核-壳型超分子有序结构的制备及应用

核-壳型超分子有序结构的制备及应用

纳米已成为世界各国的研究热点。通过发现，当物质达到纳米大小时，它们的物理、化学性质与宏观状态有明显不同。利用这一特点,可望制得与常规材料性质不同的特殊材料,从而开发新的应用领域。要达到在纳米范围内精确控制其结构和形态的目的,就必须找到合适的制备方法,自组装技术就是一种很有效的方法。通过两亲聚合物在溶液中的自组装行为形成的具有核-壳结构和特定形状的超分子聚集体,即聚合物胶束,已引起了人们研究的广泛兴趣,对其理论和应用上的研究发展也极为迅速。现在,通过分子设计、制备条件选择及各种物理化学方法,在许多体系实现了控制胶束大小、聚集数、结构和形状等目的,使其应用成为可能。聚合物胶束是由双亲聚合物在选择性溶剂中发生微相分离,形成的具有疏溶剂性核与溶剂化壳的一种自组装结构。导致疏溶剂微区形成的推动力有疏水作用、静电相互作用、氢键作用或金属络合作用等。与小分子胶束如表面活性剂胶束相比,聚合物胶束也是由亲水疏水两部分组成,但其临界胶束浓度更低,并且由于其链段可运动性小,其解缔合速率更小,按形态可将其分为球形、棒状、囊泡状、管状、二维胶束和复合大胶束等,并且人们习惯上把在水溶液中形成的胶束称为常规胶束,在有机溶剂中形成的胶束称为反向胶束,按核、壳结构不同,还可分为无交联胶束、核交联胶束、壳交联胶束及核与壳间以非共价键连接的胶束。胶束的形成是两种力共同作用的结果,一个是导致分子缔合的吸引力,另一个则是阻止胶束无限制增长形成宏观态的排斥力。两亲聚合物胶束有着极其诱人的应用前景,尤其是生物医药领域,如用作药物控制释放、靶向给药的载体。下面就近年来聚合物胶束的研究进展分类进行简要论述。1改性聚苯磺酸盐系非碳质胶束的制备由两亲共聚物在选择性溶剂(对于聚合物的某部分为良溶剂,而对于聚合物的其他部分为不良溶剂)中自组装成胶束。常用的方法是将双亲共聚物溶于共同溶剂(疏水、亲水部分均能溶于其中)中,再在搅拌下滴入选择性溶剂,或反过来,将选择性溶剂滴入共聚物良溶液中,诱发胶束形成,最后经透析除去良溶剂,也可直接将聚合物良溶液在选择性溶剂中透析。此外,一些具有特殊性质的共聚物还可通过改变外界条件,如温度、离子强度和pH值等方法均可诱导胶束形成。双亲共聚物可以是嵌段、接枝或无规共聚物。亲水部分通常是离子型聚合物,如酸类聚合物、聚电解质或非离子型聚合物,如聚酰胺、聚氧乙烯等(与水分子形成氢键而溶于水),在水中可形成舒展的壳,起稳定胶束作用;而疏水部分通常为长碳链骨架、聚酯类等非水溶性聚合物,由于疏水作用或其他特殊相互作用(静电相互作用、氢链作用或金属络合作用)而相互聚集成核,如4-乙烯基吡啶烷基卤化盐、丙烯酸钠、甲基丙烯酸盐和磺化苯乙烯等亲水片段与疏水段,如苯乙烯共价连接形成的聚电解质嵌段共聚物,均可在水中自组装形成疏水段为核、离子段为壳的球形胶束。由于无规共聚物结构不规则,对其自组装形成的报道较少。Sato等报道了由丙烯酸与N-十二烷基甲基丙烯酰胺反应形成的无规共聚物在水中的自组装。目前这方面的研究和报道主要涉及各种参数(如两亲嵌段共聚物总相对分子质量、亲水疏水段的相对长度、溶剂组成、离子强度和溶液pH值及温度)与胶束尺寸、聚集数、临界胶束浓度及胶束形成和解缔动力学之间的关系,以及如何通过分子设计制备特殊性质的胶束及胶束包裹、缓释药物行为。通过控制制备条件最终达到控制结构、形态和功能的目的。Ma和Cao研究了聚丙烯酸-聚苯乙烯接枝共聚物(PAA-g-PS)在氯化钠水溶液中自组装形成以PS为核、PAA为壳的球形胶束,其粒径取决于该共聚物二烷溶液浓度及水溶液离子强度。Quintana等研究了相对分子质量及溶剂对三嵌段共聚物聚苯乙烯聚(乙烯/丁烯)聚苯乙烯(SEBS)胶束化的影响,发现共聚物组成一定而链长增大时,胶束相对分子质量、聚集数和流体半径均随之增大。由双亲嵌段聚合物在选择性溶剂中自组装形成的大部分胶束为球形的“星型”(Star-like)胶束,即核较小而核外有较长的舒展的亲水链。