由於生物膜在生命體中不可或缺的重要性，基於生物膜結構的化學改進和研究從未停止。使用嵌段共聚物、兩親性樹枝狀分子、巨型表面活性劑、蛋白質、兩親性膠束等體系，對天然膜結構基元進行放大的是一種常用策略。人們因此在構築具有新結構與新功能的生物膜方面取得了諸多突破性進展。另一方面，分子幾何結構決定的堆積模式對介觀結構的形成有決定性作用。在這個背景下，探究巨型類脂質分子的化學結構對組裝結構的傳遞規律顯得影響尤為重要。
圖1. I型與T型巨型脂質分子的化學結構
最近，華南理工大學與美國Akron大學程正迪（Stephen Z. D. Cheng）院士團隊通過精確的化學結構調控，研究了一系列人工合成巨型脂質分子的組裝行為，並從熱力學以及幾何結構角度對組裝行為進行了深入探討。這類巨型分子由親水碳60衍生物與疏水寡聚芴片段構成（圖1）。它們重現了天然脂質的頭-尾兩親結構、精確的化學組成以及簡單無纏結的構象。在傳統大分子體系中，構建同時具備這三類性質的分子是非常困難的。
圖2. I型與T型分子在溶液中自組裝的TEM形貌圖，右上角插圖為對應幾何比例的分子模型。比例尺(a~e) 200 nm, (f~h) 50 nm
研究者首先根據幾何結構將分子分為I型與T型兩大類，它們分別對應於雙尾型與多分叉型脂質分子。在I型分子中，變化寡聚芴片段長度將會改變頭-尾長度比。而在T型分子中，改變寡聚芴片段長度將會改變親-疏水橫截面積比。由於設計的親水碳60衍生物和疏水寡聚芴都具有剛性和精確的分子結構，所有幾何參數均可被定量計算。在I型結構當中，研究者觀察到了由雙層分子的囊泡結構到單層分子穿插的納米片之間的形貌轉變。而在T型結構當中，研究者觀察到了由囊泡進入六方堆積膠束的形貌轉變（圖2）。值得注意的是，即使在一對具有完全相同的化學組分的I 型和T型分子，親-疏水連接模式不同，分子的介觀相行為也會產生巨大的差異。
圖3. 捲曲雙層結構與平直穿插結構的自由能討論
進一步地，研究者對組裝過程的規律進行了兩方面的探討。從幾何因素上看，分子的連接模式顯著影響了堆積參數。在剛性尾部增長的過程中，T型分子堆積參數的增長速率明顯高於I型分子。另一方面，作者討論了各類自由能的在組裝過程的貢獻。對於I型分子，邊界自由能與彎曲自由能的平衡最終決定了組裝形貌；而對於T型分子，曲率結構的表面位錯能量對系統穩定不利，這使得組裝結構內界面消失，而內部的微觀相分離提供了自由能進一步降低的途徑。
這一成果近期發表在Angew. Chem. Int. Ed.上，本文的第一作者為Akron大學博士生嚴笑雲，本文的通訊作者為程正迪院士和林志偉博士。
來源 華南理工大學軟物質高等研究院
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201916149
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