《European Polymer Journal》：Self-assembly of amphiphilic block copolymers containing thermoresponsive and surface-active poly(2-alkyl-2-oxazoline)
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本研究通过设计不相容嵌段共聚物PiPEOx-PtBMA，成功制备了温敏性纳米胶束，其通过氢键和疏水作用实现核心-冠层自组装，并证实可在室温下通过压缩释放表面活性剂。与PiPOx-PS体系相比，PtBMA的极性差异有效抑制结晶，使胶束在加热-冷却循环中保持可逆聚集-分散特性。该体系表面压达26mN/m，压缩后表面张力低于10mN/m，为治疗急性呼吸窘迫综合征（ARDS）人工肺表面活性剂的开发提供了新策略。
Xinzhe Jin | Dahye Kim | Mingge Zhao | Nafisa Arfa | Junhan Cho | You-Yeon Won | Seyoung Kim
韩国京畿道龙仁市Jukjeon-ro 152号， Dankook大学聚合物科学与工程系，邮编16890
摘要
聚(2-烷基-2-噁唑啉)，包括聚(2-异丙基-2-噁唑啉)（PiPOx），由于其无毒性和热响应性溶解性（具有可调节的最低临界溶解温度LCST）而成为重要的药物候选物。将PiPOx作为亲水组分纳入水基自组装体中，具有实现热可逆聚集和强表面活性的潜力。然而，先前的研究发现，PiPOx与常见的疏水嵌段之间的互溶性阻碍了其嵌段共聚物中明确的微相分离。此外，当在LCST以上温度退火时，PiPOx嵌段会不可逆地结晶，导致胶束的聚集即使在冷却后仍然存在。在本研究中，我们使用了聚[(2-异丙基-ran-2-乙基)-2-噁唑啉]（PiPEOx）作为亲水无定形共噁唑啉嵌段，以及聚(叔-丁基甲基丙烯酸酯)（PtBMA）作为与PiPEOx不溶的疏水嵌段。成功展示了PiPEOx-block-PtBMA形成的近似球形胶束的自组装，并通过小角中子散射对其结构进行了表征。这些胶束在热循环过程中可逆地聚集和重新分散。由于具有较高的平衡铺展压力，它们还能在蛋白质污染的水表面上竞争性吸附，并且在进一步压缩后能够将表面张力降低到10 mN/m以下。相比之下，含有与PiPOx相溶的PS嵌段的PiPEOx-block-聚苯乙烯则导致了液-液相分离，而不是所需的核/冠微相分离。这突显了嵌段间互溶性和结晶行为在设计用于生物工程表面活性剂等应用的功能性聚噁唑啉基自组装体中的关键作用。
引言
聚(2-烷基-2-噁唑啉)（POxs）具有可调的亲水性和生物相容性等有益特性，适用于生物医学应用[1]。与最常用的生物相容性聚合物聚乙二醇（PEG）相比，POxs更具优势，因为可以从具有不同侧链化学结构的噁唑啉单体库中制备出亲水性、疏水性和甚至亲氟性的POxs[2]、[3]。它们优异的可调性的一个重要表现是其在水[4]、[5]和水-酒精混合物[6]、[7]中的广泛低临界溶解温度（LCST）范围。随着侧链疏水性的增加，聚(2-乙基-2-噁唑啉）（PEOx）、聚(2-异丙基-2-噁唑啉）（PiPOx）和聚(2-n-丙基-2-噁唑啉）（PnPOx）的LCST分别降低（在大分子量极限下为64°C、38°C和29°C），而侧链最短的聚(2-甲基-2-噁唑啉）（PMOx）在所有可获得的温度范围内都保持水溶性[4]。由于这些POxs都是通过活性阳离子开环聚合（CROP）[8]合成的，因此可以很容易地共聚相应单体，从而获得精细可调的LCST系统[9]、[10]。特别是PiPOx因其结构与著名的LCST聚合物聚(N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）[5]相似而受到了大量科学关注[11]。通过双峰相界测量了POxs的分子量依赖性LCST，通常发现LCST随分子量增加而升高[12]、[13]。同时，POxs在免疫细胞中的积累水平较低，并且在小鼠静脉给药后显示出与生理系统的良好相容性[14]、[15]。凭借这些优势，POxs被认为可以替代PNIPAM，并广泛应用于生物医学领域；例如（1）通过脂质纳米颗粒进行基因递送[16]、[17]或直接静电复合[18]，以及（2）作为纳米载体或辅料用于非晶态固体分散体中输送小分子疏水性药物[19]、[20]、[21]。
