中科大刘世勇团队Angew：单分散逐级自降解聚合物受控自组装

与传统的合成聚合物相比，自然界中核酸和蛋白质的精确链结构、序列和分子量主导着分子内和分子间的相互作用，促进了对其生物功能至关重要的三维纳米结构的形成，如DNA的双螺旋和蛋白质。而单分散聚合物具有单一的分子量和确定的化学结构，因此与传统的聚合物表现出不同自组装行为。为了模仿核酸和蛋白质的这些精确结构和自组装行为，并了解化学结构-性能的相关性，高分子化学科学工作者正积极参与具有精确链和序列结构的单分散聚合物的合成工作。现阶段，已经提出了一些合成策略，如迭代链增长、单体单元插入（SUMI）、以及可控聚合等。

中国科学技术大学刘世勇团队将单分散和刺激响应自降解两种特性相结合，合成了一系列具有刺激响应自降解和单分散特性的聚合物。众所周知，刺激响应自降解聚合物（SIPs）是一种对特定的刺激反应性聚合物，一旦刺激触发聚合物降解反应，就会发生自发的端到端解聚 。这种聚合物自2003年发现以来，具有内置信号放大功能的刺激响应自降解聚合物已在许多领域显示出巨大的潜力，如分析物检测、聚合物回收和生物医学应用等。

为了进一步这种聚合物的自组装特性以及单分散性对降解行为的影响，近期，刘世勇团队对其进行了深入研究。他们合成了一系列单分散自降解低聚脲，主要是由具有双烷基尾部的紫外线（UV）光反应触发器、树枝状PEG（dPEG）终端和N-萘甲酸酯（Mer）或N-（3-氟苯基）氨基甲酸酯（FMer）重复单元组成的低聚物。研究发现，除了在紫外光照射下的自降解外，这些低聚脲在串联质谱法条件下经历了苄基-O连接的选择性裂解，而由于dPEG末端对Na+离子的优先亲和力，只有带有dPEG末端的片段可以通过串联质谱法检测。这些离散的两亲物在水溶液中组装成独特的形态，如扁平的纳米片、圆柱形的胶束（纳米纤维）和纳米带，自组装形态取决于链长和骨架的组成。并且，这些组合物在热退火后还会经历进一步的形态转换。该工作以题为“Controlled Self-Assembly of Discrete Amphiphilic Oligourethanes with Cascade Self-Immolative Motif”的文章发表于Angewandte Chemie上。

单分散刺激响应自降解聚脲的自降解性

含有N-芳基-氨基甲酸酯连接的离散低聚脲可以在紫外光照射下去除端基触发器后会发生自发的1,6-消。以文中合成的2Ci8-Mer4-DPEG为例，首先将其分子溶解在混合溶剂中（THF/甲醇/H2O，5/4/1，v/v/v）。在紫外光照射下，搅拌30分钟，在预定的时间点取等分样品进行SEC分析。在~17.5分钟的2Cis-Mer4-dPEG低聚物洗脱峰明显减少，定量分析显示84%的2Ci8-Mer4-dPEG在照射的30分钟内被解聚。同时，在低分子量范围内观察到对应于dPEG、含有2c18的终端和其他降解片段的洗脱峰，证实了离散型低聚脲的光介导级联降解。

除了光刺激下导致的单分散低聚物的解聚，他们还意外地发现，即使没有事先用紫外光照射，在MALDI MS/MS分析下也能选择性地裂解苄基-O连接。以2Ci8-Mer4-dPEG为例，观察到对应于单体加成离子的峰（[M + Na]+）和dPEG终端的的离子峰。2Ci8-Mer1-dPEG、2Ci8-Mer2-dPEG、2Ci8-Mer3-dPEG和2Ci8-Mer8-dPEG低聚物的MS/MS分析进一步证实了苄基-O链接被选择性地裂解。

单分散刺激响应自降解聚脲的自组装行为

文中还研究了这类在水溶液中的自组装行为。尽管离散聚合物的成功制备使人们能够模仿具有精确序列和分子量的天然蛋白质和核酸的自组装，并了解结构均匀性如何影响自组装行为，但对单分散自降解低聚物的自组装研究仍然难以捉摸。疏水的双烷基和亲水的树枝状PEG终端共存于这些离散的低聚物中，有利于研究它们精确的结构差异性自组装行为。

首先研究了重复单元的数量（链长）对聚合物在水溶液中的自组装的影响。通常情况下，将离散的低聚脲溶解在1,4-二氧六环中，然后用注射泵在25℃搅拌下以1mL/h的速度加入去离子水。通过对去离子水进行透析，去除有机溶剂。通过该方法，2Ci8-Mer2-DPEG自组装成扁平的平行排列的纳米纤维的纳米片，通过原子力显微镜（AFM）测量这些扁平纳米片的厚度为~5.5nm。值得注意的是，这些纳米片显示出显著的平坦性，这是由于单分散的2Ci8-Mer2-DPEG的独特的链结构加强了链内和链间的非共价相互作用。2Ci8-Mer2-DPEG的扁平纳米片在退火后转变为纳米带。虽然厚度没有显示出明显的变化，但形成的纳米带显示出长度的增加和宽度的减少。与2Ci8-Mer2-DPEG不同，增加重复单元的2Ci8-Mer4-DPEG形成了长的纳米纤维，直径约为10nm。退火后，这些纳米纤维转变为直径约为16纳米的相互缠绕的纳米纤维。这可能是由于主干拉长而产生的更强的分子间相互作用。而萘的不对称性提供了独特的n-n堆积效应，使它们更容易扭曲和纠缠。在研究了单分散的2Ci8-Mer2-dPEG和2Ci8-Mer4-dPEG的链长依赖性自组装后，接下来研究了带有N-（3-氟苯基）氨基甲酸酯连接的2Ci8-Mer8-dPEG的自组装行为。2Ci8-Mer8-dPEG在水溶液中自组装成宽度为~24 nm的纳米带，退火过程导致形成直径为54 nm的纳米纤维束。这可能是由于骨架上的氟化段赋予了高电负性和氟化基团的特殊相互作用。

小结：该文报道了基于N-萘基氨基甲酸酯或N-（3-氟苯基）氨基甲酸酯）骨架的单分散自降解低聚物的模块化合成及其自降解特性和自组装行为。这些但分散低聚物不仅可以光介导的级联解聚，而且还在串联质谱条件下选择性地裂解了苄基-O连接。这些单分散自降解低聚脲具有独特的自组装纳米结构，如扁平纳米片、纳米纤维和纳米带，通过热退火可以进一步转化为其他形态。这项工作为有效地合成离散的自溶低聚物提供了一个可行的手段，并且为研究精确的链结构如何影响自组装行为提供了方法。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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