RAFT聚合驱动自组装机理研究及展望

胡佳伟，郑思珣

(上海交通大学化学化工学院，上海 200240)

0 前言

什么是聚合驱动自组装？在正式引入聚合驱动自组装概念之前，应该先了解一下嵌段共聚物的自组装。一般来说，只含有一种单体的聚合物被称为均聚物，而由多种单元聚合而成的则称为共聚物。而嵌段共聚物则是指将两种或两种以上的性质不同的聚合物链段连在一起制备而成的一种特殊聚合物。以AB型嵌段共聚物为例，由于嵌段共聚物不同嵌段性质的差异，因此会在溶液或者固体中发生自组装，形成具有不同形貌结构的胶束结构，例如球状、囊泡状、蠕虫状、片状、棒状和螺旋管状等[1～3]。而相比于嵌段共聚物的自组装，聚合驱动自组装则是在嵌段共聚物的聚合过程中发生的自组装：例如在水体系中，以水溶性的聚合物嵌段A作为前驱体和一种相应的均聚物B为不溶于水的水溶性单体进行聚合，随着聚合进行B嵌段聚合度不断增加，当聚合度达到一个临界聚合度时，此时B嵌段开始不溶于水，这样在水中形成的AB两嵌段共聚物会因为亲疏水性质的不同而在水中进行自组装，如图1。而通过改变A和B嵌段的聚合度以及控制嵌段共聚物的浓度可以制得不同形貌的共聚物纳米粒子，如球状、囊泡蠕虫等。由于这一组装过程是在聚合过程中发生的，因此称为聚合驱动自组装[4～7]。

相比于嵌段共聚物的自组装，聚合驱动自组装具有很多明显的优势：嵌段共聚物的自组装首先需要进行嵌段共聚物的制备，然后在良溶剂中进行溶解，再将聚合物溶液加到不良溶剂中（通常需要加入共溶剂或者改变pH），这种策略制备的嵌段共聚物纳米粒子浓度很低（＜10%）[8～9]；而对于聚合驱动自组装，可以在嵌段共聚物的聚合过程中高效地制备具有明确形貌的高浓度（50%）的纳米粒子，另外聚合驱动自组装的聚合反应单体、溶剂和引发方式的多选择性以及温和的反应条件也是具有明显的优势。而在聚合驱动自组装的多种活性聚合方式中，可逆加成-断裂链转移（reversible additionfragmentation chain transfer,RAFT)聚合被认为是一种常用的方式，因为RAFT聚合本身对聚合单体和溶剂具有更多的选择性[10～12]。

近年来，Arms课题组在嵌段共聚物的聚合驱动自组装领域做了大量的研究工作，其重点主要集中在聚合驱动自组装新体系（单体、溶剂、引发和聚合方式等）的研究探索、引发和控制聚合驱动自组装过程机理的进一步研究、聚合驱动自组装的应用新前景等[13～15]。本文将围绕这几方面对RAFT活性聚合介导的聚合驱动自组装的研究进展进行介绍，并对其应用的前景提出展望。

1 RAFT聚合驱动自组装体系及机理研究

1.1 RAFT聚合驱动自组装体系

对于聚合驱动自组装具有很多可供选择的活性聚合的方式，而文献中报道使用最多的方式是RAFT聚合[16～20]。聚合驱动自组装中使用的RAFT试剂实际上是一种链转移常数很高的大分子链转移剂（通常为二硫代苯甲酸盐、三硫代碳酸盐或黄原酸盐），可以实现聚合物自由基和大分子RAFT试剂间快速的链转移，从而保持自由基的活性，实现官能化乙烯基单体的可控聚合。而大量的研究工作也已经证明[21～23]，RAFT聚合方式介导的聚合驱动自组装确实具有可控活性聚合的动力学特征，通常可以在很短的时间内（＜2 h）完成高的单体转化率（＞90%），而且制备的嵌段共聚物具有很窄的分子量分布（Mw/Mn＜ 1.20）。然而有文献报道[24]，RAFT聚合也存在一定的缺陷，当RAFT聚合在pH超过7的水溶液中进行时，大分子RAFT试剂末端很容易发生水解，也有文献已经证明二硫代苯甲酸盐比三硫代苯甲酸盐更容易水解，而当聚合在酸性条件下进行时，则可以保持RAFT活性聚合的动力学特征。

