一、研究背景

作为受自然启发的膜基结构之一，近年来，随着可控聚合物合成的新进展，聚合物体获得了很多关注。它们增强了膜的刚度，在膜的灵活性和化学设计及其性能方面具有多功能性，这使它们在微/纳米反应器、药物递送、细胞模拟等领域成为有前途的工具。然而，与无机纳米颗粒合成不同的是，在无机纳米颗粒合成中可以常规地生产非球形纳米颗粒，而从聚合物体中获得的稀少的形状限制了其全部潜力。在纳米医学中，纳米载体的形状被认为是控制其体内性能的一个新参数，与聚合物特性、颗粒大小和表面化学一样关键。此外，为阐明非球形生物膜形状形成的潜在机制，成功的细胞模拟也需要对聚合物体的形状进行更多控制。形状控制方法有望产生具有不同形态的聚合物体，并在双层膜上进行形状转换，这在不同领域的科学家中尚属首次，但也值得期待。

【资料图】

为了解决这个问题，在过去的几十年里，已经应用了若干策略。通过透析、加盐和添加聚乙二醇对聚合物体膜施加渗透压，研究人员能够形成口形细胞（弓形聚合物体）、管和口形细胞中的口形细胞等。另一种策略是将液晶（LC）侧链引入嵌段式共聚物，并基于组装在聚合物外壳内的二维LC晶格的限制，诱导形状转化。基于这一策略，Li等人和Thordarson等人能够制造出椭球状聚合物体、切面型聚合物体和四面体聚合物体。相比之下，已经观察到脂质体形成了更多不同的形态，不仅来自于对环境变化的反应，如渗透压和温度，也来自于生物膜激发的蛋白质相互作用。膜蛋白在与生物膜相互作用时可以诱发细胞的形状转变，为了模仿这种形状转变，他们小组最近开发了一种策略，其中聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）被用作具有疏水单元的蛋白质插入聚合物体膜的替代品。该研究证明，膜插入是一种成功的基于聚合物的形状转化策略。一些基于聚合物体的非轴对称形状被制造出来，如具有触角、回旋镖状、球拍状等形状的聚合物体。PNIPAm在此过程中通过链间聚集形成颗粒，这与蛋白质的聚集、表面活性剂在临界胶束浓度以上的自组装或任何其他两亲性物质类似。这种聚集可能导致不同的膜相互作用，并导致不同的曲率。在自然界中，离子作为内源性的小分子在各种生物功能中发挥着特定的作用。例如，人们发现离子的相互作用会影响蛋白质的稳定性，从而进一步影响其生理信号功能。利用盐离子研究膜蛋白的控制和膜的转化，对更好地了解自然界的膜是有意义的。有趣的是，离子也能改变PNIPAm等聚合物的特性。当与溶液中加入的离子相互作用时，PNIPAm的低临界溶液温度（LCST）可以降低。此外，离子还可以对聚合物膜提供额外的渗透压力，导致体积的轻微减少，从而导致不同的形状转变。

二、研究成果

在这项研究中，荷兰拉德布大学Daniela A. Wilson研究团队设计了一种基于膜插入策略的方法来进一步探索聚合囊泡的形态发生。同时，也阐明了盐离子在聚合物颗粒形态转变中的重要性。PNIPAm被用作聚合物膜插入中的疏水基序，并在体系中加入盐离子以调整PNIPAm的特性及其插入行为。这种策略使聚合体变成了多臂海星，其臂数取决于盐的浓度。研究了多臂形成背后的机制，PNIPAm的插入用负染色法和TEM-能量色散X射线图谱分析进行了可视化。此外，在增加膜弹性的同时，还观察到了章鱼状的形状。这些结果可以提供证据支持盐离子在聚合物膜中弯曲形成的作用，并了解盐离子和膜蛋白发挥关键作用的自然过程。同时，观察到的形状可能是设计刺激响应性纳米电机的良好候选。相关研究工作以“Morphogenesis of starfifish polymersomes”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。祝贺！

三、图文速递

他们小组以前进行的一项研究表明，插入膜中的外部疏水聚合物可以诱导局部膜弯曲，体积缩小也是形状转变的一个重要因素。在弯曲形成过程中，盐离子的加入可能会导致由于聚合物膜所经历的额外渗透压而产生体积缩小的形状。在自然界中，这些盐离子在操纵生物膜蛋白方面起着至关重要的作用。这种离子相互作用是否会发生在膜蛋白模拟聚合物PNIPAm上引起了他们的兴趣。为了探索对形状转化的潜在影响，他们首先研究了盐离子诱导的体积缩小，将不同量的NaNO3，从1到60 mM，引入到聚合物组溶液中。为了使膜具有进一步改变形状的灵活性，通过缓慢添加有机溶剂四氢呋喃（THF）和二恶烷（4:1）到溶液中，因为它们对聚苯乙烯有塑化作用。在加入23%的有机溶剂（四氢呋喃和二恶烷）后，对样品进行淬火，并使用电子显微镜（EM）进行分析，如图1a1-e1所描述。在没有盐离子的情况下，聚合体可以转化为扁平的盘状（图1a1，a2，g）。加入盐离子后，由于内部体积的额外减少，进一步推动了形状向半开放的口形细胞样聚合体转化（图1h）。这种减少从EM图像中两个双分子层之间的距离减少可以看出。此外，没有观察到其他非轴对称的形状，表明盐的添加可能不会在膜组成的变化中起作用。为了定量描述体积的减少，用基于傅里叶级数的参数化来拟合通过低温TEM获得的所有半开的口形细胞（图1a2-e2）。

