Nature：超分子聚合物通过液-液相分离形成战术体

摘要

摘要图
本研究揭示了超分子聚合物通过液-液相分离 (LLPS) 形成各向异性的战术体。这些由超分子聚合生成的纤维通过熵驱动路径在水相中分离，形成高度有序的液滴状结构 (战术体)。研究表明，拥挤环境（如添加右旋糖酐）不仅加速了超分子聚合的动力学，还调控了相分离的形态、流动性和机械性能。此外，在液-液及固-液界面上，战术体展现出三维有序的排列，为超分子聚合物在软物质及生物医药领域的应用提供了新视角。

关键词

  • 超分子聚合物 (Supramolecular polymers)
  • 液-液相分离 (Liquid–liquid phase separation, LLPS)
  • 战术体 (Tactoids)
  • 熵驱动路径 (Entropy-driven pathway)
  • 宏分子拥挤效应 (Macromolecular crowding effect)
  • 纳米级软物质 (Nanoscopic soft matter)

研究背景

液-液相分离 (LLPS) 是许多生物分子（如蛋白质和核酸）形成无膜细胞器的核心机制，但尚未有研究报道合成超分子聚合物在液相中经历LLPS的现象。超分子聚合物因其非共价键相互作用特性，与生物纤维如微管和胶原纤维相似，并具有在生物材料和药物递送中的应用潜力。然而，其相分离行为及动态组装机制仍不明晰。本研究通过观察超分子聚合物UPy-Gly在拥挤环境中的行为，揭示了其独特的LLPS现象及其形成战术体的能力，为理解软物质和纳米级液晶材料提供了新的理论依据。

创新点

  • 首次报道了超分子聚合物通过熵驱动路径实现液-液相分离形成战术体。
  • 证明了宏分子拥挤效应在加速相分离及调控战术体形态中的关键作用。
  • 展示了在液-液及固-液界面上生成高度有序战术体的可能性。

研究内容

本研究探讨了超分子聚合物UPy-Gly在液-液相分离过程中形成战术体的现象。通过结合冷冻电镜、荧光显微镜和小角X射线散射 (SAXS) 技术，研究发现UPy-Gly在水相中的纤维通过持续生长达到临界长度后，诱发液-液相分离，形成战术体。这些战术体在形态和内部有序性上受外部环境（如右旋糖酐浓度和温度）的调控。此外，在固-液界面上观察到战术体的垂直排列，而在液-液界面上则生成了具有皇冠状的三维结构。研究还揭示了纤维的伸长及战术体的形成是由熵驱动的相分离路径所引导。

图1
图 1 | 通过熵驱动途径形成的超分子聚合物的液–液相分离 (LLPS)。

(a) UPy-Gly、UPy-Cy5 和右旋糖酐 (MW ≈ 500 kDa) 的化学结构，以及 UPy-Gly 和其超分子聚合物的示意图。
(b) UPy-Gly 超分子聚合物通过聚合棒的结合与延伸，自发分离形成 tactoid 的示意图。
(c) 从均相溶液到液–液相分离溶液的转变，随后在 CLSM 下观察到 tactoid 的生长过程。UPy-Gly (1 wt%，8.4 mM) 超分子聚合物标记了 0.02 mol% 的 UPy-Cy5，PBS × 0.25，pH = 7.6。
(d) 通过 AFM 测得的纤维长度分布显示随着时间的推移，纤维增长并形成更加异质的群体。
(e) 上图显示由 UPy-Cy5 标记的 UPy-Gly 超分子聚合物的 LLPS；中图显示由 0.08 mol% 右旋糖酐-FITC 标记的右旋糖酐的体积排除效应促进 LLPS；底图显示 UPy-Gly 和右旋糖酐在两相中的分配。比例尺：20 μm (e)，50 μm (c)。

