RAFT法制備pH敏感聚合物g-C3N4-PDPA及其光活性研究

胡紅廣, 呂汪洋, 陳文興

(浙江理工大學先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室, 杭州 310018)

RAFT法制備pH敏感聚合物g-C3N4-PDPA及其光活性研究

胡紅廣, 呂汪洋, 陳文興

(浙江理工大學先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室, 杭州 310018)

將g-C3N4與pH敏感單體甲基丙烯酸二異丙氨基乙酯(DPA)用RAFT聚合方法制備pH敏感的且具有可見光響應的聚合物g-C3N4-PDPA。測得聚合物的pH敏感范圍是5.5～6左右。考察了不同pH下聚合物在水中的形態，并且以羅丹明B(RhB)為研究對象測試了聚合物在不同pH下的光活性。結果表明:pH小于5時，聚合物可以穩定地分散在水溶液中，此時聚合物鏈段為舒展狀態，光線可以透過，光活性比較高;pH大于7時，聚合物鏈段收縮聚集成大顆粒而沉降，并將g-C3N4包裹其中，隔絕了大部分光線而大大降低了光活性。

RAFT; pH敏感; g-C3N4-PDPA; 光活性

0 引 言

光動力學治療(PDT)是一項微創、高效、低毒的治療方法[1],目前已經應用于一些癌癥的臨床治療。PDT主要包括三個要素:光敏劑、光以及分子氧[2],其中光敏劑是最重要的。理想的光敏劑應該有較穩定的結構,在可見光部分有較強吸收,能產生細胞毒性,此外,暗毒性要小,能從正常組織中清理出去[3]。g-C3N4是一種非金屬聚合物半導體,其無毒、制備簡單、具有可見光響應(半導體帶隙2.7 eV),且熱穩定性好,耐酸堿腐蝕而被廣泛應用于可見光領域[4-5]。可逆加成-斷裂鏈轉移聚合(RAFT)是一種官能團兼容性好、反應條件溫和、適用單體范圍廣的可控聚合技術[6]。癌細胞的pH通常比正常細胞的pH(pH為7.4左右)低0.5～1.0,這個pH的變化雖然小,但卻可以用于pH敏感藥物的釋放[7]。甲基丙烯酸二異丙氨基乙酯(DPA)是一種pH敏感范圍在6左右的化合物,且生物相容性較好[8]。在此,筆者用g-C3N4作為光敏劑,DPA為pH敏感鏈段單體,以RAFT法來制備pH敏感、可見光活性高的聚合物g-C3N4-PDPA。本實驗以羅丹明B(RhB)為測試對象,在不同的pH條件下測定該聚合物在體外的可見光活性,期望g-C3N4-PDPA符合PDT治療對于光敏劑的要求。

1 實 驗

1.1 實驗試劑與儀器

實驗試劑:尿素(分析純,天津市永大化學試劑有限公司);甲基丙烯酸(分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司);二異丙氨基乙醇(分析純,建德市新德化工有限公司);異丙醇胺(分析純,上海晶純實驗有限公司);二環己基碳二酰亞胺(DCC,95%,上海晶純實驗有限公司);1-羥基-苯并-三氮唑(分析純,上海晶純實驗有限公司);二氧六環(分析純,百靈威科技有限公司);偶氮二異丁腈(分析純,AIBN,天津市科密歐化學試劑有限公司);4-氰基二硫代苯甲酰戊酸(CPADB,分析純,美國STREM公司);羅丹明B(RhB,分析純,東京化工工業株式會社)。

實驗儀器:超聲波清洗器(SK3300H,上?？茖С晝x器有限公司);離心機(GL-21M,湘儀集團有限公司);集熱式磁力攪拌器(DF-101S,杭州慧創儀器設備有限公司);旋轉蒸發儀(RV10 DS25,德國IKA公司);冷凍干燥儀(美國LABCONCO公司);pH計(FE20,梅特勒-托利多儀器有限公司);傅里葉紅外變換光譜儀(Nicolet 5700,美國Perkin Elmer公司);核磁共振儀(AVANCE-AV400,瑞士Bruker公司);紫外可見分光光度計(U3010,日本HITACHI公司)。

1.2 g-C3N4-PDPA pH敏感聚合物的制備

1.2.1 g-C3N4的制備

g-C3N4的合成方法參考文獻[9],稍做修改。稱取30 g尿素,置于帶有蓋子半封閉氧化鋁坩堝中,在管式爐中以2.5℃/min的升溫速率升至550℃并維持3 h,自然降至室溫后取出,備用。

