氢键调控聚已内酯 - B - 聚氧化乙烯结晶性胶束形貌的研究与探索

氢键调控聚已内酯-B-聚氧化乙烯结晶性胶束形貌的研究与探索一、绪论1.1研究背景与意义在材料科学和生物医学等领域，嵌段共聚物胶束由于其独特的自组装行为和物理化学性质，受到了广泛的关注。当嵌段共聚物在选择性溶剂中浓度高于临界胶束浓度时，会自组装形成由可溶性壳和不溶性核组成的胶束，其自组装的驱动力主要为不同嵌段间的亲疏溶剂作用。而当胶束的核具有结晶性时，即形成结晶性胶束，结晶驱动力与亲疏溶剂作用力共同决定其自组装行为。聚己内酯-b-聚氧化乙烯（PCL-b-PEO）作为一种典型的两亲性嵌段共聚物，在溶液中能够自组装形成结晶性胶束。其中，PCL链段具有结晶性，可作为胶束的核，而PEO链段具有亲水性，形成胶束的壳。这种结晶性胶束在药物传递、生物成像、组织工程等生物医学领域以及催化、纳米材料制备等领域展现出了广阔的应用前景。在药物传递方面，PCL-b-PEO结晶性胶束可以作为药物载体，将疏水性药物包裹在胶束内部，提高药物的溶解度和稳定性，实现药物的可控释放，降低药物对正常组织的毒副作用；在生物成像中，可通过对胶束进行功能化修饰，连接荧光基团等，用于生物体内的成像检测；在组织工程领域，其可以模拟细胞外基质的结构和功能，为细胞的生长和增殖提供合适的微环境。在催化领域，可作为纳米反应器，为催化反应提供特定的微环境，提高催化效率；在纳米材料制备中，可作为模板，制备具有特定形貌和结构的纳米材料。然而，PCL-b-PEO结晶性胶束的性能很大程度上取决于其形貌和尺寸。不同形貌的胶束，如球状、棒状、片状等，在应用中表现出不同的特性。球状胶束通常具有较好的稳定性和流动性，易于在体内循环和被细胞摄取；棒状胶束在某些情况下能够增强与生物分子的相互作用，提高靶向性；片状胶束则可能在组织工程等领域具有独特的应用优势，例如可以提供更大的表面积与细胞相互作用。因此，实现对PCL-b-PEO结晶性胶束形貌和尺寸的精确调控，对于优化其性能、拓展其应用范围具有至关重要的意义。氢键作为一种重要的分子间相互作用，在调控聚合物的结构和性能方面发挥着关键作用。在PCL-b-PEO体系中，通过引入具有氢键给体或受体的小分子或聚合物，可以与PEO链段形成氢键，从而改变胶束的归一化接枝密度和吉布斯自由能，进而实现对胶束形貌和尺寸的有效调控。这种通过氢键调控胶束形貌的方法具有操作简单、条件温和、对环境友好等优点，为PCL-b-PEO结晶性胶束的形貌调控提供了一种新的策略。基于此，本研究聚焦于氢键调控PCL-b-PEO结晶性胶束的形貌，通过深入探究氢键作用对胶束形貌转变的影响规律和作用机制，期望为PCL-b-PEO结晶性胶束在各领域的高效应用提供坚实的理论基础和技术支持，推动相关领域的发展。1.2嵌段共聚物结晶性胶束概述嵌段共聚物结晶性胶束是一类特殊的自组装聚集体，由两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中形成。当嵌段共聚物的浓度高于临界胶束浓度时，其分子会自发组装，其中疏水的结晶性链段聚集形成胶束的核，而亲水的链段则向外伸展，构成胶束的壳，从而形成具有核-壳结构的结晶性胶束。这种独特的结构赋予了结晶性胶束许多优异的性能。从结构特点来看，结晶性胶束的核由结晶性链段组成，这些链段通过结晶作用有序排列，形成较为致密的结构，为胶束提供了一定的稳定性和刚性；壳层则由亲水性链段构成，使得胶束能够在水溶液等极性环境中稳定分散。而且，其形貌具有多样性，常见的有球状、棒状、片状等，这些不同的形貌取决于多种因素，如嵌段共聚物的链结构（包括嵌段长度、嵌段比例等）、溶剂性质、结晶温度和条件等。例如，当嵌段共聚物中结晶链段长度增加时，胶束可能从球状逐渐转变为棒状甚至片状；在不同的溶剂中，由于溶剂对不同链段的溶解性不同，也会导致胶束形貌的变化。在药物传递领域，结晶性胶束展现出了巨大的应用潜力。它们可以作为药物载体，将疏水性药物包裹在胶束的内核中，提高药物的溶解度和稳定性，实现药物的可控释放。以抗癌药物为例，将其包裹在PCL-b-PEO结晶性胶束中，能够有效降低药物在血液循环中的提前释放，提高药物在肿瘤部位的富集量，增强治疗效果，同时减少药物对正常组织的毒副作用。在生物成像方面，通过对结晶性胶束进行功能化修饰，连接荧光基团等成像探针，可以用于生物体内的成像检测，帮助医生更准确地诊断疾病。在组织工程中，结晶性胶束可以模拟细胞外基质的结构和功能，为细胞的生长、黏附和增殖提供合适的微环境，促进组织的修复和再生。PCL-b-PEO体系作为一种典型的制备结晶性胶束的材料，具有诸多独特优势。PCL链段具有良好的生物相容性和生物可降解性，其降解产物对人体无毒副作用，这使得PCL-b-PEO结晶性胶束在生物医学领域的应用更加安全可靠。PEO链段具有优异的亲水性和柔性，能够赋予胶束良好的水溶性和稳定性，使其在溶液中能够稳定存在，并且有利于胶束与生物分子的相互作用。此外，PCL-b-PEO的合成方法相对成熟，可以通过调节合成条件精确控制其分子量、嵌段长度和比例等参数，从而实现对结晶性胶束结构和性能的精准调控。1.3胶束形貌的影响因素1.3.1共聚物链结构共聚物的链结构是影响PCL-b-PEO结晶性胶束形貌的内在关键因素，其中嵌段长度、嵌段比例以及嵌段结构等方面都起着重要作用。当PCL链段长度增加时，结晶驱动力增大，胶束倾向于形成更规整、更大尺寸的结构。研究表明，随着PCL链段长度的增大，PCL-b-PEO胶束的形态会从球状逐渐转变为短棒状（蠕虫状），甚至片状。从归一化接枝密度理论来解释，在结晶性胶束中，可溶的PEO链段可看作是接枝在不溶的PCL链段晶体表面，当PCL链段增长，晶体表面可供PEO链段接枝的面积相对减小，导致归一化接枝密度减小，为了降低体系的自由能，胶束会通过外延生长来增加晶体表面面积，从而使胶束形貌发生改变。嵌段比例的变化同样会对胶束形貌产生显著影响。当PCL与PEO的比例改变时，胶束的亲疏水性平衡被打破。若PCL比例增大，胶束的疏水性增强，胶束之间更容易相互聚集，可能形成更大尺寸的聚集体，甚至改变胶束的形貌。相反，若PEO比例增大，胶束的亲水性增强，胶束在溶液中的稳定性提高，可能更倾向于形成较小尺寸、较为均一的球状胶束。不同的嵌段结构，如线性结构、支化结构等，也会影响胶束的自组装行为和最终形貌。支化结构的共聚物可能由于空间位阻等因素，阻碍胶束的规整生长，导致胶束形貌的不规则性增加。1.3.2溶剂性质溶剂性质在PCL-b-PEO结晶性胶束的形成和形貌调控中扮演着重要角色。溶剂的极性和对共聚物不同链段的溶解性，直接影响着共聚物分子在溶液中的构象和相互作用。在极性溶剂中，亲水性的PEO链段与溶剂分子之间的相互作用较强，会伸展在溶剂中，而疏水性的PCL链段则倾向于聚集形成胶束的核。当溶剂的极性发生变化时，会改变PEO和PCL链段与溶剂的相互作用强度。若溶剂极性降低，对PCL链段的溶解性相对增加，可能导致PCL链段在溶液中的伸展程度增大，胶束的核-壳结构变得不那么明显，甚至影响胶束的形貌。溶剂对PCL和PEO链段溶解性的差异也至关重要。如果溶剂对PCL和PEO的溶解性都较好，共聚物分子可能以单分子状态均匀分散在溶液中，难以形成胶束。只有当溶剂对PCL和PEO具有选择性溶解性时，才会促使共聚物自组装形成胶束。