聚肽胶束的超分子反应_聚合、环化及活性生长_周炜东.pdf

聚肽胶束的超分子反应:聚合、环化及活性生长周炜东,高文豪,蔡春华*,林嘉平*华东理工大学材料科学与工程学院,上海市先进聚合物重点实验室,上海 200237*通讯作者,E-mail:;收稿日期:2023-01-03;接受日期:2023-02-13;网络版发表日期:2023-03-31国家自然科学基金(编号:52073095,51621002,21975073,51833003)资助项目摘要聚合物自组装是制备纳米材料的有效途径.自组装纳米材料在药物载体、高性能材料、生物结构模型等领域具有重要的应用价值.近年来,在聚合物分子自组装研究的基础上,研究者们发展了聚合物纳米粒子的自组装研究,并取得了很大进步.聚合物纳米粒子的组装一般可称为超分子反应.以聚肽胶束为组装基元的超分子反应研究得到了很多关注,取得了一系列进展.本文以本课题组的工作为主,总结归纳了近年来在聚肽胶束自组装(超分子反应)研究方面的进展,主要包括超分子聚合、环化和活性生长.文中着重强调了理论模拟在探究胶束超分子反应中的作用.最后,本文展望了该研究领域的发展方向,并指出所面临的机遇和挑战.关键词聚肽胶束,自组装,超分子反应,理论模拟1引言自组装现象在自然界中无处不在.常见的自组装基元有分子(小分子和聚合物)和胶体粒子(无机纳米粒子、聚合物胶束等).近十几年来,以聚合物胶束为构筑基元的自组装研究受到了越来越多的关注.与分子组装相比,胶束组装在制备更复杂和更大尺度结构方面表现出突出的优势14.聚合物胶束的组装主要有聚合和活性生长两种途径,这与分子层面的反应相似.因此胶束组装也称为超分子反应.不同的是,聚合物胶束组装的主要驱动力源于胶束之间或胶束与第二组分之间的非共价键作用,如疏溶剂作用57、结晶作用810、静电吸引作用1113,这类“反应”不涉及化学键的断裂和形成.聚肽是氨基酸聚合物,兼具合成聚合物与生物高分子(蛋白质)的特点,关于其可控合成、结构特点、功能应用等一直受到了学者们的广泛关注14,15.一方面,与蛋白质大分子类似,聚肽具有典型的螺旋构象,在该构象下聚肽表现出刚性链的特点且具有有序排列的倾向.在特定条件下,螺旋链可转化为折叠和无规线团构象.因此聚肽可作为蛋白质结构与性能研究的一种模型聚合物;另一方面,基于其良好的生物相容性以及生物可降解性,聚肽在生物材料领域具有重要的应用,如载药、组织工程等1619.过去的20多年见证了聚肽自组装研究的快速发展,聚肽自组装的调控结构方法及机理得到了深入的探究2022.基于聚肽刚性螺旋链的有序排列特点及不同构象之间相互转变的行为,聚肽及其共聚物可以自组装得到形貌丰富的聚集体,如球形、棒状、囊泡、螺旋和环形等.例如,Schlaad等23合成了一系列基于引用格式:Zhou W,Gao W,Cai C,Lin J.Supramolecular reactions of polypeptide micelles:polymerization,cyclization,and living growth.Sci Sin Chim,2023,53:664677,doi:10.1360/SSC-2023-0002 2023 中国科学杂志社中国科学:化学2023 年第 53 卷第 4 期:664 677SCIENTIA SINICA C聚合物结构与性能专刊专题论述-苄基谷氨酸酯和烯丙基甘氨酸的聚肽共聚物和均聚物,研究发现这些聚肽在乳液滴内自组装形成了具有手性螺线形貌的微球.螺线的手性受聚肽主链的手性控制:右旋主链的聚肽自组装形成顺时针螺线,左旋主链的聚肽自组装形成逆时针螺线.近年来,聚肽胶束的自组装(超分子反应)研究方面也取得了重要的成果,发现了一系列新现象.本综述以本课题组的工作为主,总结了近10年来关于聚肽胶束自组装(超分子反应)的研究进展,主要包括聚肽胶束的超分子聚合、环化和活性生长等三个方面的内容.除了实验方法,理论模拟也是研究聚合物及胶束自组装行为的重要方法,可以提供实验研究中难以获得的分子排列等微观信息2426.实验与模拟结合可以深化对自组装行为的理解.本文中,在系统介绍聚肽胶束超分子反应的研究内容及内在机理时,着重强调了理论模拟预测对实验研究以及机理探究的指导价值.最后,本文给出了对聚肽胶束超分子反应研究的展望,并讨论了该领域的发展方向和面临的挑战.2聚肽胶束的超分子逐步聚合胶体粒子(无机纳米粒子、聚合物胶束等)的聚合通常遵循逐步聚合机理.