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青岛科技大学李志波、孙静教授在温度诱导结晶驱动自组装方面取得新进展
2020-10-21  来源:高分子科技

  结晶驱动嵌段共聚物自组装在大分子溶液自组装动力学和形貌控制中具有重要的地位。随着分子自组装技术与纳米科学的不断发展,大量新颖的自组装体系以及组装策略不断出现。自然界中具有特殊功能性的生物大分子聚集体可以通过对周围刺激迅速精确的响应,来实现复杂神奇的生物功能,引入功能性基团对制备精确可控的功能微纳结构具有积极的作用。鉴于此,孙静教授、李志波教授联合法国波尔多大学Sébastien Lecommandoux教授将刺激响应性合成高分子材料与结晶驱动自组装相结合,在水溶液中构筑温度诱导结晶驱动聚类肽嵌段共聚物组装体。他们设计并制备了侧链含有寡聚乙二醇(OEG)的聚(N-烯丙基甘氨酸)-b-聚(N-辛基甘氨酸)((PNAG-g-EG3)-b-PNOG)聚类肽两嵌段共聚物,将PNAG-g-EG3链段温度响应性及PNOG链段结晶性能有机结合在一起,通过对温度的简单调控,在水溶液中构筑多级自组装体。由于PNOG结晶区的限制,组装后的微纳结构呈现不可逆的组装行为,为探究不同微纳结构材料对细胞摄取的影响提供了重要的借鉴意义。


图1 温度诱导两嵌段共聚物结晶驱动自组装示意图


图2 (a) (PNAG-g-EG3)-b-PNOG水溶液透过率与温度的关系。(实心符号代表升温过程,空心符号代表冷却过程); (b) (PNAG-g-EG3)94-b-PNOG15和PNAG95-g-EG3水溶液的浊点与浓度的关系。


  前期工作中,他们通过点击化学将OEG等基团引入到聚类肽构筑多种温度响应性材料。在该研究中,他们进一步对两嵌段共聚物(PNAG-g-EG3)-b-PNOG的温度响应性进行了研究,研究发现(PNAG-g-EG3)-b-PNOG表现出LCST现象和可逆的相转变行为。此外,他们还报道了聚乙二醇-b-聚(N-(辛基)甘氨酸)(PEG-b-PNOG)嵌段共聚物的结晶驱动多级自组装行为,成功模拟蛋白质多级自组装过程。在这项研究中,他们进一步利用PNOG嵌段的结晶性能,结合PNAG-g-EG3的温度响应性,实现温度诱导(PNAG-g-EG3)-b-PNOG两嵌段共聚物的多级自组装。在两嵌段共聚物中,PNAG-g-EG3嵌段作为亲水链段,PNOG嵌段作为疏水链段,在室温下,由于亲水链段较长,共聚物通过组装形成球型的核壳胶束。随着温度升高至浊点,PNAG-g-EG3链段塌缩,有效促进了PNOG链段结晶以及胶束的融合,最终形成棒型结构。恢复室温后,由于PNOG结晶区的限制,组装体仍保持棒型结构,从而表现出不可逆的组装行为。他们进一步采用小角、广角X射线散射技术对体系进行了系统全面的研究。


图3(PNAG-g-EG3142-b-PNOG23(a)和(PNAG-g-EG394-b-PNOG15(c)水溶液在室温下搅拌24 h后TEM图。(PNAG-g-EG3142-b-PNOG23(a)和(PNAG-g-EG394-b-PNOG15(c)水溶液在室温下搅拌24 h的AFM图。


图4 (PNAG-g-EG3)142-b-PNOG23(a)和(PNAG-g-EG3)94-b-PNOG15(c)水溶液在室温下搅拌24 h后,在60 ℃下加热2 h的TEM图像;(PNAG-g-EG3)142-b-PNOG23 (b), (PNAG-g-EG3)94-b-PNOG15 (d)分别是(a)和(c)冷却至室温后的TEM图像


图5.不同形貌的微纳结构在海拉细胞(a),RAW264.7(b) 和L929细胞(c) 中的成像及平均荧光强度(b),Scale bars = 50 μm。


  自然界中的病毒在感染动物细胞时,棒状形貌的结构通常表现出一定优势。因此针对微纳结构与细胞摄取之间的关系进行系统研究具有重要的意义。他们进一步将同一种共聚物所制备的球型结构和棒状结构两种材料,用于细胞摄取的研究。研究发现,长而柔顺的棒型结构可以快而迅速与细胞膜结合,有利于细胞的摄取。这种外界环境刺激引发聚合物结晶驱动自组装的行为,为制备不同结构的微纳结构提供了一种简便的方法,同时也为研究形貌对于细胞摄取的影响提供了较好的借鉴意义。


  以上相关成果发表在Biomacromolecules (Wang Z , Lin M , Bonduelle C , et al. Thermoinduced Crystallization-Driven Self-Assembly of Bioinspired Block Copolymers in Aqueous Solution[J]. Biomacromolecules, 2020, 21(8))。论文的第一作者为青岛科技大学硕士研究生王志伟,共同第一作者为青岛科技大学硕士研究生林敏。该研究获得了国家优秀青年基金,国家面上项目,山东省杰出青年基金等资助。



  论文链接:

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.0c00844

  https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.macromol.8b00986

  https://doi.org/10.1016/j.polymer.2018.01.034

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