專利名稱：接枝共聚物,將親水鏈接枝到疏水聚合物上的方法,及其制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將親水鏈接枝到聚合物，特別是疏水聚合物上的新的合成方法。這里也描述了由這些合成方法制得的接枝共聚物，以及由這些聚合物所制備的制品，包括具有塑性和抗血栓性質(zhì)的膜和制品。
在很多應(yīng)用中，具有最佳的機(jī)械、熱學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性的聚合物是疏水的。由于疏水的聚合物或制品難于浸潤并且易于結(jié)垢，因此，這類制品可以通過共價連接或者吸附，用親水性的物質(zhì)包被，或用其他方法處理使之獲得親水性。用這種方法包被的制品需要額外的加工步驟，因此增大了這類制品的制造成本。如果這類物品用于膜，則包被可能會減小孔的尺寸，從而使通透性降低。而且，非共價連接的涂層，其化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性可能不夠高。即使是共價連接的涂層，例如那些通過表面接枝聚合的方法進(jìn)行制備的，那些在共價連接反應(yīng)中殘存下來的反應(yīng)物也需要在使用前提取出來。
而且，接枝聚合涂層的表面覆蓋難于控制。膜分離表面的包被并不能阻止其內(nèi)部孔道的結(jié)垢。
接枝共聚物的發(fā)展使得克服上述的眾多缺點成為可能?！敖又簿畚铩?，是通過將一種待接枝的物質(zhì)，也稱作共聚單體，與提供了該接枝共聚物骨架的母體聚合物進(jìn)行共價連接而制備的。由母體聚合物得到的接枝共聚物，通常用于提供具有某些特殊性質(zhì)的材料，同時，母體聚合物的一些優(yōu)良性質(zhì)也被保留了下來。
接枝共聚物最常見的合成方法是通過自由基反應(yīng)，在共聚單體的存在下，通過將聚合物暴露于致電離輻射和/或自由基引發(fā)劑下而進(jìn)行引發(fā)。但是，利用這種方法的自由基合成可能是一個不受控制的過程。為數(shù)眾多的自由基不但存在于聚合物上，而且也存在于共聚單體上，而共聚單體可能會產(chǎn)生自由基均聚反應(yīng)，從而產(chǎn)生均聚物和接枝共聚物的混合物。因此，此類自由基技術(shù)的一個很重要的缺陷就是產(chǎn)物通常是接枝共聚物和均聚物的混合物。而且，由于自由基合成過程無法控制，因此聚合物骨架可能會發(fā)生降解和/或交聯(lián)。
因此，需要通過一種簡單易行的、成本較低的方法來制備接枝共聚物。
本發(fā)明的另一方面提供了一種制品，該制品包含微相分離(microphase-separated)的梳狀聚合物，該梳狀聚合物具有包含一個二級碳原子的骨架重復(fù)單元中。聚合物中的多個該二級碳原子直接與親水側(cè)鏈相連，并且，該聚合物具有由該側(cè)鏈提供的親水區(qū)域(hydrophilic domains)。
本發(fā)明的另一方面提供了一種包含梳狀聚合物的制品，該梳狀聚合物具有疏水骨架，并且其中的骨架重復(fù)單元中包含一個與鹵素原子直接相連的二級碳原子。多個親水側(cè)鏈與骨架上的二級碳原子相連。該梳狀聚合物骨架的分子量不小于相應(yīng)的母體聚合物骨架的分子量。
本發(fā)明的另一方面提供了一種濾水膜。這種膜包含微相分離的聚合物，該聚合物包括平均直徑小于3納米的親水區(qū)域，其中的親水區(qū)域為水的輸送提供了通道。
本發(fā)明的另一方面提供了一種濾水膜，這種膜包含微相分離的聚合物，該聚合物包括親水區(qū)域。這種膜是自支撐的。
本發(fā)明另一方面提供了一種濾水的方法。該方法包含如下步驟提供一種包含包括親水區(qū)域的微相分離的聚合物的膜，以及，允許水通過親水區(qū)域完全地穿過該膜。
本發(fā)明的另一方面提供了一種制品，該制品包含具有疏水骨架的接枝共聚物。骨架重復(fù)單元中包含一個與鹵素原子直接相連的二級碳原子。該制品也包含多個與骨架上的二級碳原子相連的親水側(cè)鏈。梳狀聚合物骨架的分子量不小于對應(yīng)的母體聚合物骨架的分子量。這種制品對于細(xì)胞和蛋白質(zhì)吸附具有抗性，從而使得制品所吸附的蛋白質(zhì)少于對應(yīng)母體聚合物所吸附蛋白質(zhì)的90％。在另一個實施方案中，該多個側(cè)鏈包含塑化劑，從而使得該梳狀聚合物的玻璃轉(zhuǎn)變溫度要比對應(yīng)的母體聚合物的玻璃轉(zhuǎn)變溫度低至少5℃。在又一個實施方案中，這種制品進(jìn)一步包含了與細(xì)胞相連的配體(cell-binding ligands)，其與接枝共聚物的1-100％的親水側(cè)鏈相連。
本發(fā)明另一方面提供了包含接枝共聚物的制品。該接枝共聚物包含一個骨架，該骨架中包含聚砜或聚碳酸酯衍生物。所述制品中進(jìn)一步包含了親水側(cè)鏈，其與骨架中的氧亞苯基(oxyphenylene)單元直接相連。接枝共聚物骨架的分子量不小于對應(yīng)的母體聚合物骨架的分子量。
如果將本發(fā)明下述的詳細(xì)描述和相應(yīng)的附圖結(jié)合起來考慮，那么本發(fā)明其他的優(yōu)點、新特征和目的將會變得更加明顯。附圖是示意性的，并非按比例繪制。在這些圖中，出現(xiàn)在許多幅不同的圖之中的每一個相同或基本相同的部分，都用一個數(shù)來表示。如果對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員理解本發(fā)明來說并不必要，那么為了更加清楚，并非每幅圖中的每一個部分都被標(biāo)了出來，也不是每一個實施例中的每一個部分都被表示了出來。
圖2表示通過ATRP合成PVDF-g-POEM的方案；圖3表示(a)PVC和(b)PVDF-g-POEMb的1H NMR譜圖和化學(xué)結(jié)構(gòu)，其中標(biāo)為sn的共振是由氘化硝基苯所產(chǎn)生的溶劑峰；圖4表示(a)PVDF250K和(b)PVDF-g-POEM9的1H NMR譜圖，其中標(biāo)為sn的共振是由氘化DMF所產(chǎn)生的溶劑峰，標(biāo)為ht和hh的共振分別是由頭-尾和頭-頭PVDF重復(fù)單元所產(chǎn)生的；在每一個PVDF重復(fù)單元上的一個或兩個氟原子作為單體加成的起始點(b，插入的化學(xué)結(jié)構(gòu))；圖5表示(a)PVDF250K，和(b)PVDF-g-POEMb的母體聚合物的GPC結(jié)果，結(jié)果(c)是PVDF-g-POEMb，隨后在大體積的水中抽提48小時；使用PMMA為標(biāo)準(zhǔn)校正分子量標(biāo)度。
圖6表示PVDF、PVDF-g-POEMb和PVDF-g-PMAA的差式掃描量熱(DSC)分析的結(jié)果。
圖7表示用四氧化釕染色的PVDF-g-POEM的TEM圖像；圖8表示(a)PVDF250K，(b)PVDF-g-PtBMA和(c)PVDF-g-PMAA的1H NMR譜圖，其中標(biāo)為sn的共振是由氘化DMF所產(chǎn)生的溶劑峰；由PtBMA向PMAA的定量水解，通過(c)中t-丁基峰b的消失以及酸質(zhì)子峰e的出現(xiàn)而加以確認(rèn)；圖9表示(a)PVDF250K，和(b)PVDF-g-PMAA的母體聚合物的凝膠滲透色譜(GPC)的結(jié)果；使用PMMA為標(biāo)準(zhǔn)校正分子量標(biāo)度；


圖10表示作為接枝共聚物含量的函數(shù)的表面氮原子百分比，由XPS在基于PVC的鑄態(tài)(as cast)薄膜(實心符號)和基于PVDF的膜(空心符號)的表面上測得，所用樣品在20℃下在含有10.0克/升牛血清清蛋白的溶液中溫育了24小時；圖11表示細(xì)胞的形態(tài)，這些細(xì)胞在由(a)純的PVC，(b)PVC加10wt％PVC-g-POEMb和(c)純的PVC-g-POEMb所構(gòu)成的鑄態(tài)薄膜，以及由(d)純的PVC，(e)PVC加10wt％PVC-g-POEMb和(f)純的PVC-g-POEMb所構(gòu)成的高壓滅菌薄膜上溫育了24小時；將樣品浸于去離子水中，在121℃下高壓滅菌6小時；按箭頭標(biāo)示擴(kuò)散的或正在擴(kuò)散的細(xì)胞；放大倍數(shù)10X；圖12表示在(a)鑄態(tài)條件下，(b)浸于去離子水中的同時121℃高壓滅菌6小時的純PVC薄膜的高分辨率的C 1s XPS譜圖；圖13表示(a)純的PVDF膜，(b)純PVDF-g-POEMb的蒸發(fā)鑄態(tài)薄膜，(c)含有5wt％PVDF-g-POEMb的膜，及(d)含有10wt％PVDF-g-POEMb的膜的擬合的C 1s包絡(luò)線；對于(b)、(c)和(d)，計算得出的體積和表面組成根據(jù)POEM的重量比標(biāo)出；對于(b)，表面組成是兩個樣品的平均值；圖14表示(a)純的PVDF膜，(b)純PVDF-g-PMAA的蒸發(fā)鑄態(tài)薄膜，及(c)含有10wt％PVDF-g-PMAA的膜的擬合的C 1s包絡(luò)線；對于(b)和(c)，計算得出的體積和表面組成根據(jù)PMAA的重量比標(biāo)出；對于(b)，表面組成是兩個樣品的平均值；圖15表示在通過含有PVDF-g-PMAA的膜時流量的pH依賴性，對具有體積組成10wt％PVDF-g-PMAA的在水中121℃高壓滅菌1小時的純凈的PVDF膜，以緩沖溶液流量對pH作圖；及圖16表示在通過高壓滅菌的純PVDF膜及具有體積組成10wt％PVDF-g-PMAA的高壓滅菌的膜時，緩沖溶液流量的pH響應(yīng)可逆性，此時使用的pH在8和2之間交替；每一個半循環(huán)由1分鐘的平衡過濾和后續(xù)的第二個1分鐘的重量流量測定所構(gòu)成。
詳細(xì)描述本發(fā)明涉及通過受控自由基過程制備接枝聚合物的方法。該制備方法還包括一個單步合成過程。本發(fā)明也提供了包含接枝聚合物的制品，其中，一種親水性物質(zhì)被接枝到疏水聚合物上，從而提供了一種制備具有生物相容性的生物醫(yī)學(xué)器件的方法。此處描述的其他接枝共聚物是微相分離的，具有由接枝上去的親水性物質(zhì)所形成的親水區(qū)域。此類共聚物可以用于制備新型濾水膜材料，其中的親水區(qū)域為水通過該膜提供了主要的運(yùn)輸模式。
本發(fā)明的一方面提供了接枝共聚物的一種簡單易行的合成方法。“接枝”涉及預(yù)備一種在部分或全部重復(fù)單元上都有反應(yīng)活性部位的母體聚合物，以及將待接枝的物質(zhì)(也稱為共聚單體)在反應(yīng)活性部位上加成到母體聚合物上。由母體聚合物得到的接枝共聚物可以用于生產(chǎn)具有某些特殊性質(zhì)而同時又保留了母體聚合物優(yōu)良特性的材料。
本發(fā)明提供了一種接枝反應(yīng)，可以在一個合成步驟中進(jìn)行，而且基本上不會形成那些不想要的物質(zhì)，例如均聚物和鏈降解產(chǎn)物，而這些可能會在不受控的自由基反應(yīng)中產(chǎn)生。在一個實施方案中，該方法涉及原子轉(zhuǎn)移自由基聚合反應(yīng)(ATRP)，這是一種受控的自由基聚合反應(yīng)。由于在反應(yīng)中，自由基的濃度保持較低并且主要集中于母體聚合物上，阻止了大量不想要的反應(yīng)的發(fā)生，因此該反應(yīng)是受控的。已經(jīng)給出了沒有均聚物形成的證據(jù)，例如，在分子量的討論中或者實施例1中。
雖然此前已經(jīng)有人將ATRP技術(shù)用于制備接枝共聚物，但一般認(rèn)為，母體聚合物需要反應(yīng)活性很強(qiáng)的基團(tuán)作為活性部位。對于很多聚合物而言，與二級碳原子直接相連的鹵素原子(如氯或氟)和乙烯基直接反應(yīng)是比較難的。因此，此前的ATRP接枝反應(yīng)包括一個附加的步驟，即用反應(yīng)活性更強(qiáng)的基團(tuán)取代二級鹵素原子，例如用氯代乙酸酯基團(tuán)。例如，Paik等人(大分子快訊(Macromolecules Rapid Communications)1998，19，47)報道了將苯乙烯和不同的甲基丙烯酸甲酯側(cè)鏈接枝到基于聚氯乙稀的宏引發(fā)劑上(macroinitiator)，其中，宏引發(fā)劑被修飾以引入活性的氯代乙酸酯基團(tuán)作為單體ATRP聚合反應(yīng)的活性部位。實際上，Paik等人曾說過“PVC骨架上的二級氯原子結(jié)合的過于緊密，以至于不能通過與Cu(I)復(fù)合物反應(yīng)而引發(fā)聚合”。
本發(fā)明的方法涉及提供一種催化劑，該催化劑包含至少能與一個配體進(jìn)行配位的過渡金屬鹵化物。該方法還涉及通過催化劑引發(fā)在乙烯基和母體聚合物之間進(jìn)行的反應(yīng)，其中，該母體聚合物所包含的重復(fù)單元中包括一個二級鹵素原子(也就是與二級碳原子相結(jié)合的鹵素原子)。在一個實施方案中，該重復(fù)單元包括該聚合物骨架?！肮羌堋笔侵妇酆衔镏凶铋L的連續(xù)的鍵鏈。在這個實施方案中，該重復(fù)單元包括位于骨架上的二級碳原子，在骨架上，該二級碳原子與鹵素原子相結(jié)合。因此，本發(fā)明可以直接使用具有二級鹵素原子的聚合物，而不需要進(jìn)行額外的步驟以便用反應(yīng)活性更強(qiáng)的離去基團(tuán)取代鹵素原子。
