通过可生物降解嵌段共聚物的结晶驱动自组装合成单分散柱状纳米粒子

摘要

结晶驱动的自组装（CDSA）具有独特的能力，可制备长度分布窄的圆柱形纳米结构。本文展示了有机催化下ε-己内酯的开环聚合，以及甲基丙烯酸甲酯和N,N-二甲基丙烯酰胺的后续链延伸反应。文中概述了一种活性CDSA方案，可生成长度达500 nm的单分散圆柱形结构。

摘要

制备单分散的圆柱形胶束是高分子化学领域的一个重大挑战。大多数由双嵌段共聚物形成的圆柱形结构通常通过三种技术之一来实现：薄膜再水化、溶剂切换或聚合诱导自组装，但这些方法仅能产生柔性的、多分散的圆柱体。结晶驱动自组装（CDSA）是一种能够获得具有上述特性的圆柱体的方法，其原理是通过形成结晶核来稳定低曲率结构。然而，大多数核形成嵌段所采用的活性聚合技术并非简单过程，若CDSA操作不当，可能得到不理想的结果。本文展示了从简单试剂出发合成圆柱形纳米粒子的方法。描述了在二苯基磷酸催化下，对ε-己内酯进行开环聚合之前，试剂的干燥与纯化步骤。随后，利用可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合技术，将该聚合物依次链延伸甲基丙烯酸甲酯（MMA）和N,N-二甲基丙烯酰胺（DMA），得到一种三嵌段共聚物，该共聚物可在乙醇中发生CDSA。文中概述了活性CDSA过程，所得结果可获得长度达500 nm、长度分散性低至1.05的圆柱形纳米粒子。预计这些实验方案将有助于其他研究者制备圆柱形纳米结构，并推动未来CDSA领域的发展。

引言

一维（1D）纳米结构，如圆柱体、纤维和管状结构，在多个研究领域中受到越来越多的关注。其中，这类结构在高分子科学中的广泛应用源于其丰富多样的性质。例如，Geng 等人证明，在啮齿类动物模型中，丝状胶束在血液中的滞留时间比其球形对应物延长了十倍；Won 等人则发现，在流变学测量过程中，聚丁二烯-b-聚（环氧乙烷）纤维分散液在核交联后，其储能模量提升了两个数量级^1,2。有趣的是，这些体系中的许多都是通过嵌段共聚物的自组装合成的，无论是采用溶剂切换和薄膜再水合等传统方法³，还是采用聚合诱导自组装或结晶驱动自组装（CDSA）等更先进的方法^4,5。每种技术都有其独特优势，但只有结晶驱动自组装（CDSA）能够生成具有均匀且可调控长度分布的刚性颗粒。

Gilroy 等人的开创性工作在己烷中形成了长链的聚二茂铁基硅烷-b-聚二甲基硅氧烷（PFS-PDMS）圆柱体，当使用温和超声处理时，可得到轮廓长度分散性（L_n）极低的极短圆柱体。通过在共溶剂中加入预定质量的二嵌段共聚物链，合成了具有不同长度且 L_n 低至 1.03 的圆柱体^5,6。Manners 团队后续的研究进一步凸显了 PFS 体系所能实现的高度可控性，可用于构建极为复杂且具有层级结构的形貌：如嵌段共胶束、围巾状胶束和哑铃状胶束等^7,8。在这些研究基础上，研究人员近年来探索了其他更具功能性的 CDSA 体系，包括半结晶通用聚合物（聚乙烯、聚(ε-己内酯)、聚乳酸）^{9,10,11,12,13} 和导电聚合物（聚(3-己基噻吩)、聚硒吩）^14,15。凭借这一系列可快速高效组装的二嵌段共聚物体系，研究人员近年来开展了更多面向应用的研究¹⁶。  Jin 等人展示了聚噻吩类二嵌段共聚物中激子扩散长度可达数百纳米，而我们课题组则证实了含聚(ε-己内酯)（PCL）圆柱结构可形成凝胶^10,17。

