受到天然生物大分子(比如蛋白質(zhì))的折疊和自組裝過程的啟發(fā),單鏈高分子納米顆粒(Single-chain nanoparticles, SCNPs)通過高分子鏈內(nèi)交聯(lián)而制備,從而填補(bǔ)了高分子納米顆粒在小尺寸(20nm以下)維度上的空白。目前,SCNPs在催化,藥物遞送和傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)了一定的應(yīng)用潛力。然而,本領(lǐng)域目前的難點(diǎn)在于如何有效地調(diào)控和表征單鏈高分子納米顆粒的結(jié)構(gòu)。
洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Francesco Stellacci課題組在期刊《Macromolecules》上發(fā)表了題為“Control and characterization of the compactness of single-chain nanoparticles”的文章(Macromolecules 2021, 54, 24, 11459–11467)。文章從高分子物理的角度討論了兩個(gè)交聯(lián)分子長度和前驅(qū)體鏈構(gòu)象對SCNPs結(jié)構(gòu)的影響,利用/開發(fā)了一系列分析手段對其進(jìn)行表征,進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)揭示了SCNPs的結(jié)構(gòu)與細(xì)胞毒性的相關(guān)性。文章選取了poly(allylamine)作為前驅(qū)體,二羧酸作為交聯(lián)分子,通過酰胺反應(yīng)來構(gòu)建SCNPs。線性高分子鏈的構(gòu)象與溶劑條件緊密相關(guān),對于poly(allylamine)來說,在純水溶液中,加入適量的乙醇或者一定量的氯化鈉,都能起到“預(yù)坍縮”(pre-collapse)的效用;反之,純水溶液本身對polyl(allylamine)是良溶劑,故而鏈構(gòu)象呈現(xiàn)伸展?fàn)顟B(tài)。二羧酸指含有兩個(gè)羧基官能團(tuán)的有機(jī)化合物,分子通式為HOOC-R-COOH,不同的R基團(tuán)對應(yīng)不同長度的二羧酸。為了研究產(chǎn)物的結(jié)構(gòu),文章采用了二維擴(kuò)散排序核磁共振譜(DOSY NMR),黏度測試,核磁弛豫(NMR T1 relaxation),以及分析型超離心(Analytical Ultracentrifugation)。文章中一致使用特定圖例來指示單鏈高分子納米顆粒構(gòu)建的溶劑條件:藍(lán)色三角,純水;紫色圓圈,100mM 氯化鈉水溶液;綠色正方形,乙醇體積分?jǐn)?shù)為10%的水溶液。
示意圖. 通過調(diào)整交聯(lián)分子長度和前驅(qū)體鏈構(gòu)象來調(diào)控SCNPs的結(jié)構(gòu)
圖1. A)通過酰胺反應(yīng)構(gòu)建SCNPs的化學(xué)反應(yīng)通式;B)單鏈高分子納米顆粒的核磁共振氫譜
圖2. 通過二維擴(kuò)散排序核磁共振譜來表征單鏈高分子納米顆粒的緊湊程度(compactness)。上排三圖為擴(kuò)散系數(shù)的散點(diǎn)圖;下排三圖為水合半徑(通過斯托克斯-愛因斯坦關(guān)系轉(zhuǎn)換)的散點(diǎn)圖。
圖3. 通過溶液粘度-濃度關(guān)系來研究單鏈高分子納米顆粒的緊湊程度
圖4. 通過分析超離心(沉降速率型)的二維分析來研究單鏈高分子納米顆粒的各向異性。
圖5. 通過核磁弛豫(NMR T1 relaxation)實(shí)驗(yàn)來研究單鏈高分子納米顆粒的局部柔性
圖6. 細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)顯示更緊湊的單鏈高分子納米顆粒具有更好的生物相容性(更低的細(xì)胞毒性)
該課題從高分子物理的角度出發(fā),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證了一種有效而通用的調(diào)控單鏈高分子納米顆粒的結(jié)構(gòu)的手段。陽離子型聚合物作為生物藥遞送載體而收到廣泛關(guān)注;然而一直以來,其潛在細(xì)胞毒性阻礙了進(jìn)一步的發(fā)展。該課題同時(shí)也提供了一種降低陽離子型聚合物細(xì)胞毒性,提升其生物相容性的一種思路。
洛桑聯(lián)邦理工在讀博士生廖穗楊為該論文的第一作者(兼共同通訊), 通訊作者為Francesco Stellacci教授。
原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.1c02071
Francesco Stellacci教授課題組簡介:
瑞士洛桑聯(lián)邦理工(EPFL)Francesco Stellacci教授團(tuán)隊(duì)(http://sunmil.epfl.ch)專注于廣譜抗病毒分子的設(shè)計(jì),蛋白質(zhì)相互作用的表征,細(xì)胞內(nèi)藥物遞送,高分子材料回收,以及食品科學(xué)等領(lǐng)域。
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