《德国应化》:冷冻电镜进军高分子,微凝胶内部结构一览无余!

水凝胶微球,也称为微凝胶,是一种可以被水溶胀的纳米材料,是由交联的亲水或两亲性聚合物组成。与固体微球相比,这种微球有良好的生物相容性,pH值和温度响应性的特点,而且柔软性和稳定性出色,在高性能催化生物分子给药系统组织工程学等领域有潜在应用。

研究者通过设计不同的纳米复合结构,赋予了微凝胶更多的功能,如何详细的表征处于溶胀状态的微凝胶的结构成为困扰研究者的一大难题。

常用的表征手段,如扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM),在表征纳米复合微凝胶时需要提前干燥样品,这就不可避免地破坏了微凝胶的结构。虽然散射方法、低温SEM和TEM、原位原子力显微镜(AFM)和超分辨显微镜可以给出溶胀微凝胶的一些结构信息,但对于内部结构就无能为力了。因此,在“原生态”下对微凝胶纳米结构进行详细表征至关重要。

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日本信洲大学Daisuke Suzuki教授课题组采用低温电子层析成像技术(cryo-ET),首次得到了纳米复合微凝胶的详细结构信息。他们以N-异丙基丙烯酰胺(N)、甲基丙烯酸(M)、苯乙烯(S)和富马酸(F)为单体,采用种子乳液聚合法制备出一系列微凝胶,并对其结构进行了详细表征。

发现NMS微凝胶中PS颗粒的数量和平均直径分别为140±28和45±8 nm;加入表面活性剂的NS-SDS微凝胶中PS平均粒子间距为74 nm,微凝胶内部形成的SDS聚集体有效的阻止了聚苯乙烯纳米颗粒的融合,解决了长久以来学术界对SDS作用的争议;在微凝胶内部,苯乙烯可以识别分子尺度上的极性差异,通过改变种子微凝胶中羧基的空间分布,成功制备出层数和厚度可调的多层微凝胶纳米复合结构。这项研究成果为新型纳米复合微凝胶的设计开辟了道路。

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纳米复合微凝胶的结构表征

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图1. NMS微凝胶的 (a)FE-SEM图像; (b)TEM图像; (c)cryo-ET图像; (d)微凝胶中聚苯乙烯的链段图像; (e)NM微凝胶表面PS纳米颗粒的直径柱状图。

 

研究者以N-异丙基丙烯酰胺(N)、甲基丙烯酸(M)和苯乙烯(S)为单体,采用乳液聚合法制备出了NMS纳米复合微凝胶,采用FE-SEM和TEM对其结构进行表征,结果发现在NMS微凝胶的表面附着有PS颗粒,由于微凝胶发生了变形,无法确定其内部结构。

相反,cryo-ET图像不仅显示出溶胀状态下NMS纳米复合微凝胶的整体结构,还能清楚的计算出PS颗粒的数量及平均直径,分别为140±28和45±8 nm,微凝胶表面PS的覆盖率为32±3%,首次获得了微凝胶详细的结构信息。他们还发现微凝胶表面上PS颗粒之间存在空隙,这有利于进行物质交换,根据温度和pH的变化实现可逆的体积变化。

表面活性剂对微凝胶内部结构的影响

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图2. (a)NMS和(b)NM-SDS微凝胶内部PS纳米颗粒的cryo-ET图像和链段图像;(b)NM-SDS微凝胶内部PS颗粒的直径直方图。

 

研究者以N-异丙基丙烯酰胺(N)、富马酸(F)和苯乙烯(S)为单体合成了NFS微凝胶,在加入SDS表面活性剂下合成了NS-SDS微凝胶,研究了SDS的带电基团对溶胀状态下微凝胶形态的影响。发现表面带羧基的NF微凝胶内部可以容纳大量的聚苯乙烯颗粒而保持胶体稳定;即使在水溶胀状态下,NFS微凝胶内部的自由空间也很少;虽然与NFS微凝胶相似,但是在NS-SDS内部仍然观察到了自由空间,这是由于NS-SDS微凝胶中的PS颗粒数量和直径分别为590 nm和50 nm,平均粒子间距离为74 nm,大于PS粒径,因此内部必定存在大量自由空间。

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图3. NS-SDS纳米复合微凝胶的SEP示意图。

令人惊讶的是,在NS-SDS纳米复合微凝胶内部PS颗粒的填充率高达73±2%的情况下,没有出现PS颗粒融合的现象。在以前的研究中,当使用相同浓度的苯乙烯,不加入SDS的情况下PS颗粒非常容易融合而形成较大颗粒。由于用常规表征方法难以确定NS-SDS微凝胶的内部结构,一直无法解释SDS的带电基团在微凝胶内部的作用。本研究采用cryo-ET表征发现,在微凝胶内部形成的SDS聚集体充当了聚苯乙烯的成核点位,阻止了PS颗粒的融合,解决了长久以来学术界对该问题的争论。

可控层数和厚度微凝胶的合成

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图4. (a)N-NM-S纳米复合微凝胶的链段图像和(b)cryo-ET图像;(c)N-NM-S,(d)N-NM-NM-S和(e)N-NM-NM-NF-S纳米复合微凝胶的超薄截面TEM图像。

 

研究者通过种子沉淀聚合制备了种子微凝胶N(核)-NM(壳),然后又进行了苯乙烯的乳液聚合,制备出了三层纳米复合微凝胶,cryo-ET图像清楚地表明在PS核(第一层)和PS外壳(第三层)之间不存在PS,证明苯乙烯单体可以识别微凝胶分子尺度上的极性差异。通过改变种子微凝胶中羧基的空间分布,实现了调节微凝胶的层数和厚度的目的。

小结

为了阐明纳米复合微凝胶的内部结构,日本信洲大学Daisuke Suzuki教授课题组采用cryo-ET技术,获取了原始状态下纳米复合微凝胶详细的结构信息。发现NMS纳米复合微凝胶PS颗粒的数量和平均直径,分别为140±28和45±8 nm,表面PS覆盖率为32±3%;NS-SDS微凝胶中PS平均粒子间距为74 nm,大于自身粒径,因此内部必定存在大量自由空间,而且微凝胶内部形成的SDS聚集体充当了PS的成核位,阻止了PS颗粒的融合;通过改变种子微凝胶中羧基的空间分布,制备出了层数和厚度可调的三层结构微凝胶。

原文链接:

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202003493

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