尽管CDSA是一种强大的技术，但它也存在一定的局限性。嵌段共聚物必须具有半结晶组分，同时具备低分散度值和高末端基团保真度；低级嵌段杂质可能导致颗粒聚集或诱导形貌变化^18,19。由于这些限制，通常需要采用活性聚合方法。然而，为获得上述特性的聚合物，必须对试剂进行严格的纯化处理，并实施干燥程序以及在无水无氧的环境中操作。已有研究尝试设计能够克服这些问题的体系。例如，已利用点击化学将聚合物链连接起来，制备出PFS嵌段共聚物²⁰。尽管由此得到的柱状纳米粒子表现出优异的性能，但这些嵌段共聚物通常仍需通过制备型尺寸排阻色谱进行纯化，且PFS的合成依然依赖于活性阴离子聚合。本课题组近期成功实现了PCL的活性CDSA，其关键在于结合使用了活性有机碱催化开环聚合（ROP）和可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合方法¹⁰。尽管该方法更为简便，但仍需依赖活性聚合技术。

随着研究领域日益趋向以应用为导向，且鉴于活性聚合反应相关的问题，人们认为，对聚合物合成与自组装方案进行概述将有利于未来的科学研究工作。因此，本文详细阐述了PCL-b-PMMA-b-PDMA三嵌段共聚物的完整合成及其自组装过程。文中重点介绍了有机催化开环聚合ε-己内酯的干燥技术，并概述了后续MMA和DMA的可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合反应。最后，展示了该聚合物在乙醇中的活性结晶驱动自组装（CDSA）方案，并对因实验技术不当而导致表征数据中常见的错误进行了评述。

方案

1. 甲苯的干燥

注意：如果您可使用干燥溶剂塔，请收集甲苯并通过五次冷冻-抽气-解冻循环进行脱气。

1. 在250 mL Schlenk烧瓶中，将3 Å分子筛在真空条件下于250–300 °C干燥48 h，随后转移至手套箱中。
2. 将两个安瓿瓶在150 °C烘箱中干燥过夜，然后转移至手套箱中。
3. 将活化的分子筛转移至两个安瓿瓶中，并移出手套箱。
4. 干燥一个双颈圆底烧瓶（RBF），加入100 mL甲苯，其体积最多不超过安瓿瓶体积的一半。加入1.0 g CaH₂ 加入甲苯并搅拌。
   警告：注意 H₂ 此时释放。始终添加 CaH₂ 在氮气持续通入条件下以去除任何 H₂ 在烧瓶中积累。
5. 使用滤管将甲苯转移至含有分子筛的安瓿瓶之一中，静置过夜。
6. 将甲苯通过带滤芯的移液管转移至装有分子筛的最后一个安瓿瓶中。对甲苯进行冷冻-抽气-解冻处理（共5个循环），然后转移至手套箱中。

2. CTA引发剂/DPP的干燥

1. 将链转移剂/引发剂加入小瓶中，并用纱布封口。
2. 将 10 g P₂O₅ 放入干燥器中，将小瓶置于粉末上方。
3. 将干燥器置于动态真空下处理 8 小时，随后继续静态真空过夜。
4. 打开干燥器，搅动 P₂O₅，然后继续进行 5 天的真空循环。
   注意：若存在过量溶剂或水分，P₂O₅ 可能发生变色或结块。若观察到此现象，应更换 P₂O₅。
5. 用氮气对干燥器进行充气，然后转移至手套箱中。

3. ε-己内酯的干燥/纯化

注意：本实验所用的所有玻璃器皿和搅拌子必须在使用前于150 °C烘箱中干燥过夜。此步骤可去除玻璃表面的所有水分。

1. 在装有搅拌子和小颈活塞的250 mL双颈圆底烧瓶中加入100 mL ε-己内酯。
2. 在持续通入氮气的条件下，向该圆底烧瓶中加入1.0 g氢化钙，塞上玻璃塞，并在室温下于氮气氛围中搅拌过夜。
3. 干燥真空蒸馏装置。
4. 将双颈烧瓶连接至施兰克线（Schlenk line），通过抽真空并充入氮气重复三次进行置换。置换完成后，保持系统通入持续的氮气流。
5. 将ε-己内酯烧瓶与真空蒸馏装置组装，同时维持持续的氮气流，以防止水分进入系统。安装温度计并密封到位。
6. 将接头连接至施兰克线，停止氮气流，并通过此新连接将系统置于真空下。
7. 在60–80 °C加热ε-己内酯，最初收集的5.0 mL馏分置于小圆底烧瓶中，其余部分收集至双颈烧瓶中。将接收烧瓶浸入液氮中以有效冷凝己内酯。用脱脂棉和铝箔包裹蒸馏装置以加快蒸馏进程。
8. 将施兰克线连接至收集瓶，对管线抽真空并充氮气置换三次。将管线切换至氮气状态，打开活塞。向瓶中加入1.0 g氢化钙和一个塞子，然后在氮气氛围下搅拌过夜。
9. 与此同时，通过逐滴加入异丙醇处理多余的氢化钙，待气泡停止后，再加入5.0 mL甲醇，最后加入过量水。用丙酮冲洗玻璃器皿，并放入烘箱中干燥过夜。
10. 再次重复一次真空蒸馏操作，但此次不在单体中添加CaH₂。蒸馏完成后，通过套管将己内酯转移至安瓿瓶中，并转移至手套箱内保存。

