三親性二嵌段共聚物共混體系的自組裝行為

劉 靜， 丁艷玲， 劉小云， 譚 正， 莊啟昕

（華東理工大學材料科學與工程學院，特種功能高分子材料及相關技術教育部重點實驗室，上海 200237）

嵌段聚合物（BCP）的自組裝過程會形成豐富多樣的納米結構，是開發具備新穎性和功能性的納米材料的重要途徑之一[1-3]。目前，納米組裝體方面的研究已經從兩親性二嵌段聚合物向復雜的三親性多嵌段聚合物發展，如線形多元共聚物、星形多元共聚物、二嵌段共混等[4-11]，由親水段A和疏水段B、C組裝的ABC型嵌段共聚物是制備多樣化納米結構的良好方案，但ABC型三嵌段共聚物的合成過程復雜且耗時，因此很多研究者通過使用二嵌段共聚物共混來得到三親性體系。如Zhu等[12]通過將兩親性AB二嵌段和疏水性BC二嵌段共聚物進行共混，制備得到具有微相分離的蠕蟲狀膠束。嵌段共聚物之間通過氫鍵和其他相互作用力連接在一起，與微相分離程度一起決定了自組裝的形貌。因此，二嵌段共混不僅能提供多種具備不同親溶劑能力的嵌段，還可簡化合成步驟，是調節聚合物形態的實用方法之一[13]。

兩親性嵌段共聚物主要依靠親、疏水相互作用在水溶液中實現自組裝，其中疏水部分是影響組裝形貌的關鍵因素[14-16]。含氟嵌段由于其獨特的疏水、疏油性質常被引入三元嵌段共聚物中[17-18]，這主要是因為氟化鏈能進一步促進互不相容的微區的形成，能與水溶性的電暈形成明顯的差別對比。嵌段共聚物的組裝形態除了受嵌段的選擇的影響，還與聚合物的結構、各嵌段比例、溫度、溶劑和濃度等參數相關[19-25]，但是濃度對二嵌段共混組裝體的影響鮮有研究。

為了進一步探究疏水部分對嵌段共混體系自組裝的影響，本文選取聚乙二醇（PEG）作為親水段，聚苯乙烯（PS）作為疏水段，聚甲基丙烯酸八氟戊酯（POFPMA）作為超疏水親氟段，采用原子轉移自由基聚合（ATRP）和單電子轉移自由基聚合（SET-LRP）這兩類聚合方法分別成功合成兩種兩親性二嵌段共聚物PEGx-PSy、PEGx-POFPMAz（分別簡稱Ex-Sy、Ex-Fz，其中x，y，z分別代表各嵌段的聚合度），并通過共混的方法構建了一系列三親性共混體系PEGx-PSy/PEGx-POFPMAz(Ex-Sy/Ex-Fz)。通過調節兩親性嵌段共聚物中疏水部分PS和POFPMA的長度來研究嵌段聚合度對三親性二嵌段共混體系組裝形態的影響，并選取其中合適的系列進一步研究。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

聚乙二醇（PEG，相對分子量約為2 000，純度98%），購于上海泰坦科技股份有限公司，使用前在80 ℃真空烘箱中干燥24 h；苯乙烯（St，純度99%），購于Aladdin公司；甲基丙烯酸八氟戊酯（OFPMA，純度99%），購于上海國藥集團化學試劑有限公司，單體在聚合之前需要過堿性氧化鋁柱子以除去穩定劑；四氫呋喃（THF，分析純）和甲苯（分析純），購于上海泰坦科技股份有限公司，使用前均在室溫下用氫化鈣（CaH2）干燥24 h并加入分子篩密封干燥儲存；溴化銅（CuBr2，純度99%）和溴化亞銅（CuBr，純度99%），購于上海邁瑞爾化學技術有限公司；根據文獻[26]提供的方法活化銅絲。其他化學試劑均購于上海泰坦科技股份有限公司，使用前無需進一步處理。

