瞬时纳米沉淀法制备Janus纳米粒子及其机理研究

Currently, the main problem of Janus nanoparticles (Janus-NPs) area is the difficulty in preparation. Particularly, the co-self-assembly method of different amphiphilic diblock polymer is difficult to obtain Janus-NPs, due to the thermodynamic equilibrium leading the NPs to become regular NPs with uniform surface and lowest surface free energy, rather than Janus-NPs with different surface regions. Therefore, Janus-NPs are different to be got by thermodynamic method independently, it needs to combine thermodynamics and kinetic together. Flash Nanoprecipitation (FNP) is precisely a new chemical engineering method of controlling the kinetic of NPs. The NPs prepared by FNP are in “Kinetic Frozen” state, which can instantly “freeze in” the structure of NPs, preventing special struture from being destroyed by thermodynamic equilibrium. Subsequently, controlling the molecular motion to make NPs rearrange to a certain extent and make different hydrophilic struture phase-separate from the surface of NPs, following by freeze in NPs again the stable Janus-NPs could be obtained. The mechanism of formation and structural evolvement of Janus-NPs will be studied by means of advanced characterization methods like 2D 1H-1H NOESY NMR and computational fluid dynamics simulation. The new method of preparing Janus-NPs by the comprehensive control of kinetics and thermodynamics is easier to operate, and would be help for preparing Janus-NPs in practice and their extensive application.

目前，Janus纳米粒子领域存在的主要问题是其制备步骤复杂、获得困难。特别是通过多种双亲性两嵌段聚合物的共同自组装很难得到Janus纳米粒子，根源在于热力学平衡会导致粒子变成具有均匀表面与最低能量的规整粒子。因此单纯地依靠热力学难以得到Janus纳米粒子，需综合考虑热力学与动力学两方面。瞬时纳米沉淀法正是一种可以控制纳米粒子动力学状态的化学工程的方法。它具有“动力学冻结”的作用，可以瞬间冷冻纳米粒子的结构，使特殊的粒子结构不会因热力学平衡而被破坏。随后通过调控分子运动使粒子进行一定程度的重排、让不同的亲水结构在粒子的表面相分离，而后再次冻结粒子，得到稳定的Janus纳米粒子。利用二维核磁等先进表征手段及计算流体动力学模拟，对Janus纳米粒子的形成与结构演变机理进行系统研究。这种综合调控动力学与热力学来制备Janus纳米粒子的新方法步骤简易，有利于Janus纳米粒子的实用化制备与广泛应用。

目前，Janus纳米粒子领域存在的主要问题是其制备步骤复杂、获得困难。特别是通过多种双亲性两嵌段聚合物的共同自组装很难得到Janus纳米粒子，根源在于热力学平衡会导致粒子变成具有均匀表面与最低能量的规整粒子。因此单纯地依靠热力学难以得到Janus纳米粒子，需综合考虑热力学与动力学两方面。我们前期的工作发现瞬时纳米沉淀法是一种具有“动力学冻结”作用的控制纳米粒子动力学状态的化学工程的方法，其可以瞬间冷冻纳米粒子的结构，使特殊的纳米结构不会因热力学平衡而被破坏。为了实现如Janus纳米结构这样精巧结构的纳米粒子的控制与制备，我们主要做了以下几方面的研究：（1）利用RAFT可控聚合法、自由基开环聚合、偶联反应、酯化反应等设计并合成多种用于制备及调控纳米粒子的两亲性嵌段聚合物；（2）系统研究了在动力学与热力学综合作用下纳米粒子的制备与调控，制备出具有非对称结构的稳定存在的Janus纳米粒子以及多种复杂纳米结构的纳米粒子；（3）系统研究了在动力学因素介导下的纳米结构的调控机制，合成及表征了纳米粒子的纳米结构及其性质。结果发现，利用多种两亲性嵌段聚合物成功制备多种不同结构的纳米粒子，分析和研究了其调控机制。动力学与热力学综合制备的Janus纳米粒子可以在常温下稳定存在。动力学方式控制下的纳米粒子的结构有更多的调控空间，通过流速、雷诺数、浓度等可以调控其微观形貌以及构建方式，其在疾病靶向定位以及载体缓控释方面的性能表现优异。本项目的成功实施不仅实现了动力学与热力学的综合调控，并将其用于控制纳米粒子的纳米结构，同时揭示了其与纳米结构之间的相互作用规律，也为建立一种步骤简易、制备便捷的Janus纳米粒子以及结构可控的纳米粒子的制备方式提供新思路，为其工业化进程铺平道路。