兩親性交替共聚物自組裝制備尺寸可調可降解超薄納米管

2022-05-25 06:07:18崔晨暉張彥峰

功能高分子學報 2022年2期

蘇鵬，崔晨暉，章強，張彥峰

（1.中石化西北油田分公司石油工程技術研究院，烏魯木齊 830011；2.西安交通大學化學學院，西安 710049）

聚合物納米管因其極好的生物相容性，更靈活的結構設計和表面修飾性，在仿生系統、藥物、基因載體、生化傳感器和生物醫學等方面具有巨大優勢[1-3]。此外，具有較大長徑比以及空腔體積的管狀納米顆粒在生物技術中比球形納米顆粒表現得更好[4,5]。目前，一部分通過生物分子如脂質體[6,7]、DNA[8-10]以及多肽[11,12]自組裝來制備聚合物納米管的工作已被報道。然而，大多數聚合物納米管是通過嵌段聚合物自組裝形成的，包括卷-卷二嵌段共聚物[13,14]、棒-卷二嵌段共聚物[15-17]以及三嵌段共聚物[18,19]。最近，大環聚合物以及樹狀聚合物也已被用于制備納米管[20-24]。作為一種重要的線性高分子，交替共聚物具有規整交替的重復單元，并在化學傳感器、增塑劑以及光電領域應用非常廣泛[25-27]。近來，一些課題組開始研究交替共聚物的自組裝特性[28-31]，用以避免嵌段共聚物的合成復雜性。實際上，當聚合度高于一定值時，交替共聚物組裝體的形貌與聚合物分子量以及分子量分布是無關的[32]。因此，在合成交替共聚物時不需要嚴苛控制分子量，這是其應用于自組裝材料中的重要優勢。近期，周永豐課題組[33]報道了一種由硫醇-環氧點擊化學合成的交替共聚物，并通過交替共聚物自組裝制備了超薄納米管，此種納米管易于被羧基、氨基和多肽官能化。

本文合成了一系列兩親性交替共聚物，這些共聚物具有不同長度的疏水單元，并能夠自組裝成超薄聚合物納米管。探究了疏水單元長度與超薄納米管形貌之間的相互關系，通過軟件模擬對聚合物折疊自組裝機理做出了印證。結果表明，這些納米管均可在氧化環境下發生降解。此類納米管的大長徑比以及可控的降解性能在生物傳遞以及可控釋放中具有潛在的應用價值[34-36]。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

1,4-二硫蘇糖醇（DTT）、1,2-二溴乙烷（DBE）、1,4-二溴丁烷（DBB）、1,6-二溴己烷（DBH）與二異丙基乙胺（DIPEA）：分析純，上海阿拉丁生化科技有限公司；過氧化氫（H2O2）：優級純，w=30%，上海阿拉丁生化科技有限公司；二甲基甲酰胺（DMF）、甲醇（MeOH）、二甲基亞砜（DMSO）：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 測試與表征

核磁共振氫譜（1H-NMR）：美國布魯克公司Advance III 400 MHz型核磁共振波譜儀；凝膠滲透（GPC）色譜：由美國沃特世公司2 414型定量泵、美國懷亞特公司DAWN HELEOS型18角度激光散射檢測器以及美國懷亞特公司Optilab rEX型示差折光檢測器組裝而成；透射電子顯微鏡（TEM）：日本捷歐路公司JEM-2010型；差示掃描量熱（DSC）儀：德國耐馳公司DSC 200PC型，運行過程中用氮氣進行保護并用液氮進行冷卻，熱循環兩遍以消除熱歷史，升溫速率為 10 °C/min，溫度范圍：0～120 °C。

1.3 聚（2,3-二羥基丁烯-alt-乙烯二硫醚）（P（DHB-alt-EDT））交替共聚物的合成

將 1,4-二硫蘇糖醇（77.13 mg），1,2-二溴乙烷（93.94 mg）以及二異丙基乙胺（387.75 mg）溶于 2 mL 二甲基甲酰胺中，氮氣除氧20 min，80 °C下反應過夜后以甲醇沉淀3次，在真空下干燥得到P（DHB-alt-EDT）。

其他兩種交替共聚物聚（2,3-二羥基丁烯-alt-丁烯二硫醚）（P（DHB-alt-BDT））以及聚（2,3-二羥基丁烯-alt-己烯二硫醚）（P（DHB-alt-HDT））通過同樣的方法進行制備，只替換不同的二溴化合物（1,4-二溴丁烷及1,6-二溴己烷）。P（DHB-alt-BDT）：1H-NMR （DMSO-d6, 400 MHz）δ: 1.57 （m, 4H, -S-CH2-CH2-CH2-CH2-S-）,2.48 ~ 2.63 （m, 4H, -S-CH2- CH2- CH2-CH2-S-）, 2.56 （d, 4H, -S-CH2-CH-）, 3.55 （m, 2H, -CH2-CH-OH）, 4.62 （d, 2H, -CH -OH）。 P（DHB-alt-HDT）：1H-NMR （DMSO-d6, 400 MHz）δ: 1.35 （m, 4H, -SCH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-S-）, 1.54 （m, 4H, -S-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-S-）, 2.46～2.65 （m, 4H, -S-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-S-）, 2.56 （d, 4H, -S-CH2-CH-）, 3.59 （m, 2H, -CH2-CH-OH）, 4.67 （d, 2H, -CH-OH）。

