聚合驱动复合共沉淀中反常液-液相分离动力学

《ACS Macro Letters》：Anomalous Liquid–Liquid Phase Separation Dynamics in Polymerization-Driven Complex Coacervation

　　

聚合驱动的液-液相分离（liquid–liquid phase separation，LLPS）支撑着关键生物过程与生物材料创新，但其潜在动力学路径及结构域生长规律仍不清楚。该研究报道了首个关于聚合驱动聚电解质复合共沉淀中LLPS动力学的计算研究；在这一过程中，大分子电荷不对称程度与聚合物连通性会在聚合期间动态变化。研究人员表明，聚合驱动LLPS会导致结构域生长L(t)呈现两阶段动力学：在早期阶段，由于缀合聚离子（conjugated polyions）的聚合驱动塌缩，出现指数增长，即L(t) ～ exp(t)；在后期阶段，聚合与粗化（coarsening）之间的耦合导致结构域生长呈现接近线性的单一幂律标度，即L(t) ～ t。与经典预测L(t) ～ t^1/3相比，这两个阶段均表现出显著更快的LLPS结构域生长动力学。

该论文发表于《ACS Macro Letters》，围绕聚合驱动聚电解质复合共沉淀中的液-液相分离（LLPS）动力学展开，核心问题在于：尽管聚合诱导相分离已被广泛用于调控复合共沉淀材料的组装结构与功能，但其非平衡相分离过程究竟遵循何种动力学路径、结构域生长是否服从普适标度律，仍缺乏理论与计算层面的清晰认识。传统关于液-液相分离后期演化的理解，主要建立在液滴粗化和奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald ripening）基础上，通常预测特征尺度L(t)随时间满足L(t) ～ t^1/3的Lifshitz–Slyozov-Wagner（LSW）标度律。然而，这些经典理论并未充分纳入带电高分子的静电关联、聚合物链连通性以及聚合反应本身引起的时变电荷不对称性等关键因素。因此，在聚合驱动复合共沉淀体系中，经典标度是否仍然成立，成为值得深入研究的重要科学问题。开展这项研究不仅有助于深化对非平衡LLPS物理机制的认识，也为功能性复合共沉淀材料的理性设计提供理论依据。

为解决上述问题，研究人员采用静电耗散粒子动力学（Electrostatic Dissipative Particle Dynamics，EDPD）模拟，首次系统研究聚合驱动复合共沉淀中的非平衡LLPS动力学。研究将原子转移自由基聚合（Atom Transfer Radical Polymerization，ATRP）机制嵌入EDPD框架，在聚阳离子溶液中引发带负电单体逐步聚合为聚阴离子，从而触发相分离。模拟重点考察不同链增长概率P_p条件下结构域尺度L(t)、单体转化率C_M、聚阴离子平均链长与聚阳离子回转半径（radius of gyration，R_g）的时序演化，并比较总电荷对称体系与阴离子单体过量体系的差异；同时还与中性聚合物体系及非聚合对照体系进行了对比，以辨析聚合和静电作用对动力学路径的特异贡献。

研究首先在电荷总体对称体系中分析聚合驱动LLPS的结构域生长行为。结果表明，在反应极早期，由于仅形成少量短链聚阴离子，体系内聚阳离子与聚阴离子之间存在很强的大分子电荷不对称性，这种不对称性抑制了宏观相分离，因此在时间t₀之前几乎不发生粗化。当单体转化率达到约3%后，体系进入可观测的相分离阶段。此后，结构域生长表现出清晰的两阶段特征：第一阶段为从t₀到t₁的指数式增长，第二阶段为t>t₁时接近L(t) ～ t的单一幂律增长。这一发现说明，聚合驱动复合共沉淀的动力学路径与经典LSW理论所描述的液滴粗化过程存在本质区别。

在“早期聚合驱动生长”这一部分，研究人员指出，阴离子单体聚合后形成的小多价低聚体会与聚阳离子发生局域强结合，但由于正负聚离子之间仍存在较高电荷不对称性，体系尚不足以立刻形成宏观分相。此时，结构域增长主要由聚阳离子在局域配位作用下发生塌缩所驱动。模拟中聚阳离子的R_g快速下降，直接支持了这一判断。同时，聚阳离子与阴离子低聚体之间的结合促成了局域网络状结构的生成；随着聚合持续进行，电荷不对称性不断降低，网络逐渐演变为连续且贯通的结构。正是在这一过程中，L(t)对应的瞬时幂律指数不断升高，最终形成表观上的指数增长。研究据此将该阶段界定为由聚合诱导链塌缩与网络生成共同主导的“聚合驱动生长区”。

在“后期加速粗化”部分，结果显示当单体转化率升至约40%、体系达到时间t₁后，结构域生长开始遵循指数接近1.0的单一幂律。作者观察到，不同P_p条件下，t₁对应的特征长度尺度相近，提示这一转变可能发生在某种近似普适的长度尺度上，即连续网络形成之际。此后，随着电荷不对称性降至临界水平，界面张力效应增强，体系动力学更接近由界面张力诱导流动控制的粗化过程。文章据此认为，该阶段近线性的L(t) ～ t标度与黏性流体力学（viscous hydrodynamics）主导的连续结构并合动力学相一致。作者进一步讨论了这一判断的物理基础：复合共沉淀通常具有极低界面张力，而网络形成又显著抑制单链自由扩散，因此有利于进入由流体动力学抽运（hydrodynamic pumping）控制的增长区间。尽管相关判据原本严格适用于简单二元流体，文章认为其仍可为复杂聚电解质体系提供合理的定性解释。

