在水介质中，两亲性嵌段共聚物自组装可以形成具有如球形、纤维、片状和囊泡等不同形貌的聚合物纳米材料，在药物/基因缓释、纳米反应器、催化、生物成像和生物矿化等方面有广泛的应用[1-6]。嵌段共聚物自组装通常是在稀溶液(质量分数 < 1%)中进行，往往需要进行透析、pH调节等处理, 对聚合物纳米材料的大规模应用是不利的[7,8]。
近年来，聚合诱导自组装(PISA)技术的发展为制备高固含量(10%~50%，质量分数)的嵌段共聚物纳米材料提供了可行性[9-14]。由于可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)的反应条件温和、操作简便，同时对分子量也有很好的控制，所以RAFT聚合是最常用的“活性”/可控自由基聚合技术[15]。使用水作为反应介质，可以节约成本，对环境友好，同时有利于生物相关聚合物材料(如装载酶的囊泡)的制备，因此基于水相RAFT分散聚合的聚合诱导自组装成为高分子学科的一个研究热点。如Sugihara等[16]以聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)(PMPC)为亲水链段、HPMA为单体，在10%~25%的固含量下成功制备了球形、纤维和囊泡等形貌。Liu等[17]以聚(聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸甲酯)(PPEGMA)为亲水链段、以丙烯酸甲氧基乙酯(MEA)为单体，采用氧化还原引发剂，通过RAFT水分散聚合诱导自组装得到40~60 nm直径的纳米粒子。该课题组采用聚N, N-二甲基丙烯胺酰胺(PDMA)为亲水链段、以双丙酮丙烯酰胺(DAAM)作为单体，在高固含量条件下得到均一的聚合物囊泡形貌[18]。Armes课题组[14,19-21]采用HPMA作为单体，使用一系列的水溶性大分子RAFT试剂，进行了RAFT水分散聚合的研究，在PISA过程中观察到球形、纤维、囊泡及混合形貌。Figg等[22]研究了N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)在水中的聚合诱导温敏自组装，成功制备出一系列具有不同形貌的温敏性嵌段聚合物纳米材料。虽然PISA的研究取得了很好的进展，然而大部分的PISA都是使用热引发聚合，高反应温度(一般70 ℃)限制了生物相关聚合物纳米材料的制备，同时制约了温度响应大分子RAFT试剂的使用。
为了解决传统聚合诱导自组装存在的问题，本文结合水相RAFT分散聚合和可见光引发，选用水溶性的甲基丙烯酸甘油酯(GMA)，以S-十二烷基-S′-(α-氰基-α′-戊酸)三硫代碳酸酯(CDPA)作为RAFT试剂，通过RAFT聚合制备PGMA-CDPA作为大分子链转移剂。以HPMA作为单体，通过水相光引发聚合诱导自组装制备了一系列PGMA-b-PHPMA嵌段共聚物纳米材料，并考察其反应动力学，进一步探究反应条件(如固含量、HPMA的聚合度)对嵌段聚合物形貌的影响。
1 实验部分 1.1 试剂与仪器甲基丙烯酸羟丙酯(HPMA，97%)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GlyMA，97%)、3-(甲基硅基)丙磺酸钠盐(DSS，97%)、4, 4′-偶氮双(4-氰基戊酸)(ACVA，98%)、三聚甲醛(97%)，阿拉丁试剂有限公司产品；2, 4, 6-三甲基苯甲酰双-苯基亚磷酸盐(TPO-L)，天津久日化学股份有限公司产品；S-十二烷基-S′-(α-氰基-α′-戊酸)三硫代碳酸酯(CDPA)，根据文献[23]制备；苯基钠盐-三甲基苯甲酰亚磷酸盐(SPTP), 根据文献[24]制备；甲基丙烯酸甘油酯(GMA)，根据文献[20]制备；乙醇(分析纯)、正己烷(分析纯)、二氯甲烷(分析纯)、无水硫酸镁(分析纯)，天津市大茂化学试剂厂产品。
1HNMR谱图通过Bruker Avance Ⅲ 400 MHz核磁共振仪测定，溶剂使用D2O、CDCl3和DMSO-d6；嵌段共聚物形貌通过FEI Tecnai G2 Spiri透射电子显微镜观察，样品在测试前通过乙酸铀溶液(0.5%质量分数)染色1.5 min，加速电压120 kV。紫外-可见吸收光谱通过UV2450分光仪测得，使用1.0 cm的石英比色皿测试。
1.2 甲基丙烯酸甘油酯(GMA)的合成将GlyMA(40 g)和水(360 g，10%质量分数)加入500 mL圆底烧瓶中, 80 ℃下搅拌回流9 h后得到均相的水溶液，之后加入氯化钠至饱和溶液，用二氯甲烷萃取GMA水溶液多次，有机相用无水硫酸镁干燥过夜。过滤后减压蒸馏除去二氯甲烷，得到GMA单体36 g。
1HNMR(DMSO-d6): 1.89(s, 3H, CH3), 3.38(m, 2H, CH2), 3.7(m, 1H, CH), 3.96~4.16 (m, 2H, CH2), 5.67(s, 1H, CCH2), 6.06(s, 1H, CCH2)。
1.3 大分子RAFT试剂PGMA70-CDPA的合成将GMA(30 g，187.5 mmol)、CDPA(1.005 g，2.5 mmol)、ACVA(0.14 g，0.5 mmol)和三聚甲醛(1.69 g，18.75 mmol)依次加入150 mL圆底烧瓶中，再加入无水乙醇(45 g)将所有原料充分溶解。对体系通氮气30 min除去氧气后密封，在70 ℃的油浴中反应3 h，后置于冰水浴冷却终止反应。用适量甲醇充分溶解产物，逐滴滴入大量正己烷中析出沉淀，反复洗涤多次，45 ℃真空干燥24 h，收集浅黄色固体25 g。
