光引發聚合誘導自組裝制備二嵌段共聚物組裝體

何 俊

(廣東工業大學材料與能源學院，廣東 廣州 510006)

由靜電作用力、親疏水作用力、氫鍵、范德華力以及電子給體-受體等其中一種或多種為主要驅動力的自組裝方法已被研究者們熟知并成為構建納米組裝體的有效手段[1-3]。自組裝現象廣泛存在于金屬或非金屬的小分子之間以及天然或合成高分子之間[4-6]。在這其中，嵌段共聚物因具有靈活的分子可設計性等優點而成為自組裝領域的熱門研究方向。目前，通過自組裝方法得到的具有不同形貌的嵌段共聚物納米組裝體已被證實在生物成像、藥物傳遞、器件潤滑、生物敷料、納米反應器等方面具有應用價值[7-14]。

溶液自組裝是制備嵌段共聚物納米組裝體常用方法，由于嵌段共聚物的合成與自組裝過程必須分步實施，該方法存在著聚合物含量低(<1%)、后處理繁瑣等問題。近年來，基于可逆失活自由基聚合的聚合誘導自組裝(PISA)方法，能夠在高濃度(10%～50%)下同時實現嵌段共聚物的合成與自組裝[15]，克服了傳統溶液自組裝的不足。其中，可逆加成-斷裂鏈轉移(RAFT)聚合因具有單體和反應溶劑適用范圍廣，不含金屬催化劑等優點而被廣泛應用在PISA研究中。目前大部分的RAFT-PISA都采用熱引發聚合的方式進行，需時較長(>2 h)且溫度較高(50～70 ℃)，不利于溫度敏感嵌段共聚物納米材料的制備。2015年，本課題組將光聚合技術引入到RAFT-PISA體系中，開創了光引發聚合誘導自組裝方法(Photo-PISA)，可在室溫下快速制備環境響應和生物相關的嵌段共聚物納米材料[16]。

聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)是研究最為廣泛的熱響應性聚合物，當溫度低于最低共溶溫度(LCST)時(約為32 ℃)，PNIPAM側鏈的仲酰胺基可與水分子形成氫鍵使聚合物溶于水；當溫度高于LCST時，水分子與仲酰胺基之間的氫鍵斷裂，側鏈上的異丙基傾向于疏水鍵合使聚合物鏈不溶于水。目前，基于RAFT-PISA制備具有高階形貌(纖維、中空囊泡)的PNIPAM基嵌段共聚物自組裝體仍是一種挑戰。Sumerlin等[17]首次報道了在70 ℃下制備具有高階形貌的PNIPAM嵌段共聚物組裝體，該方法為避免因溫度變化導致PNIPAM的親疏水性轉變而導致組裝體解離，需要采用后交聯方式對組裝體進行交聯。

結合安澤勝等[18]報道的嵌段共聚物合成原位交聯策略和Photo-PISA優勢[16]。本文將以PDMAx-DDMAT作為大分子RAFT試劑，NIPAM為成核單體，ALAM作為不對稱交聯劑，苯二甲酸鈉(2，4，6-三甲基苯甲基)磷酸鹽(SPTP)作為水溶性光引發劑，通過控制PNIPAM聚合度(DP)、大分子RAFT試劑聚合度(PDMAx-DDMAT)、反應固含量(ω/%)、交聯劑用量和聚合溫度等反應條件，以Photo-PISA方式制備具有不同形貌的PDMAx-b-P(NIPAMy-co-ALAMz)交聯二嵌段共聚物納米材料。

