王利民，張勇，王興蔚，侯春平，孫永林，賀超

（寧夏共享新能源材料有限公司，寧夏銀川750021）

核殼冠型嵌段共聚物膠束的研究進(jìn)展

王利民，張勇，王興蔚，侯春平，孫永林，賀超

（寧夏共享新能源材料有限公司，寧夏銀川750021）

介紹了核殼嵌段共聚物膠束的基本概念和特點(diǎn)，描述了該材料在溶劑中的憎水機(jī)理和形成過程。針對當(dāng)前研究工作所面臨的問題進(jìn)行簡要分析，并對其在生物和醫(yī)藥等領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展作出展望。

核殼冠型；嵌段共聚物；膠束

在以大分子為組裝單元的超分子化學(xué)領(lǐng)域，嵌段共聚物溶液的膠束化和本體相分離的研究最為深入[1]。自二十世紀(jì)七八十年代以來，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了嵌段共聚物微相分離的基本特征，有關(guān)嵌段共聚物自組裝的研究進(jìn)展尤為引人注目[2]。McGill大學(xué)的Adi-Eisenberg教授發(fā)現(xiàn)了具有erew-cut結(jié)構(gòu)特征的膠束。在選擇性溶劑中，這種非對稱的嵌段共聚物能夠形成具有形態(tài)多樣、可以相互轉(zhuǎn)化、依賴環(huán)境及可控性特點(diǎn)的膠束，極大地豐富和發(fā)展了嵌段共聚物膠束化的研究內(nèi)容；另一方面，關(guān)于實(shí)現(xiàn)嵌段共聚物自組裝工藝及兩親性嵌段共聚物膠束功能化的研究不斷深入。核殼冠型嵌段共聚物膠束則是基于具有兩親性結(jié)構(gòu)特征的高聚物發(fā)展而來的一種新型粒子形式。目前，其已經(jīng)成為國內(nèi)外有關(guān)超分子材料、形狀記憶合金以及表面科學(xué)、自組裝加工等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3-4]。

1 嵌段共聚物膠束

1.1 嵌段共聚物膠束的制備方法

目前，制備嵌段共聚物膠束主要有直接溶解法和選擇性溶劑加入法。

直接溶解法是指在加熱、攪拌或超聲的條件下，將具有兩親性的嵌段共聚物溶于選擇性溶劑，或在選擇性溶劑與共溶劑的混合溶液中制備膠束。該方法僅適用于制備分子量較低或憎水鏈段較短的嵌段共聚物膠束。使用此方法制備膠束，應(yīng)使嵌段共聚物的憎水鏈段在相應(yīng)選擇性溶劑中具有較好的溶脹性。

選擇性溶劑加入法，是以嵌段共聚物在非選擇性有機(jī)溶劑中形成單分子鏈結(jié)構(gòu)為前提，將純水作為選擇性溶劑加入到上述混合溶劑中，形成核殼結(jié)構(gòu)的膠束。采用透析或蒸發(fā)的方法除去非選擇性溶劑，得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的膠束溶液。此種方法更常見于制備嵌段共聚物膠束過程。尤其是在生物、醫(yī)藥等應(yīng)用領(lǐng)域，常用來制備具有靶向作用或控制藥物釋放的功能性嵌段共聚物膠束的制備[5-6]。相比較,選擇性溶劑加入法適用于制備大分子量或憎水鏈段較長的嵌段共聚物膠束，在制備膠束過程中能夠防止生成尺寸較大的團(tuán)聚體，與直接溶解法具有完全不同的特征。

值得注意的是，嵌段共聚物的膠束化過程及聚集態(tài)行為受熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)較為明顯。但在膠束體系運(yùn)動(dòng)過程中，緩慢的鏈運(yùn)動(dòng)會(huì)阻礙膠束的熱力學(xué)平衡。在膠束化過程中，制備方法往往會(huì)影響膠束體系的熱力學(xué)平衡過程，從而改變膠束結(jié)構(gòu)。通常情況下，為了很好地描述嵌段共聚物及所具有的膠束化特性，還是會(huì)把某些非平衡狀態(tài)下制備的具有典型特征的聚集體稱之為膠束。

1.2 嵌段共聚物的臨界膠束濃度

在一定的溫度下，當(dāng)兩親性嵌段共聚物溶于選擇性溶劑時(shí)，也會(huì)像低分子量表面活性劑一樣自發(fā)形成膠束。在膠束形成過程中，會(huì)逐步達(dá)到臨界膠束濃度。隨著共聚物分子鏈的增加，形成的膠束數(shù)量越來越多，而非締合分子鏈（單體）的濃度則繼續(xù)保持不變，始終維持在臨界膠束濃度這一數(shù)值。這種理想的情況僅存在于熱力學(xué)平衡的理論體系中。臨界膠束濃度的數(shù)值主要取決于實(shí)驗(yàn)過程及對應(yīng)的測量方法。

