ABC三嵌段共聚物胶束从多间隔结构到多核结构转变的Monte Carlo模拟

樊娟娟，韩媛媛，崔 杰

（1.吉林农业大学信息技术学院,长春130118；2.辽宁石油化工大学石油化工学院,抚顺113001）

两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中能够通过自组装形成球状、棒状、环状和囊泡状胶束等结构丰富的有序聚集体［1～7］.由传统的二元嵌段共聚物（AB两嵌段和ABA三嵌段共聚物）制备的胶束仅含有一个被亲水壳层包围的疏水核心，当聚合物胶束作为药物载体时，这种结构只能提供单一区间进行药物负载［8，9］.在20世纪90年代，人们提出了一种新型的多间隔胶束的概念［10，11］.多间隔胶束通常由三元共聚物制备而成，其中亲水嵌段（P）形成的壳层分布在胶束的最外侧，两个具有不相容性的疏水嵌段（H）则形成一个具有隔段结构的疏水性核心.多间隔胶束疏水性核心的隔段结构可以用来选择性地负载多种互不相容的小分子药物，同时胶束的亲水外壳可以使其在物理介质中保持胶束整体结构的稳定.多间隔胶束这种微妙的微观结构使其在载药、纳米技术和催化等领域得到广泛的应用并备受关注［12～16］.

包含一个亲水嵌段和两个连续排列的疏水嵌段的P-H-H型线形ABC三嵌段共聚物是一种典型的能够自组装形成多间隔胶束的嵌段共聚物［17～19］.早在1998年，Yu等［17］就采用此类三嵌段共聚物制备出由疏水嵌段交替排列形成的洋葱状球形多间隔胶束.Dupont等［19］通过调节末端嵌段的疏水作用观察到疏水核结构更为复杂精密的多间隔棒状胶束，棒状胶束中两种疏水嵌段形成的相区相互缠绕形成双螺旋结构.这些研究结果表明，与AB两嵌段共聚物相比，疏水嵌段C的引入一方面使得ABC三嵌段共聚物胶束结构更加丰富，但另一方面也使其自组装过程变得更加复杂.为了深入了解影响此类ABC三嵌段共聚物胶束整体结构和疏水核心多间隔结构的各种因素，人们开展了一系列计算机模拟研究［20～23］.Monte Carlo模拟结果表明，胶束疏水核的多间隔结构依赖于两个疏水嵌段的体积分数之比及二者的不相容性，而胶束的整体结构则取决于溶液中ABC三嵌段共聚物胶束的浓度［21］.除了线形ABC三嵌段共聚物，随着合成技术的发展，人们已合成出越来越多的具有精密配比和链构型的ABC三元共聚物，其中ABC星形三杂臂三元共聚物［24～26］、具有两个疏水臂的π型ABC三元共聚物［27］及两端亲水中间为两个连续排列的疏水嵌段的ABCA四嵌段共聚物［28～30］均可用于制备多间隔胶束.通过调节嵌段比例，人们观察到大量形态各异的多间隔胶束，包括疏水层微相分离形成螺旋结构或层状结构的囊泡、三角形双层膜、节状蠕虫及表面具有凸起的核壳胶束等［24，26］.

无论是线形还是非线形ABC三元共聚物，其在选择性溶剂中自组装形成的多间隔胶束中不同疏水核之间通常是相互接触的，即疏水核心之间具有共同的界面［Scheme 1（A）］.在近期的实验中，研究人员则观察到另一种具有复杂疏水核结构的多核胶束［31］.多核胶束与多间隔胶束的主要差别是在多核胶束中不同疏水核之间被亲水嵌段形成的相区分隔开，从而形成疏水区-亲水区交替排列的复杂结构［Scheme 1（B）］.具有这种复杂核心结构的多核胶束在模拟蛋白质和细胞等复杂生物系统方面具有独特的应用价值［32］.与多间隔胶束不同，多核胶束通常是由两端疏水中间亲水的H-P-H型ABC三嵌段共聚物制备而成.树莓状胶束是一种典型的多核胶束，最早由Laschewsky等［33，34］在实验中观察到.通过调节嵌段共聚物与溶剂之间的相互作用，人们在实验中还可以观察到疏水核与亲水微区交替排列的棒状多核胶束［31］.Lin等［32］则采用自洽平均场理论系统考察了嵌段比例和嵌段的亲水性对两端疏水中间亲水的ABC三嵌段共聚物自组装行为的影响，成功预测出多种复杂多核结构并明确了各种结构的形成条件.

