双疏水嵌段共聚物PBMA－b－PMA在水－THF混合溶剂中的自组装

杨振兴，王智超，刘欢，侯华，魏忠

（石河子大学化学化工学院／新疆兵团化工绿色过程重点实验室，石河子832003）

嵌段共聚物具有独特的链段结构，由于其能够在选择性溶剂中自组装构筑不同形态的纳米结构而受到广泛的关注［1］，利用这一特殊性能，嵌段共聚物可用作稳定剂、乳化剂、分散剂等，且在药物缓释、组织工程、纳米微粒及微反应器等领域也有潜在的应用前景［2－4］．随着嵌段共聚物结构、分子量、嵌段长度和比例、溶剂体系的不同，自组装形成的纳米结构也不同，典型的有球状、棒状胶束、囊泡等［5－8］。

目前，对于嵌段共聚物自组装的研究主要集中在两亲性嵌段共聚物在含水体系中的自组装，对于双亲水和双疏水型嵌段共聚物自组装行为的研究则很少。Hoogenboom［9］等研究了双疏水的聚苯乙烯－聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物（PS－b－PMMA）在水－乙醇溶剂中的自组装行为，并证明了其温度响应性。

本文选择具有类似结构和化学性质的甲基丙烯酸丁酯和丙烯酸甲酯为单体，通过ATRP方法制备双疏水嵌段共聚物PBMA－b－PMA，并利用激光粒度仪和透射电镜研究其在水－THF混合溶剂中的自组装行为。

1 实验部分

1．1 试剂和药品

甲基丙烯酸丁酯（BMA）、丙烯酸甲酯（MA），天津市福晨化学试剂厂，分析纯，用质量分数为5%的NaOH水溶液洗涤3次后用去离子水洗至中性，用CaH2浸泡2d，减压蒸馏；2，2′－联吡啶（BPy），天津市光复精细化工研究所，分析纯；2－溴异丁酸乙酯（EBiB），上海精纯试剂有限公司，分析纯；氯化亚铜，自制；其它所用试剂均为分析纯并经过严格处理。

1．2 嵌段共聚物的制备

在反应管中加入一定量的催化剂CuCl和络合剂BPy，待反应至黑色，加入引发剂EBiB，单体BMA和溶剂甲苯，引发剂∶催化剂∶络合剂＝1∶1∶3。液氮冷冻－抽真空－解冻－充氩气，重复操作3次，封管后80℃反应24h。反应产物经柱层析除去催化剂等杂质，浓缩后在V甲醇∶V水＝1∶1体系下沉淀，洗涤，于40℃真空干燥至恒重制得大分子引发剂PBMA－Br．以同样的方法将催化剂CuCl，络合剂BPy，大分子引发剂PBMA－Br，单体 MA，溶剂丙酮依次加入反应管中，引发ATRP聚合，制备嵌段共聚物PBMA－b－PMA。

1．3 嵌段共聚物在水－THF混合溶剂中的自组装

称取定量的嵌段共聚物溶于THF中，配成一定浓度的聚合物溶液，然后在搅拌下缓慢滴加水至设计比例，将配制的溶液用450nm滤膜过滤，室温下超声15min后进行粒径分析。

1．4 表征

聚合物分子量及其分布用Waters 2695型凝胶渗透色谱仪（GPC）测定，THF为流动相，柱温40℃，流速1mL／min，单分散聚苯乙烯为标样，Styragel HT色谱柱；核磁共振氢谱（1H NMR）用Varian UNITY plus 400－MHz NMR谱仪测定，CDC13为溶剂；胶束粒径用Microtrac 3500型激光粒度分布仪测定，流动相与自组装混合溶剂体系相同；透射电镜（TEM）用Hitachi H－600测试。

2 结果与分析

2．1 嵌段共聚物PBMA－b－PMA的表征

一系列不同聚合度、不同嵌段比例的嵌段共聚物PBMA－b－PMA被制备用于自组装实验，其GPC数据见表1，嵌段共聚物I的核磁图谱见图1。

表1 嵌段共聚物PBMA－b－PMATab．1Series of PBMA－b－PMA copolymers

图1 嵌段共聚物I核磁图谱Fig．11H NMR spectrum of block copolymer I

2．2 溶剂THF／H2O比例对嵌段共聚物自组装的影响

选择嵌段共聚物I，室温下在不同比例的水－THF混合溶剂中进行自组装，共聚物浓度为200 mg／L，其粒径分析结果见表2。

表2 不同混合溶剂比例下嵌段共聚物自组装胶束粒径Tab．2Different proportion of THF／H2O and the diameters of block copolymer self－assembled micelles

由表2可知：随着混合溶剂中良溶剂（THF）比例的增大，胶束粒径逐渐减小；室温下当THF与H2O比例为6∶1到8∶1时，嵌段共聚物可以进行自组装形成纳米级胶束。自组装胶束TEM照片见图2。

由于胶束属于软物质形态，当溶剂比例为4∶1和5∶1时，嵌段共聚物通过滤膜后重新聚集，其测得粒径大于450nm。

从图2可见：当THF与H2O比例为6∶1时，可以得到稳定的具有明显核壳结构的自组装胶束，粒径在180nm左右，水－THF混合溶剂体系中溶解性较差的PBMA嵌段形成胶束的核，溶解性较好的PMA嵌段形成溶剂化壳层。

