RAFT分散聚合法制备的聚合物抗氧化剂纳米结构：通过分子动力学模拟阐明其形态特征

通过可逆加成-断裂链转移聚合制备含槲皮素基团的多功能纳米材料，研究揭示了不同嵌段长度对纳米结构自组装的影响规律，并证实其抗氧化性能。

　　

作者列表：Subhadeep Shit、Puja Poddar、Andrey O. Kurbatov、Nikolay K. Balabaev、Andrei P. Chistyakov、Ekaterina V. Kuznetsova、Elena Yu. Kramarenko、Sergei N. Chvalun、Priyadarsi De

印度科学教育与研究学院（Indian Institute of Science Education and Research）化学科学系，聚合物研究中心与先进功能材料中心，加尔各答莫汉普尔（Mohanpur）- 741246，西孟加拉邦（West Bengal），纳迪亚（Nadia）

摘要

聚合诱导的自组装（Polymerization-induced self-assembly, PISA）技术能够制备出具有可调形态和表面功能的聚合物纳米颗粒。为了获得具有抗氧化特性的不同纳米结构，首先合成了一个含有邻苯二酚（gallol）单元的甲基丙烯酸酯均聚物（PM₁₂）作为空间稳定剂，随后通过可逆加成-断裂链转移分散聚合（Reversible Addition–Fragmentation Chain Transfer Dispersion Polymerization, RAFTDP）方法，在醇类介质中将其与N-苯基甲基丙烯酰胺（NP）进行链延伸，生成了PM₁₂-b-PNP_m嵌段共聚物。根据PNP_m段的长度不同，得到了多种形态的产物，包括胶束、蠕虫状聚集体和囊泡，这些形态通过动态光散射（Dynamic Light Scattering, DLS）和透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）进行了表征。实验观察到的形态演变通过分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟得到了验证，模拟采用了两种互补的方法：（i）原子级MD用于探究PM₁₂-b-PNP_m及其聚集驱动块的局部构象；（ii）粗粒化MD用于研究聚集体形态，从而更深入地理解聚合物的自组装过程。此外，对邻苯二酚甲氧基（–OCH₃）基团的脱保护作用使聚合物表面富含羟基（–OH），从而赋予其抗氧化性能，这一点通过1,1-二苯基-2-吡啶基肼（1,1-Diphenyl-2-Picrylhydrazyl, DPPH）和2,2-偶氮-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（2,2-Azino-3-Ethylbenzothiazoline-6-Sulfonic Acid, ABTS⁺）检测方法得到了证实。

引言

开发具有层次结构和集成生物功能的大分子纳米结构是当代聚合物科学的核心目标，特别是在纳米医学[1]、环境修复[2]和先进涂层[3,4]等领域。分散聚合技术，尤其是聚合诱导的自组装（PISA）[6,7]，已成为一种多功能合成平台，能够在可扩展且可控的条件下直接生成从简单球形胶束到复杂蠕虫状和囊泡等多种纳米结构[8]。这一过程通常通过可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合来实现[9]，其中使用亲溶剂的大分子链转移剂（macro-CTA）和疏溶剂单体，同时调控相分离和链增长，从而制备出稳定的胶体分散体[10,11]。 尽管大多数PISA系统依赖于传统的稳定剂，如聚乙二醇（Poly(ethylene Glycol) [12]、聚(N,N-二甲基丙烯酰胺) [13]或聚甘油单甲基丙烯酸酯（Poly(glycerol Monomethacrylate) [14]），但这些稳定剂除了提供空间稳定性外，功能较为有限[15,16]。将生物活性基团整合到稳定剂嵌段中，有望将被动纳米载体转化为具有内在反应性或治疗潜力的多功能系统[17,18]。在这方面，酚类化合物，尤其是从多酚衍生的化合物，因其已知的抗氧化[19,20]、粘合[21,22]和金属螯合[23,24]特性而受到越来越多的关注。其中，邻苯二酚单元（1,2,3-三羟基苯）由于其卓越的自由基清除能力而受到关注，其效果优于单羟基或双羟基类似物，如酪醇或儿茶酚[25,26]。富含邻苯二酚的天然多酚常见于植物来源的抗氧化剂中，如单宁酸[27]，并且已被证明在减轻细胞系统的氧化应激方面具有显著效果[29,30]。然而，将邻苯二酚合成到可控的聚合物结构中仍然有限，特别是在RAFT-PISA中作为稳定剂的应用至今尚未有报道。 为了研究邻苯二酚在调控成核、生长动力学及最终颗粒形态中的作用[31]，同时利用标准抗氧化检测方法（如1,1-二苯基-2-吡啶基肼（DPPH [32]、2,2-偶氮-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS⁺ [33]）来评估其自由基清除能力，研究人员制备了用于N-苯基甲基丙烯酰胺（NP）RAFT介导的分散聚合（RAFTDP）的邻苯二酚功能化macro-CTA。虽然含多酚的聚合物已被广泛用于各种薄膜材料中以防止降解[34]，但在RAFTDP辅助的自组装过程中，特别是当使用醇类溶剂时，含多酚聚合物的作用仍需进一步探索。通过原子级分子动力学（MD）模拟了解了合成嵌段共聚物内的局部相互作用和溶剂分布，而实验观察到的形态演变则通过粗粒化耗散粒子动力学（DPD）方法得到了验证，该方法在研究大分子形态方面非常有效[35]。总体而言，这项工作介绍了一类新的生物启发型功能性纳米结构，结合了结构控制与抗氧化性能，具有广泛的应用前景，包括保护性涂层、生物医学递送系统和氧化应激缓解平台[36,37]。