圖1為按照本發(fā)明通過ATRP制備接枝共聚物的總體方案，大致描述了將一個乙烯基單體加成到聚合物重復(fù)單元(表示為[R-X])上的“活化-增長-失活”的過程?！癛”是一個二級碳原子，X是一個鹵素原子，也就是說，X是一個二級鹵素原子?！癛”可以與兩個鹵素原子結(jié)合，或者與一個鹵素原子及另一種原子或基團(tuán)相結(jié)合。為了清楚起見，此處只表示出了一個R-X鍵。乙烯基單體可以與另一個有機(jī)基團(tuán)R’相結(jié)合。過渡金屬鹵化物催化劑表示為M+ZXn，配體表示為“Lm”，此處，與過渡金屬鹵化物配位的配體L，可以包含一個二或多配位基的配體(m＝1)，或一個或多個單配位基的配體，這要取決于具體的過渡金屬鹵化物。在一個實施方案中，配體包含至少一個氮供電子原子，并且，優(yōu)選的是，該氮供電子原子能夠與過渡金屬發(fā)生相互作用。
在活化步驟中，R-X鍵被活化，產(chǎn)生了一個以碳為中心的自由基[R’]以及氧化金屬復(fù)合物[M+(Z+1)Xn+1]。在增長步驟中，自由基可以和乙烯基單體發(fā)生反應(yīng)。在失活步驟中，聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)樾菝郀顟B(tài)的、鹵素封端的鏈。
與標(biāo)準(zhǔn)的自由基技術(shù)相比，ATRP合成的優(yōu)點在于休眠狀態(tài)和活化狀態(tài)的鏈末端分子之間的平衡強(qiáng)烈地傾向于休眠狀態(tài)的分子。因此，在整個聚合過程中，自由基的總濃度是受控制的，并且始終處于較低的濃度。終止和鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)發(fā)生的可能性更小了，而在標(biāo)準(zhǔn)的自由基聚合中，終止和鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)導(dǎo)致了不受控的鏈分枝、交聯(lián)及多分散性增大。但是，由于聚合反應(yīng)按照自由基機(jī)理進(jìn)行，因此ATRP的進(jìn)行不像活性離子聚合那樣對于試劑純度有嚴(yán)格要求。
產(chǎn)物是接枝共聚物，包含共價連接于母體聚合物上的共聚單體。在一個實施方案中，該接枝共聚物包含與母體聚合物相同的骨架。接枝共聚物與母體聚合物的區(qū)別在于在接枝共聚物中，在活性位點處有多個從骨架上伸出來的側(cè)鏈。如果活性位點在母體上每隔一定距離有規(guī)律的出現(xiàn)，則接枝共聚物中的側(cè)鏈也基本上每隔一定距離有規(guī)律的出現(xiàn)。這類接枝共聚物像一把梳子，因此也稱為“梳狀聚合物”。在一個實施方案中，該梳狀聚合物是兩親性的，也就是說，該聚合物的一部分是疏水的，而另一部分是親水的。優(yōu)選地，該接枝共聚物有親水性(極性)側(cè)鏈和疏水性(非極性)骨架。
在一個實施方案中，該接枝共聚物骨架的分子量不小于母體聚合物骨架的分子量。因為此前的通過不受控自由基反應(yīng)形成的接枝共聚物會產(chǎn)生鏈降解，降解產(chǎn)物的骨架長度比母體聚合物的骨架要小(也就是說，分子量要低一些)。本發(fā)明的方法不會產(chǎn)生此類降解產(chǎn)物，接枝共聚物骨架的分子量通常至少與母體聚合物骨架的分子量相等。
在一個實施方案中，乙烯基作為親水鏈的一部分，也就是說，乙烯基共價連接到親水性物質(zhì)(例如圖1中的R’)上。因此，本方法提供了一種簡單易行的途徑，可以將親水性物質(zhì)直接連接到聚合物上，特別是將親水鏈連接到疏水性聚合物或制品上。
例如，親水鏈可以包含聚環(huán)氧乙烷(PEO)。已經(jīng)熟知，PEO具有抗蛋白質(zhì)吸附的能力，這是因為它具有親水性，有較強(qiáng)的參與形成氫鍵的傾向，有較大的排除體積(excluded volume)，并且它在水溶液中可以和周圍的水分子的獨(dú)特配位。表面接枝的PEO已經(jīng)用于制備不易抗油和蛋白質(zhì)結(jié)垢的超濾膜。優(yōu)選的是，PEO具有至少5個環(huán)氧乙烷單元。該方法可以將較小的PEO寡聚物或者更大分子量的聚合物加成到母體聚合物的骨架上。包含連接在PEO上的乙烯基的親水鏈的實例有聚氧乙烯甲基丙烯酸酯(polyoxyethylene methacrylate，POEM)，聚甲基丙烯酸乙二醇酯，聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯[poly(ethylene glycol)methyl ether methacrylate]，聚甲基丙烯酸羥乙基酯，聚丙烯酸羥乙基酯，水解的聚甲基丙烯叔丁基酸酯，水解的聚丙烯酸叔丁基酯，聚丙烯酰胺，聚N-乙烯吡咯烷酮，聚氨基苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲基磺?；蚁┗poly(methyl sulfonyl ethylmethacrylate)]，以及包含其組合的共聚物。
圖2給出了通過ATRP合成PVDF-g-POEM的示意圖。合成過程包括將POEM直接(也就是沒有中間連接物)加成到含有二級鹵素原子的母體聚合物上。聚偏氟乙烯(PVDF)的每一個重復(fù)單元中都含有兩個與一個二級碳原子相連的氟原子。PVDF與POEM的反應(yīng)，是由與一個二配位基氮-供體配體，聯(lián)吡啶(bipyridine，bpy)配位的過渡金屬鹵化物CuCl所引發(fā)的。從PVDF中去掉一個氟原子后，產(chǎn)生了以二級碳原子為中心的自由基，同時過渡金屬被氧化。POEM在活性碳位點處加成，使得POEM直接連在二級碳原子上。
在圖2中，接枝了POEM的PVDF聚合物被稱為聚(偏氟乙烯)-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯(PVDF-g-POEM)，包括共聚物，其中，在至少一部分二級碳原子上的一個或兩個氟原子被POEM所代替。其他接枝聚合物的實例包括聚氯乙烯-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯(PVC-g-POEM)，氯化聚丙烯-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯(cPP-g-POEM)。并不是每個重復(fù)單元都要與乙烯基反應(yīng)。但是，在很多應(yīng)用中，覆蓋上高密度的接枝共聚物是較好的。
很多聚合物可以大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，而且，由于它們具有機(jī)械、熱學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性，因此它們也被用于制造各種制品。但是，這些聚合物是疏水的，從而使得它們在很多情況下不能使用，除非對其進(jìn)行預(yù)處理。通常，該預(yù)處理涉及用一種物質(zhì)對制品進(jìn)行涂敷，使得制品適于在某些情況下使用。因此，本發(fā)明的一個特征是，這些聚合物可以通過此處描述的接枝法使其變?yōu)橛H水性的。其他可能的母體聚合物包括聚(氯乙烯)，聚(偏氯乙烯)，聚(溴乙烯)，聚(偏氟乙烯)，聚(偏氯乙烯)-co-氯乙烯(“-co-”表示共聚物)，氯化聚(氟乙烯)，氯化聚(氯乙烯)，氯化聚乙烯，聚(氟乙烯)，聚(四氟乙烯)，聚(1，2二氟乙烯)，聚(氯三氟乙烯)，以及包含其組合的共聚物，例如聚(氯乙烯-co-異丁基乙烯基醚)，聚(氯乙烯-co-丙烯酸乙烯基酯)，聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)，聚(氯乙烯-co-丙烯酸乙烯基酯-co-馬來酸)，聚(偏氯乙烯-co-丙烯酸甲酯)，等等。
本發(fā)明的另一方面提供了一種包含微相分離的梳狀聚合物的制品。該梳狀聚合物包含的骨架重復(fù)單元包括一個二級碳原子。該聚合物中的多個二級碳原子與親水側(cè)鏈直接相連。如前所述，“直接相連”表示在骨架的二級碳原子和親水側(cè)鏈之間，沒有任何中間原子或基團(tuán)?！拔⑾喾蛛x”表示第一種成分(例如該梳狀聚合物的骨架)和化學(xué)上不相似的第二種成分(例如該梳狀聚合物的側(cè)鏈)之間的相分離。在本發(fā)明的制品中，親水區(qū)域是由側(cè)鏈形成的，也就是說，所產(chǎn)生的多個親水側(cè)鏈可以聚集形成親水區(qū)域，這些親水區(qū)域分散于包含骨架的疏水區(qū)域之中。區(qū)域的大小是由側(cè)鏈的大小以及在骨架上的間隔所決定的，如果這些數(shù)值已知，那么本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以確定區(qū)域的大小。在一個實施方案中，親水區(qū)域的平均直徑小于約3納米，優(yōu)選小于約2納米，更優(yōu)選小于約1納米。
本發(fā)明中梳狀聚合物的實例包括接枝共聚物，包括任何與此前討論的由母體聚合物和親水鏈得到的這類接枝共聚物。
本發(fā)明的另一方面提供了一種包含具有疏水骨架的梳狀聚合物的物品。一個骨架重復(fù)單元包含與鹵素原子直接相連的二級碳原子，也就是說，重復(fù)單元包括一個二級鹵素原子。該梳狀聚合物進(jìn)一步包含了多個親水側(cè)鏈，其中每一個側(cè)鏈都與二級碳原子相連。在一個實施方案中，該梳狀聚合物中至少約5mol％的二級碳原子與親水側(cè)鏈相連。根據(jù)混合物的組成，至少約10mol％、25mol％、50mol％、75mol％、90mol％、甚至幾乎全部的二級碳原子都與親水側(cè)鏈相連。
該梳狀聚合物骨架的分子量不小于對應(yīng)的母體聚合物骨架的分子量。在一個實施方案中，這種梳狀聚合物骨架的分子量可以通過前述的任何方法獲得，優(yōu)選通過在母體聚合物上進(jìn)行ATRP合成。一項檢測構(gòu)成制品的梳狀聚合物是否被本發(fā)明所包括的篩選測試，包含檢測聚合物的絕對分子量(例如，通過本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知的光散射技術(shù))，以及使用NMR方法檢測聚合物的總體化學(xué)組成以及與二級碳原子相結(jié)合的親水側(cè)鏈之間連接的化學(xué)性質(zhì)，也就是說，是否存在直接連接，這一點是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知的。
這方面包括此處描述的任何骨架、親水側(cè)鏈及接枝共聚物。在一個實施方案中，該聚合物是微相分離的，并且可以具有包含前述組成和尺寸的親水區(qū)域。
本發(fā)明還有一個特征是發(fā)現(xiàn)濾水膜可以由本發(fā)明的接枝共聚物來制備。濾水膜允許水(透膜物)穿過膜，而阻止目標(biāo)物質(zhì)(滯留物)穿過膜。從細(xì)菌或其他微生物到蛋白質(zhì)、鹽和其他離子性物質(zhì)的溶質(zhì)可以被濾出。
濾膜可以分為有孔膜和無孔膜。在有孔膜中，運(yùn)輸壁壘是基于透膜物和滯留物大小的不同。在無孔膜中，例如那些用于反滲透的，物質(zhì)是通過在膜材料中的溶解度和/或擴(kuò)散率來加以分離的。對于無孔膜和有孔膜的納米過濾，膜材料和透膜物、也就是水之間較差的化學(xué)親和性可能會抑制透膜物的滲透性。因此，具有最好的機(jī)械、熱學(xué)和化學(xué)性質(zhì)的疏水聚合物，在制造此類膜的時候用處并不大，因為它們是不可浸潤的，因此不允許水透過膜。由于這個原因，在制備反滲透和納米過濾膜的時候，使用了更多的親水聚合物，例如醋酸纖維素和聚酰胺。但是，這些材料表現(xiàn)出了相對較差的熱學(xué)和機(jī)械性質(zhì)，并且很容易發(fā)生化學(xué)降解或在水環(huán)境中水解。
為了克服這些缺陷，制備了薄膜式復(fù)合膜，其中，在疏水多孔膜的表面涂敷了親水涂層，其中的疏水的多孔膜起到了機(jī)械支撐的作用。為獲得適于RO應(yīng)用的膜，Kim等人(J.MembraneSci.2000，165，pp.189-199)通過在多孔聚砜膜表面進(jìn)行界面聚合，制備了包含聚(氨基苯乙烯)的表面涂層。Nunes等人(J.Membrane Sci.1995，106，49)溶液涂敷的多孔PVDF膜與聚醚-b-聚酰胺共聚物(b＝嵌段)，以創(chuàng)造一種能夠保留少至1500克/摩爾的溶質(zhì)的無孔表面涂層。但是，此類薄膜式復(fù)合膜的缺點是，膜分離表面的有效過濾面積被限制在包含支撐膜表面的孔在內(nèi)的表面面積，通常小于總面積的10％。而且，涂層的應(yīng)用除了需制備支撐膜以外，還需要好幾個額外的加工步驟，大大增加了制造成本。最后，有人發(fā)現(xiàn)Nunes等人的涂層會在酸性或堿性溶液中降解。
因此，本發(fā)明的另一方面提供了一種濾水膜，包含微相分離的聚合物，該聚合物包括小于約3納米、優(yōu)選小于約2納米(例如用于反滲透的)并且更優(yōu)選小于約1納米的親水區(qū)域。本發(fā)明的一個特征是由于對水的化學(xué)親和性，親水區(qū)域提供了水的輸送通道，這有助于水的輸送，使之優(yōu)先于滯留物。
本發(fā)明優(yōu)于薄膜式復(fù)合膜的一個優(yōu)點是橫跨膜表面區(qū)域的親水區(qū)域參與了透膜物(也就是水)的輸送。在理想的情況下，親水區(qū)域提供了所有的輸送通道，但實際上，膜上可能有小孔或其他缺陷，允許水從中穿過。在一個實施方案中，親水區(qū)域提供了水的主要輸送模式，也就是至少50％的輸送通道，優(yōu)選的是至少90％的輸送通道，較為優(yōu)選的是至少95％的輸送通道，更為優(yōu)選的是至少99％的輸送通道。
