近年來(lái)，近紅外（NIR）光催化因其優(yōu)異的時(shí)空控制能力、深組織穿透性和生物相容性，在合成化學(xué)、生物材料制備和生物醫(yī)學(xué)工程中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，NIR光子能量低導(dǎo)致自由基生成效率不足，難以合成超高分子量（UHMW）聚合物，且傳統(tǒng)方法需使用高濃度催化劑（ppm至mM級(jí)別），限制了其實(shí)際應(yīng)用。酶級(jí)聯(lián)催化和光酶催化雖有所進(jìn)展，但仍存在空間分離導(dǎo)致的效率低下或依賴短波長(zhǎng)光源等問(wèn)題，制約了其進(jìn)一步發(fā)展。

為解決上述挑戰(zhàn)，吉林大學(xué)安澤勝教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型超分子近紅外光酶（SNIRPE）系統(tǒng)，該系統(tǒng)由葡萄糖氧化酶（GOx）和四磺酸鋅酞菁（ZnPcS??）通過(guò)非共價(jià)作用自組裝而成，實(shí)現(xiàn)了酶催化脫氧與光催化產(chǎn)自由基的高效協(xié)同。在NIR光照下，GOx生成的H?O?被ZnPcS??原位分解產(chǎn)生羥基自由基（·OH），從而在僅50 ppb的極低催化劑負(fù)載下，實(shí)現(xiàn)了氧耐受、高通量的可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）聚合，成功合成了分子量超過(guò)1000 kg mol?1、分散度低于1.20的超高分子量聚合物，其催化效率比傳統(tǒng)NIR光催化系統(tǒng)提高了3–4個(gè)數(shù)量級(jí)。相關(guān)論文以“Near-Infrared Photoenzymatic Catalysis at ppb Levels Enables Ultrahigh-Molecular-Weight Polymers”為題，發(fā)表在JACS上，論文第一作者為L(zhǎng)i Ruoyu。

研究人員通過(guò)光譜和計(jì)算模擬系統(tǒng)表征了SNIRPE的自組裝行為。熒光實(shí)驗(yàn)表明，ZnPcS??在高濃度下發(fā)生聚集導(dǎo)致熒光猝滅，而加入GOx后可使其解聚并恢復(fù)熒光，表明蛋白質(zhì)介導(dǎo)的分散作用。進(jìn)一步的時(shí)間分辨熒光和靜態(tài)猝滅分析證實(shí)了GOx與ZnPcS??之間形成1:1復(fù)合物，結(jié)合常數(shù)高達(dá)5.62×10? M?1。分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了其結(jié)合過(guò)程分為快速分離、隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定結(jié)合三個(gè)階段，關(guān)鍵氨基酸殘基（如Arg93、Arg333、Tyr66等）通過(guò)靜電、氫鍵和配位作用將ZnPcS??定位于GOx空腔入口，實(shí)現(xiàn)了空間受限的級(jí)聯(lián)催化。

圖1. 可控自由基聚合催化策略的比較分析 （a）傳統(tǒng)NIR光催化需高催化劑負(fù)載且通常得到低分子量聚合物；（b）酶級(jí)聯(lián)催化因催化劑空間分離缺乏協(xié)同效應(yīng)；（c）光酶系統(tǒng)使用短波長(zhǎng)光，降低生物相容性；（d）SNIRPE將GOx與ZnPcS??整合于空間受限組裝體中，實(shí)現(xiàn)超低催化劑負(fù)載下的氧耐受UHMW聚合物合成。（i）ZnPcS??（綠色）與GOx（PDB: 1GAL）結(jié)合的結(jié)構(gòu)模型；（ii）催化路徑：GOx消耗O?生成H?O?，ZnPcS??在NIR光照下分解H?O?產(chǎn)生羥基自由基。

圖2. SNIRPE組裝表征 （a）ZnPcS??在680 nm處的熒光強(qiáng)度隨濃度變化，高濃度下發(fā)生聚集誘導(dǎo)猝滅；（b）逐步加入GOx后ZnPcS??熒光恢復(fù)，表明蛋白質(zhì)介導(dǎo)的解聚集；（c）熒光成像顯示ZnPcS??與GOx結(jié)合后發(fā)射增強(qiáng)；（d）GOx熒光壽命在ZnPcS??存在下降低，證實(shí)能量轉(zhuǎn)移；（e）ZnPcS??對(duì)GOx熒光的靜態(tài)猝滅，表明基態(tài)復(fù)合物形成；（f）Stern-Volmer分析得出結(jié)合常數(shù)為5.62×10? M?1，結(jié)合化學(xué)計(jì)量比為1:1。 

圖3. 結(jié)合動(dòng)力學(xué)與超分子相互作用 （a）ZnPcS??的RMSD隨時(shí)間變化及Zn-N距離動(dòng)態(tài)；（b）二維PMF圖譜顯示結(jié)合過(guò)程中的能量狀態(tài)；（c）IGMH分析揭示ZnPcS??與GOx殘基間的關(guān)鍵非共價(jià)相互作用；（d）ZnPcS??定位于GOx空腔入口的結(jié)構(gòu)模型，由精氨酸和酪氨酸殘基穩(wěn)定。 

