English

• 电荷复合自组装是广受关注的一类自组装形式^[1~3].近年来, 诸多学者开展了电荷复合自组装的研究, 使得电荷复合自组装得以被应用于光伏^{[4, 5]}、表面处理^[6~8]、光电器件^[9~11]、膜技术^[12~15]、传感器^[16~18]、药物递送^[19~20]、基因治疗^[21]等领域.在被用于电荷复合自组装的高分子中, 聚肽由于可在不同条件下表现出不同的构象和组装行为, 给予了电荷复合自组装更多的可能性而受到广泛关注^[22~30].利用聚肽与小分子和聚电解质分子电荷复合自组装, 可以得到球状胶束、棒状胶束、囊泡、螺旋飘带等多种组装形貌.当聚肽嵌段展现出手性二级结构时, 通常显示为刚硬的螺旋结构, 所以与聚肽电荷复合的物质一般为自由度非常高的小分子或柔软链段的大分子, 这些化合物不会对组装体的形貌产生引导作用.然而, 在聚合物的电荷复合自组装中, 如果发生相互作用的正负电荷部分均为刚硬的构象, 它们将遵循何种组装规律, 目前还没有被深入探讨.这也是自组装领域令人感兴趣的课题之一.

  我们引入本身对组装具有引导作用、又可与聚肽发生电荷相互作用, 并且具备较高自由度的刚硬大尺寸小分子4-甲基-4-氮杂[4]螺烯鎓离子(Me[4]H)与两亲嵌段聚肽聚乙二醇-b-聚(L-谷氨酸) (PEG-b-PGlu)进行电荷复合自组装.螺烯是一类具有独特的固有手性和光学特性的芳香分子^[31], Me[4]H分子具有刚硬的近平面构象, 可以通过π-π堆叠对自组装产生诱导作用, 也能在组装过程中随大分子链运动. PEG-b-PGlu则通过端氨基聚乙二醇(mPEG-NH₂)引发L-谷氨酸-苄基-N-羧基内酸酐(BLG-NCA)开环聚合, 然后脱去保护基团得到(Scheme 1)^[32~34].在水溶液中, 低pH值和羧基阴离子被中和时, 聚(L-谷氨酸)(PGlu)链段为刚性的α-螺旋构象, PEG-b-PGlu是刚-柔构象的两亲性聚合物; 高pH值时, 由于羧基电离度增加, 电荷排斥作用导致α-螺旋解体, 两嵌段均表现为柔性的无规线团构象.通过调节PGlu嵌段长度、Me[4]H加入量以及pH值, 使PGlu与Me[4]H之间相互作用力、电荷复合部分的疏水性、亲疏水部分体积分数以及PGlu嵌段的构象等因素发生变化, 研究在π-π堆叠诱导下的刚-柔到柔-柔构象可调的两亲嵌段聚合物的组装行为, 总结其规律.本研究不但填补了电荷复合自组装领域的研究空白, 而且为两亲聚肽嵌段聚合物载体通过电荷复合作用搭载刚硬构象的功能分子进行药物递送、制备功能化组装体等应用提供了很有价值的参考.

  图式 1

  

  图式 1.  PEG-b-PGlu的合成路线

  Scheme 1.  Synthetic route of PEG-b-Pglu

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  1.   结果与讨论

  1.1   PEG-b-PGlu和Me[4]H的表征

  本实验中采用的mPEG-NH₂相对分子量均为2.00×10³, 嵌段数为45, 合成的聚乙二醇-b-聚(L-谷氨酸苄酯)(PEG-b-PBLG)参数如表 1中所示, n表示聚(L-谷氨酸苄酯)(PBLG)的嵌段重复单元数.基于凝胶渗透色谱(GPC)结果以及每个结构单元的相对分子质量, 计算出各嵌段共聚物中PBLG的实际嵌段数如表 1.将按照投料比计算得到的嵌段数结果与GPC结果得到的嵌段数进行对照, 数值相近, 同时, 分子量分布(PDI)均低于1.20, 说明反应按照预期进行^[32~34].由于脱保护后难以准确测得嵌段聚合物分子量, 因此实际PGlu嵌段数以对应PEG-b-PBLG计算出的嵌段数为准. PEG-b-PBLG脱保护后得到的PEG-b-PGlu的核磁共振氢谱(¹H NMR) (D₂O, 400 MHz)结果为δ: 4.00~4.30 (α-次甲基), 3.30~3.75(聚乙二醇(PEG)亚甲基), 2.00~2.40(与羧基相连的亚甲基), 1.70~2.00(与α-碳相连的亚甲基), 7.30左右没有芳环的质子峰出现, 表明聚合物脱保护完全.

  表 1

  

  表 1  PEG₄₅-b-PBLG_n的参数

  Table 1.  Parameters of PEG₄₅-b-PBLG_n

  下载: 导出CSV

  Copolymer	Mn(exp)a (×104)	Mn(obt)b (×104)	DPexp, PBLGc	DPobt, PBLGd	PDI
  PEG45-b-PBLG10	0.38	0.40	10	10	1.13
  PEG45-b-PBLG24	0.58	0.66	20	24	1.18
  PEG45-b-PBLG36	0.83	0.89	30	36	1.19
  PEG45-b-PBLG50	1.10	1.17	50	50	1.06
  PEG45-b-PBLG71	1.44	1.57	70	71	1.08
  a Mn(exp)表示根据投料比计算出的平均分子量; b Mn(obt)表示GPC测出的相对分子质量; c DPexp, PBLG表示根据投料比计算出的PBLG嵌段数; d DPobt, PBLG表示根据GPC结果计算出的PBLG嵌段数.

