温度对Pluronic嵌段共聚物胶束结构的影响_赵剑曦
温度对Pluronic 嵌段共聚物胶束结构的影响
赵剑曦, 郑 欧, 林翠英
(福州大学化学系, 福建福州 350002)
X X
X
摘 要: 温度对Pluronic 嵌段共聚物F108、F 68、P 94和L 64胶束结构影响的研究结果表明, 随着温度上升, 胶束外壳PEO 链的水化度急剧减小, 胶束趋于形成聚集更为密实、尺寸较均匀的球形结构。在较高温度时, 胶束内核基本上以PPO 链为主构成。关键词: Pluronic 胶束; 温度效应; 胶束结构
中图分类号: O63 文献标识码: A 文章编号: 1008-9357(2000) 02-0177-05
聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(PEO-PPO-PEO) 三嵌段共聚物是重要的两亲嵌段共聚物, 商
品名为Pluronics 112。这些Pluronic 嵌段共聚物无毒、无刺激性, 调节它们的组成(PPO/PEO 比) 和分子量(PEO 和PPO 嵌段长度) 可以生产满足不同技术要求的产品112。实验表明合适的Pluronic 嵌段共聚物胶束具有很强的增溶憎水化合物的能力122, 组成胶束外壳的PEO 链层能阻止血小板的附着132, 因而它们适合作为药物载体从而生产可控制释放甚至靶向的新型药剂, 且已显示出良好的应用前景。
揭示和掌握Pluronic 胶束的生成、结构以及影响因素是用它们作为药物载体的基础, 然而和通常的碳氢表面活性剂不同, Pluronic 嵌段共聚物形成胶束的情况复杂, 尽管近年来已进行了若干研究, 但很多细节还远未弄清楚。例如在较低温度时Pluronic 嵌段共聚物分子的EO 基团甚至PO 基团对水分子均有一定的结合力, 随着温度升高, 这种结合力下降, 实验测得其临界胶束浓度(C c m c ) 急剧降低152, 表明Pluronic 分子生成胶束的能力大大增强, 然而对于温度导致胶束外壳PEO 链以及胶束内核状况的变化却知之甚少11, 62。本文选择具有长PEO 链的F108和F68以及具有中等长度PEO 链的P94和L64, 考察温度对这些Pluronic 嵌段共聚物胶束结构的影响, 以期为研究这类胶束对药物增溶的温度效应奠定基础。
112
142
1 实验部分
1. 1 实验试剂
Pluronic 试剂分子通式为(EO) x -(PO) y -(EO) x 。本文所用的四种Pluronic 试剂均为美国BASF 产品, 特征参数(EO 嵌段和PO 嵌段的聚合度x 和y , 分子量M W , 分子中EO 和PO 的百分含量EO%和PO%, 分子偏比容体积T ) 见表1。
T able 1 T he char acteristic data of the Pluronic block copolymers
Sample F108F68P94L 64
X 133762413
Y 50294730
M W [**************]80
EO(%) 80804040
PO(%) 20206060
(cm3#g -1) 0. 9910. 9900. 9900. 992
1. 2 溶液粘度测定
胶束水溶液的粘度用乌氏粘度计测定。由溶液流经毛细管的时间t , 通过下式对流动动能进行校
X 收稿日期:1999-10-12
基金项目:福建省自然科学基金(B9810005) 、福建省高校科技项目(JA97012) 和国家教委留学回国人员科研启动基金资助。
XX 作者简介:赵剑曦(1953-) , 男, 福州人, 博士, 教授。毕业于瑞典Uppsala 大学物理化学系, 获理学博士学位, 之后赴加拿大
ll , :jxzhao. colloid@cn
正后得到粘度数值G :
(1)
t
式中Q 是溶液的密度, A 和B 是粘度计常数, 用已知粘度的两种液体(水和正丁醇) 在恒定温度(控温精
G =A Q t -确度为? 0. 02e ) 下测得。1. 3 稳态荧光测定
用RF-540岛津荧光光度分析仪, 以芘为荧光探针(浓度=5. 0@10
nm 下测定芘的荧光发射谱。
-6
mol #dm
-3
) , 在激发波长335
2 结果与讨论
2. 1 胶束的特性粘度[G ]及Huggins 常数K H
Pluronic 嵌段共聚物在临界胶束浓度C cmc 后通常生成球形胶束, 其内核主要由PPO 链(但在某些Pluronic 分子的胶束内核中可能有部分的PEO 链参与) 缠绕形成, 而PEO 链环绕在外构成外壳112。测定在C c m c (数值引自文献152) 时胶束水溶液的粘度G cmc , 以及C cmc 以上浓度时溶液的粘度G , 则相对粘度G r =G /G cmc 。当共聚物浓度C 以g #cm -3表示时, 有以下公式172:
G r -1