在催化機(jī)制方面，研究人員發(fā)現(xiàn)GOx介導(dǎo)的脫氧過(guò)程優(yōu)先于ZnPcS??的光敏化產(chǎn)生活性氧，確保了H?O?的高效生成。使用熒光探針驗(yàn)證了只有在完整的SNIRPE系統(tǒng)（GOx/葡萄糖/ZnPcS??/NIR）中才能檢測(cè)到·OH的生成，進(jìn)一步證實(shí)了級(jí)聯(lián)反應(yīng)路徑：GOx消耗O?生成H?O?，ZnPcS??在NIR光照下分解H?O?產(chǎn)生·OH，為可控聚合提供穩(wěn)定的自由基源。

圖4. SNIRPE催化機(jī)制 （a）ZnPcS??驅(qū)動(dòng)光敏化與GOx介導(dǎo)脫氧之間的競(jìng)爭(zhēng)性O(shè)?消耗路徑；（b）ADPA氧化檢測(cè)單線態(tài)氧生成，顯示GOx脫氧占主導(dǎo)；（c）GOx活性測(cè)定表明SNIRPE運(yùn)作中幾乎不產(chǎn)生單線態(tài)氧；（d）CCA熒光監(jiān)測(cè)證實(shí)·OH僅在全系統(tǒng)條件下生成。

在聚合應(yīng)用中，SNIRPE系統(tǒng)展現(xiàn)出優(yōu)異的控制能力和通用性。在微孔板中進(jìn)行的高通量RAFT聚合中，多種單體（如DMA、NAM、PEGA等）均能獲得分子量分布窄（? ≤ 1.16）、轉(zhuǎn)化率高（≥82%）的聚合物。通過(guò)降低光照強(qiáng)度至30 mW cm?2，系統(tǒng)成功合成了UHMW聚合物（如Mn = 1070 kg mol?1，? = 1.34），且分子量與理論值高度吻合。系統(tǒng)還支持多種鏈轉(zhuǎn)移劑（CTA）和聚合物架構(gòu)，如線性、星形、統(tǒng)計(jì)共聚物以及通過(guò)無(wú)皂乳液聚合得到的嵌段共聚物，展現(xiàn)了其在復(fù)雜聚合物合成中的潛力。

圖5. SNIRPE催化合成UHMW聚合物 （a）以DMA為模型單體的SNIRPE-RAFT聚合示意圖；（b）不同光強(qiáng)下UHMW PDMA合成動(dòng)力學(xué)；（c）分子量與分散度隨轉(zhuǎn)化率變化；（d）30 mW cm?2下不同時(shí)間GPC曲線；（e）使用不同CTA合成的線性UHMW聚合物；（f）星形UHMW聚合物；（g）統(tǒng)計(jì)共聚物；（h）乳液聚合得到的嵌段共聚物；（i）100 mL規(guī)模放大合成。

更令人印象深刻的是，該系統(tǒng)具備良好的穿透性和生物相容性。在透過(guò)5 mm厚豬皮組織的NIR光照下，仍能高效引發(fā)聚合，獲得分子量為1400 kg mol?1、分散度為1.29的UHMW聚合物，顯著優(yōu)于紅光和黃光條件，顯示出在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具備非侵入式合成的潛力。

圖6. 透過(guò)豬皮的光聚合 （a）NIR光透過(guò)豬皮進(jìn)行聚合示意圖；（b）不同光源穿透豬皮后的剩余光強(qiáng)；（c）不同光源下單體轉(zhuǎn)化率對(duì)比；（d）目標(biāo)DP=20,000時(shí)所得PDMA的GPC曲線。 

機(jī)制研究表明，GOx能快速消耗溶解氧并維持低氧環(huán)境，H?O?在系統(tǒng)中緩慢積累并維持在較低濃度（<2.1 mM），而外源添加H?O?即使?jié)舛雀哌_(dá)210 mM仍無(wú)法有效推動(dòng)聚合，凸顯了原位生成H?O?的高效性。此外，催化劑負(fù)載量可低至50 ppb仍能合成UHMW聚合物，進(jìn)一步證明了SNIRPE系統(tǒng)的卓越催化效率。

圖7. SNIRPE催化性能優(yōu)勢(shì) （a）微孔板反應(yīng)中·OH生成示意圖；（b）溶解氧與頂空氧濃度隨時(shí)間變化；（c）H?O?積累動(dòng)力學(xué)；（d）SNIRPE與外加H?O?系統(tǒng)的聚合效率對(duì)比；（e）GOx對(duì)外加H?O?系統(tǒng)聚合的抑制效應(yīng)；（f）不同ZnPcS??濃度下的單體轉(zhuǎn)化率；（g）20 ppb與50 ppb催化劑下所得PDMA的GPC曲線。

綜上所述，SNIRPE系統(tǒng)通過(guò)將酶催化與光催化巧妙結(jié)合，在極低催化劑用量下實(shí)現(xiàn)了對(duì)UHMW聚合物的精準(zhǔn)合成，解決了NIR光控聚合中長(zhǎng)期存在的效率低和分子量受限的難題。該系統(tǒng)不僅具備良好的可擴(kuò)展性和架構(gòu)控制能力，還能穿透生物組織進(jìn)行聚合，為生物醫(yī)學(xué)材料合成、組織工程和遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用提供了新的技術(shù)路徑。未來(lái)，這一非共價(jià)設(shè)計(jì)的超分子光酶平臺(tái)還有望拓展至更多酶-光敏劑組合，推動(dòng)協(xié)同催化在合成化學(xué)與生物醫(yī)學(xué)中的深度融合。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