1.2 測試與表征

核磁共振波譜儀(德國Bruker公司，AVANCEⅢ 400 MHz型）：氘代氯仿（CDCl3）為溶劑；凝膠滲透色譜（美國Waters 公司，1515型）：線性聚苯乙烯標準物進行校準，四氫呋喃作為洗脫劑，流速為1 mL/min，溫度為35 ℃；動態光散射儀（英國Malvern公司，Zeta sizer NanoZS型）：室溫下獲取多分散度（PDI）和平均流體動力學直徑（粒徑）；透射電子顯微鏡（日本日立公司，JEM-1400型）；掃描電子顯微鏡（德國蔡司公司，SEM 500型）：10～30 kV的加速電壓下工作。

1.3 實驗步驟

通過ATRP和SET-LRP方法分別合成二元嵌段共聚物PEG-PS和PEG-POFPMA，并將二者在水溶液中共混得到三親性二嵌段共混體系，具體合成路線如圖1所示。

圖 1 PEG-PS和PEG-POFPMA的合成路線Fig. 1 Synthetic route of PEG-PS and PEG-POFPMA

1.3.1 PEG-PS的合成 根據參考文獻[27]制備大分子引發劑PEG-N3(-Br)，按照以下物質的量比分別稱取試劑：n (PEG-N3(-Br)):n (St): n (PMDETA) : n (CuBr)=1 : A : 1 : 1（A代表St的理論設計聚合度，PMDETA為N, N, N', N', N''-五甲基二亞乙基三胺），在Schlenk管中加入PEG-N3(-Br)，St，PMDETA和適量溶劑THF，室溫下攪拌溶解，3次冷凍-抽真空-解凍循環脫氣，回填氮氣，在充滿氮氣的環境下加入CuBr，繼續3次循環脫氣，回填氮氣，置于50 ℃的恒溫油浴中反應8 h且溶劑變黏稠，用THF稀釋，過氧化鋁柱子，甲醇中沉淀、過濾，水中透析3 d，干燥過夜得到嵌段共聚物PEG-PS，并通過1H-NMR證明其成功合成，核磁圖譜如圖2(a)所示。

1.3.2 PEG-POFPMA的合成 按照n(PEG-N3(-Br)) :n (OFPMA) : n (PMDETA) : n (CuBr2)=1 : B : 0.5 :0.2（B代表POFPMA的理論設計聚合度）的物質的量之比，將PEG-N3(-Br)，OFPMA，PMDETA和適量甲苯加入Schlenk管中，溶解后進行3次冷凍-抽真空-解凍循環脫氣操作，充滿氮氣的環境下加入12.5 cm的活化銅絲，繼續3次循環脫氣，回填氮氣，置于90 ℃的恒溫油浴中反應12 h且溶劑變黏稠。后續采用與1.3.1節中相同的處理方法，制備得到嵌段共聚物PEG-POFPMA，核磁圖譜見圖2(b)所示。

1.3.3 三親性二嵌段共混體系的自組裝 為研究疏水段對組裝體的影響，親水段PEG的聚合度為50，PEG50-PSy和PEG50-POFPMAz(即E50-Sy和E50-Fz)的分子量如表1所示，所有共聚物的分子量分布都較窄，且通過1H-NMR計算得到的分子量與GPC(凝膠滲透色譜)實測分子量接近，其差異基本在誤差范圍內，但對E50-Fz來說隨著氟段增加，差值明顯增大，這可能是由氟段的疏水、疏油性質引起的。

圖 2 PEG-PS (上)和PEG-POFPMA (下)的1H-NMR圖譜Fig. 2 1H-NMR spectra of PEG-PS (up) and PEG-POFPMA (down)

表 1 二嵌段共聚物E50-Sy和E50-Fz的分子特征數據Table 1 Molecular characteristics data of diblock copolymers E50-Sy and E50-Fz

稱取質量比為1∶1的PEG-PS和PEG-POFPMA，并將其溶于THF中充分攪拌3 h，以每10 s 1滴的速度滴加去離子水，直至高分子溶液開始變半透明，此時用激光照射出現丁達爾效應，停止加水。將其轉移至透析袋中透析72 h, 每隔8 h更換去離子水。透析完畢之后將高分子溶液轉移至合適的容量瓶中得到一系列三親性二嵌段共混高分子溶液。

