N-乙烯基吡咯烷酮与2-氯乙基乙烯基醚统计共聚物在水溶液中的高度聚集结构及其高效疏水包封

《Polymers》：Highly Aggregated Structures in Aqueous Solutions from Statistical Copolymers of N-Vinylpyrrolidone and 2-Chloroethyl Vinyl Ether for Efficient Hydrophobic Entrapment

　　

研究人员研究了由亲水N-乙烯基吡咯烷酮（N-Vinylpyrrolidone, NVP）与疏水2-氯乙基乙烯基醚（2-Chloroethyl Vinyl Ether, CEVE）组成的两亲性统计共聚物（statistical copolymers）在水相中的自组装行为。动态与静态光散射（Dynamic and Static Light Scattering, DLS and SLS）分析表明，其结构变化严重依赖于共聚物组成。具体而言，高疏水性CEVE含量的配方在水相中表现出形成高度聚集体系的明显倾向。这些形态转变及由此产生的超分子结构通过透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）得到直观证实。随后，以姜黄素（curcumin）作为模型疏水客体评估了这些组装的包封能力。尽管其固有的统计序列通常缺乏嵌段共聚物所表现出的明显微相分离，但这些体系仍能成功自组装并表现出高包封效率。这些发现表明，此类统计共聚物构成了包封疏水化合物的有效且结构简单的平台，凸显了其在先进包封应用中的潜力。

两亲性共聚物在水溶液中的自组装行为是高分子科学领域的核心研究内容，自系统研究以来便受到广泛关注。此类体系之所以受到重视，根本原因在于其在选择性溶剂中能够形成结构明确且稳定的超分子组装体，性能显著优于传统低分子表面活性剂。从分子层面看，自组装过程受热力学参数调控，特别是Flory-Huggins相互作用参数（χ）决定了链段间的相溶能力；当该参数超过临界阈值时，体系将通过最小化界面自由能促使不溶链段聚集形成核壳结构。当前研究前沿高度聚焦于水性体系，旨在开发用于疏水药物增溶与包封的纳米载体。在水相中，胶束化主要由疏水效应驱动：疏水链段聚集虽导致构象熵损失，但破坏其周围有序水化层所释放的大量水分子可显著提升体系平动熵，从而构成胶束化的主要热力学推动力。

尽管嵌段共聚物因其亲水与疏水链段的空间分隔而具备可预测的胶束形态，历史研究长期集中于这类明确拓扑结构。然而，此类精密架构的合成通常涉及多步反应、保护-脱保护化学、复杂纯化工艺及工业放大难题。相比之下，线性统计共聚物可通过单步（one-pot）聚合简便制备，但因主链上单体随机分布、缺乏明确微相分离（microphase separation），其热力学行为迥异：亲水与疏水单元交替出现，链段倾向于分子内塌缩形成单链纳米粒子（single-chain nanoparticles），而非形成分子间胶束，这使其在自组装研究中长期未受重视。

针对上述挑战，研究人员开展了本项工作，系统研究由亲水N-乙烯基吡咯烷酮（N-Vinylpyrrolidone, NVP）与疏水2-氯乙基乙烯基醚（2-Chloroethyl Vinyl Ether, CEVE）组成的线性两亲性统计共聚物（amphiphilic statistical copolymers）。值得注意的是，尽管合成于一锅体系，两单体活性差异显著（r_NVP = 10.90 ? r_CEVE = 0.06），导致共聚物实际呈现梯度（假双嵌段，pseudo-diblock）微结构，这一序列特征成为其实现分子间自组装的关键结构基础。NVP单元赋予材料亲水性与血液相容性，可作为聚乙二醇（poly(ethylene glycol), PEG）的潜在替代以规避其免疫原性问题，同时内酰胺环提供强络合能力；CEVE单元则提供水性自组装所需的疏驱动力，且侧基活性氯原子为后续聚合物后修饰保留反应位点。研究团队旨在解析此类体系的水相自组装规律、纳米结构特征及其对疏水客体的包封效能，从而验证其作为结构简化疏水包封平台的应用潜力。

研究人员通过可逆加成-断裂链转移（Reversible Addition–Fragmentation chain Transfer, RAFT）聚合制备了五种不同投料比的P(NVP-stat-CEVE)统计共聚物样本（NVP/CEVE摩尔比分别为80/20、60/40、50/50、40/60与20/80）。采用溶剂交换法（nanoprecipitation）触发自组装：将共聚物溶于四氢呋喃（tetrahydrofuran, THF）后逐滴加入超纯水，经加热去除有机溶剂，全程以称重法精确定量，获得浓度约1.5 mg/mL的母液并稀释至系列浓度。利用动态光散射（Dynamic Light Scattering, DLS）与静态光散射（Static Light Scattering, SLS）在特定温度与散射角条件下，通过累积展开法（cumulant expansion method）与CONTIN拉普拉斯反演算法（CONTIN Laplace inversion algorithm）解析流体力学半径及分布，并依据Debye公式获取聚集数与第二维里系数（second virial coefficient, A₂）。采用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）直接观察干燥态形貌。包封研究以姜黄素（curcumin）为模型疏水药物，通过改良纳米沉淀法按10%、15%、20% w/w比例载入，利用紫外-可见分光光度法（UV-Vis spectroscopy）测定胶束分散液相对于空白样的吸光度，结合氯仿中建立的标准曲线定量载药量（Drug Loading Capacity, %DLC）与载药效率（Drug Loading Efficiency, %DLE）。

