本文介绍了一种利用可见光介导的分散聚合方法制备聚合物自组装纳米粒子的工艺。采用低能量可见光控制聚合过程，可在高固含量条件下可重复地形成自组装蠕虫状胶束。
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摘要
摘要
本文介绍了一种通过可见光介导的分散聚合简便合成蠕虫状胶束的方法。该方法首先采用可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合技术合成亲水性聚（低聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯）（POEGMA）均聚物。在温和的可见光照射下（λ = 460 nm，0.7 mW/cm²），该均聚物在甲醇中发生光诱导分散聚合，生成两亲性嵌段共聚物，进而自组装形成蠕虫状胶束。通过调节疏水嵌段的聚合度或改变溶剂组成，可实现对蠕虫状胶束形貌的精确调控。该策略具有反应条件温和、操作简便、可扩展性强等优点，适用于多种甲基丙烯酸酯类单体，为功能化软材料的制备提供了一种高效且环境友好的途径。 关键词：可见光聚合，分散聚合，RAFT聚合，蠕虫状胶束，嵌段共聚物，自组装，POEGMA，甲基丙烯酸酯2），这种大分子链转移剂（macro-CTA）在钌基光氧化还原催化剂 Ru(bpy) 存在下3Cl2 可通过第二种单体进行链延伸，形成结构明确的嵌段共聚物，该过程称为光诱导电子转移可逆加成-断裂链转移聚合（Photoinduced Electron Transfer RAFT，PET-RAFT）。当在乙醇（EtOH）中使用PET-RAFT技术以甲基丙烯酸苄酯（BzMA）对POEGMA进行链延伸时，会形成具有不同形貌的聚合物纳米粒子 原位 根据聚合诱导自组装（PISA）机理，自组装形成具有POEGMA链位于冠层、聚（苯甲基甲基丙烯酸酯）（PBzMA）链位于内核的纳米粒子 原位 由于PBzMA嵌段在乙醇中逐渐不溶。有趣的是，通过观察高粘性凝胶的出现，可方便地监测高纯度蠕虫状胶束的形成 原位 由于聚合过程中发生的纳米粒子缠结。该过程通过在聚合过程中监测溶液黏度，从而实现了蠕虫状胶束更可重复的合成。此外，光刺激可以以开关方式间歇施加，实现对纳米粒子形貌的时间控制。
引言
非球形（及其他）纳米粒子形貌的合成传统上采用多步自组装方法实现，该方法首先合成并纯化结构明确的两亲性二嵌段（或多嵌段）共聚物。其中一种最常见的自组装技术由Eisenberg在20世纪90年代推广，其过程是将两亲性嵌段共聚物溶解于两个嵌段均能溶解的共溶剂中，随后缓慢加入对其中一个嵌段具有选择性的溶剂1-3。随着选择性溶剂（通常为水）的加入，嵌段共聚物发生自组装，形成聚合物纳米粒子。纳米粒子的最终形貌（或多种形貌的混合物）由多种因素决定，例如各聚合物嵌段的相对长度、加水速率以及共溶剂的性质。然而，该方法通常仅能在较低固含量（低于1 wt%）条件下制备纳米粒子，因而限制了其实际的可扩展性4。此外，由于稳定此类非球形形貌所需的参数范围较窄，重现性地形成"中间"相（如蠕虫状胶束）较为困难5。
聚合诱导自组装（PISA）方法通过利用聚合过程本身驱动自组装，部分克服了艾森伯格方法的缺点 原位 可在更高固含量（通常为10–30 wt%）下实现纳米颗粒的合成6-8在典型的PISA方法中，采用活性聚合过程，通过一种在反应介质中最初可溶但会形成不溶性聚合物的单体，对可溶于溶剂的大分子引发剂（或大分子链转移剂）进行链延伸。该PISA方法已被用于合成蠕虫状胶束，其过程涉及系统地测试多种实验参数，并利用详细的相图作为合成指导。 "路线图"5,9.