  1.2   PGlu嵌段长度对组装体形貌的影响

  将疏水嵌段长度不同的PEG-b-PGlu分别与Me[4]H在水中进行电荷复合自组装, 其中PEG-b-PGlu与Me[4]H之间的羧基与鎓离子之比为1:0.5, 溶液的pH值为6.0, 探究疏水链段长度对组装体形貌的影响, 透射电子显微镜(TEM)照片如图 1所示.

  图 1

  

  图 1.  不同疏水嵌段长度的PEG-b-PGlu与Me[4]H在水中电荷复合自组装的TEM照片(pH＝6.0, 羧基与鎓离子之比为1:0.5)

  Figure 1.  TEM images of the self-assembly of PEG-b-PGlu with various hydrophobic block lengths charge-conjugated Me[4]H in water (pH＝6.0, carboxyl group and onium ion ratio is 1:0.5)

  (A) PEG₄₅-b-PGlu₁₀; (B) PEG₄₅-b-PGlu₂₄; (C) PEG₄₅-b-PGlu₃₆; (D) PEG₄₅-b-PGlu₅₀; (E) PEG₄₅-b-PGlu₇₁; (F) Me[4]H as a comparison

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  由图 1A可见, PEG₄₅-b-PGlu₁₀与Me[4]H组装成了长约20 μm, 宽约1 μm的长指针状组装体.随着PGlu嵌段数逐渐增加, 加入的Me[4]H也同比例增加, 组装体中疏水部分的体积分数逐渐增大, 此时组装体系的形貌变化规律并不遵循传统的大分子自组装规律, 而是得到尺寸逐渐减小的片状结构.由图 1B可见, PEG₄₅-b-PGlu₂₄与Me[4]H组装成了长度在15 μm左右, 最宽约1.0 μm的长指针状组装体.当PGlu的嵌段数达到36时, 组装体变化为较为均匀的长约6.0 μm, 宽约为0.3 μm的条带状组装体(图 1C), 当疏水嵌段数达到50时, 组装体长度缩小到约2.5 μm, 宽度变化不大(图 1D). PEG₄₅-b-PGlu₇₁与Me[4]H进行电荷复合形成的短条状组装体长度不超过0.5 μm, 宽约为0.1 μm (图 1E).

  由于PGlu链段在pH值为6.0时并未完全电离, 按照其完全电离的比例1/2加入反离子Me[4]H后, PGlu链段与Me[4]H发生电荷中和, 同时Me[4]H的正电荷也被中和, 因此出现的π-π堆叠作用使Me[4]H排列为片层状的有序结构^[35~37], 作为疏水的内核. PGlu受到相反电荷的吸引, 也按照Me[4]H堆叠的方向排列, 作为疏水的外层.由于嵌段聚合物PEG₄₅-b-PGlu₁₀亲水链所占体积分数相对较多, 可以“支持”相对较大的组装体, 因此在此条件下, PEG₄₅-b-PGlu₁₀所得指针形组装体具有最大的尺度.当疏水链段体积分数逐渐增加时, 一方面由于π-π堆叠作用依然存在, 所得组装体的形貌并非按照柔性两亲大分子自组装的变化规律变化; 另一方面, 组装体尺寸也逐渐变小, 以维持组装体在溶液中的稳定, 形貌也出现了长指针状到条带状的变化.由ζ-电位测量结果可知, 组装体外部均带有少量的负电荷(表 2), 进一步证明了所有电荷复合组装体疏水部分的片层结构都是Me[4]H在内部, PGlu在外部的夹心状结构(图 2).此外, 如图 1F所示, 纯Me[4]H鎓离子在水中仅能组装为很小的胶束粒子, 这是由于鎓离子所带正电荷的排斥作用使之无法π-π堆叠, 只能依靠疏水力作用形成小胶束; 而在pH＝6.0时, PEG-b-PGlu的PGlu嵌段亲水性已经变得较强, 也无法得到稳定的组装体.因此, 长指针状和条带状组装体是PEG-b-PGlu与Me[4]H电荷复合自组装形成的.

  表 2

  

  表 2  不同疏水嵌段长度的PEG-b-PGlu与Me[4]H在水中电荷复合自组装的ζ-电位值(pH＝6.0, 羧基与鎓离子之比为1:0.5)

  Table 2.  ζ-Potential values of self-assembly of PEG-b-PGlu with various hydrophobic block lengths charge-conjugated Me[4]H in water (pH＝6.0, carboxyl group and onium ion ratio is 1:0.5)

  下载: 导出CSV

  na	ζ-Potential/mV
  10	-5.74
  24	-7.19
  36	-2.45
  50	-1.56
  71	-1.03
  a n表示PGlu的嵌段数.

  图 2

  

  图 2.  PEG-b-PGlu与Me[4]H电荷复合自组装为长指针状的组装体示意图

  Figure 2.  Charge-conjugated self-assembly of PEG-b-PGlu and Me[4]H into long pointer-like morphology

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  1.3   Glu/Me[4]H物质的量比对组装体形貌的影响

  选择PEG₄₅-b-PGlu₁₀与Me[4]H在水中进行电荷复0.5、1:0.7、1:1.0, 调节溶液的pH值至6.0, 以TEM合自组装.改变Me[4]H的加入比例, 即PEG-b-PGlu与Me[4]H的羧基与鎓离子之比分别为1:0.1、1:0.2、1:观察Glu/Me[4]H物质的量比变化对组装体的形貌的影响, 结果如图 3所示.

