基于RAFT/MADIX聚合的普鲁兰多糖-接枝-聚（N-乙烯基己内酰胺）的合成与表征

《Materials Today Communications》：Synthesis and characterization of pullulan-graft-poly (N-vinyl caprolactam) via RAFT/MADIX polymerization

　　

本研究提出了一种基于普鲁兰多糖（pullulan）主链制备接枝共聚物的新型合成策略。该方法以可逆加成-断裂链转移（RAFT）自由基聚合作为关键步骤。这一重要进展利用普鲁兰多糖可再生、生物相容且可生物降解的特性，成功合成了此前难以获得的温度响应性共聚物普鲁兰多糖-接枝-聚(N-乙烯基己内酰胺)（PULL-g-PNVCL）。合成路线包括：首先用溴代丙酰溴对普鲁兰多糖进行部分官能化，随后与预先合成的黄原酸酯基链转移剂进行取代反应，最后从普鲁兰多糖大分子链转移剂上引发N-乙烯基己内酰胺的聚合。包括凝胶渗透色谱（GPC）和质子核磁共振波谱（¹H NMR）在内的综合表征证实了接枝共聚合的成功。结果表明，与普鲁兰多糖相比，PULL-g-PNVCL的热稳定性有所降低。动态光散射（DLS）分析展示了其温度敏感性行为，当温度超过PULL-g-PNVCL的低临界溶解温度（LCST）时，粒子直径增大。观察到LCST随聚(N-乙烯基己内酰胺)链长的变化而变化。所获得的LCST值低于生理温度，这赋予了PULL-g-PNVCL拓展普鲁兰多糖应用领域的潜力，特别是在刺激响应型药物递送系统等生物医学领域。本研究将化学原理与聚合物设计相结合，展示了生物基功能材料的开发，这一目标与工业作物的可持续利用相一致。

**论文解读：基于RAFT/MADIX聚合的普鲁兰多糖-接枝-聚(N-乙烯基己内酰胺)的合成与温度响应性能研究**

**一、研究背景与意义**

随着环境问题的日益严峻和石油资源的日益枯竭，开发可持续聚合物材料成为材料科学领域的迫切需求。多糖作为自然界中最丰富的生物聚合物类别，受到广泛关注。其中，普鲁兰多糖（Pullulan, PULL）是一种可由葡萄糖、乳糖等多种碳源经微生物发酵产生的生物聚合物，凭借其良好的生物相容性、生物降解性和低毒性，在食品、化妆品及生物医药等领域具有广阔的应用前景。然而，PULL的天然性质，尤其是其水溶性，限制了其在药物递送体系等实际应用中的表现。幸运的是，PULL主链上的羟基基团可作为化学修饰的反应位点以调控其性能。接枝共聚是一种极具前景的PULL性能调控手段，通过引入功能基团或聚合物链，可开发出兼具不同材料优异性能的新型材料，实现天然PULL无法达成的特定应用。

接枝共聚可通过“接枝到”（grafting onto）与“从主链接枝”（grafting from）两种主要策略实现。其中，“从主链接枝”法通常可获得更高的接枝效率，并可通过优化反应条件对最终产物的摩尔质量及其分布实现更好的控制。已有多种基于PULL主链的接枝共聚物被报道，展现出独特的物理化学性质及在水介质中的自聚集行为。与此同时，刺激响应性聚合物因具有负载和释放生物活性化合物的能力而备受关注。温度敏感性聚合物尤为突出，其在相变温度以下与溶剂保持良好的溶解性，而高于该阈值时，热力学上有利的聚合物-聚合物相互作用使分子链收缩，溶解度降低。此相变温度被称为低临界溶解温度（lower critical solution temperature, LCST）。在众多温度敏感性聚合物中，聚(N-乙烯基己内酰胺)（poly(N-vinyl caprolactam), PNVCL）作为一种生物相容性温敏聚合物，其相变温度与生理条件高度接近，在药物递送应用中具有独特优势。

尽管此前已有多种接枝策略应用于PULL，但大多数方法依赖传统自由基聚合、点击化学或偶联反应，通常对支链接枝链长、摩尔质量分布及整体共聚物架构的控制能力有限。可逆加成-断裂链转移（reversible addition-fragmentation chain transfer, RAFT）自由基聚合技术等可控自由基聚合方法虽可在合成聚合物体系中弥补上述局限，但其在多糖骨架如PULL上的应用仍相对不足。据研究人员所知，鲜有研究探索在多糖骨架上进行RAFT聚合，尤其是尚未有研究报道在PULL基底上通过RAFT链转移剂介导聚合。该项研究填补了这一空白，首次报道了通过PULL基大分子RAFT链转移剂介导的NVCL的RAFT聚合，成功合成PULL-g-PNVCL共聚物，旨在将PULL的天然属性与PNVCL的温度响应行为有机结合，为智能药物递送和生物传感器等应用开发新材料。

