為大家推薦一篇發(fā)表在JACS上的文章，Unimolecular Polypeptide Micelles via Ultrafast Polymerization of N?Carboxyanhydrides。本文通訊作者是來自蘇州大學的殷黎晨教授和來自UIUC的程建軍教授。
膠束在藥物遞送體系有著廣泛的應用，它們大多由兩親聚合物通過自組裝形成球狀結構，并進一步通過控制粒徑、包載藥物以及交聯(lián)后修飾等步驟形成具有強大功能的膠束類藥物。但是這類體系本身包含許多游離的聚合物，導致藥物的化學穩(wěn)定性、質量控制以及制備操作都會或多或少出現(xiàn)問題，在一些環(huán)境下會導致膠束的意外解散，從而限制了該體系在臨床應用上的廣泛性和有效性。
為了解決這一問題，科學家提出了單分子膠束的概念。顧名思義，單分子膠束就是由單分子高分子聚合物形成的膠束，膠束內的聚合物通過共價鍵相連。這一結構的優(yōu)勢在于極大地提高了膠束在各類環(huán)境下的穩(wěn)定性，而通常采用的分步制備方法則在步驟上略顯復雜，在結果上也難以對膠束的分子量及分散度進行精確控制。
基于以上科學問題，來自蘇州大學的殷黎晨教授課題組和UIUC的程建軍教授課題組合作開發(fā)了一種通過樹形高分子引發(fā)劑引發(fā)N-羧基環(huán)內酸酐(NCA)開環(huán)聚合的簡易方法，以此獲得高分子量和低分散度的單分子膠束。此方法還可應用于多種NCA上，是一種簡單高效、普適可控的單分子膠束制備手段，并有望在納米醫(yī)學、超分子化學及生物納米技術等方面得到應用。
圖1. 樹狀分子引發(fā)劑引發(fā)NCA聚合示意圖
在分子的設計和合成上，作者首先選擇樹狀分子聚酰胺-胺(polyamidoamine，PAMAM)作為大分子引發(fā)劑，谷氨酸芐酯NCA作為模型單體分子進行聚合。聚合反應在DCM溶劑中進行，產物的分子量和分散度通過SEC表征得到。結果顯示，隨著大分子引發(fā)劑表面氨基的變化，所得到的單分子膠束分子量能夠與預期值相吻合，并且分散度較低；而采用同一引發(fā)劑改變單體比例時，也能得到預期分子量的低分散度產物，這顯示了該聚合方法具有活性特征。
圖2. 聚合產物分子量及分散度表征
單體轉化率方面，作者通過傅里葉變換紅外方法進行了跟蹤觀測。如圖3所示，不同引發(fā)劑Gx對NCA的轉化率都可以在8分鐘時達到99 %以上，而當單體/引發(fā)劑投料比高達[M]0/[I]0 = 400時，聚合反應也可以在40分鐘左右完成。在之前的研究中，作者發(fā)現(xiàn)PBLG能夠通過其α螺旋結構產生的偶極作用對聚合產生加速效果。本工作中，作者為了驗證這一機理，分別選擇了BLG-NCA單體、BDG-NCA單體及消旋的BDLG-NCA單體進行引發(fā)聚合并對轉化率進行監(jiān)測。結果顯示，BLG-NCA和BDG-NCA的轉化速率都很快，且具有相似的曲線；而BDLG-NCA的轉化速率則明顯要慢，所得的聚合物分子量也遠低于預期。以上對照實驗說明，PBLG(PBDG)的α螺旋之間的相互作用是聚合反應快速且可控的必要條件。
圖3. 不同手性單體聚合的單體轉化情況
在對聚合產物單分子膠束的粒徑表征中，作者發(fā)現(xiàn)由不同樹狀分子引發(fā)劑聚合而成的膠束粒徑分布都極窄，并且大小與分子量密切相關，這說明此聚合方法可以通過控制聚合度對膠束粒徑進行精確調控。冷凍電鏡圖像則進一步展示了膠束規(guī)整且均一的結構。
圖4. 不同分子量的單分子膠束粒徑及cryo-TEM圖像
在成功進行了PBLG單分子膠束的制備后，作者又嘗試了該方法在多種NCA單體上的推廣。SEC及DLS的測試結果顯示，該方法能推廣到多種其他NCA上，所得到的單分子膠束在分子量、分散度及粒徑上均能得到精準控制。
以上實驗結果說明，通過樹狀分子引發(fā)劑引發(fā)NCA的開環(huán)聚合，可以得到單分子膠束。這種方法獲得的單分子膠束在分子量、分散度及粒徑形貌都精準可控，并且能有效改善自組裝膠束在特定環(huán)境下不穩(wěn)定的缺點。該體系可以推廣至多種NCA的聚合反應上，應用廣泛，有望在生物醫(yī)用、超分子化學及納米技術中獲得更為廣泛的應用。
作者：WYY 審校：XW
DOI: 10.1021/jacs.0c01173
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c01173
