具有螺线表面的聚肽中空柱的制备与结构

2022-11-26焦莉萍刘艳萍金锐琦续文恒蔡春华林嘉平

功能高分子学报 2022年6期

焦莉萍，刘艳萍，金锐琦，续文恒，蔡春华，林嘉平

（华东理工大学材料科学与工程学院, 上海市先进聚合物材料重点实验室, 上海 200237）

近年来，中空纳米粒子的制备和应用备受关注[1-4]。中空纳米粒子可以容纳客体粒子，且具有较高承载能力，因此其在药物载体、催化剂载体、微反应器等多个领域具有重要的应用价值[5-8]。目前研究较多的中空纳米粒子有中空微球和囊泡[9,10]，对于空心柱状纳米粒子的研究较少。研究表明表面图案可赋予材料更加优异的性能[11]。因此，研究具有表面图案的中空柱状粒子，具有重要的科学价值和实际应用前景。

聚肽与蛋白质的物理化学结构相似，具有α-螺旋、β-折叠、无规线团等构象[12-14]，是蛋白质研究的重要模型，可用来制备组织工程支架和药物载体等生物应用相关材料[15-18]。聚肽最常见的构象是具有刚性特征的α-螺旋，其倾向于有序排列，是一种典型的刚性聚合物。共聚物溶液自组装是构建纳米材料的有效方法，聚肽共聚物形成的组装体形貌丰富、结构稳定，受到了多个领域的广泛关注[19-21]。

本文基于聚肽共聚物自组装，制备了表面具有螺线的中空柱状粒子和中空贝壳状粒子。本课题组的前期研究表明，聚（γ-苄基-L-谷氨酸酯）-b-聚乙二醇（PBLG-b-PEG）嵌段共聚物与聚苯乙烯（PS）均聚物自组装可形成螺线球和经线球[22]，其中PS均聚物形成球形内核，PBLG-b-PEG嵌段共聚物形成螺线外壳。在此基础上，本文对PBLG-b-PEG嵌段共聚物的侧基进行部分改性，接枝可紫外光交联的肉桂醇，得到聚（γ-苄基-L-谷氨酸酯-co-肉桂基-L-谷氨酸酯）-b-聚乙二醇（P（BLG/CLG）-b-PEG）嵌段共聚物。与PBLG-b-PEG/PS体系类似，P（BLG/CLG）-b-PEG/PS共混体系也可自组装得到螺线球和经线球。先将所得螺线球和经线球用紫外灯照射促使肉桂醇基团光交联，可固定其外壳条纹图案；然后用有机溶剂将PS内核溶解掉，即可得到表面具有螺线的中空柱状粒子和中空贝壳状粒子。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

PBLG-b-PEG嵌段共聚物：PBLG链段Mn= 2.9×104，聚合度为134，PEG链段Mn= 5.0×103，聚合度为112，Mw/Mn= 1.13，自制[23]；PS均聚物：Mn= 6.2×103，Mw/Mn= 1.08，自制[22]；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、四氢呋喃（THF）、4-二甲氨基吡啶（DMAP）、二氯乙酸（DCA）、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐（EDC·HCl）、超干二甲基亚砜（DMSO）、肉桂醇（CA）、碳酸氢钠：上海泰坦科技有限公司；氢溴酸醋酸：w=33%，上海百灵威技术有限公司；超纯水：Millipore 超纯水系统制备。以DMSO为溶剂，分别配制DMAP、EDC·HCl和CA的溶液，质量浓度分别为0.025、0.055、0.080 g/mL。

1.2 测试与表征方法

核磁共振氢谱（1H-NMR）：美国布鲁克公司 Avance 400 型核磁共振仪，CDCl3-CF3COOD（体积比为6∶1）为溶剂，四甲基硅烷为内标物；场发射扫描电子显微镜（FESEM）：日本日立公司（Hitachi）S-4 800 型场发射扫描电子显微镜，工作电压为15 kV，将含有聚集体的水溶液滴到处理后的单晶硅片上，自然风干，测试前喷铂处理；透射电子显微镜（TEM）：日本电子公司（JEOL）JEM-1 400型透射电子显微镜，工作电压为100 kV，将样品水溶液滴到铜网上，待液滴中的水分挥发干燥后进行测试；原子力显微镜（AFM）：韩国Park Systems XE-100型原子力显微镜，将待测胶束水溶液滴到处理后的单晶硅片上，液滴中的水分挥发干燥后得到待测样品。

