兰州大学魏华教授课题组制备出含异相聚合物刷的环状刷形聚合物
基于环状拓扑结构的聚合物由于其独特的性质近年来吸引了研究者们广泛的关注和研究兴趣，其中环状刷形共聚物（cyclic brush copolymer）是一类新颖的在环状内核上接枝有高密度聚合物刷的高分子。由于环刷形聚合物具备与树状高分子媲美的超支化结构，因此可以自组装形成比具有相同分子量的瓶刷形聚合物（bottlebrush copolymer）更加稳定的单分子胶束，这一性能使其作为载体材料在药物传递上具有重要的应用前景和研究价值。然而迄今为止关于环状刷形聚合物的研究主要集中在含有均相聚合物刷的环状刷形聚合物上，由于合成上的困难性，尚未有制备含异相聚合物刷的环状刷形聚合物的报道。
为了实现这一目的，兰州大学魏华教授课题组基于二元嵌段共聚物的环状模板首次合成了含有异相聚合物刷的环状刷形聚合物，同时这一方法也为两面形（Janus-type）共聚物的设计和合成提供了新思路。含有异相两亲性聚合物刷的环状刷形聚合物合成主要包含以下三步（图1），（1）首先通过连续原子转移自由基聚合制备基于寡聚聚乙二醇单甲基醚（OEGMA）和羟乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）单体的线形嵌段共聚物l-P(OEGMA)-b-P(HEMA)-Br；（2）将线形嵌段共聚物末端的溴原子叠氮化后得到线形前体l-P(OEGMA)-b-P(HEMA)-N3， 通过线形前体在极稀条件下分子内点击化学的环化制备得到环状嵌段共聚物c-P(OEGMA)-b-P(HEMA)；（3）以环状嵌段共聚物作为大分子多位点引发剂通过开环聚合制备得到由异相两亲性寡聚聚乙二醇（OEG）和寡聚聚己内酯（OCL）聚合物刷组成的环状刷形聚合物cb-P(OEGMA)-b-P(HEMA-g-OCL)。同时基于线形嵌段共聚物还制备得到了具有相同组成的瓶刷形聚合物bb-P(OEGMA)-b-P(HEMA-g-OCL)作为对照。通过核磁，红外和尺寸排除色谱表征了上述聚合物的成功制备。
图1. cb-P(OEGMA)-b-P(HEMA-g-OCL)和bb-P(OEGMA)-b-P(HEMA-g-OCL)的合成路线
制备得到的含有异相聚合物刷的环状刷形聚合物在水溶液中能够自组装形成具有规则球形结构的胶束纳米粒子，其水合动力学直径为220 nm，略小于由具有相同组成的瓶刷形聚合物自组装形成的胶束纳米粒子。由于环状拓扑结构更强的空间位阻效应，环状刷形聚合物对抗癌药物阿霉素的负载量（86 %）显著高于瓶刷形聚合物（51 %）。由于这一更高的药物负载量，环状刷形聚合物在模拟细胞内酸性条件下（pH 5.0）表现出比瓶刷形聚合物更高的体外药物累积释放量，进而导致了比瓶刷形聚合物针对HeLa细胞更强的体外细胞毒性（更低的IC50值）（图2）。以上结果表明含异相聚合物刷的环状刷形聚合物为研究新型拓扑结构聚合物的组装与其生物医学应用提供了新的平台。
图2. 负载阿霉素的cb和bb聚合物胶束的体外细胞毒性。
该课题组同时报道了通过环状拓扑结构增强嵌段共聚物自组装胶束的稳定性（图3）。研究发现由具有环状亲水链段的蝌蚪状两亲性嵌段共聚物自组装形成的胶束具有比线形嵌段共聚物自组装胶束更高的药物负载量。
图3. 具有环状亲水链段的蝌蚪状两亲性嵌段共聚物和线形嵌段共聚物对照的结构及其自组装行为。
最近该课题组还设计和合成了一系列具有交替亲、疏水刷的瓶刷形共轭聚合物（图4）。由于其独特的相分离结构，聚合物P4具有形成稳定单分子胶束的能力，且其在水相中的荧光量子产率（Φ = 0.55）可以媲美于小分子生色团。这一优异的荧光成像性能可应作为载体材料实现诊疗一体化。
图4. 具有交替亲、疏水刷的瓶刷形共轭聚合物的化学结构（左）及体外细胞荧光成像性能（右，蓝色为聚芴的荧光，绿色为对细胞质染色的荧光，红色为阿霉素的荧光）。
以上相关成果分别发表在Macromolecules (Macromolecules 2018, DOI: 10.1021/acs.macromol.8b00950.), Polym. Chem. (Polym. Chem. 2018, 9, 2569-2573; Polym. Chem. 2018, DOI: 10.1039/c8py01221k.) 上。论文的第一作者分别为兰州大学化学化工学院硕士研究生刘哲（现为山东大学博士研究生）, 王云飞和硕博连读生刘芳君（硕士生赵学之为共同第一作者，赵学之现为四川大学博士研究生），通讯作者为魏华教授。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.8b00950
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/py/c8py00299a#!divAbstract
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/py/c8py01221k#!divAbstract
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