Macromolecules：在聚合誘導自組裝過程中通過拓撲工程控制兩親性聚合物囊泡尺寸

【引言】

聚合物囊泡是一類由兩親性共聚物組成的自組裝雙層膜，具有與細胞膜相似的結構特征，自出現以來已引起了人們的極大關注。與其小分子對應物脂質體相比，聚合物囊泡在極稀時表現出優異的穩定性；此外，聚合物囊泡的尺寸、滲透性和表面性能等均可方便調整并使其適應生物體內環境的要求。因此，聚合物囊泡在醫藥材料領域具有一定潛力，有望應用到藥物或基因載體、納米反應器、人造細胞器等的研發中。

聚合物囊泡通常是通過納米沉淀或薄膜水化技術由兩親性共聚物自組裝制備的，但傳統的制備方法往往受到低固體含量和復雜動力學等缺陷的影響。最近，“聚合誘導自組裝（PISA）”的新方法成為實現聚合物自組裝的有效策略，該方法利用親溶劑聚合物鏈引發憎溶劑嵌段的增長。隨著憎溶劑嵌段的生長，兩親性嵌段共聚物原位締合成組裝體，進一步重組為其他形態，如蠕蟲狀的膠束和囊泡等。PISA機理獨特，可通過簡單調節聚合配方的方法使目標高分子在高固含量下實現自組裝。然而，PISA對聚合物自組裝納米結構的控制能力十分有限。例如，通常PISA制備得到的囊泡尺寸難以通過簡單的憎溶劑鏈段的長度調節實現調控。

目前為止，關于PISA調控聚合物囊泡尺寸的報道較少。D’ Agosto等人研究了親水拓撲結構對聚合物組裝體形貌的影響，這項開創性研究表明聚合物拓撲結構對聚合物組裝體的尺寸及形貌的重要性，但該方法受到復雜合成及不明確的調控機理的限制。因此，人們迫切需要探索一種在囊泡納米結構上具有普遍適用性和調節能力的簡單模塊化方法。

【成果簡介】

近日，清華大學袁金穎教授、危巖教授、燕立唐研究員（共同通訊作者）等人在Macromolecules期刊上發表題為“Controlling Vesicular Size via Topological Engineering of Amphiphilic Polymer in Polymerization-Induced Self-Assembly”的文章。清華大學化學系博士生霍猛和化學工程系博士生徐子陽為論文的共同第一作者。在該文中，研究人員報道了利用聚合誘導自組裝（PISA），通過兩親性共聚物憎溶劑嵌段的拓撲工程實現尺寸可調的聚合物囊泡制備的方法。設想每種單體都具有其特定的分子體積和形狀，通過改變兩種單體的投料比人們可由RAFT共聚反應簡便地制備出具有不同拓撲結構的共聚物分子。分子拓撲結構的差異可能使人們獲得具有可變鏈堆積密度和可調納米結構的組裝體。在本文中，研究人員報道了一種通用和模塊化策略，該策略通過調節疏溶劑嵌段的拓撲結構來調節囊泡大小。

【圖文導讀】

圖1：調節BzMA和SMA的投料比，由RAFT分散共聚調節囊泡尺寸。

圖2： PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)-42k-x (x = 0, 10, 20, 30, 50, 70, 90, 100)囊泡的TEM和DLS表征結果。

（a-h）PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)-42k-x囊泡的TEM圖像：（a）x = 0，（b）x = 10，（c）x = 20，（d）x = 30，（e）x = 50，（f）x = 70，（g）x = 90，（h）x = 100；

（i）PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)-42k-x囊泡的尺寸統計結果隨SMA質量分數變化的趨勢圖；

（j）PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)-42k-x囊泡的DLS曲線；

（k）PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)-42k-x囊泡的數均水合動力學直徑隨SMA質量分數變化的趨勢圖。

圖3：PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)-88k-x(x = 0, 20, 40, 60, 80, 100)的DLS和TEM表征結果。

（a）PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)-88k-x的DLS曲線；

（b）PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)-88k-x的數均水合動力學直徑隨SMA質量分數變化的趨勢圖；

（c-h）PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)-88k-x的TEM圖像：（c）x = 0，（d）x =20，（e）x = 40，（f）x = 60，（g）x = 80，（h）x = 100。

圖4：聚合物囊泡尺寸變化的計算機模擬結果。

（a）通過PISA制備得到的親水性PDMA嵌段（綠色）與由BzMA（藍色）和SMA（粉紅色）組成的疏水性嵌段組裝形成的嵌段共聚物的模擬形貌的圖像，SMA在疏溶劑嵌段中的濃度CS情況如下：0（頂部），0.5（中間）, 1.0（底部）。圖中沒有顯示溶劑；

（b）聚合物囊泡的平均半徑R與CS的函數關系；

（c）單個疏溶劑嵌段體積的平均值V，親溶劑嵌段鏈段的有效面積ah，完全伸展的疏溶劑鏈段的長度lc與CS的函數關系；

（d）堆積參數P與CS的函數關系。

圖5：以PDMA為大分子鏈轉移劑，在乙醇中RAFT分散共聚BzMA和FMA的示意圖。

圖6：PDMA-b-P(BzMA-co-FMA)-42k-x(x = 0, 10, 20, 25, 30)囊泡的TEM和DLS表征結果。

（a-e）PDMA-b-P(BzMA-co-FMA)-42k-x囊泡的TEM圖像：（a）x = 0，（b）x = 10，（c）x = 20，（d）x = 25，（e）x = 30；

（f）PDMA-b-P(BzMA-co-FMA)-42k-x囊泡尺寸統計對FMA質量分數的函數關系；

（g）PDMA-b-P(BzMA-co-FMA)-42k-x囊泡的DLS曲線；

（h）PDMA-b-P(BzMA-co-FMA)-42k-x囊泡的數均水合直徑對FMA質量分數的函數關系。

【小結】

在本文中，研究人員證明了聚合物拓撲結構對組裝體納米結構的重要意義。不同投料比的BzMA和SMA發生RAFT分散共聚可實現PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)共聚物拓撲結構的系統調節，從而制備出尺寸范圍從200到1500 nm的聚合物囊泡。此外，具有合適拓撲結構的PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)共聚物也可以實現具有高級納米結構（包括大復合膠束和大復合囊泡）的聚合物組裝體，表明其具有廣泛的調節能力。他們解釋聚合物拓撲結構對囊泡尺寸的調節能力的原因為不同拓撲結構的共聚物的鏈堆積參數不同，并通過粗粒化分子模擬進行驗證。上述發現通過BzMA和FMA的RAFT分散共聚進一步推廣應用，制備得到尺寸可控的聚合物囊泡，從而表明通過疏溶劑嵌段拓撲結構的調節實現囊泡尺寸調控這一方法的通用性和模塊性。

文獻鏈接：Controlling Vesicular Size via Topological Engineering of Amphiphilic Polymer in Polymerization-Induced Self-Assembly
（Macromolecules, 2017, DOI: 10.1021/acs.macromol.7b02039）

BzMA與FMA的RAFT分散共聚調控囊泡尺寸及組裝體形貌的詳細研究見：Topological Engineering of the Amphiphilic Copolymers via RAFT Dispersion Copolymerization of Benzyl Methacrylate and 2-(Perfluorooctyl)ethyl Methacrylate for Polymeric Assemblies with Tunable Nanostructures
（Polymer Chemistry, 2018, DOI: 10.1039/C8PY00029H）

本文由材料人編輯部高分子材料組arrinal_Ding供稿，材料牛編輯整理。特別感謝袁金穎教授對本文予以斧正！

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