2 結果與討論

2.1 三親性二嵌段共混高分子溶液的制備

自組裝過程通常依靠親疏水的相互作用、氫鍵和金屬-配體的相互作用等非共價鍵形式來驅動，尤其是兩親性嵌段共聚物組裝容易得到親水電暈和疏水核心，其中疏水部分對聚合物組裝成不同形態起關鍵作用。共聚物中包含兩種甚至兩種以上的疏水嵌段有利于微相分離進而產生多室膠束。本文設計的分子結構中，水是PS和POFPMA嵌段的不良溶劑，可利用兩個疏水段核心來驅動聚合物的自組裝，水溶性PEG段用來穩定自組裝得到的納米結構。因此固定兩種嵌段共聚物中親水段PEG的長度（聚合度），研究疏水段PS和超疏水段POFPMA的長度和比例對三親性二嵌段共混體系PEG50-PSy/PEG50-POFPMAz(E50-Sy/E50-Fz)的組裝體的影響。

表2示出了一系列共混納米組裝體的粒徑（Dh）及其分布（PDI）的動態光散射測量數據，其中溶劑為水，被測樣品的質量濃度均為0.1 mg/mL。部分組裝體系在水中尺寸較大，主要是因為組裝得到的類似條狀膠束或條狀膠束與小尺寸球形膠束混合體使得粒徑分布較寬，但可以看到大部分體系在水中都形成尺寸較小且分布較窄的納米顆粒。

表 2 E50-Sy/E50-Fz共混自組裝體的粒徑、分散度以及質量分數Table 2 Size, dispersion and mass fraction of E50-Sy/E50-Fz blend self-assembly

2.2 不同疏水長度下共混體系的自組裝

為了研究疏水段PS和超疏水段POFPMA的長度對共混體系自組裝體的影響，首先固定二嵌段PEG-PS的聚合度，研究PS聚合度較低（50）時POFPMA長度對該系列共混物在水溶液中的組裝形態的影響。E50-S35/E50-Fz共混物在水溶液中自組裝體的TEM和SEM形貌分別如圖3和圖4所示。

隨著E50-Fz中POFPMA聚合度的增加，共混物組裝體的形貌大致從球形膠束向蠕蟲狀轉變，直至觀察到短條狀。當POFPMA聚合度較低時，E50-S35/E50-F7在水溶液中形成直徑約為200 nm的球形膠束（圖3（a）），這與表2中DLS測得的E50-S35/E50-F7粒徑基本一致。圖3（a）中可觀察到POFPMA段形成的黑色區域和PS段形成的灰色區域，親水的PEG嵌段很難在TEM圖中捕捉到，POFPMA在水溶液中的疏水能力明顯強于PS段，因此疏水的PS灰色區域包覆超疏水的POFPMA黑色區域并共同構成球形膠束的疏水核心。當POFPMA聚合度由7增加至13時，E50-S35/E50-F13共混物仍組裝成球形膠束（圖3（b）），但由原來的松散構象發展為緊湊的球形膠束，由該形貌的SEM圖（圖4（a））可知直徑約為50 nm。隨著POFPMA長度的繼續增加，E50-S35/E50-F35體系組裝形貌發生較大變化，得到纏結較為密集的蠕蟲狀膠束（圖3（c）），膠束的直徑為50～100 nm，與圖3（b）中球形膠束的直徑相近。該形貌的形成主要歸因于POFPMA的明顯增加使得成核鏈段所占比例越來越大，親水電暈PEG的比例不足以穩定比表面積較大的球形膠束，于是球形膠束逐漸連接得到蠕蟲狀膠束。當POFPMA的聚合度增加至72時，E50-S35/E50-F72共混物體系仍組裝為蠕蟲膠束（圖3（d）），但更為分散。當POFPMA聚合度繼續增加時，E50-S35/E50-F110共混體系進一步組裝成紡錘狀膠束（圖3（e）），長度在1 μm左右，寬度約為200 nm，其SEM圖見圖4（b），這可能是由于POFPMA質量分數達到0.81，而氟化部分具有結晶性，POFPMA含量較大的結晶區中的分子鏈發生傾斜滑移，晶片被拉伸并沿著外力方向取向。