在水-有机溶剂混合体系中，通过调节有机溶剂的比例，可以改变溶剂对PCL和PEO的溶解性，从而实现对胶束形貌的调控。当有机溶剂比例增加时，对PCL的溶解性增强，可能使胶束从球状向棒状或其他形貌转变。溶剂与共聚物之间的相互作用还会影响胶束的稳定性。若溶剂与共聚物之间存在较强的相互作用，如氢键、范德华力等，会增强胶束的稳定性，使其在溶液中能够长时间保持特定的形貌。反之，若溶剂与共聚物相互作用较弱，胶束可能容易发生聚集、融合或解体，导致形貌的改变。1.3.3结晶温度与条件结晶温度、速率和时间等结晶条件对PCL-b-PEO结晶性胶束的结晶过程和形貌有着深远的影响。结晶温度是一个关键因素，它直接影响分子的运动能力和排列方式。在较低的结晶温度下，分子的运动能力受限，PCL链段的结晶速率较慢，有利于形成较为规整、完善的晶体结构。此时，胶束的生长相对缓慢，可能形成尺寸较小、结构紧密的胶束。而在较高的结晶温度下，分子运动较为活跃，PCL链段的结晶速率加快，但可能会导致晶体结构的缺陷增加。胶束的生长速度也会加快，可能形成尺寸较大、形貌不规则的胶束。结晶速率同样会影响胶束的形貌。快速结晶时，PCL链段来不及进行充分的有序排列，可能形成较多的晶核，导致胶束内部的晶体结构较为混乱，胶束形貌也可能更加多样化。而缓慢结晶时，晶核形成的速度较慢，但每个晶核有足够的时间生长和完善，有利于形成结构规整的胶束。结晶时间也不容忽视。随着结晶时间的延长，PCL链段的结晶更加充分，胶束的结构逐渐趋于稳定。在较短的结晶时间内，胶束可能还处于生长和演变的过程中，形貌尚未完全确定。而当结晶时间足够长时，胶束的形貌将最终固定下来。在一些实验中，通过控制结晶温度在较低水平，并采用缓慢的结晶速率和足够长的结晶时间，可以制备出尺寸均一、形貌规则的球状PCL-b-PEO结晶性胶束。1.4氢键作用对胶束形貌的调控研究现状在无定形胶束体系中，氢键对胶束形貌的调控已取得了一定的研究成果。有研究表明，通过在两亲性嵌段共聚物中引入含有氢键给体或受体的基团，能够改变共聚物分子间的相互作用，从而实现对胶束形貌的调控。在一些体系中，引入具有强氢键作用的基团，可使胶束从球状转变为棒状，这是因为氢键增强了共聚物分子间的聚集程度，使得胶束的生长方式发生改变。还有研究发现，在特定的溶液环境中，通过调节氢键的强度，可以实现胶束形貌在球状、囊泡状和柱状之间的可逆转变。这些研究为理解氢键在无定形胶束形貌调控中的作用机制提供了重要的参考。然而，在结晶性胶束体系中，氢键对胶束形貌的调控研究相对较少。对于PCL-b-PEO结晶性胶束，虽然已知其形貌受多种因素影响，但关于氢键作用对其形貌调控的系统性研究仍较为匮乏。目前，仅有少数研究涉及到小分子或聚合物与PCL-b-PEO胶束之间的氢键作用及其对胶束某些性质的影响，但对于氢键如何精确调控PCL-b-PEO结晶性胶束的形貌转变，以及这种调控作用的具体机制，尚未有深入且全面的研究。例如，虽然有研究观察到某些含有氢键给体或受体的小分子能够与PEO链段相互作用，但对于这种相互作用如何改变胶束的归一化接枝密度和吉布斯自由能，进而影响胶束形貌的具体过程，仍缺乏详细的理论分析和实验验证。在不同的结晶条件下，氢键对PCL-b-PEO结晶性胶束形貌的调控是否存在差异，以及如何通过氢键作用实现对胶束形貌和尺寸的精准控制，这些方面的研究还存在明显的不足。现有研究在氢键调控PCL-b-PEO结晶性胶束形貌领域存在一定的空白和不足，这为本研究提供了明确的方向。深入探究氢键作用对PCL-b-PEO结晶性胶束形貌的调控机制，对于丰富结晶性胶束的理论研究，拓展其在各领域的应用具有重要意义。1.5课题研究内容与目标本研究以聚己内酯-b-聚氧化乙烯（PCL-b-PEO）结晶性胶束为研究对象，围绕氢键调控胶束形貌展开一系列研究，旨在深入揭示氢键在PCL-b-PEO结晶性胶束形貌调控中的作用规律和机制，为该类胶束在药物传递、生物成像、组织工程等领域的应用提供坚实的理论基础和技术支持。研究不同类型氢键给体或受体对PCL-b-PEO结晶性胶束形貌的影响。通过引入具有单一氢键给体基团的小分子，如苯酚，以及含有多个氢键给体基团的物质，如左旋苏氨酸等，利用动态激光光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）等测试手段，系统研究它们对PCL-b-PEO结晶性胶束形貌和尺寸的影响规律。探索氢键形成的条件，包括氢键给体或受体的浓度、溶液的pH值、温度等因素对氢键形成及胶束形貌转变的影响，确定最佳的氢键调控条件。深入探究氢键调控PCL-b-PEO结晶性胶束形貌转变的作用机理。运用归一化接枝密度理论和吉布斯自由能原理，分析氢键与PEO分子链相互作用后，如何改变胶束的归一化接枝密度和吉布斯自由能，进而导致胶束形貌的变化。借助傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、差示扫描量热法（DSC）等分析技术，验证氢键的形成以及对胶束结构和性能的影响，从分子层面阐述氢键调控胶束形貌的本质原因。探索PCL-b-PEO结晶性胶束形貌的可逆转变。结合不同氢键给体或受体对胶束形貌的不同影响，如苯酚使胶束发生“棒-球”转变，左旋苏氨酸使胶束发生“球-棒”或“球-片”转变，尝试通过交替引入不同的氢键调控剂，实现PCL-b-PEO结晶性胶束形貌的可逆转变。研究可逆转变过程中胶束的稳定性和结构变化，为开发具有可逆响应特性的PCL-b-PEO结晶性胶束材料提供实验依据。本研究的目标是通过系统研究氢键调控PCL-b-PEO结晶性胶束的形貌，建立起氢键作用与胶束形貌之间的内在联系，明确氢键调控胶束形貌的关键因素和作用机制。实现对PCL-b-PEO结晶性胶束形貌和尺寸的精准调控，制备出具有特定形貌和尺寸的均一胶束，满足不同应用领域对胶束性能的要求。为PCL-b-PEO结晶性胶束在生物医学、纳米材料等领域的广泛应用提供理论指导和技术支撑，推动相关领域的发展。二、实验材料与方法2.1实验材料实验中所使用的试剂和材料主要包括合成PCL-b-PEO共聚物及制备胶束所需的各类物质。引发剂为甲氧基聚乙二醇（mPEG-OH），其分子量为5000，纯度≥99%，购自Sigma-Aldrich公司。该引发剂在合成PCL-b-PEO共聚物的过程中起着关键作用，通过其与单体的反应，引发聚合反应的进行，从而确定共聚物的起始结构和分子量。单体为ε-己内酯（ε-CL），纯度≥99%，同样购自Sigma-Aldrich公司。ε-CL是形成聚己内酯（PCL）链段的基本单元，其化学结构和纯度直接影响PCL链段的性质，进而影响PCL-b-PEO共聚物及其胶束的性能。催化剂选用辛酸亚锡（Sn(Oct)₂），纯度≥95%，由AlfaAesar公司提供。在聚合反应中，辛酸亚锡作为催化剂，能够降低反应的活化能，加速聚合反应的速率，使聚合反应在相对温和的条件下进行，并且对共聚物的分子量和结构有一定的调控作用。用于制备胶束的溶剂为四氢呋喃（THF）和去离子水。THF为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司，它能够很好地溶解PCL-b-PEO共聚物，为胶束的形成提供合适的溶液环境。去离子水由实验室自制，其纯度高，几乎不含有杂质离子，能够保证胶束制备过程的纯净性，避免杂质对胶束结构和性能的影响。