一、研究背景

作為受自然啟發(fā)的膜基結(jié)構(gòu)之一，近年來(lái)，隨著可控聚合物合成的新進(jìn)展，聚合物體獲得了很多關(guān)注。它們?cè)鰪?qiáng)了膜的剛度，在膜的靈活性和化學(xué)設(shè)計(jì)及其性能方面具有多功能性，這使它們?cè)谖?納米反應(yīng)器、藥物遞送、細(xì)胞模擬等領(lǐng)域成為有前途的工具。然而，與無(wú)機(jī)納米顆粒合成不同的是，在無(wú)機(jī)納米顆粒合成中可以常規(guī)地生產(chǎn)非球形納米顆粒，而從聚合物體中獲得的稀少的形狀限制了其全部潛力。在納米醫(yī)學(xué)中，納米載體的形狀被認(rèn)為是控制其體內(nèi)性能的一個(gè)新參數(shù)，與聚合物特性、顆粒大小和表面化學(xué)一樣關(guān)鍵。此外，為闡明非球形生物膜形狀形成的潛在機(jī)制，成功的細(xì)胞模擬也需要對(duì)聚合物體的形狀進(jìn)行更多控制。形狀控制方法有望產(chǎn)生具有不同形態(tài)的聚合物體，并在雙層膜上進(jìn)行形狀轉(zhuǎn)換，這在不同領(lǐng)域的科學(xué)家中尚屬首次，但也值得期待。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，在過(guò)去的幾十年里，已經(jīng)應(yīng)用了若干策略。通過(guò)透析、加鹽和添加聚乙二醇對(duì)聚合物體膜施加滲透壓，研究人員能夠形成口形細(xì)胞（弓形聚合物體）、管和口形細(xì)胞中的口形細(xì)胞等。另一種策略是將液晶（LC）側(cè)鏈引入嵌段式共聚物，并基于組裝在聚合物外殼內(nèi)的二維LC晶格的限制，誘導(dǎo)形狀轉(zhuǎn)化?；谶@一策略，Li等人和Thordarson等人能夠制造出橢球狀聚合物體、切面型聚合物體和四面體聚合物體。相比之下，已經(jīng)觀察到脂質(zhì)體形成了更多不同的形態(tài)，不僅來(lái)自于對(duì)環(huán)境變化的反應(yīng)，如滲透壓和溫度，也來(lái)自于生物膜激發(fā)的蛋白質(zhì)相互作用。膜蛋白在與生物膜相互作用時(shí)可以誘發(fā)細(xì)胞的形狀轉(zhuǎn)變，為了模仿這種形狀轉(zhuǎn)變，他們小組最近開發(fā)了一種策略，其中聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）被用作具有疏水單元的蛋白質(zhì)插入聚合物體膜的替代品。該研究證明，膜插入是一種成功的基于聚合物的形狀轉(zhuǎn)化策略。一些基于聚合物體的非軸對(duì)稱形狀被制造出來(lái)，如具有觸角、回旋鏢狀、球拍狀等形狀的聚合物體。PNIPAm在此過(guò)程中通過(guò)鏈間聚集形成顆粒，這與蛋白質(zhì)的聚集、表面活性劑在臨界膠束濃度以上的自組裝或任何其他兩親性物質(zhì)類似。這種聚集可能導(dǎo)致不同的膜相互作用，并導(dǎo)致不同的曲率。在自然界中，離子作為內(nèi)源性的小分子在各種生物功能中發(fā)揮著特定的作用。例如，人們發(fā)現(xiàn)離子的相互作用會(huì)影響蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，從而進(jìn)一步影響其生理信號(hào)功能。利用鹽離子研究膜蛋白的控制和膜的轉(zhuǎn)化，對(duì)更好地了解自然界的膜是有意義的。有趣的是，離子也能改變PNIPAm等聚合物的特性。當(dāng)與溶液中加入的離子相互作用時(shí)，PNIPAm的低臨界溶液溫度（LCST）可以降低。此外，離子還可以對(duì)聚合物膜提供額外的滲透壓力，導(dǎo)致體積的輕微減少，從而導(dǎo)致不同的形狀轉(zhuǎn)變。