圖 3 E50-S35/E50-Fz共混自組裝體的TEM圖Fig. 3 TEM images of E50-S35/E50-Fz blend self-assembly

當PS段聚合度為70時，POFPMA對三親性嵌段共混組裝體TEM和SEM形貌的影響分別如圖5、圖6所示。與E50-S35/E50-Fz共混物體系類似，當POFPMA含量較低時，親水段PEG有足夠的長度以確保滿足較低的填充參數，共混體系通常形成直徑約為250 nm的球形膠束（圖5（a）和圖6（a）），其中PEG段形成電暈包封疏水段PS和超疏水段POFPMA鏈段，并可觀察到部分球形膠束之間有連接。在E50-S70/E50-F13共混物中直接觀察到多個球形膠束連接成長條狀膠束（圖5（b）和圖6（b）），這是共混物沿著某個方向有組織地堆疊產生的結果。值得注意的是，構成該膠束的球狀單元內部有明顯的黑色核，表明PEG-PS構筑成球形膠束疏水外殼，使得較多的氟化鏈在球內部聚集，通過在球外殼的內側分散以擴大占有面積，得到圖5（c）中的組裝體。

圖 4 (a) E50-S35/E50-F13和(b) E50-S35/E50-F110 共混自組裝體的SEM圖Fig. 4 SEM images of blend self-assembly of (a) E50-S35/ E50-F13 and (b) E50-S35/ E50-F110

當POFPMA的聚合度增加至72（圖5（d））和110（圖5（e））時，組裝體形態已從條狀膠束轉變成樹枝狀膠束，圖6(c)中的SEM圖進一步證實了這一點。總之，隨著POFPMA聚合物的增加，E50-S70/E50-Fz共混組裝體先形成球形膠束，然后球形膠束發生連接得到長條狀膠束，最后得到樹枝狀膠束。

圖 5 E50-S70/E50-Fz共混自組裝體的TEM圖Fig. 5 TEM images of E50-S70/E50-Fz blend self-assembly

繼續增加PS段至110，E50-S110/E50-Fz組裝體的TEM見圖7。E50-S110/E50-F7體系形成球形膠束（圖7（a）），而圖7(b)中由E50-S110/E50-F13共混物組裝得到的直徑約為250 nm的有核球形膠束與E50-S70/E50-F13共混物的長條狀組裝體的構成單元類似。結合表2中各嵌段的質量分數，可總結出當w(PEG)∶w(PS)∶w(POFPMA)≈ 1∶2∶1時，體系傾向于形成有核的球形膠束。圖7（c）中觀察到長度約為150 nm，寬度約為50 nm的紡錘狀膠束，這與E50-S35/E50-F110共混物在水中發生取向的組裝體形貌相近，其形成原因同前文所述。結合表2發現這兩種形貌的親水與疏水比例均約為1∶9。隨著POFPMA聚合度繼續增加，組裝體形貌明顯出現向囊泡轉變的趨勢。圖7(d)中E50-S110/E50-F72共混組裝體的囊泡尺寸分布較寬；圖7(e)中共混組裝體為尺寸均一的囊泡，這與DLS測試得到的粒徑分布數據一致，表明當疏水部分遠大于親水部分時，體系傾向于組裝形成囊泡。

繼續增加PS段長度，當PS聚合度為136時，一系列E50-S136/E50-Fz共混組裝體的TEM和SEM圖分別如圖8和圖9所示。可以看出無論POFPMA長度如何，該系列組裝形貌均為球形。圖8（a）中的球形膠束發生局部凹陷得到圖8(b)中的E50-S136/E50-F13共混組裝體，該轉變的原因類似于E50-S35/E50-Fy體系中POFPMA聚合度從7增加到13。從圖9（a）和9（b）中的SEM圖明顯可以觀察到組裝體構象緊湊，表面由凹凸不平轉變為光滑。

圖 6 E50-S70/E50-Fz共混自組裝體的SEM圖Fig. 6 SEM images of E50-S70/E50-Fz blend self-assembly

