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随着智能高分子凝胶在生物医学领域应用研究的深入,对智能高分子凝胶提出了新的要求,如快速／多响应、精确的选择性、规则构造等。单响应的宏观凝胶已经不能满足应用需求,迫使我们寻求新的结构可控多重响应微／纳米凝胶的制备方法。材料在应用上的可持续发展,离不开理论基础的突破,而理论研究的突破可以进一步应用于新材料的设计。PNIPA作为典型的温度响应高分子材料,其响应性能获得研究人员的广泛关注。相比应用研究,这类材料的基础理论研究相对滞后。PNIPA类高分子材料的相变机理依然存在较大争议,氢键作用、亲水作用、疏水相互作用等在这其中起着怎样的作用,人们各执其词。尤其是PNIPA在混合溶剂中呈现出的非共溶剂效应,大多数解释都是基于各自研究的少数体系,而由于研究方法和研究广度的限制,至今未有一个经得起推敲的理论解释。本论文以典型的温度响应高分子聚(N,N’-二乙基丙烯酰胺)(PDEA)和聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPA)及pH响应高分子聚(N,N’-二甲基氨基丙烯酰乙酯)(PDM)和聚(N,N’-二乙基氨基丙烯酰乙酯)(PDE)为研究对象,结合NMR实验技术和分子动力学模拟,从PDEA凝胶的相变与大分子-溶剂分子间相互作用到多响应嵌段共聚物(PDM-b-PNIPA和PDE-b-PNIPA)的自组装与分子链段间相互作用,最后回归单分子链的构象转变与分子间相互作用的理论模拟探索。利用HR MAS NMR方法研究了PDEA凝胶在混合溶剂中的相变与择优吸附行为。发现不具有酰胺质子的PDEA在水／异丙醇和水／正丙醇混合溶剂中也存在非共溶剂效应。PDEA对醇的择优吸附随着疏水基团的增大而增强,相变后疏水基大的醇分子残留在凝胶网络中的数目多于疏水基小的醇。通过原位计算相变的脱水过程发现PDEA对醇的择优吸附并没有增强脱水,且相变后PDEA侧链甲基质子运动性随着醇疏水基团的增大而增强。说明酰胺质子并非非共溶剂效应的决定性因素,疏水相互作用在PDEA的相变过程中起着重要的作用。另外,PDEA在水/DMSO混合溶剂中存在非共溶剂效应而在水／丙酮混合溶剂中相变温度升高,且对丙酮有择优吸附而对DMSO没有择优吸附。分析相变脱水过程发现极性大的DMSO更容易与水一起排出凝胶网络,而丙酮则更容易被PDEA凝胶网络保留,推测丙酮的加入更有利于PDEA的溶剂化,而DMSO与PDEA竞争水分子,不利于PDEA的溶剂化,进一步导致非共溶剂效应的产生。对比PDEA在水／质子溶剂体系和水／非质子溶剂体系的相变,非共溶剂效应不能简单的归因为某个因素,如大分子内部氢键、择优吸附,而应该综合考虑大分子-溶剂分子及溶剂分子-溶剂分子之间的相互作用。利用可逆加成断裂链转移(RAFT)自由基聚合合成嵌段比相同的多响应嵌段共聚物PDM-b-PNIPA和PDE-b-PNIPA,通过控制不同外界刺激(温度、pH)条件,研究大分子内相互作用对其相变与聚集行为的影响,进一步探索具有快速响应性的多响应核／壳纳米凝胶的制备。碱性溶液(pH=12)中,室温下PDM-b-PNIPA为略微收缩的分子链,PDE-b-PNIPA则自组装成以PDE为疏水核PNIPA为亲水壳的胶束。升温后,PDM-b-PNIPA两嵌段均塌缩,形成约200 nm的近球状胶束,且这种胶束的疏水核和亲水壳中均含有PDM/PNIPA分子链。PDE-b-PNIPA在升温过程中呈现两步相变,首先,壳层PNIPA从核壳界面逐步塌缩,导致胶束尺寸减小,随着嵌段共聚物亲水质量分数下降到临界值后,胶束结构转化为尺寸略微增大的囊泡结构。酸性条件下,PDM和PDE侧链质子化,升温后形成以PNIPA为疏水核、PDM/PDE为亲水壳的核壳胶束。通过在酸性溶液中,于298 K和323 K加入水溶性天然聚阴离子海藻酸钠,分别制备了核交联和壳交联纳米凝胶,基于其多响应性,有望应用于不同亲疏水性药物的控制释放体系。利用分子动力学模拟探索PDEA和PNIPA单分子链在纯水溶液和水／甲醇、水／乙醇、水／丙酮、水/DMSO二元混合溶剂体系中的相互作用。相比能形成分子内氢键的PNIPA, PDEA需要更大的聚合度才能在高温发生链塌缩,且其在360K的塌缩需要更长的模拟时间。此外,大分子酰胺基团附近通过非氢键作用的水分子以及分子链表面溶剂化层的水分子在PDEA的链塌缩过程中起着重要的作用。在水／醇混合溶剂体系中,PNIPA和PDEA与醇分子之间的相互作用强于与水分子之间的相互作用。升温后大分子-水分子之间氢键减少,而大分子-醇分子之间的氢键作用变化较小,而大分子侧链烷基与醇分子烷基之间疏水相互作用变得显著,表现为对醇的择优吸附。计算大分子周围溶剂个数比例发现大分子对乙醇的择优吸附比甲醇强,与实验结果相符。在水／丙酮二元溶剂体系中,无法与丙酮形成氢键的PDEA对丙酮的择优吸附主要体现在升温后,即由于疏水相互作用变得显著而择优与丙酮作用。PNIPA对丙酮的择优吸附在低温时就已经存在,升温后氢键变弱和疏水作用变得显著平衡使得择优吸附效应得到一定的增强。在水/DMSO二元混合溶剂体系中,由于DMSO的强极性特征,在升温过程中与PNIPA侧链烷基之间的疏水相互作用变化不显著,而与PNIPA之间的氢键作用在升温过程中显著变弱,因此升温后PNIPA与DMSO之间相互作用反而变弱。对于无法与DMSO形成氢键的PDEA,在升温过程中其侧链烷基与DMSO疏水基团相互靠近的效应比与丙酮弱,因此表现为PDEA-丙酮相互作用强于PDEA-DMSO。综上,该模拟体系可以大致的描述出两种大分子在混合溶剂中的状态,且可以定性的描述出多种大分子-溶剂分子间的相互作用强弱。不足的是,该模拟体系在描述大分子-水与大分子-DMSO间相互作用强弱上存在较大的误差,得出的结果与实验结果相反。根据相关文献描述,推测使用的DMSO模型疏水性过强,提示我们溶剂分子之间的相互作用在PDEA类材料的相变过程中起着重要的作用,也为我们进一步改善模型提供了新的思路,即在理论模拟中不仅需要考虑大分子-溶剂分子之间相互作用,还需要考虑溶剂分子-溶剂分子之间的相互作用。