RAFT 分散聚合诱导自组装制备PDMAs -PSx 嵌段共聚物纳米颗粒

梁海洋， 杨永启， 张 玲

(上海大学环境与化学工程学院， 上海 200444)

具有特定形貌或特定功能基团的聚合物纳米颗粒， 在药物传递[1]、成像剂[2]、纳米反应器[3]、皮克林乳化剂[4]、刺激响应性智能纳米材料[5]等方面应用广泛.Szwarc 等[6]提出了活性聚合的概念， 并制备了分子量可控的嵌段共聚物.这解决了自由基聚合中， 由于链终止反应而导致的分子量分布变宽的问题.1990～1998 年， 活性可控自由基聚合取得了突破性进展， 可逆加成-断裂-链转移(reversible addition-fragmentation-chain transfer， RAFT)自由基聚合[7]， 氮氧调控自由基聚合(nitroxide-mediated polymerization， NMP)[8]和原子转移自由基聚合[9]成为主要的活性自由基聚合技术.RAFT 聚合有诸多优势: ①适用单体范围广， 已被广泛研究的单体包括(甲基)丙烯酸酯类、(甲基)丙烯酸类、丙烯酰胺类等; ②RAFT 试剂比较稳定， 可以根据需要设计末端基团， 从而制备功能化高分子[10]; ③适应于不同的分散体系， 如溶液聚合、乳液聚合、分散聚合.

20 世纪60 年代初， Climie 等[11]首次使用嵌段共聚物自组装制备了分子量精确控制的嵌段共聚物.传统的两亲性嵌段共聚物自组装方法一般是先制备双亲性嵌段共聚物， 然后在共溶剂中加入选择性溶剂， 在亲疏水驱动力下发生微相分离， 从而实现嵌段共聚物自组装.Gao 等[12]将聚(4-乙烯基吡啶)-聚苯乙烯(poly(4-vinylpyridine)-polystyrene， P4VP-PS)二嵌段共聚物溶解在N， N-二甲基甲酰胺(N，N-dimethyl-formamide， DMF)中， 并逐渐加入水或甲醇以诱导形成球形胶束.Zhang 等[13-14]采用相同的方法， 分别改变了聚(丙烯酸)(polyacrylic acid， PAA)和PS 的聚合度(degree of polymerizations， DPs)， 制备了更复杂的形貌(如球、棒或囊泡).但该方法最主要的局限是操作繁琐.自组装一般在稀溶液中进行， 质量浓度小于1 mg/mL[15]， 这为纳米颗粒的大量制备带来了挑战.

RAFT 聚合诱导自组装(polymerization-induced self-assembly，PISA)克服了以上缺点，通过参考堆积参数p[15]， 可在高固体含量(10～50%)下， 采用一锅法制备高级形貌且重现性好的纳米颗粒.RAFT 分散PISA 过程主要为RAFT 溶液聚合阶段以及聚合和异相聚合阶段，后者因疏溶剂嵌段分子量增大， 开始不溶于溶剂， 发生相分离， 此时聚合和自组装同时发生.Armes等[16]、Boyer 等[17]， An 等[18]均已通过这种方法进行了大量的研究.

早期研究通过苯乙烯(styrene， St)乳液聚合[19]， 得到了形貌单一的球状胶束.直到2009年， Pan 等[20-21]取得了突破性进展， 在P4VP 和St 投料质量比高达1∶5 000 甚至1∶10 000的情况下， 在甲醇中进行了分散聚合， 实现了球形到虫状或囊泡形貌的转变.之后， Pan等[22-23]在此研究基础上， 或通过加入均聚物PS 制备了蛋黄/壳状纳米颗粒， 或通过主要调节链转移剂(chain transfer agent， CTA)中P4VP 的含量制备了多层囊泡.另外， 通过将CTA改变为甲基丙烯酸-N，N-二甲氨基乙酯(2-(dimethylamino)ethylmethacrylate，DMAEMA)[24]，PAA[25]和聚氧化乙烯(polyethylene oxide， PEO)[26]， 也可得到丰富的形貌， 并制备六方体中空这样复杂的形貌[27].这说明不同组分的嵌段共聚物也可实现丰富且复杂的形貌， 但存在一个明显的缺点， 即需要加入大量的St 进行聚合反应， 才能实现丰富的形貌.本工作采用聚合度不同的聚N，N-二甲基丙烯酰胺(poly N，N-dimethyl-acrylamide， PDMA)PDMA23和PDMA38作为大分子CTA， 在PDMA 和St 投料质量比相对较低的情况下， 分别探究了70°C 在乙醇中制备的PDMAs-PSx嵌段纳米颗粒形貌随聚合度增大的转变情况.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

N，N-二甲基丙烯酰胺(N，N-dimethyl-acrylamide， DMA， 纯度98%)和偶氮二异丁腈(azodiisobutyronitrile， AIBN， 纯度99%)购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司; 苯乙烯(纯度99.5%)购于上海安耐吉化学有限公司; 乙醇(纯度99.7%)购于国药(上海)化学试剂有限公司; 小分子链转移剂(CTA)参考文献[28]方法制得.

