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

本实验方案聚焦于开环聚合与可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合，旨在通过活性结晶驱动自组装方法制备具有可控长度的嵌段共聚物柱状结构。结合开环聚合与RAFT聚合技术，可制备出同时含有半结晶区域和功能区域的聚合物，从而拓展结晶驱动自组装（CDSA）在其他潜在应用领域的发展前景。

实验方案的成功关键在于起始试剂的干燥程度。一旦开始干燥操作，务必确保体系不再与空气接触。本方法要求操作者掌握对空气敏感的化学实验技术。

我们认为，将这些操作以视频形式记录下来，将使研究人员能够自由地引入新想法，而不受实践经验不足的限制。首先，将所有在150摄氏度烘箱中烘干过夜的玻璃器皿和搅拌子转移至实验台。将装有搅拌子的250毫升双颈圆底烧瓶用夹子固定在置于搅拌器上方的铁架台上，并在小颈口安装一个密封良好的活塞。

向烧瓶中加入 100 毫升 ε-己内酯。通过其中一个瓶口的活塞将圆底烧瓶连接至氮气管线。在 3 psi 的稳定氮气流下，通过主瓶口向烧瓶中加入 1 克氢化钙。

用玻璃塞塞紧第二个瓶口，在氮气氛围下室温搅拌过夜。将烧瓶连接至施伦克线，并通入持续的氮气流。将真空蒸馏装置组装在两个铁架台上，通过夹具将ε-己内酯圆底烧瓶固定在一个铁架台上，另一个圆底烧瓶固定在另一个铁架台上。

保持氮气在系统中稳定流动，以防止水进入系统。将温度计插入蒸馏头中，并密封固定。将接头连接到施伦克线（Schlenk line）上。

关闭氮气流，通过与施伦克线的这一新连接将系统打开至真空状态。将ε-己内酯置于60至80摄氏度的加热套中加热，前5毫升收集于小圆底烧瓶中，其余部分收集于双颈圆底烧瓶中。将烧瓶置于液氮中，以有效冷凝己内酯。

为加快进程，用脱脂棉和铝箔包裹蒸馏装置。将施伦克线连接至双颈圆底烧瓶。将线路抽真空120秒，再通入氮气10秒，重复此过程共三次，以充分置换线路中的气体。

打开系统并通入氮气。然后向配有塞子的收集烧瓶中加入一克氢化钙，在氮气氛围下搅拌过夜。同时，通过逐滴加入10毫升异丙醇，随后加入5毫升甲醇，处理多余的氢化钙。

一旦停止冒泡，加入过量水。用丙酮冲洗蒸馏装置，并于烘箱中过夜。次日早晨，再次进行真空蒸馏，但此次单体蒸馏完成后不再加入氢化钙。

然后将烧瓶通入氮气，通过套管将己内酯转移至安瓿瓶中。将安瓿瓶转移至手套箱内。在手套箱中配制储备溶液。

取三个独立的样品瓶，分别加入0.011克羟基链转移剂作为引发剂、0.01克二苯基磷酸作为催化剂，以及0.25克干燥的单体己内酯。向引发剂和催化剂的样品瓶中各加入0.5毫升甲苯，轻轻振荡直至试剂完全溶解。然后将引发剂和二苯基磷酸的储备溶液混合至同一样品瓶中，并加入一个搅拌子。

将小瓶固定在搅拌器上，调节速度至中等搅拌，然后将单体溶液加入引发剂-催化剂小瓶中。用盖子密封小瓶，在室温下搅拌八小时。随后将小瓶从手套箱中取出，立即使用巴斯德移液管将混合物逐滴加入过量的冷乙醚中，以实现沉淀。

通过布氏漏斗过滤白色固体，在常温空气中干燥，然后将其溶解于1毫升四氢呋喃中。再用乙醚沉淀两次，彻底干燥。首先在3毫升注射器中制备数个碱性氧化铝柱。

将二氧六环和甲基丙烯酸甲酯（MMA）分别过滤至不同的小瓶中以去除稳定剂。称取0.5克先前合成的聚己内酯（PCL），0.424克甲基丙烯酸甲酯（MMA），量取2毫升二氧六环加入小瓶中，使其溶解。配制浓度为10毫克/毫升的纯偶氮二异丁腈（AIBN）储备溶液，用移液器吸取139微升加入反应混合物中。

