江小梅, 李 杰, 漆 銳, 鄧瑾妮, 鄭朝暉, 丁小斌, 潘 毅*

(1. 中國科學院 成都有機化學研究所，四川 成都 610041； 2. 中國科學院大學 化學科學學院，北京 100049)

自組裝是分子從無序到有序的聚集過程，通過非共價鍵作用使不同結(jié)構(gòu)的分子進行“自下而上”形成多級結(jié)構(gòu)的復(fù)雜功能體[1]。該現(xiàn)象廣泛存在于生物體內(nèi)，如多肽形成蛋白質(zhì)、煙草花葉病毒棒狀結(jié)構(gòu)等[2]，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用[3-5]、涂料[6]、組織工程[7-8]等領(lǐng)域。

嵌段聚合物在選擇性溶劑中進行自組裝形成結(jié)構(gòu)豐富、形貌多樣的聚集體[9]。嵌段聚合物從分子結(jié)構(gòu)上分為線性和非線性嵌段聚合物。相比于線性嵌段聚合物而言，非線性嵌段聚合物(Y形、H形、星形等)具有多條主鏈、多個支化點，因而增大了鏈的構(gòu)象熵，使之在自組裝過程中表現(xiàn)出一系列特有的相分離現(xiàn)象，從而得到成一些特殊形貌結(jié)構(gòu)，如多毛柱狀膠束[10]、多壁囊泡[11]等。在非線性嵌段聚合物中，Y形嵌段聚合物是結(jié)構(gòu)最簡單的一類，其在水溶液中可直接形成單壁大囊泡[12]，無需電鑄[13-14]、光引發(fā)[15]、微流體[16]等復(fù)雜的手段，并且形成的膠束具有優(yōu)良的特性，例如優(yōu)異的載藥特性[4]控制藥物的釋放[17]。此外，引入具有溫度[18-19]、pH[20]、光敏[21-23]等響應(yīng)性鏈段，可使其在相應(yīng)刺激下完成膠束的形貌及性能的轉(zhuǎn)變，因此在制備響應(yīng)性智能材料領(lǐng)域方面具有較大潛力，展現(xiàn)了Y形結(jié)構(gòu)分子的獨特優(yōu)勢。

按照分子結(jié)構(gòu)可將Y形嵌段聚合物分為以下兩種，一種是具有兩條相同性質(zhì)鏈段和一條不同性質(zhì)鏈段結(jié)構(gòu)；另一種是中心疏溶劑末端親溶劑結(jié)構(gòu)。然而，鮮有對中心疏水而末端親水的Y形結(jié)構(gòu)聚合物自組裝的研究的報道。文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)具有類似結(jié)構(gòu)的星型兩親性嵌段聚合物進行自組裝形成的膠束具有穩(wěn)定好[24]、良好的藥物控釋[25]等特性；中心疏水末端親水的H形兩親性嵌段聚合物自組裝形成球狀膠束能在一定條件下膠束大小發(fā)生變化，外界刺激改變鏈段親疏水性引起膠束尺寸、形貌變化[26]。因此，本文期望通過中心疏水而末端親水的Y形結(jié)構(gòu)聚合物的合成及自組裝行為研究，獲得具有特殊形貌以及可通過外界刺激對形貌進行調(diào)控的自組裝聚集體結(jié)構(gòu)。

本文設(shè)計并合成了中間具有疏水末端親水的非離子型Y形兩親性聚氨酯。以六亞甲基二異氰酸酯(HDI)三聚體、聚乙二醇單甲醚(mPEG)以及聚醚胺(PEA)為原料(Scheme 1),其結(jié)構(gòu)和自組裝形貌經(jīng)1H NMR、 FT-IR、 GPC、透射電鏡(TEM)和原子力顯微鏡(AFM)表征。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker AV 300 MHz型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內(nèi)標)；Thermeo Fisher Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀(KBr壓片)；Water 2410型凝膠滲透色譜儀；SPM-9600型掃描探針顯微鏡。

mPEG(Mw=1000 g/mol)、二月桂酸二丁錫(DBTDL)、 聚醚胺(PEA， Mw=230 g/mol)、六亞甲基二異氰酸酯三聚體，分析純；其余所用試劑均為分析純或化學純。