Scheme 1 Schematic of the micelles with different hydrophobic core structures

虽然有关多核胶束的研究无论在理论上还是实验上均取得了一定进展，但目前针对两端疏水中间亲水的H-P-H型ABC三嵌段共聚物的研究仍不多见，人们对该类嵌段共聚物自组装行为的了解相对有限.从理论角度，H-P-H型ABC三嵌段共聚物链中的疏水嵌段位于链的两端，如果能够通过调节体系的疏水性等参数使聚合物链呈折叠构象，则体系中有形成疏水相区相互接触的多间隔胶束的可能.这意味着通过恰当选取选择性溶剂，H-P-H型ABC三嵌段共聚物既可以形成多核胶束又可以形成多间隔胶束.基于此，本文采用Monte Carlo模拟方法系统地考察了H-P-H型ABC三嵌段共聚物在B嵌段的选择性溶剂中的自组装行为，并在微观尺度上对嵌段的疏水性和不同嵌段之间的不相容性等参数如何影响聚合物链的构象从而影响胶束结构进行了一系列分析.

1 理论模型及参数设置

采用Monte Carlo模拟方法中的格子模型来研究H-P-H型A7B6C7三嵌段共聚物在B嵌段的选择性溶剂中的自组装行为，其中A嵌段和C嵌段为疏水嵌段，B嵌段为亲水嵌段.格子尺寸为V=603，其x，y，z3个方向上均为周期性边界条件.由于排除体积效应，体系中高分子链上的两个链单元不能同时占据一个格点.在模拟过程中，采用键长涨落模型［35，36］，即体系中高分子链的键长允许选取1和 2两个值.采用部分蛇形算法进行高分子链构象的演化［37］.具体步骤如下：随机选取1个高分子链单元，并在该链单元的18个最近邻位置中随机选取一个溶剂分子尝试进行交换.如果此次交换没有导致键发生断裂则运动被允许；如果交换导致两侧键的断裂则运动被禁止；如果此次交换只导致一侧键发生断裂，那么这个溶剂分子将继续与后面的链单元进行交换直至新形成的键长满足键长涨落.链单元最终能否移动还要由Metropolis抽样原理［38］做进一步判定：如果移动前后体系能量的改变ΔE是负值，则交换运动将被接受；否则，交换运动被接受的概率将取决于P=exp(-ΔE/kBT)，其中是尝试运动所引起的体系能量改变，ΔNij是组分i与j在尝试交换前后相互作用对数的改变，i，j=A，B，C，S（溶剂分子），εij是组分i与j之间的相互作用能，kB是玻尔兹曼因子，T是体系的温度.

格子中高分子链的浓度为6%，即体系中含有12960个高分子格点（648条高分子链），203040个溶剂分子.在体系演化过程中，A嵌段和C嵌段与溶剂之间的相互作用（即A和C嵌段的疏水性）εAS和εCS均大于0，且二者疏水性相当，即εAS=εCS=εphobic＞0；B嵌段与溶剂之间的相互作用（即B嵌段的亲水性）为εBS=-1；不同嵌段间的不相容性为εAB=εBC=1，εAC＞0；体系中相同组分之间的相互作用均为0，即εAA=εBB=εCC=εSS=0.模拟过程中采用了缓慢退火的方式，退火过程如下：一个Monte Carlo步（MCS）定义为平均所有的高分子格点做一次尝试移动需要的时间，一个时间步包含7000个MCS；体系退火过程被分为300个时间步，1/kBT以每个时间步变化0.001的速度从0变到0.3.在经历300个时间步之后，保持1/kBT=0.3不变，继续运行100个时间步（7×105MCS）来确保所得到的结构稳定.