为了研究盐和PNIPAm之间可能的相互作用，他们首先通过使用紫外-可见光谱测量不同浓度的NaNO3（0-60 mM）的PNIPAm水溶液中加入23%体积分数的助溶剂（VFC）时的溶液透射率来评估PNIPAm的构象变化（图2a, b）。当盐浓度从0mM增加到15 mM时，PNIPAm的LCST下降。然而，当更多的NaNO3被添加到体系中时，LCST略有回升。另一个有趣的观察是，在23%的VFC时，与PNIPAm的特定离子相互作用显示出超过LCST的疏水性变化。这意味着即使在低温下，PNIPAm也有轻微的疏水性，从图2a中透射率的下降可以看出。

总的来说，共非溶剂现象是PNIPAm的LCST变化的主要驱动力，盐离子在共非溶剂现象的基础上影响LCST。这种盐对微观层面上的LCST的影响也已经用动态光散射法进行了研究。如前所述，当在PNIPAm的水溶液中加入23%的有机溶剂（THF和二恶烷）时，PNIPAm会聚集成纳米级的颗粒。然而，颗粒随着溶液中加入不同数量的盐离子而变化（图2c）。例如，当加入15 mM的NaNO3时，PNIPAm颗粒的大小从100 nm膨胀到600 nm，PDI从0.1增加到0.7。相反，当加入3 mM的盐时，散射强度增加，然后当加入更多的盐时，散射强度进一步下降，表明颗粒通过加盐而膨胀和分解。此外，当盐的浓度增加到30和60 mM时，用DLS检查的这些样品的尺寸和光散射强度没有明显变化，表明没有颗粒形成。尽管UV-Vis实验已经证实了PNIPAm的疏水性，但DLS结果显示，由于盐离子的结合，PNIPAm链保持分离，同时也变得疏水性强（图2e）。这有利于PNIPAm插入聚合物膜中。

为了观察PNIPAm插入聚合物体膜的情况，在用TEM检查之前，采用了阴性染色法，因为PNIPAm不染色就不可见。为了提高图像的对比度，他们选择了重金属Cu2+与PNIPAm的酰胺基配位，在检查前形成CuO晶体（称为黑色固体）。这里，用盐离子添加法观察到的聚合体在除去游离的PNIPAm后用CuSO4染色。然后用TEM检查铜离子复合物的存在。如图4a，b所示，沿膜观察到黑色晶点，表明PNIPAm在这些扁平聚合体的整个周边插入了几个臂。在实验过程中，四个元素（O、Cu、C、N）被映射出来。首先，如图4c所示，拍摄所选颗粒的TEM照片。用CuSO4对一个有多个突起的聚合体进行染色，结果在突起的地方积累了一些黑点。随后，对样品的薄层横截面进行了分析，并收集了几种元素的X射线发射。该光谱显示了C、N、O、Cu和Ni的存在（来自网格）。为了直观地看到每种元素在聚合物体上的分布，应用了绘图分析。碳的分布显示了聚合体的位置，而N的分布可能来自PNIPAm链中的氮。正如预期的那样，Cu和O主要是在PNIPAm插入的突起处检测到的（图4c），证明黑点是铜离子复合物，PNIPAm主要位于突起处。

四、结论与展望

总而言之，研究者通过将PNIPAm作为响应的疏水单元，并利用盐离子来调节PNIPAm的特性及其与聚合物膜的相互作用，成功地调整了聚合物膜上的曲率形成。制备了具有多臂的聚合物体，而且臂的数量与盐浓度有关。盐浓度越高，可以形成越多的臂。此外，通过研究盐离子对PNIPAm的影响以及PNIPAm与膜的相互作用，研究了这种盐离子辅助PNIPAm插入的机制。有机溶剂、水和盐离子可以形成一种不良的溶剂环境，在这种环境中，PNIPAm仍然具有部分疏水性。此外，PNIPAm没有形成链间聚集，而是保持为单一的溶胀链，这使它们有更多机会插入到膜中。使用ITC测量证实了盐离子有利于插入，因为当加入盐离子时，疏水性PNIPAm与膜的相互作用需要最低的熵值。此外，当膜变得更加灵活时，观察到了章鱼状的形状，这些PNIPAm被嵌入到膜中，用于潜在的刺激反应性的纳米马达。由于盐离子对PNIPAm和蛋白质表现出类似的影响，他们希望这项研究可以为理解盐离子在生物膜曲率形成中的作用提供证据。这第一个策略也使他们能够制造出具有刺激性反应膜的聚合物基纳米系统，用于各种应用。

五、文章官网链接

链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39305-8