1.2.2 甲基丙烯酸二異丙氨基乙酯(DPA)的合成

將DCC(8.24 g,0.04 mol)、二異丙氨基乙醇(6.64 mL,0.04 mol)、甲基丙烯酸(6.76 mL,0.08 mol)溶于120 mL二氯甲烷中,于三口燒瓶中30℃下攪拌反應5h。離心除去白色沉淀,將上清液旋蒸除去二氯甲烷,剩余液溶于150 mL超純水中,將pH調至10左右,溶液出現分層,取上清液即為DPA,4℃下保存待用。

1.2.3 g-C3N4-PDPA pH敏感聚合物的制備

g-C3N4-PDPA的制備原理主要為：

(1)

(2)

具體方法如下:取0.2 g g-C3N4分散于200 mL二氯甲烷中超聲分散,再分別加入CPADB 0.046 g,DCC 8 g,30℃下攪拌反應16 h,離心得到反應好的CPADB-g-C3N4,冷凍干燥；將干燥好的樣品分散在10 mL二氧六環中,加入0.8 mg AIBN,1 mL DPA,將溶液放入20 mL聚合管中,用液氮冷凍后抽真空,再通氮氣,反復三次除去氧氣,并在真空狀態下將聚合管封口,71℃反應24 h；將產物透析,除去未反應的小分子,冷凍干燥后即得到g-C3N4-PDPA pH敏感聚合物。

1.3 g-C3N4-PDPA的表征

對g-C3N4-PDPA進行傅里葉紅外光譜測試,熱重分析,核磁共振波譜測試。

1.4 g-C3N4-PDPA光活性的測定

以降解染料RhB來測定g-C3N4-PDPA的體外可見光活性,光源為100 W的氙燈,并用濾光片濾去400 nm以下的紫外光。取一定量的g-C3N4-PDPA放入裝有20 mL染料溶液(2×10-5mol/L)的樣品瓶中,光照一定時間后取樣2 mL,用紫外-可見光譜儀對染料吸光度A的變化進行測定,降解效果用染料降解剩余率來表示：

剩余率:C/C0=A/A0.

式中:A0為染料特征吸收峰的初始吸光度,A為反應一定時間染料特征吸收峰處的吸光度,C0為染料的初始濃度,C為反應一定時間后染料的濃度?？疾炝瞬煌琾H下g-C3N4-PDPA的活性。

2 結果與討論

2.1 g-C3N4-PDPA的結構性能

2.1.1 官能團分析

圖1為以溴化鉀壓片法的聚合物紅外光譜圖。圖1可見,測試波長范圍為4 000～400 cm-1;g-C3N4分別在3 000～3 600、1 200～1 750、810 cm-1處出現明顯的特征吸收帶。3 000～3 600 cm-1范圍內的寬波段為N—H鍵的伸縮振動吸收帶,1 200～1 750 cm-1范圍內的幾個強的波段是CN雜環化合物的結構特征峰,在810 cm-1處出現了3-s-三嗪結構特征峰。g-C3N4-PDPA與g-C3N4的特征峰基本一致,不過在1 600～1 800 cm-1處出現了一些小峰,說明有酰胺鍵形成。

2.1.2 熱性能分析

圖2是聚合物的熱重分析譜圖。TG譜圖顯示,其聚合物具有良好的熱穩定性能。在通空氣氛圍環境下,溫度從25℃升溫到800℃,升溫速率為10℃/min。g-C3N4的分解溫度幾乎達到了600℃,g-C3N4-PDPA的分解溫度也超過了200℃。

2.1.3 核磁共振波譜分析

圖3為DPA和g-C3N4-PDPA在CDCl3中的核磁譜圖。從圖3(a)可知,化學位移δ6.02和δ5.45是分子中碳碳雙鍵上的氫原子峰,δ1.86為分子中碳碳雙鍵上的甲基峰,δ3.98～3.99則屬于分子中與氧原子相連的亞甲基峰,δ2.60～2.61是屬于分子中與氮原子相連的亞甲基峰,δ2.919～2.935是屬于分子中與氮原子和甲基相連的碳原子上的氫原子峰,δ0.920～0.926是屬于分子中異丙胺基上的甲基峰。說明DPA合成成功。而圖3(b)中δ3.80是與氧原子相連的亞甲基峰,δ3.05是與氮原子和甲基相連的碳原子上的氫原子峰,δ2.65是與氮原子相連的亞甲基峰,δ1.60是分子主鏈上的亞甲基峰,δ1.10是丙胺基上的甲基峰,δ0.90是分子主鏈上的甲基峰。說明g-C3N4-PDPA已經合成。

