含聚乙二醇的嵌段共聚物的合成及自组装研究进展

栗志广，马晓燕，常 海，陈智群

（1西北工业大学空间应用物理与化学教育部重点实验室和陕西省高分子科学与技术重点实验室，陕西 西安710129；2西安近代化学研究所，陕西 西安 710065）

聚乙二醇（PEG）和聚环氧乙烷（PEO）是两个亲水性聚合物，有趣的是它们具有相同的化学结构，但是制备方法不一样。聚乙二醇（PEG）通过乙二醇的缩合制备，而聚环氧乙烷（PEO）通过环氧乙烷开环聚合制备[1]。由于它们具有良好的亲水性和柔软性，常常被用于制备两亲嵌段共聚物，具有良好的物理化学特性和生物相容性，具有一些独特的性质，如溶解性、黏弹性、生物降解特性等，在生物医药[2-3]、表面化学[4-5]和电化学[6]领域有潜在的应用价值，受到越来越多科学家们的关注和研究。

嵌段共聚物由热力学上互不相容的链段通过化学键连接而成，在选择性溶剂中发生微相分离，在介观尺度上形成各种有序的自组装形貌。自组装形貌会直接影响材料的性能与应用。影响自组装形貌的因素有嵌段共聚物的组成、链长、外场条件及自组装的方法等。自组装分为本体自组装和溶液自组装，含PEG的嵌段共聚物的自组装一般采用溶液自组装，根据链结构的不同可以形成不同形貌的自组装结构，如球状、囊泡状、棒状、蠕虫状等，嵌段越长聚集状态越复杂，这些结构在纳米材料、药物控释、介孔材料、光电材料中有潜在的应用价值，成为当前研究的热点问题，利用含PEG的嵌段共聚物自组装形貌来开发更多的新材料已经成为今后发展的一个方向。

1 含PEG的嵌段共聚物的合成

含PEG的嵌段共聚物有多种合成方法，如活性阴离子聚合、活性阳离子聚合、可控/活性自由基聚合、缩聚反应等。常采用的合成方法是活性自由基聚合的方法，有原子转移自由基聚合（ATRP）、氮氧稳定自由基聚合（NMP）、可逆加成断裂链转移聚合（RAFT）等，其中以ATRP技术应用最为广泛。

1.1 ATRP法合成含PEG的嵌段共聚物

原子转移自由基聚合具有无链转移、无链终止和引发速度远大于增长速率的特点，为合成具有预定相对分子质量，预定端基功能化以及相对分子质量分布窄的聚合物提供了一种有效的方法。ATRP法合成含 PEG的嵌段共聚物首先合成卤化物为端基的PEG大分子引发剂，过渡金属配合物作为卤原子载体，实现卤原子可逆转移，聚合成所需结构的嵌段共聚物。该法已成功地制备了相对分子质量大小可控的含PEG的端官能基聚合物、梯度共聚物、接枝共聚物及星形[7-8]、梳形[9]、H形[10-11]及超支化聚合物[12]。

Chen等[13]通过两步ATRP法合成了含PEG段的两亲五嵌段共聚物。他们首先合成了Br-PEG4600-Br大分子引发剂，在2,2-联吡啶和CuBr的催化体系下与甲基丙烯酸甲酯（MMA）单体通过 ATRP反应合成了三嵌段共聚物 Br-PMMA-b-PEG4600-b-PMMA-Br，然后再以这个三嵌段共聚物为大分子引发剂，同样的催化体系下与1-(甲基丙烯酰氧乙氨基-羧甲基)芘（PyMOI）通过 ATRP反应合成了两亲五嵌段共聚物 Py-b-PMMA-b-PEG4600-b-PMMA-b-Py。此五嵌段共聚物具有相对窄的相对分子质量分布，PEG链段的结晶度因为引入了PMMA和PyMOI链段发生了变化，PyMOI的增加得到了较大的聚集体尺寸，五嵌段共聚物的浓度为1.0 mg/mL时是链状聚集体形态。

An等[8]首先合成亲水性四臂官能化PEG大分子引发剂，然后大分子引发剂与苯乙烯和氯甲基苯乙烯（CMS）ATRP聚合，并控制链段的长度和数量，CMS中苯甲基上的氯也能引发进一步的苯乙烯单体聚合，因此通过调节 CMS与亲水四端功能化的大分子引发剂初始投料比来控制每个引发剂官能团分支的数量，进而控制PS链段的数量，增加CMS单体的投料比，会产生更多ATRP聚合的引发点。PS链的平均链段长度也通过调整苯乙烯与CMS的投料比和聚合时间来控制。在特定的时间内，得到的聚合物具有良好的结构和架构控制，得到两亲星形嵌段共聚物。使用过量的 CMS和反应较长的时间导致两亲嵌段共聚物具有4个超支化聚合物臂的树枝状高分子，与一般星形聚合物相比接近于球形核壳结构，如图1和图2所示。

