丁建东课题组Macromolecules：聚酯-聚醚两亲性嵌段共聚物的降解诱导自组装

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丁建东课题组的近期研究表明，降解未必只是材料的一种“破坏”因素，运用得当还可作为材料的一种“构建”因素，并结合多链体系的动态Monte Carlo模拟以及高分子化学和高分子物理的多种实验手段证实了这个概念。
        具有合适分子参数的聚酯-聚醚两亲性嵌段共聚物在水中可以随着温度的升高发生溶胶-凝胶相转变。若转变温度位于室温和体温之间，则可以作为一种热致水凝胶材料应用于生物医学等领域。基于之前的文献报道，该体系的性质可通过分子量、分子量分布及嵌段比例等进行调节。
生物可降解是聚酯-聚醚共聚物热致水凝胶的重要特性，主要表现为聚酯嵌段的水解。目前这类材料的降解研究大多集中在探索形态学变化、降解周期及分子量变化情况等，但对于材料在降解过程中内部结构变化的认识还远远不足，这在一定程度上限制了该类热致水凝胶走向临床应用的步伐。同时，两亲性嵌段共聚物在溶剂中的多级自组装行为随降解过程的变化也是高分子的基础科学问题。
        针对这一问题，复旦大学丁建东课题组发展了适于降解相关的多尺度结构演化的高分子多链体系动态Monte Carlo模拟方法，并通过开环聚合获得了一系列不同嵌段长度的聚酯-聚醚共聚物、从而在水这个选择性溶剂中体现出不同程度的两亲性和链构象，进而开展了动态流变、动态光散射、荧光共振能量转移、变温核磁共振等高分子物理实验。综合理论和实验研究，总结出了聚酯-聚醚共聚物的降解对其水体系的多级自组装行为影响的三种模式。受“聚合诱导自组装（polymerization-induced self-assembly, PISA）”概念的启发，丁建东提出“降解影响/诱导自组装（degradation-influenced/induced self-assembly, DISA）”的概念来描述所研究的相应行为。
该工作主要探究了三种典型的 DISA类型：（1）“溶胶1”至“溶胶2”；（2）“溶胶-凝胶1”至“溶胶-凝胶2”；（3）“沉淀”至“溶胶-凝胶转变”，具体如图1所示。其中，默认的共聚物水体系分别命名为P1、P2和 P3，其疏水性逐渐增强。

图1. （A）“降解影响/诱导自组装（degradation-influenced/induced self-assembly, DISA）”的概念示意图；（B）三种典型DISA类型：（1）“溶胶1”至“溶胶2”；（2）“溶胶-凝胶1”至“溶胶-凝胶2”；（3）“沉淀”至“溶胶-凝胶转变”

       对于P1体系而言，其由于较强的亲水性在降解前后均只能发生溶胶-沉淀转变，不可发生热致凝胶化。然而，降解后，该体系胶束的自组装结构和胶束化能力发生改变，因此降解影响了该体系在介观层面的自组装行为。
       具有适度两亲性的P2体系可随着温度的升高发生溶胶-凝胶转变。降解后，体系的成胶温度（Tgel）升高，凝胶化窗口变窄，同时体系的模量逐渐降低。除这些宏观上的影响外，降解后P2体系在介观水平上的胶束自组装结构及胶束聚集能力也发生了显著变化。
P3体系原本由于较强的疏水性在水中难以发生溶解。由于降解会同时造成分子量的降低和分散度的增加，本研究巧妙地利用降解过程中这两个参数的变化实现 P3 共聚物的溶解。一定程度的降解后，P3体系转变为具有适度分子量的多分散体系，其可以发生溶解并通过自组装形成胶束。不同长度链之间的协同作用导致逾渗胶束网络的形成，对应于宏观水平的溶胶-凝胶转变。
        基于模拟和实验结果，该研究提出可以运用温度T和降解程度R来综合考虑 DISA 效应，并总结了不同 DISA 类型对应的T-R相图（图2），可为聚酯-聚醚共聚物热致水凝胶的设计和应用提供指导。面对可降解聚合物在生物医用材料和环境友好材料领域的巨大前景，该工作所提出的 DISA 概念可能会对其他含有可降解嵌段的两亲性共聚物体系有着一定的借鉴意义。

图2. 不同DISA类型对应的T-R相图示意图

        在以往的研究中，降解多被视作材料的“破坏”因素。然而，该基础研究表明，降解可作为材料的一种“构建”因素。如结果所示，在分子量和分散度的协同作用下，降解会对聚酯-聚醚共聚物在水中的介观胶束行为和宏观凝聚态行为同时产生影响，进而实现对该体系性质的调控和重新设计。希望这项工作能够激发更多科研人员去探索更加重要及有趣的 DISA 类型，以充分发挥降解潜在的“构建”功能。
        相关论文发表于高分子科学的旗舰学术期刊Macromolecules。详见：Yiman Wei, Shuquan Cui, Lin Yu, Jiandong Ding*, Degradation-Influenced/Induced Self-Assembly of Copolymers with the Combinatory Effects of Changed Molecular Weight and Dispersity, Macromolecules, 56, 2619-2636 (2023)。论文的第一作者为复旦大学硕士研究生魏怡曼，通讯作者为其导师、聚合物分子工程国家重点实验室主任、复旦大学高分子科学系丁建东教授。
        论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c02309
         文章来源：复旦大学
       丁建东现为复旦大学高分子科学系教授，生物医用高分子材料课题组长，复旦大学药学院兼职教授，以及聚合物分子工程教育部重点实验室主任。主要研究领域是生物医用高分子材料的应用基础研究和开发和大分子和细胞的基础研究。1998年获得国家杰出青年科学基金，1999年获得教育部科学技术进步一等奖，2000年获得教育部首届“青年教师奖”，2001年荣获第七届“上海市科技精英提名奖”，2002年获得中国高校自然科学一等奖。2000年起先后担任国家高技术研究发展计划“新型蛋白质药物控制释放载体”负责人，国家重点基础研究发展规划项目 “组织工程学重要基础科学问题研究”有关生物材料的子课题负责人，以及科技部纳米重大科学研究计划“面向组织修复与替代的纳米生物材料的研究”首席科学家。已在Chemical Society Reviews、Angewandte Chemie-International Edition、Nano Letters、Biomaterials、Macromolecules、Biomacromolecules、等学术刊物上发表论文116篇，其中89篇在国际核心刊物上发表。