受到天然生物大分子（比如蛋白质）的折叠和自组装过程的启发，单链高分子纳米颗粒（Single-chain nanoparticles, SCNPs）通过高分子链内交联而制备，从而填补了高分子纳米颗粒在小尺寸（20nm以下）维度上的空白。目前，SCNPs在催化，药物递送和传感等领域展现了一定的应用潜力。然而，本领域目前的难点在于如何有效地调控和表征单链高分子纳米颗粒的结构。

  洛桑联邦理工学院的Francesco Stellacci课题组在期刊《Macromolecules》上发表了题为“Control and characterization of the compactness of single-chain nanoparticles”的文章（Macromolecules 2021, 54, 24, 11459–11467）。文章从高分子物理的角度讨论了两个交联分子长度和前驱体链构象对SCNPs结构的影响，利用/开发了一系列分析手段对其进行表征，进一步的实验揭示了SCNPs的结构与细胞毒性的相关性。文章选取了poly(allylamine)作为前驱体，二羧酸作为交联分子，通过酰胺反应来构建SCNPs。线性高分子链的构象与溶剂条件紧密相关，对于poly(allylamine)来说，在纯水溶液中，加入适量的乙醇或者一定量的氯化钠，都能起到“预坍缩”（pre-collapse）的效用；反之，纯水溶液本身对polyl(allylamine)是良溶剂，故而链构象呈现伸展状态。二羧酸指含有两个羧基官能团的有机化合物，分子通式为HOOC-R-COOH，不同的R基团对应不同长度的二羧酸。为了研究产物的结构，文章采用了二维扩散排序核磁共振谱（DOSY NMR），黏度测试，核磁弛豫（NMR T₁ relaxation），以及分析型超离心（Analytical Ultracentrifugation）。文章中一致使用特定图例来指示单链高分子纳米颗粒构建的溶剂条件：蓝色三角，纯水；紫色圆圈，100mM 氯化钠水溶液；绿色正方形，乙醇体积分数为10%的水溶液。

示意图. 通过调整交联分子长度和前驱体链构象来调控SCNPs的结构

图1. A）通过酰胺反应构建SCNPs的化学反应通式；B）单链高分子纳米颗粒的核磁共振氢谱

图2. 通过二维扩散排序核磁共振谱来表征单链高分子纳米颗粒的紧凑程度（compactness）。上排三图为扩散系数的散点图；下排三图为水合半径（通过斯托克斯-爱因斯坦关系转换）的散点图。

图3. 通过溶液粘度-浓度关系来研究单链高分子纳米颗粒的紧凑程度

图4. 通过分析超离心（沉降速率型）的二维分析来研究单链高分子纳米颗粒的各向异性。

图5. 通过核磁弛豫（NMR T1 relaxation）实验来研究单链高分子纳米颗粒的局部柔性

图6. 细胞毒性实验显示更紧凑的单链高分子纳米颗粒具有更好的生物相容性（更低的细胞毒性）

  该课题从高分子物理的角度出发，实验设计和验证了一种有效而通用的调控单链高分子纳米颗粒的结构的手段。阳离子型聚合物作为生物药递送载体而收到广泛关注；然而一直以来，其潜在细胞毒性阻碍了进一步的发展。该课题同时也提供了一种降低阳离子型聚合物细胞毒性，提升其生物相容性的一种思路。

  洛桑联邦理工在读博士生廖穗杨为该论文的第一作者（兼共同通讯）， 通讯作者为Francesco Stellacci教授。

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.1c02071

Francesco Stellacci教授课题组简介：

  瑞士洛桑联邦理工（EPFL）Francesco Stellacci教授团队（http://sunmil.epfl.ch）专注于广谱抗病毒分子的设计，蛋白质相互作用的表征，细胞内药物递送，高分子材料回收，以及食品科学等领域。