德国IKA 磁力加热搅拌器; JEOL 400 MHz 核磁共振波谱仪; 凝胶渗透色谱(gel permeation chromatography，GPC)，以DMF(HPLC 级，含质量浓度为1.75 mg/mL 的LiBr)为洗脱液， 流速为0.7 mL/min， 柱子和检测器温度为45°C; Malvern Nano ZS90 动态光散射(dynamic light scattering，DLS)粒度仪;日立Hitachi HT7700 透射电子显微镜(transmission electron microscope， TEM).

1.2 实验过程

1.2.1 RAFT 溶液聚合制备链转移剂PDMAs

本工作采用了两种不同聚合度(DP=23 和38)的PDMA， 制备方法和步骤相似(见图1).以PDMA38为例， 制备步骤如下: 在100 mL 干燥的圆底烧瓶中加入准确称量的CTA(0.7557 g， 3.360 mmol)， DMA(13.36 g， 134.8 mmol)和28 mL DMF， 充分搅拌溶解， 取出50 μL 的混合液备用; 用橡胶塞密封置于冰水浴中， 通氮气除氧30 min; 将反应瓶放入转速为500 r/min、温度为70°C 的油浴锅中， 待温度恒定后， 用微量注射器注入100 μL 已除氧的含AIBN (110.6 mg， 0.6735 mmol)的DMF 溶液， 在氮气保护下反应100 min.通过核磁共振氢谱(1H-nuclear magnetic resonance，1H-NMR)， 对比了0 和100 min 后混合液中DMA 乙烯基信号峰(5.30×10-6， 5.98×10-6)的积分面积， 得到转化率为95%.将粗产物在过量的乙醚中沉淀3 次， 真空干燥2 d， 得到7.23 g 纯的黄色固体， 产率为51%.

图1 通过RAFT 溶液聚合在70 °C 下制备大分子链转移剂PDMA38Fig.1 Synthesis of macro-CTA PDMA38 by RAFT solution polymerization at 70 °C

1.2.2 RAFT 分散聚合制备嵌段共聚物纳米颗粒

图2 为嵌段共聚物纳米颗粒的制备过程，具体的聚合条件如下: [AIBN]/[PDMAs]=0.5(质量比)， 反应温度为70°C， 搅拌速率为500 r/min， 固体含量为20%.以制备PDMA23-PS200为例， 制备步骤如下: 在20 mL 的反应瓶中依次加入PDMA23(0.032 2 g， 1.30 μmol)和St(0.268 g， 2.57 mmol); 封口鼓氮除氧30 min 后， 注入1.5 mL 已除氧的乙醇; 将反应瓶放入70°C 油浴锅中， 待温度恒定后， 向反应瓶中注入156 μL 已除氧的含AIBN(0.833 mg，5.07 mmol)的乙醇溶液; 在氮气保护下反应24 h 后， 开口冰水浴猝灭自由基， 停止反应.

图2 通过RAFT 分散聚合在70 °C 下制备嵌段共聚物纳米颗粒Fig.2 Synthesis of copolymer nanoparticles by RAFT dispersion polymerization at 70 °C

2 结果与讨论

2.1 PDMA23 和PDMA38 结构的表征与分析

将纯化后的PDMA23和PDMA38分别进行1H-NMR(400 MHz， CDCl3)和GPC 表征(见图3).由于PDMA23和PDMA38是聚合单元相同.长度不同的高分子链， 因此1H-NMR 谱图对应的化学位移很接近.以PDMA23为例， 本工作分析了化学环境不同的氢对应的化学位移δ， 结果如图3(a)所示， 其中a 对应1.1×10-6(t， —CH3)， b 对应3.3×10-6(q， —SCH2—)，c 对应2.7×10-6～2.2×10-6(m，backbone—CH—)，d 对应2.0×10-6～1.2×10-6(backbone—CH2—)， e 对应3.1×10-6～2.7×10-6(m， backbone —N(CH3)2)， f 对应5.2×10-6(m，—COOCH—)， h 对应3.7×10-6(m， —OCH3).可见， e 对应了聚合单元上6 个H 的高分子信号峰， 说明有PDMA 的合成.通过计算e 和b(非聚合单元2 个H 的信号峰)信号峰面积的比例(DP=Ae/(3Ab)， 其中A为特征峰的积分面积)， 可知PDMA23的DP 为23.由图3(c)可知，通过GPC 表征得到了峰形对称的曲线， 且是分子量较大的PDMA38先出峰， 这符合GPC 测试原理.测得PDMA23的数均分子量为Mn，GPC(DMF)= 2 223 g/mol， 分子量分布D= 1.11，与理论分子量相近.用同样的方法， 测得PDMA38的Mn，GPC(DMF)=3 913 g/mol，D=1.09，也与理论分子量(Mn，th=3 991.2 g/mol)相近.这说明本工作得到了分子量一定且分子量分布窄的大分子CTA PDMA23和PDMA38，为后续研究提供了可靠的保障.

