可打印pH响应瓶刷聚合物纳米传感器构筑与应用前景

这项研究由悉尼大学化学的Chenyou Zhang及其所在团队合作完成，并发表在皇家化学会期刊《Chemical Science》上。作者构筑了一种新型的单分子核–壳结构聚合物瓶刷（molecular polymer bottlebrush, MPB），其核心为pH响应的聚[(二异丙氨基)乙基甲基丙烯酸酯]（PDPAEMA），外壳为亲水的聚[聚(乙二醇)甲醚甲基丙烯酸酯]（PPEGMA），并在核心中共价引入了萘酰亚胺类溶致变色荧光探针。该单分子纳米构筑能够在保持胶体稳定性的同时，将pH变化转化为荧光光谱红移信号，并进一步通过两光子激光3D打印转移到交联水凝胶微结构中，为纳米尺度pH传感及功能3D打印墨水提供了新的设计平台。

在传统两亲性嵌段聚合物体系中，聚合物依赖自组装形成胶束或纳米颗粒，其稳定性高度依赖环境条件，如浓度、pH、离子强度和温度。一旦稀释或外界条件波动，自组装结构容易解体为单链聚合物，限制了其在纳米医学和智能材料中的可靠应用。相比之下，星形或瓶刷型等单分子聚合物纳米颗粒依靠共价主链构筑出稳定的核–壳微环境，在无临界胶束浓度限制的前提下实现功能分区和结构稳定性，近年已在药物递送、诊疗一体化和3D打印等领域引起广泛关注。另一方面，利用光学读出监测环境变化，通常依赖本身对pH等刺激敏感的小分子荧光探针，但这些探针往往存在开关型强度变化、荧光淬灭或信号解释复杂等问题。本文采用的策略是一种“间接敏化”思路：让聚合物网络本身对pH响应，通过其疏水/亲水平衡变化调节嵌入的溶致变色荧光团所处微环境极性，从而借助溶致变色效应实现对原本不敏感刺激的信号转导。

在合成策略上，作者采用“从主链生长”的原子转移自由基聚合路线构筑核–壳瓶刷。首先制备含有溴代引发位点的聚(甲基丙烯酸甲酯-co-2-乙基甲基丙烯酸酯)共聚物骨架P1，以解决纯PBIEM高引发位点体系中接枝效率有限、难以操作的问题。随后以P1为多点引发剂，引发乙基甲基丙烯酸酯和少量Boc保护的氨乙基甲基丙烯酸酯共聚，得到pH响应核P2，其中少量bocAEMA单元作为后续荧光探针接枝位点。PDPAEMA具有pKa约6.3–6.8，在酸性条件下链段质子化、亲水溶胀，在中性和弱碱条件下去质子化、疏水塌缩，为溶致变色荧光团提供一个可调极性的内核微环境。接着，作者在P2外围进一步接枝亲水、带PEG侧链的PPEGMA，获得核–壳结构瓶刷P3。PEG化外壳提高了纳米粒子的水分散性、胶体稳定性和生物相容性，同时通过空间屏蔽限制瓶刷间的聚集，确保体系表现为单分子纳米颗粒而非多分子聚集体。最后，脱除boc保护基后，将4-氨基-1,8-萘酰亚胺溶致变色荧光团通过共价键连接到核心的氨基位点，得到最终的荧光单分子信号转导瓶刷P3naph，实现了“pH响应核–溶致变色探针–亲水壳层”的一体化构筑。

结构与尺寸表征结果表明，合成路线实现了逐步可控的瓶刷生长和单分子纳米粒子构筑。作者通过尺寸排阻色谱监测各步聚合，观察到从骨架P1到核P2，再到核–壳P3的洗脱体积逐步向高分子量方向移动，同时分散系数保持在较低水平，证明接枝聚合具有较好的可控性。^1H NMR谱图给出了各单体单元的特征峰，并在去保护和萘酰亚胺接枝后出现芳香质子信号，证明荧光团成功引入核心。溶液动态光散射（DLS）测得P3在氯仿中的水动力直径约34 nm，而AFM与TEM在干态下观察到的颗粒尺寸与DLS结果在同一纳米尺度区间，并表现出分散良好的离散单颗粒特征，印证了瓶刷的单分子特性与核–壳纳米结构。从P2到P3，水动力直径由约19 nm增加到34 nm，也与外层PPEGMA壳层引入后的尺寸增长相吻合。

在pH响应与光物理行为方面，P3naph体现出典型的单分子核–壳可开关微环境特征。由于PDPAEMA核心对pH敏感，但被亲水PPEGMA壳层包覆，pH驱动的相变仅表现为瓶刷内部核心的可逆溶胀/塌缩，而不会引起整个纳米颗粒的聚集或解体。DLS结果显示，在接近中性pH时，水动力直径较小，而在酸性条件下（核心质子化、亲水溶胀）粒径略有增加，体现出典型的核内水合–脱水转变。萘酰亚胺探针位于核心内部，其荧光发射波长对局部极性高度敏感，但本身对pH不敏感。作者在不同pH缓冲液和去离子水中测试P3naph的荧光发射谱，观察到在低pH、核心更亲水的情况下发射发生红移，而在高pH、核心更疏水时发射蓝移，光谱变化清晰反映了内核极性的变化。