  图 3

  

  图 3.  PEG₄₅-b-PGlu₁₀与Me[4]H的不同物质的量比下在水中电荷复合自组装的TEM照片(pH＝6.0)

  Figure 3.  TEM images of the self-assembly of PEG₄₅-b-PGlu₁₀ charge-conjugated Me[4]H with different molar ratios in water (pH＝6.0)

  (A) 1:0.1; (B) 1:0.2; (C) 1:0.5; (D) 1:0.7; (E) 1:1.0

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  当PEG₄₅-b-PGlu₁₀与Me[4]H之间羧基与鎓离子之比为1:0.1时, 得到长度为2~4 μm, 最宽处为0.2 μm左右的指针状组装体(图 3A), 此时, PGlu链段能够保持部分α-螺旋构象(图 4).在自组装过程中, 尽管螺烯的π-π堆叠作用和PGlu链段α-螺旋构象的定位作用构成了竞争关系, 但前者仍起主导作用.可用于堆叠成疏水内层的Me[4]H分子则较少, 因此得到短指针状组装体.随着Me[4]H加入量的增加, Me[4]H分子间π-π堆叠的主导作用逐渐加强, 也使得PGlu链段的α-螺旋逐渐被破坏(图 4).因此, 当羧基与鎓离子之比为1:0.2时, 得到长度达到15 μm左右, 最宽处为0.6~0.7 μm的长指针状组装体(图 3B); 而当羧基与鎓离子之比为1:0.5时, 组装体的尺寸可以增大到20 μm以上(图 3C).

  图 4

  

  图 4.  PEG₄₅-b-PGlu₁₀与Me[4]H的不同物质的量比下在水中电荷复合自组装的圆二色谱图(pH＝6.0)

  Figure 4.  CD spectra of self-assembly of PEG₄₅-b-PGlu₁₀ charge-conjugated Me[4]H with different molar ratios in water (pH＝6.0)

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  但是, 当羧基与鎓离子之比达到1:0.7时, TEM只能观察到很短的条带状组装体, 其长度不到1 μm, 宽度约为0.5 μm(图 3D).当羧基与鎓离子之比达到1:1.0时, 又生成了新的条带状组装体, 该组装体的宽度与电荷比1:0.7时得到的组装体宽度几乎一致, 均为0.5 μm左右, 但长度可达数十微米(图 3E).这是因为在羧基与鎓离子之比达到1:1.0时, 可用于构成疏水内层的螺烯更多, 它们在π-π堆叠作用下有序排列, 并与对应的PGlu₁₀链段共同组装, 形成层状的条带组装结构.这种条带状组装体中间部分几乎全部由疏水的螺烯π-π堆叠构成, 因此其宽度和厚度非常均匀.而电荷比1:0.7时得到的组装产物则处于指针状组装体向条带状组装体转化的过渡区.此外, 当羧基与鎓离子之比为1:0.5以上时, 已很难观察到α-螺旋构象的圆二色谱(CD)信号(图 4), 这说明Me[4]H的加入对螺旋的破坏作用很大, 也进一步证明了大尺寸的指针状组装体和条带状组装体的形成主要是依赖π-π堆叠和更高的Me[4]H体积分数.

  表 3显示, 随着Me[4]H的加入, 组装体表面的负电荷逐步减少, 但即使当羧基与鎓离子之比为1:1.0, 理论上正电荷数已经过量时(羧基在pH＝6.0时不能完全电离), 组装体的表面仍然覆盖着负电荷.这表明, 无论是指针状组装体还是条带状组装体, 其外表面均覆盖着亲水的PEG大分子链.在亲水的PEG大分子链的“拉拽”作用和疏水的Me[4]H本体的排斥下, PGlu嵌段倾向于在内层的Me[4]H表面富集, 形成夹心状的疏水层结构, 因此ζ-电位测试结果均为负值, 这一结果进一步揭示了两种组装体的内部结构的类似性.

  表 3

  

  表 3  PEG₄₅-b-PGlu₁₀与Me[4]H的不同物质的量比下在水中电荷复合自组装的ζ-电位值(pH＝6.0)

  Table 3.  ζ-Potential values of self-assembly of PEG₄₅-b-PGlu₁₀ charge-conjugated Me[4]H with different molar ratios in water (pH＝6.0)

  下载: 导出CSV

  Glu:Me[4]H	ζ-Potential/mV
  1:0.1	-12.31
  1:0.2	-9.85
  1:0.5	-5.74
  1:0.7	-4.94
  1:1.0	-.72

  此外, 我们还选择了PGlu链更长的PEG₄₅-b-PGlu₂₄, 同样与Me[4]H在水中进行电荷复合自组装.改变Me[4]H的加入比例, 即羧基与鎓离子之比分别为1:0.1、1:0.2、1:0.5、1:0.7、1:1.0, 溶液的pH＝6.0时, 进一步研究Glu/Me[4]H物质的量比对组装体形貌的影响.

  由TEM观察结果可知, PEG₄₅-b-PGlu₂₄在Me[4]H含量逐渐增加时, 其组装行为与PGlu链较短的PEG₄₅-bPGlu₁₀有很大不同.当羧基与鎓离子之比为1:0.1、1:0.2时, 溶液中很难观察到规整的组装体(图 5A), 或只能观察到油滴状物质(图 5B).直到羧基与鎓离子之比达到1:0.5时, 体系内才出现长度5~20 μm, 最宽处为0.3 μm左右的长指针状组装体(图 5C).当羧基与鎓离子之比达到1:0.7时, 组装体的宽度略有增加(图 5D).但当羧基与鎓离子之比达到1:1.0时, 仅能得到尺寸为40~50 nm的胶束(图 5E).

