聚合物囊泡的案例
四川大學丁明明和譚鴻教授團隊Angew：高分子構象轉變調節囊泡膜通透性
聚合物囊泡為模擬細胞系統的結構和功能提供了一個很好的模型，在仿生學、生物傳感和藥物傳遞等方面具有巨大的應用潛力。與傳統脂質體相比，聚合物囊泡的穩定性強，化學可調節性高，但其膜通透性低，顯著阻礙了物質通過囊泡膜的運輸和交換。為了解決這個問題，研究人員通過嵌入生物大分子或引入刺激響應組分來調控膜的通透性。然而，這些方法大多數會導致囊泡崩解，或需要復雜的化學反應來維持囊泡結構。在自然界中，細胞或細胞器膜蛋白構象的有序轉變能夠引起膜通透性的變化，進而影響分子運輸和細胞凋亡等生命活動。然而，像生物系統那樣調控囊泡膜通透性對于合成高分子來說存在巨大挑戰。
近日，四川大學高分子科學與工程學院丁明明教授和譚鴻教授以“Ordered Conformation-Regulated Vesicular Membrane Permeability”為題在Angewandte Chemie International Edition上首次報道了通過聚氨基酸二級構象的有序轉變來調控聚合物囊泡膜通透性。在前期工作中，該團隊提出了利用疏水鎖和氧化門控調控聚氨基酸構象有序轉變的新方法，并通過構象驅動聚合物膠束-囊泡轉變（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 6604-6610）。在此基礎上，研究人員通過合理設計得到了聚氨基酸囊泡，該聚合物囊泡在活性氧作用下構象由β折疊轉變為α螺旋，進而降低膜的厚度，并重構氫鍵和相行為，從而在保留囊泡完整性的同時增強其膜通透性，實現了小分子和大分子物質的特異性跨膜轉運。
展開 ：高分子囊泡彈性對腦腫瘤靶向影響研究新進展
基于此，河南大學研究團隊設計開發了一組具有不同彈性的高分子囊泡，用于比較其穿越血腦屏障（BBB）及靶向腦腫瘤細胞能力的差異。研究發現，彈性較小的囊泡具有更高的BBB穿透能力、更多的細胞攝取、更強的腫瘤滲透及富集。
研究人員首先利用不同的交聯劑對兩嵌段聚合物PEG-P(PFPMA)自組裝形成的囊泡疏水中間層進行交聯。在不改變囊泡結構的條件下，獲得一組大小、電荷相同的高分子囊泡。因囊泡內部交聯劑的不同，表現出不同的彈性。研究人員通過動態學模擬計算證明，高分子囊泡的彈性與交聯劑的剛性密切相關。最后，在囊泡表面修飾腦腫瘤靶向肽，比較不同彈性高分子囊泡的腦腫瘤靶向能力。
不同彈性的囊泡顯示出不同的細胞攝入能力。彈性大的囊泡被腫瘤細胞攝入較少，而彈性較小的囊泡則能更多的進入細胞。同時，體外的BBB穿透模型也顯示，彈性較小的囊泡具有更強的BBB穿透能力。為了比較不同彈性的囊泡在腫瘤組織內部的滲透能力，研究人員采用體外腫瘤球模型，比較不同彈性的囊泡在腫瘤球中的滲透深度。發現彈性小的囊泡滲透更深，有更強的腫瘤滲透能力。結合已有研究推斷，在彈性較小的情況下，囊泡形變能力較弱，有更多的靶向分子能夠與細胞膜表面受體結合，從而顯示出較強的細胞攝入能力。
同時，研究人員采用腦腫瘤原位荷瘤小鼠模型比較了該系列囊泡的體內腫瘤積累能力，發現在體內綜合因素的影響下，彈性較小的囊泡由于具有更強BBB穿透及細胞攝入與腫瘤滲透，在腦部積累更多。
該研究探究了不同彈性的聚合物囊泡對腦腫瘤靶向差異的影響，可為后續腦部疾病的納米載體設計提供參考。
展開 囊泡在水中運動及變形過程仿真 ￥800
通過對囊泡的研究，可加深人們對生物膜的認識，也為人們的仿生研究提供了一條新的途徑。囊泡的另一個重要的應用是作為藥物的載體。與其它微結構相比，囊泡具有奇特的結構，即存在親水微區和疏水微區，這使得囊泡具有同時運載水溶藥物和水不溶藥物的能力。同時，囊泡具有雙層膜結構，與生物膜有很好的兼容性，是理想的體內藥物的載體。由于分子進出囊泡需要較長的時間，利用這一特性，近年來，人們研究用囊泡作為<a href="https://baike.baidu.com/item/%E7%BC%93%E9%87%8A%E5%89%82" rel="noopener noreferrer" target="_blank">緩釋劑</a>，以更好地發揮藥效。</p><p>本案例基于流-固耦合方法，模擬了囊泡在水中的運動過程，囊泡由壁面固體結構和內部水分子（水溶液）組成為復合的生物膜結構。仿真結構如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202109/288cc3ea85db4cf8b49f0a6e68749039.gif" alt="Untitled.gif"></p><p>感興趣的朋友可下載模型，了解整個模擬過程。</p><p><br></p>