聚合驱动自组装可以在多种溶剂中进行，例如水、醇类、烷烃、矿物油、硅油、离子液体和超临界CO2等[25]，因此，根据溶剂不同大致可分为RAFT水分散聚合和非水分散聚合[14,25]。对于水相分散聚合，应当与传统的水相乳液聚合有所区别。传统的乳液聚合是需要在水体系中加入表面活性剂形成胶束，来使单体增容和稳定聚合物胶粒，单体不断进入聚合物胶粒中进行自由基聚合，可以以较快的聚合速率制备高分子量的聚合物，且可直接得到乳液产品；而RAFT水分散聚合是在水中随着聚合反应的进行的活性聚合，嵌段聚合物会组装形成具有特殊形貌的纳米结构胶束，此时由于在胶束中单体的富集也会提高反应速率，制备高分子量、窄分布且具有特殊组装形貌的嵌段共聚物。两种方法均可以在短时间（1～2 h）内完成单体高的转化率，但是通过RAFT聚合制备的嵌段共聚物粒子的尺寸更小，且不需要使用大量的表面活性剂，最重要的是可以实现传统乳液聚合无法做到的聚合物形貌控制（蠕虫、囊泡、片层等等）[13]。相关文献[13]已经报道了很多RAFT水溶液聚合的单体和大分子RAFT试剂，如常用作稳定的嵌段可以分为阴离子型、阳离子型、非离子型和双电荷的官能化乙烯基单体，如图2，不同种类的稳定嵌段可以制备相应带电情况的胶束形貌，例如带不同电荷的球状、蠕虫和囊泡状的嵌段共聚物纳米粒子，其化学性质也会直接影响制备纳米粒子的稳定性并赋予其一定的性质。例如当以一种双电性的聚磺基甜菜碱（PSBMA）为稳定嵌段可以增强耐盐性[26]，以非离子型的聚甘油单甲基丙烯酸酯（PGMA）为稳定嵌段可以通过调节pH来实现纳米粒子在微图案基底上的选择性吸附[27]。除此之外，稳定嵌段的化学性质也可以影响粒子表面的润湿性，因此制备的亲水性的两嵌段共聚物纳米粒子可以用来稳定水包油型的皮克林乳液。Thompson等人[28]将两种不同类型的纳米粒子结合，并通过优化均质条件，利用聚合驱动自组装制备出皮克林双乳液，而作者使用的皮克林乳化剂均是蠕虫状形貌。研究人员也发现通过选择不同稳定嵌段的RAFT试剂进行聚合制备的蠕虫状的嵌段共聚物在油-水界面上的吸附能力比使用的球状要强得多，这是因为蠕虫状的纳米颗粒在单位质量上表现出相对较高的表面积。除此之外，Mable等人[29]的研究表明，树莓状PGMAPHPMA-PBzMA三嵌段共聚物囊泡在油-水界面上的吸附效率要比PGMA-PHPMA两嵌段共聚物囊泡高得多，这表明通过进行稳定嵌段的选择可以影响制备的嵌段共聚物纳米粒子的表面性质，从而可以制备具有不同应用性质的嵌段共聚物纳米粒子。