对自由naphmal的对比实验进一步证明，其光谱对pH基本不敏感，因此荧光变化确实来源于瓶刷核心的pH诱导极性改变，而非探针本身的酸碱反应。这种“以结构响应放大溶致变色”的设计，使原本不直接对pH响应的溶致变色探针被“间接敏化”为pH传感元件。

值得注意的是，P3naph的荧光与粒径变化起始于略低于PDPAEMA名义pKa的pH约5.8，显示出体系中存在比简单单链质子化平衡更复杂的协同效应。作者将这一偏移归因于聚合物刷结构中二异丙基侧基之间的疏水相互作用，以及刷层中局部(去)质子化分布与离子强度引起的电荷屏蔽效应。通过降低缓冲液离子强度，即使在更低pH值，体系仍可被“激活”，进一步表明离子环境对核内水合行为具有显著调制作用。这些结果表明，通过精细调控核心组成、刷密度及荧光团种类，有望获得更线性的pH–荧光响应关系，为后续设计可定量读出的纳米pH传感器提供了结构调节思路。

在应用拓展方面，作者将该单分子瓶刷扩展至功能性3D打印墨水。通过在PPEGMA壳层中引入可光交联的甲基丙烯酸酯功能，构筑出可通过两光子聚合交联的壳层结构，并将所制备的MPB配制为适用于两光子直写的光敏墨水。利用Nanoscribe公司生产的两光子激光打印设备（PPGT2, Nanoscribe GmbH），研究团队成功打印出具有高保真度的雪花图案微结构，并在成形后将其在水介质中溶胀。共聚焦显微镜观察表明，打印得到的交联水凝胶结构能够完整保留瓶刷的荧光特性和pH响应行为：当将水凝胶分别置于不同pH环境中，其发射光谱及伪彩色成像均表现出与分散态P3naph类似的pH依赖性红移变化，说明单分子瓶刷在交联网络中仍能实现局部环境变化到光学信号的有效转导。这一结果表明，该MPB体系不仅可作为稳定的纳米pH传感器，还可作为功能性添加剂嵌入3D打印水凝胶或其他聚合物网络中，实现对打印结构内部微环境变化的空间分辨读出。

Nanoscribe 的双光子灰度光刻技术 (2GL®) 是微纳 3D 制造领域的革命性突破。该技术融合灰度光刻与双光子聚合的优势，实现了对微结构及其表面的精确控制，提供前所未有的设计自由度。2GL® 能够制造超光滑的球面/非球面微透镜、锐利平面结构和高纵横比自由曲面微光学器件，甚至可制作衍射/折射混合光学元件。 Nanoscribe 的 2GL® 技术受中国国家专利保护（专利号：CN110573291B）。

总体而言，这项工作在三个层面解决了关键挑战：其一，通过单分子瓶刷拓扑结构，实现了兼具胶体稳定性、pH可调极性核和高生物相容性的核–壳纳米平台，克服了传统自组装胶束在稀释和环境波动下易解体的固有不稳定性；其二，通过在pH响应核内引入溶致变色荧光团，构建了“结构响应–溶致变色信号”耦合的间接敏化方案，避免了传统pH探针的信号开关性和淬灭风险，显著简化了信号解析；其三，通过与两光子3D打印技术耦合，将单分子纳米传感单元成功嵌入空间可编程的交联水凝胶网络中，为构建可打印、可读取内部环境信息的功能墨水提供了可行范式。细胞实验和共聚焦成像结果也表明，该PEG化单分子纳米颗粒可被癌细胞摄取且具有良好相容性，为未来在肿瘤微环境pH监测等纳米医学场景中的应用奠定了基础。

该类pH响应瓶刷纳米传感器有望在多个方向进一步发展。一方面，通过调整核心单体种类与组成，可将响应范围拓展至温度、离子强度或其他化学刺激，并进一步优化pH–荧光关系的线性度和灵敏度；另一方面，引入不同类型的溶致变色或环境敏感荧光团，有望实现多通道、多参数协同检测，实现对复杂生理或材料微环境的多维表征。在3D打印与软物质领域，这一瓶刷体系作为功能添加剂可被集成到多种水凝胶和弹性体网络中，实现打印结构在服役过程中的原位状态监测，为“可视化”智能材料、可自报告的组织工程支架以及具有自监测能力的软机器人提供新的材料基础。在纳米医学方向，借助其单分子稳定拓扑与PEG壳层，该类纳米颗粒或可与药物、靶向配体等进一步集成，发展兼具诊断与递送功能的多功能纳米平台，实现对药物递送路径、胞内转运与肿瘤微环境的实时光学监测。综上，这项工作展示了一种兼具结构可编程性、环境响应性与可打印性的单分子瓶刷纳米信号转导平台，为可编程纳米传感与智能材料的交叉发展提供了具有代表性的范例。