具有螺線表面的聚肽中空柱的制備與結(jié)構(gòu)

焦莉萍， 劉艷萍， 金銳琦， 續(xù)文恒， 蔡春華， 林嘉平

（華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海市先進(jìn)聚合物材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200237）

近年來(lái)，中空納米粒子的制備和應(yīng)用備受關(guān)注[1-4]。中空納米粒子可以容納客體粒子，且具有較高承載能力，因此其在藥物載體、催化劑載體、微反應(yīng)器等多個(gè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值[5-8]。目前研究較多的中空納米粒子有中空微球和囊泡[9,10]，對(duì)于空心柱狀納米粒子的研究較少。研究表明表面圖案可賦予材料更加優(yōu)異的性能[11]。因此，研究具有表面圖案的中空柱狀粒子，具有重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用前景。

聚肽與蛋白質(zhì)的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，具有α-螺旋、β-折疊、無(wú)規(guī)線團(tuán)等構(gòu)象[12-14]，是蛋白質(zhì)研究的重要模型，可用來(lái)制備組織工程支架和藥物載體等生物應(yīng)用相關(guān)材料[15-18]。聚肽最常見的構(gòu)象是具有剛性特征的α-螺旋，其傾向于有序排列，是一種典型的剛性聚合物。共聚物溶液自組裝是構(gòu)建納米材料的有效方法，聚肽共聚物形成的組裝體形貌豐富、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，受到了多個(gè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[19-21]。

本文基于聚肽共聚物自組裝，制備了表面具有螺線的中空柱狀粒子和中空貝殼狀粒子。本課題組的前期研究表明，聚（γ-芐基-L-谷氨酸酯）-b-聚乙二醇（PBLG-b-PEG）嵌段共聚物與聚苯乙烯（PS）均聚物自組裝可形成螺線球和經(jīng)線球[22]，其中PS均聚物形成球形內(nèi)核，PBLG-b-PEG嵌段共聚物形成螺線外殼。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)PBLG-b-PEG嵌段共聚物的側(cè)基進(jìn)行部分改性，接枝可紫外光交聯(lián)的肉桂醇，得到聚（γ-芐基-L-谷氨酸酯-co-肉桂基-L-谷氨酸酯）-b-聚乙二醇（P（BLG/CLG）-b-PEG）嵌段共聚物。與PBLG-b-PEG/PS體系類似，P（BLG/CLG）-b-PEG/PS共混體系也可自組裝得到螺線球和經(jīng)線球。先將所得螺線球和經(jīng)線球用紫外燈照射促使肉桂醇基團(tuán)光交聯(lián)，可固定其外殼條紋圖案；然后用有機(jī)溶劑將PS內(nèi)核溶解掉，即可得到表面具有螺線的中空柱狀粒子和中空貝殼狀粒子。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和試劑

PBLG-b-PEG嵌段共聚物：PBLG鏈段Mn= 2.9×104，聚合度為134，PEG鏈段Mn= 5.0×103，聚合度為112，Mw/Mn= 1.13，自制[23]；PS均聚物：Mn= 6.2×103，Mw/Mn= 1.08，自制[22]；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、四氫呋喃（THF）、4-二甲氨基吡啶（DMAP）、二氯乙酸（DCA）、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺鹽酸鹽（EDC·HCl）、超干二甲基亞砜（DMSO）、肉桂醇（CA）、碳酸氫鈉：上海泰坦科技有限公司；氫溴酸醋酸：w=33%，上海百靈威技術(shù)有限公司；超純水：Millipore 超純水系統(tǒng)制備。以DMSO為溶劑，分別配制DMAP、EDC·HCl和CA的溶液，質(zhì)量濃度分別為0.025、0.055、0.080 g/mL。

