聚合誘導自組裝技術（PISA）

概述Abstract01嵌段共聚物是由兩種或兩種以上化學性質不同的分子鏈段通過化學鍵連接在一起組成的大分子。由于不同的嵌段共聚物鏈段具有其獨特的物理、化學性質，因此當嵌段共聚物分散于選擇性溶劑中，其不同鏈段之間的相互作用力有所差異。在一定條件下，具有不同鏈段的嵌段共聚物可以通過自組裝行為形成不同形貌的納米聚集體。通過傳統(tǒng)嵌段聚合物自組裝形成納米粒子的方法存在缺陷，往往需要聚合結束后在稀溶液中進行處理得到，因此其所得共聚物濃度低（<1%）。聚合誘導自組裝（polymerization-inducedself-assembly，PISA）能夠在較高濃度(5-50%w/w)下自組裝形成納米粒子，即在聚合的過程中實現原位自組裝，與此同時通過調節(jié)嵌段的相對體積分數(即填充參數<P>)來控制納米組裝體形貌。因此，PISA技術大大促進了自組裝技術的研究進程。PISA的分類classification0201

可逆加成-斷裂鏈轉移聚合(RAFT)

基于RAFT調控的聚合誘導自組裝的原理如下圖所示，在選擇性溶劑中，選用可溶性大分子引發(fā)劑或者大分子鏈轉移劑（Macro-CTA），使嵌段共過程和自組裝過程同時進行。當疏水（不溶）鏈段長度增長超過臨界膠束濃度時，兩親性嵌段共聚物在體系中形成球形膠束并發(fā)生相分離，隨著疏水鏈段進一步增長，嵌段共聚物為維持最低自由能進行原位組裝形成不同形貌的顆粒。

目前來說，由于RAFT-PISA具有聚合條件溫和、官能團種類多等優(yōu)點，已經被廣泛應用于工業(yè)生產等其他領域。主要有以下幾種引發(fā)體系介導的RAFT-PISA：1、高溫熱引發(fā)PISA體系偶氮類引發(fā)劑熱引發(fā)體系下的RAFT-PISA分散聚合可在水、乙醇、非極性溶劑甚至聚乙二醇介質中進行，直接制備多種形貌的嵌段共聚物納米顆粒，是目前應用最廣泛的引發(fā)體系之一。Pan課題組以聚４?乙烯基吡啶三硫代碳酸酯（P4VP-TTC）為大分子鏈轉移劑，在80℃醇相中討論苯乙烯（St）聚合誘導自組裝過程，發(fā)現通過控制反應時間來調節(jié)St單體轉化率可實現嵌段共聚物納米顆粒由球形膠束向微球直至囊泡的轉變。隨后研究表明，改變單體濃度和投料比，可制備出均勻的納米線、囊泡及復合囊泡等高階形貌的納米粒子，但后續(xù)發(fā)現在該自組裝過程中存在轉化率較低、反應時間長、需要去除殘余單體等缺點。Armes課題組通過控制穩(wěn)定嵌段聚乙二醇單甲醚和成核嵌段聚甲基丙烯酸羥丙酯（PHPMA）的平均聚合度，調節(jié)體系固含量，得到了熱引發(fā)時嵌段共聚物納米顆粒的形貌相圖（如下圖），結果表明增加成核嵌段的聚合度，提高固含量，都有利粒子由球形向蠕蟲、囊泡等高階形貌的轉變。2.光引發(fā)PISA體系光引發(fā)通常在室溫下引發(fā)，引發(fā)時間較短，一般15min內就能實現單體的完全轉化，特別是聚合反應的激活或暫?？赏ㄟ^對光源的簡單“開／關”控制，因此近年來RAFT-PISA光引發(fā)研究備受關注。譚劍波課題組采用大分子鏈轉移劑mPEG-DDMAT調控IBOA單體的PISA，在可見光照射下引發(fā)反應，30min內單體轉化率達到95％以上。通過改變單體的占比和聚合度可以獲得一組不同的復雜形貌（球、蠕蟲或囊泡）（如下圖所示）。后續(xù)使用聚丙烯酸羥乙酯（PHEA）作為可溶嵌段，光引發(fā)RAFT-PISA反應能夠在室溫甚至更低溫度下進行。02

原子轉移自由基聚合(ATRP)