Eisenberg等采用聚丙烯酸聚苯乙烯嵌段共聚物制备了一系列形态的“平头型”(crew-cut)胶束,其疏水段远大于亲水段,因而形成的核较大而外层是很短的亲水链,改变嵌段长度以及加入少量离子如NaCl、CaCl2或HCl均能诱导其形态按球形、柱状、囊泡状顺次转变。除上所述的线型柔性双亲嵌段共聚物自组装外,现在通过分子设计,将其中某嵌段设计成树枝体或刚性链段再进行自组装制得了具有不同形态及性质的胶束。如树枝体(一类具有规整的超枝化三维结构的特殊大分子)与线性体杂化嵌段两亲共聚物形成的胶束。朱麟勇等采用紫外-可见光谱、芘探针荧光光谱、动态激光散射(DLS)及透射电镜(TEM)方法研究了聚醚树枝体与聚丙烯酸两亲嵌段共聚物在水溶液可自组装行为,TEM观察表明其聚集体为具有双层膜结构的球形、单室囊泡。VanHest等对PS与聚丙烯亚胺树枝体二嵌段双亲共聚物系列(PS-dendr-(NH2)x)中水相中的胶束形态作了研究,发现PS-dendr-(NH2)32、PS-dendr-(NH2)16、PS-dendr-(NH2)8形成的胶束形态分别是球形、棒状和囊泡状。Jenekhe等人对刚性-柔性(Rod-coil)二嵌段共聚物苯基喹啉-聚苯乙烯(PPQm-b-PSn)在二硫化碳选择性溶剂(对PS段有选择性)中自组装行为的研究表明,形成的胶束具有中空结构。此外,选择特殊的制备方法,也可得到具有独特结构的胶束。Procházka等报道了由聚丙烯酸叔丁酯聚(2-乙烯基吡啶)嵌段共聚物(PBA-b-PVP)和聚氧乙烯聚(2-乙烯基吡啶)嵌段共聚物(PEO-b-PVP)的PVP段共沉积而形成的“洋葱型”多层胶束。Talingting等也报道合成了具有三层结构的胶束,方法是先将聚苯乙烯-聚(2-乙烯吡啶)嵌段共聚物(PS-b-P2VP)溶于甲醇、二烷与水的共混溶剂中,随后在0.1mol/L盐酸中逐步透析,从而形成PS为核、质子化的PVPH+为壳的胶束,向其中加入聚(2-乙烯基吡啶)聚氧乙烯嵌段共聚物(P2VP-b-PEO)并调节pH值大于10,使两种嵌段共聚物的PVP片段共沉积,从而形成三层结构的胶束。上面所讨论的胶束,其分子间均以非共价键缔合,因而易受外界条件的影响,如溶剂、pH值和温度等的改变及稀释、浓缩和剪切力作用等,都可能使其解缔合,因而出现了以共价键结合的稳定胶束、核交联胶束和壳交联胶束。2环氧乙烷-聚乳酸的钢网络合成法疏水片段带有双键的共聚物,其在水中形成核后,可用引发剂使其发生核交联,或可直接通过紫外光光交联。如聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸肉桂酸乙酯嵌段共聚物(PS-b-PCEMA),其PCEMA中的肉桂酸乙酯基具有光活性,在紫外光光照下即可引发碳碳双键的交联反应。Kataoka等研究了聚环氧乙烷-聚乳酸嵌段共聚物(PEO-b-PLA)在水中形成PLA为核的胶束,通过自由基聚合而使核交联。通过核交联可使胶束结构稳定,有利于进一步的物理及化学改性。Tao等首次尝试了对聚异戊二烯聚甲基丙烯酸2-肉桂酰乙酯二嵌段共聚物(PI-b-PCEMA)形成的核交联粒子的表面功能化,即将PI壳用臭氧裂解后并经三甲基磷(CH3P)处理后形成表面带有羰基的PCEMA-CO粒子,羰基与环戊二烯反应又可生成表面带有富烯的粒子。3壳切引起的不相联络这是目前研究较多的一种胶束,它是由壳层带有双键的分子间进行自由基聚合反应或在带有反应性基团(如羧基)的分子中加入交联剂交联而形成。如聚(苯乙烯-b-4-乙烯吡啶)在水中形成聚苯乙烯为核、聚4-乙烯吡啶盐为壳的胶束,其壳上的侧链苯乙烯基可在光照和引发剂下进行自由基共聚而交联,由聚苯乙烯为核、聚丙烯酸为壳的聚合物胶束水溶液用二胺类交联剂在常温下即可发生缩合反应而使壳交联。通过壳交联,提高了胶束的稳定性,而核仍保持了一定的流动性,亲油性核可以担载大量非水溶性药物,而交联壳可以保护药物不被外界环境所破坏,并能避免高浓度药物对人体的直接刺激,减轻不适感,这种特点很适于作为药物载体。通过在交联壳上引入具有识别功能的指示分子,就有可能作为药物定向传送的载体。按核-壳形态性质壳交联胶束可分为下述几种形式。