2 结果与讨论

分别讨论了疏水嵌段的疏水性（εphobic）和A/C嵌段间的不相容性（εAC）对A7B6C7三嵌段共聚物在B嵌段的选择性溶剂中的自组装行为的影响.模拟结果给出了εphobic和εAC对体系胶束结构、胶束中聚合物链的微观构象及胶束形成过程的影响规律.

2.1 疏水嵌段的疏水性对嵌段共聚物自组装行为的影响

在A/C嵌段间的εAC=0.5的情况下考察了A和C嵌段的疏水性对体系自组装行为的影响，A和C嵌段的εphobic从0.8（弱疏水性）增至2.5（强疏水性）.图1示出了ABC三嵌段共聚物胶束形貌结构随εphobic的变化.由图1（A）可以看出，当疏水嵌段的疏水性较弱时（εphobic=0.8），ABC三嵌段共聚物自组装形成了树莓状胶束.树莓状胶束是H-P-H型ABC三嵌段共聚物能够形成的一种典型的多核胶束结构［32］.与实验中观察到的结构相似，在我们模拟得到的树莓状胶束中，A和C嵌段分别聚集形成了多个独立存在的疏水核［典型的疏水核形貌结构如图1（A1）所示］，而亲水嵌段B则形成了连续相，将疏水核包裹于其中.当εphobic增加至1.0时，聚合物胶束的疏水核结构发生了转变，由A和C嵌段分别形成的小球转变为A和C嵌段交叠的汉堡形或Janus球状结构［图1（B1）］.Janus球这种具有表面各项异性的粒子实际上还可以作为组装基元进一步组装成在更大尺度上有序的聚集体［39～42］，因此在光子晶体和微电子材料等领域具有广泛应用价值.在图1（B）所示的胶束中，多个汉堡形或Janus形疏水核均匀地分布在B嵌段形成的相区中，即汉堡形或Janus形疏水核之间是被亲水嵌段形成的相区分隔开，因此该结构也可以看作是一种多核型胶束，在后续的讨论中我们将此类胶束也称为树莓状胶束.进一步增加εphobic，体系中的胶束结构逐渐由多核胶束转变为A和C嵌段形成的疏水核交替排列的多间隔胶束，并且多间隔胶束的整体形貌结构随着疏水性的增强出现了由短棒［图1（C1）］至长棒［图1（D1）］、复合环［图1（E1）和（F1）］、片层［图1（H1）］直至囊泡［图1（I1）］的形貌转变.在上述多间隔胶束中，具有节状蠕虫状微结构的长棒状胶束［图1（D1）］、表面具有微相分离结构的片层［图1（H1）］和囊泡［图1（I1）］均为P-H-H型ABC三嵌段共聚物体系［18］或ABC星形三杂臂共聚物体系［26］中常见的典型多间隔胶束.这一模拟结果表明，与上述两种三元共聚物相似，通过适当调控疏水嵌段的疏水性，除了多核型胶束，H-P-H型ABC三嵌段共聚物也能够自组装形成多种具有复杂结构的多间隔胶束.

