天然弹性蛋白质(如肌联蛋白)在受到外界刺激时会表现出有趣的伸缩变化，而这种可逆的伸缩特性是由蛋白内部微结构发生的解折叠-再折叠行为引起的。正是这些微观结构的刺激响应的伸缩性质，才使得自然界具有多元化的生命活动，比如昆虫的飞行、青蛙跳跃或水母游泳等都与其自身弹性蛋白的伸缩行为息息相关。然而，如何利用人工的手段去模拟天然弹性蛋白这一独特的解折叠-再折叠构象变化，从而进一步构建具有伸缩性质的智能纳米材料，对于科学家们来说一直都是一项巨大的挑战！

图1.螺旋寡聚物的结构式以及其酸碱刺激响应的解折叠-再折叠行为示意图。

  受到天然弹性蛋白伸缩性质的启发，刘俊秋教授课题组设计了一种酸碱响应的喹啉类螺旋寡聚物，在酸性条件下，螺旋寡聚物上的喹啉结构容易发生质子化，从而导致整个螺旋结构发生解折叠。相反，当加入碱性溶液将酸中和掉之后，喹啉基元发生去质子化，促使寡聚物由解折叠状态转变到初始的折叠状态（图1）。研究人员将偶氮苯基团连接到螺旋结构的N端，使之与α-CD在水溶液中进行主客体复合并进一步自组装形成空心的超分子囊泡结构。通过改变溶液的pH值，去调控超双亲螺旋的解折叠-再折叠构象变化时，超分子囊泡并没有发生破裂而是表现出大小可逆的伸缩变化，研究人员将其形象地称为呼吸囊泡（图2）。

图2. 以超双亲螺旋分子为构筑基元的呼吸囊泡示意图。

  在中性条件下（pH = 7），通过冷冻透射电子显微镜和动态光散射的表征，可以得知这种超分子囊泡的平均粒径为164.2 nm，壁厚约为25.6 nm，当把溶液的pH值降到4时，超双亲螺旋基元会被部分质子化，从而增加了囊泡表面的分子间斥力，在120 分钟之内，超分子囊泡的平均粒径增加到342.0 nm，并且囊泡壁也变薄至3.9 nm。通过冷冻透射电子显微镜可以很清晰地观测到囊泡壁的薄-厚变化（图3a,b）。通过对溶液pH值进行反复调节，这种超分子囊泡可逆的尺寸变化可以重复4次以上。除此之外，利用偶氮苯基团的光致变构性质，还可以实现对囊泡解组装-再组装行为的精确调控。

图3. (a) pH = 7 和 (b) pH = 4时，超分子囊泡的冷冻透射电子显微镜表征图像。(c) pH = 7 和 (d) pH = 4时，超分子囊泡的动态光散射表征。

  更加有趣的是，当这种超分子囊泡通过呼吸作用变大之后，囊泡壁变薄且通透性也随之增加，从而促使包裹在囊泡内部的小分子被刺激释放出来。研究人员利用5(6)-羧基荧光素和阿霉素验证了囊泡的可控释放行为，并将其发展成为一种具有刺激相应性的抗癌药物载体。

  以上研究成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces（已online，DOI: 10.1021/acsami.9b09632），论文的第一作者为吉林大学化学学院博士生闫腾飞，通讯作者为刘俊秋教授。

  论文连接 https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b09632