=[G ]+K H [G ]2(C -C cmc )
C -C cmc
(2)
式中[G ]为胶束的特性粘度, 反映了单个胶束对粘度的贡献, K H 为H uggins 常数, 它描述胶束粒子对流动的影响, K H 值越大说明胶束粒子和溶剂间的相互作用越弱。图1(a) 和1(b) 分别为不同温度T 时F108和P94的(G -1) /(C -C c m c ) ~(C -C c m c ) 直线图(F68和L64的实验图与此类似) , 由直线的截距和斜率可分别求得[G ]和K H 。4种Pluronic 胶束的[G ]和K H 数据示于表2。
表2数据表明, 温度上升导致[G ]下降。Bahadur 和Pandya 指出, 在非离子型两亲分子胶束水溶液中, 影响其粘度的主要因素是胶束表面的水化182。胶束表面水化程度越大, 反映为胶束的[G ]也越大。因而上述结果说明, 不论对具有长PEO 链的F108和F68, 还是对具有中等PEO 链长的P94和L64, 温度上升均使这些胶束表面的水化程度降低, 这在2. 3节中将从胶束表面PEO 链的水化度数据直接得到证实。
相比较而言, P94和L64的K H 均比F108的大, 反映了P94和L64胶束和水分子的相互作用比F108弱。这和F108具有很长的PEO 链有关, 胶束外壳更多的EO 链节显然导致和水分子的更多结合,
或者说表观上较强的相互作用。
Fig. 1 Plots of (G r -1) /(C -C cmc ) vs (C -C cmc ) in (a) F108and (b) P94aqueous solu -ti ons at different temperature.
o :30e ; t :35e ; v :40e ; ý:45e
T able 2 T emperature effects on t he structure of pluronic micelles
Sample F108
T emp (e ) 30354045
F68*
455055
P94
303540
L64
303540
[G ](cm 3#g -1) 20. 418. 816. 215. 013. 311. 69. 87. 06. 35. 37. 06. 03. 8
K H 0. 810. 961. 31. 51. 21. 62. 11. 61. 92. 10. 971. 33. 7
D (g #g -1) 7. 26. 55. 55. 04. 33. 62. 91. 81. 51. 11. 81. 40. 53
w [***********]193
PO M (%) [***********]96869394
EO M (%) [***********]6
Since F68form e d m i cell es abov e 40e , thi s system chose higher temperature.
2. 2 胶束尺寸的温度效应
应用Guth 和Simhas 方程
182
:
G r =1+2. 5U +14. 1U 2
(3) (4)
和
V =U /(C -C cmc )
可求得生成胶束的那些非离子型两亲分子的平均有效水化比容体积V (effective specific volume) 18, 102, 式中U 为胶束的体积分数。图2以F108和P94为例作不同温度时的V ~(C -C cmc ) 关系图(F68和L64的现象与此类似) 。在较低浓度时, Pluronic 分子的聚集相当复杂, 既存在分子单体也有多分子组成的不规则胶束或称为大聚集体(claster ) 182, 表明此时胶束体积是多分散的, 正如图2中较低浓度时所示。由于大聚集体的存在使得这时的V 具有较大值, 随着浓度增大, V 逐渐减小并趋向各自的恒定值, 这意味着溶液中大聚集体数量减少, 整体胶束尺寸逐渐变得较为均匀。比较图2a 和2b 可见, F108胶束在低浓度时的多分散现象比P94胶束更为明显。然而这种胶束尺寸在低浓度时的多分散性将随着温度升高而减小, 例如图2显示随着温度升高, V 值在较低浓度时就开始趋于恒定值, 这说明温度升高有助于使胶束趋于单分散。图2所示温度可影响Pluronic 胶束分散性的结果和文献报道是一致的, 例如, Alexandridis 等曾发现温度升高将降低F104和F108胶束的多分散性。Zhou 等通过动态光散射实验也证实低浓度时的Pluronic 胶束在温度较低时具有明显的多分散性, 但温度升高使胶束的多分散性降低直至成为基本单一尺寸的胶束192
。
162
Fig. 2 Plots of effective specific volum e vs (C -C cmc ) in (a) F108and (b) P94aqueous solu -tions at different temperature.
