刺激響應(yīng)性剛?cè)崆抖喂簿畚锏淖越M裝

張金龍 張潔 宛新華

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院 北京100871)

分子自組裝就是分子與分子在平衡條件下，依賴分子間非共價鍵力(氫鍵、靜電作用、疏水作用、π-π相互作用、范德華力)自發(fā)組合形成一類結(jié)構(gòu)明確、性能穩(wěn)定的分子聚集體的過程［1］。剛?cè)崆抖喂簿畚锸怯扇嵝缘木酆衔锖蛣傂缘木酆衔镆怨矁r鍵相連而組成。由于兩種鏈段在各種環(huán)境條件下的不相容性，比如在選擇性溶劑中各自的溶解度不同，驅(qū)動嵌段聚合物發(fā)生相分離，疏溶劑鏈段自發(fā)聚集成超分子組裝體(圖1)。剛性鏈段有著剛性的棒狀結(jié)構(gòu)，其各向異性使其容易形成有序取向排列，這就使得剛?cè)崆抖喂簿畚锏淖越M裝行為比柔柔嵌段共聚物更加復(fù)雜，不僅能形成球形或棒狀的膠束和囊泡，而且還能形成一些特殊形狀(例如螺旋狀［2-3］、帶狀［4］、環(huán)狀［5-6］、管狀［7］)的超分子結(jié)構(gòu)。此外，剛性分子本身具有優(yōu)異的生物活性、液晶性、光電活性等性質(zhì)，并可將這些功能特性賦予到超分子組裝體中，為實(shí)現(xiàn)超分子材料應(yīng)用提供了可能。

圖1 剛?cè)崆抖尉酆衔锝M裝體內(nèi)的分子排列圖

刺激響應(yīng)型剛?cè)崆抖喂簿畚锸且环N功能聚合物，其在溶液中進(jìn)行自組裝，常會對外界的刺激(如pH、光、溫度、化學(xué)添加劑等)產(chǎn)生一定的響應(yīng)性;剛性嵌段或者柔性嵌段的改變都會導(dǎo)致組裝形成的納米結(jié)構(gòu)及相應(yīng)性質(zhì)的變化，這種特殊的刺激響應(yīng)性使得該類共聚物在傳感器、探測器和光開關(guān)方面都具有很好的應(yīng)用前景。近年來，由于各種可控活性聚合方法的發(fā)現(xiàn)和實(shí)施，使設(shè)計(jì)合成各種具有刺激響應(yīng)性的新型兩親性嵌段共聚物成為高分子合成領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一［8］。

根據(jù)剛性鏈段的類型，我們將這些剛?cè)崆抖喂簿畚锓譃?類，即含有多肽、液晶聚合物、共軛分子和無機(jī)粒子的剛?cè)崆抖喂簿畚?。下面將分別介紹這4類嵌段共聚物的自組裝行為及其受到外界刺激時聚集體形態(tài)的響應(yīng)行為。

1 基于剛性多肽鏈段的兩親性剛?cè)崆抖喂簿畚?/h2>

多肽或蛋白質(zhì)聚合物的剛?cè)崆抖喂簿畚镆蚱渖锵嗳菪院蜕锕δ苄远玫綇V泛關(guān)注。由于多肽鏈段上的氨基酸殘基具有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)，多肽可以利用其肽鍵間氫鍵作用以及氨基酸殘基之間的氫鍵作用、靜電作用、疏水性作用以及π-π堆積作用等有效實(shí)現(xiàn)分子自組裝［9］。在兩親性嵌段共聚物中，多肽可以作為親水組分或者疏水組分，其特殊的結(jié)構(gòu)使其在受到外界的刺激(如pH)時能夠在無規(guī)線團(tuán)、α-螺旋、β-折疊3種結(jié)構(gòu)中發(fā)生可逆變換［10-11］，這樣不僅增強(qiáng)了對其聚合時超分子結(jié)構(gòu)的控制，而且能制備智能生物活性材料。

