刺激响应性刚柔嵌段共聚物的自组装

张金龙 张洁 宛新华

(北京大学化学与分子工程学院 北京100871)

分子自组装就是分子与分子在平衡条件下，依赖分子间非共价键力(氢键、静电作用、疏水作用、π-π相互作用、范德华力)自发组合形成一类结构明确、性能稳定的分子聚集体的过程［1］。刚柔嵌段共聚物是由柔性的聚合物和刚性的聚合物以共价键相连而组成。由于两种链段在各种环境条件下的不相容性，比如在选择性溶剂中各自的溶解度不同，驱动嵌段聚合物发生相分离，疏溶剂链段自发聚集成超分子组装体(图1)。刚性链段有着刚性的棒状结构，其各向异性使其容易形成有序取向排列，这就使得刚柔嵌段共聚物的自组装行为比柔柔嵌段共聚物更加复杂，不仅能形成球形或棒状的胶束和囊泡，而且还能形成一些特殊形状(例如螺旋状［2-3］、带状［4］、环状［5-6］、管状［7］)的超分子结构。此外，刚性分子本身具有优异的生物活性、液晶性、光电活性等性质，并可将这些功能特性赋予到超分子组装体中，为实现超分子材料应用提供了可能。

图1 刚柔嵌段聚合物组装体内的分子排列图

刺激响应型刚柔嵌段共聚物是一种功能聚合物，其在溶液中进行自组装，常会对外界的刺激(如pH、光、温度、化学添加剂等)产生一定的响应性;刚性嵌段或者柔性嵌段的改变都会导致组装形成的纳米结构及相应性质的变化，这种特殊的刺激响应性使得该类共聚物在传感器、探测器和光开关方面都具有很好的应用前景。近年来，由于各种可控活性聚合方法的发现和实施，使设计合成各种具有刺激响应性的新型两亲性嵌段共聚物成为高分子合成领域研究的热点之一［8］。

根据刚性链段的类型，我们将这些刚柔嵌段共聚物分为4类，即含有多肽、液晶聚合物、共轭分子和无机粒子的刚柔嵌段共聚物。下面将分别介绍这4类嵌段共聚物的自组装行为及其受到外界刺激时聚集体形态的响应行为。

1 基于刚性多肽链段的两亲性刚柔嵌段共聚物

多肽或蛋白质聚合物的刚柔嵌段共聚物因其生物相容性和生物功能性而得到广泛关注。由于多肽链段上的氨基酸残基具有不同的化学结构，多肽可以利用其肽键间氢键作用以及氨基酸残基之间的氢键作用、静电作用、疏水性作用以及π-π堆积作用等有效实现分子自组装［9］。在两亲性嵌段共聚物中，多肽可以作为亲水组分或者疏水组分，其特殊的结构使其在受到外界的刺激(如pH)时能够在无规线团、α-螺旋、β-折叠3种结构中发生可逆变换［10-11］，这样不仅增强了对其聚合时超分子结构的控制，而且能制备智能生物活性材料。

Lin［12］等研究了在水溶液中对热和pH都敏感的聚(L-谷氨酸)-b-聚环氧丙烷-b-聚(L-谷氨酸)(PLGA-b-PPO-b-PLGA，简写为GPG)三嵌段共聚物的自组装行为。由于常温时PPO在水中是不溶的，因此当PLGA-b-PPO-b-PLGA溶于水时，便会发生自组装。当在较低的pH(pH≈4)时，PLGA嵌段呈螺旋状，共聚物形成囊泡;在pH较高时，其侧基上的羧酸基团带负电荷，由于链间的排斥力使得PLGA链段采取无规线团的构象，共聚物自组装成球形组装体。因此，调控pH可以实现共聚物组装体结构从囊泡到球的可逆转变。另一方面，当pH≈4.7时，以PPO为核的囊泡具有热响应性;由于在较低温度时，PPO在水中是高度水合的［13-17］，聚集体的核便会含有大量的水，利用光散射方法可观测到其囊泡尺寸较大;当温度升高时，水合的PPO量减少，水分子被排除在聚集体之外，导致囊泡尺寸减小。

Mezzenga［18］等研究了三嵌段聚(γ-谷氨酸苄酯)-b-聚二甲基硅氧烷-b-聚(γ-谷氨酸苄酯)(PBLG-b-PDMS-b-PBLG)在甲苯中热响应性的溶胶-凝胶可逆变换过程(图2)。聚(γ-谷氨酸苄酯)是合成的多肽，通过分子内氢键形成α-螺旋，由于其疏溶剂作用驱动三嵌段聚合物自组装形成凝胶。升高温度后，聚(γ-谷氨酸苄酯)在甲苯中的溶解度增大，组装体解离，使得凝胶转变为溶液［19-20］。通过调制动态光散射和扩散波谱等实验手段跟踪转变过程，发现当加热到50℃时，所有的凝胶会经历凝胶-溶胶的变换，当冷却到室温时，又会可逆恢复到原来的凝胶状态。