3.1壳层材质的确定大多数壳交联胶束含有疏水的核区,与亲水的壳共价连接并包裹在其内,这种纳米结构的材料有可能用作药物输送或与毒素螯合的纳米容器、水溶液中化学物质的纳米反应器及纳米技术装置结构的组成成分。膜状壳层的厚度及透过性决定着客体进入核区的难易,此外,壳的组成也决定了交联胶束的表面性质,进而影响到胶束与其他基质和添加剂间相互作用及胶束之间相互作用性质。因此,壳层材质的选择和交联度的控制是主要考虑的因素之一。同样,核区的性质对胶束也有较大影响,如异戊二烯与丙烯酸的嵌段共聚物形成的胶束,由于聚异戊二烯片段的玻璃化温度远低于室温,在室温下呈流体状态,而不能保持胶束结构,该胶束经壳交联后,其核区被包裹在膜状壳内,因而胶束结构不会被破坏,并且由于核区具有流动性,粒子形态可以发生改变,这种结构有可能应用于开发具有形态适应性的纳米材料。3.2壳交联胶束的核—可逆两亲/亲水壳交联胶束Armes等对此进行了细致的研究,如聚(N-吗啉基甲基丙烯酸乙酯)(PNMEMA)在pH为10、温度为60℃的0.1mol/L的硫酸钠溶液中表现出疏水性,而当温度为25℃时则表现出亲水性,将NMEMA植入壳交联胶束的核区内,可制得稳定地、纳米结构的粒子,其核的亲水性受温度影响,所得的壳交联胶束在25℃以上时核为疏水性的,而温度降至25℃时,核发生水化作用,动态光散射测试表现,粒子的光强平均粒径也由28nm增至30nm,这种结构很独特,因为在未进行壳交联前这种完全亲水的聚合物胶束是不能存在的,而且这种温度敏感性的核可逆水化作用有可能用于载入物质的控制释放。3.3聚酯纤维的组装Ding首次报到了完全疏水的纳米胶束。苯乙烯-甲基丙烯酸肉桂酰乙基酯二嵌段共聚物(PS-b-PCEMA)在四氢呋喃与乙腈混合溶剂中自组装成PS为核、PCEMA为壳的多链聚集体,反应性的肉桂酰基可用简单方法交联,但这种完全疏水纳米胶束的固态贮存和稳定性较差。亲水性核、疏水性壳交联的聚合物的胶束可以将无机微粒包裹其中,得到纳米级无机材料,表面的疏水层保证了无机微粒间不会再聚集。4药物代谢中的降解内酯开环聚合物聚羟乙酯(PGA)、聚乳酸(PLA)和聚己内酯(PCL)都是具有良好生物相容性和生物可降解性的聚合物,因而与亲水性聚合物形成的共聚物在水溶液中胶束化后,其胶束也具有可降解性。PCL、PLA和PGA具有不同的降解速率,可通过改变相对分子质量及其分布以及它们之间的组成比例及与亲水聚合物的比例,就可能达到控制降解速率的目的,当然,其降解速率还与外界条件如酶浓度紧密相关。共聚物中酯键在水或酶作用下而断裂,降解形成的小分子可被人体吸收或通过代谢而排出,且通过核降解制备所得中空胶束,载药量大大增加,很适宜用作药物载体。Gan等通过微相转变法制备了聚氧乙烯聚己内酯嵌段共聚物胶束,并采用激光光散射法跟踪其在LipasePS酶作用下的生物降解行为,发现降解程度受共聚物和酶浓度共同影响,而降解速率主要决定于酶浓度。Sanji等研究了聚硅烷聚丙烯酸二嵌段共聚物形成的胶束的壳交联及聚硅烷核的紫外辐射降解,成功制备了中空结构的胶束。Liu等研究了由甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸和带有聚己内酯侧链的丙烯酸形成的无规共聚物(P(MMA-r-MAA-r-FA)与聚己内酯(PCL)共混后,再采用选择性溶剂法使其胶束化并经壳交联而形成了核内包裹PCL的胶束,进一步将PCL酶降解也制得了中空粒子。可降解胶束通过壳交联可使其结构稳定,如聚己内酯-聚丙烯酸(PCL-b-PAA)两亲嵌段共聚物形成的以PCL为核、交联的PAA为壳的胶束,若将其核降解,则可形成纳米尺寸的笼状膜。5磺化聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯的合成以上胶束,其核与壳之间均以共价键连接。最近又出现了一种制备胶束的新方法,这种胶束核壳间以氢键等次价键连接,Liu等报道了带有端羧酸基的聚苯乙烯(MCPS)与聚(4-乙烯吡啶)(P4VP)在氯仿中混合,由于羧基和吡啶基间的氢键相互作用而形成P4VP为主链、PS为接枝链的“接枝共聚物”,向其中加入P4VP的不良溶剂甲苯,则可形成核