核-殼型超分子有序結(jié)構(gòu)的制備及應(yīng)用

核-殼型超分子有序結(jié)構(gòu)的制備及應(yīng)用

納米已成為世界各國的研究熱點(diǎn)。通過發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物質(zhì)達(dá)到納米大小時(shí)，它們的物理、化學(xué)性質(zhì)與宏觀狀態(tài)有明顯不同。利用這一特點(diǎn),可望制得與常規(guī)材料性質(zhì)不同的特殊材料,從而開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域。要達(dá)到在納米范圍內(nèi)精確控制其結(jié)構(gòu)和形態(tài)的目的,就必須找到合適的制備方法,自組裝技術(shù)就是一種很有效的方法。通過兩親聚合物在溶液中的自組裝行為形成的具有核-殼結(jié)構(gòu)和特定形狀的超分子聚集體,即聚合物膠束,已引起了人們研究的廣泛興趣,對其理論和應(yīng)用上的研究發(fā)展也極為迅速?，F(xiàn)在,通過分子設(shè)計(jì)、制備條件選擇及各種物理化學(xué)方法,在許多體系實(shí)現(xiàn)了控制膠束大小、聚集數(shù)、結(jié)構(gòu)和形狀等目的,使其應(yīng)用成為可能。聚合物膠束是由雙親聚合物在選擇性溶劑中發(fā)生微相分離,形成的具有疏溶劑性核與溶劑化殼的一種自組裝結(jié)構(gòu)。導(dǎo)致疏溶劑微區(qū)形成的推動(dòng)力有疏水作用、靜電相互作用、氫鍵作用或金屬絡(luò)合作用等。與小分子膠束如表面活性劑膠束相比,聚合物膠束也是由親水疏水兩部分組成,但其臨界膠束濃度更低,并且由于其鏈段可運(yùn)動(dòng)性小,其解締合速率更小,按形態(tài)可將其分為球形、棒狀、囊泡狀、管狀、二維膠束和復(fù)合大膠束等,并且人們習(xí)慣上把在水溶液中形成的膠束稱為常規(guī)膠束,在有機(jī)溶劑中形成的膠束稱為反向膠束,按核、殼結(jié)構(gòu)不同,還可分為無交聯(lián)膠束、核交聯(lián)膠束、殼交聯(lián)膠束及核與殼間以非共價(jià)鍵連接的膠束。膠束的形成是兩種力共同作用的結(jié)果,一個(gè)是導(dǎo)致分子締合的吸引力,另一個(gè)則是阻止膠束無限制增長形成宏觀態(tài)的排斥力。兩親聚合物膠束有著極其誘人的應(yīng)用前景,尤其是生物醫(yī)藥領(lǐng)域,如用作藥物控制釋放、靶向給藥的載體。下面就近年來聚合物膠束的研究進(jìn)展分類進(jìn)行簡要論述。1改性聚苯磺酸鹽系非碳質(zhì)膠束的制備由兩親共聚物在選擇性溶劑(對于聚合物的某部分為良溶劑,而對于聚合物的其他部分為不良溶劑)中自組裝成膠束。常用的方法是將雙親共聚物溶于共同溶劑(疏水、親水部分均能溶于其中)中,再在攪拌下滴入選擇性溶劑,或反過來,將選擇性溶劑滴入共聚物良溶液中,誘發(fā)膠束形成,最后經(jīng)透析除去良溶劑,也可直接將聚合物良溶液在選擇性溶劑中透析。此外,一些具有特殊性質(zhì)的共聚物還可通過改變外界條件,如溫度、離子強(qiáng)度和pH值等方法均可誘導(dǎo)膠束形成。雙親共聚物可以是嵌段、接枝或無規(guī)共聚物。親水部分通常是離子型聚合物,如酸類聚合物、聚電解質(zhì)或非離子型聚合物,如聚酰胺、聚氧乙烯等(與水分子形成氫鍵而溶于水),在水中可形成舒展的殼,起穩(wěn)定膠束作用;而疏水部分通常為長碳鏈骨架、聚酯類等非水溶性聚合物,由于疏水作用或其他特殊相互作用(靜電相互作用、氫鏈作用或金屬絡(luò)合作用)而相互聚集成核,如4-乙烯基吡啶烷基鹵化鹽、丙烯酸鈉、甲基丙烯酸鹽和磺化苯乙烯等親水片段與疏水段,如苯乙烯共價(jià)連接形成的聚電解質(zhì)嵌段共聚物,均可在水中自組裝形成疏水段為核、離子段為殼的球形膠束。由于無規(guī)共聚物結(jié)構(gòu)不規(guī)則,對其自組裝形成的報(bào)道較少。