1 實 驗

1.1 儀器與試劑

400 MHz超導核磁共振儀，布魯克(北京)科技有限公司；Waters1515凝膠滲透色譜儀，沃特世科技(上海)有限公司；HT7700透射電子顯微鏡，株式會社日立制作所；405 nm LED燈，日月豐電子(廣州)有限公司。

3-甲基-2-(十二烷基三硫代碳酸酯基)丙酸(DDMAT)根據文獻合成[19]；N-烯丙基丙烯酰胺(ALAM)根據文獻合成[20]；苯二甲酸鈉(2，4，6-三甲基苯甲基)磷酸鹽(SPTP)根據文獻合成[21]；偶氮二異丁腈(AIBN)，阿拉丁試劑有限公司；N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)，阿拉丁試劑有限公司；N,N-二甲基丙烯酰胺(DMA)，阿拉丁試劑有限公司；三聚甲醛，阿拉丁試劑有限公司；氘代氯仿，阿拉丁試劑有限公司；正己烷，二氧六環，甲醇均為分析純；去離子水，自制。

1.2 實驗步驟

1.2.1 PDMAx-DDMAT大分子RAFT試劑的合成與表征

以合成PDMA48-DDMAT為例：DMA(30.0 g，0.302 mol)，DDMAT(1.93 g，5.30 mmol)，AIBN(0.0174 g，0.106 mmol)以及三聚甲醛(0.449 g, 4.99 mmol)加入到150 mL圓底燒瓶中，再加入二氧六環(70.0 g) 溶解上述反應物，留存少量反應液作為初樣用于1H NMR測試。使用橡膠塞將圓底燒瓶密封并通入氮氣30 min以除去氧氣，然后將圓底燒瓶置于70 ℃油浴鍋進行150 min的RAFT溶液聚合。聚合結束后置于0 ℃冰水中并暴露于空氣終止反應，取少量反應溶液用于1H NMR測試表征。通過對比初樣與終樣雙鍵峰強度，確定最終轉化率為87.4%，即PDMA聚合度為48。經過5次甲醇溶解-正己烷沉降后處理。提純后樣品置于真空干燥箱干燥48 h。PDMA22-DDMAT、PDMA32-DDMAT和PDMA72-DDMAT以同樣的方法合成。大分子RAFT試劑的數均分子量(Mn)和分子量分布(Mw/Mn)使用Waters1515凝膠滲透色譜儀(GPC)測定，測試所用的標準樣為窄分布聚苯乙烯，流動相為四氫呋喃，測定溫度為35 ℃，流速為1.0 mL/min。

1.2.2 PDMAx-b-P(NIPAMy-co-ALAMz)嵌段共聚物組裝體的制備與表征

以合成PDMA48-b-P(NIPAM300-co-ALAM10.5)嵌段共聚物組裝體為例：NIPAM(1.0 g，8.84 mmol)、PDMA48-b-DDMAT(0.151 g，0.0295 mmol)、ALAM(0.0343 g，0.309 mmol，3.5% mol相對于NIPAM)、SPTP(3.0 mg, 9.67 μmol)加入到10 mL圓底燒瓶中，再加入去離子水(3.57 g)使得反應物完全溶解得到25wt%透明反應液。使用橡膠塞將圓底燒瓶密封并通入氮氣20 min以除去氧氣。最后將圓底燒瓶置于37 ℃或70 ℃水浴鍋中避光預熱5 min，接著在該溫度下進行紫光輻照(405 nm，0.45 mW/cm2)30 min以確保單體完全轉化。其他PDMAx-b-P(NIPAMy-co-ALAMz)嵌段共聚物納米材料以同樣方法合成。制備所得的嵌段共聚物組裝體形貌通過日立HT7700透射電子顯微鏡(TEM)表征，樣品先稀釋至1%水溶液后滴于銅網上5 min，使用濾紙吸去溶液后滴入醋酸鈾水溶液(0.5wt%)染色3 min，再次使用濾紙吸干溶液并晾干。

2 結果與討論

2.1 PDMAx-DDMAT大分子RAFT試劑的合成

DMA因帶有叔胺基使得單體及其均聚物皆具有良好的水溶性，PDMA適合用于水相Photo-PISA中作為穩定鏈段。圖1為DDMAT以及PDMA72-DDMAT的核磁氫譜圖以及PDMA72-DDMAT的GPC表征。

