溯评单链聚合物纳米粒子

来源：ACS美国化学会

英文原题：100th Anniversary of Macromolecular Science Viewpoint: Reexamining Single-Chain Nanoparticles

聚合物的纳米粒子因其可灵活设计和良好的生物相容性而受到欢迎，已开发了一系列的制备方法。但是，小尺寸(尺寸在20 nm以下)聚合物粒子的制备仍是个难题。受天然生物大分子折叠组装过程的启发，在稀溶液(即低于临界交叠浓度c*)中通过链内交联来塌缩单根聚合物链可制备获得小尺寸的聚合物纳米粒子(图1)。其链内交联方式可以是共价交联，也可以是非共价键相互作用。我们将这类聚合物粒子称为单链聚合物粒子(Single-chain nanoparticle，SCNP)，其在催化、纳米药物、纳米反应器以及传感等领域已展现出优良的应用潜力。

图1 (A)链内交联聚合物链制备聚合物单链粒子；(B)链内交联的不同方式

最近美国新罕布什尔大学Ruiwen Chen博士和Erik B. Berda教授在ACS Macro Lett.杂志的“100th Anniversary of Macromolecular Science Viewpoint”系列评述中发表题为“Re-examining Single-Chain Nanoparticles”的评论文章，总结了近五年聚合物单链粒子领域的成果，着重讨论了聚合物前驱体拓扑结构对SCNP中聚合物链构象的影响，介绍了SCNP的各种形貌，并提出了一些仍待解决的问题。

作者指出，大多数的SCNP体系都使用了线性聚合物为前驱体，所得到的SCNP在溶液中通常呈现出松散的非球状构象；改变聚合物前驱体的拓扑结构(例如：使用环状、接枝、星形、树枝状聚合物等非线性聚合物)，将对所获得的SCNP的构象有一定的影响。以环状聚合物为例，通过环化线性链显著地改变了聚合物链的构象，该构象将有利于分子链内远距离官能团间的交联，从而获得结构更为紧凑、接近于球形的SCNP(图2A)。在线性聚合物上接枝含有可交联官能团的侧链也将有利于链内远距离官能团的交联。通过调节侧链长度和柔性甚至可以允许距离间隔长达聚合物链伸直长度的侧链间发生交联。在线性聚合物上接枝不含可交联官能团的侧链也可对SCNP的亲疏溶剂特性进行调控(图2B)。在线性聚合物上高密度接枝较短的侧链，则获得了刷状聚合物，其在溶液中呈现出刚性圆柱状。交联这类聚合物则不会导致明显的单链塌缩，仍维持住其原先的圆柱状。对于星形聚合物而言，可以通过交联多臂上可交联的官能团来制备SCNP(图2C)。树状聚合物是一类较为刚性且在外围带有大量官能团的球状分子。因此链内交联仅发生在距离较短的官能团间，所贡献的塌缩程度十分有限(图2D)。

图2 以(A)环状聚合物、(B)接枝聚合物、(C)星形聚合物、(D)树枝状聚合物为前驱体制备SCNP。

链内塌缩获得的SCNP可具有各种形貌，例如蝌蚪状SCNP、哑铃状SCNP和Janus SCNP。蝌蚪状SCNP是由交联的头部和未交联的尾部组成，一般以线性两嵌段聚合物为前驱体，通过链内交联其中的一个嵌段来制备。以蝌蚪状SCNP为组装单元，可以获得高级组装体。而高级组装体的形貌和响应特性与蝌蚪状SCNP的结构参数及其交联头部的交联程度有关(图3A)。当然我们也可通过先制备链内交联的SCNP，再连接尾部链段的方式制备蝌蚪状SCNP。交联ABC三嵌段聚合物的两端嵌段，可以得到哑铃状SCNP：两端是两个单链粒子，两个粒子之间由一根线性分子链连结。若其中的一侧的粒子可以可逆地发生交联-解交联-交联，即可实现哑铃状SCNP-蝌蚪状SCNP-哑铃状SCNP的转变(图3B)。分别链内交联两嵌段聚合物的两个嵌段，则可得到两端塌缩的Janus twin SCNP(图3C)。若Janus twin SCNP的两个交联网络分别为亲水和疏水(即两亲性SCNP)，其将表现出类似于两亲性粒子表面活性剂的优异界面稳定特性，有效降低界面张力。另一类Janus SCNP则是交联ABC三嵌段聚合物的中间嵌段。若该Janus SCNP的两端链段分别为亲水和疏水，其也能表现出类似于两亲性粒子表面活性那样优异的界面稳定性(图3D)。在中间嵌段的交联网络中引入催化功能基元，即可实现界面催化。该催化剂表现出高的催化能力并且可回收。

图3 (A)蝌蚪状SCNP的制备与组装；(B)哑铃状SCNP的制备及其可逆结构转变；(C)两端塌缩的Janus twin SCNP；(D)Janus SCNP

当然，SCNP研究领域还存在一些仍未解决的问题。例如SCNP的合成通常需要在极稀的聚合物溶液环境中进行，这很大程度上限制了SCNP的规模化制备。为了实现在较高浓度下的链内交联并有效避免链间交联，除了连续滴加法的策略之外，研究人员还发展了一些有效方法，包括通过聚合物刷实现空间稳定机制，在聚合物侧链上静电接枝有效避免链间交联的分子，内化交联基团以及使用流动化学合成。能在高浓度下高效制备SCNP的普适方法仍需进一步研究开发。此外，纯的SCNP的制备也十分困难。由于溶液中聚合物链的随机构象且链内交联受动力学控制，因此所得到的SCNP间存在较大的结构和构象差异，即无法得到纯的SCNP，而SCNP的纯度将会对其性能产生影响。因此作者认为，需要对不纯的SCNP进行纯化，使其能达到与天然生物大分子折叠结构相当的高纯度。为此，研究人员尝试使用程序化折叠线性聚合物的策略。该线性聚合物链由四个链段通过官能化位点连接而成。通过加入两个当量的双官能团交联剂并调节交联剂与官能化位点的反应活性可将其按一定比例折叠成不同的双环异构体(手铐形、8字形和θ形)。结果表明聚合物折叠方式是由官能化位点的空间距离以及交联剂和官能化位点间的反应活性所决定(图4)。此外，在适当组装条件下，具有各种形态的Janus SCNP混合物可通过排它性组装获得到规整的宏观组装体。将该组装体解离将得到纯的SCNP。理论模拟结果指出，等规聚合物和较短的聚合物均更有可能塌缩为纯的SCNP。这些结果均为我们设计具有较高纯度的SCNP提供了有价值的见解。