圖 7 E50-S110/E50-Fz共混自組裝體的TEM圖Fig. 7 TEM images of E50-S110/E50-Fz blend self-assembly

圖8（c）～8（e）中3種共混物均組裝成多孔納米球，這與Zhang等[6]的發現是類似的：三臂嵌段聚合物(P4VP-b-PS)3的組裝形貌隨著PS的增加最后出現多孔納米球，這可能是由于體系中親水段連接兩種疏水能力不同的疏溶劑段，PS和POFPMA的長度增加使得其與溶劑水之間的排斥力也逐漸增大，并因此增加PEG-PS和PEG-POFPMA中PEG鏈段之間的空間排斥，從而出現小孔形貌。結合圖9（c）中E50-S136/E50-F72的SEM圖可見表面上的小孔是穿透整個球，所以才能在圖8（c）～8（e）中觀察到呈長條狀的小孔，這是TEM的透射原理造成的。

由于疏水部分是影響組裝形貌的最重要因素，因此結合上述結果，利用表2中各個嵌段的質量分數（w(PEG)，w(PS)）繪制了二元相圖（圖10），該相圖反映了共混體系中組分比例與其組裝形態之間的相關性。由于實驗目的主要是為了研究疏水段對組裝形貌的影響，親水段PEG的聚合度均固定在50，因此相圖主要區間是[0＜w(PEG)＜0.5，0＜w(PS)＜0.8]，圖10數據中已將不同組裝形貌用不同圖例進行標識，根據這些形態相圖被分為4個區域。橘色區域是球形膠束的聚集區，該區域中PEG和PS的質量分數都比較高，w（POFPMA）較小，超疏水氟段的比例太低，難以和疏水段PS形成顯著的微相分離，組裝體的形成主要依靠親水段PEG和疏水段PS之間的親疏水相互作用，因此該區間主要形成的是球形膠束。其他較特殊的形貌主要聚集在區間[0＜w(PEG)＜0.3，0＜w(PS)＜0.5]內，紫色區域主要是形成條狀膠束，而黃色區域和藍色區域分別是樹枝狀膠束和特殊球狀組裝體的聚集區。在區間[0.15＜w(PEG)＜0.3，0＜w(PS)＜0.5]內，整個區域均傾向于組裝成條狀膠束；而區間[0＜w(PEG)＜0.15，0＜w(PS)＜0.5]內具有豐富的自組裝形態，從圖中的色塊可以看出：共混物的組裝形貌隨著PS的長度的增加從條狀膠束向樹枝狀膠束、囊泡形和多孔球形轉變，PS的繼續增大最終會導致球形膠束的形成。因此可以總結出親水段PEG和疏水段PS的質量分數較低時，具體表現在區間[0＜w（PEG）＜0.3，0＜w(PS)＜0.5]內，3種具有不同親溶劑能力的嵌段才能更好地發揮其作用，進而組裝得到豐富的納米結構。

圖 8 E50-S136/E50-Fz共混組裝體的TEM圖Fig. 8 TEM images of E50-S136/E50-Fz blend self-assembly

圖 9 E50-S136/E50-Fz共混自組裝體的SEM圖Fig. 9 SEM images of E50-S136/E50-Fz blend self-assembly

圖 10 E50-Sy/E50-Fz共混自組裝體的二元相圖Fig. 10 Binary phase diagram of blend self-assembly of E50-Sy/E50-Fz

2.3 不同濃度下三親性二嵌段共混體系的自組裝

嵌段共聚物在溶劑中組裝得到的多樣化形態在許多領域都具有潛在應用。在溶劑中進行的自組裝通常可以通過控制聚合后的條件（如不同溶劑或混合溶劑、pH、溫度、聚合物濃度等）來實現控制組裝形貌的目的，其中有關濃度對嵌段聚合物的組裝形態的研究較少，尤其是針對嵌段共聚物共混體系的研究更是寥寥無幾。以2.2節中的研究結果為參考，考察E50-S110/E50-Fz在不同質量濃度下的組裝形貌，結果如表3所示，可知該系列納米組裝體的粒徑及分布較為均一。