微相分離的聚合物可以是接枝共聚物，優(yōu)選的是梳狀聚合物，按照此處描述的方法制備。例如，該接枝共聚物可以通過ATRP制備。如果殘余量的過渡金屬鹵化物催化劑保留在接枝共聚物中，就可以通過對已完成的膜進(jìn)行熱處理，很容易地實現(xiàn)疏水區(qū)域的交聯(lián)，進(jìn)一步提高穩(wěn)定性。
可以通過膜孔的形態(tài)和親水區(qū)域的大小能有效地控制水輸送的選擇性。對于指定的過濾用途而言，親水區(qū)域的最佳大小可以通過改變梳狀聚合物的側(cè)鏈長度和/或沿接枝共聚物骨架的間隔而加以實現(xiàn)。本發(fā)明的另一個優(yōu)點是整個膜可以只通過一個步驟制造完成，即常規(guī)的浸沒沉淀方法(immersion precipitationprocess)。本發(fā)明的膜的另一個優(yōu)點是與通過溶液涂敷方法制備的薄膜式復(fù)合膜相比，本發(fā)明的膜穩(wěn)定性有所提高。
在一個實施方案中，該膜進(jìn)一步包含了提供了機(jī)械、化學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性的疏水區(qū)域。
在一個實施方案中，該膜完全是由包括親水區(qū)域的微相分離的聚合物制備的，也就是說，它是“自支撐”的(參見下面的關(guān)于“自支撐”的討論)。在另一個實施方案中，該“自支撐”的膜可以包含微相分離的聚合物和至少一種其他聚合物的混合物。此處的其他聚合物優(yōu)選為疏水聚合物，其實例包括聚(偏氟乙烯)以及其他合適的含氟聚合物，聚砜，聚醚砜，聚芳砜，等等，以及聚烯烴衍生物。
該混合物可以包含任意百分比的微相分離聚合物，只要在制造出來的膜中，膜的致密表層的主要成分是接枝共聚物即可。本發(fā)明的一個特征是，即使接枝共聚物在多孔的膜亞層中只是次要成分，接枝共聚物也可以是膜的致密表層的主要成分，因為在通過浸沒沉淀制造膜的過程中，兩親性的共聚物優(yōu)先定位于表面上。
在一個實施方案中，該微相分離的聚合物在該混合物中的存在量按重量計至少為5％。本發(fā)明的一個特征是，由于該混合物能夠表面偏析，因此微相分離的聚合物的存在量可以較小，以獲得良好的表面性質(zhì)。一種成分的表面偏析產(chǎn)生于某種熱力學(xué)驅(qū)動力，也就是說，如果兩種成分之間界面自由能的降低，多于對去混合(de-mixing)后組合熵?fù)p失的補(bǔ)償，在放熱混合的情況下，就是混合焓的損失。因此，即使只存在少量的微相分離聚合物，也可以有很大一部分聚合物占據(jù)臨近膜表面的區(qū)域。在另一個實施方案中，微相分離的聚合物在該混合物中的存在量按重量計為5％到10％。這部分小比例的聚合物在臨近表面的濃度按重量計可以為至少約20％，優(yōu)選為至少約30％，更加優(yōu)選為按重量計至少約40％。
目前，許多商品化的濾水膜包含不對稱結(jié)構(gòu)，該不對稱結(jié)構(gòu)具有相對致密的、0.1到1微米的表層，覆蓋于高度多孔的亞層上。膜的分離特性是由表層中孔的尺寸分布所決定的，同時，多孔的亞層提供了機(jī)械支持。在膜表面實現(xiàn)了分離，同時，相對較高的流量可以從較大的孔通道里通過，這些較大的孔通道包含了膜的大部分體積?？梢酝ㄟ^用親水基團(tuán)對表層進(jìn)行涂敷，在該結(jié)構(gòu)上獲得親水表面。但是，這種涂敷可能會堵塞孔道。而且，流速可能會下降，因為水要穿過好幾層。
因此，本發(fā)明的另一個方面提供了一種濾水膜，包含微相分離的聚合物。該聚合物包括親水區(qū)域。本發(fā)明的一個優(yōu)良特征是，這種膜是自“支撐的”，也就是說，這種膜不需要額外的機(jī)械支持，如同Kim等人所討論的。(見前述內(nèi)容)如前所述，微相分離的聚合物優(yōu)選能抗蛋白質(zhì)吸附并具有足夠的可浸潤性。而且，這種聚合物有足夠的特性以達(dá)到所期望的機(jī)械性質(zhì)。在一個實施方案中，這種膜可以包含微相分離的聚合物和至少一種其他聚合物的混合物。此處的其他聚合物優(yōu)選為疏水聚合物，并且可以包括上述的任何疏水聚合物。
在某些實施方案中，此處描述的任何制品都抗結(jié)垢。結(jié)垢可能是蛋白質(zhì)、細(xì)胞、或其他更大的生物物種例如微生物發(fā)生沉淀的結(jié)果。在具有了親水表面化學(xué)之后，結(jié)垢的敏感度顯著下降了。在一個實施方案中，制品抗細(xì)胞和蛋白質(zhì)吸附，從而使得制品所吸附的蛋白質(zhì)少于對應(yīng)母體聚合物所吸附蛋白質(zhì)的90％，優(yōu)選為少于對應(yīng)母體聚合物所吸附蛋白質(zhì)的50％、20％、10％或5％。通常，對應(yīng)的母體聚合物是疏水的，并允許蛋白質(zhì)和細(xì)胞沉淀。制品抗細(xì)胞和蛋白質(zhì)吸附的程度可以通過XPS測定。例如，將膜浸入含有牛血清清蛋白(BSA)的溶液中，可以檢測由于BSA吸附而具有的氮(見實施例4)。生物類例如細(xì)胞的吸附可以通過顯微鏡檢測。
雖然這些實施方案中包括了包含任何上述接枝共聚物的制品，本發(fā)明也可以包含混合物，此處的混合物包括與至少一種其他聚合物混合了的接枝共聚物。一個實例包括與PVC混合的接枝共聚物聚(氯乙烯)-g-POEM。這種混合物可以在制品的表面產(chǎn)生增強(qiáng)的蛋白質(zhì)和細(xì)胞抗性。
在本發(fā)明的一個實施方案中提供了抗蛋白質(zhì)吸附的包含聚氯乙烯(PVC)的制品。PVC是一種對于醫(yī)療器械的制造具有重要商業(yè)意義的聚合物，這類醫(yī)療器械包括IV和血袋、注射管、循環(huán)管、氣管內(nèi)導(dǎo)管、胃導(dǎo)食管、排膿管、導(dǎo)尿管及外科繃帶。但是，由于其疏水性，PVC在水溶液中容易發(fā)生蛋白質(zhì)吸附。在用于接觸血液時，蛋白質(zhì)吸附會導(dǎo)致血小板的激活和聚集，并隨之形成血栓；也會導(dǎo)致補(bǔ)體系統(tǒng)的激活，從而產(chǎn)生系統(tǒng)免疫反應(yīng)，可能會導(dǎo)致器官機(jī)能障礙。在另一些應(yīng)用中，例如PVC氣管內(nèi)導(dǎo)管，蛋白質(zhì)吸附可能會導(dǎo)致細(xì)菌感染的風(fēng)險提高。
在另一些實施方案中，此處描述的任何梳狀聚合物包含共價連接的塑化劑。在一個實施方案中，該梳狀聚合物包含多個的側(cè)鏈，例如此處描述的任何側(cè)鏈，其中包含塑化劑，從而使得該梳狀聚合物的玻璃轉(zhuǎn)變溫度比對應(yīng)母體聚合物的玻璃轉(zhuǎn)變溫度至少低5℃。在其他實施方案中，玻璃轉(zhuǎn)變溫度比對應(yīng)的母體聚合物的玻璃轉(zhuǎn)變溫度至少低約10℃、20℃、50℃或100℃。例如，在許多應(yīng)用中，如果不加入塑化劑，PVC的機(jī)械性能就達(dá)不到要求。塑化劑也改善了可加工性。由于塑化劑通常包含小分子有機(jī)化合物，因此，對于柔韌性好的、可以由多至45％的添加劑(包括塑化劑)所構(gòu)成的PVC醫(yī)療器械而言，一個問題是血液、消化液和其他與其接觸的介質(zhì)會將小分子塑化劑從中抽提出來。除了潛在的毒效應(yīng)以外，從接觸時間較長的PVC器械(例如胃導(dǎo)食管和排膿管)中泄漏的塑化劑，還可能引起器械變硬以及由此引發(fā)的對病人的傷害。
本發(fā)明另一方面提供了一種制品，包含梳狀聚合物，該梳狀聚合物包含聚(氯乙烯)骨架和親水側(cè)鏈。親水側(cè)鏈可以包含具有蛋白質(zhì)和細(xì)胞抗性的基團(tuán)。在一個優(yōu)選實施方案中，親水側(cè)鏈包含聚(環(huán)氧乙烷)，其中，此類側(cè)鏈的一個具體實例是聚氧乙烯甲基丙烯酸酯。親水側(cè)鏈的其他實例包括聚(甲基丙烯酸羥乙基酯)，聚(丙烯酸羥乙基酯)，聚丙烯酰胺，聚(N-乙烯吡咯烷酮)，聚(乙烯醇)，等等，以及包含上述任何一種的共聚物，及諸如此類。親水側(cè)鏈產(chǎn)生了提高的抗血栓性及塑化效應(yīng)。此處的接枝共聚物可以被容易地加工成工業(yè)制品。由于親水側(cè)鏈和PVC骨架之間為共價連接，因此它們不容易泄漏到生物流體中去。
雖然本發(fā)明包括基本由本發(fā)明的接枝共聚物所構(gòu)成的制品，但是本發(fā)明也可以包含一種混合物，此處的混合物包括與至少一種其他聚合物混合了的接枝共聚物。一個實例包括與PVC混合的接枝共聚物聚(氯乙烯)-g-POEM。該混合物可以在物品表面產(chǎn)生提高的蛋白質(zhì)和細(xì)胞抗性。
在某些其他實施方案中，此處描述的任何制品能夠被自發(fā)浸潤?？山櫺詫τ跒V水膜來說是一種重要的性質(zhì)。如果膜不能被浸潤，那么水就不能穿過該膜。表面的可浸潤性可以量化向表面上滴上水滴，然后測量水滴和表面之間的接觸角。疏水表面，例如純的PVDF，是不能被浸潤的，滴在純的PVDF膜上的水滴具有較大的接觸角，并且在水滴最終蒸發(fā)之前，接觸角隨時間的變化很小?？山櫟谋砻婢哂休^小的接觸角，優(yōu)選的接觸角為小于約。“自發(fā)”浸潤的能力可以通過測量水滴的接觸角達(dá)到0°所需要的時間而加以測定。本發(fā)明的膜優(yōu)選為可在不超過約5分鐘內(nèi)浸潤，優(yōu)選為不超過約3分鐘，優(yōu)選為不超過約1分鐘。
本發(fā)明另一方面提供了包含接枝共聚物的物品，包含鹵代疏水骨架和親水側(cè)鏈，具有非特異的對蛋白質(zhì)吸附和細(xì)胞的抗性，以及由于相連的生物配體而具備的特異性的細(xì)胞信號能力。此類配體包括粘連肽、細(xì)胞信號肽及生長因子。在一個實施方案中，相連的生物配體通過親水側(cè)鏈或側(cè)鏈末端，通過共價鍵直接或間接地與之相連。此類制品的實例包含接枝共聚物，該接枝共聚物具有鹵代疏水骨架和含有活性-OH基團(tuán)的親水側(cè)鏈，其中的-OH基團(tuán)作為生物配體的連接位點。具有活性-OH基團(tuán)的親水側(cè)鏈的實例包括聚(甲基丙烯酸乙二醇酯)，聚(甲基丙烯酸羥乙基酯)，及聚(乙烯醇)。本發(fā)明的生物配體的實例包括RGD和其他的粘連肽，EGF，TGF和其他的生長因子，肝素，及諸如此類。本發(fā)明的疏水骨架包括聚(偏氟乙烯)，氯化聚乙烯，聚(氟乙烯)，聚(四氟乙烯)，聚(1，2-二氟乙烯)，聚(氯三氟乙烯)，鹵化聚丙烯，鹵化聚乙烯，鹵化聚砜，鹵化聚醚砜，鹵化聚芳砜，及諸如此類，以及包含上述任何一種的共聚物。
通過下述的實例，本發(fā)明的這些實施方案以及其他實施方案的功能和優(yōu)點將會被理解的更加充分。下述的實施例用于解釋本發(fā)明的優(yōu)點，而不是用于舉例說明本發(fā)明的全部范圍。
實施例1由二級鹵素原子引發(fā)的通過ATRP的接枝共聚物合成材料聚(偏氟乙烯)(PVDF)(Mnca.107,000克/摩爾，Mwca.250,000克/摩爾)，聚(氯乙烯)(PVC)(特性粘度0.51)，氯化聚乙烯(cPE)(40wt％Cl)，POEM(Mn＝475克/摩爾)，甲基丙烯酸叔丁基酯(tBMA)，氯化亞銅(I)(CuCl)，4，4’-二甲基-2，2’-聯(lián)吡啶基-(bpy)，1，1，4，7，10，10-六甲基三乙烯四胺(HMTA)，對-甲苯磺酸(TSA)，1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，以及N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，購自阿爾德里西化學(xué)公司(Aldrich ChemicalCo.)(Milwaukee，WI)。氘化的溶劑購自VWR.。所有試劑均可直接使用。
PVC-g-POEM合成方案在一個典型反應(yīng)中，稱取PVC(5克)加入到含有特氟隆攪拌棒的錐形瓶中，將其溶于DMF(40毫升)中。再向反應(yīng)混合物中加入POEM(20毫升)、CuCl(0.06克)和HMTA(0.42克)，然后用橡膠隔膜將錐形瓶封口。邊攪拌邊向反應(yīng)混合物中吹入氬氣，使之起泡，持續(xù)15分鐘。然后立即將反應(yīng)器放入已預(yù)熱到90℃的油浴中，反應(yīng)24小時。將接枝共聚物在含有1份甲醇、1-2份石油醚及少量HCl的混合物中進(jìn)行沉淀，并通過過濾回收。將聚合物再次溶于NMP中，并在相似的甲醇/石油醚混合物中重復(fù)沉淀三次，來對其進(jìn)行純化。最后，在室溫下對聚合物進(jìn)行真空干燥過夜。
鑒定組成使用Bruker DPX 400分光計，在氘化硝基苯中通過1H核磁共振(NMR)譜對PVC及其接枝共聚物進(jìn)行鑒定。PVC和PVC-g-POEMb的1H NMR譜圖表示在圖3中。在PVC-g-POEM譜中，～4.3ppm處POEM的共振c和PVC的共振a纏結(jié)在一起。接枝上的POEM的摩爾分?jǐn)?shù)可估算為XPOEM(PVC)=137(Id+Ie+23Ie)137(Id+Ie+23Ie)+I(a+c)-23Ie---(1)]]>其中Ix為共振x的強(qiáng)度；關(guān)系式Ic=23Ie---(2)]]>是由化學(xué)計量法假定的。接枝共聚物的組成列于表1中。