Fig.1 Micelle morphologies of ABC triblock copolymers in B-selective solvents atεAC=0.5 with differentεphobic

Fig.2 Distribution of chain angle(φ)in each typical micelle formed by ABC triblock copolymers shown in Fig.1

为了进一步理解疏水作用对ABC三嵌段共聚物体系中多核胶束与多间隔胶束间形貌转变的影响机制，本文统计了上述胶束中聚合物链的夹角（φ），φ为从B嵌段的质心（rB）分别到A嵌段的质心（rA）和C嵌段的质心（rC）的两个矢量之间的夹角［43］［图2（A）］.理论上，φ值的变化范围为0°～180°，φ值的大小直接反映了聚合物链的微观构象，即φ值越大，聚合物链越倾向于呈现A和C嵌段远离的伸展构象；反之，聚合物链则倾向于呈现A和C嵌段相互接触的折叠构象.图2（B）～（F）分别给出了几个典型胶束中聚合物链φ值的分布情况.由图2（B）可见，当疏水作用较弱时（εphobic=0.8），聚合物链夹角分布图中峰的位置在130°左右.说明在疏水作用较弱时形成的树莓状多核胶束中，大多数ABC三嵌段共聚物链均呈伸展状态.当疏水作用增强至εphobic=1.0时，φ值分别在50°和130°左右出现两个峰［图2（C）］，这意味着此时胶束中的聚合物链一部分呈A和C嵌段相接触的折叠构象，另一部分呈A和C嵌段远离的伸展构象.当疏水作用继续增强时［图2（D）～（F）］，φ值在大角度处的峰逐渐消失，而在小角度处的峰逐渐升高，这意味着体系中聚合物链的构象逐渐由A和C嵌段远离的伸展状态转变为A和C嵌段相互接触的折叠构象.上述模拟结果表明，疏水作用的增强有利于ABC三嵌段共聚物链折叠构象的形成.在具有折叠构象的ABC三嵌段共聚物链中，A和C嵌段相互接触，从而形成A和C相区间隔排列的多间隔型胶束.综合图1和图2的模拟结果，我们认为正是由于疏水作用增强引发的链微观构象的转变使得体系中发生由多核胶束向多间隔胶束的形貌转变.

通常情况下，胶束形貌转变过程中会伴随着体系中熵的变化.近期研究表明熵对于体系有序结构的形成至关重要［44，45］.为了进一步分析疏水作用对于体系熵的影响，统计了图1胶束中聚合物链的均方末端距（R2），该物理量与体系中链的构象熵直接相关.由图3可以看出，随着疏水作用的增加，胶束中聚合物链的均方末端距呈下降趋势.均方末端距的减小一方面反映了体系中聚合物链从伸展状态转变为折叠状态，这与图2的模拟结果一致；另一方面则反映了体系中熵的变化.Rubinstein等［46］曾指出高分子链的构象熵会随着高分子链末端距的减小而增加.均方末端距的减小意味着体系中链构象熵的增加，而熵的增加有利于体系自由能的降低.该模拟结果表明随着疏水作用的增强，高分子链会通过改变自身构象来降低体系的自由能.

疏水嵌段从溶剂中相分离出来的动力学过程及不同疏水嵌段之间相分离的动力学过程同样影响着体系最终形成的胶束的形貌结构.不同组分之间的相互作用对数反映了不同组分之间的接触程度，从而能够间接地反映出体系中不同组分之间的相分离程度.图4分别给出了当疏水作用较弱［图4（A）］和疏水作用较强［图4（B）］时，A和C嵌段之间的平均相互作用对数（NAC）及A和C嵌段分别与溶剂之间的平均相互作用对数（NAS，NCS）随模拟时间t变化的曲线.由图4（A）可见，NAC呈现先上升后下降的趋势.NAC的上升对应A和C嵌段在溶液中从松散状态开始聚集的过程；而NAC的下降意味着A和C嵌段之间开始发生微相分离.NAS和NCS曲线随着模拟时间的增加呈明显下降的趋势，对应着A和C嵌段分别从溶剂中相分离出来的过程.由图4（A）可以看出，NAC开始下降的时间与NAS和NCS快速下降所处的时间段非常相近（t≈180），表明A和C嵌段从溶液中相分离的过程及A和C嵌段间微相分离的过程几乎同时进行，体系在不同模拟时间的形貌结构图则可以进一步证明这一观点［图4（A）中插图（A1）～（A3）］.但当疏水作用较强时，这两个过程并不同步.由图4（B）可见，NAS和NCS在t≈30时开始呈现下降的趋势，但NAC在t≈80时才开始呈现下降趋势，说明A和C嵌段先从溶剂中相分离出来形成了胶束［图4（B）插图（B2）］，而后才在胶束中进一步发生微相分离，从而形成了表面呈微相分离结构的多间隔囊泡［图4（B）插图（B3）］.这一模拟结果表明，疏水作用除显著影响聚合物的链构象外，还会影响胶束形成过程中相分离的先后顺序.

