复旦大学闫强教授团队《JACS》：“活的”自组装系统——气体驱动的可变形聚合物

大家小时候肯定都玩过泡泡，吹一口气，泡泡应势变换形状，若是气泡膜组分流动来不及恢复原状，就会破裂。可见，泡状结构最引人注目的特征之一是其动态变形以适应环境变化，但变形后的结构极不稳定，而以动态和多样化的方式塑造水泡形态是细胞模仿的一个富有挑战性的课题。

复旦大学闫强教授课题组受动态共价化学的启发，设计了一组双位点的受阻路易斯酸碱对(FLP)单体，即互补的受阻路易斯的酸性和碱性基团被不同长度的烷基链分开（BPn, n = 6,8和10），这样BPn具有双活性末端，通过CO2-FLP动态共价键连接(称为poly BP-I，-II，-III)可以组织成聚合物囊泡系统。当添加其他FLP结合气体时，可在聚合物膜上原位发生气体复分解，这将为膜的重构和囊泡变形提供持续的动力。更重要的是，不同的气体可以引导不同的变形运动，如通过膜纵向伸长形成管状小泡；通过膜向内凹形成口形细胞和通过膜向外突出形成纤维。相关工作以“Reshaping Membrane Polymorphism of Polymer Vesicles through Dynamic Gas Exchange”发表在《Journal of the American Chemical Society》。

【CO2连接的动态聚合物】

FLP单体是否可以与CO2气体动态聚合？BP6暴露在CO2中30 min后出现乳白色的粘性溶液以及凝胶渗透色谱均说明CO2可以与FLP单体结合。同时，在CO2处理前后，NMR的31P信号和11B信号的位移表明CO2位于磷和硼中心之间形成了P-CO2-B桥键的结构。此外，MALDI-TOF质谱技术结果显示着这两个分子满足绝对交叉繁殖以形成CO2-FLP交替共聚物且链结构是动态的，即在70℃以上CO2释放的情况下，Poly BP-I可以完全解离成FLP单体，而CO2的再引入可以重建聚合物。这种可逆的解聚-聚合过程指出了气桥的动态性质，预示了键交换的可能性。

图1 CO2处理前后31P和11B NMR研究和poly BP-I的MALDI-TOF质谱图

【CO2–FLP自组装聚合物体的结构】

Poly BP-I能在0.2 mM二氯甲烷溶液中自发形成膜封闭结构，形成具有中空腔的囊泡，壁厚为5.6 nm，接近两个由CO2连接的BP6的长度，这提示囊泡包含两个相互渗透的层，每一层都是折叠链的方式，其中疏溶剂FLPs作为核心，而亲溶剂烷基段折叠成环作为内部和外部的圈。在相同的条件下，poly BP-II和-III也可以形成水泡状聚集物，但大小不同。

图2 囊泡的TEM图像、颗粒尺寸直方图、cryo-TEM图像和poly BP-I小泡的DLS图

【CO2连接聚合体的气体驱动变形】

在没有外界刺激的情况下，Poly BP-I囊泡稳定并保持形状，但如果将其他气体引入系统，它们会以不同的方式发生意想不到的形状突变。（1）N2O处理后，出现一种管状纳米物体（空心柱），该管状囊泡的末端是封闭的，就好像是通过沿着1D方向高度拉伸聚合体而获得的；（2）在SO2处理的情况下，它由球体变形成口形细胞，即一个凹泡，带有狭窄的开口颈和一个内袋，该气孔细胞是由膜内压形成的，存在弯曲的双片层结构。（3）C2H4气体的应用倾向于产生长纳米纤维（固体圆柱）而不是膜外壳。

图3 不同气体处理条件下的(a, c, e) TEM图像和(b, d, f) cryo-TEM图像和SAXS结果

【囊泡的气体剂量依赖性形状演变】

不同气体如何影响不同的变形过程呢？研究人员通过观察随着囊泡在N2O暴露时间延长的变形过程发现，囊泡聚合物体到管状聚合物体的转变是N2O驱动膜轴向拉伸运动的结果。有趣的是，当研究人员将气体转化为SO2时，囊泡首先发生局部膜内陷，形成凹实体，然后凹陷区加深并包住内腔，最终形成口体结构，这让人联想到细胞膜的内吞作用。然而，如果囊泡在不断增加的C2H4的刺激下，会经历水母状的纳米物体到章鱼状形态，并最终形成缠结的纳米纤维的变形过程，整个过程类似于从蠕虫状胶束到囊泡的逆向进化，一个可能的原因是这种转换涉及分子重排和膜裂变。

图4 不同气体条件下CO2桥接聚合物的变形过程的透射电镜图像和示意图

【气相连接聚合体的变形机理】

气体在重塑聚合体形成多种形态中起着至关重要的作用，研究人员通过气相31P NMR证实了在气桥部位发生了复分解反应并通过核磁共振积分说明气体置换能力的顺序为SO2> N2O > C2H4。

为什么气体连接的微小结构差异能够指导不同的形状转变？众所周知，聚合物自组装的膜曲率由其链填料的几何形状决定。通过DFT分子模拟，以CO2连接的聚合物体的整体分子几何结构类似于柱状物体，易于产生如管或片的低曲率的聚集物。N2O键具有较高的极性，增加了芯层的疏溶剂性，为了抵消芯与溶剂间界面能的升高，链式填料应更紧凑，并采用零曲率管状结构，因此，这两种效应协同促进囊泡膜的管状扩展。相反，对于C2H4，由于两个C(sp3) -C (sp3)亚甲基的自由旋转，其桥接结构(P-CH2-CH2-B)的长度比CO2连接链短得多，这将导致装配曲率的反向增加，更易形成纤维与楔状结构。最有趣的情况是SO2键具有很高的极性，大大提高了核心的疏溶剂效应，当膜中的CO2连接剂被SO2取代时，膜对溶剂的渗透性变弱，因此，囊泡膜的整体渗透压不平衡将引发膜弯曲。

图5 通过气桥交换形成多态囊泡变形的机制:(a) N2O驱动的膜拉伸运动，(b) SO2驱动的膜弯曲运动，(c) C2H4驱动的膜突出

【小结】

控制膜曲率的动态塑性和囊泡形态的各向异性变形是构建“活的”自组装系统的关键。在本研究中，闫强课题组成员 道了一种气体驱动的可变形聚合物体，并进一步提出利用原位气体复分解原理来重塑膜多态性。这种动态气体交换机制是通过聚合物气相连接位点的细微结构变化，可以在聚合物体中调控大的、自适应的形态转变。此外，通过调整气体分子的浓度、化学成分和组合，可以以不同的方式调整囊泡的变形行为和最终的几何形状，这将为膜封闭结构的仿生变形提供一种很有前途的方法。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07838