核壳冠型嵌段共聚物胶束的研究进展

王利民，张勇，王兴蔚，侯春平，孙永林，贺超

（宁夏共享新能源材料有限公司，宁夏银川750021）

核壳冠型嵌段共聚物胶束的研究进展

王利民，张勇，王兴蔚，侯春平，孙永林，贺超

（宁夏共享新能源材料有限公司，宁夏银川750021）

介绍了核壳嵌段共聚物胶束的基本概念和特点，描述了该材料在溶剂中的憎水机理和形成过程。针对当前研究工作所面临的问题进行简要分析，并对其在生物和医药等领域中的应用与发展作出展望。

核壳冠型；嵌段共聚物；胶束

在以大分子为组装单元的超分子化学领域，嵌段共聚物溶液的胶束化和本体相分离的研究最为深入[1]。自二十世纪七八十年代以来，人们陆续发现了嵌段共聚物微相分离的基本特征，有关嵌段共聚物自组装的研究进展尤为引人注目[2]。McGill大学的Adi-Eisenberg教授发现了具有erew-cut结构特征的胶束。在选择性溶剂中，这种非对称的嵌段共聚物能够形成具有形态多样、可以相互转化、依赖环境及可控性特点的胶束，极大地丰富和发展了嵌段共聚物胶束化的研究内容；另一方面，关于实现嵌段共聚物自组装工艺及两亲性嵌段共聚物胶束功能化的研究不断深入。核壳冠型嵌段共聚物胶束则是基于具有两亲性结构特征的高聚物发展而来的一种新型粒子形式。目前，其已经成为国内外有关超分子材料、形状记忆合金以及表面科学、自组装加工等领域的研究热点[3-4]。

1 嵌段共聚物胶束

1.1 嵌段共聚物胶束的制备方法

目前，制备嵌段共聚物胶束主要有直接溶解法和选择性溶剂加入法。

直接溶解法是指在加热、搅拌或超声的条件下，将具有两亲性的嵌段共聚物溶于选择性溶剂，或在选择性溶剂与共溶剂的混合溶液中制备胶束。该方法仅适用于制备分子量较低或憎水链段较短的嵌段共聚物胶束。使用此方法制备胶束，应使嵌段共聚物的憎水链段在相应选择性溶剂中具有较好的溶胀性。

选择性溶剂加入法，是以嵌段共聚物在非选择性有机溶剂中形成单分子链结构为前提，将纯水作为选择性溶剂加入到上述混合溶剂中，形成核壳结构的胶束。采用透析或蒸发的方法除去非选择性溶剂，得到结构稳定的胶束溶液。此种方法更常见于制备嵌段共聚物胶束过程。尤其是在生物、医药等应用领域，常用来制备具有靶向作用或控制药物释放的功能性嵌段共聚物胶束的制备[5-6]。相比较,选择性溶剂加入法适用于制备大分子量或憎水链段较长的嵌段共聚物胶束，在制备胶束过程中能够防止生成尺寸较大的团聚体，与直接溶解法具有完全不同的特征。

值得注意的是，嵌段共聚物的胶束化过程及聚集态行为受热力学驱动较为明显。但在胶束体系运动过程中，缓慢的链运动会阻碍胶束的热力学平衡。在胶束化过程中，制备方法往往会影响胶束体系的热力学平衡过程，从而改变胶束结构。通常情况下，为了很好地描述嵌段共聚物及所具有的胶束化特性，还是会把某些非平衡状态下制备的具有典型特征的聚集体称之为胶束。

1.2 嵌段共聚物的临界胶束浓度

在一定的温度下，当两亲性嵌段共聚物溶于选择性溶剂时，也会像低分子量表面活性剂一样自发形成胶束。在胶束形成过程中，会逐步达到临界胶束浓度。随着共聚物分子链的增加，形成的胶束数量越来越多，而非缔合分子链（单体）的浓度则继续保持不变，始终维持在临界胶束浓度这一数值。这种理想的情况仅存在于热力学平衡的理论体系中。临界胶束浓度的数值主要取决于实验过程及对应的测量方法。

1.3 嵌段共聚物胶束的形态及控制因素

迄今为止，科研工作者已经成功制备出球形、棒状、囊泡状、空心、管状、纤维状等各种形态的两亲性嵌段共聚物胶束[7-9]。在自组装领域，由于丰富多彩的胶束形态，使得以嵌段共聚物为代表的超分子物质越来越受到青睐。

在整个体系达到平衡态的过程中，溶液及胶体粒子的吉布斯自由能来自于两方面，包括憎水链周围水分子的熵变和不同嵌段连接点固定于聚集体界面处的熵变。研究表明，有三种作用力会对胶束的形态产生影响，它们分别为：成核链段的伸展程度、胶束聚集体核壳之间的表面能强弱以及成壳链段之间排斥作用的大小。通过相互调控三种作用力，均可以起到改变胶束形态的效果。目前，科研工作者发现诸多可以影响这三种作用力的实验因素，从而为实现调控胶束形态，包括改变嵌段共聚物的链段长度，调整聚合物浓度，选择合适的溶剂及组成，控制添加剂用量，调节温度等方法奠定基础。