与分子层次的逐步聚合反应相比,胶体粒子的逐步聚合不涉及化学键,粒子之间是由非共价键作用(疏水作用、静电吸引等)连接起来的.超分子聚合通常依靠外界条件(温度、溶剂)的改变来引发.胶体粒子的逐步聚合因其可以制备具有特殊功能且结构可控的多级组装体而引起了学者们的兴趣.例如,Mller等27报道了具有可调谐缺陷的胶束单元可以作为巨大的双亲分子,并组装成微米级的超胶体聚合物.首先,他们利用选择性沉淀法制备三嵌段共聚物球形胶束,然后继续加入选择性溶剂导致球形胶束转变成汉堡状胶束;随着选择性溶剂含量的增加,这些汉堡状胶束逐渐聚合相连形成一种线型多级结构.这一组装过程横跨了较大的长度区域:从聚合物分子(10 nm)到初级胶束(25100 nm)再到多级超分子结构(0.110 m),该研究为合理设计结构可调控和功能性的多级材料奠定了基础.Wooley等28合成了聚丙烯酸-嵌段-聚丁二烯(PAA-b-PB)和冠醚改性的聚丙烯酸-嵌段-聚甲基丙烯酸(PAA-b-PMMA)嵌段共聚物,向两种聚合物共混体系的二甲基甲酰胺(DMF)溶液中加入水(H2O),形成以PMMA和PB为核,冠醚和PAA分子为壳的球形胶束.然后向上述胶束溶液中加入小分子二胺(乙二胺二乙酸,EDDA)诱导胶束连接形成一维链状、二维环状或三维聚集体.胶束间作用的强度通过二元胺含量以及嵌段聚合物的比例调控,该组装方法能够很好地控制多级组装体的几何形状.2.1聚肽胶束的线性逐步聚合近年来,聚肽胶束的超分子逐步聚合研究取得了一定的进展.Zhuang等29和Yang等30以聚肽纺锤状胶束为起始构筑基元,通过改变溶剂条件实现了聚肽胶束的线性逐步聚合,制备出一维纳米线.首先,在四氢呋喃(THF)/N,N-二甲基甲酰胺(DMF)/H2O溶液中,聚(-苄基L-谷氨酸酯)-接枝-聚乙二醇(PBLG-g-PEG)接枝共聚物自组装形成以刚性PBLG链为核、PEG为壳的纺锤状胶束.由于PEG分子链短且接枝率较低,不能完全包覆疏水PBLG核,使得纺锤状胶束两端暴露在溶剂中从而产生了具有高能量的“结构缺陷”.然后,向上述胶束溶液中加入一定量的DMF使胶束膨胀从而产生更明显的“结构缺陷”,体系能量大幅度提高.为了降低体系能量,纺锤状胶束首尾相连形成一维纳米线结构(图1ad).通过分析不同长度的纳米线所占的数量分数fX(图1e)发现,纳米线分布符合高分子缩聚反应中Flory理论分布,这表明纺锤状胶束形成纳米线的过程与高分子逐步聚合相似.Yang等30进一步研究了聚合动力学.如图1f,g所示,纳米线的平均聚合度Xn随时间线性增加且聚合速率随浓度的增加而增加,聚合速率常数dXn/dt与胶束浓度呈正比.这些结果表明,纺锤体胶束的聚合符合高分子逐步聚合的二级反应动力学特点3133.但胶束的结构不完全对称,导致了聚合过程中胶束两端反应活性的差异,从而使聚合后期的聚合度分布(PDI)偏离了理论值(图1h).除了溶剂性质,温度也是影响超分子聚合的重要因素.对于上述PBLG-g-PEG纺锤状胶束体系,Gao等34通过降低体系温度也实现了其线性聚合,聚合过程如图2a所示.首先在40下制备PBLG-g-PEG纺锤状胶束(溶剂为THF/DMF/H2O),然后将上述纺锤状胶束溶液置于低温下(5),随着培养时间的增加,纺锤状胶束逐渐聚合形成纳米线.通过温度诱导聚合物胶束聚合的现象目前还少见报道.图2b,c分别为初级组装单元和纳米线的透射电子显微镜(TEM)图像.与溶中国科学:化学2023 年第 53 卷第 4 期665剂诱导的逐步聚合相似,温度诱导的纳米线的形成过程也符合逐步聚合特征.通过模拟可以知道,低温下纳米线的形成也是胶束两端存在“结构缺陷”导致的.此外,聚合反应速率可以通过改变温度进行控制,研究发现该体系的反应活化能为负值,温度下降反应速率加快(图2e).这也说明了与小分子升温聚合体系不同,温度诱导的聚合反应的驱动力是低温下PBLG链段疏水性增强.组装与解组装是自然界构建多级功能体的最基本的原则,这两个过程对于维持生命体的稳定功能起着重要的作用3537.虽然通过超分子逐步聚合方式制备更高层次多级纳米结构已经取得了一定进展,然而其解组装过程还很少被研究.Gao等38还发现,PBLG-g-PEG纺锤状胶束纳米线在升高温度时发生了解聚.图2d为纳米线解组装后得到产物的TEM图像,与初始胶束相比,其大小发生了明显变化,说明在解组装的过程中相近胶束之间发生了分子链转移现象.