Sato等報(bào)道了由丙烯酸與N-十二烷基甲基丙烯酰胺反應(yīng)形成的無規(guī)共聚物在水中的自組裝。目前這方面的研究和報(bào)道主要涉及各種參數(shù)(如兩親嵌段共聚物總相對分子質(zhì)量、親水疏水段的相對長度、溶劑組成、離子強(qiáng)度和溶液pH值及溫度)與膠束尺寸、聚集數(shù)、臨界膠束濃度及膠束形成和解締動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系,以及如何通過分子設(shè)計(jì)制備特殊性質(zhì)的膠束及膠束包裹、緩釋藥物行為。通過控制制備條件最終達(dá)到控制結(jié)構(gòu)、形態(tài)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)在氯化鈉水溶液中自組裝形成以PS為核、PAA為殼的球形膠束,其粒徑取決于該共聚物二烷溶液濃度及水溶液離子強(qiáng)度。Quintana等研究了相對分子質(zhì)量及溶劑對三嵌段共聚物聚苯乙烯聚(乙烯/丁烯)聚苯乙烯(SEBS)膠束化的影響,發(fā)現(xiàn)共聚物組成一定而鏈長增大時(shí),膠束相對分子質(zhì)量、聚集數(shù)和流體半徑均隨之增大。由雙親嵌段聚合物在選擇性溶劑中自組裝形成的大部分膠束為球形的“星型”(Star-like)膠束,即核較小而核外有較長的舒展的親水鏈。Eisenberg等采用聚丙烯酸聚苯乙烯嵌段共聚物制備了一系列形態(tài)的“平頭型”(crew-cut)膠束,其疏水段遠(yuǎn)大于親水段,因而形成的核較大而外層是很短的親水鏈,改變嵌段長度以及加入少量離子如NaCl、CaCl2或HCl均能誘導(dǎo)其形態(tài)按球形、柱狀、囊泡狀順次轉(zhuǎn)變。除上所述的線型柔性雙親嵌段共聚物自組裝外,現(xiàn)在通過分子設(shè)計(jì),將其中某嵌段設(shè)計(jì)成樹枝體或剛性鏈段再進(jìn)行自組裝制得了具有不同形態(tài)及性質(zhì)的膠束。如樹枝體(一類具有規(guī)整的超枝化三維結(jié)構(gòu)的特殊大分子)與線性體雜化嵌段兩親共聚物形成的膠束。朱麟勇等采用紫外-可見光譜、芘探針熒光光譜、動(dòng)態(tài)激光散射(DLS)及透射電鏡(TEM)方法研究了聚醚樹枝體與聚丙烯酸兩親嵌段共聚物在水溶液可自組裝行為,TEM觀察表明其聚集體為具有雙層膜結(jié)構(gòu)的球形、單室囊泡。VanHest等對PS與聚丙烯亞胺樹枝體二嵌段雙親共聚物系列(PS-dendr-(NH2)x)中水相中的膠束形態(tài)作了研究,發(fā)現(xiàn)PS-dendr-(NH2)32、PS-dendr-(NH2)16、PS-dendr-(NH2)8形成的膠束形態(tài)分別是球形、棒狀和囊泡狀。Jenekhe等人對剛性-柔性(Rod-coil)二嵌段共聚物苯基喹啉-聚苯乙烯(PPQm-b-PSn)在二硫化碳選擇性溶劑(對PS段有選擇性)中自組裝行為的研究表明,形成的膠束具有中空結(jié)構(gòu)。此外,選擇特殊的制備方法,也可得到具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的膠束。Procházka等報(bào)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段共沉積而形成的“洋蔥型”多層膠束。Talingting等也報(bào)道合成了具有三層結(jié)構(gòu)的膠束,方法是先將聚苯乙烯-聚(2-乙烯吡啶)嵌段共聚物(PS-b-P2VP)溶于甲醇、二烷與水的共混溶劑中,隨后在0.1mol/L鹽酸中逐步透析,從而形成PS為核、質(zhì)子化的PVPH+為殼的膠束,向其中加入聚(2-乙烯基吡啶)聚氧乙烯嵌段共聚物(P2VP-b-PEO)并調(diào)節(jié)pH值大于10,使兩種嵌段共聚物的PVP片段共沉積,從而形成三層結(jié)構(gòu)的膠束。