基于聚合物前體的具有精確控制的成分和尺寸的二維 (2D) 納米結構引起了廣泛的興趣，但難以獲得。使用預制種子在選擇性溶劑中對嵌段共聚物(BCP) 和相關聚合兩親物進行活性結晶驅動自組裝 (CDSA) 已被證明是一種強大的環(huán)境溫度方法，可用于形成尺寸受控的二維薄片膠束。使用這種方法已經(jīng)實現(xiàn)了來自 BCP 的一系列結構清晰和復雜的薄片結構以及各種粒子形態(tài)。精確控制核-殼粒子的內部結構以允許創(chuàng)建具有空間不同化學性質的核，可以促進顆粒行為的發(fā)展。然而，這仍然是一個未解決的挑戰(zhàn)，因為種子外延生長會導致所得顆粒的核心結構在組成上是均勻的。對于1D或2D組件，只有有限的異質外延生長的例子被報道，并且最廣泛研究的案例涉及結構相似的聚二茂鐵基二甲基硅烷（PFS）和聚二茂鐵基二甲基鍺烷）（PFG）作為可結晶的成核嵌段。這些材料具有幾乎相同的物理和化學性質。
聚酯以前被用作成核嵌段，使用活CDSA方法形成結構清晰的一維和二維粒子。這種核心具有固有的生物相容性，但也顯示出水解生物降解途徑，其中降解速率由其特定的化學結構控制。從生物相容性和可生物降解的聚合物中提取具有分段核的粒子的產(chǎn)生將通過自組裝納米粒子的產(chǎn)生帶來重大進展，其中可以選擇性地操縱降解特性和功能化水平。
于此，伯明翰大學Andrew P. Dove、Rachel K. O’Reilly和維多利亞大學Ian Manners等研究人員展示了一種多功能方法來制備具有組成不同核心的各種2D分段薄片。作為概念證明，研究人員展示了分段的2D薄片膠束，其中衍生自具有不同疏水性的聚酯的核心區(qū)域表現(xiàn)出選擇性水解降解。該研究結果將指導未來設計和制造具有不同功能的不同核心組成的空間結構的核-殼納米粒子。
示意圖
首先，研究人員利用聚合物混合物和種子粒子來控制聚合物結構。作者首先用環(huán)狀聚合物制備不同碳數(shù)的聚乳酸（PVL、PCL、PHL、POL和PDDL），再用這些聚乳酸作為結晶性的核心組成單元，與親溶性的PDMA共聚成為嵌段共聚物。在乙醇中加熱，這些共聚物會自發(fā)形成多分散的圓柱體，通過超聲波處理形成線性均一的種子粒子。接著，作者將不同聚乳酸組成的混合物與種子粒子混合，通過溶劑揮發(fā)得到具有可控尺寸的2D薄片顆粒。作者還通過將不同聚乳酸組成的混合物加入到PCL種子粒子中，形成具有空間和組成不同的核殼結構的復合納米粒子。
圖|通過從膠體分散在乙醇中的均聚物/嵌段共聚物共混物（獲得具有分段核的均勻2D片晶
研究人員接下來描述了晶格的表征，以理解創(chuàng)建具有不同核的2D核-殼顆粒的機制。研究發(fā)現(xiàn)，利用可結晶聚合物的異質外延生長是有限制的，晶格失配不得超過15%。高分辨率選區(qū)電子衍射（SAED）分析顯示，各自帶空間和化學成分差異的聚乳酸核的2D核殼顆粒，與均質聚乳酸顆粒相比，晶格結構不同。研究人員還將種子生長方法擴展到包含更長或更短碳鏈的聚內酯混合物（C7，C8和C12），允許生長具有空間和化學不同的各種分段二維片狀聚內酯核。
圖|由四種不同的聚內酯形成的二維薄片嵌段共膠束
