磷脂膜原位聚合：从生物膜仿生到智能材料构筑的新策略

《Biomacromolecules》：Polymerization from Lipid Membranes

本工作开发了一种基于新型脂质-引发剂和ARGET ATRP（activators regenerated by electron transfer atom transfer radical polymerization）的水相聚合体系，实现了从支撑脂双层（SLB）、小单层囊泡（SUV）到巨型单层囊泡（GUV）表面原位生长厚达70纳米的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）刷。该“接枝自”方法可构建高密度、不对称的聚合物功能化膜，为药物递送系统优化及研究糖萼等生物膜不对称修饰的物理机制提供了有价值的体外模型。

　　

内容归纳总结

引言

在活细胞中，脂质双层膜通常被一层厚而密的称为糖萼的大分子层（如多糖）不对称修饰，这层糖萼在细胞识别、粘附、保护及疾病中起着关键作用，其结构与聚合物刷相似，能显著影响膜的力学性质，甚至诱导膜弯曲。合成聚合物修饰的脂质囊泡已被广泛用作药物或疫苗递送的纳米载体。然而，通过“接枝到”方法（即与预合成的聚合物共组装或孵育）来制备具有不对称功能化或高聚合物表面浓度的膜具有挑战性。为突破这些限制，研究旨在模仿细胞膜定位的透明质酸聚合过程，开发一种从脂质双层表面直接生长聚合物链的“接枝自”方法。

结果与讨论

从支撑脂双层（SLB）聚合

研究首先使用支撑脂双层（SLB）对聚合体系进行表征。SLB是附着在固体基底上的单层脂双层，适用于高灵敏度的表面表征方法，如耗散型石英晶体微天平（QCM-D）。通过在SLB中掺入不同比例的新型脂质-引发剂，并在水相ARGET ATRP条件下聚合N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM），成功生长了聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）刷。

利用QCM-D监测聚合过程发现，聚合物层的厚度随时间线性增加约20分钟后达到平台期。聚合物的初始生长速率和最终厚度均随膜中引发剂浓度（x）的增加而增加。对于x ≤ 3 mol %的情况，生长速率和最终厚度大致遵循x^2/3的标度关系。最终获得的聚合物刷厚度可达约50纳米，这比初始双层厚度增加了10倍。当引发剂浓度x ≥ 0.5 mol %时，最终刷厚度H大于或等于膜上引发剂之间的平均距离δ，表明聚合物链处于密集接枝的“刷状”区域，链由于邻近链的限制而采取伸展构象。对于x ≥ 3 mol %，最终刷厚度对应H/δ ～ 10，这一体系是传统“接枝到”方法难以实现的。

此外，溶液中的单体浓度（m）也影响生长速率和最终厚度。在研究的浓度范围内（75 ≤ m ≤ 300 mM），两者均随m的增加而增加，在高引发剂浓度下，大致遵循m^2/3的标度关系。聚合反应可能因水相环境中已知的双分子终止反应而停止。

从小单层囊泡（SUVs）聚合

小单层囊泡（SUV）是直径10-100纳米的球形闭合双层结构，常用作药物递送系统。研究使用动态光散射（DLS）监测从SUV表面的聚合。

结果发现，SUV的流体动力学半径随时间增加约40分钟后趋于平稳，表明聚合物刷生长。生长动力学与SLB相似。在低至中等引发剂浓度下（x < 3 mol %），刷厚度随x的增加而增加，生长速率大致遵循x^1/2的标度关系，而最终厚度大致遵循x^2/3的标度关系，最大刷厚度可达70纳米。对于x ≥ 3 mol %，刷的生长不再单调，在约60分钟后出现轻微变薄，可能与PNIPAM链从SUV上的解接枝有关。当x ≥ 0.25 mol %时，刷厚度H大于或等于引发剂间距δ，对于x = 3 mol %，H/δ ～ 15。

比较SLB与SUV的聚合

从SLB和SUV引发的聚合结果总体相似：聚合物厚度线性增加后达到平台。但在相同的膜组成和聚合条件下，SUV通常显示出更长的生长时间和更厚的聚合物层。生长速率随引发剂浓度的标度指数在SLB（ν ≈ 0.7）和SUV（ν ≈ 0.50）中略有不同。SUV的终止时间在低引发剂浓度下与SLB相似（约20分钟），但在较高浓度下可延长至约40分钟。这种差异可能源于曲率效应：随着链从曲率更大的SUV表面生长，活端之间的距离减小，从而降低了终止速率。

从巨型单层囊泡（GUVs）聚合

巨型单层囊泡（GUV）是直径1-100微米的球状双层，是研究磷脂双层的理想模型系统。研究将其应用于GUV，观察聚合诱导的膜形变。

在聚合条件下孵育10-15分钟后，一部分GUV开始自发变形，从球状囊泡转变为密集的、灌木状的“珍珠串”网络结构。这些分支灵活且受热波动影响。形变必然伴随着体积的损失，可能由孔洞打开引发。并非所有GUV都发生形变，在聚合条件下，负载引发剂的囊泡中，“非典型GUV”（NAG）与GUV的比例达到18%，而对照实验中仅为2%。观察到的膜灌木结构与锚定聚合物诱导膜自发弯曲、形成高曲率膜管并最终失稳成“珍珠串”的理论预测和实验结果相符。

结论

本研究利用新型脂质-引发剂和水相ARGET ATRP，成功从SLB、SUV和GUV表面生长了聚合物。所得聚合物层厚度高达70纳米，进入预期的刷状区域。脂双层中引发剂浓度和水相中单体浓度均影响聚合物层的初始生长速率和最大厚度。SLB和SUV的生长仅有细微差异。对于GUV，聚合可诱导从球体到灌木丛的剧烈形状转变。

尽管当前研究清晰地展示了从脂膜生长聚合物层及其效应，但所用化学体系仍有改进空间，主要挑战在于水环境中聚合控制有限，终止反应限制了聚合物层的厚度。可能的改进包括卤素交换、降低铜基催化剂总浓度以及缓慢添加还原剂等。

这项工作提出了多个处于聚合物物理和膜物理交叉领域的有趣问题，例如聚合物层性质如何影响膜的力学性质、局部膜曲率如何反馈影响聚合速率、膜锚定刷对抗解接枝的稳定性等。从脂膜引发的聚合有望成为生物医学应用、生物膜基础研究及仿生材料开发的实用工具。