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        3. 同濟大學杜建忠教授創新構建“四臂囊泡”,成果發表於《美國化學會志》

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            同濟大學材料科學與工程學院、附屬第十人民醫院杜建忠教授受生物體內囊泡融合現象啟發,結合“剛柔並濟、不偏不倚”的思想,提出瞭“融合誘導粒子自組裝”的新策略,構建瞭美輪美奐的四臂囊泡。近日,這一研究成果以“Tetrapod polymersomes(四臂囊泡)”為題,在線發表於國際頂級化學期刊《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)。

          四臂囊泡

            自然界中,存在著豐富多彩的多臂顆粒,如花粉表面的凸起、冠狀病毒的刺突。花粉的凸起是為瞭方便傳播,而病毒的刺突則可以促進與細胞膜的融合。生物體中,還存在著一種與病毒相似的空心顆粒,即囊泡。作為細胞內的“運輸大隊長”,它參與瞭激素分泌、神經遞質釋放、免疫反應等許多重要的生命活動。當囊泡到達終點時,就要開始沖刺,與目的細胞器融合。在其融合過程中的一些科學奧秘,早已被生物學傢揭開。

            化學傢和材料學傢基於這些規律,制造一些很小的納米材料,它們通常隻有一根頭發絲的千分之一。高分子囊泡就是這些納米傢族的一員,具有“外冠-膜層-內冠”結構,可以很好地分散在水中,因此可應用於醫藥等領域。它是通過一種叫做“自組裝”的技術制造而成的。目前,自組裝已經成為制造納米材料的一把利器。

            在囊泡之間融合的過程中,主要受到一種名為“膜張力”的力量支配。就像小朋友吹的肥皂泡,所謂膜張力,就是使肥皂泡繃緊的力。肥皂泡繃得越緊,膜張力越大,就越容易破裂或者合並,同時釋放張力。

            杜建忠教授構建的四臂囊泡具有“剛柔並濟”的特點。囊泡的大小一般在100納米,囊泡膜可變形、可伸展、可壓縮、可折疊,是“能屈能伸、八面玲瓏”的典范。然而,囊泡膜的物理性質如膜彎曲能、膜彎曲剛度、膜張力等,與其化學結構(類似於生物中的“基因”)密切相關。尤其是在融合時,起決定作用的是膜張力。因此,四臂囊泡膜既有剛性的分子鏈(如TBA),又有柔性的分子鏈(如DEA),使它們相互制衡、相得益彰。

          四臂囊泡結構解析

            “不偏不倚”特點也在四臂囊泡中得以體現。在隨後以囊泡為單元的粒子自組裝過程中,TBA鏈段將起“促融”作用(pro-fusion),而DEA鏈段則起“抗融”作用(anti-fusion)。這兩種作用必須符合“不偏不倚”的中庸之道,否則就不會產生四臂囊泡。而且,在粒子自組裝過程中,通過含水量、溶劑進一步調控囊泡冠層的排斥程度、囊泡之間的粘附性能、囊泡的膜張力,在“表達”層面,調控囊泡融合產物的多樣性。在低含水量的時候,形成球形囊泡;隨著含水量的增加,球形囊泡逐漸融合形成雙頭囊泡、三腳囊泡。當含水量為100%時,就融合成四臂囊泡。

            一維、二維、三維融合誘導粒子自組裝結果:(A)球形囊泡;(B)雙頭囊泡和三腳囊泡;(C)四臂囊泡。

            “四臂囊泡是‘剛柔並濟、不偏不倚’的結晶,是分子設計之美、大分子自組裝之美、粒子自組裝之美。”杜建忠教授說,該融合誘導粒子自組裝原理還可以拓展到更廣闊的空間。

            材料科學與工程學院博士生肖建剛為論文的第一作者,杜建忠教授為通訊作者。該研究得到國傢傑出青年科學基金資助。

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