  图 5

  

  图 5.  PEG₄₅-b-PGlu₂₄与Me[4]H的不同物质的量比下在水中电荷复合自组装的TEM照片(pH＝6.0)

  Figure 5.  TEM images of the self-assembly of PEG₄₅-b-PGlu₂₄ charge-conjugated Me[4]H with different molar ratios in water (pH＝6.0)

  (A) 1:0.1; (B) 1:0.2; (C) 1:0.5; (D) 1:0.7; (E) 1:1.0

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  结合表 4的ζ-电位值结果和图 6的圆二色谱结果, 可知在羧基与鎓离子之比分别为1:0.1、1:0.2时, PGlu嵌段依然有部分α-螺旋构象, 而此时加入的Me[4]H并未形成有效的π-π堆叠.这可能是因为PGlu₂₄的螺旋保持能力比PGlu₁₀更好, 这使得螺旋导向能力更强, 少量Me[4]H无法通过π-π堆叠作用形成平面结构; 加之在pH＝6.0时, PEG-b-PGlu也相对亲水, 因此即使加入摩尔分数为0.2的Me[4]H, 也只能得到油滴状组装体.当Me[4]H物质的量比继续增加到0.5时, π-π堆叠才开始起作用, 此时所得结果与PEG₄₅-b-PGlu₁₀体系中Me[4]H物质的量比为0.2的结果类似.但是, 由于亲水的PEG链段相对较短, 因此在进一步增加Me[4]H量到1.0后, 只能得到较小的不规则胶束, 无法得到大的组装体.

  表 4

  

  表 4  PEG₄₅-b-PGlu₂₄与Me[4]H的不同物质的量比下在水中电荷复合自组装的ζ-电位值(pH＝6.0)

  Table 4.  ζ-Potential values of self-assembly of PEG₄₅-b-PGlu₂₄ charge-conjugated Me[4]H with different molar ratios in water (pH＝6.0)

  下载: 导出CSV

  Glu:Me[4]H	ζ-Potential/mV
  1:0.1	-19.10
  1:0.2	-15.13
  1:0.5	-7.19
  1:0.7	-6.83
  1:1.0	-4.42

  图 6

  

  图 6.  PEG₄₅-b-PGlu₂₄与Me[4]H的不同物质的量比下在水中电荷复合自组装的圆二色谱图(pH＝6.0)

  Figure 6.  CD spectra of self-assembly of PEG₄₅-b-PGlu₂₄ charge-conjugated Me[4]H with different molar ratios in water (pH＝6.0)

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  1.4   溶液pH值对组装体形貌的影响

  选择PEG₄₅-b-PGlu₂₄, 使其与Me[4]H在水中进行电荷复合自组装, PEG₄₅-b-PGlu₂₄与Me[4]H的羧基与鎓离子之比为1:0.5, 改变溶液的pH值(分别为3.0、4.0、5.0、6.0、7.5、8.5), 研究pH值变化对组装体形貌的影响.当pH值为3.0时, 得到的是10~20 nm左右的小胶束(图 7A), 表面只带很少的负电荷(表 5).这是由于谷氨酸的等电点为3.2, 在pH为3.0时, PGlu电离很少, 无法与Me[4]H形成有效的电荷复合, 因此观察到的小胶束是PEG₄₅-b-PGlu₂₄或Me[4]H自己组装而成的.当pH值达到4.0时, PGlu带有的负电荷增加, 与少量螺烯形成电荷复合, 但此时PGlu的构象仍是螺旋结构为主, 而且负电荷量较少, 电荷中和作用较弱, 使得Me[4]H的π-π堆叠并不显著, 因此形成长度1 μm左右的指针状组装体(图 7B).随着pH值增大, PGlu链段的电离程度增加, 其刚性和疏水性减弱, 有利于电荷复合和Me[4]H的π-π堆叠, 因此指针状组装体的尺寸也随之增大(图 7C~7D).当pH值达到7.5时, PGlu链段更加柔软, 亲水性也更好, 层状组装结构可以弯曲, 此时得到的是长度4~5 μm, 直径0.6~0.7 μm左右的纳米管(图 7E).根据ζ-电位结果(表 5), 推测纳米管的内外壁表面为PEG链段亲水层, 疏水内管壁的表层则是PGlu, 管壁内层由Me[4]H π-π堆叠而成.当pH值达到8.5时, PGlu嵌段电离程度高(表 5), 几乎完全亲水, 因此, 与Me[4]H电荷复合后只能形成直径约为0.3 μm左右的油滴状形貌(图 7F).