1.2 測(cè)試與表征方法

核磁共振氫譜（1H-NMR）：美國(guó)布魯克公司 Avance 400 型核磁共振儀，CDCl3-CF3COOD（體積比為6∶1）為溶劑，四甲基硅烷為內(nèi)標(biāo)物；場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）：日本日立公司（Hitachi）S-4 800 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，工作電壓為15 kV，將含有聚集體的水溶液滴到處理后的單晶硅片上，自然風(fēng)干，測(cè)試前噴鉑處理；透射電子顯微鏡（TEM）：日本電子公司（JEOL）JEM-1 400型透射電子顯微鏡，工作電壓為100 kV，將樣品水溶液滴到銅網(wǎng)上，待液滴中的水分揮發(fā)干燥后進(jìn)行測(cè)試；原子力顯微鏡（AFM）：韓國(guó)Park Systems XE-100型原子力顯微鏡，將待測(cè)膠束水溶液滴到處理后的單晶硅片上，液滴中的水分揮發(fā)干燥后得到待測(cè)樣品。

1.3 聚合物的合成與表征

1.3.1 P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物的合成 從PBLG-b-PEG嵌段共聚物出發(fā)，首先將PBLG鏈段部分酸解脫芐基，然后與肉桂醇酯化反應(yīng)合成P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物[24,25]，反應(yīng)流程如圖1所示。

圖 1 P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物的合成路線Fig. 1 Synthetic route of P(BLG/CLG)-b-PEG block copolymer

圖 2 嵌段共聚物的1H-NMR圖譜Fig. 2 1H-NMR spectra of block copolymers

稱取0.2 g的PBLG-b-PEG嵌段共聚物加入到單口燒瓶中，加入5 mL二氯乙酸，室溫下攪拌3 h，使聚合物完全溶解，隨后將200 μL的氫溴酸醋酸溶液快速加入到單口燒瓶中，攪拌20 min。反應(yīng)結(jié)束后，用滴管向燒瓶中滴加事先配好的NaHCO3溶液，調(diào)節(jié)反應(yīng)液的pH≈6。隨后將產(chǎn)物用純水透析，經(jīng)冷凍干燥后得到P(BLG/LGA)-b-PEG共聚物。

稱取P(BLG/LGA)-b-PEG共聚物0.1 g置于圓底反應(yīng)瓶中，加入3 mL DMSO，在室溫下溶解聚合物。隨后加入DMAP的DMSO溶液和EDC·HCl的DMSO溶液各1 mL，充分?jǐn)嚢韬蟪榕诺獨(dú)?次，繼續(xù)磁力攪拌30 min。然后，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，加入CA的DMSO溶液1 mL。密封瓶口，磁力攪拌下反應(yīng)72 h。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)液以純水透析，最后冷凍干燥得到P(BLG/CLG)-b-PEG共聚物。

1.3.2 P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物的表征 通過(guò)1H-NMR對(duì)PBLG-b-PEG嵌段共聚物和P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，如圖2所示。P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物的1H-NMR譜在6.70、6.31處出現(xiàn)了新特征峰，這2處峰對(duì)應(yīng)著CA酰氧基上C=C雙鍵的質(zhì)子特征峰，此結(jié)果說(shuō)明P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物成功接枝了肉桂醇。根據(jù)PBLG側(cè)鏈上亞甲基質(zhì)子特征峰b（2.42）與肉桂醇酰氧基上C=C雙鍵的質(zhì)子特征峰e(cuò)（6.70）、f（6.31）處峰面積的比值，得出CLG的接枝率為10.8%，平均接枝數(shù)為14.4。

1.4 中空粒子的制備及其填充性能研究

圖3所示為中空粒子的制備流程，中空貝殼狀粒子的制備方法與其類似。以THF-DMF混合溶劑（體積比5/5或3/7）分別溶解P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物和PS均聚物，質(zhì)量濃度均為0.2 g/L。取P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物和PS均聚物溶液各1 mL置于玻璃瓶中，充分混勻。在磁力攪拌下，用注射泵將0.6 mL超純水加入到上述溶液中，滴加速率為0.03 mL/min。滴加結(jié)束后，在磁力攪拌下，穩(wěn)定30 min。最后用純水透析，得到表面帶條紋的球狀聚集體（螺線球和經(jīng)線球）的水溶液（約3 mL）。實(shí)驗(yàn)溫度均為40 ℃。