除了LCST行为外，POx系统还具有一些其他常见聚合物所不具备的独特特性。其中之一是POx均聚物的结晶现象，这在PiPOx中尤为明显[1]、[9]。虽然在室温下结晶速度较慢，但在较高温度下其主链的热激活会驱动所有-trans构象的结晶[22]、[23]，这通常伴随着拉伸链的有序聚集[24]、[25]和从簇中的完全脱水[26]。先前的研究表明，侧链的长度决定了POxs的熔点（Tm）和最大结晶度[27]。对于PiPOx，其体积Tm为205°C，并且它甚至能够在水或有机溶剂溶液中结晶[27]。然而，当iPOx与其他少量噁唑啉单体共聚时，结晶行为会被抑制[9]、[28]。POx的另一个有趣特性是它们与常见聚合物（如聚苯乙烯（PS）[29]、聚乳酸（PLA）[30]、[31]和聚偏二氟乙烯（PVDF）[32]、[33]）的互溶性。考虑到聚合物混合物中混合熵的固有较低，POxs与多种聚合物之间的互溶性相当令人惊讶。早期文献指出，这种互溶性的原因是POxs略微呈碱性，这得益于其中存在的酰胺基团[29]，这一点通过PEOx与聚（丙烯酸）在水介质中的复合物形成得到了证实[34]。根据具体应用，POxs的这些特性可以被战略性地利用或缓解。最后，水溶性较低的POxs（如PiPOx）具有强烈的表面活性；例如，PiPOx在水中的平衡铺展压力（Πeq），即由于材料在液界面的自发吸附而导致的最大表面张力降低，为26 mN/m[35]，远高于PEG（10 mN/m）[36]和PNIPAM（30 mN/m）[37]。作为表面活性剂系统的组分，PiPOx在链的一端或两端结合了C18-烷基基团，从而在空气/水界面上形成了对表面压力（Π）敏感的结构[35]。类似地，研究了二-C18-烷基化的PMOx和PEOx的表面活性，发现在高Π值（高达50 mN/m）下形成的单层具有高稳定性[38]。另一项研究考察了脂肪酸修饰的PMOx，能够将表面张力降低到30 mN/m[39]。上述特性使得PiPOx在其他POxs中显得尤为有趣，因此我们基于PiPOx开发了功能性自组装纳米颗粒。
作为水介质中多组分纳米结构的构建块，POxs可以作为胶体分散体的稳定剂（例如亲水刷）或结构形成剂（例如疏水交联剂）[40]、[41]参与自组装材料。在设计基于POx的两亲嵌段共聚物（ABCs）时，应充分关注其与对立嵌段的互溶性以及POx体系中的结晶行为。由于从ABCs形成稳定的核-冠结构需要疏水核心形成嵌段和亲水壳（或冠）形成嵌段之间的完全分离，因此嵌段间的互溶性可能会干扰二嵌段共聚物的自组装，如PiPOx-block-PLA体系所示[30]。因此，关于POx衍生的嵌段共聚物的自组装研究选择了不溶的嵌段对[43]，其中包括几种全POx ABCs，其中一种可溶于水，另一种不溶于水（例如PEOx-block-PnPOx [21]、[44]、PMOx-block-PiPOx [26]、PMOx-block-聚(2-n-丁基-2-噁唑啉)-block-PMOx (PMOx-PnBOx-PMOx) [20]和PnBOx-block-聚[(2-n-丙基-stat-2-噁唑啉] [42]），尽管它们的主链结构相同。此外，POx冠的结晶会破坏其在水介质中的稳定功能，导致颗粒间聚集和/或形态转变[45]。相反，当PiPOx用作（热激活的）核心形成嵌段时，从LCST以上温度退火的样品中PiPOx的结晶可以导致纤维状核心结构的结晶驱动自组装[44]。
在这里，我们考虑了上述问题以及POx嵌段的亲水性，讨论了含POx的嵌段共聚物胶束在水中的自组装。特别关注的是揭示在固定分子量（约5 kg/mol）下稳定单分散胶束的化学设计原理，这些胶束包含亲水嵌段和疏水嵌段[46]。这包括使用EOx和iPOx单体的共聚噁唑啉（以及选择它们的组成）来调节其亲水性，以及使用与POx不溶的核心形成疏水嵌段来促进核-冠分离。对于后者，我们在这项工作中比较了PS和聚(叔-丁基甲基丙烯酸酯)（PtBMA）作为代表性的疏水嵌段。互溶性可以通过Hildebrand溶解参数（δ）[32]来判断；尽管PS和PtBMA都具有很强的疏水性（δ = 23.9 MPa1/2），但PS的值（δ = 23.9 MPa1/2）与PiPOx（δ = 24.0 MPa1/2）更为接近[47]，表明PS与PiPOx互溶，而PtBMA则不互溶。
