同济大学杜建忠教授课题组揭示了嵌段共聚物纳米粒子超声响应性的起源及调控因子

同济大学杜建忠教授课题组揭示了聚合物纳米粒子本征的超声响应性起源于它们的热力学亚稳态，可通过控制自组装温度（T_s）和溶剂来调节超声响应性；阐明了超声响应性的表达在动力学上与嵌段共聚物疏水链段的运动能力有关，可通过提高超声测试温度（T_u）来提高超声响应的速率。

智能聚合物纳米粒子作为药物载体在癌症诊疗等领域有广泛的应用前景，其行为调控方式主要包括化学刺激（pH值的变化、氧化还原环境的变化等）和物理刺激（温度、光、电场和磁场等）。与化学刺激相比，物理刺激则较为简单，在作用过程中往往不会产生有害的副产物。超声作为一种物理刺激方式，具有安全、无创、易控制、易调节等优点。超声响应主要产生物理变化，表现在聚合物分子间作用力（氢键、分子间弱相互作用力）、配位键被破坏所致的聚合物纳米粒子解组装和重组装。然而，目前关于聚合物纳米粒子超声响应的起源尚不明确，揭示具有可控超声响应性的聚合物纳米粒子的基本原理仍然具有很大的挑战性。

自2012年以来，同济大学杜建忠课题组致力于探索聚合物纳米粒子超声响应性的起源及其关键调控因素。他们设计并合成了以聚乙二醇单甲醚为亲水链段、甲基丙烯酸或丙烯酸烷基酯为疏水链段的模型嵌段共聚物，在不同溶剂中，分别自组装形成了囊泡、珠状胶束、复杂胶束等纳米粒子，进而系统地研究了它们的超声响应性，包括超声响应的定义、起源和调控。

超声响应与超声空化作用有关，与超声自由基无关，如图1（a-c）所示。因此，超声响应被定义为聚合物纳米粒子本征的响应超声空化的能力，聚合物纳米粒子在超声前后发生了物理变化而非化学变化。在相同的超声条件下，超声前后的尺寸变化率可以用来定量衡量超声响应性的大小。

图1 （a）超声自由基随时间的变化图；（b）自由基对超声响应的影响，加入亚甲基蓝以淬灭自由基；（c）空化泡产生的空化效应。（d）热退火实验：45 °C持续加热，聚合物纳米粒子流体力学直径随时间（10天）的变化趋势；超声测试（180 s）；（e）通过热退火和超声分别到达稳态的对比图。

聚合物纳米粒子的超声响应性起源于它们在热力学意义上的亚稳态。热退火实验表明，超声和热具有同样的作用，都可以使聚合物纳米粒子从一个亚稳态达到另一个亚稳态或者稳定状态，如图1（d-e）所示。与热相比，超声对纳米粒子热力学状态的改变更快、更有效。

自组装温度（T_s）和自组装溶剂可以调控聚合物纳米粒子的热力学状态，因此可以调控其本征的超声响应性，如图2（a-c）和图3所示。当T_s在嵌段共聚物疏水链段玻璃化转变温度（T_g）附近或略低时，聚合物囊泡（自组装溶剂THF/H₂O）处于不同的亚稳态，疏水链段需要克服不同的能量位垒，因此对应着不同的超声响应性；当T_s远大于T_g时，聚合物囊泡（自组装溶剂THF/H₂O）处于热力学稳定状态，不具有响应超声性。当自组装溶剂为DMF/H₂O时，聚合物自组装形成实心的胶束等结构，也不具有超声响应性。

图2  聚合物纳米粒子超声响应性的调控：T_s（a）、溶剂（b，c），超声响应速率的调控：T_u（d）。图3  聚合物纳米粒子超声响应性的起源及调控。起源：热力学亚稳态。调控：T_s和溶剂。超声响应速率：T_u越高，速率越快。

此外，T_u可以调控具有超声响应性的聚合物纳米粒子的超声响应速率，如图2（d）和图3所示。超声响应性的表达与嵌段共聚物疏水嵌段的链运动密切相关。由于T_u可以影响聚合物链的运动能力，因此提高/降低T_u可以加快/减慢具有超声响应的聚合物囊泡的超声响应速率。但是，由于T_u与聚合物纳米粒子的初始热力学状态无关，因此对无本征超声响应性的纳米粒子的超声响应速率没有影响。

该研究结果为设计超声响应性聚合物纳米粒子提供理论依据和指导原则，近期在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry。同济大学博士生阳博为论文的第一作者，杜建忠教授为通讯作者。

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Bo Yang, Jianzhong Du. On the origin and regulation of ultrasound responsiveness of block copolymer nanoparticles. Sci. China Chem. 2019, DOI: 10.1007/s11426-019-9612-8.

通讯作者简介

杜建忠，同济大学东方学者特聘教授、上海特聘专家、英国皇家化学会会士（FRSC）、中国化学会高分子学科委员会委员、Biomacromolecules顾问编委。长期从事高分子化学与物理、生物医用高分子材料研究，近五年以唯一通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano, Chem. Sci., Mater. Horiz., Biomaterials, Macromolecules, ACS Macro Lett., Sci. China Chem., Prog. Polym. Sci.等期刊发表学术论文45篇。