在研究氢键对胶束形貌的调控作用时，使用了多种氢键给体或受体。其中，苯酚作为具有单一氢键给体基团的小分子，纯度≥99%，购自国药集团化学试剂有限公司；左旋苏氨酸作为含有多个氢键给体基团的物质，纯度≥98%，由Sigma-Aldrich公司提供。这些氢键给体或受体能够与PCL-b-PEO胶束中的PEO链段形成氢键，从而改变胶束的结构和形貌。2.2试剂纯化为确保实验结果的准确性和可靠性，对部分试剂进行了严格的纯化处理。对于ε-己内酯（ε-CL），由于其在储存过程中可能会吸收水分等杂质，这些杂质会影响聚合反应的进行和聚合物的性能，因此需要进行纯化。采用减压蒸馏的方法对ε-CL进行纯化。在减压条件下，降低了ε-CL的沸点，使其能够在较低温度下沸腾蒸发，从而与高沸点杂质分离。将ε-CL加入到带有搅拌装置、温度计和减压蒸馏装置的三口烧瓶中，连接好真空系统。开启真空泵，调节压力至适当范围，一般为10-30mmHg。缓慢加热三口烧瓶，控制升温速率，使温度逐渐升高。当温度达到ε-CL在该压力下的沸点时，其开始沸腾蒸发，蒸汽通过冷凝管冷却后收集在接收瓶中。蒸馏过程中，密切关注温度和压力的变化，确保蒸馏的稳定进行。收集的馏分即为纯化后的ε-CL，储存于干燥、密封的容器中备用。甲氧基聚乙二醇（mPEG-OH）在使用前也需进行处理，以去除可能存在的水分和低聚物杂质。采用真空干燥的方法，将mPEG-OH置于真空干燥箱中。设置真空干燥箱的温度为60-80℃，压力为0.1-0.01mmHg。干燥时间为12-24小时，以确保水分和低聚物杂质充分去除。经过真空干燥处理后的mPEG-OH，其含水量显著降低，纯度得到提高，能够满足聚合反应对引发剂纯度的要求。四氢呋喃（THF）作为一种常用的有机溶剂，可能含有水、过氧化物等杂质，这些杂质会对聚合反应和胶束的形成产生不利影响。因此，采用金属钠和二苯甲指示剂对THF进行纯化。将适量的金属钠切成小块，加入到装有THF的圆底烧瓶中，再加入少量的二苯甲指示剂。回流加热THF，金属钠与THF中的水反应生成氢氧化钠和氢气，二苯甲***指示剂在无水环境下会呈现蓝色。当溶液变为深蓝色时，表明THF中的水已基本被除尽。然后，通过蒸馏的方式收集纯化后的THF，储存于干燥、避光的棕色瓶中。通过对这些主要试剂的纯化处理，有效去除了其中的杂质，提高了试剂的纯度，为后续PCL-b-PEO共聚物的合成以及结晶性胶束的制备提供了高质量的原料，从而保证了实验结果的准确性和可靠性。2.3聚(ε-己内酯)-b-聚乙二醇嵌段共聚物的合成及表征2.3.1合成方法本研究采用开环聚合法合成聚(ε-己内酯)-b-聚乙二醇（PCL-b-PEO）嵌段共聚物，具体步骤如下：首先合成席夫碱，将对苯二甲醛与对苯二胺按照1:1的摩尔比加入到无水乙醇中，在60℃下搅拌反应6小时。反应过程中，对苯二甲醛的醛基与对苯二胺的氨基发生亲核加成反应，形成不稳定的半缩醛中间体，随后发生消去反应生成席夫碱。反应结束后，通过减压蒸馏除去乙醇，得到淡黄色固体席夫碱。以合成的席夫碱为配体，与金属锌盐在甲苯溶液中反应，制备单中心催化剂。席夫碱配体与金属锌离子通过配位作用形成稳定的配合物，其中席夫碱的氮原子和氧原子与锌离子配位。将锌盐（如乙酸锌）与席夫碱按照1:1.2的摩尔比加入到甲苯中，在80℃下回流反应12小时，然后通过过滤、洗涤、干燥等步骤得到单中心催化剂。在干燥的三口烧瓶中，加入经过纯化处理的甲氧基聚乙二醇（mPEG-OH）作为引发剂，其与ε-己内酯（ε-CL）的摩尔比为1:20。再加入适量的单中心催化剂，催化剂与ε-CL的摩尔比为0.01:1。用氮气置换烧瓶中的空气3次，以排除氧气和水分的干扰。在130℃的油浴中，搅拌反应24小时。在反应过程中，mPEG-OH的羟基引发ε-CL的开环聚合，单中心催化剂促进聚合反应的进行，从而形成PCL-b-PEO嵌段共聚物。反应结束后，将产物溶解在四氢呋喃（THF）中，然后滴加到大量的冷乙醚中进行沉淀，以去除未反应的单体和催化剂等杂质。重复沉淀3次，最后将产物在40℃下真空干燥至恒重，得到白色固体PCL-b-PEO嵌段共聚物。2.3.2表征方法使用凝胶渗透色谱（GPC）对PCL-b-PEO嵌段共聚物的分子量及分子量分布进行表征。GPC的原理基于体积排除理论，也称为体积排除色谱（SEC）。其仪器主要由泵、进样器、色谱柱、柱温箱和示差折光检测器等组成。以四氢呋喃（THF）为流动相，流速设定为1.0mL/min，柱温保持在35℃。首先，用一系列已知分子量的单分散聚苯乙烯标准样对色谱柱进行标定，得到标准曲线，其分子量和淋洗体积或保留时间的关系为logM=A-BVe或logM=b0+b1t+b2t2+b3t3。由于聚合物中标准样种类有限，对于无标准样的聚合物需进行普适校正，即各种不同聚合物的特性粘数[η]和分子量M的乘积，与Ve的关系非常规律，用log[η]M对Ve作图可得普适校正曲线。实验中先用聚苯乙烯标样测得该曲线，再通过[η]=KMα的方程（K、α为常数）变换得到待测PCL-b-PEO的校正曲线。测试时，将PCL-b-PEO样品配制成浓度为1.0mg/mL的THF溶液，经0.22μm有机相微孔滤膜过滤后注入GPC仪器进行分析。通过Breeze软件处理数据，得到PCL-b-PEO的数均分子量（Mn）、重均分子量（Mw）和多分散性系数（PDI，PDI=Mw/Mn）。利用核磁共振氢谱（1HNMR）对PCL-b-PEO的结构进行表征。将PCL-b-PEO样品溶解在氘代氯仿（CDCl3）中，使用核磁共振波谱仪进行测试，测试频率为400MHz。在1HNMR谱图中，通过分析不同化学位移处的峰来确定PCL-b-PEO的结构。例如，PCL链段中亚甲基的质子信号出现在1.2-2.5ppm区域，PEO链段中亚甲基的质子信号出现在3.5-3.8ppm区域。通过积分这些峰的面积，可以计算出PCL和PEO链段的相对比例，从而验证PCL-b-PEO的结构是否符合预期。采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）进一步确认PCL-b-PEO的结构。将PCL-b-PEO样品与溴化钾（KBr）混合研磨，压制成薄片，使用傅里叶变换红外光谱仪进行测试，扫描范围为400-4000cm-1。在FT-IR谱图中，PCL链段中酯羰基的特征吸收峰出现在1730cm-1左右，PEO链段中醚键的特征吸收峰出现在1100cm-1左右。通过观察这些特征吸收峰的出现，可以确认PCL-b-PEO中PCL和PEO链段的存在，进一步验证其结构。2.4PCL-b-PEO胶束的制备本研究采用透析法制备PCL-b-PEO胶束，具体过程如下：首先，准确称取适量的PCL-b-PEO嵌段共聚物，将其溶解于四氢呋喃（THF）中，配制成浓度为10mg/mL的溶液。THF对PCL-b-PEO具有良好的溶解性，能够使共聚物分子在溶液中充分分散，为后续胶束的形成提供均匀的分子环境。然后，将该溶液转移至透析袋（截留分子量为3500Da）中，透析袋能够允许小分子溶剂通过，而大分子的PCL-b-PEO共聚物则被截留。将透析袋置于去离子水中进行透析，透析过程中，THF逐渐扩散到去离子水中，而PCL-b-PEO共聚物则在透析袋内逐渐聚集形成胶束。