  图 7

  

  图 7.  PEG₄₅-b-PGlu₂₄与Me[4]H在pH值不同的水中电荷复合自组装的TEM照片(羧基与鎓离子之比为1:0.5)

  Figure 7.  TEM images of the self-assembly of PEG₄₅-b-PGlu₂₄ charge-conjugated Me[4]H in water of different pH values (carboxyl group and onium ion ratio is 1:0.5)

  (A) pH＝3.0; (B) pH＝4.0; (C) pH＝5.0; (D) pH＝6.0; (E) pH＝7.5; (F) pH＝8.5

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  表 5

  

  表 5  PEG₄₅-b-PGlu₂₄与Me[4]H在不同pH值的水中电荷复合自组装的ζ-电位值(羧基与鎓离子之比为1:0.5)

  Table 5.  ζ-Potential values of self-assembly of PEG₄₅-b-PGlu₂₄ charge-conjugated Me[4]H in water of different pH values (carboxyl group and onium ion ratio is 1:0.5)

  下载: 导出CSV

  pH	ζ-Potential/mV
  3.0	-1.46
  4.0	-4.34
  5.0	-6.48
  6.0	-7.19
  7.5	-10.03
  8.5	-15.93

  2.   结论

  与传统的两亲嵌段共聚物组装体形貌随亲疏水链段体积分数变化的规律不同, PEG-b-PGlu与Me[4]H电荷复合物的形貌受螺烯π-π堆叠作用、PGlu电荷强度、PGlu构象、疏水部分体积分数等因素的共同影响.当π-π堆叠作用占主导地位时才能得到以指针状和条带状等平面结构为主的组装形貌. π-π堆叠越显著, 得到的指针状和条带状组装体尺寸也越大, 直至最后形成大尺寸的飘带状组装体.本研究填补了电荷复合自组装领域中, 刚硬构象的分子相互复合时形貌变化规律研究的空白, 也对两亲聚肽嵌段聚合物通过电荷复合作用搭载刚硬构象的功能分子进行药物递送、制备功能化组装体等应用有很好的参考价值.

  3.   实验部分

  3.1   仪器与试剂

  L-谷氨酸购自吉尔生化(上海)有限公司, 生化试剂; 苯甲醇, 四氢呋喃(THF), 碳酸氢钠, 三氟乙酸和氢溴酸冰醋酸溶液购自阿达玛斯试剂有限公司, 试剂纯度均为分析纯; 浓硫酸和浓盐酸购自国药集团化学试剂有限公司, 分析纯; 无水乙醇和无水乙醚购自上海泰坦科技股份有限公司, 试剂纯度均为分析纯; N, N-二甲基甲酰胺(DMF)购自Sigma-Aldrich上海贸易有限公司, 超干溶剂; 三光气购自上海多点化工有限公司, 化学纯; 正己烷购自百灵威科技有限公司, 超干溶剂; 金属钠购自上海凌峰化学试剂有限公司, 化学纯; 二苯甲酮购自上海麦克林生物科技有限公司, 分析纯; 端氨基聚乙二醇(mPEG-NH₂, 数均分子量M_n为2.00×10³), 购自厦门赛诺邦格生物科技有限公司.实验中用到的四氢呋喃经除水处理, 置于手套箱备用.其余试剂不做处理, 直接使用.

  PL-GPC-50 plus型凝胶渗透色谱仪(GPC, 美国瓦里安公司), 标样为PBLG, 溶剂为DMF (含0.02 mol/L溴化锂), 测试温度为50 ℃, 聚合物质量浓度约为2 mg/mL; Avance 400型核磁共振氢谱仪(¹H NMR, 德国布鲁克公司), 以氘代氯仿(CDCl₃)为溶剂，以四甲基硅烷(TMS)为内标物; JEM-1400型透射电子显微镜(TEM, 日本电子株式会社); J-810型圆二色谱仪(CD, 日本佳士科公司); Zetasizer NanoZS ZEN3600型纳米粒度电位仪(ζ-Potential, 英国马尔文公司), 测试温度为25 ℃, 平衡时间2 min, 样品室为DTS1070, 测试次数3次, 每次测量运行次数为20.

  3.2   Me[4]H的合成

  4-氮杂[4]螺烯合成参见文献[38].将229 mg 4-氮杂[4]螺烯(1 mmol)充分溶解于5 mL二氯甲烷溶液, 之后再缓慢滴加1 mL碘甲烷.滴加完毕后, 混合物室温搅拌16 h, 之后真空除去溶剂与未反应的碘甲烷.所得残余物溶于5 mL二氯甲烷, 加入50 mL乙醚, 出现大量黄色沉淀.所得沉淀过滤, 并用乙醚洗涤, 干燥后得产物4-甲基-4-氮杂[4]螺烯鎓碘化物Me[4]H 355 mg, 为黄色粉末, 产率96%. ¹H NMR (DMSO-d₆, 400 MHz) δ: 10.12 (d, J＝10.1 Hz, 1H), 9.54 (d, J＝10.1 Hz, 1H), 8.91 (d, J＝10.1 Hz, 1H), 8.83 (d, J＝8.8 Hz, 1H), 8.64 (d, J＝8.8 Hz, 1H), 8.37 (d, J＝8.8 Hz, 1H), 8.34 (d, J＝8.3 Hz, 1H), 8.31 (d, J＝8.3 Hz, 1H), 8.25 (d, J＝8.8 Hz, 1H), 7.91~7.93 (m, J＝7.9 Hz, 2H), 4.79 (s, J＝4.8 Hz, 3H).

  3.3   PEG-b-PGlu的合成

  首先制备γ-苄基-L-谷氨酸, 再以三光气法制备BLG-NCA单体^[39], 产物于手套箱中用无水四氢呋喃和无水正己烷进行多次重结晶, 直至得到纯净白色针状晶体, 密封保存于手套箱的冰箱中待用.然后在手套箱中准确称取所需BLG-NCA与mPEG-NH₂于20 mL直型螺口瓶中, 用3 mL无水DMF溶解, 在手套箱中进行反应.得到的嵌段聚合物PEG-b-PBLG用冰无水乙醚沉淀, 再用冰醋酸和三氟乙酸进行脱保护后, 经过透析和冻干处理, 最终得到所需嵌段聚合物PEG-b-PGlu.