Li等[11]用合成的PEG大分子引发剂引发苯乙烯ATRP聚合，在其两端各聚合两个聚苯乙烯（PS）支链嵌段，合成了 H 形嵌段共聚物(PS)2-b-PEG-b-(PS)2，如图3所示，并用NMR和GPC验证了产物的H形结构。DSC测试结果表明，当H形嵌段共聚物中PEG嵌段相对分子质量越大，结晶能力越强。

图1 两亲星形嵌段共聚物控制结构的合成反应

图2 核-壳状嵌段共聚物的合成反应

图3 H形嵌段共聚物(PS)2-b-PEG-b-(PS)2的制备

1.2 NMP法合成含PEG的嵌段共聚物

NMP 技术的机理是利用控制氮氧稳定自由基与增长链自由基之间的结合和可逆分解平衡来实现单体的活性可控聚合，通过单分子引发剂分解为活性自由基，在稳定的氮氧自由基存在下使活性自由基变稳定的聚合，氮氧稳定自由基不能引发单体聚合，但能与增长链自由基结合成休眠种，受热情况下断裂成自由基而继续与单体反应聚合，NMP法在含PEG的嵌段共聚物中有较多的应用[1，14-15]。

Perrin等[14]用NMP法合成了PS-b-PEO-b-PS。首先合成 AMA-SG1即N-叔丁基-N-[1-二乙基二氧磷基-(2,2-二甲基丙基)]烷氧基胺，以 AMA-SG1烷氧基胺和 PEO反应生成双官能团 PEO大分子引发剂SG1-AMA-PEO-AMA-SG1，然后PEO大分子引发剂与苯乙烯发生氮氧稳定自由基聚合生成PS-b-PEO-b-PS三嵌段共聚物，其具有较大的链尺寸和链长度，PDI为1.1～1.3，相对分子质量分布比较窄。

Wegrzyn等[15]用PEO大分子引发剂利用NMP法合成了PEO-b-PI两亲嵌段共聚物。采用相对分子质量Mn=5200 g/mol的PEO单甲醚与2-溴丙酰溴反应，然后用2,2,5-三甲基-4-苯基-3-氮杂己烷-3-硝基氧取代端基的溴，制得 PEO大分子引发剂，并在125 ℃下引发异戊二烯单体进行本体氮氧稳定自由基聚合，制得相对分子质量分布较窄的两亲嵌段共聚物PEO-b-PI。

1.3 RAFT法合成含PEG的嵌段共聚物

2 含PEG的嵌段共聚物的自组装及其应用

图4 PEG-CTA和PEG-b-PADMO嵌段共聚物合成反应

含 PEG的嵌段共聚物由于热力学性质不同在水中自组装形成各种不同形貌的超分子结构，如球形胶束、管状胶束、囊泡和蠕虫状聚集体。这些超分子结构在纳米反应器、纳米材料、药物控释、人工组织和软生物物质中具有潜在的应用价值，近几十年来引起了广泛的研究兴趣。

2.1 含PEG的嵌段共聚物在溶液中的自组装

含 PEG的嵌段共聚物由于各链段通常是热力学不相容的，当溶解在选择性溶剂中时，溶解性差的链段就会互相聚集，在最小化界面张力的驱动下，便会形成核壳胶束或者囊泡等超分子聚集体。胶束大体上呈分散球形，不溶性链段形成胶束核，可溶性链段在核周围形成壳层。在水溶液中，亲水PEG链段以溶剂化形式在核周围形成壳层。PEG链段较长时，含PEG的嵌段共聚物在水溶液中形成大壳小核的胶束，反之含较长疏水链段的含PEG的嵌段共聚物在水溶液中形成大核小壳的胶束。但在一定条件下会发生变化，与嵌段共聚物的组成、添加剂的种类及加入方式、浓度、温度和pH值多种因素有关。到目前为止，人们已经发现了球状、囊泡状、棒状、蠕虫状等多种形态的自组装体[19-23]。

超临界CO2具有环保、操作安全、价廉易得、近似于液体的密度和低黏度等特性，同时具有高扩散性和高溶解性的优点，因此近年来在聚合物合成方面应用广泛。Xu等[20]用超临界CO2法诱导PS-b-PEO嵌段共聚物形成了囊泡，当嵌段共聚物溶解在四氢呋喃（THF）中，在70 ℃下超临界CO2处理不同时间，嵌段共聚物先组装成聚集球体，然后聚集球体演变为大的聚合物胶束，最后演变为囊泡。

Tan等[24]合成了聚乙二醇-b-聚(甲基丙烯酸异丁酯-多面体低聚倍半硅氧烷)[PEG-b-P(MA-POSS)]两亲嵌段共聚物，PEG作为亲水嵌段，P(MA-POSS)作为疏水嵌段，POSS纳米粒子用于调节胶束的形成、凝胶化和流变性能。通过加入疏水POSS纳米微粒到两亲嵌段共聚物中，在水溶液中对自组装产生很大影响，增加POSS的含量导致形成较大的胶束尺寸和较高的聚集数，在溶液中聚集的胶束和凝胶结构如图5所示。