展開 復旦大學聶志鴻教授等：熵驅動的二元納米粒子兩親性雜化囊泡的分離和出芽
復旦大學聶志鴻教授及合作者利用具有不同尺寸組合的兩親性嵌段共聚物接枝金納米粒子（AuNPs）研究了二元兩親性納米粒子（NPAMs）在溶液中的囊泡自組裝中的宏觀膠體分離。隨著相對尺寸及濃度的的變化，二元NPAMs可以自組裝為具有不同結構形貌，如均勻結構（HVs）、斑塊結構（PVs）和單一或多卵黃/殼結構（s-YSVs或m-YSVs）的雜化囊泡。NPAMs發生偏析時可能被包圍在囊泡的膜內或出現在膜外，而偏析的動力來源于內接枝共聚物配體的構象熵的增加。此外，本工作提出了具有卵黃結構的均一囊泡的形成機理，即囊泡融合/出芽機理。
通過將不同尺寸、形狀及組成的無機納米粒子（NPs）與有機組裝體混合，可以獲得功能性復合納米結構，這些結構賦予了其在功能性材料開發方面的潛在價值。而在無機NPs上進行聚合物接枝可以形成兩親性納米粒子（NPAMs），類似于兩親性分子，可以自組裝成豐富的雜化納米結構，是一類具有吸引力的下一代功能性納米復合物的構建單元。但由于NPAMs的尺寸大得多且具有較復雜的形狀，其自組裝行為在熱力學和動力學上都與兩親性分子有所不同。人們對NPAMs的自組裝行為的理解還不充分，尤其是對NPAM混合物在溶液中的宏觀相分離尚未有研究。
本文亮點
1. 彌補了在NPAMs自組裝行為方面的研究的空缺。
2. 提出卵黃/殼結構的囊泡的形成是涉及NPAMs的重新組織的多步驟過程。其中，其囊泡膜的融合和出芽至關重要。
3.
展開 
同濟杜建忠教授團隊《ACS Nano》：抗菌又祛活性氧功能的高分子囊泡，實現糖尿病潰瘍快速愈合
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c02102
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展開 同濟大學杜建忠教授課題組Macromolecules封面論文：完全非對稱冠囊泡
眼睛長在同側的比目魚（A）和細胞膜的非對稱結構（B）1
高分子囊泡是具有膜層、內冠、外冠結構的空心納米球（圖2），和細胞膜結構相似，在疾病診療、分子遞送等領域具有重要的應用前景。然而，利用化學方法構筑的囊泡多為對稱冠囊泡（圖2），其內冠和外冠在結構和性質上完全相同，因此難以實現功能分區。而非對稱冠囊泡則因具有不同的內外冠層，可實現功能分區。目前，非對稱冠囊泡的制備方法主要包括兩嵌段共聚物共組裝、三嵌段或多嵌段聚合物自組裝、乳液法等。然而，上述方法均不能保證內外冠層的100%的非對稱性。具有完全不同的內冠和外冠結構的非對稱冠囊泡，一直是高分子囊泡領域的一顆明珠，但是摘取她卻困難重重。因此，如何構筑并表征完全非對稱冠囊泡，仍是大分子自組裝領域的一大挑戰。
圖2. 對稱冠高分子囊泡示意圖
為了解決上述問題，同濟大學杜建忠教授課題組獨辟蹊徑，提出了一種膠束-囊泡轉變法，構筑了完全非對稱冠囊泡，并提出了相應的表征方法。該囊泡的構筑策略如圖3所示。首先設計并合成了嵌段共聚物PEO113-b-P(NIPAM45-stat-CMA10)-b-PDEA28，然后自組裝形成膠束，最終轉變為非對稱冠囊泡。其中，PEO始終作為親水外冠；PDEA起初作為膠束的疏水內核，最終轉變成非對稱冠囊泡的內冠；P(NIPAM-stat-CMA) 起初作為膠束的中間冠層或殼層，最終構成非對稱冠囊泡的交聯膜層。由于PDEA內冠在血液循環過程中可轉變為疏水的內壁，因此該囊泡可大幅降低抗癌藥在遞送過程中的泄露。
圖3.
