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Angew. Chem. :活性自组装制备微米级单分散聚合物囊泡

囊泡因其独特的空腔结构和重要的应用价值,近年来受到了化学、物理、生命科学和材料科学等领域研究人员的广泛关注。目前,囊泡主要有两种形成机理:胶束空化(Micelle cavitation)机理和膜卷曲闭合(membrane random closure)机理。然而,在这两种机理中囊泡化过程是随机发生的,其形成动力学不可控,导致囊泡尺寸具有多分散性。尺寸均一囊泡的制备是囊泡自组装研究领域的一个难点和重点。目前一般采用模板法来制备单分散的囊泡,但也主要限于纳米和亚微米尺寸均一囊泡的制备。无模板法制备尺寸均一的囊泡,尤其是微米级囊泡是长期以来的一项挑战。



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近日,上海交通大学的周永丰教授团队发现了一种囊泡形成的新机理——活性自组装(living self-assembly),实现了微米级单分散聚合物囊泡的无模板可控制备。作者合成了一类两亲性交替聚合物,其在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中形成9 nm大小的纳米片。随着向溶液中缓慢滴加水,纳米片作为种子逐渐生长成更大的圆片,达到一定尺寸后圆片弯曲并逐步长成球冠状中间体,最终形成了尺寸均匀的微米级囊泡,囊泡的尺寸分布指数小于0.1。整个囊泡的生长过程呈现出一级动力学特征,纳米片的直径随着时间线性增加,囊泡球冠赤道平面的弧长也随时间线性增加。这些自组装特征(种子生长、可控动力学和均一的组装体尺寸)表明该囊泡的形成是一个活性自组装过程。

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从热力学角度分析,两亲性双分子层的囊泡化过程伴随着膜的线张力能与面弹性能的不断变化。这两种能量在组装过程中相互竞争,共同决定了组装动力学,导致囊泡生长有四种路径(PathI~IV)。通过调控聚合物烷基链长度、自组装温度及溶剂组分变化速率,可实现线张力能与面弹性能在整个组装过程中维持平衡,组装动力学变得缓慢、可控,从而实现单分散微米级囊泡的制备(PathIII)。

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文信息

Living Self-Assembly of Monodisperse Micron-Sized Polymer Vesicles

Hui Pan, Changxu Zhang, Wenfeng Jiang, Yongfeng Zhou

文章的第一作者是上海交通大学化学与化工学院博士后潘辉(现为上海交通大学材料科学与工程学院助理研究员),通讯作者是上海交通大学化学与化工学院周永丰教授和江文峰助理教授。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202404589




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