1.3 嵌段共聚物膠束的形態(tài)及控制因素

迄今為止，科研工作者已經(jīng)成功制備出球形、棒狀、囊泡狀、空心、管狀、纖維狀等各種形態(tài)的兩親性嵌段共聚物膠束[7-9]。在自組裝領(lǐng)域，由于豐富多彩的膠束形態(tài)，使得以嵌段共聚物為代表的超分子物質(zhì)越來越受到青睞。

在整個(gè)體系達(dá)到平衡態(tài)的過程中，溶液及膠體粒子的吉布斯自由能來自于兩方面，包括憎水鏈周圍水分子的熵變和不同嵌段連接點(diǎn)固定于聚集體界面處的熵變。研究表明，有三種作用力會(huì)對膠束的形態(tài)產(chǎn)生影響，它們分別為：成核鏈段的伸展程度、膠束聚集體核殼之間的表面能強(qiáng)弱以及成殼鏈段之間排斥作用的大小。通過相互調(diào)控三種作用力，均可以起到改變膠束形態(tài)的效果。目前，科研工作者發(fā)現(xiàn)諸多可以影響這三種作用力的實(shí)驗(yàn)因素，從而為實(shí)現(xiàn)調(diào)控膠束形態(tài)，包括改變嵌段共聚物的鏈段長度，調(diào)整聚合物濃度，選擇合適的溶劑及組成，控制添加劑用量，調(diào)節(jié)溫度等方法奠定基礎(chǔ)。

2 核殼冠型嵌段共聚物膠束

2.1 核殼冠型嵌段共聚物膠束的概念

目前，關(guān)于兩親性嵌段共聚物在選擇性溶劑中形成的核殼結(jié)構(gòu)的納米膠束，在生物、醫(yī)藥涉及控制藥物性運(yùn)輸及釋放、光電磁等活性物質(zhì)負(fù)載，納米材料制備，超分子結(jié)構(gòu)控制和形狀記憶合金等諸多領(lǐng)域已顯示出良好的應(yīng)用前景。作為一種新型膠束，多隔段膠束從一出現(xiàn)就受到廣泛的關(guān)注。這種膠束是由水溶性殼和具有隔段結(jié)構(gòu)的憎水核組成。由于具有特殊的結(jié)構(gòu)，能夠作為微容器在內(nèi)部被分離的納米隔段同時(shí)裝載兩種或兩種以上互不相容的物質(zhì)。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和制備出具有不同結(jié)構(gòu)和形貌的多隔段膠束。

近十幾年來，隨著有機(jī)高分子技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)能夠成功制備出ABC三嵌段共聚物[10-11]。這種多嵌段兩親共聚物在選擇性溶劑中的自組裝行為也越來越受到重視。自嵌段共聚物及自組裝行為在選擇性溶劑中形成核冠狀膠束的情況被報(bào)道以來，這種具有三層結(jié)構(gòu)的超分子結(jié)構(gòu)的膠束在生物醫(yī)藥、催化化學(xué)、納米材料制備以及表面修飾改性等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。最近，還出現(xiàn)了關(guān)于對溫度和pH值較為敏感的核殼冠狀膠束的相關(guān)報(bào)道[12]。這些研究能夠推動(dòng)多隔段膠束更深層次研究，為核殼冠狀膠束的功能化及應(yīng)用提供平臺(tái)。

盡管核殼冠狀膠束具有能夠同時(shí)裝載兩種或兩種以上物質(zhì)的特性，這種雙隔段膠束在金屬/半導(dǎo)體納米粒子、有機(jī)光電納米材料和生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。盡管利用嵌段共聚物制備核殼冠型膠束的自組裝技術(shù)已經(jīng)有許多文獻(xiàn)報(bào)道，但考慮到需要與某些功能材料結(jié)合，環(huán)境（pH值、離子強(qiáng)度等）對自組裝過程的影響，要通過化學(xué)交聯(lián)（核殼交聯(lián)和殼冠交聯(lián)）改善膠束的穩(wěn)定性，以及嵌段共聚物中發(fā)生自組裝等行為。

2.2 核殼冠型嵌段共聚物膠束增溶二元憎水粒子的演化過程研究

科研工作者通過采用耗散粒子動(dòng)力學(xué)的方法，對二元憎水粒子與ABC線形嵌段共聚物形成的核殼冠狀膠束以及自組裝行為進(jìn)行了研究[13]。詳細(xì)地討論了各種條件下的作用力對粒子分布和裝載量的影響。