2 核壳冠型嵌段共聚物胶束

2.1 核壳冠型嵌段共聚物胶束的概念

目前，关于两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中形成的核壳结构的纳米胶束，在生物、医药涉及控制药物性运输及释放、光电磁等活性物质负载，纳米材料制备，超分子结构控制和形状记忆合金等诸多领域已显示出良好的应用前景。作为一种新型胶束，多隔段胶束从一出现就受到广泛的关注。这种胶束是由水溶性壳和具有隔段结构的憎水核组成。由于具有特殊的结构，能够作为微容器在内部被分离的纳米隔段同时装载两种或两种以上互不相容的物质。目前，已经发现和制备出具有不同结构和形貌的多隔段胶束。

近十几年来，随着有机高分子技术的发展，人们已经能够成功制备出ABC三嵌段共聚物[10-11]。这种多嵌段两亲共聚物在选择性溶剂中的自组装行为也越来越受到重视。自嵌段共聚物及自组装行为在选择性溶剂中形成核冠状胶束的情况被报道以来，这种具有三层结构的超分子结构的胶束在生物医药、催化化学、纳米材料制备以及表面修饰改性等领域的应用得到了迅速发展。最近，还出现了关于对温度和pH值较为敏感的核壳冠状胶束的相关报道[12]。这些研究能够推动多隔段胶束更深层次研究，为核壳冠状胶束的功能化及应用提供平台。

尽管核壳冠状胶束具有能够同时装载两种或两种以上物质的特性，这种双隔段胶束在金属/半导体纳米粒子、有机光电纳米材料和生物医用材料等领域具有巨大的潜在应用价值。尽管利用嵌段共聚物制备核壳冠型胶束的自组装技术已经有许多文献报道，但考虑到需要与某些功能材料结合，环境（pH值、离子强度等）对自组装过程的影响，要通过化学交联（核壳交联和壳冠交联）改善胶束的稳定性，以及嵌段共聚物中发生自组装等行为。

2.2 核壳冠型嵌段共聚物胶束增溶二元憎水粒子的演化过程研究

科研工作者通过采用耗散粒子动力学的方法，对二元憎水粒子与ABC线形嵌段共聚物形成的核壳冠状胶束以及自组装行为进行了研究[13]。详细地讨论了各种条件下的作用力对粒子分布和装载量的影响。

核壳冠状胶束内部被分离出的两个憎水隔段区域能够选择性地同时装载两种不同的憎水粒子，且能够通过适当的方式调节粒子的分布。

在憎水基作用较弱时，影响粒子分布的主要因素是粒子与具有相分离特性的链段之间的作用力。由于两结构之间存在较弱的相互作用力，使得粒子装载量主要受相容嵌段体积含量的影响。在憎水基作用较强时，这两类作用力都对分布有大的影响，粒子装载量受两结构之间的作用力及嵌段组成的影响均较小。

在核壳冠状胶束结构中，相对于分布在壳中的粒子，核心中的粒子更容易受各种作用力的影响。当进入核中的粒子达到特定数量时，核壳冠状胶束会发生由增溶胶束到微乳液状态的转变。

2.3 核壳冠装嵌段共聚物胶束制备方法

2.3.1 ABC型三嵌段共聚物自组装形成核-壳-冠胶束

在选择性溶剂中，ABC型三嵌段共聚物通过自组装的方法形成核-壳-冠胶束特定条件下，在含有链段A或在嵌段A和B的选择性溶剂中，ABC型三嵌段共聚物可以自组装形成以A链段为核、B链段为壳、C链段为冠的核-壳-冠型胶束。Liu等发现，在以四氢呋喃/甲醇混合溶剂为选择性溶剂的聚丙烯酸叔丁酯溶液中，聚异戊二烯-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）能够自组装成以聚异戊二烯为核、聚甲基丙烯酸肉桂酰乙基酯为壳、聚丙烯酸叔丁酯为冠的核-壳-冠型胶束。在光辐射的条件下，该胶束壳部分的聚甲基丙烯酸肉桂酰乙基酯链段可以发生交联反应，形成壳交联的核-壳-冠胶束。在O3的作用下，形成核结构的聚异戊二烯因发生降解而形成空心纳米球。图1为PI-b-PCEMA-b-PtBA自组装形成核-壳-冠型胶束的演化示意图。