图2 PBLG-b-PDMS-b-PBLG的化学结构(a)及其在甲苯中热响应的可逆凝胶-溶胶过程(b)

Lecommandoux［21］等描述了聚(L-谷氨酸)-b-聚(L-赖氨酸)(PGA-b-PLys)两性离子型嵌段共聚多肽在不同pH下组装体结构的转变(图3)。当在pH＜4的酸性条件下，聚(L-谷氨酸)呈中性，其二级结构为紧凑的α-螺旋结构，其疏水作用驱动共聚物自组装形成以聚谷氨酸为内层，以聚赖氨酸为囊泡内壳和外壳的结构。在pH＞10时，聚(L-赖氨酸)的—NH+3基团形成中性不溶的—NH2基团，不溶的聚赖氨酸形成囊泡内层，聚谷氨酸则形成囊泡的内壳和外壳。当pH处在中间时(5＜pH＜9)，两个组分都会带上电荷，组装结构就会分解;但由于两性离子嵌段聚合物分子内和分子间的静电相互作用，最终会导致溶液出现沉淀，这种沉淀在加入酸或碱甚至在高的盐浓度下又会重新溶解。这种pH响应性的纳米颗粒将会在大分子纳米生物科技(譬如不同敏感性药物的包裹技术)中得到很好的应用。

图3 二嵌段共聚物PGA 15-b-PLys15的化学结构(a)及其聚集体在不同p H范围下的结构示意图(b)

2 含液晶聚合物的两亲性刚柔嵌段共聚物

液晶是结晶态和液态之间的一种形态。液晶态既像液体具有流动性和连续性，其分子又保持着固态晶体特有的规则排列方式，具有光学性质各向异性等晶体特征的物理性质。许多液晶已被证实对外界的刺激具有一定的响应性，在光、电场、机械剪应力等的外界刺激下会发生有序-无序或者有序-有序的可逆液晶相转变。因此，含有液晶高分子链段的刚柔嵌段聚合物在这些刺激源作用下，也可以实现其分子自组装结构的可逆变化。

Zhao［22］等合成了由亲水链段聚丙烯酸(PAA)与侧链含有液晶基元偶氮苯基团的疏水聚甲基丙烯酸甲酯(PAzoMA)组成的两亲性嵌段共聚物PAA-b-PAzoMA，并报道了对该共聚物的有序-无序结构可逆转变过程的光化学控制(图4)。通过将水加入到PAA-b-PAzoMA的二氧六环溶液中，诱导不溶的PAzoMA聚集，形成胶束或囊泡胶束核内偶氮苯液晶基元取向有序排列的液晶微区。当用紫外光照射时，偶氮苯的构型便从反式向顺式转变，破坏了液晶基元的有序排列，并且引起液晶相向各向同性相转变。这种相转变导致PAzoMA核更具流动性，稳定性下降，聚集体容易变形甚至解离。反之，当用可见光照射使偶氮苯可逆恢复到反式构型时，又会还原为原聚集体溶液的状态。

图4 PAA-b-PAzoMA的化学结构(a)及PAA-b-PAzoMA形成的凝聚核-壳胶束和囊泡在经过紫外线和可见光照射后的可逆的形态变化示意图(b)

Li［23］等通过含偶氮苯基团的液晶型嵌段共聚物PEG-b-PMAzo444和柔性嵌段共聚物PEG-b-PBD的共组装，制备了具有光响应性的不对称聚合物囊泡［24］，PEG-b-PMAzo444位于不对称聚合物囊泡的外层，而PEG-b-PBD形成其内层。在没有紫外光的情况下，疏水的液晶链段PMAzo444呈现棒状的结构;当用紫外光照射时，偶氮苯发生反式到顺式的构型转变，这种光异构化作用引起液晶聚合物由向列相转变为各项同性相，从而引起囊泡的外层沿着膜的厚度方向收缩，最终导致囊泡膜的破裂(图5)。

3 基于刚性共轭分子的两亲性刚柔嵌段共聚物

π-共轭的嵌段共聚物的自组装已经被证明是形成具有新颖结构和功能的超分子物质的有效方法。将共轭刚性分子结合到刚柔嵌段共聚物分子中，能够形成在纳米尺度上具有特定结构的共轭区域，而且其在溶液中的自组装也增强了共轭分子的可修饰性。共轭链段之间的π-π作用提供了额外的结构控制因素和功能，使其明显不同于传统的柔性嵌段共聚物。这种嵌段共聚物具有优异的光电活性，这将使其在光伏器件、发光二极管等光电材料上得到很好的应用。