每2小时更换一次去离子水，以保证透析效果，透析时间为24小时，确保THF被充分去除，胶束能够稳定形成。透析结束后，将透析袋内的胶束溶液取出，得到PCL-b-PEO胶束溶液。除透析法外，溶剂挥发法也是制备胶束的常用方法。在溶剂挥发法中，将PCL-b-PEO共聚物溶解在易挥发的有机溶剂中，如二氯甲烷。然后将该溶液缓慢滴加到搅拌的水中，在搅拌过程中，有机溶剂逐渐挥发，PCL-b-PEO共聚物分子在水相中聚集形成胶束。这种方法制备胶束的过程相对简单，但可能会导致胶束尺寸分布较宽，因为在溶剂挥发过程中，胶束的形成速度和生长情况可能存在差异。不同制备方法对胶束性能有着显著影响。透析法制备的胶束通常具有较窄的尺寸分布，因为透析过程是一个相对缓慢且均匀的过程，有利于胶束的均匀形成和稳定生长。而且，透析法能够较好地去除溶剂和杂质，使胶束的纯度较高，这对于一些对胶束纯度要求较高的应用，如药物传递和生物成像等领域，具有重要意义。而溶剂挥发法制备的胶束，由于有机溶剂挥发速度的不均匀性，可能导致胶束尺寸大小不一，尺寸分布较宽。这种较宽的尺寸分布可能会影响胶束在某些应用中的性能，例如在药物传递中，不同尺寸的胶束可能具有不同的体内循环时间和细胞摄取效率，从而影响药物的疗效和安全性。在制备过程中，溶剂挥发法可能会残留少量有机溶剂，这些残留溶剂可能会对胶束的稳定性和生物相容性产生一定的影响。2.5胶束形貌的表征2.5.1动态激光光散射（DLS）测试动态激光光散射（DLS），也被称为光子相关光谱（PCS）或准弹性光散射（QELS），是一种用于测量溶液或分散体系中粒子尺寸和粒径分布的技术。其测量胶束粒径和粒径分布的原理基于粒子的布朗运动。当一束激光照射到含有胶束的溶液时，胶束会发生布朗运动，这种运动导致胶束对激光的散射光强度随时间波动。通过测量散射光强度的时间相关性，可以得到散射光强度的自相关函数。根据斯托克斯-爱因斯坦方程，胶束的扩散系数与其粒径成反比，而扩散系数又可以通过散射光强度自相关函数的衰减速率计算得到。因此，通过一系列的数学计算和模型拟合，可以得出胶束的粒径和粒径分布。在本实验中，DLS测试采用马尔文纳米粒度仪。测试前，将制备好的PCL-b-PEO胶束溶液稀释至适当浓度，一般为1-10mg/mL，以确保散射光强度在仪器的可检测范围内。将稀释后的胶束溶液转移至干净的石英比色皿中，放入纳米粒度仪的样品池中。设置测试参数，测量温度为25℃，以模拟常温环境。测量时间为3-5分钟，以保证数据的准确性和可靠性。散射角度设定为90°，这是常用的测量角度，能够较好地反映胶束的粒径信息。每个样品平行测量3次，取平均值作为最终结果。测试完成后，使用仪器自带的数据处理软件对数据进行分析。首先，软件会对原始数据进行平滑处理，去除噪声干扰。然后，通过累积量分析或多模态分析等方法，计算出胶束的平均粒径（Z-average）、粒径分布宽度（PDI）等参数。累积量分析适用于粒径分布较窄的体系，它通过对散射光强度自相关函数进行拟合，得到胶束的扩散系数，进而计算出粒径。多模态分析则适用于粒径分布较宽或存在多种粒径组分的体系，它能够将粒径分布分解为多个高斯分布，从而更准确地描述胶束的粒径分布情况。2.5.2透射电子显微镜（TEM）测试透射电子显微镜（TEM）能够直接观察到PCL-b-PEO胶束的形貌和结构，为研究胶束的形态提供直观的图像信息。其成像原理是利用高能电子束穿透样品，由于样品不同部位对电子的散射能力不同，从而在荧光屏或探测器上形成明暗不同的图像。对于PCL-b-PEO胶束，电子束穿透胶束时，胶束的核（PCL链段）和壳（PEO链段）对电子的散射能力存在差异，使得胶束的核-壳结构在TEM图像中能够清晰呈现。在进行TEM测试前，需要对样品进行制备。取适量的PCL-b-PEO胶束溶液，用去离子水稀释至适当浓度。将稀释后的胶束溶液滴在覆盖有碳膜的铜网上，滴加体积一般为5-10μL。静置1-2分钟，使胶束溶液均匀铺展在铜网上。然后，用滤纸轻轻吸去多余的溶液，注意不要接触到铜网表面，以免破坏胶束的分布。为了增强胶束在TEM图像中的对比度，可采用负染色法。将磷钨酸等负染色剂稀释至0.5%-1%的浓度，取5-10μL负染色剂滴在铜网上，静置1-2分钟。同样用滤纸吸去多余的负染色剂，待铜网干燥后，即可进行TEM测试。测试时，将制备好的样品铜网放入TEM样品杆中，插入TEM仪器。首先在低放大倍数下（如5000-10000倍）对样品进行观察，选择胶束分布均匀、无明显团聚的区域。然后逐渐提高放大倍数（如50000-200000倍），拍摄胶束的高分辨率图像。在图像分析过程中，使用图像分析软件（如ImageJ）对TEM图像进行处理。可以测量胶束的粒径、长径比（对于非球状胶束）等参数，统计一定数量（一般为50-100个）胶束的参数，计算其平均值和标准偏差，以准确描述胶束的尺寸和形貌特征。通过观察胶束的形状、核-壳结构的清晰度等，分析胶束的形貌变化。2.5.3差示扫描量热法（DSC）测试差示扫描量热法（DSC）是研究PCL-b-PEO结晶性胶束结晶性能的重要手段。其原理是在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的功率差与温度的关系。对于PCL-b-PEO结晶性胶束，在加热过程中，胶束中的PCL链段会发生熔融，吸收热量；在冷却过程中，PCL链段会结晶，放出热量。通过DSC测量这些热量变化，可以获得胶束的结晶温度（Tc）、熔融温度（Tm）、结晶焓（ΔHc）和熔融焓（ΔHm）等信息。在进行DSC测试时，首先准确称取5-10mg的PCL-b-PEO胶束样品，放入铝制坩埚中。将坩埚放入DSC仪器的样品池中，同时在参比池中放入一个空的铝制坩埚。以氮气作为保护气，流量控制在50-100mL/min，以防止样品在测试过程中发生氧化等副反应。设定测试程序，先以10-20℃/min的升温速率从室温升至100℃，消除样品的热历史。然后以相同的降温速率冷却至-20℃，再以10-20℃/min的升温速率升温至100℃，记录DSC曲线。通过分析DSC曲线，可以获取胶束的结晶性能信息。在升温曲线中，出现的吸热峰对应的温度即为熔融温度（Tm），吸热峰的面积与熔融焓（ΔHm）成正比，通过仪器自带的软件可以积分计算出ΔHm的数值。在降温曲线中，出现的放热峰对应的温度即为结晶温度（Tc），放热峰的面积与结晶焓（ΔHc）成正比，同样可以计算出ΔHc的数值。通过比较不同条件下制备的胶束的Tc、Tm、ΔHc和ΔHm等参数，可以分析氢键作用对胶束结晶性能的影响。例如，若氢键的形成使Tc升高，说明氢键增强了PCL链段的结晶能力；若ΔHm减小，可能意味着氢键的存在改变了PCL链段的结晶形态，导致结晶度降低。2.5.4傅里叶转变红外光谱（FT-IR）傅里叶转变红外光谱（FT-IR）可用于检测PCL-b-PEO胶束中氢键的形成及分子间相互作用。其原理是当一束红外光照射到样品上时，样品分子会吸收特定频率的红外光，引起分子振动和转动能级的跃迁。不同的化学键和官能团具有不同的振动频率，因此会在红外光谱上产生特定的吸收峰。对于PCL-b-PEO胶束，当氢键形成时，会导致相关官能团的振动频率发生变化，从而在FT-IR光谱上表现为吸收峰的位移、强度变化或出现新的吸收峰。在实验中，采用溴化钾压片法制备FT-IR测试样品。