《先進材料》打破維度局限！3D囊泡與2D納米片間的可逆轉化

　　世間萬物無時無刻不處在變化之中，正是變化讓我們的世界豐富多彩。中國又有句古話叫“萬變不離其宗”，即所有變化都是有因、有跡可循的，找到變化的“宗”才可以對變化加以控制與利用。在微觀世界里，形貌變化一直是研究的重點之一，但多局限于同一緯度，而超越維度的形貌轉變為材料應用帶來更廣闊的空間。

　　東京工業大學的Atsushi Maruyama教授團隊近日在《先進材料》發文“Cationic Copolymer-Chaperoned 2D-3D Reversible Conversion of Lipid Membranes”，通過改變體系聚合物組分，實現2D納米片和3D囊泡之間的可逆轉變。作者首先制備了葡聚糖接枝的聚丙烯胺PAA-g-Dex，該聚合物可以將酸性肽E5變成具有活性的雙親性螺旋構象，使其能夠破壞脂質膜結構。3D囊泡向2D納米片轉變的過程主要分為三步，當向含有E5的囊泡分散液中加入PAA-g-Dex后，E5在囊泡表面聚集；然后聚集體“刺破”囊泡，形成片狀結構；最后E5選擇性地分布在2D納米片的邊界位置，與PAA-g-Dex共同穩定納米片。這種形貌轉變效率很高，五分鐘內，92%的囊泡都轉變為納米片結構。而后作者研究發現E5的雙親性及螺旋結構是形貌轉變的關鍵所在。PAA-g-Dex在過程中主要有三個作用：1）將E5破壞膜結構的功能激活；2）通過多價離子作用促進肽組裝；3）通過與E5形成分子帶（molecular belts）最小化界面自由能穩定納米片。

圖1 3D囊泡轉化為2D納米片的機理分析

　　為了進一步驗證E5/PAA-g-Dex分子帶能夠穩定納米片結構，作者向納米片分散液中加入過量陰離子聚合物聚乙烯基磺酸PVS。PVS能夠與PAA-g-Dex通過靜電相互作用形成復合物，造成E5/PAA-g-Dex分子帶的解離。實驗發現加入PVS后，因為缺少PAA-g-Dex對納米片的穩定，脂質邊界有疏水端暴露，造成脂質層彎曲進而轉化為細胞尺度的囊泡結構。而向體系中加入不帶電的聚合物如PEG則不能使納米片轉化為囊泡，進一步證明E5/PAA-g-Dex分子帶的形成與解離在轉化過程中扮演重要的角色。PVS作為外源刺激可以實現2D-3D的形貌轉變。

圖2 從2D納米片到3D囊泡的再轉化過程

　　隨后，作者用FITC對葡聚糖進行染色（FITC-Dex），在起始的囊泡結構中，只有囊泡外有FITC熒光說明FITC-Dex不能穿過脂質體膜。當起始囊泡經過3D-2D-3D的一系列形貌轉變后，囊泡內部和外部都出現FITC熒光，加入FITC猝滅劑后，囊泡外部的熒光猝滅，內部熒光仍保持，說明高分子量FITC-Dex能夠在2D-3D轉化過程中被包進囊泡內部。這一特殊的包載方式使其在生物大分子和細胞外粒子的遠程液體活檢方面有潛在應用。

　　由于E5與陽離子共聚物的相互作用依賴于它們的離子特性和pH值的變化，因此作者還研究了pH對納米片穩定性的影響。只有當pH大于5.5時才能發生3D-2D轉化，pH小于4.3，大多以囊泡結構存在。

　　在制藥、食品和化妝品科學方面，脂質囊泡即可用于基礎研究也可用于實際應用。控制納米薄片和囊泡形成的能力將在這些領域發揮重要作用。

圖3 脂質體膜結構對pH的響應性

　　原文鏈接：

　　https://doi.org/10.1002/adma.201904032.