核殼冠狀膠束內(nèi)部被分離出的兩個(gè)憎水隔段區(qū)域能夠選擇性地同時(shí)裝載兩種不同的憎水粒子，且能夠通過適當(dāng)?shù)姆绞秸{(diào)節(jié)粒子的分布。

在憎水基作用較弱時(shí)，影響粒子分布的主要因素是粒子與具有相分離特性的鏈段之間的作用力。由于兩結(jié)構(gòu)之間存在較弱的相互作用力，使得粒子裝載量主要受相容嵌段體積含量的影響。在憎水基作用較強(qiáng)時(shí)，這兩類作用力都對分布有大的影響，粒子裝載量受兩結(jié)構(gòu)之間的作用力及嵌段組成的影響均較小。

在核殼冠狀膠束結(jié)構(gòu)中，相對于分布在殼中的粒子，核心中的粒子更容易受各種作用力的影響。當(dāng)進(jìn)入核中的粒子達(dá)到特定數(shù)量時(shí)，核殼冠狀膠束會(huì)發(fā)生由增溶膠束到微乳液狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

2.3 核殼冠裝嵌段共聚物膠束制備方法

2.3.1 ABC型三嵌段共聚物自組裝形成核-殼-冠膠束

在選擇性溶劑中，ABC型三嵌段共聚物通過自組裝的方法形成核-殼-冠膠束特定條件下，在含有鏈段A或在嵌段A和B的選擇性溶劑中，ABC型三嵌段共聚物可以自組裝形成以A鏈段為核、B鏈段為殼、C鏈段為冠的核-殼-冠型膠束。Liu等發(fā)現(xiàn)，在以四氫呋喃/甲醇混合溶劑為選擇性溶劑的聚丙烯酸叔丁酯溶液中，聚異戊二烯-b-聚甲基丙烯酸肉桂酰乙基酯-b-聚丙烯酸叔丁酯（PI-b-PCEMA-b-PtBA）能夠自組裝成以聚異戊二烯為核、聚甲基丙烯酸肉桂酰乙基酯為殼、聚丙烯酸叔丁酯為冠的核-殼-冠型膠束。在光輻射的條件下，該膠束殼部分的聚甲基丙烯酸肉桂酰乙基酯鏈段可以發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成殼交聯(lián)的核-殼-冠膠束。在O3的作用下，形成核結(jié)構(gòu)的聚異戊二烯因發(fā)生降解而形成空心納米球。圖1為PI-b-PCEMA-b-PtBA自組裝形成核-殼-冠型膠束的演化示意圖。

2.3.2 核-殼膠束與高分子復(fù)合形成核-殼-冠型膠束

雖然通過ABC型三嵌段共聚物在選擇性溶劑中自組裝是制備核-殼-冠型膠束行之有效的方法，但大多數(shù)ABC型三嵌段共聚物的膠束化過程卻存在諸多困難，成為限制其繼續(xù)深入研究的障礙。最近，由核-殼膠束與高分子復(fù)合形成核-殼-冠型膠束的研究也在逐步展開。相比于采用ABC型三嵌段共聚物自組裝的方法，這種復(fù)合技術(shù)克服了大多數(shù)ABC型三嵌段共聚物膠束化過程中的問題。

圖1 P 1-b-PCEMA-b-PtBA核-殼-冠膠束在光輻射下形成殼交聯(lián)的核-殼-冠膠束再經(jīng)O3氧化降解形成空心球的示意圖

張望清利用聚苯乙烯-b-聚丙烯酸（PS-b-PAA）的方法，在乙醇溶液中自組裝形成了核-殼-冠型膠束[14]。其中，PS鏈段形成膠束的核結(jié)構(gòu)，二元PAA/P4VP鏈段形成殼結(jié)構(gòu)，可溶性PEG鏈段形成膠束的冠結(jié)構(gòu)。在該核-殼-冠膠束結(jié)構(gòu)中，可以通過改變P4VP鏈段的加入量，以及調(diào)整PEG的鏈段長度控制殼層和冠層的厚度，并用光散射方法精確地表征核-殼-冠膠束的結(jié)構(gòu)。圖2是PS-b-PAA核-殼膠束和不同尺寸的核-殼-冠膠束的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 PS-b-PAA核-殼膠束和在PS-b-PAA與不同嵌段長度的PEG-b-P 4VP復(fù)合形成的不同尺寸的核-殼-冠膠束的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.3 共沉淀法形成核-殼-冠膠束

