通过非溶剂诱导的相分离形成的中空聚合物液滴和胶囊

《Advanced Physics Research》：Hollow Polymer Droplets and Capsules Formed by Nonsolvent-Induced Phase Separation

非溶剂诱导相分离（NIPS）过程中，聚合物-溶剂滴plet通过非溶剂渗透形成致密皮肤层，后续宏观相分离导致中空液滴或多孔胶囊。分子动力学模拟表明，高聚合物-非溶剂不相容性促进孔隙形成，而溶剂-非溶剂相互作用影响交换速率。初始聚合物浓度和分子不对称性调控最终结构：高浓度形成更小空腔，低浓度导致固体颗粒；分子量差异影响相分离动力学。实验验证显示，NIPS参数（如χ值、玻璃化转变）与模拟结果一致，且多块共聚物系统呈现更复杂微观相分离。

　　在微流体技术的帮助下，结构化的聚合物液滴和胶囊——通常被称为微粒——可以大规模地被制造出来，这种技术提供了对微粒尺寸均匀性、形状、表面特性以及内部结构的精确控制，其范围从纳米尺度延伸到微米尺度。这种结构化微粒在药物输送和吸附分离等领域展现出巨大的应用潜力。其中，具有多孔结构的微粒尤其适用于封装药物或酶，而具有内部空腔的微粒则适用于更复杂的任务，如承载和释放特定物质。为了进一步拓展这些结构化微粒的功能，多组分聚合物，如接枝共聚物，被引入以实现更复杂的内部结构设计，例如洋葱状或同心层状结构。

本研究利用大规模的粒子基模拟，深入探讨了在非溶剂诱导相分离（NIPS）过程中，聚合物-溶剂液滴在非溶剂浴中形成空心液滴和固体胶囊的机制。当溶剂和非溶剂进行交换时，非溶剂逐渐扩散进入液滴，导致液滴表面收缩，从而形成一层致密的聚合物皮层（称为“皮”）。这一皮层减缓了进一步的溶剂-非溶剂交换，同时，当聚合物与非溶剂的不相容性较高时，宏相分离会在皮层内开始，从而在液滴表面形成多孔结构。这些孔洞促进了溶剂-非溶剂的交换。如果聚合物仍然保持液态，这些孔洞最终会闭合，将非溶剂困在由皮层包围的腔体内。因此，这些空心液滴会因为非溶剂在腔体与外部环境之间的缓慢交换而表现出准稳定状态。如果聚合物在宏相分离过程中发生玻璃化转变，那么多孔结构将被永久保留，从而形成多孔微粒。

研究结果与实验观察相吻合，进一步揭示了在NIPS过程中，空心液滴和胶囊的形成机制。研究还展望了共聚物液滴在不同参数变化下的行为。这些模拟和实验研究为理解微粒形成过程中复杂的热力学、结构、加工与性能之间的关系提供了重要依据。粒子模拟的一个关键优势在于能够独立操控热力学、结构和加工参数，从而更清晰地区分这些参数对最终聚合物液滴形态的影响。相比之下，实验方法难以独立分离这些参数的影响，因此，这种计算模拟为微粒的理性设计和优化提供了基础支持。

研究中采用了一种高度粗粒化的软粒子模型，模拟了NIPS过程。该模型中，聚合物被表示为具有64个粗粒化段的柔性珠链，而溶剂和非溶剂分子则被离散化为4个粗粒化段。这种分子尺寸和动力学的不对称性由聚合物段数与溶剂段数的比值决定，即16。模拟中，通过调整非溶剂与聚合物之间的相互作用强度，可以控制聚合物的玻璃化转变。例如，当非溶剂浓度达到某个临界值时，聚合物会因缺乏塑化溶剂而发生玻璃化，从而阻止进一步的结构演变，最终形成稳定的结构。

模拟结果表明，初始聚合物浓度对空心液滴的形成和结构具有显著影响。较高的初始聚合物浓度会导致更大的液滴尺寸，但会减少非溶剂的捕获量，从而形成较小的空腔。相反，较低的初始聚合物浓度会导致液滴迅速缩小，形成不稳定的结构，或者在液滴内部发生宏相分离，从而形成多孔微粒。此外，液滴的初始尺寸也会影响其最终形态。当液滴的初始尺寸增加时，形成的空腔会更大，同时整个液滴的尺寸也会增加。然而，随着时间的推移，空腔的体积会因非溶剂的持续扩散而逐渐减少，最终形成稳定的结构。

研究还探讨了分子不对称性对液滴形态的影响。通过调整聚合物的分子离散化程度，可以控制聚合物与溶剂和非溶剂之间的相互作用。例如，当聚合物与非溶剂之间的不相容性较小时，非溶剂更容易扩散进入液滴内部，从而形成更大的空腔。而当这种不相容性较大时，非溶剂的扩散会受到阻碍，导致液滴内部形成较厚的聚合物皮层。这种皮层不仅影响液滴的最终形态，还决定了其是否能够形成稳定的空腔。

对于具有玻璃化转变的聚合物系统，研究发现，玻璃化转变会显著改变液滴的形态。当聚合物在宏相分离过程中发生玻璃化时，其表面会形成多孔结构，这种结构不仅有助于非溶剂的扩散，还能够在液滴表面形成稳定的空腔。然而，当聚合物不发生玻璃化时，非溶剂的扩散会受到限制，从而形成准稳定的空心液滴。这些发现表明，通过调整聚合物与非溶剂之间的相互作用参数，可以有效地控制空心液滴和胶囊的形成过程，从而实现对微粒结构的精确设计。

在实验部分，研究使用了不同分子量的聚苯基甲基丙烯酸酯（PPhMA）来研究胶囊的形成过程。通过在N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶液中制备PPhMA微粒，研究者观察到随着初始聚合物浓度的增加，微粒的空腔尺寸逐渐减小。同时，不同溶剂（如NMP和二甲基亚砜（DMSO））对非溶剂扩散速率和微粒形态也产生了显著影响。例如，DMSO作为溶剂时，其与PPhMA的相互作用较弱，导致非溶剂的扩散速率较慢，从而形成更小的空腔。

研究还比较了单体聚合物液滴与接枝共聚物液滴在NIPS过程中的行为差异。对于接枝共聚物液滴，宏相分离不仅发生在液滴内部，还可能在接枝共聚物的皮层中发生。这种宏相分离导致液滴内部形成多孔结构，从而在液滴表面形成更复杂的形态。例如，当非溶剂与接枝共聚物的不相容性较高时，液滴内部会形成更长的、方向性的指状孔洞，这些孔洞有助于非溶剂的扩散，从而促进空腔的形成。然而，当非溶剂与接枝共聚物的不相容性较小时，宏相分离的延迟可能导致液滴内部形成更均匀的结构，从而影响最终的空腔尺寸。

此外，研究还探讨了不同初始液滴尺寸对最终形态的影响。通过调整液滴的初始尺寸，研究者发现，随着液滴尺寸的增加，形成的空腔也会更大，而液滴的最终尺寸则与初始尺寸呈线性关系。这种尺寸依赖性表明，通过调整液滴的初始尺寸，可以有效地控制最终微粒的形态和结构。

总的来说，这项研究通过粒子基模拟和实验方法，揭示了NIPS过程中空心液滴和胶囊形成的机制，并探讨了多种参数（如热力学相互作用、初始浓度、分子不对称性、初始尺寸和玻璃化转变）对最终形态的影响。这些发现不仅加深了对NIPS过程的理解，还为设计和优化具有特定结构和功能的微粒提供了理论依据和实验指导。