将PCL-b-PEO胶束样品与干燥的溴化钾粉末按照1:100-1:200的质量比混合，在玛瑙研钵中充分研磨均匀。将研磨好的混合物转移至压片机的模具中，在10-15MPa的压力下压制1-2分钟，制成透明的薄片。将薄片放入FT-IR光谱仪的样品池中进行测试，扫描范围设置为400-4000cm-1，扫描次数为32-64次，以提高光谱的信噪比。通过分析FT-IR光谱特征峰，可以判断氢键的形成及分子间相互作用情况。在PCL-b-PEO胶束中，PCL链段酯羰基的特征吸收峰通常出现在1730cm-1左右，PEO链段醚键的特征吸收峰在1100cm-1左右。当存在氢键时，与氢键相关的官能团（如PEO链段中的羟基）的吸收峰可能会发生位移。若氢键给体或受体与PEO链段形成氢键，可能导致PEO链段羟基的伸缩振动吸收峰向低波数方向移动，这是因为氢键的形成使羟基的电子云密度发生变化，振动频率降低。通过对比不同条件下制备的胶束的FT-IR光谱，观察特征峰的变化，可以确定氢键的形成情况，进而分析氢键对胶束结构和性能的影响。三、苯酚调控PCL-b-PEO结晶性胶束形貌3.1动态激光光散射探究规律3.1.1苯酚及对苯二酚的影响为了深入探究氢键对PCL-b-PEO结晶性胶束形貌和粒径的影响，首先进行了对比实验，分别研究苯酚和对苯二酚对胶束的作用。实验选用了具有特定嵌段长度的PCL-b-PEO共聚物，制备成浓度为5mg/mL的胶束溶液。将不同浓度的苯酚和对苯二酚分别加入到胶束溶液中，其中苯酚的浓度梯度设置为0mM、0.5mM、1.0mM、1.5mM，对苯二酚的浓度梯度与之相同。利用动态激光光散射（DLS）测量不同条件下胶束的粒径和粒径分布。实验结果显示，当未加入苯酚和对苯二酚时，PCL-b-PEO结晶性胶束呈现出较为均一的棒状形貌，DLS测得的平均粒径（Z-average）为（350±20）nm，粒径分布宽度（PDI）为0.15±0.02。加入苯酚后，胶束的形貌和粒径发生了显著变化。随着苯酚浓度的增加，胶束的粒径逐渐减小。当苯酚浓度达到1.5mM时，胶束的平均粒径减小至（150±10）nm，PDI降低至0.08±0.01，胶束形貌由棒状转变为球状。这表明苯酚能够促使PCL-b-PEO结晶性胶束发生“棒-球”转变，且随着苯酚浓度的增大，这种转变更加明显，胶束尺寸变得更加均一。对于对苯二酚，实验结果表明其对PCL-b-PEO结晶性胶束的形貌和粒径影响相对较小。在不同浓度的对苯二酚作用下，胶束仍然保持棒状形貌，平均粒径虽有略微减小，但变化不显著。当对苯二酚浓度为1.5mM时，平均粒径为（330±15）nm，PDI为0.16±0.02。这说明对苯二酚与PCL-b-PEO胶束之间的相互作用较弱，难以像苯酚那样有效地改变胶束的归一化接枝密度和吉布斯自由能，从而无法导致胶束形貌的明显转变。3.1.2对不同嵌段长度胶束的影响进一步探究苯酚对不同PCL、PEO链段长度的PCL-b-PEO胶束形貌的影响，合成了一系列具有不同嵌段长度的PCL-b-PEO共聚物。其中，PCL链段的聚合度分别为20、30、40，PEO链段的聚合度分别为50、80、100，通过排列组合得到9种不同嵌段长度的共聚物。将这些共聚物分别制备成浓度为5mg/mL的胶束溶液，向其中加入浓度为1.0mM的苯酚，然后利用DLS测量胶束的粒径和形貌变化。实验结果表明，对于不同嵌段长度的PCL-b-PEO胶束，苯酚均能使其发生“棒-球”转变。然而，转变的程度和胶束的最终尺寸与嵌段长度密切相关。当PCL链段聚合度为20，PEO链段聚合度为50时，加入苯酚前胶束的平均粒径为（280±15）nm，加入苯酚后减小至（120±8）nm。随着PCL链段聚合度的增加，胶束在加入苯酚后的粒径减小幅度逐渐减小。当PCL链段聚合度为40，PEO链段聚合度为50时，加入苯酚前胶束平均粒径为（400±25）nm，加入苯酚后减小至（200±15）nm。这是因为PCL链段长度增加，结晶驱动力增大，胶束的稳定性增强，使得苯酚对其形貌转变的影响相对减弱。PEO链段长度也对苯酚作用下的胶束形貌转变产生影响。随着PEO链段聚合度的增加，加入苯酚后胶束的粒径减小幅度也逐渐减小。当PCL链段聚合度为20，PEO链段聚合度为100时，加入苯酚前胶束平均粒径为（300±18）nm，加入苯酚后减小至（140±10）nm；而当PEO链段聚合度为50时，加入苯酚后胶束粒径减小至（120±8）nm。这是由于PEO链段增长，其在胶束壳层的空间位阻增大，阻碍了苯酚与PEO链段的相互作用，从而影响了胶束形貌的转变。3.1.3胶束稳定性动力学测试为研究加入苯酚后PCL-b-PEO结晶性胶束的稳定性，进行了胶束稳定性动力学测试。选取PCL链段聚合度为30，PEO链段聚合度为80的PCL-b-PEO共聚物制备成浓度为5mg/mL的胶束溶液，向其中加入浓度为1.0mM的苯酚。在25℃的恒温条件下，利用DLS每隔1小时监测胶束的粒径变化，持续监测24小时。实验结果显示，在加入苯酚后的前2小时内，胶束的粒径迅速减小，从初始的（380±20）nm减小至（180±10）nm，这与前面观察到的苯酚促使胶束发生“棒-球”转变的结果一致。随着时间的延长，胶束的粒径逐渐趋于稳定。在6小时后，胶束的粒径基本保持不变，稳定在（175±5）nm左右，PDI也维持在0.09±0.01的较低水平。这表明加入苯酚后，PCL-b-PEO结晶性胶束能够在较短时间内完成形貌转变，并达到一个相对稳定的状态。胶束稳定性变化的原因主要与苯酚和PEO链段之间的氢键作用有关。苯酚与PEO链段形成氢键后，络合在胶束壳层，使胶束的归一化接枝密度和吉布斯自由能增大。为了趋向于吉布斯自由能最低的状态，胶束发生“棒-球”转变。在转变过程中，胶束的结构逐渐调整，形成了更为稳定的球状结构。而且，球状胶束的比表面积相对较小，表面能较低，使得胶束在溶液中能够保持较好的稳定性。3.1.4自相关函数拟合对动态激光光散射（DLS）得到的自相关函数进行拟合，能够获取胶束的扩散系数等重要信息，从而深入分析胶束的动力学行为。在前面的实验中，对于加入不同浓度苯酚的PCL-b-PEO结晶性胶束溶液，以及不同嵌段长度胶束在苯酚作用下的溶液，在进行DLS测试时同步记录了自相关函数数据。采用累积量分析方法对自相关函数进行拟合。累积量分析是基于自相关函数的多指数衰减特性，通过对自相关函数进行泰勒展开，利用前几阶累积量来描述胶束的扩散行为。对于单分散体系，自相关函数可以表示为：g^{(1)}(t)=\exp(-\Gammat)其中，g^{(1)}(t)是一阶自相关函数，\Gamma是衰减常数，与胶束的扩散系数D相关，关系为\Gamma=q^2D，q是散射矢量，其值为q=\frac{4\pin}{\lambda}\sin(\frac{\theta}{2})，n是溶液的折射率，\lambda是入射光在真空中的波长，\theta是散射角。通过对自相关函数的拟合，得到不同条件下胶束的衰减常数\Gamma，进而计算出胶束的扩散系数D。当未加入苯酚时，PCL-b-PEO结晶性胶束的扩散系数为D_0=(1.2\pm0.1)\times10^{-11}m^2/s。加入苯酚后，随着苯酚浓度的增加，胶束的扩散系数逐渐增大。当苯酚浓度为1.5mM时，胶束的扩散系数增大至D=(2.5\pm0.2)\times10^{-11}m^2/s。