圖 3 中空柱狀粒子的制備流程示意圖Fig. 3 Schematic illustration for the preparation of hollow disk-like particles

取上述組裝體水溶液1 mL加入石英管中，置于紫外燈下照射1 h，使肉桂醇基團(tuán)上的C=C雙鍵發(fā)生環(huán)加成反應(yīng)，將外殼條帶交聯(lián)固定。然后，取0.5 mL交聯(lián)后的聚集體水溶液，加入5 mL THF，并攪拌1 h，去除PS均聚物內(nèi)核。最后，用純水透析得到表面具有納米條帶的中空柱狀和中空貝殼狀粒子水溶液。

對(duì)所制備的中空柱狀粒子，以PS均聚物為客體分子，研究其填充性能。將未經(jīng)純水透析過(guò)的中空柱狀粒子溶液1 mL與1 mL PS均聚物THF溶液（質(zhì)量濃度為1 g/L）共混，并攪拌4 h。然后用注射泵將0.4 mL超純水滴加到上述溶液中，滴加速率為0.002 mL/min。最后以純水透析得到粒子的水分散液。

2 結(jié)果與討論

2.1 螺線球狀聚集體的形貌研究

PBLG-b-PEG嵌段共聚物與PS均聚物可以自組裝形成核殼型粒子，疏水的PS均聚物構(gòu)成球形內(nèi)核，PBLG-b-PEG嵌段共聚物在PS球表面自組裝形成納米有序條帶，親水的PEG起到了穩(wěn)定粒子在水中分散的作用[22]。通過(guò)改變初始溶劑中THF和DMF的體積比，調(diào)控組裝體表面納米圖案的形貌。當(dāng)初始溶劑V（THF）∶V（DMF）=5∶5時(shí)，PBLG-b-PEG嵌段共聚物與PS均聚物共混自組裝得到螺線球，此螺線球中間纏繞著PBLGb-PEG嵌段共聚物形成的螺線，兩極較為光滑（圖4（a））。增加初始溶劑體系中DMF的含量，當(dāng)V（THF）∶V（DMF）=3∶7時(shí)，PBLG-b-PEG/PS共混自組裝形成經(jīng)線球（圖4（b））。肉桂醇改性對(duì)共聚物自組裝行為沒有明顯影響，如圖4（c，d）所示，在相同的制備條件下，P(BLG/CLG)-b-PEG與PS共混自組裝形成了螺線球和經(jīng)線球。

圖 4 （a, b）PBLG-b-PEG/PS和（c, d）P(BLG/CLG)-b-PEG/PS自組裝聚集體的SEM圖Fig. 4 SEM images of aggregates formed by self-assembly of (a, b) PBLG-b-PEG/PS and (c, d) P(BLG/CLG)-b-PEG/PS

2.2 中空柱狀粒子的形貌研究

將所得螺線球和經(jīng)線球用紫外光照射固定外殼的納米條帶，得到外殼被固定住的螺線球（圖5（a））和經(jīng)線球（圖5（b））。樣品交聯(lián)前后形貌沒有明顯變化。向交聯(lián)的螺線球和經(jīng)線球水溶液中加入THF，溶解PS均聚物內(nèi)核，分別得到表面具有螺線的中空柱狀粒子（圖5（c））和中空貝殼狀粒子（圖5（e））。它們的TEM形貌如圖5（d，f）所示，兩者均由多根納米條帶組成。

