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中科大刘世勇教授团队 Angew: 具有级联自牺牲序列的离散两亲性聚氨酯的可控自组装

时间：2023-07-10 来源：浏览：

中科大刘世勇教授团队 Angew: 具有级联自牺牲序列的离散两亲性聚氨酯的可控自组装

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近日， 中国科学技术大学刘世勇教授团队 最新研究工作，发表在 Angew. Chem. Int. Ed. 上论，题为“ Controlled Self-Assembly of Discrete Amphiphilic Oligourethanes with Cascade Self-Immolative Motifs”， 通讯作者是 刘世勇教授 。

自然界中生物大分子的精确序列主导着分子内或分子间相互作用，从而可形成行使生物功能的纳米结构。为了模拟这些生物大分子的自组装行为，了解构效关系，高分子化学家积极参与合成具有精确链和序列结构的离散聚合物（具有单一分子量）。尽管化学成分相似，但离散聚合物在熔融温度、结晶度、自组装行为、治疗效果等方面与分散聚合物有很大不同，赋予了其在数据存储和加密、诊断和治疗等方面的应用前景。

自牺牲聚合物 (SIPs) 被认为是一种特异性刺激响应聚合物，一旦触发结构被移除，它就会自发地解聚到端基。 SIP s 在分析物检测、聚合物回收和生物医学等许多领域显示出了巨大的潜力。作者最近通过迭代链生长合成了具有 N - 苯基氨基甲酸酯重复单元的离散自牺牲低聚物。这些低聚物在数据加密和无标记量化方面具有独特的优势。受到这些初步结果的鼓舞，作者试图进一步研究聚合物链结构如何影响它们的自组装行为。

图 1. 离散自牺牲聚氨酯结构以及自组装行为

作者合成了一系列 U V 响应触发的离散自牺牲聚氨酯结构，具有 C ₁₈ 和树枝状 P EG （ d PEG ）末端（图 1a ）。由于 dPEG 末端对 Na ⁺ 离子的优先亲和力，只有具有 dPEG 末端的片段才能通过串联质谱 (MS/MS) 检测到 ( 图 1a) 。这些离散的两亲体在水溶液中自组装成独特的形态，如平面纳米片、圆柱形胶束 ( 纳米纤维 ) 和纳米带，这些形态依赖于主链的长度和组成。此外，这些组合物在热退火后发生了进一步的形态转变 ( 图 1 b) 。

图 2. 离散自牺牲聚氨酯的合成及表征

通过 Curtius 重排以及羟基对于异氰酸酯的加成反应，合成了一系列聚氨酯结构（图 2 ），并对这些聚合物进行了详细的表征。

图 3. 离散自牺牲聚氨酯的降解及表征

离散低聚氨基甲酸酯在紫外光照射下触发后会自发地进行 1,6 消除 ( 图 3 ) ，作者研究了其降解行为。以 2 C ₁₈ -Mer4- dPEG 为例，将其分子溶解在混合溶剂 (THF/ 甲醇 /H ₂ O) 中，在紫外光照射下搅拌 30 min ，在预定时间点取等分样品进行 SEC 分析 ( 图 3 ) 。结果显示 8 4 % 的 2 C ₁₈ -Mer4- dPEG 在 3 0 min 内解聚。作者认为使用芳香性较低的萘促使了消除反应的快速发生。

下一步研究了它们在水溶液中的自组装行为。首先，作者考察了重复单元数对 2 C ₁₈ -Mer2- dPEG 和 2 C ₁₈ -Mer4- dPEG 在水溶液中自组装的影响。将离散低聚氨基甲酸酯溶解在二氧六环中，然后使用注射泵加入去离子水 ( 体积稀释 95 倍 ) ，随后透析除去有机溶剂。结果显示， 2 C ₁₈ -Mer2- dPEG 在水溶液中形成具有平行排列纳米纤维的纳米片（图 4 ）。原子力显微镜测得这些纳米薄片的厚度为 ~5.5 nm 。这些纳米片显示出显著的平整度，作者暂时归因于独特的离散链结构增强了链内和链间非共价相互作用。作者进一步研究了退火过程对自组装形貌的影响。将二氧六环加入到水分散体中，使其体积含量达到 25 % ，并在 90 ℃ 下保持混合 1 小时。最后，去除有机溶剂，获得退火样品。有趣的是，经过退火后， 2 C ₁₈ -Mer2- dPEG 的平面纳米片转变为纳米带。虽然厚度没有明显变化，但形成的纳米带的长度增加，宽度减少 ( 图 4 ) 。

采用大圆盘模型和长圆柱模型分别拟合了退火前后的溶液小角 X 射线散射 (SAXS) 数据，退火后圆柱体的直径为 1 8 nm ，与 T EM 和 A FM 的结果吻合。相反， 2C ₁₈ -OH 和 dPEG 末端直接连接主要自组装形成球形纳米颗粒，突出了萘基重复单元在促成独特平面结构的重要性。

图 4. 离散自牺牲聚氨酯自组装结构以及 S AXS 数据拟合

使用同样的方法研究了 2 C ₁₈ -Mer4- dPEG 和 2 C ₁₈ -FMer8- dPEG 两种聚合物。 2 C ₁₈ -Mer4- dPEG 形成了长的纳米纤维，而在退火后形成了缠绕的纳米纤维，作者认为这源于强的分子间相互作用例如 π-π 作用。 2 C ₁₈ -FMer8- dPEG 在水溶液中自组装成宽约 24 nm 的纳米带，经过退火处理后可形成宽约 5 4 nm 的纤维束。这可能是由于骨架中的氟化段具有高电负性和氟化基团的特殊相互作用所致。

这些纳米结构有望通过光触发降解。以 2 C ₁₈ -Mer2- dPEG 为代表，一旦光触发结构被移除，纳米纤维的分解就会自发进行，散射强度不断降低。进一步制备了负载阿霉素 (DOX) 的 2 C ₁₈ -Mer4- dPEG 纳米纤维，用于潜在的药物递送应用。结果显示，在光介导下 18 h 内药物释放约 88% 。值得注意的是，纳米纤维具有独特的长度 / 直径比，有利于穿透细胞膜，实现递送。

综上所述，合成了一系列 U V 响应触发的离散自牺牲聚氨酯结构。这些离散的两亲体在水溶液中自组装成独特的形态，如平面纳米片、纳米纤维和纳米带，这些形态依赖于主链的长度和组成。独特的自牺牲性质以及自组装结构赋予了这些聚合物药物递送等方面的应用潜力。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202306119

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