1.4 水相光引发RAFT分散聚合合成PGMA70-PHPMA200PGMA-PHPMA的合成路线如图 1所示，以PGMA70-PHPMA200为例，其方案如下：将PGMA70-CDPA(0.403 g，0.0347 mmol)、去离子水(9.0 g)、HPMA(1.0 g，6.94 mmol)和SPTP (3.6 mg，0.012 mmol)依次加入25 mL圆底烧瓶内。将混合物搅拌均匀，在避光条件下通氮气15 min除去氧气后密封，在室温下使用LED灯(405 nm，光强度0.5 mW/cm2)光照引发反应，30 min后关闭光源，暴露于空气并加入少量对苯二酚终止反应，通过透射电镜(TEM)表征所制备的样品形貌。
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图 1 光引发RAFT水分散聚合合成聚甲基丙烯酸甘油酯-b-聚甲基丙烯酸羟丙酯 Fig.1 Synthesis of PGMA-b-PHPMA diblock copolymer via aqueous photo-PISA |
将PGMA70-CDPA(0.403 g，0.0347 mmol)、去离子水(9.0 g)、HPMA(1.0 g，6.94 mmol)、DSS (0.03 g)和SPTP(3.6 mg，0.012 mmol)依次加入25 mL圆底烧瓶内。将混合物搅拌均匀，在避光条件下通氮气15 min除去氧气后密封，在室温下使用LED灯(405 nm，光强度0.5 mW/cm2)光照引发反应。在氮气氛围下，通过注射器在预先设置好的时间间隔取样，暴露于空气并加入少量对苯二酚终止反应，通过核磁氢谱表征分析所有样品。
2 结果与讨论 2.1 大分子RAFT试剂PGMA70-CDPA的合成图 2为大分子RAFT试剂PGMA70-CDPA合成反应前后及纯化后的1HNMR谱图。在图 2a)中，5.7和6.1处的峰是GMA反应前的双键氢的信号。在图 2b)中，5.7和6.1处的峰是GMA反应结束后的剩余双键氢的信号，5.12处的峰是三聚甲醛上的亚甲基氢的信号，根据它们的峰面积积分比，可以计算出单体转化率为93.3%，则PGMA聚合度为70。
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图 2 RAFT溶液聚合反应前后的1HNMR谱图以及PGMA70-CDPA的1HNMR谱图 a) RAFT溶液聚合反应前；b) RAFT溶液聚合反应后；c) PGMA70-CDPA Fig.2 1HNMR spectra of the reaction mixture before and after RAFT solution polymerization and 1HNMR spectrum of PGMA70-CDPA a) before the reaction; b) after the reaction; c) PGMA70-CDPA |
文献[19]报道的水相聚合诱导自组装实验，是使用PGMA47-CPDB作为大分子RAFT试剂，以4, 4′-偶氮双(4-氰基戊酸)作为引发剂，在70 ℃下反应4 h。本论文进行的HPMA的水相光引发聚合诱导自组装是使用PGMA70-CDPA作为大分子RAFT试剂，室温下反应30 min即可将单体完全转化。
图 3是HPMA转化率随聚合时间变化以及聚合反应的动力学曲线，实验设计HPMA目标聚合度为200，HPMA的单体浓度为10%。从图 3可以看出，HPMA的转化率随着时间的增加而增大，在光照9 min后，HPMA的转化率就达到了79%，在光照15 min后，单体能完全转化(>99%)。HPMA的水相光引发聚合诱导自组装具有如此快的反应速率是因为SPTP在405 nm可见光照下快速地分解。从图 3插图中的动力学曲线可以看到很明显的两阶段，第一阶段是0 min到6 min，这部分实际上是可溶解的二嵌段共聚物在进行RAFT溶液聚合；第二阶段，聚合速率增长迅速，这部分是PHPMA嵌段增长到临界长度，胶束开始成核。在这个时候，还未反应的HPMA进入到微粒中，溶剂化PHPMA嵌段，此时就导致微粒内的局部单体浓度相对较高，从而使得聚合速率得以提高。第一阶段与第二阶段的交叉点在6.4 min左右，说明胶束的成核大约发生在这个时候，相应的此时HPMA的转化率为50%。
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图 3 HPMA的光引发水分散聚合动力学曲线 Fig.3 Kinetics of polymerization of HPMA via aqueous photo-PISA |
