生命系統(tǒng)的形成離不開自組裝的作用，自然界中的氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)和DNA等天然分子通過協(xié)作自組裝發(fā)揮著重要的生物功能。借鑒這種自下而上的組裝過程，科研工作者在生命科學(xué)和材料工程領(lǐng)域構(gòu)筑了豐富的功能結(jié)構(gòu)材料。其中，自組裝形成的球形晶體聚合物不僅具有巨大的比表面積和獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，其演化過程更是對(duì)神經(jīng)退行性疾病（如阿爾茨海默癥）的發(fā)病與診斷提供了研究模型，近年來已成為生物傳感、藥物輸送、組織工程的研究熱點(diǎn)。因此，控制球晶形態(tài)并探索球晶生長機(jī)制是增強(qiáng)材料性能和實(shí)現(xiàn)疾病治療的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)球晶的制備方法通常依賴于對(duì)前驅(qū)體飽和溶液或聚合物熔體溫度的精確調(diào)控，增加了開發(fā)不同形貌球晶和探索其自組裝機(jī)理的難度。盡管在稀溶液中自組裝形成球晶的模型近期已有報(bào)道，但該方法仍需預(yù)先制備復(fù)雜的聚合物，并通過精確控制溫度和孵育時(shí)間來控制球晶的形貌。
近日，四川大學(xué)周加境研究員與加州大學(xué)圣地亞哥分校Jesse V. Jokerst教授團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)了一種在常溫下通過小分子均聚和自組裝形成的球形晶體聚合物（rPBDT），研究了其組裝機(jī)理并證明了其用于可示蹤藥物載體的潛力，該研究成果以題為“Self-Assembled Homopolymeric Spherulites from Small Molecules in Solution”發(fā)表于國際化學(xué)頂級(jí)期刊《Journal of the American Chemical Society》（川大A-），并入選封面論文。研究以小分子1,4-苯二硫醇（Benzene-1,4-dithiol，BDT）為原料，BDT分子的巰基首先在堿性緩沖溶液中形成雙硫鍵，進(jìn)而逐步聚合形成聚合物鏈，苯環(huán)間的π-π堆積導(dǎo)致聚合物鏈組裝成超分子納米粒子（PBDT）。PBDT不僅尺寸均一（70.8 ± 8.7 nm），還可以通過種子生長法進(jìn)一步生長至450 nm。將PBDT納米粒子置于良溶劑二甲基甲酰胺（DMF）中，苯環(huán)間的π-π堆積被破壞，導(dǎo)致PBDT分散并暴露出活性巰基，從而通過雙硫鍵進(jìn)一步的逐步聚合形成分子量更大的聚合物鏈并最終結(jié)晶形成球晶（rPBDT）。該溶解和逐步聚合的過程可以在1 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)。通過監(jiān)測(cè)rPBDT的生長過程，研究發(fā)現(xiàn)rPBDT鏈?zhǔn)紫冉M裝成單個(gè)尖刺，然后多個(gè)尖刺從同一個(gè)中心生長形成束狀，最后大量尖刺從中心延伸發(fā)散，組裝形成準(zhǔn)球形的rPBDT球晶。通過改變PBDT納米粒子的濃度，可制備具有不同尖刺數(shù)量的rPBDT球晶。此外，rPBDT球晶還具有優(yōu)異的溶劑穩(wěn)定性，在四氫呋喃（THF）中多次浸泡，形貌幾乎沒有改變。研究還發(fā)現(xiàn)，rPBDT具有在球晶領(lǐng)域鮮有報(bào)道的熒光特性，其原因可能是剛性雙硫鍵和超分子結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致了聚合物鏈上的苯環(huán)旋轉(zhuǎn)受阻，進(jìn)而形成簇聚誘導(dǎo)發(fā)光（Clusterization-triggered emission，CTE）的現(xiàn)象。體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)證明rPBDT球晶具有優(yōu)良的生物相容性，表明其作為可示蹤藥物載體的巨大潛力。圍繞rPBDT球晶自組裝機(jī)理的研究證明了共價(jià)鍵在球晶形成過程中的重要作用，這也是以往研究工作中容易忽視的一個(gè)方面。
該文通訊作者為我院周加境研究員以及加州大學(xué)圣地亞哥分校Jesse V. Jokerst教授，第一作者為四川大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院科研助理宋欠濤。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心黃艷萍實(shí)驗(yàn)師對(duì)本工作提供了大力支持。該研究進(jìn)一步推動(dòng)了我院在小分子自組裝領(lǐng)域的發(fā)展，并為可示蹤藥物載體的研究提供了新思路。
該研究工作得到了中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金與皮革化學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川大學(xué)）開放課題基金的資助。
文獻(xiàn)鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.3c08356
