Adv. Mater.：首次發現高分子均聚物材料的共價自組裝

一、【導讀】

自組裝在自然界和材料科學中起著至關重要的作用。在自然界中，生物分子組裝成細胞器，進一步組裝成細胞和多細胞生物體。類似地，自組裝用于材料合成，可以將小型獨立單元組裝成越來越復雜的結構和材料。聚合物作為常見的分子單元，已被用于制備納米顆粒、纖維和水凝膠等材料。盡管這些材料在許多領域（特別是生物醫學領域）至關重要，但它們有著根本的局限性：目前的報告的聚合物大多通過相對較弱的非共價相互作用（如疏水、靜電或π–π堆疊相互作用和氫鍵）自組裝，這些對環境條件（如溶劑極性、溫度、離子強度、pH值等）非常敏感。此外，即使優化這些條件以穩定聚合物組裝體，控制所得聚合物的結構也是極其困難的，這進一步使材料合成復雜化，甚至無法在不破壞聚合物成分的情況下獲得目標聚合物。由于非共價聚合物交聯的自限性，開發由共價交聯觸發和控制的聚合物自組裝是合理的解決方案。

二、【成果掠影】

近日，德國亞琛工業大學Yang Shi課題組報告了一種共價聚合物自組裝作為合成多尺度分級凝膠網絡的新策略。這種新方法被稱為共價交聯驅動自組裝（COSA），以一種獨特的酮類均聚物為例，該均聚物在與二酰肼交聯劑交聯期間表現出前所未有的自組裝行為。COSA已被證實可以解決非共價聚合物自組裝的缺點，并可簡單有效地制備從納米到宏觀尺度的水凝膠，并且具備簡單協議和嚴格可控的物理化學性質。COSA通過一種新的控制策略進行了靈活調整，使得用現有方法生產具有挑戰性的材料成為可能。本研究開發了誘導和控制聚合物自組裝的新策略，可以真正改變水凝膠材料的合成，并用于多種生物醫學應用。相關研究成果以題為“Controlled covalent self-assembly of a homopolymer for multi-scale materials engineering”發表在知名期刊Adv. Mater.上。

三、【核心創新點】

1、研究人員開發新型的共價交聯驅動自組裝（COSA）策略，避免了傳統凝膠制備方法穩定性低、過程控制困難和制造技術復雜等挑戰，并將其用于納米及宏觀尺度凝膠制備。

2、通過調節共價交聯速率，共價聚合物自組裝受到新的控制機制的控制，從而具備嚴格控制的尺寸范圍，并能直接實現微凝膠顆粒的3D打印。

四、【論文掠影】

圖一、OPMA的聚合和pOPMA的COSA

（A）通過RAFT和自由聚合合成pOPMA的示意圖。

（B）OPMA的RAFT（上）和自由基（下）聚合產物在水溶液和有機溶劑中的溶解照片。

（C）pOPMA（藍色）與己二酸二酰肼（ADH，橙色）共價交聯的反應圖示，由H⁺或苯胺催化。

（D）pOPMA形成納米凝膠的共價自組裝示意圖，在低交聯度（上圖）和高交聯度（下圖）下，納米凝膠進一步自組裝成宏觀水凝膠。

圖二、COSA法制備pOPMA基納米/微米尺度水凝膠

（A）COSA前后pOPMA和ADH水溶液的照片。

（B-C）pOPMA納米凝膠的CryoSEM和DLS圖像。

（D）在SDS溶液中制備pOPMA納米凝膠的DLS圖像。

（E）在鹽溶液和尿素溶液中制備pOPMA納米凝膠的尺寸和PDI分布。

（F）由Alexa-555和Alexa-647標記的pOPMA鏈的COSA誘導的FRET的示意圖。

（G）COSA期間的發射光譜。

（H）水（pH=7.4）、小鼠血清和DMSO中pOPMA凝膠的照片。

（I）pOPMA凝膠的SEM照片。

（J-K）小鼠中pOPMA和ADH的針頭注射和原位凝膠化。

圖三、可控交聯速率的COSA

（A）不同交聯速率的pOPMA納米凝膠的DLS尺寸分布。

（B）在pH為5.0至7.4的范圍內形成的pOPMA納米凝膠的尺寸和PDI。

（C）ADH消耗的t_1/2和光散射強度（LSI）的t_1/2的大小和比率之間的線性相關性。

圖四、pOPMA微凝膠分層組裝的多孔支架

（A）在分散相的高pH值和低pH值下微流控制備pOPMA微凝膠的示意圖，產生單獨的微凝膠或微凝膠纖維。

（B）通過微流體產生的微凝膠（左）和微凝膠的SEM圖像（右），顯示它們由納米凝膠組成（底部）。

（C）pOPMA微凝膠在微流體出口（左）自組裝成纖維，和打印在玻璃基板上的照片（右）。

（D-G）打印為平面和三維多孔支架的pOPMA微凝膠基纖維的SEM圖像。

（H）改性后在pOPMA微凝膠基纖維的表面和孔隙中鋪展的L929成纖維細胞的SEM圖像。

五、【前景展望】

綜上所述，研究人員為生物醫學材料建立了一種全新的共價聚合物自組裝策略。該策略在機制上不同于傳統的非共價自組裝，也就避免了穩定性低、過程控制困難和制造技術復雜等挑戰，同時還兼具簡單和環境友好的制造條件以及更好地控制材料的物理化學性質，例如尺寸和形態。新型共價聚合物自組裝將在生物醫學工程的材料合成中具有廣泛的應用，包括藥物傳遞和組織工程。

文獻鏈接：Controlled covalent self-assembly of a homopolymer for multi-scale materials engineering (Advanced Materials 2022, DOI: 10.1002/adma.202109701)

團隊簡介：Yang Shi課題組 (Polymer Therapeutics)成立于德國精英大學，德國TU9 聯盟高校亞琛工大（https://exmi.rwth-aachen.de/cms/EXMI/Das-Institut/Yang-Shi）。 課題組目前主要研究方向包括：1. 腫瘤靶向高分子膠束制劑的臨床轉化研究，2. 免疫激動高分子-前藥偶聯物的開發，3. 基于新型共價鍵自組裝的nano-to-macroscale水凝膠及3D打印。課題組部分工作發表于JACS, Advanced Materials, Chemical Society Reviews，Advanced Functional Materials, Advanced Science, Biomaterials, Journal of Controlled Release等領域頂刊。近年獲馮·卡門學者，歐洲科學獎等個人學術稱號，主持亞琛工大卓越戰略基金和德國科學基金會DFG項目。2021年榮獲歐盟最高規格科研基金ERC項目資助。