Tailing RM等發(fā)現(xiàn)，在酸性水溶液中，PS-b-P2VP可以自組裝形成核-殼膠束[15-16]。主要形成過程為：將溶于酸性水溶液的P2VP-b-PEO嵌段聚合物加入到PS-b-P2VP的核-殼膠束溶液中，調(diào)節(jié)pH值大于10。這時(shí)形成核-殼膠束P2VP鏈段和嵌段共聚物P2VP-b-PEO的P2VP鏈段結(jié)構(gòu)，能夠附著在PS-b-P2VP核-殼膠束殼層上，并形成新殼?？扇苄缘腜EO鏈段則形成膠束的冠層。圖3是共沉淀法形成核-殼-冠膠束的示意圖。

3 結(jié)論與展望

嵌段共聚物在溶液中的自組裝行為是納米科學(xué)、高分子科學(xué)以及生物科學(xué)等領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究對象。在過去十幾年里，科學(xué)家們開展了大量而深入的基礎(chǔ)研究。主要包括多種嵌段共聚物的合成，不同形態(tài)嵌段共聚物膠束的合成與功能化，以及膠束形成過程涉及到的有機(jī)共價(jià)交聯(lián)等。從近年來發(fā)表的關(guān)于核殼冠型嵌段共聚物膠束的應(yīng)用研究的文獻(xiàn)來看，核-殼-冠型嵌段共聚物膠束的功能化及應(yīng)用研究越來越受到重視。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，利用嵌段共聚物膠束的自組裝形成特定納米結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行微觀設(shè)計(jì)，使藥物具有靶向性已經(jīng)成為重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。通過引入膠束化作用，使得藥物傳遞具有緩釋、拉釋、保護(hù)藥物、提高療效和降低毒副作用等優(yōu)越性，因而能夠被廣泛應(yīng)用于重大疾?。ㄈ绨┌Y）的診斷和治療，在滿足抗癌藥物的釋放和運(yùn)輸過程中起著重要作用。

圖3 核-殼型PS-b-P2VP膠束和P2VP-b-PEO共沉淀形成核-殼-冠膠束的示意圖

作為具有相容性的生物載體，核-殼-冠型嵌段共聚物膠束在水溶液中及含酸含堿性生理環(huán)境下的穩(wěn)態(tài)問題自始便成為關(guān)注的焦點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，采用交聯(lián)的方法能夠很好地提高膠束行為的穩(wěn)定性。目前，大部分嵌段共聚物膠束仍采用共價(jià)交聯(lián)的方法。通過將含有功能性的活性分子交聯(lián)劑與共聚物各鏈段復(fù)合，可最大限度延長膠束的穩(wěn)定化時(shí)間。但這些交聯(lián)劑往往具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、有毒副作用等特點(diǎn)。近年來，科研工作者已通過無機(jī)合成陸續(xù)開發(fā)出新型交聯(lián)劑和相關(guān)工藝技術(shù)，但均處于初期階段。如何尋找具有可溶性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、活化效果顯著、環(huán)保的交聯(lián)劑成為未來工作的重點(diǎn)，也是新型交聯(lián)技術(shù)發(fā)展的方向。

除了在生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用外，由于核-殼-冠型嵌段納米材料共聚物膠束具有自組裝行為及功能化特征，還可以采用分子量較大的嵌段共聚物作為制備大孔徑介孔材料的模板劑。這些模板可以自組裝形成豐富的有序微孔，并擁有不同的幾何形態(tài)和晶體/準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)，以及較為寬泛的尺寸選擇性，能夠被應(yīng)用在金屬/半導(dǎo)體粒子、有機(jī)光電等其它功能納米材料，模板刻蝕和信息材料等領(lǐng)域。

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Research Progress of Core-shell-corona Block Co-polymer Micelle

WANG Li-min，ZHANG Yong，WANG Xing-wei，HOU Chun-ping，SUN Yong-lin，HE Chao
（Kocel New Energy Material Limited，Yinchuan 750021，China）

In order to describe the mechanization to formation and hydrophobic activities in heterogeneous，element concepts and elementary characteristics were introduced on core-shell block co-polymer micelle.The problems were analyzed in brief when meeting such situation，and prospects for the future development/direction in biochemical and medical area were presented at the end.

core-shell-crown；block co-polymer；micelle

10.3969/j.issn.1008-553X.2016.01.002

TQ316.6+1

A

1008-553X（2016）01-0015-04

2015-10-09

寧夏自然科學(xué)基金（NZ14262）

王利民（1965-），男，畢業(yè)于甘肅工業(yè)大學(xué)，高級(jí)工程師，主要從事電氣工程項(xiàng)目管理和新能源電池材料電解液的開發(fā)及應(yīng)用工作，

13995196517，limin.wang@kocel.com；通訊聯(lián)系人：侯春平（1976-），男，現(xiàn)就讀于西北工業(yè)大學(xué)，在讀博士，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，工程師，主要從事新能源鋰離子電池和電解液的應(yīng)用及推廣工作，18609515954，hcp400@163.com。