Lin［12］等研究了在水溶液中對熱和pH都敏感的聚(L-谷氨酸)-b-聚環(huán)氧丙烷-b-聚(L-谷氨酸)(PLGA-b-PPO-b-PLGA，簡寫為GPG)三嵌段共聚物的自組裝行為。由于常溫時PPO在水中是不溶的，因此當(dāng)PLGA-b-PPO-b-PLGA溶于水時，便會發(fā)生自組裝。當(dāng)在較低的pH(pH≈4)時，PLGA嵌段呈螺旋狀，共聚物形成囊泡;在pH較高時，其側(cè)基上的羧酸基團(tuán)帶負(fù)電荷，由于鏈間的排斥力使得PLGA鏈段采取無規(guī)線團(tuán)的構(gòu)象，共聚物自組裝成球形組裝體。因此，調(diào)控pH可以實(shí)現(xiàn)共聚物組裝體結(jié)構(gòu)從囊泡到球的可逆轉(zhuǎn)變。另一方面，當(dāng)pH≈4.7時，以PPO為核的囊泡具有熱響應(yīng)性;由于在較低溫度時，PPO在水中是高度水合的［13-17］，聚集體的核便會含有大量的水，利用光散射方法可觀測到其囊泡尺寸較大;當(dāng)溫度升高時，水合的PPO量減少，水分子被排除在聚集體之外，導(dǎo)致囊泡尺寸減小。

Mezzenga［18］等研究了三嵌段聚(γ-谷氨酸芐酯)-b-聚二甲基硅氧烷-b-聚(γ-谷氨酸芐酯)(PBLG-b-PDMS-b-PBLG)在甲苯中熱響應(yīng)性的溶膠-凝膠可逆變換過程(圖2)。聚(γ-谷氨酸芐酯)是合成的多肽，通過分子內(nèi)氫鍵形成α-螺旋，由于其疏溶劑作用驅(qū)動三嵌段聚合物自組裝形成凝膠。升高溫度后，聚(γ-谷氨酸芐酯)在甲苯中的溶解度增大，組裝體解離，使得凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)槿芤海?9-20］。通過調(diào)制動態(tài)光散射和擴(kuò)散波譜等實(shí)驗(yàn)手段跟蹤轉(zhuǎn)變過程，發(fā)現(xiàn)當(dāng)加熱到50℃時，所有的凝膠會經(jīng)歷凝膠-溶膠的變換，當(dāng)冷卻到室溫時，又會可逆恢復(fù)到原來的凝膠狀態(tài)。

圖2 PBLG-b-PDMS-b-PBLG的化學(xué)結(jié)構(gòu)(a)及其在甲苯中熱響應(yīng)的可逆凝膠-溶膠過程(b)

Lecommandoux［21］等描述了聚(L-谷氨酸)-b-聚(L-賴氨酸)(PGA-b-PLys)兩性離子型嵌段共聚多肽在不同pH下組裝體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變(圖3)。當(dāng)在pH＜4的酸性條件下，聚(L-谷氨酸)呈中性，其二級結(jié)構(gòu)為緊湊的α-螺旋結(jié)構(gòu)，其疏水作用驅(qū)動共聚物自組裝形成以聚谷氨酸為內(nèi)層，以聚賴氨酸為囊泡內(nèi)殼和外殼的結(jié)構(gòu)。在pH＞10時，聚(L-賴氨酸)的—NH+3基團(tuán)形成中性不溶的—NH2基團(tuán)，不溶的聚賴氨酸形成囊泡內(nèi)層，聚谷氨酸則形成囊泡的內(nèi)殼和外殼。當(dāng)pH處在中間時(5＜pH＜9)，兩個組分都會帶上電荷，組裝結(jié)構(gòu)就會分解;但由于兩性離子嵌段聚合物分子內(nèi)和分子間的靜電相互作用，最終會導(dǎo)致溶液出現(xiàn)沉淀，這種沉淀在加入酸或堿甚至在高的鹽濃度下又會重新溶解。這種pH響應(yīng)性的納米顆粒將會在大分子納米生物科技(譬如不同敏感性藥物的包裹技術(shù))中得到很好的應(yīng)用。

