基于環狀拓撲結構的聚合物由于其獨特的性質近年來吸引了研究者們廣泛的關注和研究興趣，其中環狀刷形共聚物（cyclic brush copolymer）是一類新穎的在環狀內核上接枝有高密度聚合物刷的高分子。由于環刷形聚合物具備與樹狀高分子媲美的超支化結構，因此可以自組裝形成比具有相同分子量的瓶刷形聚合物（bottlebrush copolymer）更加穩定的單分子膠束，這一性能使其作為載體材料在藥物傳遞上具有重要的應用前景和研究價值。然而迄今為止關于環狀刷形聚合物的研究主要集中在含有均相聚合物刷的環狀刷形聚合物上，由于合成上的困難性，尚未有制備含異相聚合物刷的環狀刷形聚合物的報道。
為了實現這一目的，蘭州大學魏華教授課題組基于二元嵌段共聚物的環狀模板首次合成了含有異相聚合物刷的環狀刷形聚合物，同時這一方法也為兩面形（Janus-type）共聚物的設計和合成提供了新思路。含有異相兩親性聚合物刷的環狀刷形聚合物合成主要包含以下三步（圖1），（1）首先通過連續原子轉移自由基聚合制備基于寡聚聚乙二醇單甲基醚（OEGMA）和羥乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）單體的線形嵌段共聚物l-P(OEGMA)-b-P(HEMA)-Br；（2）將線形嵌段共聚物末端的溴原子疊氮化后得到線形前體l-P(OEGMA)-b-P(HEMA)-N3， 通過線形前體在極稀條件下分子內點擊化學的環化制備得到環狀嵌段共聚物c-P(OEGMA)-b-P(HEMA)；（3）以環狀嵌段共聚物作為大分子多位點引發劑通過開環聚合制備得到由異相兩親性寡聚聚乙二醇（OEG）和寡聚聚己內酯（OCL）聚合物刷組成的環狀刷形聚合物cb-P(OEGMA)-b-P(HEMA-g-OCL)。同時基于線形嵌段共聚物還制備得到了具有相同組成的瓶刷形聚合物bb-P(OEGMA)-b-P(HEMA-g-OCL)作為對照。通過核磁，紅外和尺寸排除色譜表征了上述聚合物的成功制備。
圖1. cb-P(OEGMA)-b-P(HEMA-g-OCL)和bb-P(OEGMA)-b-P(HEMA-g-OCL)的合成路線
制備得到的含有異相聚合物刷的環狀刷形聚合物在水溶液中能夠自組裝形成具有規則球形結構的膠束納米粒子，其水合動力學直徑為220 nm，略小于由具有相同組成的瓶刷形聚合物自組裝形成的膠束納米粒子。由于環狀拓撲結構更強的空間位阻效應，環狀刷形聚合物對抗癌藥物阿霉素的負載量（86 %）顯著高于瓶刷形聚合物（51 %）。由于這一更高的藥物負載量，環狀刷形聚合物在模擬細胞內酸性條件下（pH 5.0）表現出比瓶刷形聚合物更高的體外藥物累積釋放量，進而導致了比瓶刷形聚合物針對HeLa細胞更強的體外細胞毒性（更低的IC50值）（圖2）。以上結果表明含異相聚合物刷的環狀刷形聚合物為研究新型拓撲結構聚合物的組裝與其生物醫學應用提供了新的平臺。
圖2. 負載阿霉素的cb和bb聚合物膠束的體外細胞毒性。
該課題組同時報道了通過環狀拓撲結構增強嵌段共聚物自組裝膠束的穩定性（圖3）。研究發現由具有環狀親水鏈段的蝌蚪狀兩親性嵌段共聚物自組裝形成的膠束具有比線形嵌段共聚物自組裝膠束更高的藥物負載量。
圖3. 具有環狀親水鏈段的蝌蚪狀兩親性嵌段共聚物和線形嵌段共聚物對照的結構及其自組裝行為。
最近該課題組還設計和合成了一系列具有交替親、疏水刷的瓶刷形共軛聚合物（圖4）。由于其獨特的相分離結構，聚合物P4具有形成穩定單分子膠束的能力，且其在水相中的熒光量子產率（Φ = 0.55）可以媲美于小分子生色團。這一優異的熒光成像性能可應作為載體材料實現診療一體化。
圖4. 具有交替親、疏水刷的瓶刷形共軛聚合物的化學結構（左）及體外細胞熒光成像性能（右，藍色為聚芴的熒光，綠色為對細胞質染色的熒光，紅色為阿霉素的熒光）。
以上相關成果分別發表在Macromolecules (Macromolecules 2018, DOI: 10.1021/acs.macromol.8b00950.), Polym. Chem. (Polym. Chem. 2018, 9, 2569-2573; Polym. Chem. 2018, DOI: 10.1039/c8py01221k.) 上。論文的第一作者分別為蘭州大學化學化工學院碩士研究生劉哲（現為山東大學博士研究生）, 王云飛和碩博連讀生劉芳君（碩士生趙學之為共同第一作者，趙學之現為四川大學博士研究生），通訊作者為魏華教授。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.8b00950
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/py/c8py00299a#!divAbstract
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/py/c8py01221k#!divAbstract
下載：
Promotion of micelle stability via a cyclic hydrophilic moiety