  3.4   组装体的制备

  称取PEG-b-PGlu于5 mL直型螺口瓶中, 以超纯水为溶剂, 配制成1 mg/mL的溶液, 按照不同的物质的量比向溶液中加入Me[4]H水溶液, 用盐酸调节溶液的pH值, 在搅拌状态下得到稳定的组装体溶液.

  辅助材料(Supporting Information)  PEG-b-PGlu与Me[4]H的GPC、¹H NMR数据.这些材料可以免费从本刊网站(http://sioc-journal.cn/)上下载.

  
  
• 1. [1]

     Gröhn, F. Soft Matter 2010, 6, 4296. doi: 10.1039/c0sm00411a

  2. [2]

     Rybtchinski, B. ACS Nano 2011, 5, 6791. doi: 10.1021/nn2025397

  3. [3]

     Faul, C. F. Acc. Chem. Res. 2014, 47, 3428. doi: 10.1021/ar500162a

  4. [4]

     Kim, B. G.; Kim, M. S.; Kim, J. ACS Nano 2010, 4, 2160. doi: 10.1021/nn901568w

  5. [5]

     Malinsky, J. E.; Jabbour, G. E.; Shaheen, S. E.; Anderson, J. D.; Richter, A. G.; Marks, T. J.; Armstrong, N. R.; Kippelen, B.; Dutta, P.; Peyghambarian, N. Adv. Mater. 1999, 11, 227. doi: 10.1002/(SICI)1521-4095(199903)11:3<227::AID-ADMA227>3.0.CO;2-3

  6. [6]

     Palma, A.; Satta, M. J. Chem. Theory Comput. 2016, 12, 4042. doi: 10.1021/acs.jctc.6b00430

  7. [7]

     Li, Y.; Zhang, X.; Cao, D. J. Phys. Chem. B 2013, 117, 6733. doi: 10.1021/jp312124x

  8. [8]

     Zhao, Y.; Mei, L.; Lu, Q. Langmuir 2008, 24, 3937. doi: 10.1021/la703673s

  9. [9]

     Wicklein, A.; Ghosh, S.; Sommer, M.; Würthner, F.; Thelakkat, M. ACS Nano 2009, 3, 1107. doi: 10.1021/nn9001165

  10. [10]

      Wang, C.; Guo, Y.; Wang, Z.; Zhang, X. Langmuir 2010, 26, 14509. doi: 10.1021/la102586b

  11. [11]

      Yao, Y.; Zhang, L.; Leydecker, T.; Samorì, P. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 6984. doi: 10.1021/jacs.8b03526

  12. [12]

      Liu, W.; Liu, J.; Liu, W.; Li, T. J. Agric. Food Chem. 2013, 61, 4133. doi: 10.1021/jf305329n

  13. [13]

      Omura, Y.; Kyung, K. H.; Shiratori, S.; Kim, S. H. Ind. Eng. Chem. Res. 2014, 53, 11727. doi: 10.1021/ie403736r

  14. [14]

      Fang, R.; Zhang, H.; Yang, L.; Wang, H.; Tian, Y.; Zhang, X.; Jiang, L. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 16372. doi: 10.1021/jacs.6b09601

  15. [15]

      Pappa, A. M.; Inal, S.; Roy, K.; Zhang, Y. ACS Appl. Mater. Inter. 2017, 9, 10427. doi: 10.1021/acsami.6b15522

  16. [16]

      Dochter, A.; Garnier T.; Pardieu, E.; Chau, N. T. T.; Maerten, C.; Senger, B.; Schaaf, P.; Jierry, L.; Boulmedais, F. Langmuir 2015, 31, 10208. doi: 10.1021/acs.langmuir.5b02749

  17. [17]

      Bianchi, R. C.; Silva, E. R. D.; Antonia, L. H. D.; Ferreira, F. F.; Alves, A. W. Langmuir 2014, 30, 11464. doi: 10.1021/la502315m

  18. [18]

      Deng, T.; Wang, J.; Li, Y. Y.; Han, Z. H.; Peng, Y. N.; Zhang, J.; Gao, Z.; Gu, Y. Q.; Deng, D. W. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 27657. doi: 10.1021/acsami.8b08512

  19. [19]

      Huang, X. H.; Jeong, Y. I.; Moon, B. K.; Zhang, L. D.; Kang, D. H.; Kim, I. Langmuir 2013, 29, 3223. doi: 10.1021/la305069e

  20. [20]

      Bui, L.; Abbou, S.; Ibarboure, E.; Guidolin, N.; Staedel, C.; Toulme, J. J.; Schatz, C. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20189. doi: 10.1021/ja310397j

  21. [21]

      Kumar, R. J.; Macdonald, J. M.; Singh, T. B.; Waddington, L. J.; Holmes, A. B. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 8564. doi: 10.1021/ja110858k

  22. [22]

      Zhang, Y.; Yin, Q.; Lu, H.; Xia, H.; Lin, Y.; Cheng, J. ACS Macro Lett. 2013, 2, 809. doi: 10.1021/mz4003672

  23. [23]

      Shaikh, A. Y.; Das, S.; Pati, D.; Dhaware, V.; Sen, G. S.; Hotha, S. Biomacromolecules 2014, 15, 3679. doi: 10.1021/bm5009537

