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1、功能性含糖聚合物的研究含糖聚合物是指高分子链上含有糖基组分的高分子，具有良好的亲水性，生物相容性，糖单元的特异识别性又赋予了聚合物先进的生物功能性，因此近年来受到越来越多的关注，含糖聚合物在生物技术，生物医学，生物分离等方面具有广泛的应用前景。可控/活性聚合技术的发展为合成各种结构及分子量可控的功能性高分子提供方便有效的途径，尤其是可逆加成裂解链转移（RAFT）自由基聚合，适用功能性单体范围广，反应不需要金属催化剂，所以成为合成具有生物用途的功能性聚合物的最佳方法之一。一、 RAFT聚合技术合成含糖聚合物由于RAFT法对单体的功能基团不敏感，因而含自由羟基的糖单体可直接用于聚合。Lowe 等2
2、9首次报道了糖单体甲基丙烯酸氧乙基葡糖苷的RAFT聚合，以（4氰基戊酸）4二硫代苯甲酸（CPADB）为链转移剂，70下进行聚合，发现在低转化率下，分子量和转化率成线性关系。Davis等人直接聚合糖单体合成了一系列水溶性的含糖聚合物30-32，例如甲基丙烯酸6O甲基丙烯酰D葡萄糖苷和2甲基丙烯酸羟乙基-葡萄糖苷在乙醇/水溶液中依次进行RAFT聚合，合成了含有两种糖单元结构的含糖嵌段聚合物。Bernard 等58采用丙烯酰胺类含糖单体（AGA）直接聚合，得到PAGA为大分子链转移剂，再聚合N异丙基丙烯酰胺（NIPAM），得到窄分子量分布的温敏性嵌段聚合物PAGA-b-PNIPAAm。研究发现，当温
3、度高于LCST时，由于聚异丙基丙烯酰胺PNIPAM链段的塌陷，两嵌段聚合物在水中自组装形成胶束。Narain等人10对葡萄糖基进行修饰，然后分别以糖，带氨基的单体和生物素为单体，进行RAFT聚合（如图1.5），得到，具有良好的水溶性聚合物胶束稳定性很强，并对其生物功能化进行了研究。另外，他们11还通过合成阳离子含糖纳米粒子，与DNA进行配位作用（如图1.6），从而实现对细胞的识别作用。最近，他们12还以生物素化双硫酯为链转移剂，利用RAFT聚合法分别制备了端基生物素化的NMA与修饰化的甘露糖和乙酰基葡萄糖的含糖共聚物，并在含糖共聚物中加入PEG原位制得金的含糖纳米粒子。并对其特异识别作用及生物
4、功能性进行了研究。将环境响应性聚合物链段引入含糖聚合物中得到的刺激响应性含糖聚合物，将糖基的特异性识别和聚合物对外界环境的响应性有机地结合在一起，可以使含糖聚合物在生物医学领域得到更广泛的应用。目前，得到普遍研究的是pH、温度响应性含糖聚合物。虽然直接以糖单体进行聚合无需进行后续的脱保护，但是限制了聚合时溶剂的选择以及合成嵌段聚合物时单体的选择，因此出现了由保护性糖单体合成含糖共聚物的大量研究33-38。Lowe39等人以CPADB为链转移剂，在DMF溶剂中进行保护性糖单体3-O-甲基丙烯酰氯-1, 2:3, 4-二-O-异亚丙基-D-吡喃半乳糖的RAFT聚合，合成保护性含糖聚合物，再以此为大
5、分子链转移剂，聚合甲基丙烯酸二甲基氨基甲酯（DMAEMA）单体，得到窄分子量分布（PDI7条件下，PDEAEMA-b-PMAGlc形成亲水性壳层分布有大量的葡萄糖基的球型胶束，并且对刀豆蛋白Con A具有特异识别作用。由于PDEAEMA的pH响应范围与癌细胞附近的pH接近，因而此含糖嵌段共聚物可应用与抗癌药物的靶向释放系统。借助于RAFT聚合与开环聚合，将聚己内酯（PCL）引入到三嵌段共聚物的侧链，本课题组合成了可以生物降解的温敏性线梳线型的含糖三嵌段共聚物。此三嵌段共聚物在水溶液中自组装形成以PCL为内核，PMAGlc与PNIPAM为混合型壳层的Compound胶束。胶束的尺寸与温度有关，其
