囊泡在許多領域充滿應用潛力。大自然中充滿了複雜的多功能和幾何圖形，這激發了科學家們不斷設計新的材料的靈感。高度對稱的四足納米結構在不同領域有著廣闊的應用前景，如生物標記、傳感等。最近發現，無機四足納米晶可以通過特定的晶體生長獲得，且有著優異的性能。四足結構的“膠體分子（colloidal molecules）”可以通過可控的互不相容分子的相分離製備。但，大多數多足類納米材料是基於緻密的晶體或聚合物，沒有足夠的存儲空間來裝載功能客體分子，這限制了進一步的實際應用。因此，設計並製備用於生物的四足聚合物囊泡仍具有現實意義。
聚合物囊泡在藥物遞送、基因遞送、診斷等領域有著廣闊的應用前景。目前，非球形的聚合物囊泡，如管狀、橢圓體和多面體等皆有報道，在納米發動機/納米反應器，藥物遞送上有著潛在應用，為受限的晶體提供更廣闊的的空間。如今，納米材料的幾何效應被深入地研究，例如，納米盤和斑片狀結構，這些有著更好的細胞攝取，提高了抗腫瘤藥物的遞送效果。四足結構同時還有著良好的細菌粘附性能。因此將聚合物囊泡的優異性能和四足形態的幾何結構結合，將會有更廣闊的前景。
同濟大學的杜建忠教授團隊通過融合的方法，製備並探討了四足囊泡的形成機理，該文章以題“Tetrapod Polymersomes”在《JACS》上發表。作者通過粒子-粒子之間的融合製備了四足囊泡，並探究了其形成的機理（Scheme 1）。通過改變DMF/水的溶劑比，將四個傳統的球形囊泡進行可控的融合，形成新型的納米粒子。最初的囊泡由嵌段共聚物PEO113-b-P(TBA61-stat-DEA23)（P3）形成，該高分子通過RAFT合成。疏水的TBA和DEA形成膜，兩親性的PEO形成冠。室溫下，TBA具有良好的疏水性和鏈轉移能力，因此可以作為“預融合部分”；DEA在自組裝過程中，不僅作為“抗融合”的部分，同時由於良好的鏈轉移能力，可以促進空室（hollow pods）的形成。
Scheme 1 四足囊泡的結構變化。聚合物P3可以在10%Cw（water content， Cw）的DMF/水相里自組裝形成球形聚合物囊泡，95%Cw形成兩足和三足囊泡，最終在100%Cw的狀態下形成四足。
【圖文詳解】
聚合物囊泡的製備：作者通過RAFT聚合製備了六種不同的前段聚合物，相關結構數據在Table 1中。並選擇P3構建四足囊泡，P3首先在DMF/水 = 1/2的情況下自組裝，然後在水中透析48h，不斷增加Cw，直至四足囊泡形成。Figure 1 表明中空四足囊泡的形成。
Table 1 嵌段共聚物的性能和相應的形態結構。
Figure 1 四足囊泡的電鏡圖。（A, B）TEM；（C, D）SEM；（E）四足囊泡的四面體模型。
Figure 2 SEM監測由PEO113-b-P(TBA61-stat-DEA23)形成四足囊泡的過程。（A）Cw = 67%；（B）Cw = 95%；（C）Cw = 100%；（D）融合過程示意圖。
Figure 2表明，隨著Cw增加到95%，球形囊泡的逐漸相互融合形成兩足和三足囊泡。Cw增加到100%時，則全部形成了四足囊泡。
Cw對四足囊泡形成的影響：Cw的的上升會增加囊泡冠之間的排斥，有利於粒子-粒子間的粘附。將有機溶劑“增塑劑”從囊泡的膜中擠壓出來，克服融合的能量壁壘，增加膜張力（membrane tension，δ），促進粒子-粒子間的融合過程。共聚物P3由兩親性額PEO和疏水的TBA和DEA構成，溶劑首先由DMF分子構成。不斷地加入水，使得溶劑的δ值不斷上升，並逐漸引起相轉變。
嵌段共聚物分子結構對四足囊泡形成的影響：P1相比於P3沒有DEA片段，也能夠促使PEO-PTBA形成納米粒子。P2相比於P3擁有更高比例的柔性DEA單元，有助於自組裝過程中納米結構的延伸。P3在P2的基礎上增加了剛性的TBA單元，提供了有利於四足囊泡形成的親疏水平衡。P5相對於P1和P4有著更長的疏水段，有著更大的粒徑，比P4的膠束大29.1%，意味著更長的TBA有利於豌豆狀的形成。