另外,通过计算得到这种解聚反应的活化能为231 kJ/mol(图2f),这与普通的高分子的热降解活化能(高分子活化能大约70300 kJ/mol)相当.与接枝共聚物胶束类似,Lu等39发现嵌段共聚物图 1PBLG-g-PEG接枝共聚物胶束形成一维纳米线的超分子逐步聚合过程及动力学研究30.(a)纳米线形成示意图.(bd)不同时间下(10 min,6天和30天),由聚合物胶束通过聚合得到的纳米线的TEM图像.标尺:500 nm.(e)不同时间下纳米线的fX随聚合度(X)的变化.(f)不同浓度下,纳米线的Xn随组装时间的变化.(g)纳米线增长速率对胶束浓度(Csub)的依赖性.(h)纳米线的PDI随Xn的变化(网络版彩图)Figure 1Supramolecular stepwise polymerization process and ki-netics of one-dimensional nanowires formed by PBLG-g-PEG graftcopolymer micelles 30.(a)Schematic diagram of nanowiresformation.(bd)TEM images of nanowires obtained by polymerizationof polymeric micelles with various times(t):10 min,6 d,and 30 d.Scale bars:500 nm.(e)Number fraction(fX)of the nanowires as afunction of the degree of“polymerization”X at various times.(f)Variation in the number-average degree of“polymerization”ofnanowires(Xn)with time at different concentrations.(g)Dependence ofthe chain growth rate on concentration of micelles(Csub).(h)Variationin the polymerization degree distribution(PDI)of nanowires with Xn(color online).图 2温度诱导的PBLG-g-PEG接枝共聚物胶束的超分子逐步聚合及解聚过程34,38.(a)胶束聚合形成纳米线以及纳米线解聚示意图.(b)40下,由PBLG-g-PEG接枝共聚物自组装形成的纺锤状胶束的TEM图像.(c)在5下,由胶束通过聚合得到的纳米线的TEM图像.(d)40下,纳米线解聚产物的TEM图像.标尺:1 m.(e)聚合速率ln k(T)与1000/T(K1)的半对数图.(f)解聚速率ln k(T)与1000/T(K1)的关系图(网络版彩图)Figure 2Temperature-induced supramolecular stepwise polymeriza-tion and depolymerization of PBLG-g-PEG graft copolymer micelles34,38.(a)Schematic diagram of nanowires formed by micelles anddepolymerization of nanowires.(b)TEM image of spindle-like micellesformed by self-assembly of PBLG-g-PEG graft copolymers at 40 C.(c)TEM image of nanowires polymerized by micelles at 5 C.(d)TEMimages of depolymerization products of nanowires at 40 C.Scale bars:1 m.(e)Semilogarithmic plots of the chain growth rate,ln k(T)versus1000/T(K1).(f)Dependence of depolymerization rate(ln k(T)on1000/T(K1)(color online).周炜东等:聚肽胶束的超分子反应:聚合、环化及活性生长666胶束也能发生超分子聚合反应.