上面所討論的膠束,其分子間均以非共價(jià)鍵締合,因而易受外界條件的影響,如溶劑、pH值和溫度等的改變及稀釋、濃縮和剪切力作用等,都可能使其解締合,因而出現(xiàn)了以共價(jià)鍵結(jié)合的穩(wěn)定膠束、核交聯(lián)膠束和殼交聯(lián)膠束。2環(huán)氧乙烷-聚乳酸的鋼網(wǎng)絡(luò)合成法疏水片段帶有雙鍵的共聚物,其在水中形成核后,可用引發(fā)劑使其發(fā)生核交聯(lián),或可直接通過紫外光光交聯(lián)。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發(fā)碳碳雙鍵的交聯(lián)反應(yīng)。Kataoka等研究了聚環(huán)氧乙烷-聚乳酸嵌段共聚物(PEO-b-PLA)在水中形成PLA為核的膠束,通過自由基聚合而使核交聯(lián)。通過核交聯(lián)可使膠束結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,有利于進(jìn)一步的物理及化學(xué)改性。Tao等首次嘗試了對聚異戊二烯聚甲基丙烯酸2-肉桂酰乙酯二嵌段共聚物(PI-b-PCEMA)形成的核交聯(lián)粒子的表面功能化,即將PI殼用臭氧裂解后并經(jīng)三甲基磷(CH3P)處理后形成表面帶有羰基的PCEMA-CO粒子,羰基與環(huán)戊二烯反應(yīng)又可生成表面帶有富烯的粒子。3殼切引起的不相聯(lián)絡(luò)這是目前研究較多的一種膠束,它是由殼層帶有雙鍵的分子間進(jìn)行自由基聚合反應(yīng)或在帶有反應(yīng)性基團(tuán)(如羧基)的分子中加入交聯(lián)劑交聯(lián)而形成。如聚(苯乙烯-b-4-乙烯吡啶)在水中形成聚苯乙烯為核、聚4-乙烯吡啶鹽為殼的膠束,其殼上的側(cè)鏈苯乙烯基可在光照和引發(fā)劑下進(jìn)行自由基共聚而交聯(lián),由聚苯乙烯為核、聚丙烯酸為殼的聚合物膠束水溶液用二胺類交聯(lián)劑在常溫下即可發(fā)生縮合反應(yīng)而使殼交聯(lián)。通過殼交聯(lián),提高了膠束的穩(wěn)定性,而核仍保持了一定的流動(dòng)性,親油性核可以擔(dān)載大量非水溶性藥物,而交聯(lián)殼可以保護(hù)藥物不被外界環(huán)境所破壞,并能避免高濃度藥物對人體的直接刺激,減輕不適感,這種特點(diǎn)很適于作為藥物載體。通過在交聯(lián)殼上引入具有識(shí)別功能的指示分子,就有可能作為藥物定向傳送的載體。按核-殼形態(tài)性質(zhì)殼交聯(lián)膠束可分為下述幾種形式。3.1殼層材質(zhì)的確定大多數(shù)殼交聯(lián)膠束含有疏水的核區(qū),與親水的殼共價(jià)連接并包裹在其內(nèi),這種納米結(jié)構(gòu)的材料有可能用作藥物輸送或與毒素螯合的納米容器、水溶液中化學(xué)物質(zhì)的納米反應(yīng)器及納米技術(shù)裝置結(jié)構(gòu)的組成成分。膜狀殼層的厚度及透過性決定著客體進(jìn)入核區(qū)的難易,此外,殼的組成也決定了交聯(lián)膠束的表面性質(zhì),進(jìn)而影響到膠束與其他基質(zhì)和添加劑間相互作用及膠束之間相互作用性質(zhì)。因此,殼層材質(zhì)的選擇和交聯(lián)度的控制是主要考慮的因素之一。同樣,核區(qū)的性質(zhì)對膠束也有較大影響,如異戊二烯與丙烯酸的嵌段共聚物形成的膠束,由于聚異戊二烯片段的玻璃化溫度遠(yuǎn)低于室溫,在室溫下呈流體狀態(tài),而不能保持膠束結(jié)構(gòu),該膠束經(jīng)殼交聯(lián)后,其核區(qū)被包裹在膜狀殼內(nèi),因而膠束結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞,并且由于核區(qū)具有流動(dòng)性,粒子形態(tài)可以發(fā)生改變,這種結(jié)構(gòu)有可能應(yīng)用于開發(fā)具有形態(tài)適應(yīng)性的納米材料。