分享一篇近期發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上的文章，題為：Triangular Nanotoroids Self-Assembled from Polypeptide Homopolymers: The Formation Route and Mechanisms。該文章的通訊作者為華東理工大學(xué)的林嘉平教授和蔡春華教授。
納米環(huán)形體常見于DNA、蛋白質(zhì)等生物大分子中，其獨(dú)特的幾何形狀和拓?fù)涮匦詫?duì)于理解生物大分子功能以及開發(fā)納米反應(yīng)器、生物成像材料等應(yīng)用具有重要意義。相較于直接自組裝，基于預(yù)成型組件的形態(tài)轉(zhuǎn)變法在構(gòu)建復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)方面展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，可通過調(diào)控中間體的演化過程來制備納米環(huán)形體。然而，天然納米環(huán)形體多為非圓形（如多邊形、“8”字形），而人工制備的體系仍以圓形為主，因此，可控制備形態(tài)均一的非圓形納米環(huán)形體仍是當(dāng)前面臨的核心挑戰(zhàn)。
多肽自組裝是制備納米環(huán)形體的重要途徑之一，通過調(diào)控分子間作用力已可實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)的可控構(gòu)建。但現(xiàn)有研究多集中于寡肽體系，對(duì)多肽納米環(huán)形體的探索相對(duì)有限，且所得拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為單一。因此，開發(fā)具有新穎形態(tài)的多肽納米環(huán)形體，是突破當(dāng)前結(jié)構(gòu)局限的一個(gè)重要研究方向。
在本文中，作者首次發(fā)現(xiàn)疏水性的γ-芐基-L-谷氨酸均聚物（PBLG）可通過三步自組裝過程形成三角形納米環(huán)形體。隨著水含量增加，體系依次經(jīng)歷納米纖維形成、纖維卷曲成圓形納米環(huán)、以及圓形環(huán)進(jìn)一步折疊為馬鞍狀、V形和最終三角形納米環(huán)形體的形態(tài)演變過程。該研究實(shí)現(xiàn)了多肽自組裝體系中首例三角形納米環(huán)形體的可控構(gòu)建。
圖1. PBLG1904自組裝形成的三角形納米環(huán)形體(a) 制備路線及PBLG分子結(jié)構(gòu)示意圖。(b) SEM圖像，插圖為冷凍SEM圖像。(c) TEM圖像，插圖為流體動(dòng)力學(xué)半徑分布。(d) AFM圖像及對(duì)應(yīng)高度剖面。(e) 邊長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)分布。(f) 內(nèi)角統(tǒng)計(jì)分布。(g) 邊長(zhǎng)與邊寬隨聚合物濃度的變化關(guān)系。比例尺：500 nm。
本研究通過溶劑調(diào)控法制備了三角形納米環(huán)形體：將PBLG????溶于二惡烷/DMF混合溶劑后，注入水使其體積分?jǐn)?shù)達(dá)23.1%（遠(yuǎn)超臨界含水量4.3%），經(jīng)穩(wěn)定透析后獲得水分散體（圖1a）。SEM/TEM圖像證實(shí)三角形結(jié)構(gòu)的形成（圖1b,c），其尺寸均勻（邊長(zhǎng)380±25 nm，邊寬85±10 nm）。冷凍SEM表明形貌為溶液相固有特征，DLS顯示流體動(dòng)力學(xué)半徑約112 nm且分布集中，共同驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的均一性。
AFM顯示三角形納米環(huán)形體的三維構(gòu)型（圖1d）：一側(cè)高度呈梯度變化（88–150 nm），另兩側(cè)等高（約88 nm）。其右手手性經(jīng)AFM/SEM共同確認(rèn)，源于PBLG分子的手性。統(tǒng)計(jì)測(cè)量表明，三角形納米環(huán)形體邊長(zhǎng)集中于300–450 nm（圖1e），內(nèi)角多為45°–75°（圖1f），符合等邊三角形特征。尺寸可通過濃度調(diào)控：濃度自0.02 g/L增至5 g/L時(shí)，邊長(zhǎng)由約270 nm增至550 nm（圖1g），邊寬同步略增。
聚合度（DP）是調(diào)控三角形納米環(huán)形體形成的關(guān)鍵因素。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其臨界DP值約為1300：低于該值生成紡錘形結(jié)構(gòu)；接近時(shí)形成環(huán)形與纖維混合物；超過該值則均可獲得尺寸形態(tài)均一的三角形納米環(huán)形體。該現(xiàn)象歸因于PBLG鏈持久長(zhǎng)度（約200 nm，對(duì)應(yīng)DP≈1300）決定的剛性轉(zhuǎn)變，超過此閾值后分子鏈呈穩(wěn)定半剛性，使自組裝形貌不再隨DP變化。
本研究通過調(diào)控含水量（4.5–50.0 vol%）探索PBLG自組裝過程。直接透析均得到三角形納米環(huán)形體，而冷凍法顯示低含水量（4.5–20.0 vol%）下存在多種過渡形態(tài)（圖2、3），其在透析中會(huì)轉(zhuǎn)化為終產(chǎn)物。證明三角形納米環(huán)形體經(jīng)由中間態(tài)演變形成，冷凍處理對(duì)捕捉該動(dòng)態(tài)過程至關(guān)重要。