在“动力学转变机制”分析中，研究人员结合单体转化率、链长比N_m^?/N_m⁺以及聚阳离子R_g的演化，解释了从早期聚合驱动增长向后期加速粗化过渡的内在原因。早期阶段中，C_M快速提高，聚阴离子链长持续增长，促使体系电荷不对称性不断减弱，并加快聚阳离子塌缩与网络发展，从而不断提升结构域增长速率。到了t₁之后，C_M与N_m^?/N_m⁺的增长趋缓，说明体系已获得足够电荷对称性以维持结构域持续增长，动力学主导机制因而从聚合驱动转向粗化驱动。最终，在总体电荷对称条件下，除最低P_p的个别情况外，多数体系均收敛为单一大液滴，表明其最终态是稳定的复合共沉淀液滴。

在“与中性体系及非聚合体系比较”部分，研究人员进一步证明了上述动力学的特殊性。对于贫溶剂条件下的中性聚合物体系，聚合链虽也会快速塌缩成局部凝聚球，但后续相分离主要通过液滴粗化推进，因此结构域生长服从经典L(t) ～ t^1/3标度。对于初始即均匀混合的聚阳离子/聚阴离子非聚合体系，在相同总单体浓度下也表现为t^1/3标度。这两个对照结果共同表明，近线性增长并非一般相分离的普适结果，而是聚合过程、电荷中和趋势以及连续网络形成共同作用下的特异动力学响应，凸显了聚合在调控相分离路径和动力学中的决定性作用。

在“电荷不对称初始条件的影响”部分，论文考察了反应性阴离子单体浓度高于聚阳离子单体浓度的体系，即c_m^? > c_m⁺。结果显示，这类体系在定性上仍保留与对称体系相似的两阶段行为：早期为聚合驱动的快速增长，后期为指数接近1.0的单幂律粗化。但定量上存在显著差异。首先，由于体系中小离子浓度更高、静电屏蔽更强，聚合驱动增长的起始需要更高的总单体转化率。其次，由于可反应阴离子单体库更丰富，单体转化更快，整体域增长速度反而更高，且早期聚合驱动阶段持续时间更短。更重要的是，在这类电荷不对称体系中，较高P_p会导致最终结构域尺寸更小。其原因在于后期聚合产生的聚阴离子数量超过聚阳离子，出现电荷反转（charge inversion），使聚集体带有净电荷，从而阻碍其完全粗化。低P_p时体系仍可能形成单一团簇，而高P_p则更容易形成动力学冻结的网络结构。这说明后期电荷失衡会显著抑制相分离终态的并合过程，并决定最终形貌。

论文讨论部分强调，本研究揭示了聚合驱动聚电解质复合共沉淀的结构域生长动力学明显偏离经典t^1/3标度律：早期由低聚阴离子诱导的局域链间关联和聚阳离子塌缩导致表观指数增长，后期则因电荷不对称性降低至临界水平并形成连续网络，而进入近线性的加速粗化阶段。研究还指出，这种网络化路径和近线性标度可能是静电驱动聚电解质复合共沉淀所特有的，因为聚合过程中正负链段之间具有桥联倾向。文章同时对结果适用范围进行了界定：研究体系处于半稀溶液（semidilute polymer solution）区间，更高浓度下网络形成与流体动力学抽运机制预计仍会持续；而在更低浓度稀溶液中，由于链之间难以形成贯通网络，相分离更可能回到液滴粗化主导路径。作者也谨慎指出，受高计算成本限制，近线性增长区仅覆盖约1个数量级时间范围，因此不能完全排除其为过渡区伪标度的可能性，但结合中性体系和非聚合体系对照以及流体动力学机制分析，研究人员认为该近线性标度具有较强稳健性。

研究结论可概括为：聚合驱动聚电解质复合共沉淀中的LLPS动力学呈现反常两阶段结构域增长规律，明显不同于经典L(t) ～ t^1/3。早期，小阴离子向短低聚体的聚合通过诱导局域链间关联使既有聚阳离子发生塌缩，伴随聚合物电荷不对称性持续降低，结构域生长表现为指数增加；当聚合进行至t = t₁、电荷不对称性降低到临界值后，结构域生长转变为指数接近1.0的单一幂律，且更快的P_p对应略小的增长指数。当总阴离子与阳离子单体数相等时（c_m^? = c_m⁺），所考察的所有聚合速率最终均趋于形成单一液滴；当可聚合阴离子单体多于聚阳离子单体时（c_m^? > c_m⁺），后期聚合会引发电荷反转，且更快的P_p会导致更小的最终结构域尺寸。总体而言，该工作确立了聚合在调控聚电解质复合共沉淀LLPS路径与动力学中的关键作用，并为理解更广泛带电生物大分子凝聚体系中的聚合相关非平衡相分离现象提供了重要理论参照。