尽管蠕虫状纳米粒子的合成具有挑战性，但由于其相较于球形对应物具有独特的性质，因而备受关注。例如，我们已证明，采用PISA方法合成的载药短棒状和长棒状胶束具有显著更高的性能 体外 与球形胶束或囊泡相比的细胞毒性10. 其他研究已表明纳米颗粒的长径比与血液循环时间之间存在相关性 体内 模型11已有研究显示，采用适当的PISA方法合成的蠕虫状纳米颗粒会因纳米级颗粒丝状物的相互缠结而形成宏观凝胶。由于这类凝胶具有热可逆的溶胶-凝胶转变特性，已展现出作为可灭菌凝胶的应用潜力。12.
本方案描述了一种方法，可用于 原位 通过简单观察聚合过程中的溶液黏度变化来监测蠕虫状胶束的形成。以往对类似蠕虫状胶束凝胶的研究表明，当温度超过临界值时，这些纳米粒子会发生可逆的蠕虫-球形相转变，从而在较高温度下形成自由流动的分散体系。迄今为止，这些体系均采用热敏性偶氮化合物来引发可控聚合。13,14 因此，在这些体系的热聚合过程中，凝胶化可能不易被直接观察到。基于这些研究，推测在较低温度下合成PISA衍生的纳米颗粒可能有助于观察到这种凝胶化行为。 原位.
最近，我们报道了一种简便的室温光聚合技术，用于介导PISA过程，以制备具有不同形貌的纳米粒子15。本文提供了一种可视化的实验方案，通过监测聚合过程中溶液黏度的变化，实现蠕虫状胶束的可重复合成。该分散聚合反应可顺利进行，仅需使用市售的发光二极管（LED）（λ = 460 nm，0.7 mW/cm2）即可。
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方案
1. POEGMA 大分子链转移剂的合成与表征
- 加入寡聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯（OEGMA）（12 g，4 × 10-2 mol)，4-氰基-4-(苯基碳代硫酰硫基)戊酸（CPADB）（0.224 g，8 × 10-4 mol)、2,2′-偶氮双(2-甲基丙腈)（AIBN）（16.4 mg，0.1 mmol）和50 ml乙腈（MeCN）加入100 ml圆底烧瓶中。
- 用适当大小的橡胶塞和钢丝密封烧瓶，并将烧瓶从室温冷却至 < 4 °C 冰水浴中
- 通过一根21 G针头（0.8 mm × 120 mm）向反应混合物中直接通入氮气，并用另一根21 G针头（0.8 mm × 38 mm）作为排气口，对反应瓶脱氧30分钟。
- 将烧瓶置于70 °C的油浴中反应5.5小时，随后浸入冰水浴中终止聚合反应，并使内容物暴露于空气中。
- 在持续通入压缩空气的同时搅拌，除去乙腈，然后将粗混合物重新溶解于约40 ml四氢呋喃（THF）中。
- 将烧瓶中的内容物逐滴加入400 ml快速搅拌的石油醚（沸程40-60 °C）与乙醚（70:30, v/v）混合液中，继续搅拌直至上清液不再浑浊。
注意：可使用冰浴冷却以加速沉淀过程。 - 倾析上清液，并将聚合物残余物重新溶解于约 40 ml THF 中。
- 重复沉淀过程（步骤1.5–1.7）至少两次，以确保完全去除残留的OEGMA单体。首先在持续通入压缩空气的条件下搅拌，除去纯化的POEGMA大分子CTA中的过量溶剂，然后在真空烘箱中（20 °C，10 mbar）干燥4小时。
- 通过核磁共振（NMR）测定POEGMA大分子CTA的数均分子量（Mn，核磁共振波谱（NMR）) 采用先前报道的方法15. 采用凝胶渗透色谱法15 （凝胶渗透色谱法）（以二甲基乙酰胺为流动相，并使用适当的标准品进行校准），计算聚合物分散度（Ð）。
注意：采用上述合成方法（步骤 1.1–1.8）应得到分子量为 M 的 POEGMA 大分子链转移剂（macro-CTA）n，核磁共振波谱（NMR） = 9,000，和 Ð < 1.15. 若所合成的POEGMA大分子CTA的分子量（及分散度）与本文所述合成结果不同（介于7,000 - 1,000 g/mol之间），则蠕虫状胶束的形成（由以下指标表明） 原位 凝胶化）仍可采用下文第2节所述的PISA方法进行，尽管反应时间略有调整。
2. 使用 PISA 制备 POEGMA-b-PBzMA 纳米粒子