1.2 合成

(1) Y形兩親性嵌段聚合物的合成在50 mL兩口瓶燒瓶中通入N230 min，加入HDI三聚體3.2 g(6.3 mmol)的無水THF溶液，冰浴下緩慢滴加mPEG 12 g(12 mmol)，滴畢，滴加3滴DBTDL，N2保護下攪拌1 h，于60 ℃油浴反應(yīng)6 h；滴加分子量為PEA 1.5 g(6.5 mmol)，滴畢，反應(yīng)4 h。蒸除THF，殘余物用乙醇溶解，轉(zhuǎn)入透析袋中，用去離子水透析3 d除去未反應(yīng)的反應(yīng)物和副產(chǎn)物，冷凍干燥48 h得淡黃色粉末，收率50%。

Scheme 1

ν/cm-1

δ

Time/min

(2) 膠束的合成

稱取適量聚合物溶于THF中，攪拌5 min，緩慢滴加蒸餾水，強力攪拌30 min后轉(zhuǎn)入透析袋中透析24 h，除去THF，定容將聚合物溶液稀釋到0.05 mg/mL、 0.1 mg/mL和1 mg/mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

圖1(a)為Y形兩親性嵌段聚合物的IR譜圖。由圖1(a)可見，2260 cm-1左右處無峰，說明異氰酸酯反應(yīng)已經(jīng)反應(yīng)完全，3340 cm-1和1520 cm-1出現(xiàn)氨基甲酸酯的N—H伸縮振動與彎曲振動吸收峰，表明異氰酸酯與羥基反應(yīng)；1690 cm-1為三聚體六元環(huán)的羰基吸收峰，1114 cm-1處出現(xiàn)C—O—C鍵吸收峰。圖1(b)為Y形兩親性嵌段聚合物的1H NMR譜圖。由如圖1(b)可知，氫原子a為CO—NH—CH(CH3)的特征峰,d為NH—CO—NH的特征峰，b為COOCH2的特征峰，c為OCH3的特征峰，δ2.9附近為HDI三聚體異氰酸酯亞甲基的特征峰，e為聚醚胺末端CH2—CH(CH3)NH2的特征峰，f為CH2—CH(CH3)NH2的特征峰。氫原子積分面積比為c/a/d/b/e/f=6/3/1/4/1/3,與目標產(chǎn)物的氫原子個數(shù)比一致。圖1(c)為聚合物的分子量及分子量分布。由圖1(c)可知，聚合物分子量為3200 g/mol， PDI=1.36，與理論分子量相差不大，分子量分布較窄。

2.2 自組裝形貌

(1) 不同濃度的聚合物尺寸

圖2(a)為不同濃度下的Y形兩親性嵌段聚合物(mPEG)2-HDI-PEA膠束的流體力學直徑。由圖2(a)可知，測試濃度為0.05 mg/mL的(mPEG)2-HDI-PEA膠束的流體力學直徑時出現(xiàn)單峰(70 nm)，說明形成的膠束分布均勻。圖2(b)為聚合物濃度增加到0.1 mg/mL時的流體力學直徑。由圖2(b)可知，DLS測試出現(xiàn)兩個特征峰，最大值約為120 nm，膠束尺寸分布不均勻，其原因是在較低濃度范圍內(nèi)(mPEG)2-HDI-PEA以單個或極少數(shù)的分子聚集形成球狀膠束，當聚合物濃度增加時疏水鏈段疏水作用增強易于形成分子聚集體。圖2(b)和圖2(c)為聚集體的TEM照片。由圖2(b)和2(c)可見，聚合物形成球狀膠束，相比于DLS測得的直徑，TEM結(jié)果偏小。

d/nm

圖 2 不同濃度聚合物的動力學直徑(a)和TEM照片(b,c)

(2) 聚合物的微觀形貌

圖3(a)為聚合物的微觀形貌。由圖3(a)可知，球狀膠束表面呈現(xiàn)“溝壑”狀，且其高度圖截面曲線并不光滑；當濃度增加到1 mg/mL時AFM觀察到形成的球狀膠束尺寸增加，表面的“溝壑”也越來越明顯，放大其高度圖發(fā)現(xiàn)“溝壑”有規(guī)律的排布[圖3(b)],截面表面參差不平，截面曲線凸起與凹陷明顯。本文中的Y形兩親性嵌段聚合物(mPEG)2-HDI-PEA具有兩條mPEG鏈和一條PEA230，中間為HDI三聚體疏水鏈段(圖4)。在水溶液中疏水段聚集成核，親水鏈溶于水中，由于親水鏈段在水溶液中彼此間存在的排斥力與酰胺鍵之間的氫鍵之間相互作用導(dǎo)致親水鏈段排列受限，親水鏈段間可能采取mPEG與PEA之間間隔排列，在球形膠束表面形成“溝壑”形狀。

