生命系统的形成离不开自组装的作用，自然界中的氨基酸、多肽、蛋白质和DNA等天然分子通过协作自组装发挥着重要的生物功能。借鉴这种自下而上的组装过程，科研工作者在生命科学和材料工程领域构筑了丰富的功能结构材料。其中，自组装形成的球形晶体聚合物不仅具有巨大的比表面积和独特的晶体结构，其演化过程更是对神经退行性疾病（如阿尔茨海默症）的发病与诊断提供了研究模型，近年来已成为生物传感、药物输送、组织工程的研究热点。因此，控制球晶形态并探索球晶生长机制是增强材料性能和实现疾病治疗的关键环节。传统球晶的制备方法通常依赖于对前驱体饱和溶液或聚合物熔体温度的精确调控，增加了开发不同形貌球晶和探索其自组装机理的难度。尽管在稀溶液中自组装形成球晶的模型近期已有报道，但该方法仍需预先制备复杂的聚合物，并需通过精确控制温度和孵育时间来控制球晶的形貌。
近日，四川大学周加境研究员与加州大学圣地亚哥分校Jesse V. Jokerst教授团队合作，开发了一种在室温下通过小分子均聚和自组装形成的球形晶体聚合物（rPBDT），研究了其组装机理并证明了其作为可示踪药物载体的潜力（图1）。
图1. 通过双硫键逐步聚合和苯环间π-π堆积形成的PBDT纳米粒子及通过二次逐步聚合和结晶形成的rPBDT球晶
研究以小分子1,4-苯二硫醇（Benzene-1,4-dithiol，BDT）为原料，BDT分子的巯基首先在碱性缓冲溶液中形成双硫键，进而逐步聚合形成聚合物链，苯环间的π-π堆积导致聚合物链组装成超分子纳米粒子（PBDT）。PBDT不仅尺寸均一（70.8 ± 8.7 nm），还可以通过种子生长法进一步生长至450 nm（图2）。
图2. 不同尺寸PBDT纳米粒子的形貌及元素组成
将PBDT纳米粒子置于良溶剂二甲基甲酰胺（DMF）中，苯环间的π-π堆积被破坏，导致PBDT分散并暴露出活性巯基，从而进一步通过双硫键逐步聚合形成分子量更大的聚合物链，并最终结晶形成球晶（rPBDT）。该溶解和逐步聚合的过程可以在1 min内实现（图3）。
图3. rPBDT球晶的形貌，元素组成及晶体结构
通过监测rPBDT的生长过程，研究发现rPBDT链首先组装成单个尖刺，然后多个尖刺从同一个中心生长形成束状，最后大量尖刺从中心延伸发散，组装形成准球形的rPBDT球晶。通过改变PBDT纳米粒子的浓度，可制备具有不同尖刺数量的rPBDT球晶。此外，rPBDT球晶还具有优异的溶剂稳定性，经四氢呋喃（THF）多次浸泡，形貌几乎没有改变（图4）。
图4.不同生长时间和PBDT纳米粒子浓度制备得到的rPBDT球晶及其溶剂稳定性
研究还发现，rPBDT具有在球晶领域鲜有报道的荧光特性，其原因可能是刚性双硫键和超分子结构的存在导致了聚合物链上的苯环旋转受阻，进而形成簇聚诱导发光（Clusterization-triggered emission，CTE）的现象。体外细胞毒性实验证明rPBDT球晶具有优良的生物相容性，表明其作为可示踪药物载体的巨大潜力（图5）。
图5. rPBDT的自组装机理和荧光特性
综上，本研究报道了一种温和、快速制备聚合物发光球晶的方法。通过PBDT粒子独特的溶解和再聚合性质，开发了一种通过小分子聚合组装形成球晶的策略。围绕rPBDT球晶自组装机理的研究证明了共价键在球晶形成过程中的重要作用，这也是以往研究工作中容易忽视的一个方面。该方法不仅创造了具有荧光的有机多层级结构，还为理解动态自组装提供了新的模型。
这一成果近日发表在Journal of the American Chemical Society上，并入选内封面论文。
导师介绍
周加境，四川大学研究员，博士生导师，国家级青年人才，四川省科协“海智计划”特聘专家。2011年本科毕业于四川大学，2016年博士毕业于新加坡南洋理工大学，2022年起就职于四川大学轻工科学与工程学院，专注于开发生物医学与环境应用的生物质基材料，发表学术论文80余篇，论文总引次数超4600次，其中以（共同）第一/通讯作者在 Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Nano、Biomaterials等国内外高水平学术期刊上发表论文20篇；申请中国专利5项，授权美国发明专利1项。
论文信息：
Qiantao Song‡, Yi Li‡, Zhicheng Jin, Hai Liu, Matthew N. Creyer, Wonjun Yim, Yanping Huang, Xiaobing Hu, Tengyu He, Yajuan Li, Shana O. Kelley, Lingyan Shi, Jiajing Zhou*, Jesse V. Jokerst*，Self-Assembled Homopolymeric Spherulites from Small Molecules in Solution，J. Am. Chem. Soc. 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c08356
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.3c08356
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
