RAFT 分散聚合誘導自組裝制備PDMAs -PSx 嵌段共聚物納米顆粒

梁海洋， 楊永啟， 張 玲

(上海大學環境與化學工程學院， 上海 200444)

具有特定形貌或特定功能基團的聚合物納米顆粒， 在藥物傳遞[1]、成像劑[2]、納米反應器[3]、皮克林乳化劑[4]、刺激響應性智能納米材料[5]等方面應用廣泛.Szwarc 等[6]提出了活性聚合的概念， 并制備了分子量可控的嵌段共聚物.這解決了自由基聚合中， 由于鏈終止反應而導致的分子量分布變寬的問題.1990～1998 年， 活性可控自由基聚合取得了突破性進展， 可逆加成-斷裂-鏈轉移(reversible addition-fragmentation-chain transfer， RAFT)自由基聚合[7]， 氮氧調控自由基聚合(nitroxide-mediated polymerization， NMP)[8]和原子轉移自由基聚合[9]成為主要的活性自由基聚合技術.RAFT 聚合有諸多優勢: ①適用單體范圍廣， 已被廣泛研究的單體包括(甲基)丙烯酸酯類、(甲基)丙烯酸類、丙烯酰胺類等; ②RAFT 試劑比較穩定， 可以根據需要設計末端基團， 從而制備功能化高分子[10]; ③適應于不同的分散體系， 如溶液聚合、乳液聚合、分散聚合.

20 世紀60 年代初， Climie 等[11]首次使用嵌段共聚物自組裝制備了分子量精確控制的嵌段共聚物.傳統的兩親性嵌段共聚物自組裝方法一般是先制備雙親性嵌段共聚物， 然后在共溶劑中加入選擇性溶劑， 在親疏水驅動力下發生微相分離， 從而實現嵌段共聚物自組裝.Gao 等[12]將聚(4-乙烯基吡啶)-聚苯乙烯(poly(4-vinylpyridine)-polystyrene， P4VP-PS)二嵌段共聚物溶解在N， N-二甲基甲酰胺(N，N-dimethyl-formamide， DMF)中， 并逐漸加入水或甲醇以誘導形成球形膠束.Zhang 等[13-14]采用相同的方法， 分別改變了聚(丙烯酸)(polyacrylic acid， PAA)和PS 的聚合度(degree of polymerizations， DPs)， 制備了更復雜的形貌(如球、棒或囊泡).但該方法最主要的局限是操作繁瑣.自組裝一般在稀溶液中進行， 質量濃度小于1 mg/mL[15]， 這為納米顆粒的大量制備帶來了挑戰.

RAFT 聚合誘導自組裝(polymerization-induced self-assembly，PISA)克服了以上缺點，通過參考堆積參數p[15]， 可在高固體含量(10～50%)下， 采用一鍋法制備高級形貌且重現性好的納米顆粒.RAFT 分散PISA 過程主要為RAFT 溶液聚合階段以及聚合和異相聚合階段，后者因疏溶劑嵌段分子量增大， 開始不溶于溶劑， 發生相分離， 此時聚合和自組裝同時發生.Armes等[16]、Boyer 等[17]， An 等[18]均已通過這種方法進行了大量的研究.

早期研究通過苯乙烯(styrene， St)乳液聚合[19]， 得到了形貌單一的球狀膠束.直到2009年， Pan 等[20-21]取得了突破性進展， 在P4VP 和St 投料質量比高達1∶5 000 甚至1∶10 000的情況下， 在甲醇中進行了分散聚合， 實現了球形到蟲狀或囊泡形貌的轉變.之后， Pan等[22-23]在此研究基礎上， 或通過加入均聚物PS 制備了蛋黃/殼狀納米顆粒， 或通過主要調節鏈轉移劑(chain transfer agent， CTA)中P4VP 的含量制備了多層囊泡.另外， 通過將CTA改變為甲基丙烯酸-N，N-二甲氨基乙酯(2-(dimethylamino)ethylmethacrylate，DMAEMA)[24]，PAA[25]和聚氧化乙烯(polyethylene oxide， PEO)[26]， 也可得到豐富的形貌， 并制備六方體中空這樣復雜的形貌[27].這說明不同組分的嵌段共聚物也可實現豐富且復雜的形貌， 但存在一個明顯的缺點， 即需要加入大量的St 進行聚合反應， 才能實現豐富的形貌.本工作采用聚合度不同的聚N，N-二甲基丙烯酰胺(poly N，N-dimethyl-acrylamide， PDMA)PDMA23和PDMA38作為大分子CTA， 在PDMA 和St 投料質量比相對較低的情況下， 分別探究了70°C 在乙醇中制備的PDMAs-PSx嵌段納米顆粒形貌隨聚合度增大的轉變情況.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

N，N-二甲基丙烯酰胺(N，N-dimethyl-acrylamide， DMA， 純度98%)和偶氮二異丁腈(azodiisobutyronitrile， AIBN， 純度99%)購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司; 苯乙烯(純度99.5%)購于上海安耐吉化學有限公司; 乙醇(純度99.7%)購于國藥(上海)化學試劑有限公司; 小分子鏈轉移劑(CTA)參考文獻[28]方法制得.

