RAFT 分散聚合誘導(dǎo)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(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)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(yīng)器[3]、皮克林乳化劑[4]、刺激響應(yīng)性智能納米材料[5]等方面應(yīng)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(yīng)而導(dǎo)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(zhuǎn)移(reversible addition-fragmentation-chain transfer， RAFT)自由基聚合[7]， 氮氧調(diào)控自由基聚合(nitroxide-mediated polymerization， NMP)[8]和原子轉(zhuǎn)移自由基聚合[9]成為主要的活性自由基聚合技術(shù).RAFT 聚合有諸多優(yōu)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(wěn)定， 可以根據(jù)需要設(shè)計末端基團， 從而制備功能化高分子[10]; ③適應(yīng)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(tǒng)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(qū)動力下發(fā)生微相分離， 從而實現(xiàn)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(dǎo)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(fù)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(zhì)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(zhàn).

RAFT 聚合誘導(dǎo)自組裝(polymerization-induced self-assembly，PISA)克服了以上缺點，通過參考堆積參數(shù)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(xiàn)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(fā)生相分離， 此時聚合和自組裝同時發(fā)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(zhì)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(xiàn)了球形到蟲狀或囊泡形貌的轉(zhuǎn)變.之后， Pan等[22-23]在此研究基礎(chǔ)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(diào)節(jié)鏈轉(zhuǎn)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?yōu)榧谆┧?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(fù)雜的形貌[27].這說明不同組分的嵌段共聚物也可實現(xiàn)豐富且復(fù)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(yīng)， 才能實現(xiàn)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(zhì)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(zhuǎn)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(xué)有限公司; 乙醇(純度99.7%)購于國藥(上海)化學(xué)試劑有限公司; 小分子鏈轉(zhuǎn)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(zhì)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(tài)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(zhuǎn)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(yīng)瓶放入轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)化率為95%.將粗產(chǎn)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(chǎn)率為51%.

圖1 通過RAFT 溶液聚合在70 °C 下制備大分子鏈轉(zhuǎn)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(zhì)量比)， 反應(yīng)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(yīng)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(yīng)瓶放入70°C 油浴鍋中， 待溫度恒定后， 向反應(yīng)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(yīng)24 h 后， 開口冰水浴猝滅自由基， 停止反應(yīng).

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(jié)果與討論

2.1 PDMA23 和PDMA38 結(jié)構(gòu)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(yīng)的化學(xué)位移很接近.以PDMA23為例， 本工作分析了化學(xué)環(huán)境不同的氫對應(yīng)的化學(xué)位移δ， 結(jié)果如圖3(a)所示， 其中a 對應(yīng)1.1×10-6(t， —CH3)， b 對應(yīng)3.3×10-6(q， —SCH2—)，c 對應(yīng)2.7×10-6～2.2×10-6(m，backbone—CH—)，d 對應(yīng)2.0×10-6～1.2×10-6(backbone—CH2—)， e 對應(yīng)3.1×10-6～2.7×10-6(m， backbone —N(CH3)2)， f 對應(yīng)5.2×10-6(m，—COOCH—)， h 對應(yīng)3.7×10-6(m， —OCH3).可見， e 對應(yīng)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(shù)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(xù)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(zhì) 量 比)為 例， 在V(DMF)∶V(DMSO-d6) = 1∶1 的混合溶劑中對反應(yīng)36 h 后的聚合物-St 混合物進行1H-NMR 表征(見圖4).結(jié)果發(fā)現(xiàn): a 為PS 上6 個H 的高分子信號峰(苯環(huán)上的5 個H 及主鏈上的1 個H)及單體對應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)如表1 和2 所示.當固體含量為20%時， 通過調(diào)整穩(wěn)定嵌段PDMA 分子量， 探究了關(guān)鍵參數(shù)對形貌的影響， TEM 表征結(jié)果如圖5 所示.實驗結(jié)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(diào)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(shù)p增大， 球形納米顆粒融合， 轉(zhuǎn)化為短蟲和小囊泡的混合形貌(見圖5(b)); 當聚合度繼續(xù)增加到162 時， 短蟲形貌轉(zhuǎn)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(xiàn)出p ＞1 的趨勢， 部分囊泡通過非彈性碰撞聚集形成了復(fù)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(nèi)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(tǒng)計分析， 結(jié)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(wěn)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(zhuǎn)化(由球形轉(zhuǎn)化為囊泡).這為以后在研究中制備復(fù)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(jié)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(jié)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(jié)束語

本工作分別使用兩種聚合度不同的鏈轉(zhuǎn)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(diào)控聚合物納米顆粒的形貌轉(zhuǎn)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(jié)論: 當以PDMA23為鏈轉(zhuǎn)移劑時， 隨著聚苯乙烯聚合度的增加， 實現(xiàn)了從球形形貌到短蠕蟲和尺寸較小囊泡形貌的轉(zhuǎn)變; 繼續(xù)增大聚合度可以實現(xiàn)尺寸較大囊泡形貌到囊泡/復(fù)合囊泡混合形貌的轉(zhuǎn)變; 當以PDMA38作為鏈轉(zhuǎn)移劑時， 在較寬的聚合度(162～410)范圍內(nèi)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.