表1母體聚合物和接枝共聚物的性質(zhì)接枝共聚物 Mn接觸角(°)聚合物組成 (g/mol)θadvθrecPVC - 71 700 90.282.3PVC-g-POEMa19wt％POEM 88 000 73.042.9PVC-g-POEMb50wt％POEM 143 20042.632.4PVDF - 107 00087.575.9PVDF-g-POEMa44wt％POEM 189 40065.028.5PVDF-g-POEMb67wt％POEM 323 20038.8＜5PVDF-g-PMAA 49wt％PMAA 211 300--cPE - - 96.9 84.2cPEg-POEM 49wt％POEM - 26.3 16.5cPP - 254 20096.2 93.7cPP-g-POEM48wt％POEM 490 30084.8 41.0PSf - 26 000 81.4 74.5PSf-g-POEM50wt％POEM 30 600 72.1*,52.4**53.2*,38.5**由GPC得來，以聚苯乙烯為標(biāo)準(zhǔn)物來自制造商利用方程式(3)基于1H NMR測得的組成而估算得出*接觸角測量是在PSf/10wt％PSf-g-POEM混合物上進(jìn)行的**接觸角測量是在PSf/20wt％PSf-g-POEM混合物上進(jìn)行的分子量 在30℃下，對四氫呋喃(THF)中的母體PVC及其PVC-g-POEM產(chǎn)物進(jìn)行凝膠滲透色譜(GPC)測定，使用聚苯乙烯為校正標(biāo)準(zhǔn)物。PVC的GPC結(jié)果顯示，其聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)分子量為Mn＝71,700克/摩爾，Mw＝131,500克/摩爾。PVC-g-POEMa和PVC-g-POEMb的GPC結(jié)果顯示，分子量的單峰分布分別移到了Mn＝80,900克/摩爾，Mw＝177,000克/摩爾，以及Mn＝105,100克/摩爾，Mw＝170,400克/摩爾。該單峰分布表明，沒有明顯的均聚物污染。但是，通過GPC得到的接枝共聚物產(chǎn)品的分子量，并不是它們實際分子量的良好估計值，因為具有相同分子量的線狀和枝狀聚合物，其流體動力學(xué)體積并不相同。因此，所有接枝共聚物的數(shù)量平均分子量，是根據(jù)1H NMR測得的組成而估算得出的，使用下式M‾n,graft=M‾n,base(1+xM0POEMM0base)---(3)]]>此處，Mn，base為基體聚合物的數(shù)量平均分子量，x為1H NMR測得的共聚物中POEM單元與基體聚合物重復(fù)單元的摩爾比，M0POEM和M0base分別為POEM和基體聚合物重復(fù)單元的分子量。如此計算出來的接枝共聚物的分子量列于表1中。在最后兩次沉淀后取出的共聚物等分試樣，GPC和NMR均無法分辨。
PVDF-g-POEM合成方案如上所述，在一個典型反應(yīng)中，在一個錐形瓶內(nèi)，將PVDF(5克)、POEM(50毫升)、CuCl(0.04克)和bpy(0.23克)共溶于NMP中。類似的，向反應(yīng)器中吹入氬氣，然后在90℃下反應(yīng)19小時。如上所述，在甲醇/石油醚混合物中連續(xù)進(jìn)行沉淀，對聚合物進(jìn)行回收和純化，并在室溫下進(jìn)行真空干燥過夜。
鑒定組成PVDF及其POEM接枝共聚物在氘化DMF中通過1H NMR進(jìn)行鑒定。PVDF和PVDF-g-POEMb的1H NMR譜圖表示在圖4中。由于頭-尾(ht)和頭-頭(hh)鍵排列，PVDF譜圖中有兩個明顯的峰。POEM接枝到PVDF上之后，由于PEO側(cè)鏈中的O-CHx鍵環(huán)境，在3.2-4.3ppm區(qū)域出現(xiàn)了峰。通過分析純氘化DMF，得到了溶劑峰s2和s3相對于溶劑峰s1的已知強(qiáng)度，并將溶劑峰s2和s3從譜圖中減去。然后，PVDF共聚物中POEM的摩爾分?jǐn)?shù)可以按下式計算XPOEM(PVDF)=137(Ic+Id+Ie)137(Ic+Id+Ie)+12(Ia(ht)+Ia(hh))---(4)]]>其中Ix為共振x的強(qiáng)度；PVDF及其POEM接枝共聚物的組成列于表1中。
分子量在30℃下，在含有1％硝酸鋰的DMF中，利用GPC對PVDF和PVDF-g-POEMb進(jìn)行鑒定，使用PMMA標(biāo)準(zhǔn)校正分子量標(biāo)度。兩種聚合物的GPC結(jié)果表示在圖5中。接枝反應(yīng)使得分子量顯著增加，PMMA標(biāo)準(zhǔn)分子量由PVDF250K的Mw＝1,218,300變?yōu)镻VDF-g-POEMb的Mw＝2,979,900。接枝共聚物的分子量分布為雙峰。在大體積dW(聚POEM的優(yōu)良溶劑)中抽提48小時后，GPC的結(jié)果實際上沒有變化，這表明雙峰并不是由于POEM的均聚(圖5c)。雙峰分布可能是在聚合過程中，鏈的自由基-自由基耦聯(lián)而產(chǎn)生的，這一點在前面的ATRP接枝共聚中也觀察到了，其可以產(chǎn)生多峰分子量分布。雖然此類終止反應(yīng)一般是不利的，但實施例3中表明，在PVDF膜的制造過程中，這類終止反應(yīng)并未破壞PVDF-g-POEM的表面偏析能力，表面化學(xué)非常理想。
由于線型PMMA標(biāo)準(zhǔn)物和基于PVDF的接枝共聚物的鏈柔韌性不同，以及具有相同分子量的線狀和枝狀聚合物的流體動力學(xué)半徑也不相同，因此，PMMA標(biāo)準(zhǔn)分子量并不是接枝共聚物實際分子量的準(zhǔn)確估計值。PVDF-g-POEM的數(shù)量平均分子量的更準(zhǔn)確的估計值，是根據(jù)NMR數(shù)據(jù)由方程式3得到的。如此計算出的分子量列于表1中。
熱分析使用Perkin Elmer Pyris1熱量計進(jìn)行差式掃描量熱(DSC)分析。所有試樣都要進(jìn)行預(yù)處理在210℃下保溫15分鐘，以10℃/分鐘的速度冷卻至130℃，在此溫度下保溫15分鐘，再以10℃/分鐘的速度冷卻至50℃。然后通過以10℃/分鐘的加熱速度從50℃到230℃進(jìn)行掃描，獲得DSC曲線。PVDF和PVDF-g-POEMb的DSC曲線示于中。PVDF-g-POEMb是半結(jié)晶的，與純的PVDF相比，其熔點下降了。
形態(tài)學(xué)通過透射電子顯微鏡(TEM)鑒定PVDF-g-POEMb的形態(tài)。將大量聚合物樣品置于真空電爐中，在200℃下平衡12小時。然后，使用RMC(Tucson，AZ)MT-XL超微切片機(jī)在-55℃下將其切成50納米厚的切片。將切片放于銅網(wǎng)上，用四氧化釕室溫下染色20分鐘。已經(jīng)熟知，四氧化釕可以對PEO中的醚部分進(jìn)行選擇性染色。通過JEOL 200CX顯微鏡獲得切片的TEM圖像。圖7就是這樣的一幅圖像，其中被染色了的PEO為黑色。大約為10-20埃的黑色區(qū)域在整個試樣中都有出現(xiàn)。這大概是單個9 EO單元POEM側(cè)鏈的預(yù)期大小。這些結(jié)果表明，PVDF-g-POEM產(chǎn)生了微相分離，其中單個POEM側(cè)鏈在疏水PVDF基體上形成了親水區(qū)域。
PVDF-g-PMMA合成方案在50℃下，將PVDF(5克)溶于NMP(40毫升)中。將混合物冷卻至室溫，然后加入tBMA(50毫升)、CuCl(0.041克)和bPy(0.23克)，用橡膠隔膜將反應(yīng)器封口。邊攪拌邊向反應(yīng)混合物中吹入氬氣，使之起泡，持續(xù)15分鐘。然后立即將反應(yīng)器放入已預(yù)熱到90℃的油浴中，反應(yīng)20小時。將接枝共聚物放于1∶1的水/乙醇混合物中進(jìn)行沉淀。然后將其再次溶于NMP中，并在相似的水/乙醇混合物中重復(fù)沉淀，對其進(jìn)行純化。接枝共聚物PVDF-g-PtBMA通過過濾回收，并真空干燥過夜。將PVDF-g-PtBMA(5.52克)切成約2毫米的厚塊，并浸沒于無水甲苯(300毫升)中。聚合物在溶劑中顯著膨脹，但并未溶解。向反應(yīng)器中加TSA(31克)，然后馬上用橡膠隔膜將反應(yīng)器封口，猛烈攪拌，使TSA溶解。向反應(yīng)混合物中吹入氬氣，使之起泡，持續(xù)15分鐘。然后將反應(yīng)器放入已預(yù)熱到85℃的油浴中。7小時后，將反應(yīng)混合物倒入過量甲醇(TSA的優(yōu)良溶劑)中。很大一部分聚合物仍為“厚塊”，雖然有一部分已經(jīng)分散的很細(xì)小。過濾回收聚合物，然后再將其溶于DMF中，在含有4份己烷和1份乙醇的混合物中進(jìn)行沉淀，然后再次過濾回收。為了進(jìn)一步純化聚合物，將聚合物放于大體積的THF(聚合物在其中膨脹，但并不溶解)中攪拌過夜，再次在己烷/乙醇混合物中沉淀。最后，接枝共聚物PVDF-g-PMAA在室溫下進(jìn)行真空干燥過夜。
鑒定組成PVDF、PVDF-g-PtBMA和PVDF-g-PMAA在氘化DMF中通過1H NMR進(jìn)行鑒定。聚合物的NMR譜圖表示在圖8中。tBMA接枝到PVDF上之后，由于t-丁基質(zhì)子，在1.5ppm處出現(xiàn)了一個峰。盡管水解反應(yīng)具有不均一性，但PtBMA側(cè)鏈水解成PMAA的反應(yīng)還是定量的，這一點可從t-丁基峰的完全消失看出來。由于羧酸質(zhì)子，PVDF-g-PMAA的譜圖也在12.6ppm處有一個共振。PVDF-g-PtBMA和PVDF-g-PMAA的組成均可由它們的NMR譜圖計算出來。在這兩種情況下，通過對純氘化DMF進(jìn)行NMR分析，得到了溶劑共振s3相對于溶劑峰s1的已知強(qiáng)度，并將溶劑共振s3減去。PVDF-g-PtBMA之中tBMA的摩爾分?jǐn)?shù)可以根據(jù)圖8b按下式計算出來,XtBMA=Ib9Ib9+12(Ia(ht)+Ia(hh))---(5)]]>其中Ix為圖8中共振x的強(qiáng)度。類似地，PVDF-g-PMAA之中MAA的摩爾分?jǐn)?shù)可以根據(jù)圖8c按下式計算出來XMAAt=IeIe+12(Ia(ht)+Ia(hh))---(6)]]>計算出的數(shù)值分別為，XTbma＝0.403，XMAA＝0.438。這兩個值符合的很好，這充分表明水解反應(yīng)是有選擇性的，是定量的，并且共聚物水解后的大部分甲基丙烯酸單元是質(zhì)子化的。表1中報道的PVDF-g-PMMA的組成，是將上述的兩個摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行平均而得到的。
分子量在30℃下，使用PMMA標(biāo)準(zhǔn)物，在含有1％硝酸鋰的DMF中，對PVDF-g-PMAA進(jìn)行GPC。PVDF和PVDF-g-PMAA的GPC結(jié)果表示在圖9中，可以看出，接枝反應(yīng)使得分子量顯著增加。與PVDF-g-POEM不同，PVDF-g-PMAA的分子量分布是單峰的，這表明均聚和自由基-自由基耦聯(lián)反應(yīng)均未發(fā)生。與上述的PVDF-g-POEM相似，PVDF-g-PMAA的數(shù)量平均分子量的更準(zhǔn)確的估計值，是根據(jù)NMR數(shù)據(jù)由一個與方程式3相似的方程式得到的。這樣計算出的分子量列于表1中。
熱分析按照上述的對PVDF-g-POEMb進(jìn)行操作的方法，對PVDF-g-PMAA進(jìn)行DSC測量。純的PVDF和PVDF-g-PMAA的DSC曲線示于圖6中。PVDF-g-PMAA是半結(jié)晶的，與純的PVDF相比，其熔點稍微有所下降。
cPE-g-POEM合成方案如上所述，在一個錐形瓶內(nèi)，將cPE(5克)、POEM(50毫升)、CuCl(0.04克)和HMTA(0.23克)溶于NMP中。類似地，向反應(yīng)器中吹入氬氣，然后在90℃下反應(yīng)24小時。在甲醇/石油醚混合物中連續(xù)進(jìn)行沉淀，對聚合物進(jìn)行回收和純化。
鑒定cPE及其接枝共聚物在氘化DMF中通過1H NMR進(jìn)行鑒定。cPE的1H NMR譜圖中，在0.8-2.3ppm(C-CHx)區(qū)域出現(xiàn)了多個峰。POEM接枝到cPE上之后，在3.2-4.3ppm(O-CHx)區(qū)域出現(xiàn)了一些清晰的峰，這些峰與在PVC和PVDF的POEM接枝共聚物中觀察到的峰完全相似。在按照純氘化DMF的NMR譜圖所得到的數(shù)據(jù)將溶劑峰減去之后，cPE-g-POEM之中的POEM的摩爾分?jǐn)?shù)可以根據(jù)O-CHx和C-CHx共振的總強(qiáng)度之比粗略地估算出來。這樣得到的組成的估算值列于表1中。
實施例2薄膜涂層材料氯化聚丙烯(cPP)(全同立構(gòu)的，26wt％Cl)，聚砜(PSf)(Mnca.26,000克/摩爾)，氧化鋅(ZnO)以及氯甲基醚，購自阿爾德里西化學(xué)公司(Aldrich Chemical Co.)(Milwaukee，WI)。氯仿和氘化溶劑購自VWR.。(十三氟-1，1，2，2-四氫辛基)-1-二甲基氯代硅烷從格雷斯特公司(Gelest，Inc.)(Britol，PA)獲得。細(xì)胞培養(yǎng)試劑購自吉布科(Gibco)。所有試劑均可直接使用。
額外接枝共聚物的合成cPP-g-POEM合成方案如上所述，在一個錐形瓶內(nèi)，將cPP(5克)、PEOM(50毫升)、CuCl(0.04克)和HMTA(0.23克)溶于NMP中。類似地，向反應(yīng)器中吹入氬氣，然后在90℃下反應(yīng)48小時。在甲醇/石油醚混合物中連續(xù)進(jìn)行沉淀，對聚合物進(jìn)行回收和純化。
