“類(lèi)聚合”的囊泡多級自組裝研究

經(jīng)過(guò)幾十年的研究，分子自組裝已經(jīng)取得了重大的成果。通過(guò)分子自組裝，已經(jīng)制備了許多復雜的超分子結構，它們的尺寸可以從微觀(guān)到宏觀(guān)；它們的形貌更是多種多樣，包括膠束，囊泡，管，棒，纖維或者膜等。然而這些形貌各異的組裝體絕大多數都是由兩親性分子通過(guò)分子間的相互作用（如π-π堆積、氫鍵、靜電作用、疏水作用、庫倫力等）驅動(dòng)的初級自組裝得到的；常見(jiàn)的兩親性分子包括脂質(zhì)體，小分子表面活性劑，線(xiàn)形嵌段聚合物和樹(shù)形嵌段共聚物等。然而，自然界中許多超分子實(shí)體（特別是存在于生物系統中）都是通過(guò)多級組裝形成的。例如，膠原蛋白或者煙草花葉病毒的多級組裝過(guò)程，染色體的形成過(guò)程，脊椎動(dòng)物牙釉質(zhì)的形成過(guò)程等。此外，許多多級組裝的過(guò)程也存在于一些簡(jiǎn)單的細胞或組織里。與自然界相比，目前報道的化學(xué)多級組裝研究還十分有限。因此，為了推動(dòng)化學(xué)組裝的發(fā)展，我們應該向自然界學(xué)習，從初級自組裝向多級自組裝研究方向發(fā)展。

多級自組裝的難點(diǎn)在于控制分子間的相互作用力，主要在空間（結構）和時(shí)間（動(dòng)力學(xué)）兩方面進(jìn)行控制。生物分子（如蛋白質(zhì)或 DNA）具有獨特的性質(zhì)，可以進(jìn)行高效且專(zhuān)一的分子間識別，進(jìn)而形成多級組裝體。例如，通過(guò)堿基對之間的多重氫鍵作用，可以通過(guò)程序控制得到基于DNA的許多復雜的超分子結構。然而，對于人工合成的聚合物分子，分子間的非共價(jià)鍵作用力通常是各向同性的，同時(shí)沒(méi)有專(zhuān)一性。因此，由它們初級自組裝得到的組裝體也是各向同性的軟材料。由于它們之間的相互作用力無(wú)法控制，這些組裝體難以進(jìn)行下一階段的組裝，無(wú)法得到高級的組裝體。因此，聚合物分子自組裝受限于初級自組裝。只有少數文獻報道了關(guān)于兩親性聚合物分子的多級組裝的方法。顯然，推動(dòng)聚合物多級組裝研究的重點(diǎn)在于如何將識別的功能基團選擇性地修飾到聚合物組裝體上。

自然界中，由于細胞膜上的蛋白質(zhì)具有高效性和專(zhuān)一性，細胞可以進(jìn)行多種細胞行為，如細胞融合，分裂，出芽等。而與這些蛋白質(zhì)息息相關(guān)的是細胞膜表面的脂筏。脂筏（lipid raft）是質(zhì)膜上富含膽固醇和鞘磷脂的微結構域（microdomain）。由于鞘磷脂具有較長(cháng)的飽和脂肪酸鏈，分子間的作用力較強，因此這些區域結構致密，介于無(wú)序液體與液晶之間，稱(chēng)為有序液體（Liquid-ordered）。脂筏就像一個(gè)蛋白質(zhì)停泊的平臺，與膜的信號傳導、蛋白質(zhì)篩選均有密切的關(guān)系。脂筏可以在細胞膜表面形成一個(gè)個(gè)的微區，使得細胞膜表面具有不同的性質(zhì)。受細胞膜脂筏結構的啟發(fā)，周永豐等人設想通過(guò)可控的微相分離在囊泡膜表面上構筑不同的微區，從而制備各向異性的聚合物囊泡。

通過(guò)陽(yáng)離子開(kāi)環(huán)聚合的“一壺兩步”法，合成了具有疏水的超支化HBPO核和親水的PEO臂的兩親性超支化多臂共聚物HBPO-star-PEO。通過(guò)原子轉移自由基聚合，制備了具有疏水的超支化HBPO核和pH響應性PDMAEMA臂的兩親性超支化多臂共聚物HBPO-star-PDMAEMA。通過(guò)HBPO-star-PEO和HBPO-star-PDMAEMA在中性水溶液中的共組裝，制備了表面具有PEO和PDMAEMA親水臂的雜臂超支化聚合物囊泡，并研究了該雜臂超支化聚合物囊泡在不同pH下的多級自組裝行為。研究發(fā)現，隨著(zhù)pH的升高，PDMAEMA在囊泡表面發(fā)生微相分離，形成類(lèi)似脂筏結構的疏水微區，從而賦予囊泡各向異性的識別位點(diǎn)。這些各向異性的囊泡可以通過(guò)疏水位點(diǎn)之間的選擇性識別，進(jìn)一步聚集形成線(xiàn)形、支化狀、環(huán)狀、超支化狀或者網(wǎng)狀的囊泡鏈。整個(gè)囊泡的組裝過(guò)程同單體的均聚、接枝共聚、內環(huán)化、超支化聚合及交聯(lián)聚合過(guò)程類(lèi)似，因此將其命名為“類(lèi)聚合”的多級自組裝過(guò)程。最終各種囊泡鏈通過(guò)融合，制備線(xiàn)形、支化狀、環(huán)狀或者網(wǎng)狀的微米管，如圖所示。