2.2 含PEG的嵌段共聚物在药物载体方面的应用

PEG是生物可降解高分子，所以含 PEG的嵌段共聚物胶束在生物医学方面具有重要的应用价值，嵌段共聚物胶束可以溶解多种小分子，其尺寸与病毒的尺寸接近，可以在血液中稳定存在一定时间，是很好的靶向载体、药物输送载体[3，25-32]。

Xiong等[32]合成了以PEO作为亲水链段，聚己丙酰胺作为疏水链段的两亲嵌段共聚物PEO-b-PCL，在其表面与甘氨酸-精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸-丝氨酸五肽共轭成不同形貌的 GRGDSPEO-b-PCL，与化学共轭、物理装载阿霉素自组装成胶束，如图6所示。

Yao等[30]合成了pH值响应的ABC三嵌段共聚物作为疏水性药物细胞内输送载体，用 DMA（甲基丙烯酸二甲氨基乙酯）、ε-CL（己内酯）和 PEG大分子引发剂合成三嵌段共聚物 PEG-b-PDMA-b-PCL。三嵌段共聚物溶于水，在不同 pH值自组装成不同的聚集体，这些聚集体的尺寸可以变化，结果表明PCL嵌段作为药物载体，PDMA嵌段pH值响应释放，PEG嵌段对生物亲和性具有重要作用，因此含PEG的嵌段共聚物作为pH值响应的疏水性药物细胞内输送载体在生物医药方面具有很大应用前景。

2.3 含PEG的嵌段共聚物介孔材料的制备

含 PEG的嵌段共聚物形成的介孔材料具有巨大的比表面积、均一可调的介孔孔径以及良好的稳定性，在吸附与分离、催化、气体存储、生物医药等众多领域具有广阔的应用前景。

Deng等[33]以合成的两亲嵌段共聚物PEO-b-PS为模板，通过蒸发诱导自组装方法合成介孔二氧化硅和二氧化碳的毛孔模板，甲阶酚醛树脂和正硅酸乙酯分别为二氧化碳和二氧化硅的前体，通过小角X射线衍射法和透射电镜法显示孔碳材料（C-FDU-18）在大的排列次序下具备面心封闭立方微观结构，氮气吸附等温线显示在窄的孔径分布下有平均值为 22.6 nm的孔，介孔二氧化硅（Si-FDU-18）也显示高度有序面心立体封闭微观结构，形成过程如图7所示。

图5 PEG-b-P(MA-POSS)嵌段共聚物胶束和凝胶结构图

图6 化学偶联或物理装载阿霉素与GRGDS-PEO-b-PCL胶束的形成

Meng等[34]以嵌段共聚物PEO-b-PPO-b-PEO为结构导向剂，以甲阶酚醛树脂（resol）为碳前体，通过溶剂蒸发自组装过程得到了 PEO-b-PPO-b-PEO/resol复合材料。随后在100 ℃热聚合酚醛树脂，600 ℃炭化得到了各种结构的高度有序的介孔碳材料，如图8所示（图中La表示层状，Iad表示螺旋立方，p6m表示平面六方，Imm表示体心立方）。

2.4 含PEG的嵌段共聚物修饰碳纳米管

碳纳米管由于其独特的纳米中空结构、封闭的拓扑构型及不同的螺旋结构使其具有诸多优异性能，如高强度、高弹性、较大比表面积、耐热性、导电性和耐腐蚀等特性。但是碳纳米管间较大自发团聚的趋势严重影响其性能的发挥，因此采用含PEG的嵌段共聚物对碳纳米管进行表面改性引起人们极大兴趣[35-38]。

图7 PEO-b-PS为模板的高度有序介孔碳及形成图

图8 高度有序介孔碳的制备

Semaan等[36]用含 PEG的两亲嵌段共聚物PE-b-PEO、PPO-b-PEO、PT-b-PEO作为分散剂，制成了嵌段共聚物/多壁碳纳米管（MWCNT）复合物。MWCNT在水溶液中由含 PEG的两亲嵌段共聚物包覆，分散体复合材料结晶行为与纳米粒子在聚合物基体的分散有关，所以碳纳米管在水相中的分散主要是由于PEG嵌段共聚物作用的结果。

Zhao等[38]通过缩合反应和氧化还原聚合反应使 PEG-b-PAN两亲嵌段共聚物与多壁碳纳米管（MWCNT）接枝，通过红外和热重确定化学结构和接枝聚合物产率。透射电镜显示的碳纳米管上涂有聚合物层，MWCNT-g-PEG-b-PAN在DMF中分散几个月依然比较稳定。结果显示高浓度的碳纳米管可以被分散在聚合物基体中，膜的形貌和表面的亲水性的特点通过 MWCNT-g-PEG-b-PAN的组成来控制。

3 结 语

近年来，含PEG的嵌段共聚物在药物载体、基因治疗、纳米材料等方面的研究取得了相当大的发展，但现阶段含PEG的嵌段共聚物物种较少，因此开发多种结构可控、具有多重的自组装驱动力的功能性含PEG的嵌段共聚物，构建具有新型结构、形貌可控的自组装体，开发其新的应用领域等相关研究仍然是今后一段时间的研究热点。

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