材料

所用材料包括：苯胺（Aniline, Sigma）、3,4,5-三甲氧基苄胺（TMBA, Sigma）、甲基丙烯酰氯（Methacryloyl Chloride, AVRA）、三乙胺（Triethylamine, Et₃N, Sigma）、三溴化硼（Boron Tribromide, 1.0 M，溶于二氯甲烷，Sigma）、1,1-二苯基-2-吡啶基肼（1,1-Diphenyl-2-Picrylhydrazyl, DPPH，95%，Sisco Research Laboratories, India）、2,2-偶氮-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS, 98%，Sigma）、6-羟基-2,5,7,8-四甲基铬酸（Trolox, 98%，TCI）、过硫酸钾（Potassium Persulfate, 99%，Sigma）和磷酸盐缓冲盐水（Phosphate Buffer Saline, PBS, Sigma）。

macro-CTA的合成

首先，在无水DMF中，以CDP作为CTA、AIBN作为引发剂，在70°C下进行RAFT聚合，进料比为TMBAA:CDP = 14:1，制备了基于TMBAA的macro-CTA（PM₁₂，见图1）。通过¹H NMR光谱确认了PM₁₂的结构（图S5），并通过SEC（图S6）测得其摩尔质量（M_n,SEC）为3100 g/mol（D = 1.28）。¹H NMR光谱得到的数均分子量（M_n,NMR = 3580 g/mol）通过以下公式计算：M_n,NMR = (DP_n

结论

我们开发了一种利用邻苯二酚功能化稳定剂通过RAFTDP制备多层次抗氧化聚合物纳米结构的方法。通过改变DP_n、_PNP的比例，在恒定共聚物浓度下，使用MD模拟理论研究了PM₁₂-b-PNP_m嵌段共聚物的形态演变。为PNP嵌段提出了一个粗粒化模型，以解释疏溶剂/亲溶剂相互作用之间的微妙平衡。

未引用参考文献

[3], [4], [5], [28], [38], [39]

CRediT作者贡献声明

Subhadeep Shit：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件使用、方法论设计、实验研究、数据分析及概念构建。 Puja Poddar：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件使用、方法论设计、实验研究、数据分析及概念构建。 Andrey O. Kurbatov：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件使用、方法论设计、实验研究及概念构建。 Nikolay K. Balabaev：负责撰写……

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

SS感谢印度科学与工业研究委员会（Council of Scientific and Industrial Research, CSIR）提供的初级研究奖学金（JRF）。PD感谢印度新德里科学技术部（Department of Science and Technology, DST）国际合作司在印度-俄罗斯DST-RSF合作项目（项目编号：DST-INT-RUS-RSF-P-81-2023 (G)）下的财政支持。NB、EK、ACh和SCh感谢俄罗斯科学基金会在印度-俄罗斯DST-RSF合作项目下的财政支持。