鑒定cPP及其接枝共聚物在氘代苯中通過1H NMR進(jìn)行鑒定。cPP的1H NMR譜圖中，在0.8-2.3ppm(C-CHx)區(qū)域和3.3-4.5(C-CHxCl)區(qū)域出現(xiàn)了多個峰。POEM接枝到cPP上之后，在3.2-4.3ppm(O-CHx)區(qū)域出現(xiàn)了一些清晰的峰，這些峰與在PVC和PVDF的POEM接枝共聚物中觀察到的峰完全相似。對于cPP-g-POEM，POEM的摩爾分?jǐn)?shù)可以根據(jù)O-CHx和C-CHx共振的總強(qiáng)度之比粗略地估算出來。這樣得到的組成的估算值列于表1中。
PSf-g-POEM合成方案首先，將購得的含有氧亞苯基(oxyphenylene)重復(fù)單元的PSf改性，通過親電置換引入側(cè)基氯甲基。向ZnO(1.2克)的氯甲基甲醚(12克)溶液中，逐滴加入PSf(6克)的氯仿(40毫升)溶液。在40℃回流3-5小時后，通過在甲醇和水中連續(xù)沉淀對聚合物進(jìn)行回收和純化。如上所述，在一個錐形瓶內(nèi)，將獲得的聚合物PSf-CH2Cl(5克)、POEM(50毫升)、CuCl(0.04克)和HMTA(0.23克)溶于NMP中。類似地，向反應(yīng)器中吹入氬氣，然后在90℃下反應(yīng)19小時。在甲醇/石油醚混合物中連續(xù)進(jìn)行沉淀，對聚合物進(jìn)行回收和純化。
鑒定PSf、PSf-CH2Cl及PSf-g-POEM在氘代氯仿中通過1H NMR進(jìn)行鑒定。PSf的1H NMR譜圖中，在0.8-3.2ppm(C-CHx)區(qū)域和6.8-8.0(芳香族C-H)區(qū)域出現(xiàn)了多個峰。向PSf中加入氯后，在PSf-CH2Cl的1H NMR譜圖中，產(chǎn)生了4.5(C-CHxCl)附近的峰。POEM接枝到PSf-CH2Cl上之后，在3.2-4.3ppm(O-CHx)區(qū)域出現(xiàn)了一些清晰的峰，這些峰與在PVC和PVDF的POEM接枝共聚物中觀察到的峰完全相似。對于PSf-g-POEM，POEM的摩爾分?jǐn)?shù)可以根據(jù)O-CHx和芳香族C-H共振的峰強(qiáng)度之比粗略地估算出來。這樣得到的組成的估算值列于表1中。
薄膜的制備將PVC、PVDF、cPE、cPP、PSf及它們相應(yīng)的POEM接枝衍生物分別溶于合適的溶劑中，得到含有重量百分比為2-3％的聚合物的溶液。同時，將PVC和PVC-g-POEM共溶，以制備含有5，10，20，40以及60wt％的PVC-g-POEM的聚合物混合物。使用的溶劑為THF(PVC和cPP及它們的共聚物)、甲苯(cPE及其共聚物)、氯仿(PSf及其共聚物)以及甲基乙基酮(80℃，PVDF及其共聚物)。在2000rpm下，將薄膜旋轉(zhuǎn)涂敷在硅晶片(PVDF，PSf，cPE和cPP)或者玻璃包片(coverslips)(PVC)上。為了增強(qiáng)PVDF均聚物與氧化硅表面的附著性，有必要使用氟化氯代硅烷，(十三氟-1，1，2，2-四氫辛基)-1-二甲基氯代硅烷對基片進(jìn)行表面修飾。30℃下，將基片浸沒在氯代硅烷的2wt％的乙醇溶液中10分鐘，然后在空氣中于110℃下進(jìn)行10分鐘的固化，從而將氯代硅烷共價耦聯(lián)在該表面上。將薄膜在真空中放置過夜，除去所有殘余溶劑。將一部分基于PVC的薄膜浸沒在去離子水(dW，Millipore Milli-Q，18.2MΩcm)中，在121℃下進(jìn)行高壓滅菌。這種處理意在模擬對一些PVC醫(yī)療器械進(jìn)行的高壓滅菌。
薄膜的特性接觸角測量使用去離子水對薄膜進(jìn)行前進(jìn)和后退接觸角的測量(先進(jìn)表面技術(shù)公司(Advanced SurfaceTechnologies，Inc.)，VCA2000)。
X-光光電子分光鏡(XPS)應(yīng)用XPS測量薄膜近表面組成。XPS實施條件如下表面科學(xué)儀器(Surface Science Instruments)SSX-100分光計(Mountain View，CA)，使用單色的Al Kαx-射線(hv＝1486.7eV)，其發(fā)射角度(takoff anlge)相對樣品平面45度。首先應(yīng)用結(jié)合能范圍在0-1000eV的粗查光譜(survey spectra)，然后應(yīng)用C 1s區(qū)域的高分辨率光譜。C 1s區(qū)域的峰擬合是通過線性地扣除背景，并且按照Gaussian-Lorentzina sum函數(shù)描述的C 1s各個組成的包絡(luò)線來進(jìn)行的，Gaussian-Lorentzina sum函數(shù)參見先前文章(Hester，J.F.；Banerjee，P.；Mayes，A.M.大分子(Macromolecules)1999，32，1643)。
靜態(tài)蛋白吸附測量 為了研究由PVC和PVC-g-POEM所構(gòu)成的混合物的蛋白質(zhì)抗性，將基于PVC的薄膜浸沒在含有牛血清清蛋白(BSA Fraction V，Sigma)的溶液當(dāng)中。用磷酸鹽緩沖液(0.01M PBS pH7.4)將薄膜沖洗1小時，然后室溫下將其在含有10.0克/升BSA的PBS溶液中保溫24小時，然后交替使用PBS以及去離子水沖洗三次，共5分鐘。最后，樣品在真空恒溫箱中于室溫下進(jìn)行干燥。通過使用XPS檢測BSA中含有的氮，來定量BSA的表面覆蓋率。應(yīng)用在結(jié)合能0-1000eV之間的粗查光譜，通過數(shù)字化的積分峰區(qū)域，并應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)敏感系數(shù)得以確定近表面原子組成。
細(xì)胞培養(yǎng)實驗 進(jìn)行細(xì)胞附著試驗以評估PVC/PVC-g-POEM混合物的生物相容性。在改性的Eagle培養(yǎng)基(MEM-α)中培養(yǎng)轉(zhuǎn)染了野生型人表皮生長因子受體的NR6纖維原細(xì)胞(WTNR6)，其培養(yǎng)基中補(bǔ)充有7.5％的胎牛血清，L-谷氨酰胺，非必需氨基酸，丙酮酸鈉，青霉素-四環(huán)素以及慶大霉素抗生素。對薄膜進(jìn)行的細(xì)胞附著試驗操作如下將樣品放置在聚苯乙烯組織培養(yǎng)皿中，在每一種聚合物表面，接種大約34,000個/平方厘米的細(xì)胞到1毫升含有血清的生長因子培養(yǎng)基中。樣品在37℃下保溫24小時，之后應(yīng)用Zeiss Axiovert 100相差顯微鏡對細(xì)胞的粘附特性及其形態(tài)進(jìn)行評定。
純接枝共聚物的接觸角測量 表1中列出了純母體鹵化聚合物及其POEM接枝共聚物的水接觸角。列于表1中的所有接觸角的標(biāo)準(zhǔn)方差小于2°。與對應(yīng)的母體聚合物相比，純接枝共聚物薄膜的前進(jìn)和后退接觸角都有相當(dāng)大的減小。PVDF-g-POEMb尤其明顯，其后退接觸角接近0°。接枝共聚物接觸角的顯著滯后暗示，當(dāng)這些材料與水接觸的時候，在其表面發(fā)生了顯著的重組(reorganization)。雖然接枝共聚物具有親水性以及吸水性，但是沒有一種是水溶性的。
基于PVC的混合物的接觸角測量鑄態(tài)(as-cast)條件和121℃高壓滅菌6小時后的兩種情況下，含有5-60wt％PVC-g-POEMb的基于PVC的混合薄膜呈光學(xué)清澈狀態(tài)，這說明在這些混合物中不存在尺度大于可見光波長的相分離結(jié)構(gòu)。表2中列出了分別含有0，5，10，20，40，60以及100wt％PVC-g-POEMb的鑄態(tài)下基于PVC的薄膜的前進(jìn)和后退水接觸角。其中所有接觸角的標(biāo)準(zhǔn)方差小于2°。添加接枝共聚物添加物很大程度地減小了前進(jìn)和后退接觸角。根據(jù)純組分的接觸角數(shù)據(jù)，可以利用Israelachvili和Gee方程(Israelachvili，J.N.；Gee，M.L.Langmuir1989,5,288)估算出鑄態(tài)混合物的表面組成。方程如下(1+coSθeq)2＝φcopolymer(1+cosθeq，copolymer)2(7)其中θeq是混合物平衡接觸角，φx是組分x的近表面體積分?jǐn)?shù)，θeq，x是純組分x的平衡接觸角。在所有情況下，θeq可以被看作是θadv和θrec的平均數(shù)。表2中列出了估算出的表面組成。方程7僅能夠提供對于表面組成比較粗略的估計，特別是對于具有較大的接觸角滯后的體系。然而，結(jié)果暗示在用PVC鑄態(tài)旋轉(zhuǎn)涂敷的混合物中會出現(xiàn)表面被PVC-g-POEM優(yōu)先占據(jù)的現(xiàn)象，這是由于兩種成分在THF溶液中的沉淀速度不同而造成的。
表2鑄態(tài)PVC/PVC-g-POEMb薄膜的性質(zhì)體積組成 接觸角(°)表觀表面組成(wt％PVC-g-POEMb)θadvθrec(wt％)0 90.282.3 05 80.968.6 2010 74.057.2 3920 67.745.3 5940 61.338.0 7460 54.336.1 8410042.632.4 100根據(jù)方程(5)估算基于PVC的混合物的抗蛋白吸附性 鑄態(tài)基于PVC的薄膜暴露在BSA溶液中24小時，積分XPS光譜中如下的各峰Cl 2p(201eV)，C 1s(285eV)，N 1s(399eV)和O 1s(531eV)，得到鑄態(tài)基于PVC的薄膜近表面組成。圖10中繪制了由BSA貢獻(xiàn)的氮在薄膜近表面的濃度與混合物組成的函數(shù)關(guān)系圖。當(dāng)混合物含有少至10-20wt％的PVC-g-POEMb的時候，獲得了可觀的抗BSA吸附的性質(zhì)。暴露在BSA溶液中的純PVC-g-POEMb薄膜上則觀測不到BSA的存在。
基于PVC的混合物的抗細(xì)胞性 NR6纖維原細(xì)胞在基于PVC的薄膜上培養(yǎng)24小時，其形態(tài)見圖11。在所有的情況下，細(xì)胞與樣品周圍的用于組織培養(yǎng)的聚苯乙烯融合在一起，沒有跡象表明其具有毒性。在純鑄態(tài)PVC表面培養(yǎng)的細(xì)胞(見圖11a)發(fā)生了黏附，許多細(xì)胞已經(jīng)擴(kuò)散或者開始擴(kuò)散(黑箭頭標(biāo)示)。在PVC-g-POEMb含量在10％(圖11b)到100％(圖11c)之間的鑄態(tài)薄膜上培養(yǎng)的細(xì)胞，只有很少發(fā)生了黏附，并且在表面上發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞呈圓形或者凝聚成塊，這說明黏附較弱。因此，僅僅10％的接枝共聚物添加物就能導(dǎo)致PBC表面生物惰性的顯著增強(qiáng)。
鑄態(tài)PVC薄膜在水中于121℃下高壓滅菌6小時(圖11d)，在經(jīng)過上述處理的薄膜表面上，細(xì)胞以很高的密度黏附并且發(fā)生很強(qiáng)的擴(kuò)散，這說明附著作用很強(qiáng)。應(yīng)用XPS分析鑄態(tài)與高壓滅菌后的純PVC薄膜表面化學(xué)的差異，其結(jié)果也許可以解釋為什么高壓滅菌后細(xì)胞的吸附性顯著增強(qiáng)。通過積分在XPS粗查光譜中C 1s，Cl 2p以及O 1s峰，得到了薄膜近表面原子組成信息，列于表3中。鑄態(tài)薄膜中Cl/C的原子比例大約為0.5，這與PVC的化學(xué)計量學(xué)理論值相一致。高壓滅菌導(dǎo)致了Cl/C比例的顯著減小以及氧的大量出現(xiàn)。
表3鑄態(tài)以及高壓滅菌后純PVC薄膜的近表面組成

XPS光譜C s1區(qū)域高分辨率掃描圖譜在圖12中顯示。純PVC的圖譜(Fig.12a)與兩個熟知的以285.90eV(CH2)和287.00eV(CHCl)為中心的等面積峰以及與少量烴污染物相對應(yīng)的位于285.00eV的峰被擬合(±1ev)。高壓滅菌后的PVC譜圖(Fig.12b)在高結(jié)合能區(qū)段存在肩形區(qū)域，因此對其的擬和需要額外的峰。增加了位于289.24eV的峰的信息之后，便能夠得到對上譜最佳的擬合結(jié)果，這個峰與羧酸的存在相對應(yīng)；在高分辨率圖譜中，～289.26eV被指認(rèn)為羧酸對應(yīng)的峰。以上結(jié)果與高壓滅菌中PVC降解相一致，PVC的熱降解將導(dǎo)致薄膜表面脫去氯化氫反應(yīng)的發(fā)生和氧化基團(tuán)的摻入。已知熱、光子誘導(dǎo)以及輻射誘導(dǎo)導(dǎo)致的有氧情況下，PVC的降解將導(dǎo)致極性過氧羥基以及羧酸基團(tuán)的產(chǎn)生，猜測這些基團(tuán)能夠促進(jìn)細(xì)胞的黏附。
纖維原細(xì)胞對于含有10wt％PVC-g-POEMb的薄膜表現(xiàn)出較低的親和力(Fig.12e)。在這些薄膜上，細(xì)胞呈現(xiàn)為圓形或者聚集成團(tuán)。偶爾出現(xiàn)一個細(xì)胞在表面擴(kuò)散(箭頭處)。當(dāng)高壓滅菌的薄膜中接枝共聚物添加物的含量增加的時候，在表面上觀察到的細(xì)胞密度下降，偶而發(fā)生的細(xì)胞擴(kuò)散也被抑制，以至于在含有40％-100％的PVC-g-POEMb的薄膜表面上，沒有觀察到細(xì)胞的擴(kuò)散(Fig.12f)。含有接枝共聚物添加物的PVC混合物在廣泛發(fā)生氧化降解之后，保留了其很大一部分的生物惰性，這個現(xiàn)象非常明顯，而這種降解是PVC醫(yī)療器械的日常滅菌過程中一個潛在的問題。