德國IKA 磁力加熱攪拌器; JEOL 400 MHz 核磁共振波譜儀; 凝膠滲透色譜(gel permeation chromatography，GPC)，以DMF(HPLC 級，含質量濃度為1.75 mg/mL 的LiBr)為洗脫液， 流速為0.7 mL/min， 柱子和檢測器溫度為45°C; Malvern Nano ZS90 動態光散射(dynamic light scattering，DLS)粒度儀;日立Hitachi HT7700 透射電子顯微鏡(transmission electron microscope， TEM).

1.2 實驗過程

1.2.1 RAFT 溶液聚合制備鏈轉移劑PDMAs

本工作采用了兩種不同聚合度(DP=23 和38)的PDMA， 制備方法和步驟相似(見圖1).以PDMA38為例， 制備步驟如下: 在100 mL 干燥的圓底燒瓶中加入準確稱量的CTA(0.7557 g， 3.360 mmol)， DMA(13.36 g， 134.8 mmol)和28 mL DMF， 充分攪拌溶解， 取出50 μL 的混合液備用; 用橡膠塞密封置于冰水浴中， 通氮氣除氧30 min; 將反應瓶放入轉速為500 r/min、溫度為70°C 的油浴鍋中， 待溫度恒定后， 用微量注射器注入100 μL 已除氧的含AIBN (110.6 mg， 0.6735 mmol)的DMF 溶液， 在氮氣保護下反應100 min.通過核磁共振氫譜(1H-nuclear magnetic resonance，1H-NMR)， 對比了0 和100 min 后混合液中DMA 乙烯基信號峰(5.30×10-6， 5.98×10-6)的積分面積， 得到轉化率為95%.將粗產物在過量的乙醚中沉淀3 次， 真空干燥2 d， 得到7.23 g 純的黃色固體， 產率為51%.

圖1 通過RAFT 溶液聚合在70 °C 下制備大分子鏈轉移劑PDMA38Fig.1 Synthesis of macro-CTA PDMA38 by RAFT solution polymerization at 70 °C

1.2.2 RAFT 分散聚合制備嵌段共聚物納米顆粒

圖2 為嵌段共聚物納米顆粒的制備過程，具體的聚合條件如下: [AIBN]/[PDMAs]=0.5(質量比)， 反應溫度為70°C， 攪拌速率為500 r/min， 固體含量為20%.以制備PDMA23-PS200為例， 制備步驟如下: 在20 mL 的反應瓶中依次加入PDMA23(0.032 2 g， 1.30 μmol)和St(0.268 g， 2.57 mmol); 封口鼓氮除氧30 min 后， 注入1.5 mL 已除氧的乙醇; 將反應瓶放入70°C 油浴鍋中， 待溫度恒定后， 向反應瓶中注入156 μL 已除氧的含AIBN(0.833 mg，5.07 mmol)的乙醇溶液; 在氮氣保護下反應24 h 后， 開口冰水浴猝滅自由基， 停止反應.

圖2 通過RAFT 分散聚合在70 °C 下制備嵌段共聚物納米顆粒Fig.2 Synthesis of copolymer nanoparticles by RAFT dispersion polymerization at 70 °C

2 結果與討論

2.1 PDMA23 和PDMA38 結構的表征與分析

將純化后的PDMA23和PDMA38分別進行1H-NMR(400 MHz， CDCl3)和GPC 表征(見圖3).由于PDMA23和PDMA38是聚合單元相同.長度不同的高分子鏈， 因此1H-NMR 譜圖對應的化學位移很接近.以PDMA23為例， 本工作分析了化學環境不同的氫對應的化學位移δ， 結果如圖3(a)所示， 其中a 對應1.1×10-6(t， —CH3)， b 對應3.3×10-6(q， —SCH2—)，c 對應2.7×10-6～2.2×10-6(m，backbone—CH—)，d 對應2.0×10-6～1.2×10-6(backbone—CH2—)， e 對應3.1×10-6～2.7×10-6(m， backbone —N(CH3)2)， f 對應5.2×10-6(m，—COOCH—)， h 對應3.7×10-6(m， —OCH3).可見， e 對應了聚合單元上6 個H 的高分子信號峰， 說明有PDMA 的合成.通過計算e 和b(非聚合單元2 個H 的信號峰)信號峰面積的比例(DP=Ae/(3Ab)， 其中A為特征峰的積分面積)， 可知PDMA23的DP 為23.由圖3(c)可知，通過GPC 表征得到了峰形對稱的曲線， 且是分子量較大的PDMA38先出峰， 這符合GPC 測試原理.測得PDMA23的數均分子量為Mn，GPC(DMF)= 2 223 g/mol， 分子量分布D= 1.11，與理論分子量相近.用同樣的方法， 測得PDMA38的Mn，GPC(DMF)=3 913 g/mol，D=1.09，也與理論分子量(Mn，th=3 991.2 g/mol)相近.這說明本工作得到了分子量一定且分子量分布窄的大分子CTA PDMA23和PDMA38，為后續研究提供了可靠的保障.