o :30e ; t :35e ; v :40e ; ý:45e
#180#赵剑曦 郑 欧 林翠英
此外, 图2还显示V 随T 上升而减小(这在所考察的4种Pluronic 胶束溶液均如此) , 生成胶束的那些分子比容体积的减小意味着所得到的胶束结构趋于密实, 显然这是温度升高导致两亲分子去水化的结果。实际上, Bahadur 等的观察结果也指出具有球形特征的P94胶束随着T 上升V 减小182。Alex an -dridis 等和Zhou 等从动态光散射实验结果同样指出, 随着温度上升, F108和F68胶束的流体力学半径保持不变, 但胶束聚集数却显著增加。这些都证实胶束结构随着温度升高而趋于更加密实。2. 3 胶束外壳PEO 链的水化
当胶束形状为球形时, 通过Oncley 方程:
[G ]=2. 5(T +D T 0)
182
162
192
(5)
可求得胶束的水化度D , 以g (溶剂化的水) /g (每克两亲分子) 表示, 式中T (数据见表1) 和T 0分别为溶质、溶剂的偏比容体积。由D 数据还可求得胶束外壳中每个EO 单元的平均水化分子数w 。计算结果示于表2。
通常蛋白质分子的D 值为0. 3g #g
-11112
-1
, 而25e 时普通非离子表面活性剂C 16E n , 当n 从17到63变
化时, D 值范围为1. 6~4. 0g #g 。一般来说, 温度升高将导致D 值下降, 对照表2数据可见在30~
45e 范围内F108胶束的D 值都比25e 时C 16E n 的D 值更大, 而45e 时F68胶束的D 值甚至也比25e 时C 16E n 的D 值大, 这说明F108和F68胶束外壳的PEO 链是高度水化的。实际上, F108或F68分子中相当长的PEO 链构成了胶束很厚且疏松的外壳, EO 基团的亲水性使外壳中容纳了很多的水分子, 导致表观上很大的D 值。Eini 也指出计算得到的w 中实际上最多只能有2个水分子是和EO 基团的醚氧原子以氢键相结合, 其余的水分子则插入在PEO 链的空隙间1112。与F108和F68相比, 分子结构中具有较短PEO 链的P94和L64胶束外壳的水化度则低得多, 以30e 为例, F108的D 值为7. 2g #g -1, 而P94和L64仅为1. 8g #g , 这说明分子自身结构是决定胶束外壳水化程度的重要因素。
温度上升使Pluronic 胶束外壳PEO 链的水化度急剧减小。例如F108胶束外壳每个EO 单元的平均水化分子数w 从30e 时的22降到了45e 时的15; 而P94胶束外壳的w 则从30e 时的10降到了40e 时的6。这表明原先占据胶束外壳部分空间的水分子被大量地排挤出去, 形成了主要由PEO 链组
成的外壳结构。这和上述胶束结构随着温度上升将变得越来越结实的结论相吻合。2. 4 胶束内核的组成
探针芘的荧光发射谱的第一和第三峰强度比I 1/I 3值通常被作为衡量芘所处环境的极性大小。Nivagg ioli 等将PPO 3000和PEO 300液体分别作为Pluronic 共聚物胶束内核和外壳环境的替代, 给出不同温度时芘在PPO 3000中和PEO 300中的I 1/I 3值1132(图3的实心点) 。图3显示本文实验测得的芘作为探针在4种Pluronic 胶束水溶液中的I 1/I 3值随温度的变化。从图中可见, 这些I 1/I 3值更接近于芘在PPO 3000中的值, 因而可推断芘周围的环境主要由PO 成份构成。根据Pluronic 球形胶束由PPO 链为主要成分形成内核, 而PEO 链环绕在外构成亲水外壳的结构特征112, 芘的这些I 1/I 3值说明它们增溶于Pluronic 胶束的内核。由于Pluronic 胶束对芳香化合物具有相当强的增溶能力122, 对上述探针浓度芘的加入可视为完全增溶在胶束内核中, 而忽略芘在水相中的浓度。在此前提下根据Nivaggioli 方法
1132
1122-1
Fig. 3 I 1/I 3as a function of temperature
o :F108; t :F68; v :P94; ý:L64; PEO300
" :
PP030000;
w :
, 利用芘在胶束水溶液中的I 1/I 3值可估算胶束内核的组成。
N ivag gioli 认为, 倘若Pluronic 共聚物胶束的内核由PPO 链和少量PEO 链共同组成, 那么芘在这些
1132
胶束水溶液中的I 1/I 3值可分解为在PPO 和PEO 两种环境中(I 1/I 3) i 值的加和
I 1I 1I 1
=PO M #() PO +EO M #() EO I 3I 3I 3
M
M
(6)
式中PO 和EO 分别为胶束核中PO 和EO 成分的重量分数, (I 1/I 3) PO 和(I 1/I 3) EO 分别表示芘在PO
环境中和EO 环境中的荧光强度比值, 用芘在上述替代环境PPO 3000和PEO 300中的相应值代替。
温度对Pluronic 嵌段共聚物胶束结构的影响#181#
度升高, 胶束内核的EO 组份急剧减少, 而趋于基本上由PO 组份构成。这和图3中随着温度上升, 芘在4种Pluronic 胶束水溶液中的I 1/I 3值趋近它在PPO 3000中的I 1/I 3值是一致的。
3 结论
Pluronic 胶束外壳PEO 链的水化度随温度上升而减小, 形成密实结构的、尺寸较均匀的球形胶束, 胶束内核也趋于基本以PPO 组成。参考文献:
[1] Alexan dridis P, Hatton T A. Poly(ethylene oxide) -poly(propylene oxide) -poly(ethylene oxide) block copolymer surfactants in aqueous
soluti ons and at interfaces:thermodynamics, structure, dynamics, and modeli ng[J]. Colloids Surfaces 1995, 96:1-46.
