南京大学武伟教授、蒋锡群教授课题组揭示蠕虫状和球状单分子聚合物纳米材料的生物学异同

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近期，南京大学武伟教授、蒋锡群教授课题组合成了体积和化学结构几乎相同的蠕虫状和球状单分子聚合物纳米材料，揭示了几何形状对纳米材料生物性能的影响规律。相关成果以“Shape Effects of Cylindrical versus Spherical Unimolecular Polymer Nanomaterials on in Vitro and in Vivo Behaviors”发表在Research上（DOI：10.34133/2019/2391486)。该工作得到了科技部变革性技术重点专项、纳米技术重点专项以及国家自然科学基金等项目的支持。

几何形状是影响纳米材料生物性能的重要因素之一，由于纳米材料的几何形状非常难以控制，研究形状对纳米材料生物性能的影响规律是长期以来的一个难点。在研究形状效应时，为摒除其他因素的干扰，要确保形状是唯一的变量，这对于纳米材料的制备是一个极大的挑战。因此目前人们对于在体积和化学结构相同的情况下，纳米材料的形状如何影响其生物性能知之甚少。

近期南京大学武伟教授、蒋锡群教授课题组充分利用活性自由基聚合良好的可控性和点击化学的高效率，通过对分子量和化学结构的精准控制，合成了体积和化学结构几乎相同的蠕虫状和球状单分子聚合物纳米材料，分别命名为CPBs和SPNPs。其中蠕虫状的CPBs是以叠氮修饰的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯为主链，PEG为侧链的刷形聚合物，其长度约为203 nm，直径约为17 nm（图1（a)）。球形的SPNPs可以看成由以β-环糊精为核的21个刷形聚合物组成，其在干燥状态下的直径可达45 nm，通过对分子量的精准控制，可使其具有与CPBs相同的体积（图1（b））。

图1 CPBs (a)和SPNPs (b)的原子力显微镜照片

凝胶渗透色谱测试结果显示CPBs和SPNPs均具有非常窄的尺寸分布，它们的多分散系数（PDI）分别为1.13和1.11（图2），充分体现了该合成策略的精准可控性。而且两种材料均具有良好的水溶性，外围含有众多的氨基，可以用来对其进行功能化修饰。

图2 CPBs和SPNPs的GPC谱图

这项研究系统地分析了CPBs和SPNPs的体内和体外生物性能，实验结果证实：与球状SPNPs相比，同体积的蠕虫状CPBs具有更高的细胞摄取、更易于被巨噬细胞吞噬、更高的组织渗透能力和更快的体内清除速率（图3）；而球状PSNPs则具有更长的血液循环时间、更易于从肿瘤血管溢出（图4）以及更高的肿瘤富集（图3）。

图3  静脉注射18F标记的蠕虫状CPBs和球状SPNPs后不同时间点荷瘤小鼠的3D microPET照片

图4 静脉注射罗丹明标记的蠕虫状CPBs（a）和球状SPNPs（b）后不同时间点荷瘤小鼠肿瘤局部的活体共聚焦成像

该工作准确地揭示了纳米材料的形状对其生物性能的影响规律，对生物医用纳米材料的设计具有重要的指导意义。另外，该工作也提供了一种蠕虫状和球状单分子纳米材料的精准合成策略，利用该策略所合成的这两类纳米材料均可覆盖较宽的尺寸范围，比如蠕虫状单分子纳米材料的长度可以在几十纳米到微米级之间精确调控，而球状单分子纳米材料的直径则可以在几纳米到几十纳米之间精确调控，因此该工作可能会推动可精准合成的高分子纳米材料的快速发展。

论文链接：

https://spj.sciencemag.org/research/2019/2391486/

来源：Research科学研究

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