圖3 PDMA23 和PDMA38 在CDCl3 中的1H-NMR 譜和GPC 曲線Fig.3 1H-NMR spectrum of PDMA23 and PDMA38 in CDCl3 and GPC traces of PDMA23 and PDMA38

2.2 PDMAs-PSx 的1H-NMR 和TEM 表征與討論

以 聚 合 配 方 [St]∶[PDMA23]∶[AIBN]=150∶1∶0.5(質 量 比)為 例， 在V(DMF)∶V(DMSO-d6) = 1∶1 的混合溶劑中對反應36 h 后的聚合物-St 混合物進行1H-NMR 表征(見圖4).結果發現: a 為PS 上6 個H 的高分子信號峰(苯環上的5 個H 及主鏈上的1 個H)及單體對應位置H 的信號峰， 證實得到了PS 聚合物; b 和c 分別為St 單體上乙烯基末端一個H 的信號峰.以Aa(δ=7.5～6.0)=6 為標準， 通過轉化率公式Conv=(1-A((b+c)/2))×100%=83%，計算得出實際聚合度DPactural=DPtarget×Conv=150×83%=126， 證實得到了疏水嵌段實際聚合度為126 的共聚物.同理可得其他聚合條件的轉化率和實際聚合度.

圖4 PDMA23-PS126 聚合物在DMSO-d6 中的1H-NMR 譜Fig.4 1H-NMR spectrum of PDMA23-PS126 in DMSO-d6

取20 μL 樣品分散在4 mL 乙醇中得到固體含量為0.1%的分散液.通過DLS 測試粒徑和多分散性， 詳細數據如表1 和2 所示.當固體含量為20%時， 通過調整穩定嵌段PDMA 分子量， 探究了關鍵參數對形貌的影響， TEM 表征結果如圖5 所示.實驗結果顯示: 當使用分子鏈較短的PDMA23時， 可通過改變PS 的聚合度來調控形貌; 當實際聚合度由70 增加到126 時，疏水嵌段長度和體積增加， 堆積參數p增大， 球形納米顆粒融合， 轉化為短蟲和小囊泡的混合形貌(見圖5(b)); 當聚合度繼續增加到162 時， 短蟲形貌轉化為高級別囊泡形貌， 且囊泡平均尺寸增加(見圖5(c)); 當聚合度為249 時， 開始顯現出p ＞1 的趨勢， 部分囊泡通過非彈性碰撞聚集形成了復合囊泡(見圖5(d)); 當使用分子鏈較長的PDMA38時， 隨著聚合度從162 增加到410， 在較寬的聚合度范圍內都可得到均勻的球形納米顆粒(見圖5(e)～(h)和表2).對圖5(h)中的41 個球形進行粒徑統計分析， 結果顯示， 最大和最小粒徑分別為85 和62 nm， 平均粒徑為71 nm， 與DLS 得到的粒徑(見表2)很接近.綜上可知， 使用分子鏈相對較短的穩定嵌段， 可提高納米顆粒間的有效非彈性碰撞率， 有助于顆粒融合， 從而促進形貌轉化(由球形轉化為囊泡).這為以后在研究中制備復雜形貌或是均勻球形的納米顆粒提供了一條可借鑒的思路.

表1 用PDMA23 作為CTA 備納米顆粒的總結Table 1 Summary for the synthesis of nanoparticles using PDMA23 as the CTA

表2 用PDMA38 作為CTA 制備納米顆粒的總結Table 2 Summary for the synthesis of nanoparticles using PDMA38 as the CTA

圖5 兩嵌段共聚物PDMAs-PSx 的TEM 圖Fig.5 TEM micrographs for block copolymer PDMAs-PSx

3 結束語

本工作分別使用兩種聚合度不同的鏈轉移劑(PDMA23和PDMA38)， 在相同的聚合條件下， 通過改變聚苯乙烯的聚合度， 調控聚合物納米顆粒的形貌轉變.對所制備的聚合物納米顆粒進行1H-NMR， DLS 和TEM 測試， 得到以下結論: 當以PDMA23為鏈轉移劑時， 隨著聚苯乙烯聚合度的增加， 實現了從球形形貌到短蠕蟲和尺寸較小囊泡形貌的轉變; 繼續增大聚合度可以實現尺寸較大囊泡形貌到囊泡/復合囊泡混合形貌的轉變; 當以PDMA38作為鏈轉移劑時， 在較寬的聚合度(162～410)范圍內仍可得到粒徑均勻的球形納米顆粒.本研究為制備特定尺寸、特定形貌的聚合物納米顆粒， 以及制備粒徑均勻的球形納米顆粒提供了思路借鑒.