3.1 水性自组装与纳米结构表征
DLS与SLS分析表明，纳米结构对CEVE含量及溶液浓度具有强依赖性。20/80样品（实际CEVE含量34.0 mol%）因高疏水性形成致密初级胶束，重均聚集数（aggregation number, N_w）达系列最高的173，R_h,0为96.60 nm；其k_d为395.36 cm3/g且A₂为正，表明PNVP冠层提供有效空间稳定，并导致流体力学体积随浓度升高而减小。40/60样品（CEVE 11.4 mol%）核心结构较为松散，N_w降至67.4，R_h,0增至系列最高的143.82 nm，k_d高达1188.51 cm3/g，显示强烈的分子间排斥及高浓下的显著压缩。50/50样品（CEVE 9.8 mol%）R_h,0为72.63 nm，N_w为26.9，k_d近零（6.94 cm3/g），暗示热力学与流体动力学贡献达到平衡。60/40样品（CEVE 4.9 mol%）呈现松散组装特征，R_h,0为92.61 nm，k_d为179.76 cm3/g。80/20样品（NVP 97.5 mol%，CEVE 2.5 mol%）聚集数最低（N_w = 14.7），但因PNVP链段高度水合而保持较大流体力学体积（R_h,0 = 104.51 nm）；其k_d为负值（?150.18 cm3/g），表明分子间氢键（hydrogen bonding）吸引占主导，高浓度下形成瞬态桥连网络导致表观尺寸渐增，且自由体积丰富。

3.2 透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）形态表征
TEM结果直观验证了光散射推导的形态演变。80/20样品呈现延伸的“蠕虫状”（worm-like）松散网络，缺乏明确分离的疏水核，与低聚集数及强链间吸引一致。50/50样品呈互连的海绵状多孔网络，对应其中间态架构。40/60样品则为大尺寸、高度多孔且无明确边界的聚集体，印证其最大流体力学尺寸与强排斥特征。20/80样品呈现致密紧凑的硬球形态（hard-sphere morphology），其视觉尺寸与DLS所得流体力学直径相吻合，证实高CEVE含量提供了充分的疏水塌缩驱动力，促使链段紧密堆积形成高度分相的致密核心。

3.3 姜黄素包封与紫外-可见光谱分析
姜黄素（curcumin）作为一种具有刚性共轭骨架的大体积多酚，其酮-烯醇互变异构（keto-enol tautomerism）行为对微环境极为敏感。在氯仿中，其二酮式（diketo tautomer）的特征π→π^*跃迁吸收峰位于264 nm；包封后所有样品均出现红移并稳定在274–279 nm，该溶剂化显色（solvatochromic shift）现象直接证实药物已掺入高度水合的受限聚合物网络，并在二酮基、渗透水介质与NVP单元间形成新的氢键与偶极-偶极作用（dipole-dipole interaction）。定量结果显示，包封性能呈现与疏水性预期相反的趋势：最疏水的20/80样品因致密核心内强烈的聚合物-聚合物内聚作用及低链段流动性产生显著位阻，%DLC与%DLE最高仅分别为6.46%与48.17%。相反，高亲水80/20样品凭借溶胀松散架构及分散疏水微域，在15% w/w投料比下实现最优包封，%DLE达88.37%，%DLC达13.53%。丰富的NVP单元通过氢键与偶极作用锚定药物，有效抑制药物诱导相分离。所有配方在20% w/w高投料比下均出现%DLE下降，表明溶胀核载药量趋于饱和；40/60样品因强分子间排斥导致高浓下胶束压缩，包封效率受到制约。

综合研究结果表明，水作为高度选择性溶剂，能够驱动该类统计共聚物突破序列随机性限制形成明确纳米结构。胶束化过程无需离散微相分离即可实现，即使在CEVE含量极低的80/20配方中亦能发生。超分子架构直接取决于共聚物组成：随CEVE比例升高，组装体由溶胀、扩展的假双嵌段网络逐步过渡为紧凑、硬球型胶束。姜黄素包封研究揭示，高亲水80/20共聚物的溶胀松散核心因具有最大自由体积而成为最有效载药基质，成功突破了紧密堆积胶束核的位阻限制。结论强调，此类统计共聚物不仅保留了一锅合成带来的实用优势与反应性侧基氯原子赋予的结构可拓展性，更以其在水相中包封大体积疏水分子的能力，确立了作为多功能纳米载体的应用潜力。