无规聚(乙二醇-甲基缩水甘油醚)共聚物的热相行为纳米尺度表征

《Macromolecules》：Nanoscopic Characterization of the Thermal Phase Behavior of Random Poly(ethylene glycol-glycidyl methyl ether) Copolymers (rPEGs)

　　

PEGylation技术——即将聚乙二醇（PEG）连接到纳米载体或活性药物成分上以实现隐蔽特性——是纳米医学的关键技术。然而，已有研究表明PEG会诱导产生抗PEG抗体，这促使研究人员寻找用于纳米载体偶联的替代聚合物。近期，研究人员引入了无规PEG（rPEG）的概念，即环氧乙烷（EO）和甲基缩水甘油醚（GME）的无规共聚物。这些聚合物是PEG的结构异构体，具有广泛的生物医学应用潜力。为了研究它们在水溶液中的相行为，研究人员合成了一系列单体比例系统变化的rPEG。研究人员采用浊点温度（T_cp）的浊度测定法来研究宏观低临界溶解温度（LCST）行为。与这些测量并行，研究人员使用两亲性自旋探针通过电子顺磁共振（EPR）波谱技术研究了局部纳米相分离，以解决两个关键问题：纳米尺度下的聚合物水化作用，以及确定聚合物链开始发生塌缩的温度。结果表明，对于GME含量为35 mol %及以下（26和0 mol % GME）的共聚物，在96 °C以下未观察到相分离；而对于GME含量超过40 mol %的共聚物，观察到70 °C至96 °C的浊点。两种方法的比较显示，浊度法和EPR测定的浊点具有良好的吻合度，但聚(甲基缩水甘油醚)（PGME）除外，对其EPR显示的T_cp低了5–10 °C。将这些结果与文献数据相结合，研究人员建立了一个模型，该模型提供了对纳米过程的深入了解，并允许根据GME含量近似估算宏观浊点温度。实验证明，所有样品在生理温度范围内均具有优异的水溶性，满足生物医学应用的要求。

在纳米医学领域，聚乙二醇（PEG）修饰技术是赋予纳米载体 Stealth 特性（隐形特性）的关键技术，其通过将PEG链接到药物递送系统上来延长体内循环时间。然而，PEG基载体在临床应用中暴露出免疫原性问题，特别是会诱导产生抗PEG抗体，进而导致加速血液清除现象，这促使科学界寻找具有类似性质但能规避免疫反应的替代聚合物。现有方案如引入疏水侧链往往会因空间位阻破坏水合壳而在水溶液中大幅度降低溶解度，这种结构修改在维持生理温度下的高水溶性及药物负载能力方面存在固有限制。为了解决这一问题并探索能够在保留 PEG 结构特性的同时降低其免疫识别概率的新型材料，研究人员开展了关于无规 PEG（randomized PEG, rPEG）的研究。rPEG 是环氧乙烷（EO）和甲基缩水甘油醚（GME）的无规共聚物，作为 PEG 的结构异构体，其随机分布的侧链打断了单体的规则序列，从而有效规避了抗 PEG 抗体的特异性结合。由于优异的水溶性是生物医学应用的前提，研究人员系统地探究了将 GME 引入聚醚主链后对纳米级链塌缩行为及水合作用的温度依赖性产生的影响。该研究通过浊度法和电子顺磁共振（EPR）分析了 rPEG 的宏观与纳米相分离行为，证实了在常温至生理温度范围下 rPEG 具有优异的水溶性并确立了水合崩塌模型，为设计安全的 PEG 替代材料提供了依据，该论文发表在《Macromolecules》上。

为开展此项研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：利用阴离子开环共聚合成了具有恒定聚合度且单体 GME 比例系统变化的 rPEG 共聚物；使用体积排除色谱（SEC）、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF）和核磁共振（NMR）对聚合物分子量和组成进行表征；采用浊度测量法测定 5 mg mL^–1 和 100 mg mL^–1 浓度下的宏观浊点温度（T_cp）；运用连续波电子顺磁共振波谱（cw-EPR）结合两亲性自旋探针（TEMPO）追踪局部纳米相分离过程，通过光谱模拟计算同位素超精细耦合常数（A_iso）来评估局部极性变化和水化状态。

在合成与表征部分，研究人员通过无规阴离子开环共聚合成了具有 113 个单体单元长度的系列聚合物，其 GME 摩尔分数（f）从 0 到 100% 不等。表征结果显示，SEC 基于的 PEG 校准在 GME 含量增加时低估了分子量，而 MALDI-TOF 证实了其精确摩尔质量，且由于 EO 和 GME 的同晶异质特性，两者的质谱信号发生了重叠。

在浊度测量与浊点的研究中，发现浊点温度与 GME 含量密切相关并存在浓度效应。对于 GME 含量低于 41 mol% 的样品，在 96 °C 内未观察到相分离；而 GME 含量超过 40 mol% 的共聚物则在 70 °C 至 96 °C 之间出现 T_cp。提高聚合物浓度会使浊点轻微下降。基于测定的数据点结合文献值建立的拟合模型，能够有效预测任意 GME 比例下 rPEG 的浊点温度，比较显示不同合成方法中残留的杂质单体及链梯度结构会干扰水合壳的形成从而导致早期沉淀。

在 EPR 观测浊点的部分，EPR 波谱分析揭示了不同聚合物组分在纳米尺度的水合塌缩行为：
低含量 GME 聚合物样品（0–35 mol %）：在升温至 90 °C 过程中未检测到明显的宏观相分离，谱图模拟仅发现了微量具有不同极性的局部脱水区域，说明样品在整个温度范围内保持优异水溶性。
中等含量 GME 聚合物样品（约 40–60 mol %）：在约 80 °C 开始出现靶向为水富集及聚合物富集相分离的两相体系，部分脱水组分比例增加。随着温度升高，EPR 清晰显示了疏水微区域的形成及自旋探针向聚合物富集相的优先分配机制，冷却过程中体系可逆恢复水溶且无热滞现象。
高含量 GME 聚合物样品（约 70–100 mol %）：局部相塌缩在约 68 °C 即有明显起始表现，疏水相互作用占主导。特别是纯 PGME 同型聚合物在 60 °C 即发生链塌缩，与宏观浊度测量值存在 5-10 °C 提前差值。在高浓度区域由于体积排阻效应，反而观察到了部分水化聚合维持产生的反常溶解稳定性。利用探针分布比例，研究人员定义了“波谱疏水性”参数，该参数证明了 rPEG 在温度变化过程中存在的可以表征亲疏水微区相转变的动态非均匀性特征。

在结论部分，研究人员总结指出，rPEG 作为 PEG 的结构异构体在 EO/GME 组成调整过程中展现出明确的纳米级热响应行为。T_cp 强烈依赖于 GME 含量。浊度法和 EPR 波谱测量结果具有良好的一致性，其中基于 EPR 的分析能够作为相转变温度的灵敏早期探测器，在光学手段之前探明纳米尺度疏水微区的形成。尽管 GME 的甲基具有疏水特质从而导致共聚物在 GME 含量增加时整体亲水性下降及浊点降低，但研究证实，在 26 mol % 至 82 mol % 的范围以及纯 PGME 中，其在生理温度范围内依然保持了极高的水溶性。测得的所有样品的 T_cp 均处于 60 至 95 °C 之间，即使在高达 100 mg mL^–1 的高浓度下，未观察到低于 60 °C 的相分离或局部的单链塌缩行为。这一重要证据证明了 rPEG 在高温下的生物相容性及避避免疫识别的安全性潜力，为其替代 PEG 广泛应用于纳米药物载体提供了水合稳定和生理安全的重要保障。