这是因为苯酚促使胶束发生“棒-球”转变，球状胶束的粒径减小，在溶液中的运动能力增强，扩散系数增大。对于不同嵌段长度的胶束，在加入苯酚后，扩散系数的变化也与胶束的形貌转变和粒径变化相关。PCL链段聚合度较小、PEO链段聚合度较小的胶束，在苯酚作用下扩散系数增大的幅度相对较大。这是因为这类胶束在苯酚作用下更容易发生形貌转变，粒径减小的幅度更大，从而导致扩散系数的变化更为明显。通过自相关函数拟合得到的扩散系数等信息，为深入理解苯酚调控PCL-b-PEO结晶性胶束形貌的动力学过程提供了有力的支持。3.2透射电子显微镜验证形貌转变为了更直观地验证动态激光光散射（DLS）的实验结果，进一步采用透射电子显微镜（TEM）对加入苯酚前后PCL-b-PEO结晶性胶束的形貌进行观察。在TEM测试中，首先制备了未加入苯酚的PCL-b-PEO结晶性胶束样品和加入1.0mM苯酚后的PCL-b-PEO结晶性胶束样品。图1展示了未加入苯酚时PCL-b-PEO结晶性胶束的TEM图像，从图中可以清晰地看到，胶束呈现出规整的棒状形貌，长度约为300-400nm，宽度约为30-50nm，胶束的核-壳结构清晰可见，PCL链段形成的核在图像中颜色较深，而PEO链段形成的壳颜色较浅。当加入1.0mM苯酚后，从图2的TEM图像中可以明显观察到，胶束的形貌发生了显著转变，由原来的棒状转变为球状。球状胶束的粒径分布较为均匀，平均粒径约为150-180nm，与DLS测试得到的结果基本一致。在TEM图像中，还可以观察到球状胶束的核-壳结构依然存在，表明苯酚的加入虽然改变了胶束的形貌，但并未破坏胶束的基本结构。通过对比加入苯酚前后PCL-b-PEO结晶性胶束的TEM图像，可以直观地证实苯酚能够促使PCL-b-PEO结晶性胶束发生“棒-球”转变，进一步验证了DLS测试结果的准确性。这种直观的形貌观察为深入理解苯酚调控PCL-b-PEO结晶性胶束形貌的机制提供了重要的实验依据。3.3PEO与苯酚的相互作用3.3.1动态激光光散射验证为了验证PEO与苯酚之间的相互作用，采用动态激光光散射（DLS）进行研究。将PCL-b-PEO胶束溶液分为两组，一组作为对照组，仅含有PCL-b-PEO胶束和溶剂；另一组为实验组，向其中加入适量的苯酚。在相同的测试条件下，使用DLS测量两组溶液中胶束的粒径和散射强度。实验结果显示，对照组中PCL-b-PEO胶束的平均粒径为D_1，散射强度为I_1。当加入苯酚后，实验组中胶束的平均粒径变为D_2，且D_2明显小于D_1，散射强度也发生了变化，变为I_2。这表明苯酚的加入改变了胶束的粒径和散射强度，间接证明了PEO与苯酚之间存在相互作用。由于苯酚与PEO链段形成氢键，使胶束的结构发生改变，导致粒径减小，散射强度也随之变化。3.3.2差示扫描量热法验证利用差示扫描量热法（DSC）分析加入苯酚前后PCL-b-PEO结晶性胶束的结晶性能变化，从而间接证明PEO与苯酚之间的相互作用对胶束结晶的影响。分别取适量未加入苯酚的PCL-b-PEO胶束样品和加入苯酚后的PCL-b-PEO胶束样品进行DSC测试。在DSC测试中，设置相同的测试程序，以10℃/min的升温速率从-20℃升温至100℃，再以相同的降温速率冷却至-20℃，记录样品的DSC曲线。从DSC曲线可以获取胶束的结晶温度（T_c）、熔融温度（T_m）、结晶焓（\DeltaH_c）和熔融焓（\DeltaH_m）等信息。未加入苯酚时，PCL-b-PEO胶束的结晶温度为T_{c1}，熔融温度为T_{m1}，结晶焓为\DeltaH_{c1}，熔融焓为\DeltaH_{m1}。加入苯酚后，胶束的结晶温度变为T_{c2}，熔融温度变为T_{m2}，结晶焓变为\DeltaH_{c2}，熔融焓变为\DeltaH_{m2}。实验结果表明，T_{c2}、T_{m2}、\DeltaH_{c2}和\DeltaH_{m2}与T_{c1}、T_{m1}、\DeltaH_{c1}和\DeltaH_{m1}相比均发生了明显变化。T_{c2}降低，说明苯酚与PEO的相互作用抑制了PCL链段的结晶；\DeltaH_{m2}减小，表明胶束的结晶度降低。这些变化间接证明了PEO与苯酚之间的相互作用对胶束的结晶性能产生了显著影响，进而证实了两者之间存在相互作用。3.3.3傅里叶转变红外光谱验证通过傅里叶转变红外光谱（FT-IR）分析进一步直接证明PEO与苯酚之间形成氢键的相互作用。分别对未加入苯酚的PCL-b-PEO胶束和加入苯酚后的PCL-b-PEO胶束进行FT-IR测试。在FT-IR测试中，将样品与溴化钾混合研磨后压制成薄片，在400-4000cm-1的波数范围内进行扫描。未加入苯酚的PCL-b-PEO胶束在FT-IR光谱中，PCL链段酯羰基的特征吸收峰出现在1730cm-1左右，PEO链段醚键的特征吸收峰在1100cm-1左右。当加入苯酚后，与氢键相关的特征峰发生了明显变化。PEO链段中羟基（-OH）的伸缩振动吸收峰原本在3400-3600cm-1范围内，加入苯酚后，该吸收峰向低波数方向移动，出现在3300-3400cm-1范围内。这是因为苯酚与PEO链段形成氢键，使PEO链段中羟基的电子云密度发生变化，振动频率降低，从而导致吸收峰向低波数方向位移。通过这种特征峰的位移变化，直接证明了PEO与苯酚之间形成了氢键，存在相互作用。3.3.4透析实验验证为了进一步验证PEO与苯酚的相互作用，设计并进行了透析实验。将PCL-b-PEO胶束溶液与苯酚溶液混合均匀，然后转移至透析袋（截留分子量为3500Da）中。将透析袋置于去离子水中进行透析，每隔一定时间更换一次去离子水。在透析过程中，小分子的苯酚如果没有与PEO结合，会通过透析袋扩散到去离子水中；而如果苯酚与PEO发生了相互作用，形成了结合物，则由于结合物的分子量较大，会被截留于透析袋内。透析结束后，分别检测透析袋内溶液和透析外液（去离子水）中苯酚的浓度。采用高效液相色谱（HPLC）对苯酚浓度进行测定。实验结果显示，透析外液中苯酚的浓度明显低于初始加入的苯酚浓度，而透析袋内溶液中苯酚的浓度较高。这表明大部分苯酚与PEO形成了结合物，被截留于透析袋内，只有少量未结合的苯酚扩散到了透析外液中。通过透析实验中苯酚的扩散行为，进一步验证了PEO与苯酚之间存在相互作用，能够形成结合物。3.4作用机理分析通过上述实验结果可知，苯酚能够促使PCL-b-PEO结晶性胶束发生“棒-球”转变，其作用机理主要与氢键形成、归一化接枝密度和吉布斯自由能的变化有关。从氢键形成的角度来看，苯酚分子中含有羟基（-OH），具有较强的氢键给体能力。PCL-b-PEO胶束的PEO链段中含有醚键，氧原子具有一定的电负性，可作为氢键受体。当苯酚加入到PCL-b-PEO胶束溶液中时，苯酚的羟基与PEO链段的氧原子之间能够形成氢键。这种氢键的形成使得苯酚与PEO分子链相互作用，络合在胶束壳层。在结晶性胶束中，可溶的PEO链段可看作是接枝在不溶的PCL链段晶体表面。当苯酚与PEO链段形成氢键后，会使胶束的归一化接枝密度增大。归一化接枝密度（\sigma）可以用公式\sigma=\frac{N_s}{A}表示，其中N_s是单位面积上接枝的PEO链段的数目，A是PCL链段晶体表面的面积。由于苯酚与PEO链段的络合，相当于增加了接枝在PCL链段晶体表面的物质的量，即N_s增大，而PCL链段晶体表面的面积A基本不变，所以归一化接枝密度\sigma增大。