**二、主要技术方法**

该研究采用以下关键表征技术：（1）凝胶渗透色谱（GPC），用于测定各步骤产物的摩尔质量及分散度，所用GPC系统配备示差折光检测器及Tosoh TSKgel Alpha-M色谱柱，以含0.1%溴化锂（LiBr）的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为流动相，采用PULL标样校准；（2）核磁共振波谱（NMR），包括¹H NMR、¹H-¹H相关谱（COSY）及扩散排序谱（DOSY），用于表征化学结构、估算取代度（degree of substitution, DS）并验证接枝共聚物的形成；（3）衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR），用于确认特征官能团的引入；（4）差示扫描量热法（DSC）与热重分析（TGA），用于评估热性质与相变行为；（5）动态光散射（DLS），用于分析粒子的流体动力学平均直径（Z_av）、粒径分布（PdI）及温度敏感性。研究采用的商业PULL（食品级，数均摩尔质量^―M_n = 96000 g/mol）采购自日本Hayashibara Biochemical Laboratory。需要指出的是，以上均为表征测试手段，具体的合成步骤包括酸水解降摩尔质量、溴代丙酰溴酰化、黄原酸酯链转移剂取代及RAFT/MADIX聚合共四步，具体试剂配比与操作条件详见原文。

**三、研究结果**

**3.1 降摩尔质量PULL的表征（Reduced molar mass PULL characterization）**

GPC分析显示，商业PULL具有高平均摩尔质量和宽分布。高摩尔质量聚合物因链缠结程度高，可能降低羟基的有效可及性，导致主链化学修饰效率低且不均一。通过1.5小时酸水解处理，成功获得摩尔质量更低、分布更窄的降摩尔质量PULL（^―M_n = 14 kg/mol，? = 1.96），且¹H NMR证实麦芽三糖重复单元结构在水解后保持完整，为后续高效、均匀的化学修饰奠定了基础。

**3.2 含溴PULL的表征（Bromide-bearing PULL characterization）**

以2-溴代丙酰溴（BPB）对降摩尔质量PULL进行酰化，成功合成了含溴PULL（PULLBr-5）。¹H NMR谱中出现位于1.25–2 ppm（甲基质子）和4.60–4.70 ppm（次甲基质子）的新信号，归属于溴代丙酰基团。ATR-FTIR谱中1740 cm^?1处出现新的羰基（C=O）伸缩振动吸收峰，进一步证实溴代丙酰基成功接枝到PULL主链。通过NMR积分计算，PULLBr-5的羟基取代度（DS）为每100个羟基中有15个，即每100个单体单元含136个溴代丙酰基。COSY谱确认了麦芽三糖单元的葡萄糖环质子偶合模式在修饰前后保持一致。

**3.3 PULL基黄原酸酯大分子链转移剂的表征（PULL-xanthate-based macro-chain transfer agent characterization）**

将PULLBr-5与预先合成的羟基化黄原酸酯链转移剂（CTA-OH）反应，成功制得PULL基黄原酸酯大分子链转移剂（PULLX-5）。¹H NMR谱在7.10–7.36 ppm处出现归属于CTA芳香质子的新共振信号，证实了PULLX-5的成功合成。DS计算表明，CTA-OH对溴代丙酰基的取代度为每100个单体单元4.5个，低于PULLBr-5中溴代丙酰基的接枝密度。研究人员指出，尽管CTA-OH投料过量（9当量），但部分取代的结果与文献报道的类似多糖修饰研究一致，且CTA分子的数量足以支持后续RAFT/MADIX聚合。

