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  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行表征，進一步的實驗揭示了SCNPs的結(jié)構(gòu)與細胞毒性的相關(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)伸展狀態(tài)。二羧酸指含有兩個羧基官能團的有機化合物，分子通式為HOOC-R-COOH，不同的R基團對應(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，乙醇體積分數(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）。上排三圖為擴散系數(shù)的散點圖；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）實驗來研究單鏈高分子納米顆粒的局部柔性

圖6. 細胞毒性實驗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（更低的細胞毒性）

  該課題從高分子物理的角度出發(fā)，實驗設(shè)計和驗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，其潛在細胞毒性阻礙了進一步的發(fā)展。該課題同時也提供了一種降低陽離子型聚合物細胞毒性，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教授團隊（http://sunmil.epfl.ch）專注于廣譜抗病毒分子的設(shè)計，蛋白質(zhì)相互作用的表征，細胞內(nèi)藥物遞送，高分子材料回收，以及食品科學(xué)等領(lǐng)域。