图3a,b分别是由聚(-苄基L-谷氨酸酯)-嵌段-聚乙二醇-嵌段-聚(-苄基L-谷氨酸酯)三嵌段共聚物(PBLG-b-PEG-b-PBLG)自组装形成的棒状初级单元和聚合后的纳米线.嵌段共聚物形成纳米线的原理与接枝共聚物大致相同,都是胶束两端存在“结构缺陷”(图3a插图).结合布朗动力学(BD)模拟发现,与接枝共聚物胶束不同的是,如图3c所示,嵌段共聚物棒状胶束中刚性链段长轴垂直于胶束长轴并呈现一种螺旋排列方式,而在接枝共聚物纺锤状胶束中刚性链段在核内沿长轴有序排列.他们进一步研究了嵌段共聚物胶束的聚合动力学(图3df).图3d,e为不同时间下(1天和24天),棒状胶束通过聚合得到的纳米线的TEM图像.可以看出,纳米线的长度随聚合时间的增加而增加.图3f为不同胶束浓度下,纳米线的数均聚合度(Xn)随时间的变化结果.发现随着聚合时间的增加,数均聚合度(Xn)逐渐增大;胶束浓度越大,纳米线的Xn越大.以上结果表明,三嵌段共聚物棒状胶束的超分子聚合也遵循逐步聚合规律.2.2嵌段共聚物介导的聚肽胶束肩并肩聚合有效地控制聚合过程和聚合物的结构是聚合物科学中最重要的课题之一.引入第二组分已被证明是调控聚合行为的一种有效而简便的方法.目前,对于聚合物胶束的聚合工作都集中在线性聚合的形式上,缺乏聚合方式的多样性.另外,引入第二种组分来调控聚合物胶束聚合行为的报道较少.最近,Yao等40利用嵌段共聚物介导的聚肽胶束横向超分子聚合,制备了一种新颖的束状结构.如图4a所示,首先向PBLG-b-PEG嵌段共聚物和高分子量PBLG均聚物的THF/Diox溶液中滴加选择性溶剂水,得到纳米棒.经过一段时间的培养后得到了由纳米棒并排聚合形成的纳米束捆绑状结构,其表面带有螺纹条带(图4a,b).图4为不同聚合时间下聚集体的扫描电子显微镜(SEM)观测结果.可以看出,随着聚合时间的增加,纳米棒相互并排形成纳米束.纳米棒的这种特殊的横向聚合方式是因为相对于纳米棒的本体,其两端曲率较高,能量更高,嵌段共聚物主要围绕在纳米棒的两端以降低体系自由能,因此纳米棒的疏水侧面暴露在溶剂中.在疏水作用驱动下,纳米棒以肩并肩的方式聚合形成纳米束.同时,随着纳米棒的聚合,嵌段共聚物逐渐沉积在生长的纳米束结构上,并最终在表面组装成纳米条带,从而终止了超分子聚合.通过分析不同时间下的数均聚合度Xn(图4c)和不同尺寸的束状胶束的数量分数fX(图4d),发现聚合物纳米棒的并排连接在某种程度上类似于逐步聚合.利用BD模拟进一步证实嵌段共聚物更倾向于围绕在纳米棒的两端,有效地抑制了两端的活性,因此导致了并排的聚合方式(图4e,f).此外,他们还计算了纳米棒周围嵌段共聚物的密度分布.如图4g所示,嵌段共聚物沿纳米棒长轴(X轴)的密度分布为双峰,这表明共聚物主要集中在纳米棒末端;沿短轴(Y轴)的密度分布较低,表明纳米棒侧面比两端更多地暴露在溶剂中.3聚肽胶束的超分子环化相比于球形、棒状和囊泡等常见的结构,纳米环状结构的制备更具挑战性.因其独特的结构特点,环状材料具有特殊的性能,在催化41,42、药物载体43等方面具有重要的应用价值,相关研究受到了广泛关注.图 3PBLG-b-PEG-b-PBLG嵌段共聚物胶束聚合形成一维纳米线的超分子逐步聚合过程及动力学研究39.(a)共聚物组装形成的棒状胶束的TEM图像.插图为棒状胶束中的“结构缺陷”特写.(b)棒状胶束聚合24天后得到的纳米线的TEM图像.(c)棒状胶束的模拟图.(d,e)不同时间下(1天和24天),由棒状胶束通过聚合反应得到的纳米线的TEM图像.标尺:400 nm.(f)不同胶束浓度下Xn随时间的变化(网络版彩图)Figure 3Supramolecular stepwise polymerization process and dy-namics of PBLG-b-PEG-b-PBLG block copolymer micelles polymer-ization to form one-dimensional nanowires 39.(a)TEM image of rod-like micelles self-assembled from the copolymers.The illustrationshows the structural defects present in the rod-like micelles.(b)TEMimage of nanowires obtained from rod-like micelles after 24 days ofpolymerization.