《Journal of Molecular Liquids》：Hierarchical self-assembly and gelation of monoammonium glycyrrhizinate in aqueous solution: electrolyte-promoted transition from tetramers to rod-like structures
编辑推荐：
本研究系统探究了单铵甘菊糖苷（MAG）在水溶液中的自组装机制及电解质效应。通过核磁共振、小角X射线散射和荧光光谱等表征手段，揭示了MAG从四聚体向棒状结构转变的动态过程，并证实KCl通过电荷屏蔽作用显著降低棒状结构形成所需浓度，促进三维网络构建，从而增强凝胶的粘弹性与热稳定性。该发现为两亲分子自组装与凝胶化机理提供了重要理论依据。
内山弘正|安藤健太|箕浦勝彦|有森浩|有森大志-尾之井|岩瀬宏树|田中龙马|門田和紀|土塚裕一
大阪医科大学药学部制剂设计与制药技术系，日本大阪569-1094
摘要 理解两亲分子中的层次自组装和电解质效应对于阐明水溶液中的结构-性质关系至关重要。甘草酸的单铵盐——甘草酸单铵（MAG）最初形成二聚体，随后这些二聚体会延伸成棒状结构。然而，这些研究未能充分解释MAG的增溶效应，因为延伸后的二聚体结构无法形成能够包裹其他化合物的囊泡。在本研究中，通过核磁共振光谱、荧光测量和小角X射线散射系统地研究了从初级分子聚集体到更高阶超分子结构的转变，并将其与宏观流变行为进行了关联。研究发现MAG形成了具有疏水内部区域的四聚体聚集体，这些四聚体会在浓度作用下转变为棒状结构。加入氯化钾（KCl）不会影响四聚体的形成，但显著降低了发生棒状结构转变的浓度，从而促进了棒状组装体之间的延伸和网络形成。因此，在KCl存在下，MAG体系表现出更高的粘度、弹性和热稳定性。这些结果支持了一种层次组装模型，即电解质诱导的电荷屏蔽作用促进了从四聚体聚集体到棒状结构的形成，为分子自组装、结构转变和水溶液中胶凝行为之间的关系提供了机制上的见解。
引言 皂苷苷元广泛分布于植物中，是由疏水配基和亲水糖部分组成的两亲分子。由于这种分子结构，它们在水环境中表现出特征性的聚集行为，并作为研究复杂液体中自组装的模型系统而受到广泛关注[1]、[2]、[3]。它们通过非共价相互作用形成超分子聚集体，使其特别适合研究分子层面的组织如何控制宏观物理化学性质。其中，甘草酸是一种在三萜皂苷中含量丰富的物质，由于其甜味和生物活性特性，被广泛应用于食品、制药和化妆品产品中[4]、[5]。然而，甘草酸的有限水溶性限制了其在水体系中的物理化学应用。
甘草酸的单铵盐（MAG）在水中的溶解度显著提高，在水溶液中表现为阴离子两亲分子[6]、[7]。先前的研究表明，MAG在足够高的浓度下可以形成分子聚集体，并在特定条件下形成水凝胶[6]、[8]、[9]。尽管其分子量相对较低（840.96），MAG仍能发生胶凝而无需聚合，属于低分子量凝胶剂（LMWGs）类别。这类体系特别值得关注，因为它们展示了小分子如何自组织成扩展的超分子网络并表现出类似聚合物的粘弹性行为。通常，LMWGs通过包括氢键、疏水相互作用、π–π堆积和静电作用在内的非共价相互作用在溶液中形成层次结构[10]、[11]。最初生成初级聚集体，这些聚集体随后延伸成更高阶的次级结构，如纤维或棒状结构。这些延伸的组装体进一步缠结形成三维网络，从而使溶剂固定，导致凝胶的形成。虽然这种层次组装途径已被提出用于多种LMWGs，但控制每个阶段的详细分子机制——特别是从初级聚集体到延伸结构的转变——仍然不够清楚。对于MAG而言，尽管已报道其能够形成聚集体和凝胶，但其初级聚体的分子级组织、导致胶凝的结构进展以及控制这些过程的物理化学因素尚未得到系统阐述。特别是，外加电解质对MAG的层次组装和网络形成的影响尚未阐明。预计电解质与阴离子两亲分子的静电相互作用在其中起着关键作用；然而，电解质对其结构转变和凝胶性质的贡献尚未得到充分探索。