图3 PDMA23 和PDMA38 在CDCl3 中的1H-NMR 谱和GPC 曲线Fig.3 1H-NMR spectrum of PDMA23 and PDMA38 in CDCl3 and GPC traces of PDMA23 and PDMA38

2.2 PDMAs-PSx 的1H-NMR 和TEM 表征与讨论

以 聚 合 配 方 [St]∶[PDMA23]∶[AIBN]=150∶1∶0.5(质 量 比)为 例， 在V(DMF)∶V(DMSO-d6) = 1∶1 的混合溶剂中对反应36 h 后的聚合物-St 混合物进行1H-NMR 表征(见图4).结果发现: a 为PS 上6 个H 的高分子信号峰(苯环上的5 个H 及主链上的1 个H)及单体对应位置H 的信号峰， 证实得到了PS 聚合物; b 和c 分别为St 单体上乙烯基末端一个H 的信号峰.以Aa(δ=7.5～6.0)=6 为标准， 通过转化率公式Conv=(1-A((b+c)/2))×100%=83%，计算得出实际聚合度DPactural=DPtarget×Conv=150×83%=126， 证实得到了疏水嵌段实际聚合度为126 的共聚物.同理可得其他聚合条件的转化率和实际聚合度.

图4 PDMA23-PS126 聚合物在DMSO-d6 中的1H-NMR 谱Fig.4 1H-NMR spectrum of PDMA23-PS126 in DMSO-d6

取20 μL 样品分散在4 mL 乙醇中得到固体含量为0.1%的分散液.通过DLS 测试粒径和多分散性， 详细数据如表1 和2 所示.当固体含量为20%时， 通过调整稳定嵌段PDMA 分子量， 探究了关键参数对形貌的影响， TEM 表征结果如图5 所示.实验结果显示: 当使用分子链较短的PDMA23时， 可通过改变PS 的聚合度来调控形貌; 当实际聚合度由70 增加到126 时，疏水嵌段长度和体积增加， 堆积参数p增大， 球形纳米颗粒融合， 转化为短虫和小囊泡的混合形貌(见图5(b)); 当聚合度继续增加到162 时， 短虫形貌转化为高级别囊泡形貌， 且囊泡平均尺寸增加(见图5(c)); 当聚合度为249 时， 开始显现出p ＞1 的趋势， 部分囊泡通过非弹性碰撞聚集形成了复合囊泡(见图5(d)); 当使用分子链较长的PDMA38时， 随着聚合度从162 增加到410， 在较宽的聚合度范围内都可得到均匀的球形纳米颗粒(见图5(e)～(h)和表2).对图5(h)中的41 个球形进行粒径统计分析， 结果显示， 最大和最小粒径分别为85 和62 nm， 平均粒径为71 nm， 与DLS 得到的粒径(见表2)很接近.综上可知， 使用分子链相对较短的稳定嵌段， 可提高纳米颗粒间的有效非弹性碰撞率， 有助于颗粒融合， 从而促进形貌转化(由球形转化为囊泡).这为以后在研究中制备复杂形貌或是均匀球形的纳米颗粒提供了一条可借鉴的思路.

表1 用PDMA23 作为CTA 备纳米颗粒的总结Table 1 Summary for the synthesis of nanoparticles using PDMA23 as the CTA

表2 用PDMA38 作为CTA 制备纳米颗粒的总结Table 2 Summary for the synthesis of nanoparticles using PDMA38 as the CTA

图5 两嵌段共聚物PDMAs-PSx 的TEM 图Fig.5 TEM micrographs for block copolymer PDMAs-PSx

3 结束语

本工作分别使用两种聚合度不同的链转移剂(PDMA23和PDMA38)， 在相同的聚合条件下， 通过改变聚苯乙烯的聚合度， 调控聚合物纳米颗粒的形貌转变.对所制备的聚合物纳米颗粒进行1H-NMR， DLS 和TEM 测试， 得到以下结论: 当以PDMA23为链转移剂时， 随着聚苯乙烯聚合度的增加， 实现了从球形形貌到短蠕虫和尺寸较小囊泡形貌的转变; 继续增大聚合度可以实现尺寸较大囊泡形貌到囊泡/复合囊泡混合形貌的转变; 当以PDMA38作为链转移剂时， 在较宽的聚合度(162～410)范围内仍可得到粒径均匀的球形纳米颗粒.本研究为制备特定尺寸、特定形貌的聚合物纳米颗粒， 以及制备粒径均匀的球形纳米颗粒提供了思路借鉴.