聚合物-蛋白质杂化纳米粒结合了聚合物和蛋白质的优点，已广泛应用于蛋白质递送，生物传感器以及蛋白质纯化等领域。然而，找到适合于聚合物和蛋白质共组装的溶剂是一个难点。具有最高临界溶解温度（UCST）的非离子型聚合物，在相转变温度（T_cp）上下通过聚合物间氢键作用会发生可逆变化，在T_cp以下可以形成水合凝聚相从而与亲水性蛋白质共组装，有望成为在水相中实现聚合物-蛋白质杂化的一个良好的选择。聚丙烯酰胺（PAAm）是一种生物相容性聚合物，已广泛应用于干细胞移植，细胞粘附和药物递送系统等领域。然而，由于其质子供体（-NH₂）活性较弱，其本身不能形成聚合物间氢键并且不能在水中表现出UCST行为，并且如何使其在较低浓度下获得较高T_cp也是一个难点。近期，中国医学科学院生物医学工程研究所张明明副研究员与宁波大学赵传壮教授联合开发了一种反应性UCST聚合物P(AAm-co-NAS-co-AAc)，它不仅在低浓度下表现出较高的T_cp，而且具有良好的蛋白质捕获和共组装能力（图1）。

图1. 反应性UCST聚合物P(AAm-co-NAS-co-AAc)及其与蛋白质共组装的示意图

  研究者通过可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合法将丙烯酰胺（AAm）与N-丙烯酰氧基琥珀酰亚胺（NAS）进行共聚，得益于NAS部分水解成丙烯酸（AAc），得到的共聚物P(AAm-co-NAS-co-AAc)表现出优异的UCST行为。利用变温紫外法以及微差示扫描量热法研究其温敏性（图2），发现它在较低浓度下（0.1 wt%）可以达到较高的T_cp（81°C），并且产生了可观测的热焓，这在其他基于PAAm的UCST聚合物中很难实现。这两个特征性归因于NAS基团为强质子受体，AAc基团为强质子供体，而AAm基团既是质子供体也是质子受体，三者的结合形成了强而稳定的氢键。

图2. P(AAm-co-NAS-co-AAc)的透过率曲线和微差示扫描量热及其UCST机制示意图

  接下来，研究者利用AAm与牛血清白蛋白（BSA）之间的氢键作用以及NAS与BSA之间的共价作用，实现了聚合物与蛋白质的共组装，制备了聚合物-牛血清白蛋白杂化纳米粒子（PBNPs）。利用BSA与氨基荧光素（FA）间的荧光共振能量转移效应（FRET）效应，检测到BSA的荧光共振能量转移到了FA标记的聚合物上，表明BSA与聚合物发生了共组装（图3A），共组装体呈球形结构（AFM，图3B），粒径大约为33 nm（DLS，图3C）。为了评估共组装方法的通用性，又制备了聚合物-卵清蛋白（OVA）杂化纳米粒子（PONPs）。与PBNPs体系类似，由FRET效应、AFM和DLS结果（图3D,E,F）表明聚合物对OVA也具有良好的共组装能力。

图3. P(AAm-co-NAS-co-AAc)聚合物与蛋白质的共组装

  进一步，研究者探索了共组装时间以及BSA/聚合物投料比对蛋白负载量（LC）的影响。如图4所示，LC随共组装时间的延长变化不大， 0.15 h即可达到饱和；LC随BSA/聚合物投料比增加而增加。表明聚合物和BSA之间的共组装发生迅速，且共组装体中BSA的最高LC高于传统方法制备的蛋白载体的LC（如：嵌入多孔载体或接枝在载体表面的方法）。并且，蛋白质在组装过程中能够保持其二级结构、热稳定性和生物活性。这意味着，本研究提供了一种有效的蛋白质捕获方法，有望用于多类蛋白递送体系。

图4. P(AAm-co-NAS-co-AAc)聚合物的蛋白质负载量随共组装时间及BSA/聚合物比例的变化

  该研究开发了一种新型反应性UCST聚合物P(AAm-co-NAS-co-AAc)，得益于其拥有的强而稳定的氢键及温和快速的反应性，聚合物表现出：1. 优异的UCST性能，0.1 wt%浓度下实现高达81°C的T_cp；2. 快速捕获蛋白质的能力，且不改变蛋白质的二级结构和生物活性。该研究提供了一种简单温和的策略使聚合物与蛋白质可以直接在水中发生杂化共组装，有望拓展其在生物传感、蛋白质/疫苗递送系统等生物医学领域的应用。

  以上相关成果发表在Biomacromolecules 上。论文的第一作者为中国医学科学院生物医学工程研究所硕士研究生孙佳琳，通讯作者为中国医学科学院生物医学工程研究所张明明副研究员及宁波大学赵传壮教授。该研究得到了国家自然科学基金（编号22075154和31770968），天津市杰出青年基金（编号18JCJQJC48100）的支持。