- 配制 1 mg/ml 的 Ru(bpy) 储存液3Cl2 .6H2O 溶于乙醇（EtOH）中。将储备液置于冰箱中保存，以减少溶剂挥发。
- 用一根巴斯德移液管的一端塞入少量棉絮，并用另一根移液管辅助将其压紧。将碱性氧化铝倒入带有棉絮塞的移液管中，形成约5 cm高的柱体。将约3 ml商用BzMA通过该柱体，以去除其中的单甲醚对苯二酚抑制剂，并收集去抑制后的BzMA洗脱液。
- 加入POEGMA大分子CTA（~9,000 g/mol；76.9 mg，8.5 × 10⁻³ mmol）-6 mol)，去抑制的 BzMA（0.301 g，1.71 × 10-3 mol)，Ru(bpy)3Cl2.6H2O (128 µg, 1.71×10-7 mol，128 µl 的 1 mg/ml 乙醇储备液）、0.383 ml 乙腈和 1.402 ml 乙醇（共 1.913 ml 总溶剂，80 质量%，20 体积% 乙腈）加入 4 ml 玻璃小瓶中。
- 按照步骤1.2-1.3中所述进行脱氧处理。
- 将小瓶放入一个 2,000 ml 的玻璃烧杯中（图2）内衬蓝色LED灯带（λ最大 = 460 nm，0.7 mW/cm2）并在室温下磁力搅拌的同时进行辐照。常规监测反应小瓶，20小时后开始检查，当溶液黏度显著升高，倒置小瓶时形成可自支撑的凝胶时，将反应瓶从反应器中取出（图3).
注意：在本实验条件下，通过蓝光照射约 24 小时可获得自支撑凝胶。光照反应器在物理尺寸、光强等方面存在微小差异时（ 等等。）可能需要略微调整条件（特别是反应时间）以达到 原位 蠕虫状胶束的形成 - 从反应器中取出后，将纳米颗粒凝胶暴露在空气中数分钟以终止聚合反应，然后将离心管盖紧并直立存放于避光处。
3. 纳米颗粒形貌的透射电子显微镜（TEM）成像
- 取约 40 mg 粗制纳米颗粒凝胶（来自第 2 节），置于 4 ml 玻璃小瓶中。
- 使用涡旋振荡器持续搅拌纳米颗粒凝胶，并在至少 5 分钟内逐滴加入 4 ml 乙醇（EtOH）。在溶剂添加过程中，凝胶应转变为可自由流动的溶液。
注意：若凝胶被乙醇稀释过快或搅拌不充分，可能导致部分纳米颗粒沉淀。参见步骤 3.3。 - 通过玻璃棉过滤，去除稀释后纳米颗粒中的宏观聚集体。
- 按照先前报道的方法15，对稀释后的样品进行透射电子显微镜（TEM）成像（使用醋酸铀酰染色）。
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结果
本研究采用两步聚合方案，通过PISA方法合成蠕虫状胶束（图1）。第一步进行OEGMA的聚合，生成POEGMA大分子RAFT试剂（macro-CTA），该产物可作为后续聚合步骤中的稳定剂。由于PBzMA在乙醇中不溶，PET-RAFT聚合在分散条件下进行，最终导致纳米粒子的形成。在聚合过程中，初始透明的反应混合物逐渐变浑浊，符合分散聚合的特征，并最终转变为高度黏稠的凝胶状状态，表明已形成蠕虫状胶束（图3）。聚合反应表现出明显的“活性”特征（图1A），聚合物分散度较低（Ð < 1.3），且分子量与单体转化率之间具有良好的相关性。此外，GPC谱图（图1B）显示，尽管存在部分高分子量终止和低分子量拖尾现象，但总体呈现以单峰为主的分布。重要的是，这些“失活”聚合物链的含量不足以抑制纯蠕虫状胶束的形成。随着转化率的提高，分子量分布向高分子量方向移动，表明主要生成了链长分布较窄的POEGMA-b-PBzMA二嵌段共聚物。
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讨论
本可视化实验方案通过观察凝胶样行为的出现，简单地监测蠕虫状胶束的形成。该方法的优势在于能够实时监测聚合过程中的蠕虫状结构形成，相较于其他方法更具实用性。本实验可通过两步聚合两种 commercially available 单体（OEGMA 和 BzMA）来制备自组装的 POEGMA-b-PBzMA 两亲性二嵌段共聚物。