表 3 E50-S110/E50-Fz在不同質量濃度下的粒徑、分散度Table 3 Size and dispersion of E50-S110/E50-Fz at different mass concentrations

圖11示出了E50-S110/E50-Fz分別在質量濃度0.10、0.08、0.06、0.04、0.02 mg/mL下的自組裝形貌，從圖中可以得知：與調整嵌段比例相比，該共混體系在水溶液中的組裝形貌隨質量濃度的變化不是特別明顯，整體形貌主要是球狀，沒有觀察到蠕蟲狀膠束，僅在E50-S110/E50-F35中出現長度約為200 nm的紡錘結構，且組裝的形貌基本可通過調節嵌段聚合度來實現。但值得注意的是當氟鏈的占比較高且質量濃度為0.06或0.08 mg/mL時（圖11（b2）、（b3）、（c5）、（d2）、（d3）），均觀察到之前未發現的線團狀結構，圖11（c4）是E50-S110/E50-F35在質量濃度0.04 mg/mL的條件下組裝得到的不規則的多孔結構，隨著質量濃度降低到0.02 mg/mL，體系為結構較為松散的線團狀圖11（c5）。由此可以猜測多孔球傾向形成線團狀結構。隨著質量濃度的升高，E50-S110/E50-F72共混體系組裝分別得到多孔球形、線團結構和囊泡狀。圖11（d2）和11（d3）中是囊泡和線團兩種結構的共混體，其中囊泡臂厚約為20 nm，這與構成線團結構的線的尺寸是一樣的，因此可以推測出囊泡是由線團結構進一步融合得到。

圖12所示為結合表2和圖11結果繪制得到的E50-S110/E50-Fz二元相圖（其中w(PS+POFPMA)是表2中w(PS)和w(POFPMA)之和），研究具有不同疏水比例的嵌段組裝體在不同質量濃度下的變化，主要適用于疏水段所占比例較高的情況。圖中深橘色區域主要是多孔球的形成區域，主要在質量濃度低于0.05 mg/mL的條件下組裝得到，在這個濃度區間形貌基本不受親疏水比例的影響；而淺橘色是其他組裝形貌的形成區，組裝體的形成受多種因素控制，在高質量濃度下，質量濃度對組裝體的影響較小。因此，從相圖中的兩個色塊得出質量濃度對該嵌段共混體系組裝體的整體影響較小，尤其是當質量濃度較高時，溶液中共聚物含量也較高，組裝結構主要受各嵌段與嵌段和溶劑之間的相互作用的影響；但當質量濃度足夠低時，質量濃度對組裝體的構建有一定的作用。雖然圖12示出的結果是由E50-S110/E50-Fz體系得到的，但對其他體系也會有一定的參考價值。

圖 11 E50-S110/E50-Fz在不同質量濃度下自組裝體的TEM圖Fig. 11 TEM images of E50-S110/E50-Fz blend self-assembly at different mass concentrations

圖 12 E50-S110/E50-Fz組裝體不同質量濃度下的二元相圖Fig. 12 Binary phase diagram of E50-S110/E50-Fz assemblies at different mass concentrations

3 結 論

（1）采用ATRP和SET-LRP兩種聚合方法成功制備兩種兩親性嵌段共聚物PEG-PS和PEGPOFPMA，并以此構建了一系列三親性二嵌段共聚物共混體系PEG-PS/PEG-POFPMA，通過DLS測定共混高分子組裝體的粒徑及其分布，結合TEM和SEM研究疏水段PS和超疏水段POFPMA對共混組裝體的影響。

（2）不同比例的疏水嵌段對三親性二嵌段共聚物共混體系的組裝形貌產生重要的影響。當疏水段和親水段所占比例較高時，共混物傾向形成球形膠束；反之氟化鏈能更好地發揮其超疏水作用并促進組裝體的形貌變化，得到囊泡狀、多孔納米球形、紡錘狀、樹枝狀和長條狀結構等。

（3）與嵌段比例相比，質量濃度對共混組裝體的影響較小，質量濃度低時較易通過濃度控制組裝體形態。由此總結得到的相圖可用于指導聚合之前靶向預定合適的納米組裝體。