将混合物转移至装有搅拌子的安瓿瓶中，并密封。随后将安瓿瓶连接到施伦克线（Schlenk line），并浸入液氮中。待溶液完全冻结后，抽真空至真空表读数不超过1 × 10⁻¹ 毫巴。

封闭安瓿瓶，使其完全解冻。重复此冷冻-抽气-解冻循环两次。最后一次循环结束后，用氮气重新填充安瓿瓶，并将其放入预热至65摄氏度的油浴中，持续四小时。

为监测反应转化情况，从油浴中取出安瓿瓶，在氮气流下将瓶盖更换为超密封盖，吸取两滴样品，与600 µL氘代氯仿混合于样品瓶中，然后转移至核磁管。将样品放入核磁仪器的自动进样器中，进行氢谱测定。在持续氮气流下更换瓶盖，再将安瓿瓶放回油浴中。

现在，将已在油浴中加热的安瓿管放入液氮中冷冻，然后在通风橱中将安瓿管打开暴露于空气中，淬灭聚合反应一分钟。接着，将混合物逐滴加入大量过量的冷乙醚中以沉淀产物。通过布氏漏斗过滤收集沉淀，并进行干燥。

将聚合物溶于四氢呋喃中，并再次沉淀两次。充分干燥聚合物，用于质子核磁共振波谱和凝胶渗透色谱分析。用0.5克生成的PCL-PMMA、1.406克DMA、2毫升二氧六环以及111微升浓度为10毫克/毫升的AIBN二氧六环溶液重复此步骤。

将聚合反应在 70 摄氏度加热一小时，并用冷的乙醚将反应混合物沉淀三次。取五毫克生成的三嵌段共聚物置于样品瓶中，加入一毫升乙醇。用瓶盖和封口膜密封样品瓶。

在70摄氏度下使用加热套加热三小时。之后，将小瓶取出，缓慢冷却至室温。让溶液在室温下陈化两周。

溶液完全组装后会变得浑浊，并在底部形成明显的分层。在耐超声的试管中，用乙醇将分散液稀释至每毫升含一毫克。将试管置于冰浴中。

将超声探头的尖端插入分散液的中部区域。以最低强度对溶液进行15个循环的超声处理，每个循环2分钟，循环之间间隔15分钟以冷却。取一份超声处理后的种子分散液，用乙醇在离心管中稀释至0.18毫克/毫升。

然后，配制浓度为 25 毫克/毫升的单体分子与四氢呋喃溶液。取 32.8 微升单体溶液加入稀释后的种子分散液中，轻轻振荡使其充分溶解。将分散液静置老化三天，盖子稍留缝隙，以便四氢呋喃挥发。

这将产生从90纳米的起始晶种到500纳米的圆柱体。ε-己内酯的开环聚合得到聚合度为50，由质子核磁共振谱测定，端基乙基质子共振峰位于3.36 PPM，端链酯基α质子共振峰位于4.08 PPM。凝胶渗透色谱（GPC）曲线显示典型的分子量分布，呈单峰，分散度为1.07，数均分子量为10,800克/摩尔。

相比之下，反应12小时的聚合反应在15,500克/摩尔处出现了一个高分子量的肩峰。使用未充分干燥的试剂则得到具有低分子量拖尾的产物混合物。连续的RAFT聚合反应实现了PMMA嵌段的聚合度为10，并在GPC谱图中呈现出单峰分布。

然而，当刻意将反应转化率提高至70%以上时，观察到分子量分布变宽，并出现高分子量肩峰。通过比较PCL端链醚质子（4.08 ppm）与DMA侧链甲基质子（2.93 ppm），确定PDMA最终嵌段的聚合度为200。GPC谱图呈窄而单峰的分布。

当使用不纯的 PCL-PMMA 重复链延伸反应时，出现了低分子量的肩峰。请务必耐心干燥体系，因为任何水分的存在都可能导致己内酯的聚合反应失败。确保所有物品均完全干燥。

圆柱体核心与冠层之间的缓冲区域可能有助于在水中稳定其他CDSA结构，从而开辟新的研究与合作途径。