實施例3膜材料PVDF534K(Mwca.534 000g/mol)、PVDF250K(Mnca.107000g/mol，Mwca.250 000g/mol)和聚砜(PSf)(Mnca.26 000克/摩爾)，購自阿爾德里西化學(xué)公司(Aldrich Chemical Co.)(Milwaukee，WI)，所有試劑均可直接使用。
膜的制備 以含有聚合物、甘油以及N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)的鑄造液制備膜，鑄造液的具體組分見表4。各溶液過濾并脫氣后，通過有8密耳寬度(gate)的鑄造欄澆鑄在一級表面光學(xué)鏡面上。然后將鏡面浸沒在90℃的去離子水浴中。當(dāng)膜與鏡面完全脫離后，將其從該水浴中取出，浸沒在第二個20℃的去離子水水浴中過夜。最后，將膜在20℃空氣中干燥。第I、II和III類的膜分別含有0，5和10wt％的PVDF-g-POEM。第IV和V類膜分別含有0和10wt％的PVDF-g-PMAA。
表4膜鑄造液成分

膜的特性 對膜進(jìn)行接觸角測量、XPS分析以及靜態(tài)蛋白吸附實驗，方法如前面的薄膜涂層部分所述。
基于PVDF的混合膜的近表面組分 含有PVDF-g-POEM的膜。擬合XPS光譜的C 1s區(qū)域，得到分別含有5-10wt％PVDF-g-POEMa和PVDF-g-POEMb的膜以及純PVDF-g-POEMb薄膜樣品的近表面組分。從5％的DMAc溶液中蒸發(fā)鑄造得到純接枝共聚物薄膜，由于蒸發(fā)速度較慢，所以可以認(rèn)為其表面組分表征了平衡組分。以285.0eV的烴的峰位為參照，限定(±1eV)各個表征組分的峰正中位置如下C-COO，285.72eV；CH2(PVDF)，286.44eV；C-O，281.50eV；COO，289.03eV以及CF2，290.90eV。以上數(shù)值與利用高分辨率的儀器測量得到的純PVDF、PMMA和PEO均聚物的數(shù)值相對應(yīng)。根據(jù)化學(xué)計量要求，PVDF組分當(dāng)中CH2和CF2的峰面積被限定為相等，同理甲基丙烯酸酯環(huán)境中C-COO和COO的峰面積也被限定。C-O與COO的峰面積之比被限定為18，即其化學(xué)計量比之值。對所有的膜來說，XPS分析都在其制備過程的沉淀步驟中面向水浴的一個面上進(jìn)行。在膜分離時，也正是這個面與種液接觸。
表5純PVDF-g-POEMb和含有PVDF-g-POEM膜的C 1s組分峰面積占總面積的百分比CH2C-O樣品 HC C-COO (PVDF)(PEO) COO CF2膜，純PVDF 3.77- 48.12- - 48.12膜，10wt％PVDF-g-POEMa5.521.5731.5228.29 1.57 31.52膜，5wt％PVDF-g-POEMb7.422.2623.6040.86 2.26 23.60膜，10wt％PVDF-g-POEMb8.643.2313.3158.27 3.23 13.31膜，純PVDF-g-POEMb11.48 3.3011.1959.54 3.30 11.19這些膜和純PVDF-g-POEMb的成分峰面積百分比見表5。對分別含有0，5和10wt％PVDF-g-POEMb的膜的光譜譜圖中C 1s區(qū)域進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖13。POEM的近表面摩爾分?jǐn)?shù)通過以下公式計算XsPOEM=ACOOACOO+ACF2---(8)]]>其中ACOO和 分別是擬合后COO和CF2峰的峰面積。將近表面POEM含量轉(zhuǎn)換成為重量百分?jǐn)?shù)，和整體POEM含量一同列在表6中。顯然，浸沒沉淀法單步制膜過程中，PVDF中的兩親接枝共聚物發(fā)生了顯著的表面偏析，這是由于兩親組分和水之間的界面能相對較低。因此，根據(jù)XPS分析，對于含有5和10wt％的PVDF-g-POEMb膜來說，接枝共聚物添加物是其大約60埃厚的近表面區(qū)域的主要成分，盡管接枝共聚物添加物是整個膜中的次要成分。
表6基于PVDF的膜的性質(zhì)

定義為在水中浸沒12小時之后原先干燥的膜變?yōu)椴糠滞该鳎? 當(dāng)1微升的水滴滴在膜的表面，其接觸角達(dá)到0°所需要的時間。
含有PVDF-g-PMAA的膜 將含有PVDF-g-PMAA的膜的XPS譜圖中的C 1s區(qū)域用五個成分的峰進(jìn)行擬合。以位于285.0eV的烴峰為參照，并根據(jù)先前確定的PVDF和PMAA均聚物的峰位，限定譜圖中各個表征組分的峰正中位置(±1eV)如下C-COOH，285.80eV；CH2(PVDF)，286.44eV；COOH，289.33eV；以及CF2，290.90eV。PVDF組分當(dāng)中的CH2以及CF2的峰面積被限定為相等，同理C-COOH和COOH的峰面積比也被限定。圖14為擬合后的C 1s包絡(luò)線，其對象為樣品(a)純PVDF膜，(b)從DMAc當(dāng)中蒸發(fā)鑄造的純PVDF-g-PMAA薄膜，和(c)10wt％PVDF-g-PMAA的整體組成的鑄態(tài)膜。樣品的成分峰面積百分比列于表7中。根據(jù)XPS擬合結(jié)果，PMAA的近表面摩爾分?jǐn)?shù)通過以下公式計算，nsPMAA=AC‾OOHAC‾H2(PVDF)+AC‾OOH.---(9)]]>樣品的整體和近表面組成參見圖14。
表7純PVDF-g-PMAA和含有PVDF-g-POEM膜的C 1s成分峰面積占總面積的百分比

在純梳狀薄膜中，PMAA的近表面濃度明顯低于由1H NMR測得的其總體濃度，該純梳狀薄膜是在與制備PVDF-g-POEM薄膜時相同的慢速條件下，采用蒸發(fā)鑄造的方法得到的。此結(jié)果表明，PMAA是以長鏈形式接枝到PVDF表面的，而此種形式能夠采取遠(yuǎn)離空氣表面的取向形式，從而最大程度的暴露其低能量的氟化主鏈。鑄態(tài)膜(c)的近表面組成顯示，PVDF-g-PMAA在表面大量定位，并且PMAA在表面顯著表達(dá)，以至于近表面的PMAA濃度是整體濃度的6倍多。
含有PSF-g-POEM的基于PSf混合膜的近表面組成 通過擬合其XPS光譜的C 1s區(qū)域，得到純PSf膜和含有10wt％PSf-g-POEM的PSf膜的近表面組成。以在285.0eV的烴峰為參照，限定(±1Ev)譜圖中成分峰的正中位置如下芳族C，284.70eV；芳族C-SOO，285.31eV；C-COO，285.72eV；芳族C-O，286.34eV；CH2-O(PEO)，286.45eV；以及COO，289.03eV。這些數(shù)值與利用高分辨率儀器得到的純PSf和PEO均聚物的各項數(shù)值相對應(yīng)。根據(jù)化學(xué)計量要求，PSf組分當(dāng)中的芳族C-SOO以及芳族C-O的峰面積被限定為相等，同理甲基丙烯酸酯環(huán)境中C-COO和COO的峰面積也被限定。
表8含有PSf-g-POEM膜的C 1s區(qū)域成分峰面積占總面積的百分比芳族 C-芳族 CH3-O樣品 芳族C HC C-SOO COO C-O (PEO) COO膜，純PSf73.0811.54 7.69 - 7.69 --膜，10wt％PSf-g-POEM 54.8114.55 5.63 2.49 5.63 14.941.95這些膜和純PVDF-g-POEMb的組分峰面積百分比見表8。POEM的近表面摩爾分?jǐn)?shù)通過以下公式計算，XsPOEM=APEO/2.96(APEO/2.96)+(AaromaticC-0/2)---(10)]]>其中ACOO和AaromaticC-O分別代表擬合后的COO以及芳族C-O的峰面積。混合膜的近表面POEM含量轉(zhuǎn)換為重量百分比是59wt％，而POEM的整體含量是5wt％。顯然，浸沒沉淀法單步制膜過程中，在PSf中的兩親接枝共聚物發(fā)生了顯著的表面偏析，這是由于兩親組分和水之間的界面能相對較低。因此，根據(jù)XPS分析，對于含有10wt％的PSf-g-POEM膜來說，接枝共聚物添加物是其大約60埃厚的膜近表面區(qū)域的主要成分，盡管接枝共聚物添加物是整個膜中的次要成分。
基于PVDF膜的浸潤性 修飾有PVDF兩親接枝共聚物的PVDF膜浸潤性提高。當(dāng)一滴水滴在純PVDF膜表面時，其呈現(xiàn)出較大的接觸角，并且接觸角幾乎不隨時間變化，直至水滴完全蒸發(fā)。相反，當(dāng)一滴水滴在含有5-10％PVDF-g-POEMb膜上的時候，其首先呈現(xiàn)出中度的接觸角(＞50°)，然后隨著時間延長，接觸角逐漸接近于零，最后將膜浸潤。這種行為被定義為自發(fā)浸潤。在此，將1微升去離子水滴在表面，測量起始階段的前進(jìn)接觸角(θadv)，并測量接觸角到達(dá)0°的時間，從而對膜的浸潤性進(jìn)行評估。這些數(shù)據(jù)在表6中給出。修飾有PVDF-g-POEMb的膜的這種延遲浸潤的行為表明，當(dāng)膜與水接觸時，膜的表面發(fā)生了重排從而使POEM在與水接觸的地方得到表達(dá)。
含有PVDF-g-POEMb的混合物制備得到的膜的浸潤行為是最值得關(guān)注的。僅含有5wt％此種添加物的膜(相當(dāng)于POEM整體濃度僅為3.4％)能夠在2-3分鐘的時段內(nèi)自發(fā)浸潤。如果PVDF-g-POEMb含量達(dá)到10wt％，完全浸濕所需要的時間縮短到幾秒鐘。含有10wt％的PVDF-g-POEMa(其POEM含量低于PVDF-g-POEMb)或PVDF-g-PMAA的膜不發(fā)生自發(fā)潤濕。但是，當(dāng)這些膜浸沒在水中幾個小時之后，膜的某些部分呈透明狀，這說明發(fā)生了部分浸潤。純的PVDF膜沒有這種行為。將這個發(fā)現(xiàn)與先前得到的含有梳狀添加物P(MMA-r-POEM)的結(jié)果(Hester，J.F.；Banerjee P.；Mayes，A.M.大分子(Macromolecules)1999，32，1643)相比較，會得到比較有趣的結(jié)果。此種添加物含有50wt％的POEM(大于PVDF-g-POEMa)，并且此種膜的制作工序與本文介紹的相似。雖然含有P(MMA-r-POEM)PVDF的PVDF膜充分顯現(xiàn)出抗結(jié)垢能力，但是它們并未展現(xiàn)出自發(fā)的或者是“部分”浸潤的行為。
含有PVDP-g-POEM的膜的蛋白質(zhì)吸附抗性POEM在膜表面的存在導(dǎo)致對蛋白吸附的顯著抗性。將膜暴露在BSA溶液中24小時，積分在XPS粗查光譜中的各個峰C 1s(285eV)，N 1s(399eV)，O 1s(531eV)和F 1s(685eV)，從而得到膜的近表面氮含量。圖10中繪制了由吸附的氮在薄膜近表面的濃度與整體混合物組成的函數(shù)關(guān)系圖。與具有相同接枝共聚物含量的PVC/PVC-g-POEMb混合物相比(見上)，含有PVC-g-POEMb的PVDF膜的蛋白質(zhì)抗性顯著增強(qiáng)。這很可能是因為在制膜工序中發(fā)生的程度較高的PVDF-g-POEMb的表面偏析。事實上，僅僅整體含量為5wt％的接枝共聚物就可以使得蛋白吸附發(fā)生顯著的減小。
含有PVDP-g-PMAA的膜pH依賴濾過性 利用浸沒沉淀法制備膜的過程中將孔徑大小控制在埃的量級是非常困難的。更糟的是，由于結(jié)垢和孔緊縮問題的存在，操作過程中，膜的分離特性總是隨時間改變。因此，目前聚合物膜在應(yīng)用中，例如在大分子(例如蛋白質(zhì))的分離方面，并不十分有效。有鑒于此，目前的工作開創(chuàng)了一條前景誘人的新道路，此道路將致力于環(huán)境響應(yīng)膜(environmentally responsive，ER)的開發(fā)。這種所謂的“智慧的”膜能夠?qū)Νh(huán)境的刺激做出響應(yīng)，從而調(diào)控自身的孔徑大小。因此，對于蛋白質(zhì)分離來說，我們可以想象ER膜具有和反饋回路相同的性質(zhì)，它可以連續(xù)測量透過溶質(zhì)的大小，還能夠?qū)σ恍┓N液進(jìn)行調(diào)節(jié)，這些都?xì)w功于它能夠保持特定的分離特性。
研究最多的ER膜是通過將弱多聚酸鏈通過表面接枝聚合反應(yīng)連到支持膜上而制備的(例如，Ito，等人，美國化學(xué)會志(Journal of the American Chemical Society)1997 119，1619-1623)。這種方法中常用的單體包括丙烯酸和甲基丙烯酸。在接枝鏈上的弱酸基團(tuán)通過解離一個質(zhì)子而帶有負(fù)電荷，
HA＝A-+H+(10)并且，解離程度比較敏感地依賴于局部pH值以及離子強(qiáng)度。在較高的pH下，解離程度較高，相鄰?fù)N電荷之間的相互排斥使鏈形成一種伸展的構(gòu)象，從而使膜孔關(guān)閉。在較低的pH下，鏈基本上變?yōu)橹行?，呈現(xiàn)出更加卷曲的(collapsed)構(gòu)象，從而使孔張開。因此，該鏈充當(dāng)了一種機(jī)械化學(xué)“孔徑閥門”，通過它可以調(diào)控分離特性以及跨膜流量，這種調(diào)控僅僅需要對種液的pH值和離子強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種作用完全可逆而且非常顯著——“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)下的跨膜離子流差異達(dá)到一個數(shù)量級。ER膜的這種對于pH值以及葡萄糖濃度敏感的特性可以被用來評價藥物輸送膠囊(delivery capsules)，這種膠囊可以根據(jù)環(huán)境刺激在適當(dāng)?shù)臅r候釋放藥物。一些具有可以在光及熱誘導(dǎo)下發(fā)生構(gòu)象變化的接枝鏈的膜也已經(jīng)被制備出來。
