中科院上海有机所黄晓宇/冯纯团队：以结晶性π-共轭OPV为核的纳米纤维在水中断裂行为的研究

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利用活性结晶驱动自组装(CDSA)可以制备具有化学结构的长度和组成精确可控的纳米纤维。由于纳米纤维具有的高长径比结构，它与同类的球形纳米结构相比具有更高细胞黏附性、更快的细胞吞噬速度以及更长血液保留时间等优点，因此，纳米纤维在生物医学等领域极富应用潜力。但是，这类纳米纤维多存在水相形貌稳定性不足的问题，纳米纤维在水溶液中会发生断裂甚至解体，并且在一定程度上目前对该现象发生的机制以及影响其断裂的关键因素等仍然缺乏系统且深入的认知。这是拓展该类纳米纤维在生物医学等领域应用的巨大障碍。

中国科学院上海有机化学研究所有机功能分子合成与组装化学院重点实验室的黄晓宇/冯纯团队近些年一直致力于长度和组成精确可控的π-共轭聚合物基纳米纤维的构建和性能研究。在前期研究基础上，他们利用对硝基苄基(ONB)的可光解性，制备了一种壳层链密度可调的纤维状胶束，并探究了其水相形貌稳定性胶束与壳层链间斥力的关系，不仅证实了壳层斥力是纳米纤维断裂的主要驱动力，还为提高此类胶束在水溶液中的稳定性提供了新的策略(图1)。该工作近日发表于Macromolecules (2020, 53, 8631)。

图1. 具有不同壳层链段密度纳米纤维的制备

他们首先合成了嵌段间含有光敏基团ONB的聚合物OPV₅-ONB-b-PNIPAM₄₀，并利用“自晶种”方法，使其在乙醇中组装为平均长度为396 nm的短纤维状胶束。经254 nm紫外光不同时间照射后，其壳层与内核之间的ONB基团会发生断裂，以此可以实现对胶束壳层的PNIPAM链段密度的调控，在此基础上制备了系列具有相同长度、不同壳层链段密度的纳米纤维胶束，并将这类纳米纤维胶束作为模型纤维，考察壳层密度与纤维在水中断裂行为之间的关系。由TEM和DLS测试结果可见，90 min内紫外光处理不会影响胶束的形貌和溶液分散性。SEC分析表明，随着紫外照射时间从30 min延长至90 min，从胶束表面脱落的PNIPAM链的量从46%上升到73%，胶束壳层的链密度不断降低(图2)

图2. (A) “Self-Seeding”法制备的短纤维状胶束及(B) 其被36 W 254 nm紫外光照射90 min后的TEM照片。(C) 经不同时长紫外照射的纤维状胶束溶液的DLS及(D) SEC谱图(紫外检测器，λ= 490 nm)。

随后，他们测试了经不同时长紫外照射处理的胶束被转移至水相后的形貌稳定性。TEM结果表明，未经紫外光照射的胶束，溶剂置换的12小时后发生了明显的断裂，平均长度下降至134 nm，15天后进一步减小至78 nm。各组样品中的胶束在各取样时间点的平均长度随样品受紫外照射时间的延长而增加，且其断裂过程一直持续到溶剂置换的第3天后，直至胶束长度下降至一个相对稳定的值，而这个平台值也与胶束受紫外照射的时间成正相关。经紫外处理90 min后的胶束溶液，其平均尺寸在转移入水相后的15天内几乎保持不变。DLS测试结果亦能佐证上述结果。这说明通过紫外引发ONB基团断裂降低壳层PNIPAM链密度的方法，能对这类胶束在水溶液中的断裂起到显著的抑制效果，当壳层残留的PNIPAM链含量下降至原来的27%时，胶束获得了能保持15天以上的优良水相形貌稳定性(图3)

图3. (A) 经不同时长紫外照射的胶束转移至水中后平均长度随放置时间的变化。(B) 经不同时长紫外照射的胶束转移至水中并放置12小时后的DLS谱图。(C) 未经紫外照射及(D) 经紫外照射90 min后的胶束溶液的长度分布统计随放置时间的变化。

他们继续考察了壳层分别为聚乙二醇(PEG)和聚N-(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺(PHPMA)的其他两种以OPV₅为核的纤维状胶束从乙醇中转移至水溶液后的形貌稳定性。PEG链与PHPMA链不具备PNIPAM链特有的、在良溶剂醇和水的混合溶剂中溶解度下降的”nn-cosolvency”效应；溶剂置换为水后，这两种链形成的壳层也会发生膨胀，而非PNIPAM壳层表现出的塌缩。实验结果表明，上述两种纤维状胶束在水相中也会发生明显的解体，这进一步证明以OPV₅为核、经结晶驱动自组装形成的纤维状胶束在水中的断裂是一种普遍现象，依靠改变壳层链的溶解性等方法难以从根本上避免纤维的断裂。此外，他们发现对由不含ONB基团的OPV₅-b-PNIPAM₄₉组装成的纤维状胶束进行的90 min紫外光照射不能抑制其在水相中的解体；而对比此类胶束在照射前后的SEC曲线，可以排除紫外处理引发OPV分子间的光致交联，进而造成胶束稳定性上升的可能性(图4)。

图4. (A) OPV₅-b-PEG₁₁₃，(B) OPV₅-b-PHPMA₇₁及(C) 经紫外照射90 min的OPV₅-b-PNIPAM₄₉ 纤维状胶束在转移至水相前后的长度统计对比。(D) 紫外照射前后OPV₅-b-PNIPAM₄₉ 纤维状胶束的SEC谱图对比。

以上结果表明，此类纤维状胶束经紫外照射后表面链段密度的下降，是其水相稳定性提升的主要原因。作者还提出了纤维胶束稳定性增强效应的发生机制：胶束壳层链、特别是远离纤维状胶束两端的壳层链的脱落，能有效释放因溶剂置换产生的额外链间张力，当链间张力不足以破坏OPV核的结晶结构时，胶束在水溶液中即可保持其原始形貌。最后，作者制备了由亲水链较短的OPV₅-b-PNIPAM₁₃形成的纤维状胶束，并检验了水相稳定性。该壳层-结晶核质量比与73%的PNIPAM链被剥离的OPV₅-ONB-b-NIPAM₄₀相近的胶束在水中亦会发生解体，这说明相比于减小壳层链的密度，缩减其长度对降低壳层链间斥力、增强胶束水相稳定性的作用十分有限(图5)。

图5. 纤维胶束稳定性增强效应的发生机制图示。

相关成果以“Fragmentation of Fiber-like Micelle with a π-Conjugated Crystalline Oligo(p-phenylenevinylene) Core and a Photo-cleavable Corona in Water: A Matter of Density of Corona-forming Chain”为题发表在Macromolecules (2020, 53, 8631)上。该工作研究了结晶驱动自组装形成的纤维状纳米结构在水溶液中断裂现象的发生机制，并提供了通过降低胶束壳层链密度增强其水相稳定性的新策略。中国科学院上海有机化学研究所的博士生马晨是该文的第一作者，中国科学院上海有机化学研究所为第一通讯单位。中国科学院上海有机化学研究所黄晓宇研究员和冯纯副研究员为共同通讯作者。上述研究工作得到了科技部、国家杰出青年科学基金会、国家自然科学基金委员会、中国科学院战略性先导科技专项(B类)、中国科学院青年创新促进会和上海市科委的资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c01698

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