  24. [24]

      Ramasamy, T.; Choi, J. Y.; Cho, H. J.; Umadevi, S. K.; Shin, B. S.; Choi, H. G.; Yong, C. S.; Kin, J. O. Pharm. Res. 2015, 32, 1947. doi: 10.1007/s11095-014-1588-8

  25. [25]

      He, W.; Yan, J.; Jiang, W.; Li, S.; Qu, Y.; Niu, F.; Yan, Y.; Sui, F.; Wang, S.; Zhou, Y.; Jin, L.; Li, Y.; Ji, M.; Ma, P. X.; Liu, W.; Hou, P. Chem. Mater. 2018, 30, 7034. doi: 10.1021/acs.chemmater.8b02572

  26. [26]

      Yan, J.; Korolev, N.; Eom, K. D.; Tam, J. P.; Nordenskiöld, L. Biomacromolecules 2012, 13, 124. doi: 10.1021/bm201359r

  27. [27]

      Nishimura, T.; Yamada, A.; Umezaki, K.; Sawada, S. I.; Mukai, S. A.; Sasaki, Y.; Akiyoshi, K. Biomacromolecules 2017, 18, 3913. doi: 10.1021/acs.biomac.7b00937

  28. [28]

      Ryu, K.; Lee, M.; Park, J.; Kim, T. ACS Appl. Bio. Mater. 2018, 1, 1496. doi: 10.1021/acsabm.8b00428

  29. [29]

      张朔, 蔡春华, 黄琦婧, 林嘉平, 徐占文, 高分子学报, 2018, 109. doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2018.17223Zhang, S.; Cai, C.-H.; Huang, Q.-J.; Lin, J.-P.; Xu, Z.-W. Acta Polym. Sin. 2018, 109(in Chinese). doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2018.17223

  30. [30]

      Hu, Y.; Lin, R.; Zhang, P.; Fern, J.; Cheetham, A. G.; Patel, K.; Schulman, R.; Kan, C.; Cui, H. ACS Nano 2015, 10, 880.

  31. [31]

      Schuster, N. J.; Hernández, S. R.; Bukharina, D.; Kotov, N. A.; Berova, N.; Nq, F.; Steiqerwald, M. L.; Nuckolls, C. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 6235. doi: 10.1021/jacs.8b03535

  32. [32]

      Nishiyma, N.; Okazaki, S.; Cabral, H.; Miyamto, M.; Kato, Y.; Suqiyama, Y.; Nishio, K.; Matsumura, Y.; Kataoka, K. Cancer Res. 2003, 63, 8977.

  33. [33]

      Lv, S.; Li, M.; Tang, Z.; Song, W.; Sun, H.; Liu, H.; Chen, X. Acta Biomater. 2013, 9, 9330. doi: 10.1016/j.actbio.2013.08.015

  34. [34]

      Song, W.; Tang, Z.; Li, M.; Lv, M.; Sun, H.; Deng, M.; Liu, H.; Chen, X. Acta Biomater. 2014, 10, 1392. doi: 10.1016/j.actbio.2013.11.026

  35. [35]

      Verbiest, T.; Elshocht, S. V.; Kauranen, M.; Hellemans, L.; Snauwaert, J.; Nuckolls, C.; Katz, T. J.; Persoons, A. Science 1999, 561, 913.

  36. [36]

      房蕾, 林伟彬, 沈赟, 陈传峰, 有机化学, 2018, 38, 541. http://sioc-journal.cn/Jwk_yjhx/CN/abstract/abstract346374.shtmlFang, L.; Lin, W.-B.; Shen, Y.; Chen, C.-F. Chin. J. Org. Chem. 2018, 38, 541(in Chinese). http://sioc-journal.cn/Jwk_yjhx/CN/abstract/abstract346374.shtml

  37. [37]

      Kaseyama, T.; Furumi, S.; Zhang, X.; Takeuchi, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 123, 3768. doi: 10.1002/ange.201007849

  38. [38]

      Hewlins, M, J, E.; Salter, R. Synthesis 2007, 2164.

  39. [39]

      Yao, Y.; Li, W. W.; Wang, S. B.; Yan, D. Y.; Chen, X. S. Macromol. Rapid Commun. 2006, 27, 2019. doi: 10.1002/marc.200600447

• 

  图式 1  PEG-b-PGlu的合成路线

  Scheme 1  Synthetic route of PEG-b-Pglu

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  图 1  不同疏水嵌段长度的PEG-b-PGlu与Me[4]H在水中电荷复合自组装的TEM照片(pH＝6.0, 羧基与鎓离子之比为1:0.5)

  Figure 1  TEM images of the self-assembly of PEG-b-PGlu with various hydrophobic block lengths charge-conjugated Me[4]H in water (pH＝6.0, carboxyl group and onium ion ratio is 1:0.5)

  (A) PEG₄₅-b-PGlu₁₀; (B) PEG₄₅-b-PGlu₂₄; (C) PEG₄₅-b-PGlu₃₆; (D) PEG₄₅-b-PGlu₅₀; (E) PEG₄₅-b-PGlu₇₁; (F) Me[4]H as a comparison

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  图 2  PEG-b-PGlu与Me[4]H电荷复合自组装为长指针状的组装体示意图

  Figure 2  Charge-conjugated self-assembly of PEG-b-PGlu and Me[4]H into long pointer-like morphology

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  图 3  PEG₄₅-b-PGlu₁₀与Me[4]H的不同物质的量比下在水中电荷复合自组装的TEM照片(pH＝6.0)

