辛酸亚锡为催化剂、苯甲醇为引发剂，采用开环聚合制备了聚己内酯(PCL-OH)，将PCL-OH端基转化为相应的黄原酸酯(PCL-X)，以PCL-X为大分子CTA，进行MADIX/RAFT聚合得到了PCL-b-PNVP嵌段共聚物；等等。

1.2 “点击”反应制备法

“点击”反应由Sharpless等在2001年提出的，该反应能在温和的条件下进行，是一种具有选择性和高产量的反应，且几乎没有副产物[22]。同时“点击”反应还具有高度正交性，在点击过程中的偶联具有广泛的官能团容忍度。到目前为止，最常用的“点击”反应是Cu(I)催化的炔基-叠氮环加成反应(CuAAC)，其它的“点击”反应有硫醇-烯反应、Diels-Alder反应和Michael加成反应。Ramesh等[23]首先采用开环聚合在室温下合成了带炔基端的聚D,L-丙交酯-乙交酯(PLGA)，用RAFT聚合合成了带叠氮端基的PNVP，最后通过CuAAC反应得到了两亲性嵌段共聚物PLGA-b-PNVP。

1.3 “一锅法”

相对于前两种方法而言，“一锅法”在合成上有效缩减了工艺，且操作简单。这种“一锅法”是目前合成两亲性嵌段共聚物最方便的方法。如Kang等[24]采用带有羟基官能团的黄原酸酯类链转移剂2-羟乙基-2-(乙氧基碳硫代)丙酸酯作为RAFT聚合和开环聚合的双官能团引发剂，合成了相对分子质量分布指数较小的两亲嵌段共聚物PNVP-b-PCL。

2 基于PNVP的两亲性嵌段共聚物的应用

2.1 药物输送

基于PNVP的两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中能够自组装形成胶束、囊泡等聚集体，可包载疏水性药物，将其输送至病变部位。这是因为它们的尺寸小，可以延长在血液中的寿命，提高药物的生物利用度。Mishra等[25]设计合成了具有pH响应性的两亲性聚N-乙烯基吡咯烷酮-b-聚4-乙烯基吡啶(PNVP-b-P4VP)。PNVP-b-P4VP在磷酸缓冲溶液(PBS)中自组装形成的胶束具有较高的载药率和良好的生物相容性，并表现出良好的pH响应性药物缓释性能。本课题组周璐[18]设计合成的两亲性嵌段共聚物PNVP-Phe-Lys-b-PDHEMA，可以在胰蛋白酶和pH的双重刺激下有效地释放出疏水性抗癌药物紫杉醇(PTX)。

2.2 防污涂料

PNVP作为表面改性剂的主要作用是抑制蛋白质吸附和细胞粘附，即PNVP使生物表面无污垢。由于PNVP能够有效地抵抗污垢生物的沉降，且吡咯烷酮单元能紧密结合水分子，PNVP具有很强的亲水性，可以消除涂层表面与生物分子之间的静电作用力和疏水相互作用。Guo等[26]将亲水性PNVP与疏水含氟聚丙烯酸酯(PFA)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)结合，制备了一种新型的两亲性嵌段共聚物——聚N-乙烯基吡咯烷酮-含氟聚丙烯酸酯-聚二甲基硅氧烷(PVP-PFA-PDMS)，将此共聚物共混到交联的PDMS基体中，形成了一系列可控表面组成和表面更新的涂料，具有高效的防污除垢性能。这些涂层结合了亲水性PNVP嵌段的抗生物污垢沉降能力，以及由于含氟-硅链段的低表面附着力。与原始PDMS涂层相比，该涂层对细菌和海洋单细胞小螺旋藻硅藻表现出优异的防污性能，对假触须的粘附性表现出优异的防污释污性能。此外，高含量的PNVP基涂层具有更强的抗生物污垢附着能力。

2.3 其他方面

PNVP干燥条件下相当稳定的，不容易发生化学反应[27]，但在重铬酸盐氧化剂或偶氮化合物的存在下，PNVP溶液在光照下会变成凝胶；在强碱(如磷酸三钠或硅酸钠)存在下加热PNVP溶液会导致其析出沉淀。此外，PNVP不仅能与聚合物形成复合物，而且也能与低分子化合物形成复合物，如在与碘形成复合物PNVP-碘，该复合物的各种配方已用于低毒高效的防腐剂[28]。因为吡咯烷酮部分中的内酰胺基团使其结构特征与蛋白质相似，因此，PNVP具有一定的生物相容性，已被证明对皮肤、眼睛和粘膜无刺激性[29]，被广泛用于生物医学。如药片中的粘合剂、伤口敷料的水凝胶和消毒剂[30]。PNVP修饰的纳米颗粒还可以增加纳米颗粒的稳定性，并能有效地抵抗蛋白质在体内的吸附。

3 结语与展望

基于PNVP的两亲性嵌段共聚物具有多种优异性能，在药物输送、防污涂料和粘合剂等方面具有广阔的应用前景。但目前的研究多集中在线形-线形PNVP的两亲性嵌段共聚物，而对于非线形的含PNVP共聚物(如星形、线形-树形等)的研究报道较少。而且对这类共聚物的应用主要集中作为药物载体的研究方面，而在食品行业和纺织品领域中的应用研究相对较少。因此，进一步加强并拓展PNVP两亲性嵌段共聚物在理论基础上的研究，以便扩大其应用范围，更好地为工农业生产和生活服务。