1.3 聚合物的合成与表征

1.3.1 P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物的合成从PBLG-b-PEG嵌段共聚物出发，首先将PBLG链段部分酸解脱苄基，然后与肉桂醇酯化反应合成P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物[24,25]，反应流程如图1所示。

图 1 P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物的合成路线Fig. 1 Synthetic route of P(BLG/CLG)-b-PEG block copolymer

图 2 嵌段共聚物的1H-NMR图谱Fig. 2 1H-NMR spectra of block copolymers

称取0.2 g的PBLG-b-PEG嵌段共聚物加入到单口烧瓶中，加入5 mL二氯乙酸，室温下搅拌3 h，使聚合物完全溶解，随后将200 μL的氢溴酸醋酸溶液快速加入到单口烧瓶中，搅拌20 min。反应结束后，用滴管向烧瓶中滴加事先配好的NaHCO3溶液，调节反应液的pH≈6。随后将产物用纯水透析，经冷冻干燥后得到P(BLG/LGA)-b-PEG共聚物。

称取P(BLG/LGA)-b-PEG共聚物0.1 g置于圆底反应瓶中，加入3 mL DMSO，在室温下溶解聚合物。随后加入DMAP的DMSO溶液和EDC·HCl的DMSO溶液各1 mL，充分搅拌后抽排氮气3次，继续磁力搅拌30 min。然后，在氮气的保护下，加入CA的DMSO溶液1 mL。密封瓶口，磁力搅拌下反应72 h。反应结束后，将反应液以纯水透析，最后冷冻干燥得到P(BLG/CLG)-b-PEG共聚物。

1.3.2 P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物的表征通过1H-NMR对PBLG-b-PEG嵌段共聚物和P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物的结构进行表征，如图2所示。P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物的1H-NMR谱在6.70、6.31处出现了新特征峰，这2处峰对应着CA酰氧基上C=C双键的质子特征峰，此结果说明P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物成功接枝了肉桂醇。根据PBLG侧链上亚甲基质子特征峰b（2.42）与肉桂醇酰氧基上C=C双键的质子特征峰e（6.70）、f（6.31）处峰面积的比值，得出CLG的接枝率为10.8%，平均接枝数为14.4。

1.4 中空粒子的制备及其填充性能研究

图3所示为中空粒子的制备流程，中空贝壳状粒子的制备方法与其类似。以THF-DMF混合溶剂（体积比5/5或3/7）分别溶解P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物和PS均聚物，质量浓度均为0.2 g/L。取P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物和PS均聚物溶液各1 mL置于玻璃瓶中，充分混匀。在磁力搅拌下，用注射泵将0.6 mL超纯水加入到上述溶液中，滴加速率为0.03 mL/min。滴加结束后，在磁力搅拌下，稳定30 min。最后用纯水透析，得到表面带条纹的球状聚集体（螺线球和经线球）的水溶液（约3 mL）。实验温度均为40 ℃。

图 3 中空柱状粒子的制备流程示意图Fig. 3 Schematic illustration for the preparation of hollow disk-like particles

取上述组装体水溶液1 mL加入石英管中，置于紫外灯下照射1 h，使肉桂醇基团上的C=C双键发生环加成反应，将外壳条带交联固定。然后，取0.5 mL交联后的聚集体水溶液，加入5 mL THF，并搅拌1 h，去除PS均聚物内核。最后，用纯水透析得到表面具有纳米条带的中空柱状和中空贝壳状粒子水溶液。

对所制备的中空柱状粒子，以PS均聚物为客体分子，研究其填充性能。将未经纯水透析过的中空柱状粒子溶液1 mL与1 mL PS均聚物THF溶液（质量浓度为1 g/L）共混，并搅拌4 h。然后用注射泵将0.4 mL超纯水滴加到上述溶液中，滴加速率为0.002 mL/min。最后以纯水透析得到粒子的水分散液。