(a)：0.1 mg/mL

(b)：1 mg/mL圖 3 聚合物(mPEG)2-HDI-PEA不同濃度下AFM高度圖

圖 4 (mPEG)2-HDI-PEA的結(jié)構(gòu)及自組裝過程

(3) 溫度對形貌的影響

研究了溫度對聚集體形貌的影響，將聚合物溶液在60 ℃下攪拌24 h制備膠束，轉(zhuǎn)入冰浴鎖定聚集體形貌，在TEM和AFM下觀察發(fā)現(xiàn)膠束的形貌隨濃度的變化。聚合物濃度為0.1 mg/mL時，在TEM下除觀察到球狀膠束外還有橢球狀和X型蠕蟲狀形貌，其可能的形成過程如圖4所示，在60 ℃水溶液中聚合物自組裝形成“星形”球狀膠束，水溶液溫度升高分子間的氫鍵作用遭到破壞，疏水作用增強，形成的球狀膠束間相互融合，如圖5(a)所示，紅色虛線內(nèi)兩膠束正在進行融合。當聚合物濃度增加到1 mg/mL時AFM測得的結(jié)果如圖5(b)所示，出現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚集體，膠束間發(fā)生交疊。如圖5(c)所示，膠束最大尺寸達到微米級，與TEM測得結(jié)果相近。隨著聚合物濃度增大，蠕蟲狀膠束間相互堆疊形成網(wǎng)狀或者層狀，這是由于聚合物(mPEG)2-HDI-PEA分子疏水鏈段與親水鏈段連接處的酰胺鍵間的氫鍵作用與親水鏈段長短鏈之間排斥作用、平衡作用導(dǎo)致殼層排列受限形成表面有規(guī)律排列的“溝壑”，但當制備膠束的溫度升高酰胺鍵之間氫鍵作用以及聚乙二醇的醚鍵與水之間的氫鍵作用減弱破壞兩種力的平衡，分子的疏水作用增強，共同促進膠束一維增長，并且隨著聚合物濃度的變化，膠束的形貌發(fā)生變化。

d/nm

圖 6 靜置1個月后聚合物的AFM高度圖(a)，靜置后降溫到室溫膠束的AFM高度圖(b),降溫后靜置1 d,聚合物的AFM圖(c),0.05 mg/mL溶液在60 ℃下靜置3 d的TEM圖(d)

(4) 聚合物在水中的自組裝過程

Nanneyl等[27]認為蠕蟲狀膠束與傳統(tǒng)的高分子聚合物的最大區(qū)別是蠕蟲狀膠束在外力作用下其解離與重整是一個動態(tài)過程，提出“活的聚合物”的概念。圖6(a)～(d)為聚合物的自組裝過程。由圖6(a)可知，靜置一個月，蠕蟲狀膠束長度等產(chǎn)生了明顯變化。隨后將此溶液從60 ℃降至室溫靜置1 d后，通過AFM觀察到聚集體的形貌幾乎無變化，但AFM的截面圖高度以及寬度發(fā)生改變，相比于圖6(a)的結(jié)果高度和寬度整體減小[圖6(b)和6(c)]。將0.1 mg/mL溶液稀釋到0.05 mg/mL，靜置3 d，聚集體形貌發(fā)生明顯改變，膠束形貌以及長度明顯改變，從蠕蟲狀變成棒狀或橢球狀[圖6(d)]。該聚合物在濃度改變的條件下膠束形貌發(fā)生動態(tài)組裝與解離，與Magid定義的蠕蟲狀膠束是“活的聚合物”相符，表現(xiàn)出動態(tài)的組裝與解離過程。

合成了Y形兩親性嵌段聚合物(mPEG)2-HDI-PEA，并研究了其在水溶液中的自組裝行為。由于分子中的親水鏈段間的排斥力與酰胺鍵之間的氫鍵相互作用，該聚合物在室溫下自組裝形成表面“溝壑”狀的球狀膠束，隨著聚合物濃度的增加，球狀膠束的尺寸也增加，表面“溝壑”越明顯；當聚合物在溫度為60 ℃條件下進行自組裝時，嵌段聚合物的親水鏈段與水的氫鍵作用減弱，疏水作用增強，膠束間相互融合形成蠕蟲狀膠束，形成的蠕蟲狀膠束靜置隨時間的延長膠束的長度亦增加，稀釋后由蠕蟲狀轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙睿尸F(xiàn)一個動態(tài)的組裝和解離過程。