Fig.3 Variations of mean square end-to-end distance R2 in each micelle formed by ABC triblock copolymers shown in Fig.1

Fig.4 Variations of the averaged contact numbers(N)with simulation time(t)at differentεphobic values

2.2 不同疏水嵌段间的不相容性对嵌段共聚物自组装行为的影响

当A和C嵌段间的排斥作用固定不变时，A和C嵌段疏水性（εphobic）的改变对体系中胶束的形貌结构、胶束类型、胶束中聚合物链的构象及嵌段间相分离的过程均有较大影响.本文在改变εphobic的同时也改变了εAC，一方面考察εAC对体系自组装行为的影响，另一方面综合考察εphobic和εAC在ABC三嵌段共聚物自组装过程中的共同作用，从而明确这两个相互作用之间的关系.

图5 给出ABC三嵌段共聚物胶束形貌结构随εphobic和εAC变化的相图.由图5可见，当疏水作用较弱，即εphobic=0.8时，在本文考察的εAC范围内，ABC三嵌段共聚物胶束均为树莓状多核胶束.树莓状多核胶束形成的主要原因是A和C嵌段间的排斥作用使得体系中的A和C嵌段分别聚集形成了相互独立的疏水核结构，这意味着当疏水作用较弱时，A和C嵌段间的排斥作用对体系中胶束形貌结构的形成起主导作用.当A和C嵌段间的排斥作用较弱，即εAC=0.3时，随着εphobic的增大，体系中出现了树莓状多核胶束向蠕虫状多间隔胶束、环形多间隔胶束及囊泡状多间隔胶束的转变.多间隔胶束的出现说明此时嵌段的疏水作用对体系中的胶束形貌结构起主导作用.为了进一步明确多间隔胶束与多核胶束的形成条件，将图5中多间隔胶束富集区与多核胶束富集区分别用不同背景颜色进行了标注.由图5可见，当εphobic较小而εAC较大时，体系中易于形成多核型胶束（阴影区域）；当εphobic较大而εAC较小时，体系中易于形成多间隔型胶束（白色背景区域）.这一模拟结果说明εphobic和εAC这两个相互作用之间存在竞争关系，而二者之间的竞争关系是影响ABC三嵌段共聚物胶束类型的决定性因素.当A和C嵌段之间的排斥作用很强时（εAC=3.0），由于εAC在体系中占主导地位，体系中的胶束均为多核胶束，此时虽然改变嵌段的疏水作用εphobic对于体系整体形貌结构的影响不大，但是随着εphobic的增加，多核胶束中的A或C嵌段形成的疏水核结构会发生转变.由多核胶束中典型的单个疏水核形貌结构图［图5（A1）～（E1）］及它们的截面图［图5（A2）～（E2）］可以看出，疏水核形貌会发生由小球［图5（A1）］至短棒［图5（B1）］再到片层［图5（C1）～（E1）］的一系列微相转变.