圖3 二嵌段共聚物PGA 15-b-PLys15的化學(xué)結(jié)構(gòu)(a)及其聚集體在不同p H范圍下的結(jié)構(gòu)示意圖(b)

2 含液晶聚合物的兩親性剛?cè)崆抖喂簿畚?/h2>

液晶是結(jié)晶態(tài)和液態(tài)之間的一種形態(tài)。液晶態(tài)既像液體具有流動性和連續(xù)性，其分子又保持著固態(tài)晶體特有的規(guī)則排列方式，具有光學(xué)性質(zhì)各向異性等晶體特征的物理性質(zhì)。許多液晶已被證實(shí)對外界的刺激具有一定的響應(yīng)性，在光、電場、機(jī)械剪應(yīng)力等的外界刺激下會發(fā)生有序-無序或者有序-有序的可逆液晶相轉(zhuǎn)變。因此，含有液晶高分子鏈段的剛?cè)崆抖尉酆衔镌谶@些刺激源作用下，也可以實(shí)現(xiàn)其分子自組裝結(jié)構(gòu)的可逆變化。

Zhao［22］等合成了由親水鏈段聚丙烯酸(PAA)與側(cè)鏈含有液晶基元偶氮苯基團(tuán)的疏水聚甲基丙烯酸甲酯(PAzoMA)組成的兩親性嵌段共聚物PAA-b-PAzoMA，并報(bào)道了對該共聚物的有序-無序結(jié)構(gòu)可逆轉(zhuǎn)變過程的光化學(xué)控制(圖4)。通過將水加入到PAA-b-PAzoMA的二氧六環(huán)溶液中，誘導(dǎo)不溶的PAzoMA聚集，形成膠束或囊泡膠束核內(nèi)偶氮苯液晶基元取向有序排列的液晶微區(qū)。當(dāng)用紫外光照射時，偶氮苯的構(gòu)型便從反式向順式轉(zhuǎn)變，破壞了液晶基元的有序排列，并且引起液晶相向各向同性相轉(zhuǎn)變。這種相轉(zhuǎn)變導(dǎo)致PAzoMA核更具流動性，穩(wěn)定性下降，聚集體容易變形甚至解離。反之，當(dāng)用可見光照射使偶氮苯可逆恢復(fù)到反式構(gòu)型時，又會還原為原聚集體溶液的狀態(tài)。

圖4 PAA-b-PAzoMA的化學(xué)結(jié)構(gòu)(a)及PAA-b-PAzoMA形成的凝聚核-殼膠束和囊泡在經(jīng)過紫外線和可見光照射后的可逆的形態(tài)變化示意圖(b)

Li［23］等通過含偶氮苯基團(tuán)的液晶型嵌段共聚物PEG-b-PMAzo444和柔性嵌段共聚物PEG-b-PBD的共組裝，制備了具有光響應(yīng)性的不對稱聚合物囊泡［24］，PEG-b-PMAzo444位于不對稱聚合物囊泡的外層，而PEG-b-PBD形成其內(nèi)層。在沒有紫外光的情況下，疏水的液晶鏈段PMAzo444呈現(xiàn)棒狀的結(jié)構(gòu);當(dāng)用紫外光照射時，偶氮苯發(fā)生反式到順式的構(gòu)型轉(zhuǎn)變，這種光異構(gòu)化作用引起液晶聚合物由向列相轉(zhuǎn)變?yōu)楦黜?xiàng)同性相，從而引起囊泡的外層沿著膜的厚度方向收縮，最終導(dǎo)致囊泡膜的破裂(圖5)。