图2
图 2 | 通过调节右旋糖酐浓度控制 UPy-Gly 超分子聚合物的 LLPS。

(a) tactoid 的形态和密度随右旋糖酐浓度的变化。
(b) tactoid 的长短轴比（纵横比）随右旋糖酐浓度和时间的变化。
(c) LLPS 状态和动力学随右旋糖酐浓度的变化，通过 CLSM 跟踪 UPy-Cy5 的荧光强度。
(d) 不同右旋糖酐浓度下 2 天溶液的偏振激发光束角度与荧光强度关系。
(e) 通过拟合正弦曲线得到的纤维对齐程度，显示右旋糖酐浓度的增加导致更好的对齐。
(f) SAXS 图谱显示右旋糖酐浓度对纤维排列的影响。
(g) AFM 测量的 8 天 tactoid 的杨氏模量随右旋糖酐浓度的变化。
(h) 动态光散射 (DLS) 提取的纤维自扩散常数 \(D_s\) 和协同扩散常数 \(D_f\) 在 0 wt% 和 0.5 wt% 右旋糖酐下的时间演变。
(i) POLCAM 偏振荧光成像显示 0 wt% 和 2 wt% 右旋糖酐存在时 tactoid 的液晶态。比例尺：50 μm。

图3
图 3 | tactoid 的流动性和内部排序随时间的演化，以及超分子聚合物的几何变化。

(a) 两个 tactoid 在 20 秒内的自发融合，显示其流体性质。
(b) FRAP 实验图像显示在相分离前后溶液的荧光漂白恢复情况。
(c) 不同老化时间下 0.5 wt% 右旋糖酐溶液的 FRAP 恢复曲线。
(d) 不同右旋糖酐浓度下 FRAP 曲线中扩散常数的时间演变。
(e) AFM 力曲线测量显示 2 wt% 右旋糖酐 tactoid 的杨氏模量随时间变化。
(f) 不同老化时间下 tactoid 的代表性图像。
(g) 各圆形区域内荧光强度随偏振角度的变化曲线。
(h) tactoid 内纤维对齐程度随时间的变化。
(i) SAXS 图谱显示纤维排列随时间更加致密。
(j) cryoTEM 和 AFM 图像显示 UPy-Gly 纤维宽度和长度随时间的增加。

图4
图 4 | 接口引导 tactoid 的垂直对齐。

(a) tactoid 在水–玻璃基底界面处的 3D 分布随右旋糖酐浓度的变化。左图为 3D 示意图，右图为 14–19 小时后的截面图像。
(b) 在 0.5 wt% 右旋糖酐条件下，1 天、3 天、7 天和 14 天时的垂直对齐 tactoid 的 3D 投影，以及双层结构的垂直 tactoid 分布。左下为 tactoid 高度随时间的变化曲线。比例尺：50 μm。

图5
图 5 | 超分子聚合物在液–液界面处的相分离。

(a) UPy-Gly 超分子聚合物在 PEG–右旋糖酐界面处的 LLPS。
(b) 在不同 pH 和 PBS 浓度下，UPy-Gly 超分子聚合物老化后的右旋糖酐液滴稳定性和形态变化。
(c) UPy-COOH 超分子聚合物老化后右旋糖酐液滴的稳定性和变形。
(d) BTA-Glc 超分子聚合物在液–液界面处的相分离，生成毛球状结构并包裹右旋糖酐液滴，释放压力后释放液滴。比例尺：50 μm。

结论与展望

本研究首次展示了超分子聚合物通过液-液相分离形成战术体的现象及其调控机制。研究表明，纤维的熵驱动相分离路径及外部环境的拥挤效应对于形成有序液体结构至关重要。这一发现为设计新型生物材料和药物输送系统提供了可能性，也为深入探索软物质的自组装行为奠定了基础。未来的研究可进一步开发响应性超分子聚合物，用于更广泛的生物医药应用。

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原文标题：Supramolecular polymers form tactoids through liquid–liquid phase separation

Nature 2024, 626, 1011–1017.

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