Figure 3電子顯微鏡研究了以DMF為有機溶劑(Cw = 100%透析後)的P1−P5共聚物的膠束、圓柱體、四足多聚體和自組裝的膠束簇，以研究TBA和DEA基團對最終四足多聚體形態的貢獻：（A-E）SEM；（F-J）TEM；（K）球形複合膠束、圓柱體、四足多聚體和膠束簇的示意圖。（A, F）P1膠束；（B, G）P2起的兩個實心封頭的圓柱體；（C, H）由P3自組裝的拉長的傳統聚合體融合的四足動物聚合體；（D, I）由P4自組裝的單個膠束熔合成的膠束團簇；（E, J）P5的膠束簇。
四足囊泡的穩定性研究：四足囊泡在室溫條件下，通過測定粒徑等表明其穩定性可以超過一年；超聲15min的粒徑及電鏡圖也說明了四足囊泡的穩定；70℃的淬火對其結構影響也很小。一系列的實驗說明了四足囊泡的結構比膠束更為穩定，四足囊泡更容易達到熱力學穩定狀態。
Figure 4 使用與四足囊泡融合機制相似的SEM監測P5（Cini = 2.0 mg/mL in DMF）膠束團簇的形成過程：（A）球形膠束(Cw = 12%)；（B）三腳架膠束(Cw = 36%)；（C）多足膠束(Cw = 50%)；（D）膠束團簇(Cw = 100%)；（E）可能的融合過程。
作者在之後也探討了有機溶劑對四足囊泡組裝的影響。如Figure 5所示，作者首先用THF代替DMF將P3溶解，然後再透析48h。最終只能形成囊泡，而非四足囊泡。
Figure 5 由P3形成的豌豆型囊泡在THF/水中自組裝的TEM（A）和SEM（B）圖像。透析過後的是Cw = 100%。
Scheme 2促融合力來源於剛性TBA(紅色段)的疏水性和低鏈遷移率，這為後續的融合提供了熱力學不穩定或亞穩態的基礎。抗融合力來源於柔性DEA（綠色段）的高鏈遷移率，有利於形成核聚變的熱力學亞穩態構件
【結論】
作者提出了一種新型的通過融合誘導納米粒子組裝，來構建四足囊泡的策略。重複單元TBA作為預融合部分，DEA作為抗融合部分並促進空心的形成，這類載體的融合過程能夠實現精確地調整。球形囊泡可以融合形成兩足、三足和四足囊泡，而球形的膠束只能夠通過增加水含量實現兩足和三足的膠束結構。四足的囊泡或者是膠束團簇是一種預融合力和抗融合力的平衡，可以通過共聚物的類型，共聚物的組成和溶劑組成來調整。融合誘導產生新的結構應當滿足以下條件：1. 最初的載體應當有能夠促進載體-載體間的融合（如，PEO coronas）；2. 有可以促進載體融合的膜張力（本文通過調控剛性的TBA和柔性的DEA比例實現）。
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b12925
高分子科學前沿建立了“
組裝”等交流群，添加小編為好友（微信號：polymer-xiang，請備註：名字-單位-職稱-研究方向），邀請入群。聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！
---納米纖維素找北方世紀---
---粘度計/流變儀找中昊清遠---
“高分子科學前沿”彙集了20萬高分子領域的專家學者、研究/研發人員。我們組建了80餘個綜合交流群（包括：教師群、企業高管群、碩士博士群、北美、歐洲等），專業交流群（塑料、橡塑彈性體、纖維、塗層黏合劑、油墨、凝膠、生物醫用高分子、高分子合成、膜材料、石墨烯、納米材料、表徵技術、車用高分子、發泡、聚酰亞胺、抗菌、仿生、腫瘤治療）。
我們的微博：高分子科學前沿，歡迎和我們互動。
我們的QQ交流群：451749996（務必備註：名字-單位-研究方向）
投稿 薦稿 合作：[email protected]
閱讀更多 高分子科學前沿 的文章