关于RAFT水溶液聚合介导的聚合驱动自组装是研究最早也是最广泛的。2007年，Hawker等人[30]首次报道了关于RAFT水溶液分散聚合的研究工作，他们在微波辐照的辅助下通过RAFT水溶液分散聚合制备了聚(N,N’-二甲基丙烯酰胺)-聚(N-异丙基丙烯酰胺)两嵌段共聚物纳米粒子。近年来，关于RAFT水溶液分散聚合的研究工作越来越多。除此之外，在非水溶剂中进行的RAFT分散聚合也引起人们的研究兴趣。2009年，Pan等人[31]利用三硫代碳酸酯的链转移剂DDMAT制备了一系列聚4-乙烯基吡啶(P4VP)的大分子RAFT试剂，然后以P4VP为稳定嵌段在甲醇中和苯乙烯单体进行RAFT分散聚合，通过在非水溶剂中进行RAFT聚合介导聚合驱动自组装，制备了具有多种共聚物形态的聚4-乙烯基吡啶-聚苯乙烯两嵌段共聚物（P4VP-PS）纳米粒子，如图3所示。之后苯乙烯在甲醇中进行的RAFT聚合也做了很多拓展工作[32～33]。尽管苯乙烯可以在醇类溶剂中进行RAFT分散聚合，但是聚合速率较低是它的一个弊端，也有一些工作报道通过使用醇/水混合溶剂可以提高单体的聚合速率。而在不使用水作溶剂的条件下，可以使用甲基丙烯酸苄基酯（BzMA）代替苯乙烯作为水溶性单体在醇中进行RAFT分散聚合。例如，Arms课题组发现[34]，甲基丙烯酸苄基酯可以在甲醇、乙醇和异丁醇中可以进行RAFT聚合，在70 ℃下聚合24 h内即可达到95%的单体转化率。Semsarilar等人[35]合成了PDMA、PMAA、PGMA和PMPC四种大分子RAFT试剂，然后在乙醇中和BzMA单体进行RAFT聚合，制备了一系列形貌明显的球状、蠕虫和囊泡状的嵌段共聚物纳米粒子，这也表明了BzMA单体在醇类溶剂中RAFT聚合的通用性。除了在醇类等极性溶剂中进行RAFT聚合，在非极性溶剂中也可进行RAFT聚合，但是研究工作相对较少。2013年，Fielding等人[36]报道了一个可以在非极性溶剂中进行的且形貌控制很好的RAFT聚合体系。他们利用异丙基二硫代苯甲酸酯(CDB)在正庚烷中通过RAFT聚合制备了聚甲基丙烯酸月桂酯-聚甲基丙烯酸苄酯(PLMA-PBzMA)两嵌段共聚物，可以通过控制PBzMA段的聚合度来实现球状、蠕虫和囊泡状形貌的调控。

RAFT介导的聚合驱动自组装可通过多种方式进行引发聚合，已有大量文献报道过关于使用热引发RAFT聚合[37～39]。近年来，为了适应聚合驱动自组装聚合条件的要求，开辟聚合驱动自组装的引发方式新途径，人们研究报道了多种引发方式，例如光引发、氧化还原化学引发、酶引发以及超声等[15]，下面将详细讨论。

Cai等人[40]首次引入了光引发聚合驱动自组装的概念，他们在水中通过光引发剂引发双丙酮丙烯酰胺（DAAM）进行RAFT聚合，制备了胺功能化的球状两嵌段共聚物纳米粒子。Boyer等人[41]通过光诱导电子转移-可逆加成碎片链转移（PET-RAFT）聚合在环境温度下合成了具有不同形貌（蠕虫和囊泡）的共聚物纳米粒子，从而拓展了光引发RAFT聚合的概念。Tan等人[42]在水/醇的共溶剂体系中通过光引发丙烯酸类单体进行RAFT聚合，制备了具有均匀树莓状结构的聚合物粒子。Sumerlin等人[43]利用光引发剂在25 ℃下引发了2-羟丙基甲基丙烯酸酯(HPMA)在水相中的聚合，在聚合物囊泡形成过程中牛血清白蛋白(BSA)被包裹在这种空心囊泡中，而且这种温和的反应条件确保了这种球状蛋白没有变性，这也表明光引发聚合相对于热引发PISA具有一定的优势。除了光引发聚合，氧化还原化学也可以在温和的条件下引发产生自由基，诱导RAFT聚合。An课题组[44]采用过硫酸盐/抗坏血酸氧化还原引发体系在30 ℃下制备了核交联的纳米凝胶，之后他们又利用过氧化物酶催化过氧化氢氧化乙酰丙酮，并在生物相关的反应条件下引发2-甲氧基丙烯酸乙酯(MEA)的分散聚合。氧化还原引发的方式还可以与酶级联反应相结合，尽管酶标引发聚合所需的过氧化氢是通过葡萄糖氧化酶催化还原分子氧而产生的。最近，Qiao课题组[45]用高频率超声在45 ℃下引发了n-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)的RAFT水溶液分散聚合，制备了具有热响应性的核交联纳米凝胶。由于使用超声引发是通过水的均裂产生自由基，不需要使用引发剂和催化剂，因此超声引发RAFT聚合是非常绿色环保的一种引发方式。这种引发方式并没有得到很大程度的挖掘应用，因此具有一定应用潜力，但是这对引发用的超声设备也具有很高的要求。另外，Gianneschi等人的研究表明[46]，在特定条件下透射电镜的电子束也可用来引发RAFT聚合，尽管这一技术并未能够实际应用，但是对于一些在拍摄透射电镜过程中样品的形貌演变可以有更深刻的理解。