ATRP通過對休眠的鹵代烷和活性增長自由基之間的平衡進行嚴格控制，最大限度地減少鏈終止反應，從而保證聚合物鏈的增長。在2007年，首次通過ATRP實現聚合誘導自組裝形成穩(wěn)定膠束，采用PEG-Br作為引發(fā)劑，在乙醇和水的混合溶劑(1/1，v/v)中，實現4-乙烯吡啶(4VP)和N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺

(MBA)的ATRP-PISA，以P4VP-co-MBA為核心，PEG為殼體，嵌段共聚物分子聚集形成膠束。乙醇與水的體積比對ATRD-PISA的影響很大，當乙醇與水的體積比低于1:2時，很容易形成凝膠。除此以外，ATRP為因為溶解性問題無法應用RAFT聚合接枝的單體提供了一種合成途徑。海藻酸鹽是一種不易改變的多糖，由于其不溶于任何溶劑，故沒有應用于活自由基聚合接枝，而大多數其他多糖已經功能化和接枝產生新的雜化聚合物。2015年Cunningham課題組通過單電子轉移活性自由基聚合(SET-LRP)合成了基于海藻酸鹽的兩親性接枝共聚物，在聚合誘導自組裝過程中形成直徑為50-300nm的球狀膠束。該工作報道了一種利用ATRP從海藻酸鹽中接枝合成聚合物的合成途徑（如下圖所示）。這為合成具有不同性質的新型海藻酸鹽基材料提供了機會。03

開環(huán)易位聚合(ROMP)

烯烴復分解反應作為形成碳碳雙鍵的常用途徑，廣泛應用于藥物合成及聚合材料合成工業(yè)中。由于開環(huán)烯烴復分解聚合(ROMP)具有可控性好、聚合活性高、官能團耐受性強且能適應多種溶劑的優(yōu)勢，常常用于合成不同功能性聚合物。2010年，華東師范大學課題組首次在甲苯中實現了ROMP-PISA。如下圖所示，首先，在甲苯溶劑中加入2,3-二異丁酰溴甲氧基-5-降冰片烯(BNBE)，進行開環(huán)易位聚合，在一定的反應時間內得到均聚物PBNBE。然后，將第二類單體7-氧代降冰片烯二甲酯(ONBDM)加入到PBNBE中，由于選擇性溶劑甲苯對兩種不同嵌段的溶解性不同，從而形成以PONBDM為核、PBNBE為殼，直徑為140-200nm球形納米粒子。所合成的嵌段共聚物濃度高達30mg/mL，這是傳統(tǒng)自組裝的幾百倍濃度。PISA的應用application031PISA技術在生物醫(yī)用材料領域的應用利用PISA技術所制備的聚合物納米自組裝體在藥物遞送領域具有潛在的應用。在制備藥物遞送納米載體的過程中，通常需要考慮兩個方面的問題：藥物包封和藥物釋放。在PISA中，一方面，體系具有邊聚合、邊組裝和高固含量制備的優(yōu)勢，便于在PISA系統(tǒng)中進行藥物的高效封裝；另一方面，除兩嵌段的填充參數(P)外，其他的參數如溫度、pH值、溶劑、鹽、CO2等也可以影響PISA中納米自組裝體的形態(tài)演變，這也為藥物釋放提供了可控性，即通過微環(huán)境的改變使得包封了藥物的PISA納米自組裝體發(fā)生形態(tài)轉變，從而釋放藥物。此外，PISA中的納米自組裝體也可被作為潛在的細胞培養(yǎng)基質。因為蠕蟲狀納米自組裝體可以通過溫度變化在液相和凝膠相之間進行切換，利用形貌的這種轉換，可以通過冷超濾技術進行滅菌。2PISA技術在功能涂料領域的應用PISA過程實際上是通過“一鍋法”獲得具有高固含量、無表面活性劑乳液的一種技術。通過設計不同嵌段，可以賦予乳膠粒不同的功能和性能。因此，通過PISA技術獲得的乳液也可被用作涂料。目前，利用PISA技術開發(fā)的新型功能涂料以水性丙烯酸涂料為主。其中，SiO2納米粒子常被作為助劑，含氟(甲基)丙烯酸酯則由于低表面能而在涂料領域受到了研究人員的重點關注。3PISA技術在Pickering乳化劑領域的應用Pickering乳液是指由固體顆粒穩(wěn)定油相或水相而得的乳液。常用的P