(c)Simulation snapshots of rod-like micelles.(d,e)TEM images of nanowires obtained from rod-like micelles bypolymerization at 1 day and 24 days,respectively.Scale bars:400 nm.(f)Variation of the Xnversus t at various concentrations of micelles(color online).中国科学:化学2023 年第 53 卷第 4 期667自下而上的聚合物组装方法是制备纳米环的重要方法.Pochan等44在THF/H2O混合溶剂中制备了聚丙烯酸-嵌段-聚甲基丙烯酸-嵌段-聚苯乙烯/乙二胺二乙酸(PAA-b-PMA-b-PS/EDDA)体系的自组装纳米环,他们观察到这些纳米环是由初始形成的蠕虫状胶束弯曲并首尾相接而来的.蠕虫状胶束弯曲的驱动力与带负电荷的PAA与带正电荷的二胺EDDA之间的吸引结合有关.但是该体系中纳米环的尺寸很不均匀并且混有大量的纳米纤维.Geng等45通过聚苯乙烯-嵌段-聚D丙交酯(PS-b-PDLA)嵌段聚合物自组装得到纺锤状胶束,并进一步制备出莫比乌斯纳米环,他们提出纺锤状胶束向纳米环转变的驱动力与PDLA结晶区的松弛有关.虽然聚合物纳米环的制备已有一些报道,但是其可控制备仍具挑战,需要开展深入的研究.3.1聚肽棒状胶束弯曲导致的头-尾闭合成环Yang等46报道了一种超分子环化反应,通过该反应成功制备出结构可控的纳米环形貌.首先向PBLG-g-PEG溶液(THF/DMF,1:1,v/v)中滴加选择性溶剂水并透析,制备得到均匀的棒状胶束水溶液(图5a).然后向上述棒状胶束水溶液中加入一定量的THF,诱导其发生弯曲并头-尾闭合成环,得到的纳米环尺寸均匀,其周长与纳米棒的长度吻合,说明纳米环是由棒状胶束头-尾闭合而成.纳米棒的弯曲程度由THF的含量控制,在低THF含量下棒状胶束只能形成弯曲的棒状胶束(图5b),随着THF含量逐渐增加,弯曲程度逐渐增大(图5c),最终在高THF含量下闭合成环(图5d).为了明确THF含量对成环的影响,对不同THF含量下制备的组装体进行了圆二色谱(CD)测试(图5e).研究发现,不同THF含量条件下聚肽分子链上侧基苯环的舒展程度变化是成环的驱动力,在高THF含量下,侧链苯环的收缩程度更大,这种收缩将增加胶束核壳之间的界面能,推动纳米棒转化为纳米环.基于理论模拟结果可以得到成环过程中自由能(Etotal)的变化,如图5f所示,Etotal的变化是由三部分能量变化引起的:棒状胶束的界面能(Einter)、弯曲能(Eangle)和两端的封端能(Eend).在形成初级组装体(棒状胶束)时,Etotal下降并达到平衡,说明棒状胶束是一种稳定的组装结构.THF的加入使苯环收缩导致Einter升高,同时由于胶束两端的结构缺陷,相应的Eend也升高.为了降低体系能量并达到新的能量平衡,棒状胶束开始弯曲形成稳定的环状结构,在弯曲成环过程中,对应的Etotal、Einter和Eend逐渐降低,Eangle逐渐升高.类似地,Du等47最近也观察到了聚肽纳米棒弯曲并头尾闭合成环的现象.他们发现向四苯基乙烯封端PBLG(TPE-PBLG)的THF溶液中加水,得到了扭图 4嵌段共聚物介导聚合物纳米棒的可控超分子聚合40.(a)通过两步过程在溶液中形成束状纳米结构的示意图.(b)不同聚合时间(2天,7天,14天和21天)下聚集体的SEM图像.标尺:500 nm.(c)Xn随聚合时间的变化.(d)聚合21天下束状结构的fX随聚合度(X)的变化(最右边一列表示含有7根以上纳米棒的束状结构的数量分数).模拟计算结果:(e)R4C1嵌段共聚物在NR纳米棒周围分布情况;(f)纳米棒表面周围的R4C1嵌段共聚物的密度分布;(g)沿着NR纳米棒的长轴(由绿色箭头表示)和短轴(由红色箭头表示)的嵌段共聚物的密度曲线(为了清晰起见,在(g)的插图中嵌段共聚物作透明化处理)(网络版彩图)Figure 4Controllable supramolecular polymerization of the poly-meric nanorods mediated by block copolymers 40.