1.2 聚合驱动自组装机理研究

关于RAFT聚合介导的聚合驱动自组装的机理已经有很多文献进行过报道。一般来说，嵌段共聚物自组装的形貌与单体类型、嵌段共聚物两嵌段的体积比、聚合物的固含量以及温度具有很大关系。因此当使用同一种大分子RAFT试剂使用不同的亲水性单体进行RAFT聚合时，开始组装以及发生形貌转变的核形成嵌段的临界聚合度不同。而对于同一种核形成单体聚合，随着聚合度的增加其形貌会发生演变，在某一聚合度下的纳米形貌可以通过一个堆积参数p（packing parameter）进行判断[47]：

v为核形成链的体积，α0为稳定嵌段链头部基团接触面积，lc为核形成嵌段链的长度。通常当p≤1/3时，形成球状形貌；当1/3＜p≤1/2时，形成蠕虫状（柱状）形貌；当1/2＜p≤1时，形成囊泡形貌。

从以上公式我们可以得到，随着聚合反应的进行核形成嵌段的聚合度会不断增加，由此导致亲疏水嵌段相对体积（聚合度）的变化会影响p值，因此在RAFT聚合过程中嵌段共聚物的形貌是会不断演变的。除此之外，在反应开始前确定的共聚物固含量也会影响最终嵌段共聚物的形貌，因此可以以核形成嵌段的聚合度和嵌段共聚物固含量为变量来做嵌段共聚物形貌相图。如图4(a)和(b)分别为在水中进行RAFT聚合制备的不同聚合度亲水嵌段的PGMA-PHPMA两嵌段共聚物相图[48]（每组实验HPMA单体转化率均为99%以上）。值得注意的是，为了相图的精确可重复性，作者在制作相图时所做实验使用的大分子RAFT试剂均为同一批次所制备的。从图4a中相图中可以看到，当共聚物浓度低于10%时为无论PHPMA嵌段聚合度如何增加均为球状形貌。而当共聚物浓度增加时，随着PHPMA嵌段聚合度的不断增加形貌开始发生转变，聚合物浓度越高，共聚物开始发生形貌转变时的PHPMA临界聚合度越小，当共聚物浓度增加到25%时，在PHPMA聚合度为150时即可发生球状到蠕虫状的转变。而从图4(a)和(b)相图综合来看，无论亲水嵌段的聚合度（大分子RAFT试剂聚合度）大小，随着核形成嵌段的聚合度增加，嵌段共聚物的形貌演变趋势都是球状-蠕虫状-囊泡状。然而，稳定嵌段PGMA的聚合度差异对形貌演变具有较大影响，当PGMA聚合度为78时，图4(a)中的聚合物形貌是由共聚物浓度和PHPMA的聚合度共同影响的，而当PGMA聚合度为47时，共聚物形貌却没有表现出对PHPMA浓度的依赖性，这是可能是因为低聚合度的稳定嵌段PGMA的稳定效果比较差，因此无论共聚物浓度大小均很容易在一维方向上发生融合。总的来说，提高共聚物的浓度和增加核形成单体的聚合度更有利于形成高阶的形貌。