Lee［25］等合成了具有支化的低聚乙二醇醚修饰的芳香大环结构的两亲性嵌段分子。支化低聚乙二醇醚具有热敏性，在常温下溶于水，温度升高破坏了其与水分子间的氢键而变得疏水，因而使得两亲性刚柔嵌段分子所形成的聚集体也具有了热响应性的特征。研究发现芳香大环的分子长度增加，两亲性的共聚物在水中自组装时聚集体结构从球体变化到螺旋线团再到囊泡(图6)。而当加热到50℃时，通过冷冻透射电镜(cryo-TEM)可以发现螺旋线团聚集体转变为伸直的棒状胶束(图6(b));冷却到室温，伸直的棒状嵌段开始发生变形，逐渐弯曲(图6(c));在室温条件下放置3天后，会发现完全恢复到螺旋线团的结构(图6(d))。这种螺旋线团的热响应性使其不同于其他的动态螺旋纤维，它能够发生形态的变化而不会丢失其超分子结构的手性［26-29］，这种带有动态结构变化的螺旋聚集体将会为制备智能纳米材料提供一种新方法。

图5 液晶型嵌段共聚物PEG-b-PMAzo444和柔性嵌段共聚物PEG-b-PBD的化学结构(a)以及用紫外线照射后聚合物囊泡的结构变化图(b)

图6 不同温度下自组装形成的胶束cryo-TEM图

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)刚柔嵌段共聚物对pH刺激的响应性。PDMAEMA嵌段对热和pH都具有敏感性，而且由于氢键的原因，PDMAEMA在弱碱性和中性条件下都是可溶的［31-33］。图7展示了PF7-b-PDMAEMA45在不同pH条件下的结构图。当pH从2升高至7时，可以观察到球形胶束的直径从215nm降到150nm，其主要原因可能是PDMAEMA的质子化程度降低，使胶束壳中带正电的PDMAEMA间的静电排斥作用减弱。然而当pH≈10时，组装体结构变为纤维束结构，此时PDMAEMA嵌段几乎完全去质子化并且发生聚集，因此PDMAEMA嵌段和PF嵌段之间的极性差异引起了PF嵌段之间的π-π相互作用，导致嵌段共聚物形成柱状胶束。所以，PDMAEMA嵌段的质子化和去质子化对于决定组装体的结构起重要作用。

图7 PF7-b-PDMAEMA 45聚集体的AFM显微结构图

4 含无机粒子的杂化嵌段共聚物

无机纳米粒子(例如 C60［34］、碳纳米管［35］、石墨烯［36］、Au 纳米粒子［37-38］、杂多酸盐(POMs)［39-40］、笼形低聚倍半硅氧烷［41］、聚硅烷［42］等)在催化、磁性、光电、生物学领域都是很重要的材料。由这些无机纳米粒子构筑的刚柔共聚物与有机的刚柔嵌段共聚物相比，一方面，无机粒子的刚性使得这类嵌段共聚物在自组装时会引入额外的作用力(例如无机粒子间的静电排斥)，阻碍其自组装进程;另一方面，具有对称结构的多组分纳米颗粒(例如贵金属和半导体纳米棒)又使自组装结构具有一定的方向性。将长链聚合物连接到无机纳米粒子上，既增加了其溶解性，并且可通过外界条件(pH或温度)的变化，调节聚合物的物理和化学性质，从而可拓展这类共聚物在药物运输和人造肌肉、可调控分子开关中的应用。

笼形低聚倍半硅氧烷(POSS)是具有明确结构的最小立方硅纳米颗粒，作为一种重要的纳米构筑单元得到了广泛的关注，常被用来与PEO、PAA和PDMAEMA等亲水的聚合物相结合形成两亲性的分子，对pH和温度刺激具有一定的响应性。Cheng［43］等合成了羧酸改性的笼形低聚硅倍半氧烷(APOSS)，并通过硫醇“点击化学”方法将疏水的PS链连接到亲水的APOSS上［44-47］，得到了两亲性的大型表面活性剂PS-APOSS。当共溶剂从二氧六环变为DMF再到DMF/NaOH时，羧酸基团的离子化程度逐渐增加，分别为45%，62%和80%，这就导致POSS笼之间的排斥力增强。为减少APOSS头基的静电自由能，平均每个链的表面积就会增加，因此胶束形态从囊泡变为蠕虫状胶束再变为球性胶束(图8)。

5 结论与展望

刚柔嵌段共聚物在溶液中的自组装在近几年已经取得了显著的成果。本文分别介绍了4类对外界条件变化刺激具有一定响应性的两亲性刚柔嵌段共聚物;通过调节溶液pH、温度、光照、溶剂组成等方法可促使聚集体的结构形态发生可逆变化。这种特殊的刺激响应性使得两亲性刚柔嵌段共聚物在传感器、探测器以及药物控制释放等领域有重要的应用。但由于对刚柔性嵌段共聚物的自组装研究还只是处在初步的阶段，诸如响应的灵敏度，聚集体的稳定性等一系列问题还亟待解决。相信随着多学科的交叉和科学技术的发展，具有刺激响应性的刚柔嵌段共聚物将会在更广阔的领域中得到应用。

图8 两亲性大型表面活性剂PS-APOSS的结构(a)及其分别在二氧六环(Ⅰ)、DMF(Ⅱ)和DMF/NaOH(Ⅲ)中的胶束形态TEM图(b)

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