3.2殼交聯(lián)膠束的核—可逆兩親/親水殼交聯(lián)膠束Armes等對此進(jìn)行了細(xì)致的研究,如聚(N-嗎啉基甲基丙烯酸乙酯)(PNMEMA)在pH為10、溫度為60℃的0.1mol/L的硫酸鈉溶液中表現(xiàn)出疏水性,而當(dāng)溫度為25℃時(shí)則表現(xiàn)出親水性,將NMEMA植入殼交聯(lián)膠束的核區(qū)內(nèi),可制得穩(wěn)定地、納米結(jié)構(gòu)的粒子,其核的親水性受溫度影響,所得的殼交聯(lián)膠束在25℃以上時(shí)核為疏水性的,而溫度降至25℃時(shí),核發(fā)生水化作用,動(dòng)態(tài)光散射測試表現(xiàn),粒子的光強(qiáng)平均粒徑也由28nm增至30nm,這種結(jié)構(gòu)很獨(dú)特,因?yàn)樵谖催M(jìn)行殼交聯(lián)前這種完全親水的聚合物膠束是不能存在的,而且這種溫度敏感性的核可逆水化作用有可能用于載入物質(zhì)的控制釋放。3.3聚酯纖維的組裝Ding首次報(bào)到了完全疏水的納米膠束。苯乙烯-甲基丙烯酸肉桂酰乙基酯二嵌段共聚物(PS-b-PCEMA)在四氫呋喃與乙腈混合溶劑中自組裝成PS為核、PCEMA為殼的多鏈聚集體,反應(yīng)性的肉桂?；捎煤唵畏椒ń宦?lián),但這種完全疏水納米膠束的固態(tài)貯存和穩(wěn)定性較差。親水性核、疏水性殼交聯(lián)的聚合物的膠束可以將無機(jī)微粒包裹其中,得到納米級(jí)無機(jī)材料,表面的疏水層保證了無機(jī)微粒間不會(huì)再聚集。4藥物代謝中的降解內(nèi)酯開環(huán)聚合物聚羥乙酯(PGA)、聚乳酸(PLA)和聚己內(nèi)酯(PCL)都是具有良好生物相容性和生物可降解性的聚合物,因而與親水性聚合物形成的共聚物在水溶液中膠束化后,其膠束也具有可降解性。PCL、PLA和PGA具有不同的降解速率,可通過改變相對分子質(zhì)量及其分布以及它們之間的組成比例及與親水聚合物的比例,就可能達(dá)到控制降解速率的目的,當(dāng)然,其降解速率還與外界條件如酶濃度緊密相關(guān)。共聚物中酯鍵在水或酶作用下而斷裂,降解形成的小分子可被人體吸收或通過代謝而排出,且通過核降解制備所得中空膠束,載藥量大大增加,很適宜用作藥物載體。Gan等通過微相轉(zhuǎn)變法制備了聚氧乙烯聚己內(nèi)酯嵌段共聚物膠束,并采用激光光散射法跟蹤其在LipasePS酶作用下的生物降解行為,發(fā)現(xiàn)降解程度受共聚物和酶濃度共同影響,而降解速率主要決定于酶濃度。Sanji等研究了聚硅烷聚丙烯酸二嵌段共聚物形成的膠束的殼交聯(lián)及聚硅烷核的紫外輻射降解,成功制備了中空結(jié)構(gòu)的膠束。Liu等研究了由甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸和帶有聚己內(nèi)酯側(cè)鏈的丙烯酸形成的無規(guī)共聚物(P(MMA-r-MAA-r-FA)與聚己內(nèi)酯(PCL)共混后,再采用選擇性溶劑法使其膠束化并經(jīng)殼交聯(lián)而形成了核內(nèi)包裹PCL的膠束,進(jìn)一步將PCL酶降解也制得了中空粒子?？山到饽z束通過殼交聯(lián)可使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,如聚己內(nèi)酯-聚丙烯酸(PCL-b-PAA)兩親嵌段共聚物形成的以PCL為核、交聯(lián)的PAA為殼的膠束,若將其核降解,則可形成納米尺寸的籠狀膜。5磺化聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯的合成以上膠束,其核與殼之間均以共價(jià)鍵連接。最近又出現(xiàn)了一種制備膠束的新方法,這種膠束核殼間以氫鍵等次價(jià)鍵連接,Liu等報(bào)道了帶有端羧酸基的聚苯乙烯(MCPS)與聚(4-乙烯吡啶)(P4VP)在氯仿中混合,由于羧基和吡啶基間的氫鍵相互作用而形成P4VP為主鏈、PS為接枝鏈的“接枝共聚物”,向其中加入P4VP的不良溶劑甲苯,則可形成核