π-共轭纤维状纳米结构以其独特的形貌特性和光电性质，在光电材料和生物医药等方面极富应用潜力。目前，针对这类纳米纤维的研究，往往被其长度可控性不佳、纤维结构稳定性不足及表面修饰困难等一系列不利条件所制约。这些问题的解决是实现π-共轭纤维状纳米结构广泛应用的先决条件之一。

  中国科学院上海有机化学研究所有机功能分子合成与组装化学院重点实验室的黄晓宇/冯纯团队近些年一直致力于发展高效简便的策略，构建具有精确结构和功能的π-共轭聚合物基纳米纤维，并取得了一系列的研究成果(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 7136; Macromolecules 2018, 51, 2065; Langmuir 2019, 35, 3134; Polym. Chem. 2019, 10, 4718; J. Colloid Interface Sci. 2020, 560, 50; Macromolecules 2020, 53, 1831; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 132, 8309; Macromolecules 2020, 53, 6299)。基于前期研究基础，他们利用结晶驱动自组装(CDSA)策略及含硅壳层的硅基交联/缩合反应，制备了一种长度精确可控、表面可官能化的形貌稳定的纤维状胶束(图1)。

图1 水中可分散、形貌稳定和表面可官能化的纳米纤维的结构和修饰反应示意图。

  他们首先合成了由可结晶嵌段oligo(p-phenylenevinylene) (OPV₅)和含硅嵌段聚甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷(PTESPMA₃₅)连接而成的两嵌段聚合物OPV₅-b-PTESPMA₃₅，并利用“自晶种”方法，通过改变退火温度，实现了对此类聚合物在乙醇中形成的纤维状胶束在50 nm至1.2 μm范围内的精确长度控制。该胶束壳层中的三乙氧基硅基(TES)基团可以在盐酸的催化下，发生交联反应以增强纤维的形貌稳定性。TEM和AFM结果表明，硅基交联反应结束后的胶束壳层的平均宽度下降，平均高度增加。DLS结果表明，硅交联主要发生在单根胶束的壳层内部，不会引起胶束间不可逆的团聚；同时，交联反应使得此类纤维状胶束对加热(80℃)及OPV₅与PTESPMA两嵌段的共同良溶剂(THF)均具备了很好的耐受性(图2)。

图2 (A)OPV₅-b-PTESPMA₃₅ 的合成和结构示意图。平均长度为358 nm的纤维状胶束壳层交联后在(B)乙醇中、(C)经80℃加热后以及(D) 在THF中的TEM图。(E)纤维状胶束在不同条件下的DLS图，以及(F)交联前和(G)交联后胶束的AFM图和表观高度图。

  接下来，他们利用硅基缩合反应，进一步向胶束表面引入了可修饰位点(-NH₂)和正电荷基团(-NMe₃⁺)。TEM和DLS结果表明，硅基缩合反应不会引起胶束的断裂或聚集，且壳层被氨基/三甲基氨基修饰后的纤维状胶束获得了能保持一个月以上的水相分散性(图3)。

图3 (A)平均长度为415 nm的纤维状胶束，经交联和氨基/三甲基氨基修饰后在(B)乙醇和(C)水中的TEM图。胶束在表面引入罗丹明后在(D)乙醇和(E)水中的TEM图。(F)不同结构胶束在醇和水中的DLS图。

  通过异硫氰基罗丹明(RhBITC)与氨基间的加成反应，他们证实以氨基作为锚定基团，通过同价键可实现胶束表面的官能化。罗丹明修饰后的胶束的紫外和荧光光谱中出现了罗丹明结构的特征信号，且与等浓度的游离罗丹明溶液相比，该胶束溶液中的罗丹明组分表现出了明显的荧光淬灭效应(图4A-C)。这类胶束的长度和形貌并未发生改变，其在水中的分散性也得到了保持(图4D-F)。同时，荧光共聚焦显微镜结果也进一步证实了罗丹明基团的成功引入(图4D-F)。

图4 (A)氨基/三甲基氨基修饰的长胶束引入罗丹明前后的紫外/可见光谱。(B)罗丹明修饰后的胶束与等浓度游离罗丹明溶液的紫外/可见光谱和(C)荧光光谱图。(D-F)罗丹明引入前及(G-I)引入后的荧光共聚焦显微照片。

  最后，他们利用纤维胶束表面正电荷基团(-NMe₃⁺)与负电性的DNA间静电引力作用，将小牛胸腺DNA高效负载于纤维状胶束表面，说明该类胶束具备成为基因治疗中DNA载体的潜力(图5)。

图5 (A)和(B)氨基/三甲基氨基修饰的长胶束在水溶液中与DNA结合后的TEM图。该胶束与不同重量比DNA混合后的(C) DLS和(D) Zeta电位图。

  相关成果以“Water-dispersible, Colloidally Stable, Surface-functionalizable Uniform Fiber-like Micelles Containing a π-Conjugated Oligo(p-phenylenevinylene)- core of Controlled Length”为题发表在Macromolecules (2020, 53, 8009)上。该工作为形貌稳定的π-共轭纤维状纳米结构的制备和表面复合功能化提供了新策略，并为这类共轭聚合物纳米纤维在生物医学领域的应用打下了扎实的基础。中国科学院上海有机化学研究所的博士生马晨是该文的第一作者，中国科学院上海有机化学研究所为第一通讯单位。中国科学院上海有机化学研究所黄晓宇研究员和冯纯副研究员以及加拿大多伦多大学Mitchell Winnik教授为共同通讯作者。上述研究工作得到了科技部、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项(B类)、中国科学院青年创新促进会和上海市科委的资助。

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c01631