1.4 納米管的制備和表征

將1 mg交替共聚物溶解于2 mL二甲基亞砜中，通過注射泵（0.1 mL/h）逐滴加入8 mL去離子水，最終得到質量濃度為0.1 mg/mL的混合溶液。將得到的混合溶液轉移到截留分子量（MWCO）為3 500的透析袋中，在去離子水中透析24 h并每3 h換一次水。

1.5 納米管的原位氧化

將w=30%的過氧化氫水溶液（0.04 mL）加入到納米管溶液（1.0 mL）中，并將該溶液在37 °C攪拌2 h。用透射電子顯微鏡觀察原位氧化后納米管的形貌轉變。

2 結果與討論

2.1 交替共聚物的合成

本文通過1,4-二硫蘇糖醇與3種不同的二溴烷烴（1,2-二溴乙烷，1,4-二溴丁烷及1,6-二溴己烷）的硫醇-鹵素點擊化學反應分別制得（P（DHB-alt-EDT））、P（DHB-alt-BDT）以及 P（DHB-alt-HDT）（圖1）。

圖1 交替共聚物的合成及自組裝Fig.1 Synthesis and self-assembly of alternating copolymers

交替共聚物的GPC曲線（圖2）均顯示單峰分布。由于點擊化學的高反應性，合成的交替共聚物具有較窄的分子量分布（PDI）。此外，3種交替共聚物的1H-NMR表征如圖3所示。其中，b峰的積分面積是c與d峰的1/4，代表共聚物氫譜峰的比例正確，共聚物已形成。

圖2 交替共聚物的GPC曲線Fig.2 GPC traces of alternating copolymers

圖3 交替共聚物的1H-NMR譜圖Fig.3 1H-NMR spectra of alternating copolymers

2.2 納米管的制備與表征

聚合物納米管的形貌如圖4所示。3種交替共聚物自組裝成的聚合物納米管，管徑為19～25 nm，而納米管的管長達到微米以上，這些納米管具有超大長徑比。當分子鏈中疏水碳鏈結構變長時，P（DHB-alt-EDT）,P（DHB-alt-BDT）以及P（DHB-alt-HDT）所組裝成的納米管管徑從19.61 nm增長至23.43 nm及26.24 nm。由放大圖可觀測到，納米管的管壁厚度保持在1～2 nm，這意味著納米管中的空間隨著二溴烷烴反應物中的碳鏈部分變長而增大。因此，此類具有超大長徑比的聚合物納米管或許在藥物或基因傳輸應用方面具有優勢[11, 12]。

圖4 納米管的TEM照片Fig.4 TEM images of nanotubes

據報道，此類交替共聚物在水中自組裝時，親水的OH-CH2-CH2-OH結構單元伸向水中，并包裹住疏水的CH2-S-（CH2）m-S-CH2結構單元，由此組成三明治結構納米片。而后，納米片卷曲為納米帶以及納米管[33]。如圖5 所示，P（DHB-alt-EDT）, P（DHB-alt-BDT）及 P（DHB-alt-HDT）中不同長度的疏水碳鏈導致高分子鏈在進行自組裝折疊時，將會形成不同厚度的納米帶。本文通過Chem3D軟件對組裝體進行了最低能量模擬，并計算出 P（DHB-alt-EDT）, P（DHB-alt-BDT）及 P（DHB-alt-HDT）的折疊單元長度分別為 1.33、1.63 nm 以及1.84 nm，與透射電子顯微鏡所得圖像中管壁厚度吻合，因此可以合理推測納米管的管壁厚度隨著疏水鏈段的增長而變大，也證明了這種交替共聚物自組裝機理的正確性。此外，基于上述理論分析，更厚的三明治結構納米片將形成較厚的管壁，也將導致較大的納米管彎曲應變力，因此從熱力學角度出發，更穩定的構筑方式即為構成直徑更大的納米管。

圖5 納米管自組裝方案Fig.5 Self-assembly scheme of nanotubes

P（DHB-alt-HDT）粉末及其納米管的DSC曲線如圖6所示。共聚物粉末在70.8 °C出現單吸熱峰，而由聚合物組裝的納米管則在61.2 °C出現單吸熱峰。這一吸熱峰可能歸因于P（DHB-alt-HDT）中疏水烷基鏈的結晶。因此，納米管可能受交替共聚物中烷基鏈的結晶行為驅動而形成。

圖6 P（DHB-alt-HDT）粉末及納米管的DSC曲線Fig.6 DSC curves of P（DHB-alt-HDT） powders and nanotube

2.3 納米管的原位氧化

聚合物納米管在過氧化氫氧化下的形貌轉變如圖7所示。經過過氧化氫的氧化后，納米管的管狀主體已基本解體，無法觀察到管狀結構。其原因在于：交替共聚物中的硫醚鍵經過氧化后轉化為亞砜鍵，具有較好親水性的亞砜鍵提升了交替共聚物在水中的溶解度。聚合物的水溶性增強，從而無法繼續保持親水-疏水-親水的三明治結構，最終破壞了納米管的形貌。這種氧化響應解體的特性使納米管在生物載體和可控釋放領域具有潛在應用價值。