圖2. PBLG1904自組裝形成圓形納米環(huán)形體的過程。（a-c)不同含水量下的SEM圖像：(a) 4.5 vol%（納米纖維），(b) 4.8 vol%（球拍狀結(jié)構(gòu)），(c) 5.7 vol%（圓形納米環(huán)形體）。插圖分別為對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的示意圖。（d-f)與a-c對(duì)應(yīng)的AFM圖像及高度剖面。（g) 納米纖維卷曲形成圓形納米環(huán)形體的示意圖。比例尺：500 nm。
圖3. PBLG1904自組裝形成三角形納米環(huán)形體的形態(tài)演變。(a-d) 不同含水量下的SEM圖像：(a) 9.1 vol%（馬鞍狀），(b) 16.7 vol%（V形），(c) 20.0 vol% 和 (d) 50.0 vol%（三角形納米環(huán)形體）。(e-h) 與a-d對(duì)應(yīng)的AFM圖像及高度剖面。(i) 從圓形納米環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槿切渭{米環(huán)的示意圖。插圖：各結(jié)構(gòu)的多角度示意圖。比例尺：500 nm。
圖2展示了含水量在4.5–5.7 vol%范圍內(nèi)PBLG自組裝形成的納米結(jié)構(gòu)。隨含水量增加，PBLG自組裝形態(tài)依次演變：4.5 vol%時(shí)形成直徑約12 nm的納米纖維（圖2a,d）；4.8 vol%時(shí)出現(xiàn)球拍狀結(jié)構(gòu)（圖2b,e）；5.7 vol%時(shí)形成圓形納米環(huán)形體（內(nèi)徑320±16 nm，外徑480±37 nm，寬度80±10 nm）（圖2c,f）。AFM高度輪廓與SEM結(jié)果一致，證實(shí)圓形納米環(huán)由球拍狀結(jié)構(gòu)環(huán)部卷曲形成（圖2g）。
隨著含水量進(jìn)一步增加，納米環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)演變（圖3）。隨含水量增加，納米環(huán)依次演變?yōu)椋?/span>9.1 vol%時(shí)形成馬鞍狀結(jié)構(gòu)（高側(cè)150 nm/低側(cè)86 nm）；16.7 vol%時(shí)轉(zhuǎn)為V形（高部200 nm/低部86 nm）；20.0 vol%時(shí)形成三角形納米環(huán)（高邊170 nm/低邊88 nm）；23.1 vol%后三角形高度略降至150 nm并保持穩(wěn)定（圖3a-h）。綜合形貌分析表明，三角形納米環(huán)經(jīng)由馬鞍狀→V形→三角形的含水誘導(dǎo)折疊路徑形成（圖3i）。由于結(jié)構(gòu)的三維特性，其SEM/AFM形貌隨觀測(cè)角度變化明顯。
本研究嘗試對(duì)該結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理進(jìn)行了解釋。疏水性多肽PBLG在有機(jī)溶劑中呈α螺旋構(gòu)象，初始狀態(tài)下分子鏈良好溶解。水的加入使溶劑極性增強(qiáng)，觸發(fā)PBLG自組裝為剛性納米纖維，其中分子鏈沿纖維長(zhǎng)軸平行排列并相互纏繞。隨著含水量進(jìn)一步增加，界面能上升引發(fā)多肽鏈?zhǔn)湛s，產(chǎn)生內(nèi)部扭曲應(yīng)力，驅(qū)動(dòng)納米纖維卷曲形成球拍狀中間體，并最終閉合為圓形納米環(huán)。
圖4. PBLG自組裝過程中的結(jié)構(gòu)表征與轉(zhuǎn)變機(jī)理。(a,b) 不同含水量下聚集體的紅外光譜。(c) 圓二色及紫外-可見光譜。(d) 廣角X射線散射（WAXS）圖譜。插圖為PBLG鏈并行排列模式示意圖（dpolymer表示鏈間距）。(e) 圓形納米環(huán)向三角形納米環(huán)轉(zhuǎn)變的機(jī)理示意圖。
含水量繼續(xù)升高促使圓形納米環(huán)向三角形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。FTIR、CD及WAXS表征表明（圖4a–d），在所有含水條件下PBLG均保持α螺旋構(gòu)象（α螺旋含量93.5%–100%），但相鄰鏈間距隨拓?fù)滢D(zhuǎn)變逐步減小（從1.39 nm降至1.32 nm）。說明在界面能驅(qū)動(dòng)下，多肽鏈堆積更緊密、扭絞加劇，內(nèi)部應(yīng)力促使圓形環(huán)通過馬鞍形、V形中間態(tài)折疊為三角形結(jié)構(gòu)（圖4e）。
在高含水環(huán)境中，PBLG界面能隨含水量的變化趨于飽和，繼續(xù)加水不會(huì)引發(fā)明顯的內(nèi)部應(yīng)力。三角形納米環(huán)憑借其顯著減小的表面積（從約3.28×10? nm2降至2.99×10? nm2），實(shí)現(xiàn)了更低的界面能，因而成為熱力學(xué)最穩(wěn)定的構(gòu)型，展現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
綜上所述，本研究首次實(shí)現(xiàn)了PBLG多肽自組裝形成三角形納米環(huán)形體，突破了傳統(tǒng)方法僅能獲得圓形結(jié)構(gòu)的限制。提出內(nèi)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的圓形-三角形拓?fù)滢D(zhuǎn)變新機(jī)制，深化了對(duì)環(huán)形體形成過程的理解，為復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建提供了新策略。該三角形納米環(huán)形體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在藥物遞送和生物界面研究等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。
作者：XJQ
DOI: 10.1002/anie.202508525
Link: https://doi.org/10.1002/anie.202508525