本研究的动机是为了建立理解低分子量两亲体系中电解质介导的自组装过程的基本结构框架。我们的长期研究目标是设计用于口服和透皮给药的基于MAG的凝胶制剂。在这些凝胶体系中，药物释放行为和药物渗透性受到潜在的超分子结构的强烈影响，包括聚集体形态、网络连通性和粘弹性。因此，详细阐明MAG从初级分子聚集体到延伸结构以及三维网络的层次自组装对于更定量和机制性地讨论药物释放和药物传输现象至关重要。建立对聚集和胶凝的分子级理解为将结构转变与基于MAG的凝胶系统的功能性能相关联提供了关键基础。本研究调查了MAG在水溶液中的层次自组装和胶凝行为，重点关注从初级聚集体形成到延伸的超分子结构以及随后三维网络发展的过程。使用核磁共振（NMR）光谱、小角X射线散射（SAXS）、环境敏感探针的荧光光谱和流变测量来阐明结构变化及其与宏观粘弹性性质的关系。此外，还研究了作为电解质的氯化钾（KCl）对组装过程的影响，以明确电解质诱导的电荷屏蔽如何影响结构转变、网络形成和凝胶稳定性。这种方法为连接分子聚集、层次组装和凝胶化的代表性低分子量两亲体系提供了全面的结构框架。除了MAG这一特定案例外，本研究开发的概念框架可以应用于广泛的LMWGs类别。在基于LMWGs的凝胶的制药和化妆品应用中，功能性化合物的释放和渗透性与超分子组织和电解质敏感相互作用密切相关。因此，本研究获得的见解为理解和合理化层次自组装和网络形成如何控制软凝胶体系中的分子传输提供了通用指导。
材料 MAG由丸善制药有限公司（日本广岛）提供。MAG的化学结构和质子数如图1所示。它是一种弱多酸有机酸，含有三个羧基，配基部分包含一个甘草酸分子和两个葡萄糖醛酸分子。KCl和1-十二烷基吡啶inium氯化物（DPyC）由和光纯药工业株式会社（日本大阪）提供。8-氨基-1-萘磺酸（ANS）由东京化成株式会社提供
表面张力和荧光测量 单价金属盐KCl（K+ ）被用作阳离子对离子。在蒸馏水中不同浓度的KCl下评估了MAG溶液的表面张力变化（图S1）。使用Lin等人提出的分析方法确定了MAG溶液的CMC值（表1[16]）。不含金属盐的MAG溶液的CMC为0.45?mM。K+ 的存在导致CMC值浓度依赖性地降低。随着50?mM KCl的添加
结论 本研究阐明了MAG的多级自组装和胶凝机制，以及KCl（K+ 作为对离子的影响。NMR测量和静态淬火证实MAG通过特定的分子间相互作用形成了四聚体初级聚集体。SAXS分析显示这些四聚体随MAG浓度的增加而演变为棒状结构。KCl的添加降低了四聚体转变为棒状结构所需的浓度
作者贡献声明 内山弘正： 撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，监督，方法学，研究，概念化。安藤健太： 撰写 – 审稿与编辑，验证，方法学，研究，数据管理，概念化。箕浦胜彦： 撰写 – 审稿与编辑，研究，数据管理。有森大志-尾之井： 撰写 – 审稿与编辑，研究，数据管理。岩瀬宏树： 撰写 – 审稿与编辑。田中龙马： 撰写 – 审稿与
资助 本研究得到了JSPS KAKENHI （项目编号：20K07191；日本东京）的支持。
利益冲突声明 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢 作者感谢丸善制药有限公司（日本广岛）提供甘草酸单铵（MAG）。作者还要感谢Enago（
www.enago.jp ）提供的英语语言审核。SAXS测量在J-PARC研究楼的实验室进行。