(a)Schematic ofthe formation of bundle-like nanostructures in solution through a two-step process.(b)SEM images of the aggregates incubated for varioustimes:2 days,7 days,14 days,and 21 days.Scan bars:500 nm.(c)Variation in the Xnversus polymerization time.(d)fXof the bundlesas a function of the degree of polymerization(X)at 21 days.Therightmost column represents the number fraction of bundles containingmore than 7 rods.Simulation results:(e)simulation snapshot of thedistribution of R4C1copolymers around the NRnanorod;(f)densitydistribution of the R4C1block copolymers around the nanorod surface.(g)Density profiles of the R4C1block copolymer beads along the long-axis(denoted by the green arrow)and the short-axis(denoted by the redarrow)of the NRnanorod.For clarity,the copolymers are hyalinized assurrounds in the inset of(g)(color online).周炜东等:聚肽胶束的超分子反应:聚合、环化及活性生长668曲的纳米棒;进一步增加水量或提高温度,纳米棒发生弯曲并头尾闭合形成纳米环.3.2聚肽胶束超分子环链竞争及理论模拟结果在分子尺度上,分子链的相连扩链与分子本身的首尾相接环化都是常见的分子反应,通常两者是共存的,环链平衡是一种常见的竞争反应.研究环链竞争反应对于获得更高产率的链状或者环形分子产物都具有重要意义.Meijer等48,49报道了一种在较高尺度上发生的类似环链竞争的反应.他们以低聚物为起始单元,该低聚物由氨基酸、蛋白质片段和聚乙二醇所组成,研究发现其自组装形成的线性超分子链与环形产物在溶液中可以达到平衡状态,并且该环链竞争反应及其环形产物的浓度受到聚合物中聚乙二醇链段长度的影响.然而对于在更高尺度(如聚合物胶束)的环链竞争反应却很少被观察到.在上述有关聚肽纳米棒线性聚合以及纳米棒弯曲成环研究工作的基础上,Hu等50探究了聚肽纳米棒体系的超分子环链竞争反应(图6a).首先以THF/DMF共混溶剂(1:1,v/v)为起始溶剂溶解PBLG-g-PEG接枝共聚物,通过加入选择性溶剂水使共聚物自组装成均匀的棒状胶束.然后分别在不同温度下,向上述胶束溶液中加入THF/DMF/水混合溶剂以提高溶液中有机溶剂的含量,从而诱导超分子反应的发生,探究了温度对环链竞争反应的影响.如图6be所示,低温下(5)棒状胶束相连形成纳米线,高温下(50)形成环状纳米结构,这与该课题组先前的工作是一致的(见章节2.1和3.1).随着温度的升高,纳米棒之间的聚合行为减少,纳米棒弯曲成环增加.针对这种聚肽纳米棒的环链竞争反应,Hu等50进一步开展了理论模拟研究探究其相关机制(图6f).结果表明,不同温度下聚肽分子链上侧基苯环之间的相互作用强度(PP)是环链反应的关键控图 5聚肽棒状胶束“超分子环化”过程的研究及其BD模拟结果46.(ad)不同THF含量下(0 vol%,20.0 vol%,33.3 vol%和50 vol%),由棒状胶束弯曲形成的组装体的SEM图像.标尺:300 nm.(e)30时,不同THF含量下组装体的CD谱图.(f)成环过程中的自由能变化(网络版彩图)Figure 5The“supramolecular cyclization”process of polypeptiderod-like micelles and its BD simulation results 46.