4. ε-己内酯的开环聚合

1. 配制引发剂、催化剂和单体的储备溶液。分别称取0.10 g二苯基磷酸、0.011 g CTA-OH和0.25 g己内酯，放入三个不同的小瓶中。向引发剂和催化剂小瓶中各加入0.5 mL甲苯，轻轻振荡，直至试剂完全溶解。
2. 将引发剂和二苯基磷酸的储备溶液混合至同一小瓶中，并加入一个搅拌子。
3. 在中等搅拌条件下，将单体加入引发剂/催化剂混合液的小瓶中。盖上瓶盖，在室温下搅拌反应8小时。
4. 反应8小时后，将小瓶从手套箱中取出，立即逐滴加入过量的冷乙醚中进行沉淀。
5. 过滤所得白色固体，干燥后溶于1 mL四氢呋喃（THF）中。再重复沉淀两次，并彻底干燥。

5. 甲基丙烯酸甲酯和N,N-二甲基丙烯酰胺的可逆加成-断裂链转移聚合

1. 为去除二氧六环和甲基丙烯酸甲酯（MMA）中的稳定剂，使用巴斯德吸管制备数个碱性氧化铝柱，并将液体分别过滤至不同的小瓶中。
2. 称取先前合成的0.5 g聚己内酯（PCL）、0.424 g甲基丙烯酸甲酯，量取2 mL二氧六环加入小瓶中，使其溶解。
3. 配制偶氮二异丁腈（AIBN）的储备溶液（10 mg溶于1.0 mL溶剂中），取139 μL加入反应混合物中。转移至带有搅拌子的安瓿瓶中并密封。
4. 对溶液进行三次冷冻-抽气-解冻循环。用氮气重新填充后，将安瓿瓶置于65 °C预热的油浴中反应4小时。
   注意：在完成冷冻-抽气-解冻循环前，容器温度不得超过30 °C，否则可能导致引发剂分解。
5. 为监测转化率，将安瓿瓶从油浴中取出，在氮气流下更换为橡胶隔垫密封，取出两滴样品并与氘代氯仿混合，使用核磁共振（NMR）仪测定氢谱。
6. 将安瓿瓶置于液氮中冷冻后打开，暴露于空气中以终止聚合反应。
7. 将混合物逐滴加入大量过量的冷乙醚中进行沉淀，通过布氏漏斗过滤分离产物并干燥。
8. 将聚合物溶于四氢呋喃（THF）中，再重复沉淀两次。充分干燥聚合物后，采用¹H核磁共振（NMR）波谱法和凝胶渗透色谱（GPC）进行分析。
9. 重复上述步骤，但使用0.5 g PCL-PMMA、1.406 g二甲基丙烯酰胺（DMA）、2.0 mL二氧六环以及111 μL浓度为10 mg·mL^-1的AIBN二氧六环溶液。在70 °C加热聚合反应1小时，并将反应混合物在冷乙醚中沉淀三次。

