具有螺線表面的聚肽中空柱的制備與結構

焦莉萍， 劉艷萍， 金銳琦， 續文恒， 蔡春華， 林嘉平

（華東理工大學材料科學與工程學院, 上海市先進聚合物材料重點實驗室, 上海 200237）

近年來，中空納米粒子的制備和應用備受關注[1-4]。中空納米粒子可以容納客體粒子，且具有較高承載能力，因此其在藥物載體、催化劑載體、微反應器等多個領域具有重要的應用價值[5-8]。目前研究較多的中空納米粒子有中空微球和囊泡[9,10]，對于空心柱狀納米粒子的研究較少。研究表明表面圖案可賦予材料更加優異的性能[11]。因此，研究具有表面圖案的中空柱狀粒子，具有重要的科學價值和實際應用前景。

聚肽與蛋白質的物理化學結構相似，具有α-螺旋、β-折疊、無規線團等構象[12-14]，是蛋白質研究的重要模型，可用來制備組織工程支架和藥物載體等生物應用相關材料[15-18]。聚肽最常見的構象是具有剛性特征的α-螺旋，其傾向于有序排列，是一種典型的剛性聚合物。共聚物溶液自組裝是構建納米材料的有效方法，聚肽共聚物形成的組裝體形貌豐富、結構穩定，受到了多個領域的廣泛關注[19-21]。

本文基于聚肽共聚物自組裝，制備了表面具有螺線的中空柱狀粒子和中空貝殼狀粒子。本課題組的前期研究表明，聚（γ-芐基-L-谷氨酸酯）-b-聚乙二醇（PBLG-b-PEG）嵌段共聚物與聚苯乙烯（PS）均聚物自組裝可形成螺線球和經線球[22]，其中PS均聚物形成球形內核，PBLG-b-PEG嵌段共聚物形成螺線外殼。在此基礎上，本文對PBLG-b-PEG嵌段共聚物的側基進行部分改性，接枝可紫外光交聯的肉桂醇，得到聚（γ-芐基-L-谷氨酸酯-co-肉桂基-L-谷氨酸酯）-b-聚乙二醇（P（BLG/CLG）-b-PEG）嵌段共聚物。與PBLG-b-PEG/PS體系類似，P（BLG/CLG）-b-PEG/PS共混體系也可自組裝得到螺線球和經線球。先將所得螺線球和經線球用紫外燈照射促使肉桂醇基團光交聯，可固定其外殼條紋圖案；然后用有機溶劑將PS內核溶解掉，即可得到表面具有螺線的中空柱狀粒子和中空貝殼狀粒子。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

PBLG-b-PEG嵌段共聚物：PBLG鏈段Mn= 2.9×104，聚合度為134，PEG鏈段Mn= 5.0×103，聚合度為112，Mw/Mn= 1.13，自制[23]；PS均聚物：Mn= 6.2×103，Mw/Mn= 1.08，自制[22]；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、四氫呋喃（THF）、4-二甲氨基吡啶（DMAP）、二氯乙酸（DCA）、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺鹽酸鹽（EDC·HCl）、超干二甲基亞砜（DMSO）、肉桂醇（CA）、碳酸氫鈉：上海泰坦科技有限公司；氫溴酸醋酸：w=33%，上海百靈威技術有限公司；超純水：Millipore 超純水系統制備。以DMSO為溶劑，分別配制DMAP、EDC·HCl和CA的溶液，質量濃度分別為0.025、0.055、0.080 g/mL。

1.2 測試與表征方法

核磁共振氫譜（1H-NMR）：美國布魯克公司 Avance 400 型核磁共振儀，CDCl3-CF3COOD（體積比為6∶1）為溶劑，四甲基硅烷為內標物；場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）：日本日立公司（Hitachi）S-4 800 型場發射掃描電子顯微鏡，工作電壓為15 kV，將含有聚集體的水溶液滴到處理后的單晶硅片上，自然風干，測試前噴鉑處理；透射電子顯微鏡（TEM）：日本電子公司（JEOL）JEM-1 400型透射電子顯微鏡，工作電壓為100 kV，將樣品水溶液滴到銅網上，待液滴中的水分揮發干燥后進行測試；原子力顯微鏡（AFM）：韓國Park Systems XE-100型原子力顯微鏡，將待測膠束水溶液滴到處理后的單晶硅片上，液滴中的水分揮發干燥后得到待測樣品。

1.3 聚合物的合成與表征

1.3.1 P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物的合成 從PBLG-b-PEG嵌段共聚物出發，首先將PBLG鏈段部分酸解脫芐基，然后與肉桂醇酯化反應合成P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物[24,25]，反應流程如圖1所示。