利用濾過測量評估含有PVDF-g-PMAA的膜的透過性的pH依賴性。實驗前，膜在121℃水中高壓滅菌1小時。此步驟的目的是消除在流體穿過鑄態(tài)純PVDF膜時的不可逆的pH依賴性。這種行為可能是不定型的PVDF的pH依賴的膨脹造成的。121℃(＞0.7·Tm)下對于膜的熱處理能夠促進(jìn)PVDF膜的結(jié)晶從而使其在凝結(jié)的時候無法進(jìn)入不定型狀態(tài)。一個直徑25-mm的圓形膜被放置在Amicon 8010轉(zhuǎn)盲端UF單元中(Millipore)，此單元的有效濾過面積為4.1cm2。利用不銹鋼壓力分配容器(Millipor)將種液傳送到該單元中，其中壓力是由氮?dú)鈿飧滋峁┑?。為了模擬真實濾過操作時的流量情況，在膜的上方放置一個攪拌棒，并與可調(diào)速攪拌平板(VWR)連用，從而提供與膜平面平行的勻速和可測的液體流速。膜在放入該單元前，用甲醇預(yù)潤濕，然后在蒸餾水中浸泡30分鐘。
將預(yù)裝緩沖液鹽成分(HydrionTM，Aldrich)溶解于去離子水中，得到緩沖范圍在pH 2-8的緩沖溶液。將膜放置在UF格中，在高致密化壓力Pc下利用濾過pH 8的緩沖液60分鐘，將膜預(yù)致密化，然后在測量壓Pm壓力下濾過pH 8的緩沖液30分鐘。Pc和Pm的值列于表9當(dāng)中，不同的膜的類型對應(yīng)不同的值。
表9 pH值響應(yīng)試驗中致密化和測量壓力膜Pc(psig) Pm(psig)純PVDF70 5010wt％PVDF-g-PMAA 20 5在預(yù)致密化之后，清空壓力容器，這樣氮?dú)饪梢灾边_(dá)UF格。連續(xù)的清空格子并注入不同pH值的緩沖液，在Pm壓力下按重量測量每種溶液的通量。每次測量包括1分鐘的平衡時間，然后是測量第二個1分鐘內(nèi)的重量通量。為了評估對于pH值響應(yīng)的可逆性，對通過膜的通量進(jìn)行測量，先測量pH為8的溶液，然后測量pH為2的溶液，此過程循環(huán)10次。之后通過進(jìn)行pH從2到8的連續(xù)測量，對通過膜的通量對pH的依賴性進(jìn)行測量，間隔為一個pH單位。所有的致密化和濾過步驟都在20C、攪拌速度為500rpm下進(jìn)行。
圖15曲線顯示表面聚集有PVDF-g-PMAA的高壓滅菌膜的緩沖溶液的膜通量對于pH值的依賴性。數(shù)據(jù)中關(guān)于混合物的點取自三種不同的膜的混合物的平均值。自組織膜呈現(xiàn)出超過一個數(shù)量級的通量差異，從在pH 2下的506.5L/m2h到pH 8下的29.0L/m2h。高壓滅菌過的純PVDF膜在不同的pH值下呈現(xiàn)出極小的通量差異。圖15當(dāng)中的實線與下面的對稱方程擬合得很好，J=C-D[Bx-A-B-(x-A)Bx-A+B-(x-A)]---(12)]]>其中x是種液的pH值，A，B，C和D是擬合系數(shù)。擬合的目的不僅僅是為數(shù)據(jù)尋求一種特定的方程形式，而是通過得到在曲線折點的pH值(參數(shù)A)估計出表觀pKa。位于pH～4.7的折點的位置，與其他一些研究人員從被PMAA表面接枝聚合修飾的膜中所得到的結(jié)果相當(dāng)。
圖16顯示這些能夠自組織的、環(huán)境敏感的膜的通量響應(yīng)，實驗條件是在40分鐘的時間內(nèi)將種液的pH值在pH 8和pH 2之間變化。同樣，這些關(guān)于混合物的數(shù)據(jù)是三種不同的膜的平均值。首先進(jìn)行1到2個平衡循環(huán)，在平衡循環(huán)中膜表面可能發(fā)生重組，將接枝共聚物添加物的PMAA側(cè)鏈表達(dá)出來。這樣之后，通量響應(yīng)在這段時間將完全可逆。每半個循環(huán)包括1分鐘的過濾平衡階段，然后是第二個1分鐘的通量測量階段。雖然沒有進(jìn)行對于通量響應(yīng)速度的定量的評估，但是能夠觀察到在轉(zhuǎn)換濾過緩沖液后通量在幾秒鐘內(nèi)發(fā)生實質(zhì)性的改變。
這個實施例說明了如何利用PVDF-g-PMAA作為混合物成分制作PVDF膜，其中接枝共聚物能夠不通過額外的工序使膜具有環(huán)境響應(yīng)的分離特性。
對于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員來說，他們可以很容易地意識到這里列出的一些參數(shù)只是示意性的，真正操作過程中的參數(shù)決定于本發(fā)明的方法和裝置的具體應(yīng)用。因此，應(yīng)當(dāng)明白，上述的實施例僅僅是示例性的，在所附的權(quán)利要求及其等同對象的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以按照與所述的具體方法不同的方式加以實施。
權(quán)利要求
1.一種方法，包含提供一種催化劑，所述的催化劑包含至少能與一個配體進(jìn)行配位的過渡金屬鹵化物；通過催化劑引發(fā)在乙烯基和母體聚合物之間的反應(yīng)，所述的母體聚合物包含包括一個二級鹵素原子的重復(fù)單元。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中，該乙烯基是親水鏈的一部分。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其中，該反應(yīng)提供一種接枝共聚物。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其中，該接枝共聚物包括一種親水側(cè)鏈。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其中，該接枝共聚物包含一種梳狀聚合物。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其中，該梳狀聚合物包含一種疏水骨架。
7.按照權(quán)利要求4的方法，其中，該接枝共聚物是微相分離的。
8.按照權(quán)利要求7的方法，其中，該接枝共聚物包括由親水側(cè)鏈提供的親水區(qū)域。
9.按照權(quán)利要求3的方法，其中，該接枝共聚物骨架的分子量不小于該母體聚合物骨架的分子量。
10.按照權(quán)利要求3的方法，其中，該反應(yīng)的產(chǎn)物基本不含均聚物。
11.按照權(quán)利要求1的方法，其中，該配體包含至少一個氮供體原子。
12.按照權(quán)利要求1的方法，其中，該鹵素原子是一個氟原子。
13.按照權(quán)利要求1的方法，其中，該鹵素原子是一個氯原子。
14.按照權(quán)利要求1的方法，其中，該鹵素原子是一個溴原子。
15.按照權(quán)利要求1的方法，其中，該母體聚合物選自由下列物質(zhì)組成的組聚氯乙烯，聚偏氯乙烯，聚溴乙烯，聚偏氟乙烯，聚偏氯乙烯-co-氯乙烯，氯化聚氟乙烯，氯化聚氯乙烯，氯化聚乙烯，聚氟乙烯，聚四氟乙烯，聚1，2-二氟乙烯，聚氯三氟乙烯，以及包含其組合的共聚物。
16.按照權(quán)利要求4的方法，其中，該親水鏈進(jìn)一步包含聚環(huán)氧乙烷。
17.按照權(quán)利要求16的方法，其中，該親水鏈選自由下列物質(zhì)組成的組聚氧乙烯甲基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸乙二醇酯，聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸羥乙基酯，聚丙烯酸羥乙基酯，水解的聚甲基丙烯酸t(yī)-丁基酯，水解的聚丙烯酸t(yī)-丁基酯，聚丙烯酰胺，聚N-乙烯吡咯烷酮，聚氨基苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲基磺酰乙烯基酯，以及包含其組合的共聚物。
18.按照權(quán)利要求17的方法，其中，該接枝共聚物選自由下列物質(zhì)構(gòu)成的組聚氯乙烯-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯，聚偏氟乙烯-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯，以及氯化聚丙烯-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯。
19.一種濾水膜，包含根據(jù)權(quán)利要求1的方法制備的接枝共聚物。
20.一種制品，包含一種微相分離的梳狀聚合物，所述梳狀聚合物包含包括一個二級碳原子的骨架重復(fù)單元，該聚合物中的多個二級碳原子直接與親水側(cè)鏈相連，并且該聚合物中具有由該側(cè)鏈提供的親水區(qū)域。
21.按照權(quán)利要求20的制品，該重復(fù)單元進(jìn)一步包含與該二級碳原子直接結(jié)合的鹵素原子。
22.按照權(quán)利要求20的制品，其中，該梳狀聚合物的骨架的分子量不小于在加成該親水側(cè)鏈之前的母體聚合物骨架的分子量。
23.按照權(quán)利要求20的制品，其中，該親水區(qū)域的平均直徑小于約2納米。
24.按照權(quán)利要求20的制品，其中，該親水鏈選自由下列物質(zhì)組成的組聚氧乙烯甲基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸乙二醇酯，聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸羥乙基酯，聚丙烯酸羥乙基酯，水解的聚甲基丙烯酸t(yī)-丁基酯，水解的聚丙烯酸t(yī)-丁基酯，聚丙烯酰胺，聚N-乙烯吡咯烷酮，聚氨基苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲基磺酰乙烯基酯，以及包含其組合的其聚物。
25.按照權(quán)利要求20的制品，其中，該梳狀聚合物選自由下列物質(zhì)組成的組聚氯乙烯-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯，聚偏氟乙烯-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯，以及氯化聚丙烯-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯。
26.一種濾水膜，包含根據(jù)權(quán)利要求20的聚合物。
27.一種制品，包含一種具有疏水骨架的梳狀聚合物，該骨架包括包含一個與鹵素原子直接相連的二級碳原子的重復(fù)單元；多個親水側(cè)鏈與骨架上的該二級碳原子相連，其中，該梳狀聚合物骨架的分子量不小于對應(yīng)的母體聚合物骨架的分子量。
28.按照權(quán)利要求27的制品，其中，該聚合物是微相分離的。
29.按照權(quán)利要求28的制品，其中，該聚合物包含由該親水側(cè)鏈提供的親水區(qū)域。
30.按照權(quán)利要求29的制品，其中，每一個親水區(qū)域的平均直徑小于約3納米。
31.按照權(quán)利要求27的制品，其中，該親水鏈選自由下列物質(zhì)構(gòu)成的組聚氧乙烯甲基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸乙二醇酯，聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸羥乙基酯，聚丙烯酸羥乙基酯，水解的聚甲基丙烯酸t(yī)-丁基酯，水解的聚丙烯酸t(yī)-丁基酯，聚丙烯酰胺，聚N-乙烯吡咯烷酮，聚氨基苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲基磺酰乙烯基酯，以及包含其組合的共聚物。
32.按照權(quán)利要求31的制品，其中該對應(yīng)的母體聚合物選自由下列物質(zhì)構(gòu)成的組聚氯乙烯，聚偏氯乙烯，聚溴乙烯，聚偏氟乙烯，聚偏氯乙烯-co-氯乙烯，氯化聚氟乙烯，氯化聚氯乙烯，氯化聚乙烯，聚氟乙烯，聚四氟乙烯，聚1，2-二氟乙烯，聚氯三氟乙烯，以及包含其組合的共聚物。
33.按照權(quán)利要求27的制品，其中，該制品對于細(xì)胞和蛋白質(zhì)吸附具有抗性，從而使得所述制品吸附的蛋白質(zhì)少于對應(yīng)的母體聚合物所吸附蛋白質(zhì)的90％。
34.按照權(quán)利要求27的制品，其中，該多個側(cè)鏈包含塑化劑，從而使得該梳狀聚合物的玻璃轉(zhuǎn)變溫度要比對應(yīng)的母體聚合物的玻璃轉(zhuǎn)變溫度低至少5℃。
35.按照權(quán)利要求27的制品，進(jìn)一步包含了可與細(xì)胞結(jié)合的配體，所述的配體結(jié)合于梳狀聚合物的1-100％的親水側(cè)鏈上。
36.按照權(quán)利要求35的制品，其中，該可與細(xì)胞結(jié)合的配體是細(xì)胞信號配體。
37.按照權(quán)利要求35的制品，其中，該可與細(xì)胞結(jié)合的配體選自由下列物質(zhì)組成的組粘連肽、細(xì)胞信號肽和生長因子。