中空柱狀粒子的AFM形貌表征如圖6所示。由圖6（a）可以明顯看出中空柱狀粒子是一種3D結(jié)構(gòu)，圖6（b）的高度數(shù)據(jù)表明中空柱狀粒子的高度大約為100 nm。結(jié)合TEM、SEM和AFM表征結(jié)果，明確了中空柱狀粒子和中空貝殼狀粒子是由聚肽共聚物納米纖維組成的，這些粒子很好地保持了3D結(jié)構(gòu)。

圖 5 交聯(lián)后P(BLG/CLG)-b-PEG/PS組裝體（a）螺線球和（b）經(jīng)線球的 SEM 形貌圖；中空柱狀粒子的（c）SEM圖和（d）TEM圖；中空貝殼狀粒子的（e）SEM圖和（f）TEM圖Fig. 5 SEM images of (a) spiral spheres and (b) meridian spheres of aggregates formed by self-assembly of P(BLG/CLG)-b-PEG/PS after UVirradiation; (c) SEM and (d) TEM images of hollow disk-like particles; (e) SEM and (f) TEM images of hollow conchoidal particles

圖 6 中空柱狀粒子的（a）AFM圖和（b）AFM截面分析圖Fig. 6 (a) AFM image and (b) AFM cross-section analysis of hollow disk-like particles

2.3 中空柱狀粒子的穩(wěn)定性研究

對(duì)螺線球在THF-H2O（體積比10∶1）溶液中的形貌隨時(shí)間的變化進(jìn)行表征，結(jié)果見圖7。如圖7 （a）所示，當(dāng)溶解時(shí)間t=5 min時(shí)，螺線球中的PS內(nèi)核基本被THF溶解掉，得到中空柱狀粒子；隨著溶解時(shí)間的增加，柱狀粒子的形貌基本不變。圖7 （b）是溶解時(shí)間t=60 min時(shí)得到的粒子形貌，可以看出粒子的形貌沒有明顯變化。這一結(jié)果說(shuō)明PS均聚物內(nèi)核在短時(shí)間內(nèi)就可以被THF溶解，而由P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物形成的螺線外殼，在紫外交聯(lián)后結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，不能被THF溶解。

2.4 中空柱狀粒子的填充性能研究

圖8 （a）為中空柱狀粒子填充PS均聚物后的SEM圖。由圖可以看出，中空柱狀粒子內(nèi)部被PS均聚物填充，形成實(shí)心柱狀粒子。向中空柱狀粒子與PS均聚物的THF溶液中加水，導(dǎo)致溶劑對(duì)聚肽鏈段和PS均聚物的溶劑化程度下降，在聚肽鏈段和PS鏈段之間的疏水作用以及聚肽鏈段上的苯環(huán)與PS均聚物的苯環(huán)之間的π-π作用的驅(qū)動(dòng)下，PS均聚物進(jìn)入到中空柱狀粒子內(nèi)部，最終把中空柱狀粒子的空腔填滿，形成實(shí)心柱狀粒子。親水PEG鏈段使這些實(shí)心柱狀粒子穩(wěn)定地分散在水中。

圖 7 中空柱狀粒子的SEM圖Fig. 7 SEM images of hollow disk-like particles

圖 8 實(shí)心柱狀粒子的（a）SEM圖和（b）示意圖Fig. 8 (a) SEM image and (b) schematic diagram of solid disk-like particles

3 結(jié) 論

（1）對(duì)PBLG-b-PEG嵌段共聚物進(jìn)行改性，接枝肉桂醇后得到P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物，其與PS均聚物共混自組裝得到螺線球和經(jīng)線球粒子。

（2）將P(BLG/CLG)鏈段以紫外光照射交聯(lián)，并用有機(jī)溶劑溶解去除PS內(nèi)核，得到表面具有條帶的中空柱狀粒子和中空貝殼狀粒子，中空柱狀粒子內(nèi)部可以被疏水均聚物填充形成實(shí)心柱狀粒子。