6、对温度的敏感性依赖于PNIPAM的链段长度。RAFT由RAFT聚合机理可知，二、 可控自由基聚合技术结合点击化学合成功能性含糖聚合物“点击化学”的概念是2001年由美国化学家Sharpless60提出来的。“点击化学”最大的优点在于反应原料易得，反应非常可靠，对氧气和水不敏感，反应条件温和，产物立体选择性好、产率高，反应后处理及产物分离简单方便，反应副产物对环境友好，而且有很好的生物兼容性。利用点击化学对聚合物进行生物功能化修饰具有简便高效的特点。目前，点击化学应用最为成熟的是叠氮化物与末端炔在Cu()催化下生成1，2，3-三唑化合物，即Cu()催化的Huisgen 1，3-偶极环加成反应 (
7、CuAAC )61-63。其反应原理如图1.6所示。用于合成含糖聚合物的一大优点是可以将不同的糖单元键接到同一个大分子链上。图1.6 Cu(I) 催化的1,3-双偶极Huisgen环加成反应原理。Hetzer 等人64利用点击化学得到2-（4-乙烯基-1,2,3-三氮唑-1-基）乙基-O-D-吡喃甘露糖单体，进行RAFT聚合，得到含糖均聚物。再以此为大分子链转移剂，NIPAAm为单体，进行RAFT聚合，得到温敏性双嵌段聚合物（如图1.7）。研究发现，当温度高于LCST时，聚合物就会自组装形成聚合物胶束。此胶束以水溶性甘露糖为壳，可以与刀豆蛋白Con A特异性识别。Schubert等人65利用点
8、击化学制备得到含有糖单元的单体，再与单体2-乙基-2-恶唑啉和单体2-（十二-9-烯基）-2-恶唑反应，得到侧基含有烯基的共聚物，此共聚物可以进一步与含有巯基的功能分子结合，形成功能性聚合物，与刀豆蛋白Con A具有特异性识别作用。图 1.7 嵌段聚合物合成过程Haddleton等人66利用ATRP聚合方法合成了窄分子量分布的侧链上含有炔基的聚合物，通过点击化学将保护的和未保护的糖单元接到侧链上，提供了一种简单有效的合成含糖聚合物的方法（图1.8）。Huang 67等人利用NCA聚合方法合成了侧链含有炔基的窄分子量分布的多肽聚合物，然后将叠氮功能化的葡萄糖基通过点击化学接到多肽链上，高效的合成
9、了含糖多肽类聚合物。此含糖多肽类聚合物具有良好的水溶性，对Con A具有特异性识别作用。图1.8 利用点击化学制备含糖聚合物巯基-烯烃及巯基-炔烃是“Click chemistry”中重要的一种类型。不同于叠氮-炔烃的点击反应，它是一种键能较弱的S-H键，在相对温和的条件下，与碳碳双键及碳碳三键进行加成。巯基-烯烃反应凭借快速、简单，不受氧影响以及无重金属Cu残留等优点，在固化( 硫化) 反应和聚合物改性中成为一种高效的工具68-69。该技术已经渗透到生命、药物、高分子、功能材料、表面改性等诸多领域70-74。图1.9巯基-烯烃偶联示意图：a)自由基偶联；b)在催化剂作用下的迈克尔加成反应。图
10、1.9 巯基-烯烃偶联示意图Perrier等人75利用RAFT方法分别合成了侧链含有炔基和烯基的聚合物，利用巯基-炔烃及巯基-烯烃点击化学将葡萄糖基接到聚合物上，形成超支化含糖聚合物，利用此种方法可以得到结构单一的含糖聚合物，有望应用于生物医药领域。Chen等人76利用RAFT方法聚合单体聚（乙二醇）甲基丙烯酸甲酯和HEMA，得到侧链含有烯基的嵌段聚合物，利用巯基-烯烃点击反应在2小时之内将糖基接到聚合物链上，所形成的胶束对刀豆蛋白Con A具有特异性识别作用。Haddleton等人44将ATRP法和点击化学联用，合成了具有精确结构的含糖嵌段共聚物，然后利用聚合物的马来酰亚胺端基与BSA的相互