鉴于共聚物两嵌段近似的结构、溶解性及其低的玻璃化转变温度（Tg），当THF与H2O比例为8∶1时，虽然其粒径在100nm以下，自组装胶束呈现溶解和聚集的趋势。TEM观察的是干态胶束而激光粒度仪测定的是胶束在溶液中的流体力学直径，故TEM图中胶束的粒径略小于激光粒度仪测定的结果。

图2 自组装胶束TEM图THF／H2O体积比为6∶1（a）和8∶1（b）Fig．2TEM images of the self－assembled micelles with the ratio of THF to H2O 6∶1（a）and 8∶1（b）

2．3 嵌段共聚物浓度对自组装的影响

选择嵌段共聚物I，在THF∶H2O＝8∶1混合溶剂中进行自组装，考察嵌段共聚物不同浓度对其自组装的影响，结果见表3。

由表3可知：嵌段共聚物浓度在50～400mg／L范围内，自组装胶束粒径差别很小，未因共聚物浓度增大出现聚集现象，嵌段共聚物浓度在一定范围内对自组装影响不大。

表3 不同嵌段共聚物浓度下自组装胶束粒径Tab．3Different Con．of block copolymer and the diameters of self－assembed micelles

2．4 嵌段共聚物嵌段比例不同对自组装的影响

选择不同嵌段比例的PBMA－b－PMA，在不同比例水－THF混合溶剂中进行自组装，嵌段共聚物浓度为200mg／L，结果见表4。

从表4可知：尽管嵌段共聚物分子量有所差异，但随着嵌段比例的变化，其在水－THF混合溶剂中的自组装表现出一定的规律性，即随着亲水链段（PMA）比例的增加，嵌段共聚物亲水性增强，自组装体系所需水的比例也相应增大。

表4 不同嵌段比例下自组装胶束粒径（nm）Tab．4Different copolymer block ratios and the diameters of self－assembled micelles

2．5 加入均聚物PBMA对自组装的影响

为考察加入胶束核部分均聚物PBMA对自组装的影响，选择PBMA嵌段较短的嵌段共聚物IV，浓度200mg／L，在溶剂比例THF∶H2O＝5∶1条件下，加入不同浓度的分子量为7766的PBMA均聚物，其自组装胶束粒径结果见表5。

由表5可知：可以通过加入均聚物PBMA调控自组装胶束粒径的大小，加入的PBMA与PBMA嵌段之间发生相互作用使得均聚物PBMA进入到胶束的核中，得到单分散的胶束，随着均聚物PBMA加入量的增大，自组装胶束粒径随之增大；但当加入均聚物量达到120mg／L时，其不能完全进入胶束内部，自身发生聚集形成微米级的聚集体。

表5 添加不同浓度均聚物PBMA下自组装胶束粒径Tab．5Addition ddition of different Con．of PBMA and the diameters of self－assembled micelles

3 结论

本研究通过ATRP法合成了双疏水嵌段共聚物PBMA－b－PMA，并探索了其在混合溶剂水－THF体系中的自组装行为。

1）在一定嵌段比例和选择性溶剂条件下，可以自组装得到180nm左右稳定的核壳胶束，随着溶剂体系中良溶剂THF比例的增加，自组装胶束粒径减小，且出现相互溶解的趋势。

2）加入胶束核部分均聚物PBMA可在一定范围内调节胶束粒径的大小。

3）考虑到自组装混合溶剂体系的环境友好性，水－乙醇体系是一个潜在的选择，但初步探索表明，PBMA－b－PMA不能在该体系中自组装，这可能是嵌段共聚物两嵌段都能与极性乙醇分子形成较强的氢键相互作用造成的。

［1］Nakashima K，Bahadur P．Aggregation of water－soluble block copolymers in aqueous solutions：recent trends［J］．Adv Colloid Interface Sci，2006，123－126：75－96．

［2］ Wang Y S，Wang Y M，Li R S，et al．Chitosan－based self－assembled nanomicelles as a novel carrier for paclitaxel［J］．Chem J Chinese U，2008，29（5）：1065－1069．

［3］Klouda L and Mikos A G．Thermoresponsive hydrogels in biomedical applications［J］．Eur J Pharm Biopharm，2008，68（1）：34－45．

［4］He C L，Kim S W，Lee D S．In situ gelling stimuli－sensitive block copolymer hydrogels for drug delivery［L］．J Controlled Release，2008，127（3）：189－207．

［5］Hamley I W．The Physics of Block Copolymers［M］．London：Oxford University Press，1998．

［6］Gohy J F．Block copolymer micelles［J］．Adv Polym Sci，2005，190：65－136．

［7］He Y Y，Li Z B，Simone P，et al．Self－assembly of block copolymer micelles in an ionic liquid［J］．J Am Chem Soc，2006，128（8）：2745－2750．

［8］Hoogenboom R，Thijs HML，Wouters D，et al．Solvent responsive micelles based on block and gradient copoly′2－oxazoline′s［J］．Macromolecules，2008，41（5）：1581－1583．

［9］Hoogenboom R，Rogers S，Can A，et al．Self－assembly of double hydrophobic block copolymers in water－ethanol mixtures：From micelles to thermoresponsive micellar gels［J］．Chem Commun，2009，45（37）：5582－5584．