圖1 DDMAT、PDMA72-DDMAT核磁氫譜圖(a), PDMA72-DDMAT的GPC曲線(b)Fig.1 1H NMR of DDMAT and PDMA72-DDMAT(a), GPC trace of PDMA72-DDMAT(b)

2.2 PDMAx-b-P(NIPAMy-co-ALAMz)嵌段共聚物組裝體的制備

以PDMAx-DDMAT為大分子RAFT試劑，NIPAM為成核單體，ALAM為原位交聯劑， SPTP為光引發劑，在405 nm紫光輻照下進行Photo-PISA的化學反應過程，如圖2所示。

反應溫度大于32 ℃進行Photo-PISA時，聚合形成的PNIPAM鏈上的酰胺基團與水分子之間的氫鍵會斷裂，使得PNIPAM不溶于水而發生相分離。SPTP是基于2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯改性的水溶性引發劑，紫外特征峰為290 nm和370 nm，在0.48 mW/cm2下的半衰期為17 min[22]，適合用于Photo-PISA。ALAM作為一種非對稱交聯劑，用于PISA時丙烯酰胺雙鍵能夠優先與成核單體共聚，在聚合反應后期，ALAM上烯鍵才開始參與聚合實現嵌段共聚物組裝體的交聯，從而避免對組裝體形貌的干擾。

圖2 Photo-PISA制備PNIPAM基二嵌段共聚物組裝體Fig.2 Synthesis of PNIPAM-based diblock copolymer assemblies via Photo-PISA

2.3 大分子RAFT試劑聚合度對嵌段共聚物組裝體的形貌影響

在70 ℃下，加入3.5% ALAM，固含量保持在15wt%，目標聚合度為200，探討PDMAx-DDMAT的聚合度對所制備PDMAx-b-P(NIPAMy-co-ALAMz)嵌段共聚物組裝體形貌的影響。圖3為使用不同分子量的PDMA-DDMAT大分子RAFT試劑制備嵌段共聚物組裝體的TEM圖。

當PDMAx-DDMAT聚合度為22或32時，所得到的嵌段共聚物組裝體形貌為空心囊泡；當PDMAx-DDMAT聚合度為48時，所得到的嵌段共聚物組裝體形貌為球形膠束。進一步使用聚合度更大的PDMA72-DDMAT進行Photo-PISA時，依然只能得到球形膠束。這是因為隨著PDMA聚合度增大對嵌段共聚物組裝體的穩定作用會增大，有效減弱了膠束之間的融合，不利于高階形貌的產生。

圖3 使用不同的PDMAx-DDMAT制備PDMAx-b-P (NIPAM200-co-ALAM7)共聚物組裝體的TEM圖Fig.3 TEM images of PDMAx-b-P(NIPAM200-co-ALAM7) copolymer assemblies using various PDMAx-DDMAT

2.4 聚合溫度對嵌段共聚物組裝體形貌的影響

圖4 在 70 ℃下通過Photo-PISA制備具有不同DP 和固含量的PDMA48-b-P(NIPAMy-co-ALAMz) 共聚物組裝體的TEM圖Fig.4 TEM images of PDMA48-b-P(NIPAMy-co-ALAMz) copolymer assemblies prepared by Photo-PISA with various DPs and solids contents at 70 ℃

在70 ℃下，加入3.5% ALAM，使用PDMA48-DDMAT為大分子RAFT試劑進行Photo-PISA，探討反應固含量(wt%)與PNIPAM聚合度(DP)對嵌段共聚物組裝體形貌的影響。圖4為不同反應固含量與不同PNIPAM聚合度下通過Photo-PISA制備嵌段共聚物組裝體的TEM圖。

從圖4可看出所制備的嵌段共聚物組裝體形貌具有明顯的濃度依賴性，當固含量低于20wt%時，只能形成球形膠束；當固含量大于20%時，出現了中空囊泡(DP 300，20wt%)與純纖維(DP 125，25wt%)，并存在多個囊泡與纖維混相樣品(DP 200，20wt%、 DP 250，20wt%、DP 200，25wt%)，這一現象與其他的PISA體系類似[23-24]。可歸結為在反應固含量較高PISA體系內，嵌段共聚物形成膠束后在組裝過程中更容易發生互相融合形成復雜形貌。