38.一種濾水膜，包含一種微相分離的聚合物，該聚合物包括平均直徑小于約3納米的親水區(qū)域，該親水區(qū)域提供了水的輸送通道。
39.按照權(quán)利要求38的膜，其中，該親水區(qū)域是由結(jié)合于聚合物骨架上的親水側(cè)鏈所提供的。
40.按照權(quán)利要求39的膜，進(jìn)一步包含由骨架所形成的疏水區(qū)域。
41.按照權(quán)利要求39的膜，其中，每一個親水鏈均包含聚環(huán)氧乙烷。
42.按照權(quán)利要求39的膜，其中，每一個親水鏈選自由下列物質(zhì)構(gòu)成的組聚氧乙烯甲基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸乙二醇酯，聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸羥乙基酯，聚丙烯酸羥乙基酯，水解的聚甲基丙烯酸t(yī)-丁基酯，水解的聚丙烯酸t(yī)-丁基酯，聚丙烯酰胺，聚N-乙烯吡咯烷酮，聚氨基苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲基磺酰乙烯基酯，以及包含其組合的共聚物。
43.按照權(quán)利要求38的膜，其中，該親水區(qū)域提供了至少90％的水的輸送通道。
44.按照權(quán)利要求38的膜，其中，該親水區(qū)域提供了至少95％的水的輸送通道。
45.按照權(quán)利要求38的膜，其中，該微相分離聚合物選自由下列物質(zhì)組成的組聚氯乙烯-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯，聚偏氟乙烯-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯，以及氯化聚丙烯-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯。
46.按照權(quán)利要求38的膜，其中，該膜包含微相分離的聚合物和至少一種其他聚合物的混合物。
47.按照權(quán)利要求46的膜，其中，該至少一種其他聚合物選自由下列物質(zhì)組成的組聚偏氟乙烯，聚乙烯，聚氟乙烯，聚四氟乙烯，聚1，2-二氟乙烯，聚氯三氟乙烯，聚丙烯，鹵化聚乙烯，鹵化聚丙烯，聚砜，聚醚砜，聚芳基砜，聚丙烯腈，以及包含其組合的共聚物。
48.按照權(quán)利要求46的膜，其中，該微相分離的聚合物在該混合物中的存在量按重量計至少為5％。
49.按照權(quán)利要求48的膜，其中，該微相分離的聚合物在該混合物中的存在量按重量計為5％到10％。
50.按照權(quán)利要求38的膜，其中，該膜是自發(fā)浸潤的。
51.按照權(quán)利要求38的膜，其中，該膜是自支撐的。
52.一種濾水膜，包含微相分離的聚合物，所述的微相分離的聚合物包括親水區(qū)域，并且該膜是自支撐的。
53.按照權(quán)利要求52的膜，其中，該膜中沒有機(jī)械支持層。
54.按照權(quán)利要求52的膜，包含微相分離的聚合物和至少一種其他聚合物的混合物。
55.按照權(quán)利要求54的膜，其中，該至少一種聚合物選自由下列物質(zhì)構(gòu)成的組聚氯乙烯，聚偏氟乙烯，以及氯化聚丙烯。
56.一種濾水的方法，包含提供一種膜，該膜包含微相分離的聚合物，所述的微相分離的聚合物包括親水區(qū)域；以及允許水通過親水區(qū)域完全地穿過膜。
57.按照權(quán)利要求56的方法，進(jìn)一步包含阻止目標(biāo)物質(zhì)完全地穿過膜。
58.按照權(quán)利要求56的方法，其中，該親水區(qū)域的平均直徑小于約2納米。
59.按照權(quán)利要求56的方法，其中，該微相分離的聚合物包含一種具有親水側(cè)鏈的梳狀聚合物。
60.一種制品，包含一種具有疏水骨架的接枝共聚物，該骨架包括包含一個與鹵素原子直接結(jié)合的二級碳原子的重復(fù)單元；多個親水側(cè)鏈與該二級碳原子相連，其中，該接枝共聚物骨架的分子量不小于對應(yīng)母體聚合物骨架的分子量，并且，該制品對于細(xì)胞和蛋白質(zhì)吸附具有抗性，從而使得所述制品吸附的蛋白質(zhì)少于該對應(yīng)的母體聚合物所吸附蛋白質(zhì)的90％。
61.按照權(quán)利要求60的制品，其中，該接枝共聚物的每一個親水側(cè)鏈均包含聚環(huán)氧乙烷。
62.按照權(quán)利要求61的制品，其中，該接枝共聚物的每一個親水鏈均為聚甲基丙烯酸聚乙二醇酯。
63.按照權(quán)利要求62的制品，其中，該接枝共聚物是聚氯乙烯-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯。
64.按照權(quán)利要求60的制品，其中，該接枝共聚物的親水側(cè)鏈選自由下列物質(zhì)組成的組聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸乙二醇酯，聚甲基丙烯酸羥乙基酯，聚丙烯酸羥乙基酯，聚丙烯酰胺，聚N-乙烯吡咯烷酮，聚乙烯醇，以及包含其組合的共聚物。
65.按照權(quán)利要求64的制品，其中，該骨架選自由下列物質(zhì)構(gòu)成的組聚氯乙烯，聚偏氟乙烯，氯化聚乙烯，氯化聚丙烯，聚氟乙烯，聚四氟乙烯，聚1，2-二氟乙烯，聚氯三氟乙烯，鹵化聚丙烯，鹵化聚乙烯，以及包含其組合的共聚物。
66.按照權(quán)利要求60的制品，其中，該接枝共聚物與至少一種其他聚合物相混合。
67.按照權(quán)利要求66的制品，其中，該接枝共聚物與至少一種選自由下列物質(zhì)組成的組的聚合物相混合聚氯乙烯，聚偏氟乙烯，聚乙烯，氯化聚乙烯，聚氟乙烯，聚四氟乙烯，聚1，2-二氟乙烯，聚氯三氟乙烯，聚丙烯，氯化聚丙烯，鹵化聚丙烯，鹵化聚乙烯，以及包含其組合的共聚物。
68.一種制品，包含一種具有疏水骨架的接枝共聚物，所述的骨架包括包含一個與鹵素原子直接結(jié)合的二級碳原子的重復(fù)單元；多個親水側(cè)鏈與該二級碳原子相連，其中，該接枝共聚物骨架的分子量不小于對應(yīng)的母體聚合物骨架的分子量，并且，多個側(cè)鏈包含塑化劑，從而使得該梳狀聚合物的玻璃轉(zhuǎn)變溫度要比對應(yīng)的母體聚合物的玻璃轉(zhuǎn)變溫度低至少5℃。
69.按照權(quán)利要求68的制品，其中，該接枝共聚物的親水側(cè)鏈包含聚環(huán)氧乙烷。
70.按照權(quán)利要求69的制品，其中，該接枝共聚物的親水側(cè)鏈?zhǔn)蔷垩跻蚁┘谆┧狨ァ?br> 71.按照權(quán)利要求70的制品，其中，該接枝共聚物是聚氯乙烯-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯。
72.按照權(quán)利要求68的制品，其中，該接枝共聚物的親水側(cè)鏈選自由下列物質(zhì)組成的組聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸乙二醇酯，聚甲基丙烯酸羥乙基酯，聚丙烯酸羥乙基酯，聚丙烯酰胺，聚N-乙烯吡咯烷酮，聚乙烯醇，以及包含其組合的共聚物。
73.按照權(quán)利要求72的制品，其中，該疏水骨架選自由下列物質(zhì)組成的組聚氯乙烯，聚偏氟乙烯，氯化聚乙烯，氯化聚丙烯，聚氟乙烯，聚四氟乙烯，聚1，2-二氟乙烯，聚氯三氟乙烯，鹵化聚丙烯，鹵化聚乙烯，以及包含其組合的共聚物。
74.按照權(quán)利要求68的制品，其中，該接枝共聚物與至少一種其他聚合物相混合。
75.按照權(quán)利要求74的制品，其中，該接枝共聚物與至少一種選自由下列物質(zhì)組成的組的聚合物相混合聚氯乙烯，聚偏氟乙烯，聚乙烯，氯化聚乙烯，聚氟乙烯，聚四氟乙烯，聚1，2-二氟乙烯，聚氯三氟乙烯，聚丙烯，氯化聚丙烯，鹵化聚丙烯，鹵化聚乙烯，以及包含上述任何物質(zhì)的共聚物。
76.一種制品，包含一種具有疏水骨架的接枝共聚物，所述的骨架包括包含一個與鹵素原子直接結(jié)合的二級碳原子的重復(fù)單元；多個親水側(cè)鏈與骨架中的該二級碳原子相連，其中，該接枝共聚物骨架的分子量不小于對應(yīng)的母體聚合物骨架的分子量；以及可與細(xì)胞結(jié)合的配體，所述的配體結(jié)合于該接枝共聚物的1-100％的親水側(cè)鏈上。
77.按照權(quán)利要求76的制品，其中，該可與細(xì)胞結(jié)合的配體包含細(xì)胞信號配體。
78.按照權(quán)利要求76的制品，其中，該配體選自由下列物質(zhì)組成的組粘連肽、細(xì)胞信號肽和生長因子。
79.按照權(quán)利要求76的制品，其中，該接枝共聚物的親水側(cè)鏈包含聚環(huán)氧乙烷。
80.按照權(quán)利要求76的制品，其中，該接枝共聚物的親水側(cè)鏈?zhǔn)蔷垩跻蚁┘谆┧狨ァ?br> 81.按照權(quán)利要求80的制品，其中該接枝共聚物是聚氯乙烯-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯。
82.按照權(quán)利要求76的制品，其中，該接枝共聚物的親水側(cè)鏈選自由下列物質(zhì)組成的組聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸乙二醇酯，聚甲基丙烯酸羥乙基酯，聚丙烯酸羥乙基酯，聚丙烯酰胺，聚N-乙烯吡咯烷酮，聚乙烯醇，以及包含其組合的共聚物。
83.按照權(quán)利要求82的制品，其中，該疏水骨架選自由下列物質(zhì)組成的組聚氯乙烯，聚偏氟乙烯，氯化聚乙烯，氯化聚丙烯，聚氟乙烯，聚四氟乙烯，聚1，2-二氟乙烯，聚氯三氟乙烯，鹵化聚丙烯，鹵化聚乙烯，以及包含其組合的共聚物。
84.按照權(quán)利要求76的制品，其中，該接枝共聚物與至少一種其他聚合物相混合。
85.按照權(quán)利要求84的制品，其中，該接枝共聚物與至少一種選自由下列物質(zhì)組成的組的聚合物相混合聚氯乙烯，聚偏氟乙烯，聚乙烯，氯化聚乙烯，聚氟乙烯，聚四氟乙烯，聚1，2-二氟乙烯，聚氯三氟乙烯，聚丙烯，氯化聚丙烯，鹵化聚丙烯，鹵化聚乙烯，以及包含其組合的共聚物。
86.一種包含接枝共聚物的制品，包含一種包含聚砜或聚碳酸酯衍生物的骨架；與該骨架中的氧亞苯基單元直接相連的親水側(cè)鏈；并且，其中，該接枝共聚物骨架的分子量不小于對應(yīng)的母體聚合物骨架的分子量。
87.按照權(quán)利要求86的制品，其中，該親水側(cè)鏈包含聚環(huán)氧乙烷。
88.按照權(quán)利要求87的制品，其中，該親水側(cè)鏈?zhǔn)蔷垩跻蚁┘谆┧狨ァ?br> 89.按照權(quán)利要求88的制品，其中，該接枝共聚物是聚砜-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯。
90.按照權(quán)利要求86的制品，其中，該接枝共聚物的親水側(cè)鏈選自由下列物質(zhì)組成的組聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸乙二醇酯，聚甲基丙烯酸羥乙基酯，聚丙烯酸羥乙基酯，聚丙烯酰胺，聚N-乙烯吡咯烷酮，聚乙烯醇，以及包含其組合的共聚物。
91.按照權(quán)利要求90的制品，其中，該骨架選自由下列物質(zhì)組成的組聚砜，甲基雙酚聚砜，聚醚砜，聚芳基砜，聚芳醚砜，聚苯基砜，聚碳酸酯，甲基雙酚聚碳酸酯，聚醚碳酸酯，聚芳基碳酸酯，聚芳醚碳酸酯，聚苯基碳酸酯，以及包含其組合的共聚物。
92.按照權(quán)利要求86的制品，其中，該制品對于細(xì)胞和蛋白質(zhì)吸附具有抗性，從而使得所述制品吸附的蛋白質(zhì)少于對應(yīng)的母體聚合物所吸附蛋白質(zhì)的90％。
93.按照權(quán)利要求86的制品，其中，該多個側(cè)鏈包含塑化劑，從而使得該梳狀聚合物的玻璃轉(zhuǎn)變溫度要比對應(yīng)的母體聚砜衍生物的玻璃轉(zhuǎn)變溫度低至少5℃。
94.按照權(quán)利要求86的制品，其中，可與細(xì)胞結(jié)合的配體結(jié)合于該接枝共聚物的1-100％的親水側(cè)鏈上。
95.按照權(quán)利要求94的制品，其中，該配體選自由下列物質(zhì)組成的組粘連肽、細(xì)胞信號肽和生長因子。
全文摘要
本發(fā)明涉及將親水鏈接枝到聚合物上的合成方法，特別是接枝到疏水聚合物，例如聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVDF)以及氯化聚丙烯(cPP)上的合成方法。所得到的聚合物包括梳狀聚合物，此處的梳狀聚合物可以具有由親水鏈提供的親水區(qū)域的微相分離結(jié)構(gòu)。由這類梳狀聚合物、特別是由PVDF制備的制品品包括其親水區(qū)域為水的輸送提供了通道的濾水膜。PVC可以通過將親水鏈與其進(jìn)行接枝而塑化。而且，這類制品，特別是那些可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中的制品，能夠表現(xiàn)出抗血栓的性質(zhì)。
文檔編號C08G81/02GK1469892SQ01817235
公開日2004年1月21日 申請日期2001年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月11日
發(fā)明者安妮·M·梅椰斯, 喬納森·F·赫斯特, 保拉波·巴尼吉, 阿瑞雅·阿克薩菀, F 赫斯特, 巴尼吉, 阿克薩菀, 安妮 M 梅椰斯 申請人:麻省理工學(xué)院