《Angew》微流控將量子點和生物分子精準控制嵌入二肽水凝膠

2021-01-15 Macromolecule

【背景介紹】

通過簡單地將它們嵌入凝膠中而沒有永久的共價鍵，就可以裝載多個有機分子，酶或無機顆粒。尤其是，基於Fmoc-FF的水凝膠獨特的生物相容性，生物降解性，自愈性和剪切稀化特性為作為可注射載體的生物醫學應用鋪平了道路。但是，迄今為止，基於Fmoc-FF的組裝與多個功能分子的截留相結合幾乎完全是在宏觀規模上完成的，並通過改變靜態溶液中的濃度或溶劑進行了研究。為了對自組裝結構的形成進行精確控制，並研究層流中的動態流動而不是燒瓶中一定程度的湍流，微流體技術是首選方法。

【科研摘要】

作為低分子量水凝膠劑，二肽水凝膠材料適合嵌入多種有機分子和無機納米粒子。最近，德國萊布尼茨工業大學德勒斯登分校Yue Li，Julian Thiele以及中科院化學所李峻柏研究員團隊介紹了一種簡單但可精確控制的方法，該方法能夠通過微流體通道內的超分子組裝來製造基於二肽的水凝膠。相關論文Embedment of quantum dots and biomolecules in an insitu formed dipeptide hydrogel using microfluidics發表在《德國應用化學》上。研究人員將水溶性量子點（QD）以及在二甲亞碸（DMSO）中預混合的卟啉和二肽注入到一個Y形微流控連接處。在DMSO/水界面處，開始進行基於二肽的水凝膠的密閉製造。此後，形成的水凝膠以連續的方式沿著曲折形的微流體通道流動，逐漸完成凝膠化和QD截留。與常規試管中的水凝膠化相比，微流體控制的水凝膠化在材料形態和納米粒子分布方面導致了定製的二肽水凝膠。組成，濃度和流速的變化會導致水凝膠納米結構和性能的變化。通過停止水凝膠流動並移除微流控設備的微通道部分，可以在微流控設備內部的各個位置捕獲QD的動態組裝和逐步捕獲。通過進一步的分析，作者確認了量子點被以非共價方式截留在水凝膠內部由二肽和卟啉組成的納米纖維之外，並且可以實現水凝膠內部的有機/無機能傳遞。超分子肽構建基的「自下而上」自組裝與水凝膠形態和納米粒子可嵌入性的「自上而下」微流體控制的獨特結合，為在一個協調的系統中集成多個分子實施量身定製的流通矩陣提供了基礎穩定均勻地捕獲目標化合物。

【圖文解析】

首先，兩種不同的卟啉，5,10,15,20-（四-4羧基苯基）卟啉（TCPP）和5,10,15,20-（四-4氨基苯基）卟啉（TAPP），由於羧基或氨基端基均用於研究這些差異是否對形成的納米纖維的形態有影響（圖1a）。連接到蜿蜒狀流出通道的Y形微流結可連續產生所需的雜化水凝膠（圖1b，e和f）。除去微流體裝置的聚二甲基矽氧烷（PDMS）蓋後，水凝膠結構保留在玻璃基板上（圖1g和h），例如Fmoc-FF/TCPP/QD，可用於進一步表徵光學特性和結構。

圖1.（a）Fmoc-FF，TCPP和TAPP的化學結構。（b）通過微流體連續製造的超分子組裝水凝膠的示意圖。（c）將動態DMSO/水界面，TCPP和Fmoc-FF的光學顯微鏡和（d）螢光圖像預先溶解在DMSO中，將QD-520分散在水中。（e）本研究中使用的微型設備的光學照片。（f）Fmoc-FF/QD-520/QD-570/QD-610/QD-710水凝膠的螢光顯微鏡圖像，在365 nm紫外燈照射下形成微型設備。（g）除去PDMS蓋後，水凝膠保留在玻璃基板上。（h）Fmoc-FF/TCPP/QD-520水凝膠的三維圖像，圖1g中的選定部分。

接著，作者比較了兩種卟啉（TCPP和TAPP）和Fmoc-FF的相互作用，它們在主體中預先混合，並在微流體通道中動態混合。在沒有QD分散在水中的情況下，使用吸收和螢光光譜法檢查了水凝膠前體溶液的光學性質及其成核為水凝膠的能力（圖2b至d）。

圖2.（a）二肽和卟啉共組裝的示意圖。（b，c）Fmoc-FF水凝膠，溶解在DMSO中的卟啉（作為單體），水中的卟啉（作為聚集體）和Fmoc-FF/卟啉水凝膠的UV/vis光譜。（d）Fmoc-FF水凝膠，溶解在DMSO中的卟啉（作為單體），水中的卟啉（作為聚集體）以及具有不同Fmoc-FF濃度的Fmoc-FF /卟啉共組裝水凝膠的發射光譜。（e）具有不同放大倍率的Fmoc-FF水凝膠的SEM圖像。