11、作用，将蛋白质引入（如图1.25），得到含糖嵌段共聚物-蛋白质缀合物。并对其与凝集素的识别作用及其免疫感应功能进行了研究。1.2.3 含糖聚合物的识别功能及生物应用糖与蛋白质能够相互作用，形成比较稳定的糖-蛋白质复合体，并且一种蛋白质只能与一种糖相互作用，这种作用称为糖的特异性识别。我们将这一类能和糖类进行特异性结合的，促使细胞凝集的蛋白质称为凝集素(lectin)。但是单个糖单元与凝集素的这种特异性结合作用特别弱，因此含糖聚合物引起人们越来越多的关注，因为含糖聚合物将单个糖单元聚集在一起，增强了这种特异性识别作用。Kiessling等人77合成一系列含有不同比例的甘露糖残基和半乳糖残基的共聚
12、物。其中刀豆蛋白Con A能和甘露糖进行特异性识别而不能与半乳糖识别。共聚物除了含甘露糖比例不同，在聚合度、极性及空间属性方面都是一样的。研究结果表明，含糖聚合物与刀豆蛋白Con A有特异性相互作用，并且含甘露糖比例越，聚合物对Con A的结合能力越强（图1.10）。图1.10 含不同比例甘露糖的含糖聚合物对刀豆蛋白Con A的识别作用Stenzel等人78利用单体二（乙二醇）甲基醚甲基丙烯酸甲酯(DEGMA)和甲基丙烯酸羟乙酯合成了温敏性两嵌段聚合物，通过后修饰将糖基接到此嵌段聚合物上，形成温敏性含糖嵌段聚合物。当溶液处于聚合物LCST之上时，嵌段聚合物由于PDEGMA链段的塌陷而形成胶束，
13、胶束的形成使得糖基聚集而增强了与刀豆蛋白Con A的结合能力（图1.11）。图1.11 温敏性含糖聚合物的合成及在温度高于LCST时胶束的形成过程Xu等人将含糖聚合物聚-D-烯丙基葡萄糖苷接枝到聚丙烯微孔膜上，形成糖基化多孔表面，得到含高浓度糖基的微孔膜79。研究表明，此微孔膜可以特异性识别刀豆蛋白Con A，并能选择性吸附Con A（图1.13）,有望应用于蛋白质分离技术。图1.12 含糖微孔膜选择性吸附刀豆蛋白Con A通过化学反应将糖组分引入到聚合物链中而形成功能性聚合物材料，利用糖基与蛋白质的特异性相互作用，可以作为细胞和其它生物分子的识别位点，从而实现靶向输送和药物载体的功能，在生物
14、医学及生物技术方面有着广泛的应用前景 80-82。第三节 蛋白质/多肽-聚合物生物缀合物的合成方法近年来，蛋白质/多肽-聚合物生物缀合物引起人们广泛的研究兴趣。将聚合物接到蛋白质上不仅可以增加蛋白质的溶解性，稳定性，而且可以赋予生物分子一些新的功能，因此可以增加蛋白质在体内或者体外的应用性。蛋白质与聚合物可以通过共价键或者非共价键结合，而以共价键的形式合成生物缀合物的主要有“Grafting to”和“Grafting from”两种方法。1.3.1 “Grafting from”方法合成聚合物-蛋白质缀合物“Grafting from”方法是指高分子链从蛋白质表面进行增长从而得到聚合物-蛋白质生物缀合物。目前较常用的方法是用生物大分子修饰ATRP引发剂或者RAFT链转移剂引发单体聚合，从而得到聚合物-蛋白质/多肽生物缀合物。Maynard等人83利用BSA或者溶菌酶的半胱氨酸残基上巯基通过二硫键修饰ATRP引发剂，形成蛋白质大分子引发剂，引发单体NIPAAm进行原位聚合，得到温敏性生物缀合物(图