(ad)SEM imagesof the aggregates formed by curving of rod-like micelles with variousTHF content:0 vol%,20.0 vol%,33.3 vol%,and 50 vol%.Scale bars:300 nm.(e)CD spectra of PBLG-g-PEG aggregates at various THFcontents,30 C.(f)Free energy change during the toroids formation(color online).图 6PBLG-g-PEG接枝共聚物组装形成的棒状胶束的超分子环链竞争过程及其BD模拟结果50.(a)棒状胶束的超分子环链竞争示意图;(be)在不同的温度下,加入THF/DMF混合溶剂(6:4,v/v)后,由棒状胶束通过聚合和环化得到的组装体的TEM图像.标尺:300 nm.(f)超分子环链竞争中的弯曲能(Ebend)、末端能(Eend)、界面能(Einter)和总能量(E)的变化.(g)超分子环链竞争中胶束间和胶束内的平衡常数Kinter和Kintra随温度的变化(网络版彩图)Figure 6Supramolecular ring-chain competition process and its BDsimulation results for rod-like micelles assembled from PBLG-g-PEGgraft copolymers 50.(a)Schematic diagram of supramolecular ring-chain competition of rod-like micelles.(be)TEM images of theaggregates obtained from rod-like micelles by polymerization andcyclization after adding the THF/DMF mixture solvent(6:4,v/v)atvarious temperatures.Scale bars:300 nm.(f)Variations of the bendingenergy Ebend,the end-capping energy Eend,the interfacial energy Einter,and the total energy E in the supramolecular ring-chain competition.(g)Temperature dependence of the intermicellar Kinterand intramicellarKintraequilibrium constants in the supramolecular ring-chain competi-tion(color online).中国科学:化学2023 年第 53 卷第 4 期669制因素.当PP减小时(低温),界面能(Einter)和末端能量(Eend)会逐渐减小,而弯曲能(Ebend)略有减小51,52,这说明胶束间发生了线性聚合反应,且主要是为了消除部分暴露的胶束末端的高能量.相反,当PP增大时(高温),Ebend会急剧增大,Eend和Einter明显减小,这说明棒状胶束发生环化反应.与此同时,通过实验结果分别计算了聚合反应平衡常数(Kinter)和环化反应平衡常数(Kintra).结果表明,低温下Kinter远大于Kintra,此时聚合反应占主导地位,反之则发生环化反应(图6g).3.3聚肽胶束的缠绕成环DNA是一种典型的生物聚合物,可以在一些病毒和精子细胞中自组装成环状结构.人们对DNA环状结构开展了长期的研究.Hud和Dey等5355发现,DNA的分子缩合成环是一种成核-生长现象.环状结构形成的第一步是自发形成一个核心环,然后以该环作为成核点,DNA链的其余部分在此环上缩合-卷曲形成环状结构(图7a).研究表明环状结构的直径取决于DNA的持续长度(刚性),并且DNA的持续长度随着溶液条件的改变而几乎保持不变,因此,这种独特的成环方式可以用于制备均匀的环状结构.DNA环状结构的研究工作激发了对其他生物聚合物环状结构的研究.Xu等56发现了聚肽纳米线的缠绕成环现象,其类似于DNA链的缩合成环.