为了进一步验证光引发剂SPTP在405 nm可见光的照射下能够快速分解，我们使用紫外-可见吸收光谱对其半衰期进行了研究。图 4是SPTP在405 nm可见光照射下(0.5 mW/cm2)的不同时间的紫外-可见吸收光谱，可以观察到两个特征峰(290 nm和370 nm)。在405 nm可见光的照射下，两个特征峰的强度都随时间逐渐下降，这说明SPTP在逐渐分解，如图 4中的反应式所示。在60 min左右，SPTP完全分解，这表明在该条件下SPTP的半衰期小于30 min，在405 nm可见光照射下快速分解，较短时间内就产生大量的自由基，因此能够大大提升聚合反应速率。值得注意的是，偶氮类热引发剂在70 ℃下的半衰期大约是10 h，远远长于SPTP在此条件下的半衰期。
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图 4 SPTP在乙醇/水(30/70，质量比)混合溶液中受405 nm可见光引发(0.5 mW/cm2)的紫外-可见吸收光谱 Fig.4 UV-Vis absorption spectra recorded for the decomposition of SPTP in an ethanol/water (30/70, mass fraction) mixture under 405 nm visible light irradiation (0.5 mW/cm2) |
图 5是PGMA70-PHPMA200的1HNMR谱图，其峰的归属是：4.6~4.9处的峰(d, e)分别是PGMA嵌段和PHPMA嵌段上与酯基相连的—CH2—上氢原子的信号，3.5~3.9处的峰分别是PGMA嵌段支链上—CH—(g)、—CH2—(i)以及PHPMA嵌段支链上—CH—(h)上氢原子的信号，1.6~2.0 (b, b′)处的峰分别是PGMA嵌段和PHPMA嵌段主链中—CH2—上氢原子的信号，1.1处的峰(c)是PHPMA嵌段支链端基—CH3上氢原子的信号，0.6~1.0处的峰(a, a′)是PGMA嵌段和PHPMA嵌段中连在主链碳上的—CH3的氢原子信号，以及CDPA片段中烷基链段—CH2—(j)上的氢原子信号。与图 2对比，图 5中1.1(c)处的氢峰明显增强。
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图 5 PGMA70-PHPMA200的1HNMR谱图 Fig.5 1HNMR spectrum of PGMA70-PHPMA200 |
光引发活性聚合的一个显著的优点是能够通过对光源的“开/关”控制，实现聚合反应的激活或者暂停。在本文中，我们进行了水相光引发聚合诱导自组装“开”/“关”循环的实验，在预先设置好的时间间隔下取样，且立即进行1HNMR表征分析。如图 6所示，在前3 min光照下，单体转化率迅速增长，之后停止光照并且避光4 min，单体转化率并没有进一步的增长。接着再光照4 min，反应又再次进行，之后再停止光照并且避光，反应又被暂停，这证明我们可以通过可见光很好地控制水相光引发聚合诱导自组装。
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图 6 HPMA的水相光引发聚合诱导自组装：光照(“ON”)，没有光照(“OFF”) Fig.6 Aqueous photo-PISA of HPMA in the presence ("ON") or in the absence ("OFF") of light |
图 7是一系列PGMA70-PHPMAn嵌段共聚物纳米材料的相图，通过透射电子显微镜测得。单体浓度变化范围为10%~20%(质量分数)，PHPMA的聚合度变化范围为200~500。在最低单体浓度(10%)的条件下，只观察到球形形貌。在15%单体浓度的条件下，当聚合度为200~400时，观察到混合形貌，当聚合度提高到500的时候，能得到纯囊泡形貌。这可能是因为在低的单体浓度下，球形微粒-球形微粒的融合概率比较低，不利于形成高级结构形貌。在高单体浓度(20%)的条件下，可以观察到纯的球形、纤维和囊泡形貌。这主要是因为在高单体浓度下，球形微粒-球形微粒的融合更加频繁，同时会有更多的单体充当共溶剂的角色使PHPMA嵌段溶剂化，而这样的过程则更有利于形成更高阶的形貌[14]。
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图 7 由PGMA70-PHPMAn光引发聚合诱导自组装构建的相图，包括球形(S)、纤维(W)和囊泡(V) Fig.7 Phase diagram constructed for PGMA70-PHPMAn photo-PISA. Phase regions consist of spheres (S), worms (W), and vesicles (V) |
本文以GMA作为水溶性单体，CDPA作为链转移剂，采用RAFT聚合法制备PGMA-CDPA大分子RAFT试剂，之后通过水相光引发RAFT分散聚合，合成PGMA-PHPMA二嵌段共聚物，进一步研究了反应机理，并考察不同反应条件对嵌段聚合物形貌的影响。动力学研究表明水相光引发聚合诱导自组装反应迅速，30 min内就能完成反应，并且该反应过程可通过控制光源来激活或者暂停。在单体浓度为10%时，只能得到球形形貌；随着单体浓度的增加，HPMA聚合度的提高，更有利于形成更高阶的形貌，如纤维及混合形貌；当HPMA聚合度提高到500时，在15%或20%单体浓度下，则可以得到纯囊泡形貌。
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