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超级大牛和他的研究,前面看不懂直接拖到后面看应用

Samuel I. Stupp

超分子化学有哪些研究热点及应用前景?

成楚旸,有机化学砖工

我试着以介绍一只大牛的系列的工作为例子来回答题主的问题。

今天的主角 Samuel I. Stupp (Group Web: The Stupp Laboratory at Northwestern University)

Stupp 教授目前是 Northwestern University 化学 / 材料 / 医学 三个系的教授,是超分子化学领域的领军人物之一。我大二的时候开始看他的 paper,PhD 申请的时候狠狠的套了他一把(套上了),研一选导师的时候跟他长聊过,差一点他就成了我的导师。最后因为一些其他原因没有去他的组,不过一直都有追踪他的工作,也挺崇拜他的。Stupp 教授在超分子化学方面的研究非常典型,因为同为化学材料医学三系教授,他的研究在基础和应用方面都有不错的涵盖,希望我能通过这个回答再回顾一下他的一系列漂亮的工作。

(大家看照片的时候请自行去掉鼻子脑补伏地魔)

Stupp 教授在哥斯达黎加出生长大,17 岁去了 UCLA,然后来西北拿了 PhD,毕业后就留校当了 AP(卧槽好时代啊都没有做博后),但是没多久就 move 去了 UIUC 玉米地在那里待到 40 多岁然后 1999 年又回到西北直到现在[2].

他在 UIUC 做了一些不错的工作,主要是关于超分子自组装的基础研究,为他之后 move 到西北转向材料应用打下了坚实的基础,例举部分代表作,有兴趣的可自行参阅[3-5].

他到西北 2 年之后在 Science 上发表了一篇题为“Self-Assembly and Mineralization of Peptide-Amphiphile Nanofibers”的研究报告(目前被引用超过 1800 次)[6],开启了他的小组一直延续到现在的关于 Peptide-Amphiphile 的一系列研究,粗略搜了一下超过 150 篇文章,大家可以感受一下。

在这篇文章中,他们设计了一种可以自组装成纳米线的“两亲性”的短肽,可以诱导羟磷灰石在沿着其表面结晶,而羟磷灰石是骨骼的主要成分,该材料有潜在的修复骨骼的应用。

那么什么是“两亲性”?分子如何“自组装”?为什么会形成“纳米线”?又怎么能诱导羟磷灰石结晶呢?

大家最熟悉的两亲性分子应该是组成我们身体细胞膜的磷脂了,极性的头部是亲水性的,带着两个非极性的尾巴是疏水的,在水溶液中疏水的尾巴会尽量避免和水接触于是就组成了双分子层让亲水的基团朝外,这种为了降低能量自发排列成有序结构的现象就叫做“自组装”。网上随便找了个图如下:

如果将两亲性分子形状简化为椎体模型,那么同种分子自组装形成的结构按“头”和“尾”的相对大小决定[7], 比如磷脂双分子层中头和尾巴差不多大就形成了膜状结构,当小于头的时候容易形成球状的胶束,而当头尾比略大的时候就容易形成柱状的胶束,也就是这篇文章中的纳米线了。具体的数据大致总结如下图[7].

那么在 Stupp 的这篇文章里他们设计了这样一个分子,它有一条非极性的疏水尾巴(1)和极性的亲水基团(2-5)构成,中间有一段可以通过氧化形成二硫键让分子交联的半胱氨酸(2),一段相对柔性的丙氨酸连接片段(3),可以诱导钙离子结晶的磷酸根(4),识别细胞的片段(5)。由于头比尾巴大,最终形成了纳米线的结构。而这个纳米线表面有大量的可以和细胞附着的片段和诱导钙离子结晶的磷酸根,最终实现了诱导钙在细胞表面沉积的目的。

这个分子的结构有太多可以调控的地方,尤其是亲水末端可以连接各种不同功能的基团。这篇文章之后的几年 Stupp 组对这个体系进行了详细的研究,包括分子结构不同区域的调控[8,9,10],自组装条件[11,12]和形貌[13,14,15]的控制,纳米线生长机理[16,17],不同单体分子混合生长[18,19,20]等相对基础的研究。大家更感兴趣的应该是应用,基础研究这段我就略过了,有兴趣的请参考原始引文和综述[21]。

