Macromolecules：在聚合诱导自组装过程中通过拓扑工程控制两亲性聚合物囊泡尺寸

【引言】

聚合物囊泡是一类由两亲性共聚物组成的自组装双层膜，具有与细胞膜相似的结构特征，自出现以来已引起了人们的极大关注。与其小分子对应物脂质体相比，聚合物囊泡在极稀时表现出优异的稳定性；此外，聚合物囊泡的尺寸、渗透性和表面性能等均可方便调整并使其适应生物体内环境的要求。因此，聚合物囊泡在医药材料领域具有一定潜力，有望应用到药物或基因载体、纳米反应器、人造细胞器等的研发中。

聚合物囊泡通常是通过纳米沉淀或薄膜水化技术由两亲性共聚物自组装制备的，但传统的制备方法往往受到低固体含量和复杂动力学等缺陷的影响。最近，“聚合诱导自组装（PISA）”的新方法成为实现聚合物自组装的有效策略，该方法利用亲溶剂聚合物链引发憎溶剂嵌段的增长。随着憎溶剂嵌段的生长，两亲性嵌段共聚物原位缔合成组装体，进一步重组为其他形态，如蠕虫状的胶束和囊泡等。PISA机理独特，可通过简单调节聚合配方的方法使目标高分子在高固含量下实现自组装。然而，PISA对聚合物自组装纳米结构的控制能力十分有限。例如，通常PISA制备得到的囊泡尺寸难以通过简单的憎溶剂链段的长度调节实现调控。

目前为止，关于PISA调控聚合物囊泡尺寸的报道较少。D’ Agosto等人研究了亲水拓扑结构对聚合物组装体形貌的影响，这项开创性研究表明聚合物拓扑结构对聚合物组装体的尺寸及形貌的重要性，但该方法受到复杂合成及不明确的调控机理的限制。因此，人们迫切需要探索一种在囊泡纳米结构上具有普遍适用性和调节能力的简单模块化方法。

【成果简介】

近日，清华大学袁金颖教授、危岩教授、燕立唐研究员（共同通讯作者）等人在Macromolecules期刊上发表题为“Controlling Vesicular Size via Topological Engineering of Amphiphilic Polymer in Polymerization-Induced Self-Assembly”的文章。清华大学化学系博士生霍猛和化学工程系博士生徐子阳为论文的共同第一作者。在该文中，研究人员报道了利用聚合诱导自组装（PISA），通过两亲性共聚物憎溶剂嵌段的拓扑工程实现尺寸可调的聚合物囊泡制备的方法。设想每种单体都具有其特定的分子体积和形状，通过改变两种单体的投料比人们可由RAFT共聚反应简便地制备出具有不同拓扑结构的共聚物分子。分子拓扑结构的差异可能使人们获得具有可变链堆积密度和可调纳米结构的组装体。在本文中，研究人员报道了一种通用和模块化策略，该策略通过调节疏溶剂嵌段的拓扑结构来调节囊泡大小。

【图文导读】

图1：调节BzMA和SMA的投料比，由RAFT分散共聚调节囊泡尺寸。

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

（a-h）PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)-42k-x囊泡的TEM图像：（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囊泡的尺寸统计结果随SMA质量分数变化的趋势图；

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

（k）PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)-42k-x囊泡的数均水合动力学直径随SMA质量分数变化的趋势图。

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

（a）PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)-88k-x的DLS曲线；

（b）PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)-88k-x的数均水合动力学直径随SMA质量分数变化的趋势图；

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

图4：聚合物囊泡尺寸变化的计算机模拟结果。

（a）通过PISA制备得到的亲水性PDMA嵌段（绿色）与由BzMA（蓝色）和SMA（粉红色）组成的疏水性嵌段组装形成的嵌段共聚物的模拟形貌的图像，SMA在疏溶剂嵌段中的浓度CS情况如下：0（顶部），0.5（中间）, 1.0（底部）。图中没有显示溶剂；

（b）聚合物囊泡的平均半径R与CS的函数关系；

（c）单个疏溶剂嵌段体积的平均值V，亲溶剂嵌段链段的有效面积ah，完全伸展的疏溶剂链段的长度lc与CS的函数关系；

（d）堆积参数P与CS的函数关系。

图5：以PDMA为大分子链转移剂，在乙醇中RAFT分散共聚BzMA和FMA的示意图。

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

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

（f）PDMA-b-P(BzMA-co-FMA)-42k-x囊泡尺寸统计对FMA质量分数的函数关系；

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

（h）PDMA-b-P(BzMA-co-FMA)-42k-x囊泡的数均水合直径对FMA质量分数的函数关系。

【小结】

在本文中，研究人员证明了聚合物拓扑结构对组装体纳米结构的重要意义。不同投料比的BzMA和SMA发生RAFT分散共聚可实现PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)共聚物拓扑结构的系统调节，从而制备出尺寸范围从200到1500 nm的聚合物囊泡。此外，具有合适拓扑结构的PDMA-b-P(BzMA-co-SMA)共聚物也可以实现具有高级纳米结构（包括大复合胶束和大复合囊泡）的聚合物组装体，表明其具有广泛的调节能力。他们解释聚合物拓扑结构对囊泡尺寸的调节能力的原因为不同拓扑结构的共聚物的链堆积参数不同，并通过粗粒化分子模拟进行验证。上述发现通过BzMA和FMA的RAFT分散共聚进一步推广应用，制备得到尺寸可控的聚合物囊泡，从而表明通过疏溶剂嵌段拓扑结构的调节实现囊泡尺寸调控这一方法的通用性和模块性。

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

BzMA与FMA的RAFT分散共聚调控囊泡尺寸及组装体形貌的详细研究见：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）

本文由材料人编辑部高分子材料组arrinal_Ding供稿，材料牛编辑整理。特别感谢袁金颖教授对本文予以斧正！

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