需要注意的是，具有不同反应器几何结构和光强的反应器， 等等。，与那些在 图2 可能需要略微调整条件才能形成蠕虫状胶束凝胶。由于钌基催化剂的吸收特性，聚合反应只能在可见蓝光下以合理的速率进行。原则上，也可使用其他具有不同光吸收特性的催化剂。应注意不要将蠕虫状凝胶在反应器中放置过久，否则可能开始形成宏观沉淀物。这是因为在高黏性介质中，纳米粒子试图重排为囊泡结构，但该过程受到抑制。在某些情况下，当聚合反应在首次观察到自支撑凝胶状态后继续保留在反应器中时，我们通过透射电子显微镜（TEM）观察到了部分囊泡结构（水母状或章鱼状结构）的形成。
为提高该技...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
CB 感谢澳大利亚研究理事会（ARC-FT12010096）和澳大利亚新南威尔士大学提供的未来研究员资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 4-氰基-4- (苯基硫代羰基硫基)戊酸 (CPADB) | Sigma-Aldrich | 722995-5G | |
| 甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯 (OEGMA) | Sigma-Aldrich | 447935-500ML | 平均 Mn 300，含 100 ppm MEHQ 作为抑制剂，300 ppm BHT 作为抑制剂 |
| 2,2′-偶氮双(2-甲基丙腈) (AIBN) | Sigma-Aldrich | ||
| Ru(bpy)3Cl2.6H2O | Sigma-Aldrich | 544981-1G | |
| 苄基甲基丙烯酸酯 (BzMA) | Sigma-Aldrich | 409448-1L | 含单甲醚对苯二酚作为抑制剂 |
| 氧化铝（碱性） | Chem-Supply Pty Ltd 澳大利亚 | AL08371000 | |
| 95% 乙醇 (EtOH) | Sucrogen Bio Ethanol | 80889 | |
| 乙腈 (MeCN) | Chem-Supply Pty Ltd 澳大利亚 | RP1005-G2.5L | |
| 四氢呋喃 (THF) | Chem-Supply Pty Ltd 澳大利亚 | TA011-2.5L | |
| 石油醚 (40-60 °C) | Chem-Supply Pty Ltd 澳大利亚 | PA044-2.5L | |
| 乙醚 | Chem-Supply Pty Ltd 澳大利亚 | EA0362.5L | |
| 二甲基乙酰胺 (DMAc) | VWR International 澳大利亚 | ALFA22916.M1 | 用于 GPC 分析 |
| 巴斯德移液管 (230 mm) | Labtek | 355.050.503 | |
| 玻璃烧杯 | Labtek | 025.01.902 (2L)/ 2110654 (1L) | 2 L 烧杯用于安装 LED 灯带以构成环形反应器 |
| 商用 LED 灯带 | EcoLab | n/a | λ = 460 nm，4.8 W/m |
| 4 ml 玻璃小瓶 | Labtek | APC502214B | |
| 0.9 ml 石英比色皿 | Starna Scientific Ltd | 21/Q/2 | |
| 针头 (0.8 mm × 38 mm) | Beckton Dickson | 302017 | 用于反应体系除氧 |
| 针头 (0.8 mm × 120 mm) | B Braun 澳大利亚 | 4665643 | 用于反应体系除氧 |
| 套管式橡胶隔垫（橡胶塞） | Sigma-Aldrich | z564680/z564702 | |
| 磁力搅拌加热板 | VWR International 澳大利亚/In Vitro Technologies | 97018-488/RADRR91200 | |
| 涡旋混合器 | VWR International 澳大利亚 | 412-0098 | |
| 真空干燥箱 | In Vitro Technologies | MEMVO200 |
参考文献
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