Adv. Mater.：首次发现高分子均聚物材料的共价自组装

一、【导读】

自组装在自然界和材料科学中起着至关重要的作用。在自然界中，生物分子组装成细胞器，进一步组装成细胞和多细胞生物体。类似地，自组装用于材料合成，可以将小型独立单元组装成越来越复杂的结构和材料。聚合物作为常见的分子单元，已被用于制备纳米颗粒、纤维和水凝胶等材料。尽管这些材料在许多领域（特别是生物医学领域）至关重要，但它们有着根本的局限性：目前的报告的聚合物大多通过相对较弱的非共价相互作用（如疏水、静电或π–π堆叠相互作用和氢键）自组装，这些对环境条件（如溶剂极性、温度、离子强度、pH值等）非常敏感。此外，即使优化这些条件以稳定聚合物组装体，控制所得聚合物的结构也是极其困难的，这进一步使材料合成复杂化，甚至无法在不破坏聚合物成分的情况下获得目标聚合物。由于非共价聚合物交联的自限性，开发由共价交联触发和控制的聚合物自组装是合理的解决方案。

二、【成果掠影】

近日，德国亚琛工业大学Yang Shi课题组报告了一种共价聚合物自组装作为合成多尺度分级凝胶网络的新策略。这种新方法被称为共价交联驱动自组装（COSA），以一种独特的酮类均聚物为例，该均聚物在与二酰肼交联剂交联期间表现出前所未有的自组装行为。COSA已被证实可以解决非共价聚合物自组装的缺点，并可简单有效地制备从纳米到宏观尺度的水凝胶，并且具备简单协议和严格可控的物理化学性质。COSA通过一种新的控制策略进行了灵活调整，使得用现有方法生产具有挑战性的材料成为可能。本研究开发了诱导和控制聚合物自组装的新策略，可以真正改变水凝胶材料的合成，并用于多种生物医学应用。相关研究成果以题为“Controlled covalent self-assembly of a homopolymer for multi-scale materials engineering”发表在知名期刊Adv. Mater.上。

三、【核心创新点】

1、研究人员开发新型的共价交联驱动自组装（COSA）策略，避免了传统凝胶制备方法稳定性低、过程控制困难和制造技术复杂等挑战，并将其用于纳米及宏观尺度凝胶制备。

2、通过调节共价交联速率，共价聚合物自组装受到新的控制机制的控制，从而具备严格控制的尺寸范围，并能直接实现微凝胶颗粒的3D打印。

四、【论文掠影】

图一、OPMA的聚合和pOPMA的COSA

（A）通过RAFT和自由聚合合成pOPMA的示意图。

（B）OPMA的RAFT（上）和自由基（下）聚合产物在水溶液和有机溶剂中的溶解照片。

（C）pOPMA（蓝色）与己二酸二酰肼（ADH，橙色）共价交联的反应图示，由H⁺或苯胺催化。

（D）pOPMA形成纳米凝胶的共价自组装示意图，在低交联度（上图）和高交联度（下图）下，纳米凝胶进一步自组装成宏观水凝胶。

图二、COSA法制备pOPMA基纳米/微米尺度水凝胶

（A）COSA前后pOPMA和ADH水溶液的照片。

（B-C）pOPMA纳米凝胶的CryoSEM和DLS图像。

（D）在SDS溶液中制备pOPMA纳米凝胶的DLS图像。

（E）在盐溶液和尿素溶液中制备pOPMA纳米凝胶的尺寸和PDI分布。

（F）由Alexa-555和Alexa-647标记的pOPMA链的COSA诱导的FRET的示意图。

（G）COSA期间的发射光谱。

（H）水（pH=7.4）、小鼠血清和DMSO中pOPMA凝胶的照片。

（I）pOPMA凝胶的SEM照片。

（J-K）小鼠中pOPMA和ADH的针头注射和原位凝胶化。

图三、可控交联速率的COSA

（A）不同交联速率的pOPMA纳米凝胶的DLS尺寸分布。

（B）在pH为5.0至7.4的范围内形成的pOPMA纳米凝胶的尺寸和PDI。

（C）ADH消耗的t_1/2和光散射强度（LSI）的t_1/2的大小和比率之间的线性相关性。

图四、pOPMA微凝胶分层组装的多孔支架

（A）在分散相的高pH值和低pH值下微流控制备pOPMA微凝胶的示意图，产生单独的微凝胶或微凝胶纤维。

（B）通过微流体产生的微凝胶（左）和微凝胶的SEM图像（右），显示它们由纳米凝胶组成（底部）。

（C）pOPMA微凝胶在微流体出口（左）自组装成纤维，和打印在玻璃基板上的照片（右）。

（D-G）打印为平面和三维多孔支架的pOPMA微凝胶基纤维的SEM图像。

（H）改性后在pOPMA微凝胶基纤维的表面和孔隙中铺展的L929成纤维细胞的SEM图像。

五、【前景展望】

综上所述，研究人员为生物医学材料建立了一种全新的共价聚合物自组装策略。该策略在机制上不同于传统的非共价自组装，也就避免了稳定性低、过程控制困难和制造技术复杂等挑战，同时还兼具简单和环境友好的制造条件以及更好地控制材料的物理化学性质，例如尺寸和形态。新型共价聚合物自组装将在生物医学工程的材料合成中具有广泛的应用，包括药物传递和组织工程。

文献链接：Controlled covalent self-assembly of a homopolymer for multi-scale materials engineering(Advanced Materials2022, DOI: 10.1002/adma.202109701)

团队简介：Yang Shi课题组(Polymer Therapeutics)成立于德国精英大学，德国TU9 联盟高校亚琛工大（https://exmi.rwth-aachen.de/cms/EXMI/Das-Institut/Yang-Shi）。 课题组目前主要研究方向包括：1. 肿瘤靶向高分子胶束制剂的临床转化研究，2. 免疫激动高分子-前药偶联物的开发，3. 基于新型共价键自组装的nano-to-macroscale水凝胶及3D打印。课题组部分工作发表于JACS, Advanced Materials, Chemical Society Reviews，Advanced Functional Materials, Advanced Science, Biomaterials, Journal of Controlled Release等领域顶刊。近年获冯·卡门学者，欧洲科学奖等个人学术称号，主持亚琛工大卓越战略基金和德国科学基金会DFG项目。2021年荣获欧盟最高规格科研基金ERC项目资助。