二、研究成果

在這項(xiàng)研究中，荷蘭拉德布大學(xué)Daniela A. Wilson研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于膜插入策略的方法來(lái)進(jìn)一步探索聚合囊泡的形態(tài)發(fā)生。同時(shí)，也闡明了鹽離子在聚合物顆粒形態(tài)轉(zhuǎn)變中的重要性。PNIPAm被用作聚合物膜插入中的疏水基序，并在體系中加入鹽離子以調(diào)整PNIPAm的特性及其插入行為。這種策略使聚合體變成了多臂海星，其臂數(shù)取決于鹽的濃度。研究了多臂形成背后的機(jī)制，PNIPAm的插入用負(fù)染色法和TEM-能量色散X射線圖譜分析進(jìn)行了可視化。此外，在增加膜彈性的同時(shí)，還觀察到了章魚狀的形狀。這些結(jié)果可以提供證據(jù)支持鹽離子在聚合物膜中彎曲形成的作用，并了解鹽離子和膜蛋白發(fā)揮關(guān)鍵作用的自然過(guò)程。同時(shí)，觀察到的形狀可能是設(shè)計(jì)刺激響應(yīng)性納米電機(jī)的良好候選。相關(guān)研究工作以“Morphogenesis of starfifish polymersomes”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Communications》上。祝賀！

三、圖文速遞

他們小組以前進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，插入膜中的外部疏水聚合物可以誘導(dǎo)局部膜彎曲，體積縮小也是形狀轉(zhuǎn)變的一個(gè)重要因素。在彎曲形成過(guò)程中，鹽離子的加入可能會(huì)導(dǎo)致由于聚合物膜所經(jīng)歷的額外滲透壓而產(chǎn)生體積縮小的形狀。在自然界中，這些鹽離子在操縱生物膜蛋白方面起著至關(guān)重要的作用。這種離子相互作用是否會(huì)發(fā)生在膜蛋白模擬聚合物PNIPAm上引起了他們的興趣。為了探索對(duì)形狀轉(zhuǎn)化的潛在影響，他們首先研究了鹽離子誘導(dǎo)的體積縮小，將不同量的NaNO3，從1到60 mM，引入到聚合物組溶液中。為了使膜具有進(jìn)一步改變形狀的靈活性，通過(guò)緩慢添加有機(jī)溶劑四氫呋喃（THF）和二惡烷（4:1）到溶液中，因?yàn)樗鼈儗?duì)聚苯乙烯有塑化作用。在加入23%的有機(jī)溶劑（四氫呋喃和二惡烷）后，對(duì)樣品進(jìn)行淬火，并使用電子顯微鏡（EM）進(jìn)行分析，如圖1a1-e1所描述。在沒有鹽離子的情況下，聚合體可以轉(zhuǎn)化為扁平的盤狀（圖1a1，a2，g）。加入鹽離子后，由于內(nèi)部體積的額外減少，進(jìn)一步推動(dòng)了形狀向半開放的口形細(xì)胞樣聚合體轉(zhuǎn)化（圖1h）。這種減少?gòu)腅M圖像中兩個(gè)雙分子層之間的距離減少可以看出。此外，沒有觀察到其他非軸對(duì)稱的形狀，表明鹽的添加可能不會(huì)在膜組成的變化中起作用。為了定量描述體積的減少，用基于傅里葉級(jí)數(shù)的參數(shù)化來(lái)擬合通過(guò)低溫TEM獲得的所有半開的口形細(xì)胞（圖1a2-e2）。

?為了研究鹽和PNIPAm之間可能的相互作用，他們首先通過(guò)使用紫外-可見光譜測(cè)量不同濃度的NaNO3（0-60?mM）的PNIPAm水溶液中加入23%體積分?jǐn)?shù)的助溶劑（VFC）時(shí)的溶液透射率來(lái)評(píng)估PNIPAm的構(gòu)象變化（圖2a, b）。當(dāng)鹽濃度從0mM增加到15?mM時(shí)，PNIPAm的LCST下降。然而，當(dāng)更多的NaNO3被添加到體系中時(shí)，LCST略有回升。另一個(gè)有趣的觀察是，在23%的VFC時(shí)，與PNIPAm的特定離子相互作用顯示出超過(guò)LCST的疏水性變化。這意味著即使在低溫下，PNIPAm也有輕微的疏水性，從圖2a中透射率的下降可以看出。