2.1.4 pH敏感分析

圖4為g-C3N4-PDPA聚合物的pH敏感分析結果。圖4(a)為g-C3N4-PDPA水溶液在550 nm處吸光度隨pH變化的曲線,可見不論從酸性到堿性調節還是從堿性到酸性調節,聚合物的pH敏感范圍均在5.5～6左右。圖4(b)為聚合物在pH為5和7的水溶液中的分散情況:g-C3N4-PDPA在pH為5時,放置120 h幾乎沒有發生變化,分散性仍然很好;pH為7時,由于超過了PDPA的敏感變化范圍,鏈段很快收縮聚集成為小顆粒并很快沉降下來。說明此聚合物在酸性條件下穩定性很好,而超過了pH敏感范圍后,PDPA鏈段能很快進行收縮,將g-C3N4包裹在內部。pH 5時的光活性比pH 7時的光活性要好很多,這是因為pH 5時,PDPA鏈段處于伸展狀態,可以讓光透過而產生光毒性;pH 7時,PDPA鏈段收縮將g-C3N4包覆使得光線照射不到。

2.2 g-C3N4-PDPA的光活性測試

圖5是g-C3N4在可見光照射下對RhB降解活性的測試結果。從圖5可知,隨著pH的增加,g-C3N4的活性下降,pH為5時,60 min基本上能將RhB完全降解,pH為7時,還有20%左右剩余。說明g-C3N4的活性本身對pH就是敏感的,而且與期望的相一致,酸性條件下比堿性條件下好。

圖6是g-C3N4-PDPA在可見光照射下對RhB降解活性的測試結果。圖5、圖6可知,其活性變化與g-C3N4基本一致。在酸性條件下活性相比于g-C3N4有所增加,而堿性條件下光活性降低得很多。這主要是由于,PDPA在堿性條件下收縮將g-C3N4包裹其中,而使得很大一部分可見光不能透過而引起的,這正是我們希望看到的。因為人體血液的pH大致為7.4,此時g-C3N4-PDPA因為以收縮形式存在將g-C3N4包裹其中,較弱的光照將不能到達g-C3N4,而不會有光活性,也就不會對正常的組織造成光損傷。而癌細胞組織的pH為6左右,PDPA的pH敏感值恰好在這個范圍之內[8],因此g-C3N4-PDPA到達癌細胞組織后,將以伸展狀態存在而將g-C3N4暴露出來,在可見光照射下將產生光毒性從而殺死癌細胞。

3 結 論

采用RAFT法制備得到了具有pH敏感性能的聚合物g-C3N4-PDPA,此聚合物在酸性條件下具有較高的光活性,在堿性條件下PDPA鏈段的收縮將g-C3N4包裹使其不被可見光照射而大幅降低了光活性。g-C3N4-PDPA的pH敏感范圍在5.5～6左右,這使其在正常組織內以收縮形式存在,不會對正常細胞造成光毒性,而在腫瘤組織附近以伸展狀態存在,在可見光照射下產生細胞毒性將癌細胞殺死。這可期望為光動力學治療提供一條可行的途徑。

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(責任編輯： 張祖堯)

Preparation of pH-Sensitive Polymer g-C3N4-PDPAvia RAFT Process and Study of Its Light-Activity

HU Hong-guang, Lü Wang-yang, CHEN Wen-xing

(The Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing TechnologyMinistry of Education, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

pH-sensitive polymer g-C3N4-PDPA with visible-light response was prepared by RAFT polymerization method with the g-C3N4and pH sensitive monomer 2-(diisopropylamino) ethyl methacrylate(DPA). The pH-sensitive range of the polymer is from 5.5 to 6. The form of the polymer in water under different pH was investigated. Rhodamine B(RhB) as the object of study was used to test photo-activity of the polymer under different pH. The results show that under acidic condition, the polymer can disperse stably in aqueous solution. At this time, polymer chain segment is in the stretching state; light can transmit; light activity is high. However, under alkaline condition, the polymer chain segments shrink and gather into large particles to settle down and the g-C3N4is wrapped in it; most of the light is cut off, which greatly reduces the photo-activity.

RAFT; pH-sensitive; g-C3N4-PDPA; photo-activity

1673- 3851 (2015) 05- 0617- 05

2014-10-08

國家自然科學基金項目(51103133)

胡紅廣(1990-),男,浙江永康人,碩士研究生,主要從事可見光催化方面的研究。

陳文興,E-mail:wxchen@zstu.edu.cn

Q279

A