時空選擇性表面功能化是邁向下一代功能系統的關鍵一步。生物體已經通過控制功能蛋白在細胞膜上的分布和方向來實現信號傳遞、貨物運輸、光合能量轉換等。然而，由于缺乏自適應結合化學，合成材料實現這種精確控制仍然是一個巨大的挑戰。點擊化學提供了一種有效的結合策略，同時共享共價結合策略的非響應性。由于非共價結合策略的發展，生物分子識別和主客體相互作用已被用于將治療性蛋白質加載到聚合物顆粒上、分離質膜蛋白、將分子催化劑加載到電極上等。盡管它們已被證明是有效的，但加載的功能模塊只能通過添加競爭性主/客分子或通過客體分子的光異構化來釋放，這挑戰了功能模塊的重新加載、主分子修飾材料的回收利用和客體分子的合成。此外，主體分子，如環糊精和葫蘆脲，必須提前安裝到材料表面。工程化材料的表面作為宿主可以實現簡單的結合策略。
聚合物和小分子配體被廣泛用于控制合成材料的表面化學。例如，PEG（一種親水且無毒的聚合物）已被設計成納米載體上的隱形冠層、植入材料上的防污涂層、多孔材料上的聚合物電解質、納米粒子上的封端配體等。
受酶-底物識別誘導擬合模型的啟發，研究人員認為表面附著的 PEG 鏈與酶的多肽鏈相似，可以適應客體分子的大小和形狀并充當宿主。然而，與環糊精和葫蘆脲中存在用于結合的疏水空腔不同，PEG 鏈通過與水分子形成氫鍵在水性介質中充分水合。客體分子與 PEG 的結合需要破壞這些氫鍵并從結合位點去除水分子，就像蛋白質-配體結合一樣。由于破壞這些氫鍵和鏈構象熵損失的能量損失，PEG 的脫水被認為是非常困難的。因此，盡管 PEG 廣泛存在于材料表面，但從未被探索為主體。最近的模擬和實驗表明，釋放與PEG 結合的水分子可以補償鏈構象熵損失，將 PEG 的脫水轉化為能量驅動過程。由 sp2 雜化碳原子組成的疏水性石墨烯和碳納米管成功地驅動了 PEG 的脫水，表明它們的結合能足以打斷氫鍵。因此，可以假設與石墨烯具有相似化學結構的多環芳烴可以破壞水合層并充當 PEG 主體的客體分子（錨）。與具有疏水腔的宿主不同，PEG 宿主的良好水合作用應該允許錨的適應性插入以實現可編程的表面功能化。
成果簡介
鑒于此，荷蘭拉德堡德大學Daniela A.Wilson等研究人員通過設計并合成了一系列分子探針，以探討如何將疏水錨適應性插入PEG宿主進行表面功能化。
圖|將疏水錨適應性插入 PEG 宿主以實現可編程表面功能化
設計優勢
作者使用多環芳烴作為錨以及鋨配合物（Os）作為模型功能模塊構建分子探針，其中使用疏水性芘基 (Py) 作為錨的代表性分子探針(Py-PEG4-Os)。這樣的設計具有以下優點：
(1）親水性-PEG4-Os可以增加Py的水溶性；
(2) Py的極性敏感熒光可以反映錨的位置；
(3) 從Os到Py的光誘導電子轉移可以淬滅Py的熒光并驗證負載分子探針的構象。
研究發現，通過使用多環芳烴作為疏水錨，親水帶電和不帶電功能模塊在 2 分鐘內自發地負載到 PEG冠層上，無需任何催化劑和結合基團的幫助。
圖|將分子探針加載到PEG冠層上
機制探究
為此，作者提出了一種將 Py-PEG4-Os 加載到聚合物囊泡的 PEG 冠層上的機制。溶解的 Py-PEG4-Os 在封閉和開放配置之間保持平衡。當引入聚合物囊泡時，Py 將自身嵌入到 PEG 冠層中以從水中逃逸，從而在 PEG 冠層表面留下親水性 PEG4-Os。Py 和 PEG 冠之間的孤對/CH-π 相互作用將 Py-PEG4-Os 錨定到 PEG 冠，每個 Os 之間的靜電排斥決定了 Py-PEG4-Os 在 PEG 冠上的堆積密度。除了 PEG-b-PS 聚合物囊泡和 PEG 微粒外，分子探針還成功加載到PEG-b-PDLLA聚合物囊泡和 PEG 修飾的金納米顆粒上。這突出了插入策略使不同 PEG 宿主功能化的潛力。
圖|分子探針的加載機制
可編程的表面功能化
為了實現可編程的表面功能化，研究人員通過引入 PEG冠層的競爭試劑來研究疏水錨的開/關插入開關。
由于玻璃狀聚苯乙烯核，聚合物囊泡在與不同試劑孵育時保持穩定，包括聚4-苯乙烯磺酸鈉（PSS）、PEG、聚丙烯酸鈉鹽（PAA）或 Na2SO4。PEG 未能從聚合物囊泡中脫嵌 Py-PEG4-Os，這應歸因于其水合良好的聚合物鏈。添加 PSS 后，幾乎所有加載的 Py-PEG4-O 都釋放到溶液中。由于 PSS 未吸附到聚合物囊泡上，因此 Py-PEG4-Os 未被取代，而是被 PSS 拉入溶液中。拉力應該來自 PSS 的苯基與 Py 之間的 π-π相互作用以及 PSS 的磺酸鹽基團與 Os 之間的靜電引力。PAA 或 Na2SO4只能通過靜電吸引拉動 Py-PEG4-Os，但未能誘導脫嵌，突出了多重相互作用的作用。
考慮到拉力的性質，研究人員嘗試使用鹽來屏蔽 PSS 和 Py-PEG4-Os 之間的靜電引力并誘導 Py-PEG4-Os 的重新插入。與 NaCl 相比，CaCl2 可以更有效地誘導 Py-PEG4-Os 的重新插入，這可能是由于 Ca2+ 和 PSS 之間更強的相互作用。最重要的是，PSS 可以通過 π-π 和靜電相互作用包裹 Py-PEG4-Os 來關閉 Py-PEG4-Os 的插入，而 CaCl2 可以通過屏蔽 Py-PEG4-Os 之間的靜電引力來打開 Py-PEG4-Os 的插入和PSS。通過操縱 PSS 和Py-PEG4-Os 之間的相互作用，從而可以啟用疏水錨的開/關插入開關。
圖|可編程表面功能化的自適應插入
小結：
總之，研究人員報告了疏水錨和 PEG 宿主之間的自適應分子識別，用于可編程表面功能化。這種非共價結合策略具有效率高、功能化時間短、條件溫和、分子取向可控和動態加載能力等特點。預計這種分子識別模式將使下一代功能系統的設計成為可能，并促進納米醫學、納米技術和先進材料的進步。
參考文獻：
Zhang, S., Li, W., Luan, J. et al. Adaptive insertion of a hydrophobic anchor into a poly(ethylene glycol) host for programmable surface functionalization. Nat. Chem. (2022).
https://doi.org/10.1038/s41557-022-01090-0