圖 1 P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物的合成路線Fig. 1 Synthetic route of P(BLG/CLG)-b-PEG block copolymer

圖 2 嵌段共聚物的1H-NMR圖譜Fig. 2 1H-NMR spectra of block copolymers

稱取0.2 g的PBLG-b-PEG嵌段共聚物加入到單口燒瓶中，加入5 mL二氯乙酸，室溫下攪拌3 h，使聚合物完全溶解，隨后將200 μL的氫溴酸醋酸溶液快速加入到單口燒瓶中，攪拌20 min。反應結束后，用滴管向燒瓶中滴加事先配好的NaHCO3溶液，調節反應液的pH≈6。隨后將產物用純水透析，經冷凍干燥后得到P(BLG/LGA)-b-PEG共聚物。

稱取P(BLG/LGA)-b-PEG共聚物0.1 g置于圓底反應瓶中，加入3 mL DMSO，在室溫下溶解聚合物。隨后加入DMAP的DMSO溶液和EDC·HCl的DMSO溶液各1 mL，充分攪拌后抽排氮氣3次，繼續磁力攪拌30 min。然后，在氮氣的保護下，加入CA的DMSO溶液1 mL。密封瓶口，磁力攪拌下反應72 h。反應結束后，將反應液以純水透析，最后冷凍干燥得到P(BLG/CLG)-b-PEG共聚物。

1.3.2 P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物的表征 通過1H-NMR對PBLG-b-PEG嵌段共聚物和P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物的結構進行表征，如圖2所示。P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物的1H-NMR譜在6.70、6.31處出現了新特征峰，這2處峰對應著CA酰氧基上C=C雙鍵的質子特征峰，此結果說明P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物成功接枝了肉桂醇。根據PBLG側鏈上亞甲基質子特征峰b（2.42）與肉桂醇酰氧基上C=C雙鍵的質子特征峰e（6.70）、f（6.31）處峰面積的比值，得出CLG的接枝率為10.8%，平均接枝數為14.4。

1.4 中空粒子的制備及其填充性能研究

圖3所示為中空粒子的制備流程，中空貝殼狀粒子的制備方法與其類似。以THF-DMF混合溶劑（體積比5/5或3/7）分別溶解P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物和PS均聚物，質量濃度均為0.2 g/L。取P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物和PS均聚物溶液各1 mL置于玻璃瓶中，充分混勻。在磁力攪拌下，用注射泵將0.6 mL超純水加入到上述溶液中，滴加速率為0.03 mL/min。滴加結束后，在磁力攪拌下，穩定30 min。最后用純水透析，得到表面帶條紋的球狀聚集體（螺線球和經線球）的水溶液（約3 mL）。實驗溫度均為40 ℃。

圖 3 中空柱狀粒子的制備流程示意圖Fig. 3 Schematic illustration for the preparation of hollow disk-like particles

取上述組裝體水溶液1 mL加入石英管中，置于紫外燈下照射1 h，使肉桂醇基團上的C=C雙鍵發生環加成反應，將外殼條帶交聯固定。然后，取0.5 mL交聯后的聚集體水溶液，加入5 mL THF，并攪拌1 h，去除PS均聚物內核。最后，用純水透析得到表面具有納米條帶的中空柱狀和中空貝殼狀粒子水溶液。

對所制備的中空柱狀粒子，以PS均聚物為客體分子，研究其填充性能。將未經純水透析過的中空柱狀粒子溶液1 mL與1 mL PS均聚物THF溶液（質量濃度為1 g/L）共混，并攪拌4 h。然后用注射泵將0.4 mL超純水滴加到上述溶液中，滴加速率為0.002 mL/min。最后以純水透析得到粒子的水分散液。

2 結果與討論

2.1 螺線球狀聚集體的形貌研究

PBLG-b-PEG嵌段共聚物與PS均聚物可以自組裝形成核殼型粒子，疏水的PS均聚物構成球形內核，PBLG-b-PEG嵌段共聚物在PS球表面自組裝形成納米有序條帶，親水的PEG起到了穩定粒子在水中分散的作用[22]。通過改變初始溶劑中THF和DMF的體積比，調控組裝體表面納米圖案的形貌。當初始溶劑V（THF）∶V（DMF）=5∶5時，PBLG-b-PEG嵌段共聚物與PS均聚物共混自組裝得到螺線球，此螺線球中間纏繞著PBLGb-PEG嵌段共聚物形成的螺線，兩極較為光滑（圖4（a））。增加初始溶劑體系中DMF的含量，當V（THF）∶V（DMF）=3∶7時，PBLG-b-PEG/PS共混自組裝形成經線球（圖4（b））。肉桂醇改性對共聚物自組裝行為沒有明顯影響，如圖4（c，d）所示，在相同的制備條件下，P(BLG/CLG)-b-PEG與PS共混自組裝形成了螺線球和經線球。

