世间万物无时无刻不处在变化之中，正是变化让我们的世界丰富多彩。中国又有句古话叫“万变不离其宗”，即所有变化都是有因、有迹可循的，找到变化的“宗”才可以对变化加以控制与利用。在微观世界里，形貌变化一直是研究的重点之一，但多局限于同一纬度，而超越维度的形貌转变为材料应用带来更广阔的空间。
东京工业大学的Atsushi Maruyama教授团队近日在《先进材料》发文“Cationic Copolymer-Chaperoned 2D-3D Reversible Conversion of Lipid Membranes”，通过改变体系聚合物组分，实现2D纳米片和3D囊泡之间的可逆转变。作者首先制备了葡聚糖接枝的聚丙烯胺PAA-g-Dex，该聚合物可以将酸性肽E5变成具有活性的双亲性螺旋构象，使其能够破坏脂质膜结构。3D囊泡向2D纳米片转变的过程主要分为三步，当向含有E5的囊泡分散液中加入PAA-g-Dex后，E5在囊泡表面聚集；然后聚集体“刺破”囊泡，形成片状结构；最后E5选择性地分布在2D纳米片的边界位置，与PAA-g-Dex共同稳定纳米片。这种形貌转变效率很高，五分钟内，92%的囊泡都转变为纳米片结构。而后作者研究发现E5的双亲性及螺旋结构是形貌转变的关键所在。PAA-g-Dex在过程中主要有三个作用：1）将E5破坏膜结构的功能激活；2）通过多价离子作用促进肽组装；3）通过与E5形成分子带（molecular belts）最小化界面自由能稳定纳米片。
图1 3D囊泡转化为2D纳米片的机理分析
为了进一步验证E5/PAA-g-Dex分子带能够稳定纳米片结构，作者向纳米片分散液中加入过量阴离子聚合物聚乙烯基磺酸PVS。PVS能够与PAA-g-Dex通过静电相互作用形成复合物，造成E5/PAA-g-Dex分子带的解离。实验发现加入PVS后，因为缺少PAA-g-Dex对纳米片的稳定，脂质边界有疏水端暴露，造成脂质层弯曲进而转化为细胞尺度的囊泡结构。而向体系中加入不带电的聚合物如PEG则不能使纳米片转化为囊泡，进一步证明E5/PAA-g-Dex分子带的形成与解离在转化过程中扮演重要的角色。PVS作为外源刺激可以实现2D-3D的形貌转变。
图2 从2D纳米片到3D囊泡的再转化过程
随后，作者用FITC对葡聚糖进行染色（FITC-Dex），在起始的囊泡结构中，只有囊泡外有FITC荧光说明FITC-Dex不能穿过脂质体膜。当起始囊泡经过3D-2D-3D的一系列形貌转变后，囊泡内部和外部都出现FITC荧光，加入FITC猝灭剂后，囊泡外部的荧光猝灭，内部荧光仍保持，说明高分子量FITC-Dex能够在2D-3D转化过程中被包进囊泡内部。这一特殊的包载方式使其在生物大分子和细胞外粒子的远程液体活检方面有潜在应用。
由于E5与阳离子共聚物的相互作用依赖于它们的离子特性和pH值的变化，因此作者还研究了pH对纳米片稳定性的影响。只有当pH大于5.5时才能发生3D-2D转化，pH小于4.3，大多以囊泡结构存在。
在制药、食品和化妆品科学方面，脂质囊泡即可用于基础研究也可用于实际应用。控制纳米薄片和囊泡形成的能力将在这些领域发挥重要作用。
图3 脂质体膜结构对pH的响应性
来源：高分子科学前沿