總的來(lái)說(shuō)，共非溶劑現(xiàn)象是PNIPAm的LCST變化的主要驅(qū)動(dòng)力，鹽離子在共非溶劑現(xiàn)象的基礎(chǔ)上影響LCST。這種鹽對(duì)微觀層面上的LCST的影響也已經(jīng)用動(dòng)態(tài)光散射法進(jìn)行了研究。如前所述，當(dāng)在PNIPAm的水溶液中加入23%的有機(jī)溶劑（THF和二惡烷）時(shí)，PNIPAm會(huì)聚集成納米級(jí)的顆粒。然而，顆粒隨著溶液中加入不同數(shù)量的鹽離子而變化（圖2c）。例如，當(dāng)加入15?mM的NaNO3時(shí)，PNIPAm顆粒的大小從100?nm膨脹到600?nm，PDI從0.1增加到0.7。相反，當(dāng)加入3?mM的鹽時(shí)，散射強(qiáng)度增加，然后當(dāng)加入更多的鹽時(shí)，散射強(qiáng)度進(jìn)一步下降，表明顆粒通過(guò)加鹽而膨脹和分解。此外，當(dāng)鹽的濃度增加到30和60?mM時(shí)，用DLS檢查的這些樣品的尺寸和光散射強(qiáng)度沒有明顯變化，表明沒有顆粒形成。盡管UV-Vis實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了PNIPAm的疏水性，但DLS結(jié)果顯示，由于鹽離子的結(jié)合，PNIPAm鏈保持分離，同時(shí)也變得疏水性強(qiáng)（圖2e）。這有利于PNIPAm插入聚合物膜中。

?為了觀察PNIPAm插入聚合物體膜的情況，在用TEM檢查之前，采用了陰性染色法，因?yàn)镻NIPAm不染色就不可見。為了提高圖像的對(duì)比度，他們選擇了重金屬Cu2+與PNIPAm的酰胺基配位，在檢查前形成CuO晶體（稱為黑色固體）。這里，用鹽離子添加法觀察到的聚合體在除去游離的PNIPAm后用CuSO4染色。然后用TEM檢查銅離子復(fù)合物的存在。如圖4a，b所示，沿膜觀察到黑色晶點(diǎn)，表明PNIPAm在這些扁平聚合體的整個(gè)周邊插入了幾個(gè)臂。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，四個(gè)元素（O、Cu、C、N）被映射出來(lái)。首先，如圖4c所示，拍攝所選顆粒的TEM照片。用CuSO4對(duì)一個(gè)有多個(gè)突起的聚合體進(jìn)行染色，結(jié)果在突起的地方積累了一些黑點(diǎn)。隨后，對(duì)樣品的薄層橫截面進(jìn)行了分析，并收集了幾種元素的X射線發(fā)射。該光譜顯示了C、N、O、Cu和Ni的存在（來(lái)自網(wǎng)格）。為了直觀地看到每種元素在聚合物體上的分布，應(yīng)用了繪圖分析。碳的分布顯示了聚合體的位置，而N的分布可能來(lái)自PNIPAm鏈中的氮。正如預(yù)期的那樣，Cu和O主要是在PNIPAm插入的突起處檢測(cè)到的（圖4c），證明黑點(diǎn)是銅離子復(fù)合物，PNIPAm主要位于突起處。

四、結(jié)論與展望

總而言之，研究者通過(guò)將PNIPAm作為響應(yīng)的疏水單元，并利用鹽離子來(lái)調(diào)節(jié)PNIPAm的特性及其與聚合物膜的相互作用，成功地調(diào)整了聚合物膜上的曲率形成。制備了具有多臂的聚合物體，而且臂的數(shù)量與鹽濃度有關(guān)。鹽濃度越高，可以形成越多的臂。此外，通過(guò)研究鹽離子對(duì)PNIPAm的影響以及PNIPAm與膜的相互作用，研究了這種鹽離子輔助PNIPAm插入的機(jī)制。有機(jī)溶劑、水和鹽離子可以形成一種不良的溶劑環(huán)境，在這種環(huán)境中，PNIPAm仍然具有部分疏水性。此外，PNIPAm沒有形成鏈間聚集，而是保持為單一的溶脹鏈，這使它們有更多機(jī)會(huì)插入到膜中。使用ITC測(cè)量證實(shí)了鹽離子有利于插入，因?yàn)楫?dāng)加入鹽離子時(shí)，疏水性PNIPAm與膜的相互作用需要最低的熵值。此外，當(dāng)膜變得更加靈活時(shí)，觀察到了章魚狀的形狀，這些PNIPAm被嵌入到膜中，用于潛在的刺激反應(yīng)性的納米馬達(dá)。由于鹽離子對(duì)PNIPAm和蛋白質(zhì)表現(xiàn)出類似的影響，他們希望這項(xiàng)研究可以為理解鹽離子在生物膜曲率形成中的作用提供證據(jù)。這第一個(gè)策略也使他們能夠制造出具有刺激性反應(yīng)膜的聚合物基納米系統(tǒng)，用于各種應(yīng)用。

五、文章官網(wǎng)鏈接

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39305-8