3 基于剛性共軛分子的兩親性剛?cè)崆抖喂簿畚?/h2>

π-共軛的嵌段共聚物的自組裝已經(jīng)被證明是形成具有新穎結(jié)構(gòu)和功能的超分子物質(zhì)的有效方法。將共軛剛性分子結(jié)合到剛?cè)崆抖喂簿畚锓肿又校軌蛐纬稍诩{米尺度上具有特定結(jié)構(gòu)的共軛區(qū)域，而且其在溶液中的自組裝也增強(qiáng)了共軛分子的可修飾性。共軛鏈段之間的π-π作用提供了額外的結(jié)構(gòu)控制因素和功能，使其明顯不同于傳統(tǒng)的柔性嵌段共聚物。這種嵌段共聚物具有優(yōu)異的光電活性，這將使其在光伏器件、發(fā)光二極管等光電材料上得到很好的應(yīng)用。

Lee［25］等合成了具有支化的低聚乙二醇醚修飾的芳香大環(huán)結(jié)構(gòu)的兩親性嵌段分子。支化低聚乙二醇醚具有熱敏性，在常溫下溶于水，溫度升高破壞了其與水分子間的氫鍵而變得疏水，因而使得兩親性剛?cè)崆抖畏肿铀纬傻木奂w也具有了熱響應(yīng)性的特征。研究發(fā)現(xiàn)芳香大環(huán)的分子長度增加，兩親性的共聚物在水中自組裝時聚集體結(jié)構(gòu)從球體變化到螺旋線團(tuán)再到囊泡(圖6)。而當(dāng)加熱到50℃時，通過冷凍透射電鏡(cryo-TEM)可以發(fā)現(xiàn)螺旋線團(tuán)聚集體轉(zhuǎn)變?yōu)樯熘钡陌魻钅z束(圖6(b));冷卻到室溫，伸直的棒狀嵌段開始發(fā)生變形，逐漸彎曲(圖6(c));在室溫條件下放置3天后，會發(fā)現(xiàn)完全恢復(fù)到螺旋線團(tuán)的結(jié)構(gòu)(圖6(d))。這種螺旋線團(tuán)的熱響應(yīng)性使其不同于其他的動態(tài)螺旋纖維，它能夠發(fā)生形態(tài)的變化而不會丟失其超分子結(jié)構(gòu)的手性［26-29］，這種帶有動態(tài)結(jié)構(gòu)變化的螺旋聚集體將會為制備智能納米材料提供一種新方法。

圖5 液晶型嵌段共聚物PEG-b-PMAzo444和柔性嵌段共聚物PEG-b-PBD的化學(xué)結(jié)構(gòu)(a)以及用紫外線照射后聚合物囊泡的結(jié)構(gòu)變化圖(b)

圖6 不同溫度下自組裝形成的膠束cryo-TEM圖

Chen［30］等研究了聚［2，7-(9，9-二己基芴)］-b-聚甲基丙烯酸 N，N-二甲基氨基乙酯(PF-b-PDMAEMA)剛?cè)崆抖喂簿畚飳H刺激的響應(yīng)性。PDMAEMA嵌段對熱和pH都具有敏感性，而且由于氫鍵的原因，PDMAEMA在弱堿性和中性條件下都是可溶的［31-33］。圖7展示了PF7-b-PDMAEMA45在不同pH條件下的結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)pH從2升高至7時，可以觀察到球形膠束的直徑從215nm降到150nm，其主要原因可能是PDMAEMA的質(zhì)子化程度降低，使膠束殼中帶正電的PDMAEMA間的靜電排斥作用減弱。然而當(dāng)pH≈10時，組裝體結(jié)構(gòu)變?yōu)槔w維束結(jié)構(gòu)，此時PDMAEMA嵌段幾乎完全去質(zhì)子化并且發(fā)生聚集，因此PDMAEMA嵌段和PF嵌段之間的極性差異引起了PF嵌段之間的π-π相互作用，導(dǎo)致嵌段共聚物形成柱狀膠束。所以，PDMAEMA嵌段的質(zhì)子化和去質(zhì)子化對于決定組裝體的結(jié)構(gòu)起重要作用。

