高分子合成方法学 的发展为构建不同拓扑结构的高分子如星形、环形、瓶刷形等提供了重要手段。以高分子单链为前驱体，通过分子内交联制备的单链纳米颗粒（single-chain nanoparticle，SCNP），因其在催化、生物医学等领域的潜在应用价值，已成为备受关注的新型纳米材料。特别是，SCNP的内交联过程与蛋白质折叠类似，对研究生命科学的意义也颇为深远。自1956年 Kuhn首次提出分子内交联概念以来，基于不同结构高分子制备SCNP已有大量报道，但该领域面临一个共性问题：为避免分子间交联，SCNP通常需在稀溶液条件下（< 1.0 mg/mL）制备。围绕该问题，研究人员相继发展了空间位阻屏蔽、静电调控等多种方法，持续提升分子内交联浓度，目前可在101~102 mg/mL 浓度量级下实现SCNP的制备。
近日，北京化工大学史少伟课题组提出一种熵驱动的高分子内交联新策略，利用聚（4-乙烯基吡啶）（P4VP，Mw= 60 kDa）和磷钨酸（PWA）之间的静电相互作用对P4VP进行非共价内交联，可在极低浓度（0.1mg/mL）到溶解度上限（g/mL浓度量级）的宽浓度范围内制备SCNP-1（图1）。研究发现，在高浓度P4VP的DMF溶液（1.0 g/mL，凝胶态）中加入适量PWA后，体系首先发生分子间交联，溶液迅速浑浊并产生大量沉淀。但随搅拌进行，沉淀逐渐消失，溶液恢复澄清并具备流动性，表明形成了尺寸较小的 P4VP/PWA 复合物。然而，结合 DLS、TEM 和 AFM 表征发现，复合物尺寸与低浓度下制备的 SCNP-1一致，说明体系在高浓度下发生了分子间交联向分子内交联的转变（图2）。
图1. 不同浓度下P4VP/ PWA分子内交联制备SCNP示意图
针对这一不寻常现象，研究团队受熵致有序启发，提出了高浓度条件下熵驱动分子内交联的可能机制：在高度拥挤的环境中，体系可及体积显著压缩，初始发生的分子间交联会强烈限制 P4VP 链段运动和链构象调整能力，使体系处于自由度受限、热力学不利的状态。为降低体系自由能，P4VP与PWA 形成的交联网络发生重组，使分子间交联转变为分子内交联，从而减弱链间约束，释放部分可及空间，并部分恢复链的构象自由度和位置自由度，增加体系的可及微观状态数并带来总熵提升，最终实现高浓度下SCNP-1的形成。在这一转变过程中，P4VP和PWA之间的非共价相互作用至关重要。此外，在高浓度SCNP-1中引入共价交联剂，可“一锅法”制备共价内交联的SCNP-2。SEC-MALS 结果表明，与前驱体 P4VP 相比，SCNP-2 具有更大的绝对分子量和更小的流体力学体积，为高浓度条件下 P4VP/PWA发生分子内交联提供了有力证据。需要指出的是，熵驱动内交联策略不存在固有的浓度上限，通过升温增加 P4VP 溶解度，分子内交联浓度可进一步提升至 2.5 g/mL。
图2. P4VP/ PWA分子内交联制备SCNP
研究团队系统考察了P4VP浓度、内交联时间、PWA/4VP比例等因素对P4VP内交联的影响规律，并通过XPS和FTIR验证了P4VP和PWA之间的静电相互作用（图3）。其中PWA/4VP比例对SCNP-1制备影响显著：摩尔比低于15/100时，体系以分子内交联为主；摩尔比介于15/100到25/100之间时，P4VP发生分子间交联，形成尺寸较大的多链聚集颗粒；摩尔比提高至 30/100 时，过量 PWA 大幅增强链间交联，体系迅速凝胶化，在持续搅拌下无法恢复澄清及流动性。这说明在高交联密度下，体系难以通过交联重组由分子间交联转向热力学更有利的分子内交联，熵驱动的链重排受到抑制甚至失效。
图3. SCNP结构表征及PWA/4VP比例对其制备的影响规律
PWA不仅作为非共价交联剂参与SCNP构筑，还赋予SCNP功能特性（图4）。PWA在紫外光照射下可生成具有还原性的杂多蓝。以SCNP作为纳米反应器，吸附金/银离子后使用紫外光照射，可得到尺寸与SCNP一致的金属纳米颗粒。另一方面，P4VP与PWA之间的静电相互作用赋予体系动态响应性：向非共价内交联SCNP-1中加入乙酸后，PWA可被乙酸根取代，静电斥力导致SCNP-1膨胀并丧失光还原能力；而在共价内交联的SCNP-2 中，取代过程被抑制，PWA 被限域在交联网络内，体系仍可在紫外光下还原金属离子。
图4. SCNP功能性和响应性
熵驱动高分子内交联具有普适性，除P4VP，在1.0 g/mL浓度下，利用PWA可对P2VP（Mw = 160 kDa）、PS-r-P4VP（Mw = 160 kDa）、PS-b-P2VP（Mw-PS = 48.5 kDa, Mw-P2VP = 14.5 kDa）、PS-b-P4VP（Mw-PS = 175 kDa, Mw-P4VP = 65 kDa）等高分子量均聚物、无规共聚物和嵌段共聚物进行内交联制备SCNP（图5）。相关现象和P4VP体系保持一致，在内交联过程中均出现先浑浊、后澄清的现象。其中，利用嵌段共聚物PS-b-P2VP和PS-b-P4VP作为前驱体，可实现非对称SCNP的制备。
图5. 熵驱动高分子内交联普适性
作为高分子科学的新兴研究方向，SCNP为构筑尺寸可控和功能可设计的纳米材料提供了重要平台。本研究提出的熵驱动内交联策略，为 SCNP 的高浓度、高质量制备提供了新思路，并有望推广至更多动态交联体系。但与此同时，所提出机理仍有待通过定量热力学分析、理论计算和实验等进一步验证。
相关成果以“Entropy-Driven Intramolecular Cross-linking of Polymers near the Solubility Limit”为题发表在Macromolecules上。北京化工大学软物质高精尖中心硕士研究生刘雪晴为论文第一作者，史少伟教授为论文通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金项目的资助。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.6c00472
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