Fig.5 Morphological phase diagram of ABC triblock copolymers as a function ofεphobic andεAC

为了进一步证明εphobic和εAC这两个相互作用之间存在竞争关系，还考察了胶束中聚合物链夹角φ的分布情况.图6（A）～（D）分别给出了图5相图中的4个典型胶束（分别位于相图四角处）内的聚合物链夹角φ的分布情况.由图6（A）可见，当体系中疏水作用较弱（εphobic=0.8）并且A和C嵌段间排斥作用也较弱（εAC=0.3）时，胶束中聚合物链夹角φ值的分布图中有2个峰，分别位于40°和130°处，这意味着体系中聚合物链的构象一部分呈折叠状而另一部分呈伸展状.当增加A和C嵌段间的排斥作用至εAC=3.0时，胶束中聚合物链夹角的分布图上只有一个位于130°左右的峰［图6（B）］，这意味着此时胶束中大部分链均呈伸展状.通过对比图6（C）和（D）也可以观察到类似的现象，即随着εAC的增加φ值分布图中峰的位置会向大角度处移动.这说明无论体系中疏水作用强或弱，增加A和C嵌段间的排斥作用始终能够使胶束中聚合物链的构象呈现更加伸展的构象.而图2的模拟结果表明，增加嵌段的疏水性，胶束中的聚合物链构象会更加塌缩.图6和图2的模拟结果表明，εphobic和εAC这两个相互作用对聚合物链构象的影响是截然相反的，进一步证明了二者之间存在着竞争关系.

Fig.6 Distribution of chain angle(φ)in each typical micelle formed by ABC triblock copolymers shown in Fig.5

Fig.7 Variations of the averaged contact numbers(N)with simulation time(t)when the values ofεphobic is 2.5

针对A和C嵌段间排斥作用不同的体系，统计了体系演化过程中A和C嵌段之间的平均相互作用对数（NAC）和A及C嵌段分别与溶剂之间的平均相互作用对数（NAS，NCS）.图7（A）和（B）分别给出的是当εphobic=2.5时，A和C嵌段间排斥作用较弱的体系（εAC=0.3）和较强的体系（εAC=3.0）中，NAC，NAS和NCS随模拟时间t变化的曲线.通过2.1节中的讨论中可知，NAC值的下降意味着A和C嵌段发生了相分离，而NAS和NCS值的下降意味着A和C嵌段从溶剂中相分离出来并聚集形成胶束这一过程.通过对比图7（A）和7（B）所示的相互作用对数变化曲线以及图中给出的不同时刻的形貌结构图可以发现，在A和C嵌段间排斥作用较弱的体系中，胶束形成的过程明显先于A和C嵌段微相分离的过程［图7插图（A1）～（A4）］.然而增加εAC至3.0，胶束形成的过程和A与C嵌段间微相分离的过程几乎同时进行［图7插图（B1）～（B3）］.这一模拟结果表明，A和C嵌段排斥作用的增加能够使A和C嵌段在形成胶束前就已经发生微相分离，从而在胶束中形成相互独立的相区.

3 结 论

通过分析A和C嵌段间的排斥作用（εAC）和它们的疏水作用（εphobic）对体系中胶束形貌结构、链构象及体系中不同组分相分离的过程等一系列自组装行为的影响，证明了εAC和εphobic这两个相互作用之间存在着竞争关系.A和C嵌段间的排斥作用倾向于使聚合物链呈伸展状态，增强A和C嵌段间的排斥作用会加速A和C嵌段之间的相分离，从而使A和C嵌段在聚集成胶束之前就已经形成各自独立的疏水区域.但A和C嵌段的疏水作用则倾向于使聚合物链呈折叠构象，增强A和C嵌段间的疏水作用会使A和C嵌段因为被溶剂分子压缩而聚集在一起，形成A和C相区间隔出现的多间隔型胶束.因此若要得到具有独立核心结构的多核型胶束，增加A和C嵌段之间的排斥作用或降低嵌段的疏水性是可行的.反之，若要得到具有A和C嵌段交替排列的多间隔型胶束，则需增加嵌段的疏水性或降低A和C嵌段间的排斥作用.