圖7 PF7-b-PDMAEMA 45聚集體的AFM顯微結(jié)構(gòu)圖

4 含無機(jī)粒子的雜化嵌段共聚物

無機(jī)納米粒子(例如 C60［34］、碳納米管［35］、石墨烯［36］、Au 納米粒子［37-38］、雜多酸鹽(POMs)［39-40］、籠形低聚倍半硅氧烷［41］、聚硅烷［42］等)在催化、磁性、光電、生物學(xué)領(lǐng)域都是很重要的材料。由這些無機(jī)納米粒子構(gòu)筑的剛?cè)峁簿畚锱c有機(jī)的剛?cè)崆抖喂簿畚锵啾?，一方面，無機(jī)粒子的剛性使得這類嵌段共聚物在自組裝時會引入額外的作用力(例如無機(jī)粒子間的靜電排斥)，阻礙其自組裝進(jìn)程;另一方面，具有對稱結(jié)構(gòu)的多組分納米顆粒(例如貴金屬和半導(dǎo)體納米棒)又使自組裝結(jié)構(gòu)具有一定的方向性。將長鏈聚合物連接到無機(jī)納米粒子上，既增加了其溶解性，并且可通過外界條件(pH或溫度)的變化，調(diào)節(jié)聚合物的物理和化學(xué)性質(zhì)，從而可拓展這類共聚物在藥物運(yùn)輸和人造肌肉、可調(diào)控分子開關(guān)中的應(yīng)用。

籠形低聚倍半硅氧烷(POSS)是具有明確結(jié)構(gòu)的最小立方硅納米顆粒，作為一種重要的納米構(gòu)筑單元得到了廣泛的關(guān)注，常被用來與PEO、PAA和PDMAEMA等親水的聚合物相結(jié)合形成兩親性的分子，對pH和溫度刺激具有一定的響應(yīng)性。Cheng［43］等合成了羧酸改性的籠形低聚硅倍半氧烷(APOSS)，并通過硫醇“點(diǎn)擊化學(xué)”方法將疏水的PS鏈連接到親水的APOSS上［44-47］，得到了兩親性的大型表面活性劑PS-APOSS。當(dāng)共溶劑從二氧六環(huán)變?yōu)镈MF再到DMF/NaOH時，羧酸基團(tuán)的離子化程度逐漸增加，分別為45%，62%和80%，這就導(dǎo)致POSS籠之間的排斥力增強(qiáng)。為減少APOSS頭基的靜電自由能，平均每個鏈的表面積就會增加，因此膠束形態(tài)從囊泡變?yōu)槿湎x狀膠束再變?yōu)榍蛐阅z束(圖8)。

5 結(jié)論與展望

剛?cè)崆抖喂簿畚镌谌芤褐械淖越M裝在近幾年已經(jīng)取得了顯著的成果。本文分別介紹了4類對外界條件變化刺激具有一定響應(yīng)性的兩親性剛?cè)崆抖喂簿畚?通過調(diào)節(jié)溶液pH、溫度、光照、溶劑組成等方法可促使聚集體的結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生可逆變化。這種特殊的刺激響應(yīng)性使得兩親性剛?cè)崆抖喂簿畚镌趥鞲衅?、探測器以及藥物控制釋放等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。但由于對剛?cè)嵝郧抖喂簿畚锏淖越M裝研究還只是處在初步的階段，諸如響應(yīng)的靈敏度，聚集體的穩(wěn)定性等一系列問題還亟待解決。相信隨著多學(xué)科的交叉和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，具有刺激響應(yīng)性的剛?cè)崆抖喂簿畚飳诟鼜V闊的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

圖8 兩親性大型表面活性劑PS-APOSS的結(jié)構(gòu)(a)及其分別在二氧六環(huán)(Ⅰ)、DMF(Ⅱ)和DMF/NaOH(Ⅲ)中的膠束形態(tài)TEM圖(b)

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