  Figure 3  TEM images of the self-assembly of PEG₄₅-b-PGlu₁₀ charge-conjugated Me[4]H with different molar ratios in water (pH＝6.0)

  (A) 1:0.1; (B) 1:0.2; (C) 1:0.5; (D) 1:0.7; (E) 1:1.0

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  图 4  PEG₄₅-b-PGlu₁₀与Me[4]H的不同物质的量比下在水中电荷复合自组装的圆二色谱图(pH＝6.0)

  Figure 4  CD spectra of self-assembly of PEG₄₅-b-PGlu₁₀ charge-conjugated Me[4]H with different molar ratios in water (pH＝6.0)

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  图 5  PEG₄₅-b-PGlu₂₄与Me[4]H的不同物质的量比下在水中电荷复合自组装的TEM照片(pH＝6.0)

  Figure 5  TEM images of the self-assembly of PEG₄₅-b-PGlu₂₄ charge-conjugated Me[4]H with different molar ratios in water (pH＝6.0)

  (A) 1:0.1; (B) 1:0.2; (C) 1:0.5; (D) 1:0.7; (E) 1:1.0

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  图 6  PEG₄₅-b-PGlu₂₄与Me[4]H的不同物质的量比下在水中电荷复合自组装的圆二色谱图(pH＝6.0)

  Figure 6  CD spectra of self-assembly of PEG₄₅-b-PGlu₂₄ charge-conjugated Me[4]H with different molar ratios in water (pH＝6.0)

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  图 7  PEG₄₅-b-PGlu₂₄与Me[4]H在pH值不同的水中电荷复合自组装的TEM照片(羧基与鎓离子之比为1:0.5)

  Figure 7  TEM images of the self-assembly of PEG₄₅-b-PGlu₂₄ charge-conjugated Me[4]H in water of different pH values (carboxyl group and onium ion ratio is 1:0.5)

  (A) pH＝3.0; (B) pH＝4.0; (C) pH＝5.0; (D) pH＝6.0; (E) pH＝7.5; (F) pH＝8.5

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  表 1  PEG₄₅-b-PBLG_n的参数

  Table 1.  Parameters of PEG₄₅-b-PBLG_n

  Copolymer	Mn(exp)a (×104)	Mn(obt)b (×104)	DPexp, PBLGc	DPobt, PBLGd	PDI
  PEG45-b-PBLG10	0.38	0.40	10	10	1.13
  PEG45-b-PBLG24	0.58	0.66	20	24	1.18
  PEG45-b-PBLG36	0.83	0.89	30	36	1.19
  PEG45-b-PBLG50	1.10	1.17	50	50	1.06
  PEG45-b-PBLG71	1.44	1.57	70	71	1.08
  a Mn(exp)表示根据投料比计算出的平均分子量; b Mn(obt)表示GPC测出的相对分子质量; c DPexp, PBLG表示根据投料比计算出的PBLG嵌段数; d DPobt, PBLG表示根据GPC结果计算出的PBLG嵌段数.

  下载: 导出CSV

  表 2  不同疏水嵌段长度的PEG-b-PGlu与Me[4]H在水中电荷复合自组装的ζ-电位值(pH＝6.0, 羧基与鎓离子之比为1:0.5)

  Table 2.  ζ-Potential values of self-assembly of PEG-b-PGlu with various hydrophobic block lengths charge-conjugated Me[4]H in water (pH＝6.0, carboxyl group and onium ion ratio is 1:0.5)

  na	ζ-Potential/mV
  10	-5.74
  24	-7.19
  36	-2.45
  50	-1.56
  71	-1.03
  a n表示PGlu的嵌段数.

  下载: 导出CSV

  表 3  PEG₄₅-b-PGlu₁₀与Me[4]H的不同物质的量比下在水中电荷复合自组装的ζ-电位值(pH＝6.0)

  Table 3.  ζ-Potential values of self-assembly of PEG₄₅-b-PGlu₁₀ charge-conjugated Me[4]H with different molar ratios in water (pH＝6.0)

  Glu:Me[4]H	ζ-Potential/mV
  1:0.1	-12.31
  1:0.2	-9.85
  1:0.5	-5.74
  1:0.7	-4.94
  1:1.0	-.72

  下载: 导出CSV

  表 4  PEG₄₅-b-PGlu₂₄与Me[4]H的不同物质的量比下在水中电荷复合自组装的ζ-电位值(pH＝6.0)

  Table 4.  ζ-Potential values of self-assembly of PEG₄₅-b-PGlu₂₄ charge-conjugated Me[4]H with different molar ratios in water (pH＝6.0)

  Glu:Me[4]H	ζ-Potential/mV
  1:0.1	-19.10
  1:0.2	-15.13
  1:0.5	-7.19
  1:0.7	-6.83
  1:1.0	-4.42

  下载: 导出CSV

  表 5  PEG₄₅-b-PGlu₂₄与Me[4]H在不同pH值的水中电荷复合自组装的ζ-电位值(羧基与鎓离子之比为1:0.5)

  Table 5.  ζ-Potential values of self-assembly of PEG₄₅-b-PGlu₂₄ charge-conjugated Me[4]H in water of different pH values (carboxyl group and onium ion ratio is 1:0.5)

  pH	ζ-Potential/mV
  3.0	-1.46
  4.0	-4.34
  5.0	-6.48
  6.0	-7.19
  7.5	-10.03
  8.5	-15.93

  下载: 导出CSV
•