两亲性嵌段共聚物的溶液自组装是制备形貌各异的聚合物纳米结构或超分子组装体的有效方法。随着现代纳米技术的发展，如何通过合理的分子设计，有效调控自组装体的多级结构、形貌、尺寸以及物理化学性质等，是当今的热点话题。聚类肽（polypeptoid），一类新兴的仿生高分子材料，具有优良的分子可设计性、生物相容性、生物活性等特点，受到了科学界的广泛关注。近年来的研究表明，嵌段共聚类肽能够通过微相分离和自组装形成形貌各异的纳米结构，在分子识别、生物成像、基因或药物递送载体等生物医用领域有着潜在的应用价值。值得一提的是，不同于聚肽，聚类肽的侧链基团取代了聚甘氨酸主链上的氢，消除了氢键相互作用，因此其微相分离和自组装行为可以通过改变侧链取代基进行调控。例如，通过引入具有长烷基侧链的聚类肽嵌段，组成线团-结晶型两嵌段共聚物，可以引发其在溶液中的结晶驱动自组装，获得纳米纤维、纳米片、以及结构更复杂的聚类肽自组装体。

  近日，针对如何有效调控两嵌段共聚类肽的溶液自组装这一问题，北京科技大学姜乃生教授、美国路易斯安那州立大学（LSU）张东辉教授课题组共同合作，以聚（N-甲基甘氨酸）-b-聚（N-辛基甘氨酸）（PNMG-b-PNOG）、聚（N-甲基甘氨酸）-b-聚（N-（2-乙基己基）甘氨酸）（PNMG-b-PNEHG）为模型体系，系统研究了侧链支化结构对聚类肽的溶液自组装结构和过程的影响。相关研究成果以“Modulating the Molecular Geometry and Solution Self-Assembly of Amphiphilic Polypeptoid Block Copolymers by Side Chain Branching Pattern”为题发表在《Journal of the American Chemical Society》上。

图1 （a-d）PNMG-b-PNOG和（e-h）PNMG-b-PNEHG自组装体的cryo-TEM、AFM、SAXS和WAXS结果。

  如图所示，同步辐射小角/广角X射线散射（SAXS/WAXS）、冷冻干燥电镜（cryo-TEM）、原子力显微镜（AFM）等结果表明，侧链支化对结晶性聚类肽嵌段的几何构型、分子排列方式和嵌段共聚类肽的溶液自组装行为有很大的影响。当采用线形烷基侧链作为取代基时，PNOG嵌段倾向于形成高度有序的层状晶体结构，使PNMG-b-PNOG在溶液中缓慢形成由众多二维纳米带基元组成的花状高阶自组装体。相比之下，具有支化烷基侧链的PNEHG分子倾向于形成类似于液晶态的柱状六方相，使PNMG-b-PNEHG在溶液中快速自组装形成正六边形纳米片。通过观测自组装结构和形貌随组装时间、温度和溶液浓度的变化，研究者进一步对两种嵌段共聚类肽的自组装过程和机理进行了分析，初步揭示了侧链支化的作用机制。这些结果不仅有助于建立聚类肽侧链结构、分子排列和溶液自组装三者之间的科学联系，而且对于合理设计和制备结构可控、形状规则的超分子自组装体有着指导意义。

图2 PNMG-b-PNOG和PNMG-b-PNEHG超分子自组装体的结构示意图。

  本论文第一作者为北京科技大学材料科学与工程学院博士研究生康利莹，北京科技大学姜乃生教授、美国路易斯安那州立大学张东辉教授为论文的共同通讯作者。该研究工作得到了美国国家科学基金会和国家自然科学基金的资助。

  论文信息：Liying Kang, Albert Chao, Meng Zhang, Tianyi Yu, Jun Wang, Qi Wang, Huihui Yu, Naisheng Jiang* and Donghui Zhang*, J. Am. Chem. Soc. 2021, 143 (15), 5890-5902.

  https://doi.org/10.1021/jacs.1c01088