QD並不嵌入二肽原纖維組件內部，而是僅被被動地截留在Fmoc-FF / TCPP原纖維網絡的空隙中或保留在納米纖維的表面（圖3a至e）。

圖3.（a）Fmoc-FF水凝膠，（b）Fmoc-FF/TCPP水凝膠和（ce）Fmoc-FF/TCPP/QD-520水凝膠在水中的濃度不同的TEM圖像 通過微流體製備。（f）Fmoc-FF/TCPP/QDs散裝水凝膠和QDs分散在水中的螢光光譜。（g，h）（g）具有不同濃度的TCPP的Fmoc-FF/TCPP本體水凝膠和（h）具有不同濃度的QD-520的Fmoc-FF/TCPP/QD-520本體水凝膠的流變學表徵。

除了調查散裝到Fmoc-FF/卟啉基水凝膠系統中的QD的一般相互作用外，作者還進一步研究了QD在微流製備的水凝膠中的動態截留。為此，從進水口1、2共注入DMSO中的Fmoc-FF/TCPP和水中的QD（圖4a）。然後，在曲折狀的流出通道中發生基於擴散的混合和水凝膠化，其反覆變細也使能夠研究流動方向對纖維形成的影響（圖4a-c）。特別是在彎曲部分（圖4d和e），出現了由傳統的扭曲納米纖維和直納米纖維組成的Fmoc-FF獨特組織。作者將這種複雜的形態歸因於這些微通道部分中獨特的三維混合輪廓（圖4f）。

圖4.（a）微通道的二維幾何結構。（b）圖4a中標記的區域DE1-6的螢光顯微圖像，綠色信號來自水中的QD-520，紅色信號來自DMSO中的TCPP。（c）老化3天後，通過去除PDMS覆蓋物，在區域C7中狹窄位置的Fmoc-FF/TCPP/QD-520水凝膠的CLSM圖像。（d）圖4a中的區域F1-2的幾何圖示。（e）圖4a中所示的不同位置的光學顯微圖像，記錄了水和DMSO的動態流動和混合。（f）在圖4a中的區域F1-2中原位形成的Fmoc-FF的SEM圖像。

作者還將額外的收集埠添加到流動槽中帶有微通道的PDMS部分中的流出通道的不同位置，以表徵關於不同流動歷史和混合狀態以及不同膠凝時間的Fmoc-FF/TCPP/QD。如圖5b和c所示，與在更靠近Y結的出口處收集的那些或所獲得的那些相比，表徵後完全通過流通池的Fmoc-FF/TCPP/QDs水凝膠在吸收光譜中的紅移較少通過常規混合而沒有相同體積的微流體（圖5c中的紅色斑點）。

圖5.（a）在微型設備內部不同區域組裝的Fmoc-FF/TCPP/QD的一系列SEM圖像。（b）分散在水中的QD，通過微流體（MF）製備的Fmoc-FF/QDs水凝膠和沒有微流體的Fmoc-FF / QDs水凝膠的歸一化發射光譜，其體積為100 L。（c）通過圖5b中的擬合曲線得出最大吸收峰。對於微通道長度的100％，50％和25％的微流體，可通過將出口管分別插入圖5a中標記的B3，B5和B10中來實現。

為了研究雜化水凝膠中卟啉和量子點之間的功能相互作用，作者利用福斯特共振能量轉移（FRET）研究了水凝膠系統中有機和無機部分的相互作用。這些測量結果還為通過微流控技術製造的Fmoc-FF/TCPP/QDs水凝膠的超分子組織提供了見識。QD發射和卟啉吸收之間的光譜重疊（圖6b）是能量從QD（供體）轉移到卟啉（受體）的先決條件（圖6a）。隨後，作者比較了TCPP和QD之間具有不同濃度比的Fmoc-FF水凝膠的螢光信號。

圖6.（a）Fmoc-FF/卟啉/QDs水凝膠中能量轉移的示意圖。（b）Fmoc-FF/TCPP水凝膠的吸收光譜和量子點的發射光譜。（c，d）在（270）固定濃度的Fmoc-FF和QD-570，增加的TCPP濃度和（d）固定的濃度Fmoc-FF在270 nm激發的Fmoc-FF / TCPP / QD-570水凝膠的發射光譜 FF和TCPP，提高了QD-570的濃度。（e）QD-520，QD-570，QD-610，QD-710的螢光信號對雜化水凝膠中TCPP濃度的影響。（f）從微型設備收集的Fmoc-FF / TCPP / QD-570水凝膠的CLSM圖像。

參考文獻：doi/abs/10.1002/anie.202015340

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