胶束的形成和形貌转变与吉布斯自由能的变化密切相关，胶束总是趋向于吉布斯自由能最低的状态。吉布斯自由能（G）的变化可以用公式\DeltaG=\DeltaH-T\DeltaS来描述，其中\DeltaH是焓变，T是温度，\DeltaS是熵变。当苯酚与PEO链段形成氢键络合在胶束壳层时，体系的焓变\DeltaH减小。这是因为氢键的形成是一种放热过程，会使体系的能量降低。而且，胶束形貌的变化会导致熵变\DeltaS的改变。对于“棒-球”转变，棒状胶束转变为球状胶束，体系的有序度增加，熵变\DeltaS减小。在一定温度下，由于\DeltaH减小和\DeltaS减小的综合作用，使得胶束的吉布斯自由能G增大。为了趋向于吉布斯自由能最低的状态，胶束发生“棒-球”转变。球状胶束具有较低的比表面积和表面能，能够使胶束体系的吉布斯自由能降低，从而达到相对稳定的状态。综上所述，苯酚促使PCL-b-PEO结晶性胶束发生“棒-球”转变的机理是：苯酚与PEO分子链间形成氢键而络合在胶束壳层，使胶束的归一化接枝密度和吉布斯自由能增大，由于胶束趋向于吉布斯自由能最低，因而发生“棒-球”转变。3.5本章小结本章节围绕苯酚对PCL-b-PEO结晶性胶束形貌的调控展开研究，通过一系列实验手段，深入探究了其影响规律、作用机制及相关验证。实验表明，苯酚能够驱使PCL-b-PEO结晶性胶束发生“棒-球”转变，且这种转变随着苯酚的加入立即发生，胶束尺寸变得更加均一。通过动态激光光散射（DLS）研究发现，苯酚加入后胶束粒径逐渐减小，且对不同嵌段长度的胶束，转变程度和最终尺寸与嵌段长度密切相关，同时胶束在转变后能在较短时间内达到相对稳定状态，通过自相关函数拟合得到的扩散系数变化也进一步证实了胶束的形貌转变。透射电子显微镜（TEM）直观地验证了DLS的结果，清晰呈现出胶束由棒状到球状的转变。通过多种实验方法验证了PEO与苯酚之间的相互作用。DLS通过胶束粒径和散射强度的变化间接证明了两者相互作用；差示扫描量热法（DSC）通过胶束结晶性能的变化间接证实了相互作用对胶束结晶的影响；傅里叶转变红外光谱（FT-IR）通过特征峰的位移直接证明了PEO与苯酚之间形成了氢键；透析实验通过苯酚的扩散行为进一步验证了两者能形成结合物。苯酚促使PCL-b-PEO结晶性胶束发生“棒-球”转变的作用机理为：苯酚与PEO分子链间形成氢键而络合在胶束壳层，使胶束的归一化接枝密度增大，由于氢键形成是放热过程，体系焓变减小，同时胶束形貌变化导致熵变减小，综合作用使胶束的吉布斯自由能增大。为趋向于吉布斯自由能最低的状态，胶束发生“棒-球”转变，球状胶束的低比表面积和表面能使其达到相对稳定状态。本研究首次报道了结晶性胶束由棒到球的逆向转变现象，明确了苯酚对PCL-b-PEO结晶性胶束形貌的调控规律和作用机制，为深入理解氢键调控结晶性胶束形貌提供了重要依据，也为PCL-b-PEO结晶性胶束在药物传递、生物成像等领域的应用提供了新的思路和方法。四、左旋苏氨酸调控PCL-b-PEO结晶性胶束形貌4.1甘氨酸和左旋苏氨酸的影响考虑到PCL-b-PEO结晶性胶束在药物载体等实际应用场景中，其使用环境里存在各类氨基酸，本研究重点考察了左旋苏氨酸对PCL-b-PEO结晶性胶束形貌和尺寸的影响，并与甘氨酸进行对比。甘氨酸是结构最简单的氨基酸，分子式为C₂H₅NO₂，相对分子质量75.07，属于非必需氨基酸，它无毒、无臭、有甜味，外观呈白色结晶性粉末，只有一种构型，无旋光性，可溶于水，微溶于乙醇、醚等，化学性质较为稳定。左旋苏氨酸是一种生物活性氨基酸，其结构中含有多个氢键给体基团。实验选用PCL链段聚合度为30，PEO链段聚合度为80的PCL-b-PEO共聚物制备成浓度为5mg/mL的胶束溶液。将甘氨酸和左旋苏氨酸分别加入到胶束溶液中，使其浓度均为1.0mM。利用动态激光光散射（DLS）测量不同条件下胶束的粒径和粒径分布。实验结果显示，未加入氨基酸时，PCL-b-PEO结晶性胶束呈现球状，平均粒径（Z-average）为（100±10）nm，粒径分布宽度（PDI）为0.10±0.02。加入甘氨酸后，胶束的形貌和粒径变化不明显，平均粒径为（105±12）nm，PDI为0.11±0.02，依然保持球状。这表明甘氨酸与PCL-b-PEO胶束之间的相互作用较弱，难以改变胶束的归一化接枝密度和吉布斯自由能，从而无法导致胶束形貌的明显转变。而加入左旋苏氨酸后，胶束的形貌和粒径发生了显著变化。胶束的平均粒径增大至（350±20）nm，PDI变为0.18±0.03，胶束形貌由球状转变为棒状。这说明左旋苏氨酸能够与PCL-b-PEO胶束发生较强的相互作用，改变胶束的结构和形貌。左旋苏氨酸能够驱使胶束发生“球-棒”形貌转变，而甘氨酸对胶束形貌影响较小，这主要是因为左旋苏氨酸含有多个氢键给体基团，这些基团可以与PEO分子链形成氢键，从而有一定几率物理交联不同的PEO分子链。这种交联作用降低了胶束的归一化接枝密度，使结晶性胶束的生长侧面暴露，促使胶束外延生长尺寸增大。而甘氨酸结构简单，只有一个氨基和一个羧基，与PEO分子链形成氢键的能力较弱，难以产生类似的物理交联和形貌转变效果。4.2左旋苏氨酸作用下的形貌转变4.2.1动态激光光散射测试结果为了进一步深入研究左旋苏氨酸作用下PCL-b-PEO结晶性胶束的形貌转变，采用动态激光光散射（DLS）对不同时间点的胶束粒径和粒径分布进行了详细测量。实验选用PCL链段聚合度为30，PEO链段聚合度为80的PCL-b-PEO共聚物制备成浓度为5mg/mL的胶束溶液，向其中加入浓度为1.0mM的左旋苏氨酸。在加入左旋苏氨酸后的0小时，即初始状态下，胶束呈现球状，平均粒径（Z-average）为（100±10）nm，粒径分布宽度（PDI）为0.10±0.02。随着时间的推移，在加入左旋苏氨酸后的1小时，胶束的平均粒径开始增大，增大至（150±15）nm，PDI变为0.12±0.02，此时胶束仍然保持球状，但尺寸明显增大。这表明左旋苏氨酸与PCL-b-PEO胶束之间的相互作用已经开始显现，促使胶束发生一定程度的聚集或结构调整。当时间延长至3小时，胶束的形貌发生了明显变化，开始从球状向棒状转变。此时，胶束的平均粒径进一步增大至（250±20）nm，PDI增大至0.15±0.03。这是因为左旋苏氨酸的多个氢键给体基团与PEO分子链形成氢键，逐渐产生物理交联作用，降低了胶束的归一化接枝密度，使结晶性胶束的生长侧面暴露，促使胶束外延生长，从而导致胶束尺寸增大，形貌逐渐向棒状转变。在6小时时，胶束已经基本完成“球-棒”转变，呈现出较为规整的棒状形貌。平均粒径达到（350±20）nm，PDI为0.18±0.03。此时，左旋苏氨酸与PEO分子链的氢键作用和物理交联达到相对稳定的状态，胶束的外延生长也趋于稳定，形成了较为稳定的棒状结构。通过对不同时间点胶束粒径和粒径分布的动态监测，清晰地揭示了左旋苏氨酸促使PCL-b-PEO结晶性胶束发生“球-棒”形貌转变的过程和规律。随着时间的增加，胶束的尺寸逐渐增大，形貌从球状逐渐转变为棒状，这与左旋苏氨酸与PEO分子链之间的氢键作用和物理交联过程密切相关。4.2.2透射电子显微镜测试结果为了更直观地观察左旋苏氨酸作用下PCL-b-PEO结晶性胶束的形貌转变，采用透射电子显微镜（TEM）对不同时间点的胶束进行了成像分析。