**3.4 PULL-g-PNVCL的表征（PULL-g-PNVCL characterization）**

¹H NMR谱显示，PULL-g-PNVCL（150）和PULL-g-PNVCL（300）中均出现了归属于PNVCL己内酰胺环及聚合物主链的特征共振信号（1.50–2.00 ppm及2.20–2.40 ppm），同时保留了PULL麦芽三糖单元的典型共振，证实NVCL成功从PULL主链接枝聚合。增大NVCL单体投料比导致PNVCL信号积分值增加，表明更长的PNVCL链被成功引入。DOSY实验表明，纯化后的PULL-g-PNVCL（150）中，PNVCL与PULL的信号对应同一扩散系数，证实二者属于同一共聚物结构，而非共混物。GPC分析显示，所有接枝共聚物的色谱峰均向低保留时间偏移，摩尔质量较PULLX-5显著增加，且共聚物呈现单峰、对称的GPC曲线，分散度? ≤ 1.83，远低于传统非可控聚合方法制备的支化共聚物（通常大于5），表明RAFT聚合过程具有良好的可控性。此外，随着NVCL投料比从150增至300，共聚物摩尔质量及PNVCL含量（由GPC估算分别为23%和35%）相应增大。

**3.5 热分析（Thermal analyses）**

DSC测试表明，降摩尔质量PULL、PULLX-5和PULL-g-PNVCL（300）均能测定玻璃化转变温度（T_g），分别为181、233和189 °C。PULLX-5的T_g升高归因于黄原酸酯基团的引入增加了链刚性；而接枝PNVCL后T_g降低至189 °C，可用PNVCL的支化结构削弱分子间相互作用、增强链迁移率来解释。TGA结果显示，PULL的初始降解温度（T_onset）为288 °C，高于降摩尔质量PULL（281 °C）、PULLX-5（261 °C）和PULL-g-PNVCL（300）（251 °C），表明接枝共聚后热稳定性有所降低，但仍在可接受范围内。最大降解速率温度（T_max）呈相同趋势。PULL-g-PNVCL（300）的残余碳含量（约18%）明显高于PULLX-5（10%）及PULL（8%），归因于共聚物中PNVCL组分具有更高的碳含量比例，为PNVCL成功接入PULL链提供了又一佐证。

**3.6 PULL-g-PNVCL的粒径表征与温度敏感相变行为（Particle size characterization and temperature-sensitive phase transition behavior of PULL-g-PNVCL）**

通过自组装法制备了PULL-g-PNVCL共聚物粒子。在24 °C下，PULL-g-PNVCL（150）和PULL-g-PNVCL（300）粒子（1 mg/mL）的Z_av分别约为（10.1 ± 0.9）× 10² nm和（14.7 ± 0.8）× 10² nm，二者均呈双峰分布（PdI约为0.7）。较长PNVCL链的PULL-g-PNVCL（300）表现出更大的粒径，归因于其更长的亲水性链段在粒子周围形成更厚的水化层。DLS温度扫描实验显示，随着温度升高至LCST，粒子发生聚集，流体动力学直径急剧增大。PULL-g-PNVCL（150）和PULL-g-PNVCL（300）的LCST分别测定为30 °C和34 °C，均低于生理温度（37 °C），且随PNVCL链长增加而升高。加热/冷却循环实验证实了相变的可逆性。DSC温敏实验进一步验证了DLS结果：PULL-g-PNVCL（150）的相变温度范围为25–30 °C，PULL-g-PNVCL（300）为30–35 °C，与DLS测定的LCST值一致。PNVCL链较短时LCST较低，归因于其与水分子间相互作用较弱，相变所需能量较低。

**四、讨论与结论**

该研究成功通过RAFT/MADIX聚合策略，以PULL基黄原酸酯大分子链转移剂为中介，首次合成了两种不同PNVCL链长的PULL-g-PNVCL接枝共聚物，填补了RAFT聚合技术在PULL基底上应用的研究空白。研究结果表明，黄原酸酯类CTA能高效介导NVCL的可控自由基聚合，所得共聚物分散度与PULL原料相当（? ≤ 1.83），体现了RAFT聚合对分子结构的精准控制能力。PNVCL的接枝虽使PULL的热稳定性略有下降，但共聚物仍保持良好的热性能。更为重要的是，通过调节PNVCL接枝链长，可以有效调控共聚物的LCST（30–34 °C）及自组装粒子的粒径。所有相关结果均可在原文中找到依据。该研究展示了RAFT/MADIX聚合在构筑多糖基功能材料方面的巨大潜力，为从可再生碳水化合物资源开发具有可调、应用相关性能的高附加值生物基材料开辟了新途径，尤其在刺激响应型药物递送系统等生物医学领域具有广阔的应用前景。研究结论明确指出：PULL-g-PNVCL共聚物的温度敏感行为与PNVCL含量直接相关，LCST可根据特定温度和应用需求进行定制；RAFT介导的NVCL接枝聚合代表了从PULL接枝其他所需单体的重要进展，所合成的PULL-g-PNVCL形成粒子的能力为生物医学工业中药物的封装与控释提供了可能。