6. 自成核、种子生成与活性结晶驱动的自组装

1. 取 5.0 mg 三嵌段共聚物放入样品瓶中，加入 1.0 mL 乙醇。用瓶盖密封后加封封口膜，于 70 °C 加热 3 小时。
2. 让样品瓶缓慢冷却至室温。将溶液在室温下陈化两周。当自组装完全时，溶液将变得浑浊，并在底部形成明显的分层。
3. 将 5.0 mg·mL^-1 的分散液稀释至 1.0 mg·mL^-1。
4. 将分散液置于耐超声的试管中，并放入冰浴中。
5. 将超声探头的尖端插入分散液的中部区域。
6. 以最低强度对溶液进行超声处理，共进行 15 个循环，每个循环 2 分钟，每轮超声后冷却 15 分钟再进行下一轮。
7. 取一份 1.0 mg·mL^-1 的种子分散液，稀释至 0.18 mg·mL^-1。
8. 在四氢呋喃（THF）中配制浓度为 25 mg·mL^-1 的单体溶液。取 32.8 μL 加入种子分散液中，轻轻振荡使其充分溶解。
9. 将分散液盖子微开，陈化三天，以便 THF 缓慢挥发。若起始种子长度为 90 nm，则可得到长度约为 500 nm 的柱状胶束。

结果

采用¹H核磁共振（NMR）谱和凝胶渗透色谱（GPC）对PCL进行分析。¹H NMR谱图中，通过比较3.36 ppm处（对应端基乙基质子）和4.08 ppm处（对应链内酯基α-质子）的共振信号，计算得到聚合度（DP）为50（图1b）。该结果验证了GPC测得的分子量数据：观察到单一峰，数均分子量（M_n）为10,800 g·mol^-1，分散度为1.07（图1c）。若使用未充分干燥的试剂进行聚合反应，则产物为混合物，包含寡聚物或低分子量PCL，色谱图中可见低分子量拖尾现象（图1d），此现象归因于水引起的非特异性引发。相比之下，经充分干燥并在反应12小时后（即转化率超过95%后继续反应4小时）的聚合反应，由于聚合物链间的酯交换反应，色谱图在15,500 g·mol^-1处出现高分子...

讨论

已概述三嵌段共聚物 PCL₅₀-PMMA₁₀-PDMA₂₀₀ 的合成及其活性链增长自组装（CDSA）。尽管反应条件较为严格，但ε-己内酯的开环聚合仍得到了性能优异的聚合物，从而成功实现了甲基丙烯酸甲酯（MMA）和二甲基丙烯酰胺（DMA）的链延伸。这些聚合物能够有效进行自成核，形成纯相的圆柱状胶束，并通过超声处理获得长度（L_N）为 98 nm 的种子颗粒。通过简单地加入单分散链段（unimer），可控制地生成平均长度达 495 nm 的圆柱状结构。本实验选用三嵌段三元共聚物而非两嵌段共聚物，以克服圆柱结构转移至水中时易发生断裂的问题。已有文献报道，引入具有较高玻璃化转变温度的短链稳定段可有效防止圆柱结构的断裂。

然而，偏离实验方案可能导致生成的聚合物不适用于CDSA应用。例如，在开环聚合（ROP）中，必须将单体加入引发剂/催化剂溶液中，而不能反向操作，这一点至关重要。这可确保所有引发事件均发生在相同的时间窗口内，从而获得低...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
2,2'-偶氮二异丁腈	Sigma Aldrich
250 mL 安瓿瓶
250 mL 二口圆底烧瓶
安瓿瓶（25 mL）
B19 活塞阀
B24 橡胶塞
碱性氧化铝	Fluka
布氏烧瓶
布氏漏斗
氢化钙
套管
己内酯	Arcos Organics
链转移剂	自制
锥形瓶（多种规格）
干燥器
乙醚	Merck
二氧六环	Fisher
二苯基磷酸酯	Sigma Aldrich
蒸馏冷凝管
乙醇	Fisher
滤纸（多种规格）
凝胶渗透色谱仪	Agilent Technologies Infinity 1260 II		以 DMF 为流动相，运行温度 50 °C
手套箱	Mbraun, Unilab
加热搅拌器	IKA, RCT basic
汞温度计
甲基丙烯酸甲酯	Sigma Aldrich
分子筛	Fisher	MS/1030/53
N,N-二甲基丙烯酰胺	Sigma Aldrich
核磁共振波谱仪	Bruker 400 MHz
五氧化二磷	Sigma Aldrich
圆底烧瓶（多种规格）
施兰克帽（B24）
施兰克烧瓶（250 mL）
施兰克线
超声探头	Bandelin Sonoplus
Suba Seal（多种规格）
透射电镜载网	EmResolutions, 300 目铜网，Formvar/碳支持膜
四氢呋喃	Merck
三口接头
甲苯	Fisher
透射电子显微镜	Jeol 2100