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刺激响应性聚合物囊泡渗透性调控研究取得进展

( 2015-12-03 )
   众所周知,相对于小分子磷脂囊泡,人工构筑的聚合物囊泡得益于其双层膜中高分子链之间的高度缠结而具有较高的结构稳定性,因此近些年来被生物医药和化学材料等领域的科研工作者广泛关注和研究。然而在带来纳米结构稳定性优势的同时,传统的聚合物囊泡由于双层膜的疏水性以及大分子特性导致其膜渗透性非常差,限制了囊泡内腔与外界环境间的物质有效传输,这一缺陷在很大程度上制约了其后期的实际应用。
   针对囊泡稳定性与渗透性这一对立矛盾问题,中国科学技术大学化学与材料科学学院高分子科学与工程系和中科院软物质化学重点实验室博士生汪枭睿(刘世勇教授课题组http://staff.ustc.edu.cn/~sliu) 近期在聚合物囊泡稳定性与渗透性同步调控方面取得了系列进展。在前期研究中,博士生汪枭睿设计了一种新型的光响应两亲性嵌段聚合物囊泡,发现该囊泡的双层膜在光照刺激过程中能够发生无痕交联 (traceless crosslinking) 反应而使得囊泡结构更加稳定,同时囊泡的渗透性也由于疏水双层膜中不断产生亲水通道而增加,从而实现了囊泡稳定性与渗透性的同步提高。这项研究结果以题为 “Concurrent Block Copolymer Polymersome Stabilization and Bilayer Permeabilization by Stimuli- Regulated “Traceless” Crosslinking” 发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 3138-3142上,并被Nature Chemistry Highlight专栏评述 (DOI: 10.1038/nchem.1915)
  最近,他们又进一步发展了一种不仅可以有效增强囊泡结构的稳定性,而且囊泡的渗透性可以在选择性波长的光照刺激下发生可逆调控的聚合物囊泡体系。首次利用疏水链段由光致变色基元螺吡喃(spiropyran)所组成的两亲性嵌段聚合物来构筑光致变色聚合物囊泡 (photochromic polymersome)。设计合成了一种新型的PEO-b-PSPA 的两亲性嵌段聚合物,其中SPA 是含有氨基甲酸酯的螺吡喃光致变色单体,研究发现该聚合物在水中可以自组装成具有光致变色性质的纳米囊泡。其中螺吡喃基元位于囊泡的双层膜上,不同波长的光照刺激可以实现其在疏水的螺吡喃(SP, λ2 > 450 nm)和两性离子的部花箐(MC, λ1 < 420 nm)的两种状态下的可逆互变。研究表明,光致变色的两种状态下的囊泡(SP囊泡及MC囊泡)是通过疏水相互作用、氢键相互作用以及 π-π 相互作用和紧密离子对相互作用的多重非共价相互作用协同得以稳定的(后两种相互作用对于部花箐囊泡是独有的)。含有氨基甲酸酯键侧基的 PEO-b-PSPA两嵌段的聚合物囊泡体系中侧基氢键相互作用对于稳定两性离子的MC囊泡的起到关键的作用。光触发的 SP MC 囊泡的可逆转变使得原来不具有渗透性的SP囊泡快速转变为对特定分子量以下的小分子具有很好的选择透过性的MC囊泡。而且通过λ1/λ2光的交替刺激作用,可以有效地实现囊泡渗透性的可逆调节,进而实现囊泡内所包覆小分子的程序化释放。也进一步探索了该体系在活细胞内光触发时空可控的囊泡渗透性调控与程序化释放功能。该成果近期以题为 “Reversibly Switching Bilayer Permeability of Photochromic Polymersomes Synergistically Stabilized via Cooperative Noncovalent Interactions” 在线发表在Journal of the American Chemical Society (DOI: 10.1021/jacs.5b10127)相关内容已申请国家发明专利。

  

  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201310589/abstract

  http://www.nature.com/nchem/journal/v6/n4/full/nchem.1915.html

  http://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5b10127


 
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