Stupp 发展的这一套两亲性的短肽是提供了一种可调性非常多的 Supramolecular scaffold, 只需更换上面分子中的区域 4 和 5 为其他功能性基团就能将这种纳米线的表面性质替换为其他功能。

举几个例子:

催化:外围接上一些咪唑基团则自组装形成的纳米线表面有非常高密度的咪唑,能快速催化酯水解[22]

表面修饰:以纳米线为母体诱导一些无机纳米颗粒(如下图中的 CdS)在其表面生长[23]

除了表面上做文章还可以在纳米线里面装东西,比如这一篇[24]让 EDOT 在纳米线的疏水中心聚合为具有导电性的高分子,形成了一种类似电线包裹着绝缘层的纳米线,且其绝缘层有很好的生物相容性,可能有潜在的在生物体内构建电路的应用。

以上都是些小打小闹的应用,并没有成气候,该体系最主要也是最有前景的应用应该是用作医学上的组织再生材料(Regenerative medicine,想系统了解的知友请参阅综述文献[25,26],我这里就简单的举几个例子,从 Ref[26]里找了个图,有没有一种蜘蛛侠里面的蜥蜴博士的既视感 w(゚Д゚)w

回到上面提到的 2001 年的 Science,说到这些纳米线有两个好处,一是表面有大量能附着细胞的基团,二是能诱导羟磷灰石其表面结晶,而羟磷灰石是骨骼的主要成分,所以该材料有潜在的修复骨骼的应用。随后 Stupp 组做了大量的后续研究,比如下面这个[27], 在小鼠的骨头上打了两个洞,植入了由钛和上述的短肽组成的复合材料,下图显示了植入四周之后的骨质恢复生长情况,绿色的是旧骨质,红色的是新生的,白色的是骨髓.

若将短肽亲水末端替换为能和促进血管生长的物质有结合能力的序列,则该超分子纳米线又能有诱导血管生长和修复血管的功能,见下图[28], 他们将这种纳米线注入到小鼠的角膜中的箭头处(小鼠好可怜 T_T), 10 天之后在本来没有血管的角膜中观察到了以注射点辐射的大量新生长的血管(A),而其他对比试验则很少或没有观察到.

还有更牛的, 外面接一个 IKVAV 五肽,这个序列被证明有利于神经祖细胞突触生长,对于神经祖细胞分化再生是至关重要的,因此这种纳米线有修复受损中枢神经的作用.他们的实验表明神经受损的小鼠(好可怜 T_T)注射这种纳米线后运动能力有一定恢复[29].

以上三个例子都是用这种超分子纳米线作为基体,通过更换单体分子末端的基团控制纳米线表面的基团,从而让纳米线有了不同的功能. Stupp 组还有更多的相关后续研究,有兴趣可自行查阅(其实是我编不下去了 2333...医学的东西我真的懂得不多,再写就要露馅了 = = )

以上 Stupp 的工作是超分子研究一个非常典型和成功的体系,从早年的现象研究(2000 年之前) 开始,有目的性的设计一个超分子体系(2001 年前后),得益于该体系的合成便捷性(可用多肽固相合成)和功能衍生化(替换亲水末端基团),在之后十多年对其进行了详尽的基础研究和应用研发(2001 年之后)。这种以超分子自组装(Supramolecular assembly)的方式制备材料的方法通常称为 bottom up (Top-down and bottom-up design),即通过巧妙的设计分子结构让分子相互识别自发形成有序的结构从而得到某种功能材料的方法。

10 年前 Science 创刊 125 周年的时候提过目前科学关注的 125 个问题,其中“化学自组织能达到何种程度”位列最重大的二十五个问题之一[30], 个人认为符合目前超分子化学的研究方向,人们已经不再满足于早年的研究小分子间非共价相互作用,而着眼于让所设计的分子能自发的多级组织成有序结构,实现所期望的功能。个人认为这是一个非常有挑战性的问题,也希望以后能在这方面添砖加瓦。

(参考文献参见原文链接)