上文中提到的堆积参数p值和嵌段共聚物形貌相图均可用来预测PISA的形貌，但二者各自具有一定的应用特点。p值实际上仅是一个几何概念的参数，由于嵌段共聚物的种类、结构、浓度及其他影响因素的多样性，核形成嵌段和稳定嵌段的相对溶剂化程度会有很大差异，因此很难用这样一个参数来预测复杂多样的嵌段共聚物形貌，也就是说可以用p来定性预测或解释但不能一概而论地预测；而共聚物相图是对一个聚合驱动自组装体系实际试验过程中观测到的形貌随试验参数变化进行统计作图，因此预测形貌变化具有一定针对性，试验具有可重复性，可以通过试验参数调整来得到可控精确的形貌，因此对PISA嵌段共聚物的形貌设计和调控具有实际的指导意义。

为了进一步了解RAFT聚合驱动自组装的形貌演变过程以揭示形貌演变机理，科研工作者对部分PISA体系的聚合动力学进行研究。2011年，Arms课题组[49]以PGMA作为大分子RAFT试剂，和HPMA进行RAFT水分散聚合，并对其聚合动力学进行了研究。他们监测了不同聚合时间下聚合体系形貌变化，揭示了共聚物从球状-蠕虫状-囊泡状形貌变化，并且首次观察到从蠕虫状形貌到囊泡状形貌转变的中间形貌—“水母”状形貌，如图5。之后，Arms课题组[50]又使用同一聚合体系，通过改变PHPMA嵌段的聚合度制备了一系列的嵌段共聚物囊泡并对它们的形貌进行了表征。他们发现随着PHPMA嵌段聚合度增加，共聚物囊泡的流体动力学直径并没有发生改变，这表明聚合物囊泡膜是一种“向内”增长机理。2020年，Tan等人[51]对这一机理进行了完善。他们通过光引发水分散RAFT聚合制备了一系列不同亲水嵌段和核形成嵌段的PGMA-PHPMA两嵌段共聚物，并分别对同一聚合体系的聚合动力学和不同聚合度体系的囊泡形貌进行研究。他们发现囊泡的增长机理与体系所处的温度有关，当体系温度（60 ℃）高于PHPMA的玻璃化温度（47 ℃）时，随着PHPMA聚合度的增大，PHPMA的运动能力增强，因此更容易发生囊泡在零维方向上的融合，即保持囊泡的形貌而囊泡尺寸和壁厚都增加，如图6(a)；而当体系温度（25 ℃）低于PHPMA的玻璃化温度（47 ℃）时，PHPMA链段的运动能力较弱，因此更容易发生一维上的融合，形成管状或环状的共聚物结构。这一机理的揭示也证明了温度对于聚合驱动自组装形貌演变的影响。

2 聚合驱动自组装的前景展望

聚合驱动自组装自发展以来便引起科研工作者广泛关注，其独特的聚合和组装方式使之在很多材料的制备上都具有应用潜力。相比于其他活性聚合方式，RAFT介导的聚合驱动自组装具有更高的实施效率。实际上，RAFT介导的聚合驱动自组装最大的优势在于可以高效地制备多种功能性的高分子纳米材料且应用潜力巨大。通过PISA制备的两亲性嵌段共聚物可以用于制备皮克林球状乳液[52]，纳米尺寸的聚合物囊泡可用于纳米粒子可控释放[53]，荧光探针释放[54]，刺激性应凝胶[55]，3D水凝胶的生物应用[56]等等。通过聚合驱动自组装制备的聚合物纳米粒子具有可控的尺寸、形貌及表面化学性质，在纳米粒子材料的功能性应用上已取得了很大的突破和进展。而其独特形貌和性质在传统的聚合物纳米复合材料上也具有很大的应用潜力，值得科研工作者进一步的研究探索。

总之，聚合驱动自组装是合成具有可控形貌和尺寸聚合物纳米粒子的一种重要策略，其聚合形貌的机理研究及应用探索仍为目前研究的热点问题，而这一合成策略正在发展成为聚合物合成化学领域的一个重要分支。