杜建忠教授创新构建“四臂囊泡”，展现粒子自组装之美

我校材料科学与工程学院、附属第十人民医院杜建忠教授受生物体内囊泡融合现象启发，结合“刚柔并济、不偏不倚”的思想，提出了“融合诱导粒子自组装”的新策略，构建了美轮美奂的四臂囊泡。近日，这一研究成果以“Tetrapod polymersomes（四臂囊泡）”为题，在线发表于国际顶级化学期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。


自然界中，存在着丰富多彩的多臂颗粒，如花粉表面的凸起、冠状病毒的刺突。花粉的凸起是为了方便传播，而病毒的刺突则可以促进与细胞膜的融合。生物体中，还存在着一种与病毒相似的空心颗粒，即囊泡。作为细胞内的“运输大队长”，它参与了激素分泌、神经递质释放、免疫反应等许多重要的生命活动。当囊泡到达终点时，就要开始冲刺，与目的细胞器融合。在其融合过程中的一些科学奥秘，早已被生物学家揭开。

化学家和材料学家基于这些规律，制造一些很小的纳米材料，它们通常只有一根头发丝的千分之一。高分子囊泡就是这些纳米家族的一员，具有“外冠-膜层-内冠”结构，可以很好地分散在水中，因此可应用于医药等领域。它是通过一种叫做“自组装”的技术制造而成的。目前，自组装已经成为制造纳米材料的一把利器。

 在囊泡之间融合的过程中，主要受到一种名为“膜张力”的力量支配。就像小朋友吹的肥皂泡，所谓膜张力，就是使肥皂泡绷紧的力。肥皂泡绷得越紧，膜张力越大，就越容易破裂或者合并，同时释放张力。

杜建忠教授构建的四臂囊泡具有“刚柔并济”的特点。囊泡的大小一般在100纳米，囊泡膜可变形、可伸展、可压缩、可折叠，是“能屈能伸、八面玲珑”的典范。然而，囊泡膜的物理性质如膜弯曲能、膜弯曲刚度、膜张力等，与其化学结构（类似于生物中的“基因”）密切相关。尤其是在融合时，起决定作用的是膜张力。因此，四臂囊泡膜既有刚性的分子链（如TBA），又有柔性的分子链（如DEA），使它们相互制衡、相得益彰。


“不偏不倚”特点也在四臂囊泡中得以体现。在随后以囊泡为单元的粒子自组装过程中，TBA链段将起“促融”作用（pro-fusion），而DEA链段则起“抗融”作用(anti-fusion)。这两种作用必须符合“不偏不倚”的中庸之道，否则就不会产生四臂囊泡。而且，在粒子自组装过程中，通过含水量、溶剂进一步调控囊泡冠层的排斥程度、囊泡之间的粘附性能、囊泡的膜张力，在“表达”层面，调控囊泡融合产物的多样性。在低含水量的时候，形成球形囊泡；随着含水量的增加，球形囊泡逐渐融合形成双头囊泡、三脚囊泡。当含水量为100%时，就融合成四臂囊泡。



“四臂囊泡是‘刚柔并济、不偏不倚’的结晶，是分子设计之美、大分子自组装之美、粒子自组装之美。”杜建忠教授说，该融合诱导粒子自组装原理还可以拓展到更广阔的空间。

材料科学与工程学院博士生肖建刚为论文的第一作者，杜建忠教授为通讯作者。该研究得到国家杰出青年科学基金资助。

论文链接： https://doi.org/10.1021/jacs.9b12925

杜建忠教授课题组主页：  https://jzdu.tongji.edu.cn/