2.3.2 核-壳胶束与高分子复合形成核-壳-冠型胶束

虽然通过ABC型三嵌段共聚物在选择性溶剂中自组装是制备核-壳-冠型胶束行之有效的方法，但大多数ABC型三嵌段共聚物的胶束化过程却存在诸多困难，成为限制其继续深入研究的障碍。最近，由核-壳胶束与高分子复合形成核-壳-冠型胶束的研究也在逐步展开。相比于采用ABC型三嵌段共聚物自组装的方法，这种复合技术克服了大多数ABC型三嵌段共聚物胶束化过程中的问题。

图1 P 1-b-PCEMA-b-PtBA核-壳-冠胶束在光辐射下形成壳交联的核-壳-冠胶束再经O3氧化降解形成空心球的示意图

张望清利用聚苯乙烯-b-聚丙烯酸（PS-b-PAA）的方法，在乙醇溶液中自组装形成了核-壳-冠型胶束[14]。其中，PS链段形成胶束的核结构，二元PAA/P4VP链段形成壳结构，可溶性PEG链段形成胶束的冠结构。在该核-壳-冠胶束结构中，可以通过改变P4VP链段的加入量，以及调整PEG的链段长度控制壳层和冠层的厚度，并用光散射方法精确地表征核-壳-冠胶束的结构。图2是PS-b-PAA核-壳胶束和不同尺寸的核-壳-冠胶束的结构示意图。

图2 PS-b-PAA核-壳胶束和在PS-b-PAA与不同嵌段长度的PEG-b-P 4VP复合形成的不同尺寸的核-壳-冠胶束的结构示意图

2.3.3 共沉淀法形成核-壳-冠胶束

Tailing RM等发现，在酸性水溶液中，PS-b-P2VP可以自组装形成核-壳胶束[15-16]。主要形成过程为：将溶于酸性水溶液的P2VP-b-PEO嵌段聚合物加入到PS-b-P2VP的核-壳胶束溶液中，调节pH值大于10。这时形成核-壳胶束P2VP链段和嵌段共聚物P2VP-b-PEO的P2VP链段结构，能够附着在PS-b-P2VP核-壳胶束壳层上，并形成新壳。可溶性的PEO链段则形成胶束的冠层。图3是共沉淀法形成核-壳-冠胶束的示意图。

3 结论与展望

嵌段共聚物在溶液中的自组装行为是纳米科学、高分子科学以及生物科学等领域的热点研究对象。在过去十几年里，科学家们开展了大量而深入的基础研究。主要包括多种嵌段共聚物的合成，不同形态嵌段共聚物胶束的合成与功能化，以及胶束形成过程涉及到的有机共价交联等。从近年来发表的关于核壳冠型嵌段共聚物胶束的应用研究的文献来看，核-壳-冠型嵌段共聚物胶束的功能化及应用研究越来越受到重视。在生物医药领域，利用嵌段共聚物胶束的自组装形成特定纳米结构的特性进行微观设计，使药物具有靶向性已经成为重点关注领域。通过引入胶束化作用，使得药物传递具有缓释、拉释、保护药物、提高疗效和降低毒副作用等优越性，因而能够被广泛应用于重大疾病（如癌症）的诊断和治疗，在满足抗癌药物的释放和运输过程中起着重要作用。

图3 核-壳型PS-b-P2VP胶束和P2VP-b-PEO共沉淀形成核-壳-冠胶束的示意图

作为具有相容性的生物载体，核-壳-冠型嵌段共聚物胶束在水溶液中及含酸含碱性生理环境下的稳态问题自始便成为关注的焦点。研究发现，采用交联的方法能够很好地提高胶束行为的稳定性。目前，大部分嵌段共聚物胶束仍采用共价交联的方法。通过将含有功能性的活性分子交联剂与共聚物各链段复合，可最大限度延长胶束的稳定化时间。但这些交联剂往往具有结构复杂、成本较高、有毒副作用等特点。近年来，科研工作者已通过无机合成陆续开发出新型交联剂和相关工艺技术，但均处于初期阶段。如何寻找具有可溶性好、结构稳定、活化效果显著、环保的交联剂成为未来工作的重点，也是新型交联技术发展的方向。

除了在生物医药领域应用外，由于核-壳-冠型嵌段纳米材料共聚物胶束具有自组装行为及功能化特征，还可以采用分子量较大的嵌段共聚物作为制备大孔径介孔材料的模板剂。这些模板可以自组装形成丰富的有序微孔，并拥有不同的几何形态和晶体/准晶结构，以及较为宽泛的尺寸选择性，能够被应用在金属/半导体粒子、有机光电等其它功能纳米材料，模板刻蚀和信息材料等领域。

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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

宁夏自然科学基金（NZ14262）

王利民（1965-），男，毕业于甘肃工业大学，高级工程师，主要从事电气工程项目管理和新能源电池材料电解液的开发及应用工作，

13995196517，limin.wang@kocel.com；通讯联系人：侯春平（1976-），男，现就读于西北工业大学，在读博士，应用化学专业，工程师，主要从事新能源锂离子电池和电解液的应用及推广工作，18609515954，hcp400@163.com。