【纳米】川大郭俊凌教授团队Angew Chem：多酚基母体分子自组装- 大数跨境

X-MOL资讯

2023-06-01

导读：四川大学郭俊凌教授通过结合邻苯二酚和其他功能基团，合成了母体分子单元，实现了从分子结构到超级粒子的直接合成

由简入繁的多层级自组装是自然界中最基础的物质合成策略。多层级自组装策略对于深入理解从分子、纳米再到宏观尺度的组装过程具有重要意义，同时也为构筑先进智能材料提供了可行的途径。随着材料化学的发展，纳米颗粒作为基本构筑单元的引入为超结构颗粒的设计开辟了新方向。目前此类研究多集中于对颗粒进行表面修饰从而赋予颗粒间自组装力。从设计的基本原理分析，此类方法是基于对已合成的纳米颗粒进行表面化学修饰，因此纳米颗粒的合成与表面修饰是完全分离的两个步骤，很大程度上增加了自组装材料的合成复杂性和应用难度。

四川大学郭俊凌教授团队主要围绕植物多酚在基础科学和前沿应用领域开展研究。在早期的工作中，探究了植物多酚独特的界面相互作用，发展了新的模块化组装方法（Nat. Nanotechnol. 2016, 11, 1105）。基于该研究，构建了酵母人工光和系统（Science, 2018, 362, 813）和细胞治疗平台（Adv. Mater., 2020, 32, 2003492; Adv. Sci., 2023, 2207488）。此外，基于超分子组装，以邻苯二酚基础结构单元为核心材料，利用植物多酚天然的物理化学性质，构建了类蛋白类核酸介晶超结构（Sci. Adv. 2021, 7, eabh3482）。这些研究启发了或许可以通过在功能分子中偶联邻苯二酚基团，实现从母体分子到超结构颗粒的整合化制备策略。

近日，该团队通过结合邻苯二酚和其他功能基团，合成了母体分子单元，实现了从分子结构到超级粒子的直接合成（图1A），该研究成果发表于国际化学顶级期刊Angewandte Chemie International Edition。首先，邻苯二酚基团与多种功能基团，包括异烟碱酰氯（Py）、4-苯基偶氮苯甲酰氯（Azo）、油酰氯（Ole），偶联形成以邻苯二酚为末端的母体分子。该母体分子可以通过多种分子间相互作用（即金属络合、主客体相互作用和疏水相互作用）获得初级纳米颗粒（图1B）。这些初级纳米颗粒包含了丰富的邻苯二酚基团，因此可以进一步通过络合作用制备二级超结构颗粒。该团队证明了，通过将不同的功能基团与邻苯二酚基团结合，可以获得具有一系列功能的超结构颗粒，如酸碱双pH响应性（图1C）、光控渗透性（图1D）和膜非损伤的细胞标记（图1E）。该研究为构建具有定制化功能和多层级结构的颗粒系统提供了新的策略和研究思路。该论文的通讯作者为郭俊凌教授和龚贵东副研究员（专职科研），第一作者为2021级博士研究生张亚静，本科生王瑾（现芝加哥大学博士研究生）和何云翔副研究员（专职科研）。加拿大维多利亚大学Ian Manners教授为本工作提出了宝贵建议。

图1. 通过多级组装邻苯二酚封端分子单元实现可定制的超结构颗粒

具有pH响应性的动态结构材料在生物医学和材料科学领域引起广泛研究。Cat_Py-Pd^II初级纳米颗粒结合了邻苯二酚基团的酸响应性和Py基团的碱响应性，其构建的[Cat_Py-Pd^II]-Zn^II空心超结构颗粒具有酸碱双重响应性（图2）。酸性（pH 3.0至6.0）或碱性（pH 8.0至10.0）环境都可触发超结构的解离。此外，进一步探讨了Py-Pd^II键在碱性条件下的解离机制。同时，用高效液相色谱（HPLC）方法证实了Pyridine和Pd^II配位的可逆性。

图2. [Cat_Py-Pd^II]-Zn^II空心超结构颗粒的形成和酸碱双响应

利用外部刺激实现可控释放是药物输送和传感等领域的重要研究内容。将Azo基团和PCD整合到初级纳米颗粒中可实现超结构颗粒在光刺激下的结构转换，进一步实现[Cat_Azo-PCD]-Fe^III空心超结构颗粒渗透性的UV/Vis双响应控制（图3）。UV光照射使得Azo结构表现出反式到顺式结构的转变，改变了Cat_Azo和PCD之间的主客体相互作用，导致空心[Cat_Azo-PCD]-Fe^III超结构颗粒变得松散，诱导了对FITC-葡聚糖的渗透性。重复的UV/Vis光照循环诱导空心[Cat_Azo-PCD]-Fe^III超结构颗粒发生可逆的反式-顺式-反式变化，展示出[Cat_Azo-PCD]-Fe^III空心超结构颗粒“开-关”状态可切换特性。

图3. [Cat_Azo-PCD]-Fe^III空心超结构颗粒的形成和UV/Vis双响应控制渗透

现有细胞荧光标记方法存在耗时和对细胞毒性的缺点。该团队利用具有长链烷烃结构的Cat_Ole与疏水荧光分子“X”组装，包括香豆素6（C6）、花菁类染料（Cy3）、5-氨基荧光素（5-AFM）和花菁类染料（Cy5），形成Cat_Ole-X初级纳米颗粒。利用邻苯二酚基团细胞粘附属性，这些Cat_Ole-X纳米颗粒可以与Fe^III快速在细胞膜表面组装，形成非侵入性细胞荧光标记。细胞表面不同发光颜色的荧光层表明Cat_Ole-X纳米颗粒在细胞表面成功组装。该方法与普通的膜标记染料相比，具有更高效的荧光标记能力（图4）。

图4. Cell@[Cat_Ole-X]-Fe^III超结构颗粒的多功能染料工具箱和赋予的膜非损伤荧光标记

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Customizable Supraparticles Constructed from Catechol-Terminated Molecular Building Blocks with Controllable Intermolecular Interactions

Yajing Zhang, Jin Wang, Yunxiang He, Jiezhou Pan, Xin Jin, Jiaojiao Shang, Guidong Gong, Joseph J. Richardson, Ian Manners, Junling Guo

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202303463

团队介绍

郭俊凌，四川大学教授，博士生导师，国家高层次青年人才，墨尔本大学化学与分子生物学博士，哈佛大学Wyss Fellow，作为项目/课题负责人承担国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、四川省重点研发计划、四川省天府峨眉领军人才计划，苏州市高新区、姑苏创新领军人才计划，成都市蓉漂计划，成都市高新区产业教授等，现任英属哥伦比亚大学客座教授，成都市委统战部“欧美同学会”专委会副主任，教育部轻工学科评估专家，四川省皮革协会理事，Front. Chem.副主编，Chin. Chem. Lett.、《皮革科学与工程》等期刊编委等。研究主要围绕植物多酚在基础科学和拓展应用，发展了面向跨领域应用场景的植物多酚基功能材料体系，共发表论文120余篇，其中以通讯作者发表在Science、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev.、Matter、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.等国际顶级期刊，总引用超4200次（H指数34），申请及授权专利32项，关键技术已实现千万级产业转化。

团队网站：

https://www.bmicenter.org/

https://www.x-mol.com/university/faculty/65705

研究团队招聘及要求：

岗位：优秀博士、硕士研究生多名。具有海外博士学历/博士后并在高水平期刊发表论文的申请人，将协助申请四川大学特聘教授（研究员）、特聘副教授（副研究员）加入BMI团队。请将简历及自荐信发送至：junling.guo@scu.edu.cn。