圖 4 （a, b）PBLG-b-PEG/PS和（c, d）P(BLG/CLG)-b-PEG/PS自組裝聚集體的SEM圖Fig. 4 SEM images of aggregates formed by self-assembly of (a, b) PBLG-b-PEG/PS and (c, d) P(BLG/CLG)-b-PEG/PS

2.2 中空柱狀粒子的形貌研究

將所得螺線球和經線球用紫外光照射固定外殼的納米條帶，得到外殼被固定住的螺線球（圖5（a））和經線球（圖5（b））。樣品交聯前后形貌沒有明顯變化。向交聯的螺線球和經線球水溶液中加入THF，溶解PS均聚物內核，分別得到表面具有螺線的中空柱狀粒子（圖5（c））和中空貝殼狀粒子（圖5（e））。它們的TEM形貌如圖5（d，f）所示，兩者均由多根納米條帶組成。

中空柱狀粒子的AFM形貌表征如圖6所示。由圖6（a）可以明顯看出中空柱狀粒子是一種3D結構，圖6（b）的高度數據表明中空柱狀粒子的高度大約為100 nm。結合TEM、SEM和AFM表征結果，明確了中空柱狀粒子和中空貝殼狀粒子是由聚肽共聚物納米纖維組成的，這些粒子很好地保持了3D結構。

圖 5 交聯后P(BLG/CLG)-b-PEG/PS組裝體（a）螺線球和（b）經線球的 SEM 形貌圖；中空柱狀粒子的（c）SEM圖和（d）TEM圖；中空貝殼狀粒子的（e）SEM圖和（f）TEM圖Fig. 5 SEM images of (a) spiral spheres and (b) meridian spheres of aggregates formed by self-assembly of P(BLG/CLG)-b-PEG/PS after UVirradiation; (c) SEM and (d) TEM images of hollow disk-like particles; (e) SEM and (f) TEM images of hollow conchoidal particles

圖 6 中空柱狀粒子的（a）AFM圖和（b）AFM截面分析圖Fig. 6 (a) AFM image and (b) AFM cross-section analysis of hollow disk-like particles

2.3 中空柱狀粒子的穩定性研究

對螺線球在THF-H2O（體積比10∶1）溶液中的形貌隨時間的變化進行表征，結果見圖7。如圖7 （a）所示，當溶解時間t=5 min時，螺線球中的PS內核基本被THF溶解掉，得到中空柱狀粒子；隨著溶解時間的增加，柱狀粒子的形貌基本不變。圖7 （b）是溶解時間t=60 min時得到的粒子形貌，可以看出粒子的形貌沒有明顯變化。這一結果說明PS均聚物內核在短時間內就可以被THF溶解，而由P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物形成的螺線外殼，在紫外交聯后結構十分穩定，不能被THF溶解。

2.4 中空柱狀粒子的填充性能研究

圖8 （a）為中空柱狀粒子填充PS均聚物后的SEM圖。由圖可以看出，中空柱狀粒子內部被PS均聚物填充，形成實心柱狀粒子。向中空柱狀粒子與PS均聚物的THF溶液中加水，導致溶劑對聚肽鏈段和PS均聚物的溶劑化程度下降，在聚肽鏈段和PS鏈段之間的疏水作用以及聚肽鏈段上的苯環與PS均聚物的苯環之間的π-π作用的驅動下，PS均聚物進入到中空柱狀粒子內部，最終把中空柱狀粒子的空腔填滿，形成實心柱狀粒子。親水PEG鏈段使這些實心柱狀粒子穩定地分散在水中。

圖 7 中空柱狀粒子的SEM圖Fig. 7 SEM images of hollow disk-like particles

圖 8 實心柱狀粒子的（a）SEM圖和（b）示意圖Fig. 8 (a) SEM image and (b) schematic diagram of solid disk-like particles

3 結 論

（1）對PBLG-b-PEG嵌段共聚物進行改性，接枝肉桂醇后得到P(BLG/CLG)-b-PEG嵌段共聚物，其與PS均聚物共混自組裝得到螺線球和經線球粒子。

（2）將P(BLG/CLG)鏈段以紫外光照射交聯，并用有機溶劑溶解去除PS內核，得到表面具有條帶的中空柱狀粒子和中空貝殼狀粒子，中空柱狀粒子內部可以被疏水均聚物填充形成實心柱狀粒子。