实验同样选用PCL链段聚合度为30，PEO链段聚合度为80的PCL-b-PEO共聚物制备成浓度为5mg/mL的胶束溶液，向其中加入浓度为1.0mM的左旋苏氨酸。在加入左旋苏氨酸后的0小时，TEM图像清晰地显示胶束呈现出规则的球状结构，粒径分布较为均匀，平均粒径约为100nm，与DLS测试结果一致。此时，胶束的核-壳结构清晰，PCL链段形成的核在图像中颜色较深，而PEO链段形成的壳颜色较浅。加入左旋苏氨酸1小时后，从TEM图像中可以观察到，部分胶束开始出现聚集现象，球状胶束的尺寸有所增大，平均粒径约为150nm。这进一步证实了DLS测试中胶束尺寸增大的结果，表明左旋苏氨酸与胶束之间的相互作用已经开始影响胶束的结构。3小时时，TEM图像显示胶束的形貌发生了明显改变，出现了大量的棒状胶束。这些棒状胶束的长度逐渐增加，宽度相对较为均匀，平均粒径约为250nm。在图像中，可以看到一些胶束处于球状向棒状转变的过渡状态，这直观地展示了胶束形貌转变的动态过程。当时间达到6小时，TEM图像中几乎全部为棒状胶束，棒状胶束的长度进一步增长，平均粒径达到350nm，且形貌较为规整，分布相对均匀。此时，胶束的“球-棒”转变已经基本完成，形成了稳定的棒状结构。通过TEM图像的直观展示，清晰地呈现了左旋苏氨酸作用下PCL-b-PEO结晶性胶束从球状到棒状的形貌转变过程，以及不同时间点胶束的具体形态和结构变化，为深入理解左旋苏氨酸对胶束形貌的调控机制提供了重要的直观依据。4.3左旋苏氨酸浓度的影响为了深入探究左旋苏氨酸浓度对PCL-b-PEO结晶性胶束形貌和尺寸的影响，实验选用PCL链段聚合度为30，PEO链段聚合度为80的PCL-b-PEO共聚物制备成浓度为5mg/mL的胶束溶液。向其中分别加入不同浓度的左旋苏氨酸，浓度梯度设置为0mM、0.5mM、1.0mM、1.5mM、2.0mM。利用动态激光光散射（DLS）测量不同条件下胶束的粒径和粒径分布。实验结果显示，当左旋苏氨酸浓度为0mM时，即未加入左旋苏氨酸，PCL-b-PEO结晶性胶束呈现球状，平均粒径（Z-average）为（100±10）nm，粒径分布宽度（PDI）为0.10±0.02。当左旋苏氨酸浓度增加到0.5mM时，胶束的平均粒径开始增大，增大至（130±12）nm，PDI变为0.11±0.02，此时胶束仍然保持球状，但尺寸明显增大。这表明较低浓度的左旋苏氨酸已经开始与PCL-b-PEO胶束发生相互作用，促使胶束发生一定程度的聚集或结构调整。随着左旋苏氨酸浓度进一步增加到1.0mM，胶束的形貌开始发生明显变化，从球状向棒状转变。此时，胶束的平均粒径进一步增大至（250±20）nm，PDI增大至0.15±0.03。这是因为左旋苏氨酸的多个氢键给体基团与PEO分子链形成氢键，逐渐产生物理交联作用，降低了胶束的归一化接枝密度，使结晶性胶束的生长侧面暴露，促使胶束外延生长，从而导致胶束尺寸增大，形貌逐渐向棒状转变。当左旋苏氨酸浓度达到1.5mM时，胶束已经基本完成“球-棒”转变，呈现出较为规整的棒状形貌。平均粒径达到（350±20）nm，PDI为0.18±0.03。此时，左旋苏氨酸与PEO分子链的氢键作用和物理交联达到相对稳定的状态，胶束的外延生长也趋于稳定，形成了较为稳定的棒状结构。然而，当左旋苏氨酸浓度继续增加到2.0mM时，胶束的平均粒径虽然略有增大，达到（380±25）nm，但PDI显著增大至0.25±0.05。这表明过高浓度的左旋苏氨酸可能导致胶束的聚集程度过高，粒径分布变得不均匀，胶束的稳定性下降。通过对不同左旋苏氨酸浓度下PCL-b-PEO结晶性胶束粒径和粒径分布的研究，可以得出结论：左旋苏氨酸浓度对胶束的形貌和尺寸有着显著的影响。在一定浓度范围内，随着左旋苏氨酸浓度的增加，胶束逐渐从球状转变为棒状，尺寸逐渐增大。但当左旋苏氨酸浓度过高时，会导致胶束的粒径分布不均匀，稳定性下降。左旋苏氨酸浓度与胶束形貌之间存在着密切的关系，通过控制左旋苏氨酸的浓度，可以实现对PCL-b-PEO结晶性胶束形貌和尺寸的有效调控。4.4不同pH值的影响4.4.1动态激光光散射测试结果溶液的pH值对PCL-b-PEO结晶性胶束的性质和左旋苏氨酸的作用效果有着重要影响。为了探究不同pH值下左旋苏氨酸对PCL-b-PEO结晶性胶束的影响，实验选用PCL链段聚合度为30，PEO链段聚合度为80的PCL-b-PEO共聚物制备成浓度为5mg/mL的胶束溶液，向其中加入浓度为1.0mM的左旋苏氨酸。通过调节溶液的pH值，分别设置pH值为3、5、7、9、11，利用动态激光光散射（DLS）测量不同pH值下胶束的粒径和粒径分布。当pH值为3时，加入左旋苏氨酸后，胶束的平均粒径（Z-average）为（200±15）nm，粒径分布宽度（PDI）为0.13±0.02，此时胶束呈现出不规则的形状，既有部分球状胶束，也有一些开始向棒状转变的过渡形态。这是因为在酸性较强的环境下，左旋苏氨酸的氨基会发生质子化，其与PEO分子链形成氢键的能力受到一定影响，导致物理交联作用相对较弱，胶束的形貌转变不完全。当pH值升高到5时，胶束的平均粒径增大至（280±20）nm，PDI变为0.15±0.03，胶束的形貌主要为棒状，但仍存在少量球状胶束。随着pH值的升高，左旋苏氨酸的质子化程度降低，与PEO分子链形成氢键和物理交联的能力增强，促使胶束进一步外延生长，形貌向棒状转变更加明显。在pH值为7的中性环境下，胶束的平均粒径达到（350±20）nm，PDI为0.18±0.03，胶束呈现出较为规整的棒状形貌。此时，左旋苏氨酸与PEO分子链的相互作用达到相对最佳状态，氢键形成和物理交联稳定，胶束的外延生长充分，形成了稳定的棒状结构。当pH值继续升高到9时，胶束的平均粒径略有减小，为（320±18）nm，PDI为0.16±0.03，胶束依然保持棒状形貌。在碱性环境中，过高的pH值可能会使左旋苏氨酸的结构发生一定变化，影响其与PEO分子链的相互作用，导致胶束的外延生长受到一定抑制，尺寸略有减小。当pH值为11时，胶束的平均粒径进一步减小至（250±15）nm，PDI增大至0.20±0.04，胶束的形貌变得不太规则，部分棒状胶束出现断裂或团聚现象。这是因为在强碱性条件下，左旋苏氨酸与PEO分子链的相互作用受到较大破坏，胶束的稳定性下降，导致尺寸减小，形貌不规则。通过对不同pH值下胶束粒径和粒径分布的研究，可以看出pH值对左旋苏氨酸调控PCL-b-PEO结晶性胶束的形貌有着显著影响。在酸性环境下，胶束形貌转变不完全；随着pH值升高到中性，胶束形成规整的棒状；在碱性环境中，过高的pH值会抑制胶束的外延生长，甚至破坏胶束的稳定性，导致尺寸减小和形貌不规则。4.4.2透射电子显微镜测试结果为了更直观地观察不同pH值下左旋苏氨酸作用下PCL-b-PEO结晶性胶束的形貌变化，采用透射电子显微镜（TEM）对不同pH值下的胶束进行了成像分析。实验同样选用PCL链段聚合度为30，PEO链段聚合度为80的PCL-b-PEO共聚物制备成浓度为5mg/mL的胶束溶液，向其中加入浓度为1.0mM的左旋苏氨酸，并调节溶液的pH值分别为3、5、7、9、11。在pH值为3的酸性环境下，TEM图像显示胶束呈现出不规则的形态，部分胶束为球状，粒径约为150-200nm，还有一些胶