同济大学杜建忠课题组 Chin. J. Chem.封面：高分子囊泡 - 从大分子自组装到粒子自组装

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高分子囊泡是通过大分子自组装技术构筑的一类空心纳米材料，具有“空腔-内冠-膜层-外冠”结构，可同时负载亲水与疏水药物，在药物控释、基因递送、抗菌、癌症诊疗、血糖调控等生物医学领域具有广泛的应用前景。
同济大学杜建忠教授课题组长期致力于生物医用高分子囊泡的设计与合成，从利用传统的大分子自组装方法构建球形囊泡，到开发新的粒子自组装方法构建高级结构囊泡，他们的一系列原创研究成果为推动生物医用高分子囊泡的发展做出了重要贡献（ACS Nano 2014, 8, 6644; Macromolecules 2015, 48, 739; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 7640; Nano Lett. 2018, 18, 5562; ACS Nano 2019, 13, 13645; ACS Macro Lett. 2019, 8, 1216; Macromolecules 2020, 53, 3978; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 6569; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007330; Macromolecules 2021, 54, 7603; ACS Macro Lett. 2021, 10, 1015; Chem. Mater. 2021, 33, 7972; ACS Nano 2021, 15, 9027; Nano Lett. 2021, 21, 7998）。传统的高分子囊泡因其均相膜、对称冠以及膜冠分离的结构，在生物医用过程中面临种种挑战。杜建忠教授课题组突破了传统的囊泡结构，开发了非均相膜、非对称冠及膜冠融合高分子囊泡（图1）。这些非均相膜囊泡可实现生物大分子的跨膜运输，并有利于在囊泡膜上集成多种功能，大大提高了生物医用囊泡的通用性（ACS Nano 2014, 8, 6644; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 7640; Nano Lett. 2018, 18, 5562; Mater. Horiz. 2019, 6, 2047; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007330）；非对称冠囊泡可以满足癌症诊疗中对内冠诊断、外冠靶向的差异化需求，为实现纳米材料的“诊疗一体化”提供了新思路（Macromolecules 2015, 48, 739; Macromolecules 2021, 54, 7603）；膜冠融合囊泡有利于实现膜冠协同抗菌，显著提高了纳米材料的抗菌性能（Biomacromolecules 2017, 18, 4154; ACS Nano 2019, 13, 13645）。以上三种新结构囊泡的开发，推动了高分子囊泡向临床应用的方向发展。图1  高分子囊泡的传统结构与新型结构对比示意图此外，高分子囊泡通常由聚合物在稀溶液中自组装而成，固含量低（< 1%），难以量产。聚合诱导自组装技术（Polymerization-Induced Self-Assembly, PISA）集聚合与组装过程于一体，可宏量制备纳米粒子（固含量可达5-50%）。但是，由于利用传统的PISA技术所制备的纳米粒子往往不具有生物降解性，因此如何利用PISA制备可生物降解的纳米粒子是一个亟待解决的问题。杜建忠教授课题组围绕该问题开展研究，首次提出了氨基酸-N-羧基-环内酸酐开环聚合诱导自组装(NCA-PISA)方法（ACS Macro Lett. 2019, 8, 1216），使用PEG-NH₂作为引发剂，在四氢呋喃中引发L-苯丙氨酸-N-羧基-环内酸酐单体(L-Phe NCA)的聚合诱导自组装，原位制备了可生物降解的高分子囊泡等纳米粒子（图2），为利用PISA宏量制备可生物降解的纳米粒子开辟了新思路。图2  通过NCA-PISA宏量制备生物可降解高分子囊泡
目前，如何构建高级囊泡具有很大的挑战性。针对该问题，杜建忠教授课题组提出了“融合诱导粒子自组装”（Fusion-Induced Particle Assembly, FIPA）的新策略，构建了四臂囊泡（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 6569）。该四臂囊泡的成功构建源于对分子结构的精确设计以及囊泡膜张力的调节。首先，聚合物自组装为球形囊泡，随后以囊泡为构筑单元进行粒子自组装。在粒子间的融合过程中，膜张力得以释放，因此膜张力的调节在FIPA过程中起着关键作用。另外，在融合时刚性链段起“促融”作用（pro-fusion），而柔性链段则起“抗融”作用（anti-fusion），两种作用相互制衡，就形成了美轮美奂的四臂囊泡。2021年，他们进一步运用FIPA策略制备了一种具有晶格膜的巨型囊泡（ACS Macro Lett. 2021, 10, 1015）。在疏水效应及π–π堆积作用下，相邻小囊泡间通过相互吸引与可控融合释放膜张力，最终形成了这种具有晶格膜的巨型囊泡。2022年，他们又进一步在FIPA的基础上首次提出了结晶驱动融合诱导粒子自组装（CD-FIPA）新方法，通过粒子融合过程中的非晶-晶态转变过程，实现了棒状胶束的活性横向生长及对其直径的精准调控（Nat. Commun. 2022, 13, 2170）。以上研究工作为精确构筑高级结构纳米材料提供了新思路。
图3  通过FIPA构建四臂囊泡

上述研究成果作为封面文章以Chemistry Author Up Close发表于Chin. J. Chem. 2022, 40, 1842—1855. DOI: 10.1002/cjoc.202200182。该系列工作得到了国家杰出青年科学基金等资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cjoc.202200182

来源：中国化学Chin J Chem

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