多隔室納米粒子(Multicompartment nanoparticles, MCNs)一般是指具有多重相分離核的膠體納米結構。多隔室結構廣泛存在於生物體系中，例如細胞可以被視為一種具有多功能的複雜的多隔室體系；在更小的尺度下，血清白蛋白被認為是一種兼具親水/疏水微區的多隔室納米粒子，這些組成各異的微區在血液循環中分別承擔著運輸不同物質的作用。因此，MCNs由於其獨特的結構因而在生物技術以及生物醫學，如藥物遞送系統等領域具有巨大的應用潛力。
目前，人工構築的MCNs的結構複雜性仍遠低於生物體系中廣泛存在的多隔室結構，比如製備出類似於血清白蛋白結構的兼具親水/疏水微區的MCNs仍然是一個巨大的挑戰。基於這一問題，本研究設計併合成了一系列21臂星形聚合物聚乙二醇(聚丙烯酸-b-聚苯乙烯)20 [PEG(PAA-b-PS)20]，並以該類星形聚合物為組裝基元通過自組裝直接製備得到了不同形貌的兼具親水/疏水微區的MCNs。該星形聚合物獨特的拓撲結構是製備此類多隔室納米結構的主要原因。其中，20臂的PAA-b-PS鏈在溶液中表現為單分子膠束結構，其親水性內部PAA嵌段被外部疏水嵌段PS所約束，從而在自組裝過程中形成一個親水隔室(藍色，圖1)；與此同時，外部PS嵌段聚集形成疏水隔室(橙色，圖1)，而親水性PEG長鏈(綠色，圖1)則作為穩定劑起著穩定MCNs的作用。通過TEM和cryo-TEM研究發現該星形聚合物在水中可以自組裝形成多隔室膠束、囊泡以及串狀結構，如圖1e-g所示。
圖1. (a) 星形聚合物PEG(PAA-b-PS)20的合成路線；多隔室結構的示意圖（頂行）和TEM圖（底行）；(b, e)膠束；(c, f)囊泡；(d, g)串狀結構
進一步通過對中間態結構和不同濃度下自組裝結構的研究，研究者發現星形聚合物PEG(PAA-b-PS)20中PS和PAA的體積比(VPS/VPAA)是導致其形成不同自組裝形貌的主要原因，即隨著VPS/VPAA比例的增加自組裝形貌逐漸由多隔室膠束依次轉變為囊泡和串狀結構。最後，基於以上研究提出了一種新的星形聚合物自組裝的機理。該自組裝可以簡單分為兩個過程：在低水含量下，星形聚合物的外部疏水嵌段PS在PAA核表面塌縮為具有一定數目的patchy中間態結構，而表面patches的數量取決於星形聚合物的VPS/VPAA；隨著水含量的進一步增加，中間態patchy結構間發生進一步的聚集並形成不同形貌的多隔室結構，如圖2所示。該研究為水體系中製備兼具親水/疏水隔室的MCNs提供了思路，並且這類多隔室結構可能在納米醫學和異相催化等領域具有較大的應用潛力。
該研究成果近日以《水體系中基於星形聚合物自組裝製備兼具親水/疏水微區的多隔室納米粒子》(Multi-compartment Nanoparticles Bearing Hydrophilic/Hydrophobic Sub-domains by Self-assembly of Star Polymers in Aqueous Solution)為題，發表在高分子類旗艦期刊Macromolecules上。該論文第一作者為西安交大材料學院博士生霍浩輝，通訊作者為張啟路特聘研究員和劉峰教授，西安交大金屬材料強度國家重點實驗室和陝西省軟物質國際聯合研究中心為本文的第一單位。該研究工作得到了國家自然科學基金以及陝西省國際合作項目的資助。
論文連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c02213
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