值得注意的是，这项工作的动机是为了开发一种用于表面活性剂替代疗法的工程合成肺表面活性剂[46]。急性呼吸窘迫综合征（ARDS）是一种破坏性病症，会损害天然肺表面活性剂的功能，导致呼吸困难甚至危及生命[48]。在美国，每年有超过200,000名患者被诊断出患有ARDS，其死亡率高达25–40%[49]。在ARDS的早期阶段，炎症会导致肺血管通透性增加，使表面活性血浆蛋白（如白蛋白和血红蛋白）进入肺泡空间[50]。随着血浆蛋白在肺泡中的注入，破坏了肺泡液体的表面弹性，而这种表面弹性对于在呼吸循环中实现低至约1 mN/m的表面张力是必需的[51]。此外，这种失活机制也削弱了当前标准疗法的效果，即向ARDS患者肺部供应动物提取的外源性表面活性剂，因为这些表面活性剂也会被失活[48]。因此，迫切需要开发一种非磷脂类肺表面活性剂，以通过恢复表面弹性来缓解ARDS。特别是，这种人工表面活性剂应能够成功沉积在ARDS条件下富含白蛋白的肺泡液体表面，而迄今为止任何天然或合成表面活性剂都未能实现这一目标。在这方面，PiPOx作为一个有前景的候选材料，因为其在Πeq方面超过了白蛋白（约20 mN/m），但尚未对其进行研究。此外，当PiPOx以胶束（或核-冠）结构形式应用时，含有富iPOx嵌段的ABCs可以在表面压缩时产生非常低的表面张力（低于10 mN/m），这得益于疏水核心的锚定效应，而在单独分散的POx中则不存在这种效应[52]。这突显了使用含POx的嵌段共聚物胶束的潜力。
材料
丙酮、异丁腈、4-(二甲基氨基)吡啶（DMAP）和乙腈从Sigma-Aldrich购买。2,2-偶氮异丁腈（AIBN）、二氯甲烷（DCM）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、甲苯、2-氨基乙醇和乙酸锌（Zn(OAc)2二水合物从韩国Samchun购买。N,N-二环己基碳二亚胺（DCC）、甲基三氟甲磺酸酯（MeTf）、2-乙基-2-噁唑啉（EOx）、叔-丁基甲基丙烯酸酯（tBMA）和苯乙烯从日本TCI购买。
聚(2-烷基-2-噁唑啉)
在本研究中，选择活性CROP和RAFT聚合相结合的方法来合成含有PiPOx或PiPEOx嵌段的两亲嵌段共聚物（图1）。在合成的第一步中，使用MeTf作为引发剂进行CROP聚合，随后用NaOH进行淬火反应，生成羟基终止的POx链。通过GPC测定了数均分子量（Mn）（图S1）。表1显示了在不同温度和时间下PiPOx和PiPEOx的合成结果。
结论
POxs由于其无毒性和在水介质中的热响应性溶解性而在制药领域成为重要的候选物。一个很好的例子是PiPOx，其LCST接近体温，并具有高的平衡铺展压力（Πeq）。因此，如果将PiPOx作为亲水构建块纳入两亲自组装体中，可以期待其具有热可逆聚集和强表面活性等有希望的特性。然而，先前的尝试表明，
未引用的参考文献
[53], [67], [68]。
CRediT作者贡献声明
Xinzhe Jin：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、数据分析、概念化。Dahye Kim：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、方法论。Mingge Zhao：方法论。Nafisa Arfa：方法论。Junhan Cho：撰写——审阅与编辑、方法论。You-Yeon Won：撰写——审阅与编辑、方法论。Seyoung Kim：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢韩国国家研究基金会（RS-2023-00277300和RS-2023-00281671）的资助。YYW还感谢美国NSF（CBET-2211843）的资助。作者还感谢韩国原子能研究所（KAERI）在SANS实验中的协助。