2 结果与讨论

2.1 螺线球状聚集体的形貌研究

PBLG-b-PEG嵌段共聚物与PS均聚物可以自组装形成核壳型粒子，疏水的PS均聚物构成球形内核，PBLG-b-PEG嵌段共聚物在PS球表面自组装形成纳米有序条带，亲水的PEG起到了稳定粒子在水中分散的作用[22]。通过改变初始溶剂中THF和DMF的体积比，调控组装体表面纳米图案的形貌。当初始溶剂V（THF）∶V（DMF）=5∶5时，PBLG-b-PEG嵌段共聚物与PS均聚物共混自组装得到螺线球，此螺线球中间缠绕着PBLGb-PEG嵌段共聚物形成的螺线，两极较为光滑（图4（a））。增加初始溶剂体系中DMF的含量，当V（THF）∶V（DMF）=3∶7时，PBLG-b-PEG/PS共混自组装形成经线球（图4（b））。肉桂醇改性对共聚物自组装行为没有明显影响，如图4（c，d）所示，在相同的制备条件下，P(BLG/CLG)-b-PEG与PS共混自组装形成了螺线球和经线球。

图 4 （a, b）PBLG-b-PEG/PS和（c, d）P(BLG/CLG)-b-PEG/PS自组装聚集体的SEM图Fig. 4 SEM images of aggregates formed by self-assembly of (a, b) PBLG-b-PEG/PS and (c, d) P(BLG/CLG)-b-PEG/PS

2.2 中空柱状粒子的形貌研究

将所得螺线球和经线球用紫外光照射固定外壳的纳米条带，得到外壳被固定住的螺线球（图5（a））和经线球（图5（b））。样品交联前后形貌没有明显变化。向交联的螺线球和经线球水溶液中加入THF，溶解PS均聚物内核，分别得到表面具有螺线的中空柱状粒子（图5（c））和中空贝壳状粒子（图5（e））。它们的TEM形貌如图5（d，f）所示，两者均由多根纳米条带组成。

中空柱状粒子的AFM形貌表征如图6所示。由图6（a）可以明显看出中空柱状粒子是一种3D结构，图6（b）的高度数据表明中空柱状粒子的高度大约为100 nm。结合TEM、SEM和AFM表征结果，明确了中空柱状粒子和中空贝壳状粒子是由聚肽共聚物纳米纤维组成的，这些粒子很好地保持了3D结构。

图 5 交联后P(BLG/CLG)-b-PEG/PS组装体（a）螺线球和（b）经线球的 SEM 形貌图；中空柱状粒子的（c）SEM图和（d）TEM图；中空贝壳状粒子的（e）SEM图和（f）TEM图Fig. 5 SEM images of (a) spiral spheres and (b) meridian spheres of aggregates formed by self-assembly of P(BLG/CLG)-b-PEG/PS after UVirradiation; (c) SEM and (d) TEM images of hollow disk-like particles; (e) SEM and (f) TEM images of hollow conchoidal particles

图 6 中空柱状粒子的（a）AFM图和（b）AFM截面分析图Fig. 6 (a) AFM image and (b) AFM cross-section analysis of hollow disk-like particles

2.3 中空柱状粒子的稳定性研究

对螺线球在THF-H2O（体积比10∶1）溶液中的形貌随时间的变化进行表征，结果见图7。如图7 （a）所示，当溶解时间t=5 min时，螺线球中的PS内核基本被THF溶解掉，得到中空柱状粒子；随着溶解时间的增加，柱状粒子的形貌基本不变。图7 （b）是溶解时间t=60 min时得到的粒子形貌，可以看出粒子的形貌没有明显变化。这一结果说明PS均聚物内核在短时间内就可以被THF溶解，而由P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物形成的螺线外壳，在紫外交联后结构十分稳定，不能被THF溶解。

2.4 中空柱状粒子的填充性能研究

图8 （a）为中空柱状粒子填充PS均聚物后的SEM图。由图可以看出，中空柱状粒子内部被PS均聚物填充，形成实心柱状粒子。向中空柱状粒子与PS均聚物的THF溶液中加水，导致溶剂对聚肽链段和PS均聚物的溶剂化程度下降，在聚肽链段和PS链段之间的疏水作用以及聚肽链段上的苯环与PS均聚物的苯环之间的π-π作用的驱动下，PS均聚物进入到中空柱状粒子内部，最终把中空柱状粒子的空腔填满，形成实心柱状粒子。亲水PEG链段使这些实心柱状粒子稳定地分散在水中。