在他们的工作中,通过向PBLG3744(下标表示聚合度)均聚物溶液(THF/DMF,3:7,v/v)中加入选择性溶剂水,制备得到了均匀的纳米环.通过改变水量可以实现对成环过程的跟踪,如图7b所示,当水量为4.7 vol%时,均聚物自组装形成长纤维结构.随着水量的增加,溶剂与纤维组装体之间的界面能逐渐增大,为了降低体系的能量纤维开始卷曲缠绕形成初始环状结构(图7c,d),此时溶液中主要是纤维与环共存状态.当水量到达6 vol%时,得到均匀的环状结构(图7e).进一步增加水量纳米环的形貌基本没有变化.进一步利用BD模拟揭示了成环机制,模拟结果表明随着模拟时间的增加,纤维状聚集体的一端首先弯曲成一个初始环,然后纤维的剩余部分绕过初始环形成环状结构(图7f).纳米环的尺寸是由初始环的大小决定,其与聚合物的柔性和自吸引的相互作用有关,而对纤维长度多分散性的依赖性较小.这些特征显示出与DNA缩合成环的一些相似性.4聚肽胶束的超分子活性生长Wang,Winnik和Manners等57在2007年时发现一种独特的自组装现象结晶驱动活性自组装(crys-tallization-driven self-assembly,CDSA).在结晶作用驱动下,通过向棒状种子胶束溶液中加入共聚物,实现了棒状胶束的活性外延生长.利用该方法不但可以对胶束的长度和维度进行控制,而且在共聚物反应完全后胶束两端仍具有活性.这种组装方式可以制备一维(1D)和2D甚至多维纳米结构58,59.相对于结晶聚合物较强的外延性,液晶(LC)聚合物虽然外延性较弱,但液晶聚合物具有长程有序性以及局部分子链段可流动性,这为制备结构和形貌可控的纳米结构提供了可能性.4.1一维超分子活性生长棒状纳米结构在生物载药、光催化、电子器件等领域具有广泛的应用60.目前制备棒状结构的聚合物有结晶聚合物、半晶聚合物和-共轭聚合物等,它们大多以结晶作用为驱动力实现棒状结构尺寸的可图 7PBLG均聚物环状结构的形成过程及模拟结果56.(a)DNA分子链缩合成环示意图(卷曲-缠绕过程);(be)在不同的水含量下(4.7 vol%,4.9 vol%,5.0 vol%,6.0 vol%),由PBLG3744均聚物自组装形成的组装体的SEM图像.标尺:300 nm.(f)在不同的模拟时间,均聚物环状结构形成过程的模拟图(网络版彩图)Figure 7Formation process of the homo-PBLG toroids and theresults of the simulation 56.(a)Schematic diagram of DNA molecularchain condensation into toroids(loop-and-wind process).(be)SEMimages of the aggregates self-assembled from PBLG3744homopolymersat various water contents:(b)4.7 vol%,(c)4.9 vol%,(d)5.0 vol%,and(e)6.0 vol%.Scale bars:300 nm.(f)Simulation snapshots for theformation process of the homopolymer toroids at various simulationtimes(color online).周炜东等:聚肽胶束的超分子反应:聚合、环化及活性生长670控61,62.然而,以液晶的有序性为驱动力制备尺寸可控的棒状纳米结构还鲜有报道.具有-螺旋的PBLG是一种典型的刚性液晶聚合物,Gao等63利用聚(-苄基L-谷氨酸酯)-嵌段-聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PBLG-b-PNI-PAM)实现了种子胶束与共聚物之间的一维活性生长,并提出了液晶驱动自组装(liquid-crystallization-drivenself-assembly,LCDSA)概念.利用PBLG-b-PNIPAM嵌段共聚物制备出棒状的种子胶束,向其中加入PBLG-b-PNIPAM共聚物,共聚物首先聚集成小聚集体然后吸附在种子的两端,随着培养时间的增加,最后形成纤维状胶束(图8a,e).他们利用BD模拟揭示了生长机制,如图8b所示,随着嵌段共聚物的不断加入,新加入的嵌段共聚物首先形成小聚集体,随着模拟的进行,小聚集体逐渐融合在种子胶束的两端形成纤维状胶束(图8c)