[2] Hurter P N, Hatton T A. S olubilization of polycyclic aromatic hydrocarbons by poly(ethylene oxide-propylene oxide) block copol ymer
micelles:effects of pol ymer structure[J ]. Langmuir, 1992, 8:1291-1299.
[3] Holmberg K, T iberg F, M almsten M , et al. Grafting w ith hydrophilic polymer chains to prepare protain-resistant surfaces[J ]. Colloids
Surfaces A 1997, 123-124:297-306.
[4] Lawren ce M J. Surfactant systems:their use in drug delivery[J]. Chem Soc Rev, 1994, 417-424.
[5] Alexandridis P, Holzw arth J F, Hatton T A. M icellization of poly(ethylene oxide) -poly(propylene ox i de) -poly(ethylene oxide) tr-i
block copolymers in aqueous solutions:th ermodynamics of copolymer association[J]. M acromolecules, 1994, 27:2414-2425. [6] Alexandridis P, Nivaggioli T, Hatton T A. T emperature effects on s tructural properties of pluronic P104and F108PEO-PPO-PEO
block copolymer solutions[J]. Langmuir, 1995, 11:1468-1476.
争. 粘度法研究胶团的球-棒转变[J]. 物理化学学报, 1985, 1:340-348. [7] 周祖康, 吴佩强, 肖王
[8] Bahadur P, Pandya K. Aggregation behavior of pluronic P-94in w ater[J]. Langmuir, 1992, 8:2666-2670.
[9] Zhou Z K, Chu B. Light-scattering study on the as sociation behavior of triblock polymers of ethylene oxide and propylene oxide in aque -ous solution[J]. J Coll oid Interface S ci, 1988, 126:171-180.
[10] Saito Y, Sato T. Effects of polyoxyethylene chain length on micellar structure[J]. J Phys C hem, 1985, 89:2110-2113.
[11] Eini D I D El, Barry B W , Rhodes C T. M icellar size, shape, and hydration of long-chain poyoxyethylene noni onic surfactants[J]. J
Colloid Interface S ci, 1976, 54:348-351.
[12] Dong D C, W i nnik M A. The Py scale of solvent polarities[J]. Can J Chem, 1984, 62:2560-2565.
[13] Nivaggioli T, Alexandridis P, Hatton T A. Fluorescence probe studies of pluronic copolymer solutions as a function of temperature[J].
Langmuir, 1995, 11:730-737.
Temperature Effects on the Micellar Structu re of Pluronic Block C opolymers
ZHAO Jian -x i , ZH ENG Ou, LIN Cu-i yi ng
(Department of Ch emistry, Fuzhou University, Fuzhou 350002, Chi na)
Abstract: T emperature effects on the micellar structure of pluronic F108, F 68, P94and L64has been characterized using v is -cosity and fluor escence spectrum. T he results showed that the hydration of the P EO chains in the shell o f micelle decreased and PPO became main composition in the micellar core as temperature increasing. M oreover, the micelles became much compact w ith increasing temperature. Key words:
pluro nic micelle; temperature effect ; micelle structure