單組分超分子聚合物:獨立響應四種刺激

超分子聚合物的自組裝結構由於其獨有的特性有望應用於各領域中,特別是在水溶性組裝體(assemblies)在醫療應用中顯示出巨大的潛力。

在水介質中,具有獨立響應不同刺激的能力被證明更具挑戰性。並且,使用多種刺激(Multiple stimuli)是對超分子聚合物性能進行精細控制的一種有效的手段。

然而,通過組合多個組成部分或合成復雜的構建基塊(building blocks)的方法來使材料具備響應多種刺激的能力,往往需要復雜的設計。

基於以上問題,來自加泰羅尼亞生物工程研究所(IBEC)的Lorenzo Albertazzi 副教授和Silvia Pujals高級研究員合作,介紹瞭一種單組分超分子聚合物的直接合成方法,合成的超分子聚合物能夠獨立響應四種刺激,即光、pH、離子濃度和溫度。

這項工作表明通過合理的單體設計可以整合獨立機制以控制單組分超分子聚合物自組裝狀態,並為在水中使用多響應系統鋪平瞭道路。相關成果以“An Azobenzene-Based Single-Component Supramolecular Polymer Responsive to Multiple Stimuli in Water”為題,發表在《JACS》上。

《JACS》單組分超分子聚合物:獨立響應四種刺激

圖文解析

1. 分子設計

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圖1(b)單體1的分子結構。(c)單體2的分子結構。(d)單體1的示意圖及其自組裝成超分子纖維。

盤狀兩親物被設計成可自我組裝並表現出對光、pH、鹽濃度和溫度的響應性。該設計基於C3對稱核心,具有三個相同的楔狀部分。

為瞭促進自組裝,由於H鍵的存在,苯-1,3,5-三甲酰胺(BTA)被選為驅動聚集的核心。

BTA核心被三個由氨基酸組成的兩親楔形聚合物官能化,從而促進水中的組裝並形成響應的模塊(圖1d)。

將非天然的偶氮苯氨基酸作為楔形物的最內部嵌段,通過增加疏水性和使BTA核的分子間H鍵與水隔離來增強自組裝。

同時,偶氮苯部分通過E-Z異構化賦予光響應性。楔形的第二個模塊是八(乙二醇)氨基酸(圖1b,以藍色突出顯示),其在水中具有柔韌性和溶解性,同時由於其與溫度有關的親水性而賦予熱響應性。最後,添加C末端賴氨酸(圖1b,綠色突出顯示),以增強帶電基團的水溶性,並誘導該特定氨基酸的兩性特征,這可能導致pH和離子強度雙重響應。

2. 自組裝和光譜行為

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圖2 100μM單體1(a)在DMSO中和(b)在水中的TEM圖像。(c)DMSO和(d)水中25uM的單體1在30 s的紫外線(λ= 365 nm)照射下進行E-Z光異構化。(e)DMSO和(f)水中在280 nm下單體1的HPLC色譜圖

首先來看分子1的自組裝行為。將分子1分別溶解於水和DMSO中,通過TEM可以發現,1在DMSO中並未發生聚集(圖2 A),而在水中卻自組裝行為微米長度的柔性纖維(圖2 B)。

對於分子2,其在水或DMSO中均不發生自組裝行為。他們認為單體2的偶氮苯部分的取向和與核的近距離阻止瞭有效的聚集。

為瞭表征自組裝體內部的單體異構化狀態和轉換能力,接著對分子1進行瞭UV和HPLC測試。實驗結果表明,無論是在DMSO中的單分子態,還是在水中的聚集體,在UV照射下,均會發生構型的改變。

3. 自組裝行為的光響應性

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圖3 濃度為25μM的樣品在280 nm處的HPLC-UV(a)在UV之前,(b)在UV照射之後,(c)在藍光之後。濃度為25μM的樣品的TEM(d)在UV之前,(e)在UV之後和(f)在藍光照射之後(j)在不同的紫外線照射時間下異構體分佈的HPLC-UV分析。 (k)不同E異構體的在304 nm處的 CD

正如前面提到的那樣,研究者假設靠近BTA的偶氮苯的E-Z異構化會破壞自組裝,這是由於彎曲的Z-偶氮苯的堆積傾向性降低以及在水中更高的溶解度。

因此,紫外線輻射將導致纖維溶解,而可見光輻射將促進纖維重新結合。為瞭證明這一假設,研究者進行瞭HPLC、TEM、CD測試(圖3)。

測試結果表明,自組裝與EEE異構體濃度之間具有密切的關系,並且,通過紫外線照射可以對自組裝進行微調。通過這種方式,可以通過控制EEE單體的濃度來達到特定的組裝程度。

4. 溫度響應

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圖4 從75°C冷卻後,在(a)20°C,(b)75°C和(c)20°C下,20μM單體1的TEM。(d)樣品在60°C / h下以100μM的SLS溫度循環,以5°C為步長進行測量。 (e)以25°M的速度在60°C / h的條件下以5°C為步長對樣品進行CD加熱斜坡實驗

由於非共價鍵的弱性,超分子聚合物通常表現出與溫度有關的行為,通常在高溫下會分解,該特性通常用於研究自組裝機理。

然而有些超分子卻表現出不同的響應行為。為瞭闡明該系統的溫度響應性,研究者通過TEM,CD和SLS研究瞭不同溫度下的組裝狀態(圖4)。

測試結果表明,該超分子系統對溫度具有可逆的響應(圖4 a-c),在室溫以上可增強單體的聚集並改變側鏈堆積的內部構象。

此外,即使當聚合反應增強時,自組裝體仍保持對光的響應性。考慮到光異構化的動力學比熱逆異構化的動力學快得多,因此光響應在溫度響應上占主導地位。

5. PH和離子濃度響應

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圖5 單體1在不同PH下的TEM圖(a),CD(b)和SLS(c)在不同PH下的加熱實驗;在不同PH下有/無NaCl的CD圖。

為瞭實現單一組分的兩性行為,在設計中加入瞭c端賴氨酸,使羧酸和伯胺在單體外圍暴露。

當達到pH 2.2時,羧酸酯基團會質子化,從而產生凈正電荷,這會使團聚體不穩定並促進分解。

接近pH值12時,銨部分會去質子化,從而產生凈負電荷,也會發生類似的過程。

因此,該系統可以從兩性離子單體(通過堆疊盤之間的潛在離子橋促進組裝)發展到靜電排斥誘導的分解。

與此同時,研究者對離子濃度對自組裝體的產生影響也進行瞭測試,因為離子可通過屏蔽電荷來調節單體之間的排斥作用。

測試結果表明,可以通過離子濃度來改變排斥力,從而證明對pH的響應機制及其可逆性,並且此時溫度響應仍然存在。

總結

總之,研究者證明瞭通過合理的單體設計賦予單組分超分子聚合物中不同響應機制的可能性。測試結果為開發有效和高度可控的超分子材料鋪平瞭道路。

文章鏈接:

https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c02067

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