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  多隔室納米粒子(Multicompartment nanoparticles, MCNs)一般是指具有多重相分離核的膠體納米結(jié)構(gòu)。多隔室結(jié)構(gòu)廣泛存在于生物體系中，例如細胞可以被視為一種具有多功能的復雜的多隔室體系；在更小的尺度下，血清白蛋白被認為是一種兼具親水/疏水微區(qū)的多隔室納米粒子，這些組成各異的微區(qū)在血液循環(huán)中分別承擔著運輸不同物質(zhì)的作用。因此，MCNs由于其獨特的結(jié)構(gòu)因而在生物技術(shù)以及生物醫(yī)學，如藥物遞送系統(tǒng)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

  目前，人工構(gòu)筑的MCNs的結(jié)構(gòu)復雜性仍遠低于生物體系中廣泛存在的多隔室結(jié)構(gòu)，比如制備出類似于血清白蛋白結(jié)構(gòu)的兼具親水/疏水微區(qū)的MCNs仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。基于這一問題，本研究設(shè)計并合成了一系列21臂星形聚合物聚乙二醇(聚丙烯酸-b-聚苯乙烯)₂₀ [PEG(PAA-b-PS)₂₀]，并以該類星形聚合物為組裝基元通過自組裝直接制備得到了不同形貌的兼具親水/疏水微區(qū)的MCNs。該星形聚合物獨特的拓撲結(jié)構(gòu)是制備此類多隔室納米結(jié)構(gòu)的主要原因。其中，20臂的PAA-b-PS鏈在溶液中表現(xiàn)為單分子膠束結(jié)構(gòu)，其親水性內(nèi)部PAA嵌段被外部疏水嵌段PS所約束，從而在自組裝過程中形成一個親水隔室(藍色，圖1)；與此同時，外部PS嵌段聚集形成疏水隔室(橙色，圖1)，而親水性PEG長鏈(綠色，圖1)則作為穩(wěn)定劑起著穩(wěn)定MCNs的作用。通過TEM和cryo-TEM研究發(fā)現(xiàn)該星形聚合物在水中可以自組裝形成多隔室膠束、囊泡以及串狀結(jié)構(gòu)，如圖1e-g所示。

圖1. (a) 星形聚合物PEG(PAA-b-PS)₂₀的合成路線；多隔室結(jié)構(gòu)的示意圖（頂行）和TEM圖（底行）；(b, e)膠束；(c, f)囊泡；(d, g)串狀結(jié)構(gòu)

  進一步通過對中間態(tài)結(jié)構(gòu)和不同濃度下自組裝結(jié)構(gòu)的研究，研究者發(fā)現(xiàn)星形聚合物PEG(PAA-b-PS)₂₀中PS和PAA的體積比(V_PS/V_PAA)是導致其形成不同自組裝形貌的主要原因，即隨著V_PS/V_PAA比例的增加自組裝形貌逐漸由多隔室膠束依次轉(zhuǎn)變?yōu)槟遗莺痛疇罱Y(jié)構(gòu)。最后，基于以上研究提出了一種新的星形聚合物自組裝的機理。該自組裝可以簡單分為兩個過程：在低水含量下，星形聚合物的外部疏水嵌段PS在PAA核表面塌縮為具有一定數(shù)目的patchy中間態(tài)結(jié)構(gòu)，而表面patches的數(shù)量取決于星形聚合物的V_PS/V_PAA；隨著水含量的進一步增加，中間態(tài)patchy結(jié)構(gòu)間發(fā)生進一步的聚集并形成不同形貌的多隔室結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該研究為水體系中制備兼具親水/疏水隔室的MCNs提供了思路，并且這類多隔室結(jié)構(gòu)可能在納米醫(yī)學和異相催化等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

圖2.不同形貌的多隔室納米粒子的形成機理示意圖

  該研究成果近日以《水體系中基于星形聚合物自組裝制備兼具親水/疏水微區(qū)的多隔室納米粒子》(Multi-compartment Nanoparticles Bearing Hydrophilic/Hydrophobic Sub-domains by Self-assembly of Star Polymers in Aqueous Solution)為題，發(fā)表在高分子類旗艦期刊Macromolecules上。該論文第一作者為西安交大材料學院博士生霍浩輝，通訊作者為張啟路特聘研究員和劉峰教授，西安交大金屬材料強度國家重點實驗室和陜西省軟物質(zhì)國際聯(lián)合研究中心為本文的第一單位。該研究工作得到了國家自然科學基金以及陜西省國際合作項目的資助。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c02213