展開 浙大今日《Science》：首次實現宏觀材料的精確可逆融合與分裂！
例如，聚合物膠束和囊泡可在表面活性劑或光的刺激下發生類似細胞融合或分裂的行為，金屬團簇及納米顆粒可在高溫下發生融合或分裂現象。對這些現象的研究有利于發展人工組裝體可控的形態學變化，從而拓展其在新型動態組裝、藥物遞送和釋放、受限空間化學反應、合金納米顆粒制備等領域的應用。模仿此類生命體的行為將成為構筑新型功能性組裝體的有效策略。
然而，生物體內及以前報道的融合與分裂現象，往往組裝體之間的界面發生了不可逆的物理或化學變化，導致融合與分裂過程難以精確可逆，組裝體的數量、尺寸、化學組成、結構在一個融合與分裂循環后不能完全恢復至原先的狀態。如，兩個肥皂泡可融合成一個泡；但當這一個泡再分裂成兩個泡時，已經不是原來的那兩個泡了，其中的物質組成已經改變了。因此，如何實現神話般的精確可逆融合與分裂，成為物質動態組裝領域的重大科學難題。
最近，浙江大學高分子系納高課題組高超教授（共同通訊作者）、李拯（共同通訊作者）博士利用氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）纖維的二維基元結構和大體積收縮動態特性首次實現了宏觀材料的精確可逆融合與分裂。合作者西安交通大學劉益倫教授（共同通訊作者）及其博士生劉靜冉對這一過程進行了力學分析及有限元模擬。相關成果以 “Reversible fusion and fission of graphene oxide based fibers”為題發表在《Science》（Science 372, 614–617 (2021). DOI: 10.1126/science.abb6640）上。論文的第一作者為浙江大學高分子系的博士生暢丹。
展開 浙大高超教授團隊 Science：氧化石墨烯纖維可逆融合和分裂
例如，聚合物膠束和囊泡可在表面活性劑或光的刺激下發生類似細胞融合或分裂的行為，金屬團簇及納米顆粒可在高溫下發生融合或分裂現象。對這些現象的研究有利于發展人工組裝體可控的形態學變化，從而拓展其在新型動態組裝、藥物遞送和釋放、受限空間化學反應、合金納米顆粒制備等領域的應用。模仿此類生命體的行為將成為構筑新型功能性組裝體的有效策略。
然而，生物體內及以前報道的融合與分裂現象，往往組裝體之間的界面發生了不可逆的物理或化學變化，導致融合與分裂過程難以精確可逆，組裝體的數量、尺寸、化學組成、結構在一個融合與分裂循環后不能完全恢復至原先的狀態。如，兩個肥皂泡可融合成一個泡；但當這一個泡再分裂成兩個泡時，已經不是原來的那兩個泡了，其中的物質組成已經改變了。因此，如何實現神話般的精確可逆融合與分裂，成為物質動態組裝領域的重大科學難題。
最近，浙江大學高分子系納高課題組高超教授（共同通訊作者）、李拯（共同通訊作者）博士利用氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）纖維的二維基元結構和大體積收縮動態特性首次實現了宏觀材料的精確可逆融合與分裂。合作者西安交通大學劉益倫教授（共同通訊作者）及其博士生劉靜冉對這一過程進行了力學分析及有限元模擬。相關成果以 “Reversible fusion and fission of graphene oxide based fibers”為題發表在《Science》（Science 372, 614–617 (2021). DOI: 10.1126/science.abb6640）上。論文的第一作者為浙江大學高分子系的博士生暢丹。
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