研究人員對PCL和PHL共混物中種子生長法的限制進行了詳細研究，發(fā)現(xiàn)低溫下可以形成分段薄片狀的共混物，但形態(tài)不清晰；高溫下會形成多分散的薄片狀共混物。為了解決這一問題，研究人員通過共聚合PCL和PHL單體，制備了兩種共聚物。發(fā)現(xiàn)具有PCL/PHL微結構的共混物能夠形成好定義的薄片狀結構，解決了低溫下共混物形態(tài)不清晰的問題。此外，通過共聚合己內酯（CL）和左乳酸酯（VL）單體，制備了PVL/PCL嵌段共聚物。這種嵌段共聚物可以作為其他聚左乳酸酯類種子的生長薄片，形成結構清晰的薄片狀結構。最終，通過將這種嵌段共聚物與其他聚左乳酸酯、聚己內酯、聚乳酸和聚戊二酸乙二醇酯共混制備成的單體結合起來，制備出了具有可調尺寸和微結構的二元和多元嵌段共聚物的薄片狀結構。
圖|通過種子生長制備具有空間不同核心化學成分的均勻2D AB二嵌段和ABA三嵌段薄片
為了進一步證明通過這種種子生長過程形成的具有分段核心的二維薄片的范圍和復雜性，ABC 三嵌段共膠束薄片包含 P(VL-co-CL) (C5/C6)、PCL (C6) PHL (C7) 核心是通過將三種不同的混合單體順序添加到 1D PCL62-b-PDMA270 (C6) 種子來制備的。正如 TEM 和 AFM 分析所證實的，這提供了具有均勻尺寸的三嵌段共膠束薄片。
圖|通過種子生長形成具有不同核心化學成分的2D ABC三嵌段片晶
為了利用多嵌段共膠束薄片內成核聚內酯的不同降解曲線，研究人員研究了它們在水性堿性環(huán)境中的選擇性降解。研究人員使用具有 P(VL-co-CL)、PCL 和PHL 核心結構域的 ABC 三嵌段共膠束薄片，并將它們轉移到水中。降解后，薄片表面變得光滑，表明去除了嵌段暈。內核結構域 P(VL-co-CL) 首先降解，然后是 PCL，而 PHL 保持完好。通過仔細選擇降解條件，研究人員能夠選擇性地去除具有 PCL 和 P(VL-co-CL) 核心區(qū)域的ABA三嵌段共膠束中的中心核心域。這種方法代表了比以前創(chuàng)建空心薄片結構的方法更有效的途徑。
圖|溶液降解
綜上所述，研究人員已經(jīng)證明，基于不同的基于聚內酯的成核均聚物/嵌段共聚物組合，種子生長方法可以應用于一系列不同的可結晶聚合物共混物。這允許訪問具有分段和不同核心化學物質并精確控制尺寸的 2D 薄片膠束。這種方法穩(wěn)健且用途廣泛，代表了各向異性和化學復雜的聚合物納米結構發(fā)展的關鍵進展。可以利用聚內酯核之間的降解速率差異來產(chǎn)生顆粒，其中可以以時空受控的方式發(fā)生選擇性降解，這可以實現(xiàn)一系列應用，特別是在受控釋放和貨物運輸中。在程序條件下可以“開啟”的顆粒的獨特響應行為可能會提供機會來創(chuàng)建能夠長期程序化藥物釋放的微米級載體作為未來的治療運載工具。
此外，研究人員還證明了三個關鍵因素——結晶動力學、可結晶性和核相容性——對于調節(jié)可結晶均聚物/嵌段共聚物混合物的異質外延生長行為具有重要意義。研究人員描述的生長方法為具有不同可編程核心化學的二維薄片膠束提供了一種潛在的通用方法。例如，將該方法擴展到具有不同帶隙的可結晶 π 共軛聚合物作為成核嵌段，將允許訪問在納米電子異質結領域具有潛在應用的二維組件。
參考文獻：
Tong, Z., Xie, Y., Arno, M.C. et al. Uniform segmented platelet micelles with compositionally distinct and selectively degradable cores. Nat. Chem. (2023).
https://doi.org/10.1038/s41557-023-01177-2
