两亲性接枝共聚物结构与微相分离的蒙特卡洛模拟

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两亲性共聚物在选择性溶剂中微相分离能够自组装形成胶束、囊泡等有序结构,是高分子科学研究的重要内容。这些结构在药物载体、组织工程、纳米器件等领域有着重要的应用。不同于线性共聚物,接枝共聚物具有独特的拓扑结构,易于通过调节主侧链的长度/组成、接枝密度等性质调控其自组装行为,相关研究尤其受到人们的关注。最近我们课题组报道了一种新型可注射超分子水凝胶,它是由两亲性接枝共聚物PPGg-PEG与环糊精组装而成,这里PPG是疏水性的聚氮苯基甘氨酸,而PEG为亲水性的聚乙二醇。该水凝胶具有光热特性,红外光照时能够实现可逆的溶胶-凝胶转变。当其包埋吲哚箐绿时,不仅可以提高吲哚箐绿的稳定性,还同时能够实现可控的光热/光动力联合抗肿瘤治疗。由于聚氮苯基甘氨酸为刚性疏水高分子,实验上难以对两亲性接枝共聚物的分子量、接枝密度等性质进行表征,其组装形成水凝胶的微观分子图像仍不清晰。对共聚物自组装的研究往往集中于由柔性链段组成的共聚物,对含有刚性链段的共聚物研究较少。为了更好的理解PPG-g-PEG/环糊精水凝胶的形成机制,本文采用计算机模拟对两亲性接枝高分子的结构和组装行为进行了研究,为了更好的和实验结合,我们考察的两亲性接枝高分子具有一个疏水的刚性主链和亲水的柔性侧链。我们选用了基于格子模型的Monte Carlo模拟,研究了链刚性、接枝高分子主链长度、侧链长度和接枝密度等因素对两亲性接枝高分子微相分离的影响。本文的主要内容如下:(1)基于格子模型的Monte Carlo模拟简单、高效,非常适合求解复杂的随机性问题,广泛应用于高分子领域。在第二章首先对格子Monte Carlo模拟方法进行了概述,介绍了它的基本思想和特征、常用的MC模型、Metropolis重要性抽样方法以及与体系相关的技术细节等。(2)持续长度是表征链刚性的基本参数,也是模拟需要确定的基本参数。第三章我们推导了不同链刚性势能时持续长度的理论公式,并在格子Monte Carlo模拟中利用不同的方法对其进行了统计。我们考察了不同计算方法、不同弯曲势能、不同的各种模型的差异。结果表明,采用键角法得到的持续长度结果和理论值最接近。差异主要是由于理论持续长度的推导是基于连续键角,而格子模拟中键角离散。采用键长涨落模型和余弦平方势能得到的持续长度和理论值较为接近。本章主要为今后研究高分子的链刚性打下良好的基础。(3)第四章使用格子蒙特卡洛模拟研究了一条半刚性高分子链从无热状态到低温时的塌缩转变,考察了链刚性对高分子链的塌缩转变的影响。结果表明,柔性高分子的塌缩为连续转变,而半刚性的高分子链塌缩过程呈现不连续性。我们分析了高分子的构象,发现柔性或低刚性的高分子链在低温时会塌缩成实心球形状,而半刚性链则可以塌缩形成环状、束状等结构。本章工作通过对半刚性高分子塌缩转变行为相关性质的考察,为今后进一步研究具有刚性的接枝高分子微相分离和组装行为等工作打下良好的基础。(4)第五章采用键长涨落模型考察了一条主链刚性,侧链柔性的两亲性接枝共聚物的微相分离行为。分别研究了链刚性、主链长度、接枝密度和侧链长度等因素对接枝共聚物微相分离的影响。模拟结果表明,随着主链刚性的不断增加,高分子塌缩转变所需要的温度越来越低;而随着主链长度的变化,接枝共聚物在我们考察的温度范围内,呈现出连续到不连续的塌缩转变状态。主链较短时的接枝共聚物在低温状态下会塌缩成棒状结构,当主链变长时就会出现环状、束状等结构。我们的结果为今后研究PPG-g-PEG/环糊精水凝胶的形成机制打下了良好的基础。
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