圖5 在37 ℃下通過Photo-PISA制備具有不同DP和固含量 的PDMA48-b-P(NIPAMy-co-ALAMz)共聚物組裝體的TEM圖Fig.5 TEM images of PDMA48-b-P(NIPAMy-co-ALAMz) copolymer assemblies prepared by Photo-PISA with various DPs and solids contents at 37 ℃

為探討反應溫度對PNIPAM聚合度對嵌段共聚物組裝體形貌的影響。圖5為不同反應固含量與不同PNIPAM聚合度在37 ℃下通過Photo-PISA制備的嵌段共聚物組裝體的TEM圖。

對比圖5與圖4，可以看出在37 ℃下制備的相同DP和固含量的嵌段共聚物組裝體僅能獲球形膠束形貌，無法產生高階形貌。

這兩種形貌相圖之間的形態差異表明反應溫度的升高有助于PNIPAM在水相Photo-PISA中形成高階形貌。溫度造成的形貌差異可以歸結為兩個原因：一是溫度對球形膠束的融合存在直接影響，高溫有利于形貌演進。溫度對組裝體形貌演進的積極作用在PHPMA-b-mPEG、PHPMA-b-PGMA、PDMA-b-PFS等多個PISA體系中已被報道[25-27]。二是PNIPAM鏈在高溫下疏水性增強且鏈運動性增強，膠束化程度更高，這有利于球形膠束融合后形成纖維狀和囊泡狀聚合物納米材料。

2.5 不對稱交聯劑對共聚物組裝體的形貌影響

在70 ℃下，固含量維持在20wt%，目標聚合度為200，使用PDMA48-DDMAT大分子RAFT試劑進行Photo-PISA，探討ALAM投料量對嵌段共聚物組裝體形貌的影響。圖6為不同ALAM投料量下通過Photo-PISA制備的嵌段共聚物組裝體的TEM圖。

從圖6可看出，ALAM用量為3.5%和5.0%時，所得共聚物組裝體形貌為囊泡纖維混相。ALAM用量達到7.5%時，共聚物組裝體形貌向纖維棒狀轉變。ALAM用量提升至9.0%時則完全轉變為纖維狀納米材料。圖6中的形貌降階現像(囊泡纖維混相到純纖維)可以歸結為疏溶劑鏈段上的交聯位點增加使聚合物鏈間及鏈內交聯程度上升，限制組裝過程中的鏈段運動，不利于膠束之間的融合。利用該方法能夠在更高的疏溶劑鏈聚合度條件下制備純纖維共聚物組裝體。

圖6 在70 ℃下制備不同交聯劑含量的PDMA48-b-P (NIPAM200-co-ALAMz)(20wt%)共聚物組裝體的TEM圖Fig.6 TEM images of PDMA48-b-P(NIPAM200-co-ALAMz) (20wt%) copolymer assemblies with varying crosslinker content at 70 ℃

3 結 論

本文采用PDMA為大分子RAFT試劑，NIPAM為成核單體，ALAM為不對稱交聯劑，SPTP為光引發劑進行Photo-PISA制備具有不同形貌的PDMAx-b-P(NIPAMy-co-ALAMz)共聚物組裝體。文中詳細探究了不同反應條件對共聚物組裝體形貌的影響。結果表明：PDMA穩定鏈分子量的提升不利于復雜組裝體形貌的形成。反應溫度、PNIPAM目標聚合度以及反應固含量的提高均有利于嵌段共聚物進行形貌融合形成復雜組裝體形貌。ALAM的合理添加能夠使組裝體不因環境溫度變化而解體，在過量添加時(≥7.5%)將明顯影響聚合物鏈運動性阻礙嵌段共聚物形貌的融合。