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1.大分子拟肽学迈出重要一步：中国科学家合成新一代生物响应聚合物，可用于药物递送和生物传感

“我当时对他颇有些恨铁不成钢。但是，周业强具备科研人最重要的两样东西：态度和投入。他和我一样都是大山里走出来的孩子，深知天道酬勤的道理。在他身上我看到了当年那个面对逆境不屈不挠、迎难而上的自己。知难而上，不是因为期盼短期利益，而是心里装着更大的使命。”四川大学高分子科学与工程学院医用高分子材料及人工器官系副主任丁明明教授表示。

作为一名老师，丁明明生于陕西，学于四川，如今也执教于四川。其本科、直博和博后均在该校完成。2013 年，丁明明正式留校任教，并于 2018 年破格晋升教授。

“高分子”，是他身上最引目的标签，也是该校的强项专业。

而此次论文，标志着一项高分子新成果的诞生。研究中，丁明明和周业强等通过简易化学方法，设计并合成了一类新型脲基拟肽类化合物。

其表示：“我们认为，这项工作对深入理解生物大分子的折叠和多层次组装结构，具有重要的科学价值，并创造了极具应用潜力的新一代生物响应聚合物、以及非常规的发光脂肪族材料。”

此次成果不仅能给多功能药物载体的设计提供新思路，还能提供一种具备生物降解和生物响应型仿蛋白能力的自体发光高分子材料。

此外，这些由天然氨基酸衍生物构建的假聚氨基酸，具有良好的生物相容性，结构也比较简单，其也具备一定的临床应用潜力，有望用于仿生、药物递送、生物传感等领域。

评审专家也点赞称：“该工作报道了一种有趣的方法，借此来构筑具有非传统发光特性的大分子拟肽，这一成果或代表学界在大分子拟肽学的制备和应用方面，又向前迈出了重要一步。”

丁明明团队此次研发的聚合物，具有类似于多肽的有序二级构象，同时也具有聚集诱导发光特性的仿绿色荧光蛋白自体荧光。

在外加介质的作用下，聚合物组装呈现出构象转变、收缩现象、纳米管到囊泡的变形、以及可逆的囊泡尺寸膨胀等特性，并伴随着发光颜色的变化。

此外在生理环境下，纳米粒子具有超高的稳定性，在肿瘤细胞内具有超快响应性，从而能作为灵敏药物控释的“开-关”，以用于靶向药物输送和癌症等重大疾病的治疗。

其中，聚氨基酸因其良好的生物相容性、代谢产物无毒和有序的二级构象（如 α 螺旋和 β 折叠），而受到越来越多学者的关注。

除此之外，也可通过氨基酸延伸、多肽侧链取代或主链修饰，来开发各种合成拟肽聚合物。其中，聚-β 肽和聚类肽正是这类聚合物的典型代表。

与传统多肽相比，这类拟肽具有高度可调的分子结构、溶解性良好、抗降解和低免疫原性等优点。

然而，非天然部分的引入，可能会破坏其有序的高级结构，以及模拟蛋白质生物功能的能力。

目前，已有学者合成了两亲性多肽共聚物，它们的高级自组装大多由构象介导，并且可以形成胶束、囊泡、管状等结构。

氢键相互作用，在生物学中被认为是一种重要的作用力，它决定了蛋白质的高级结构和特异性功能。基于此，已有研究通过控制侧链氢键配体，来调节合成多肽的构象。

作为一种高分子材料，脲键具有一个氢键受体和两个氢键供体，能形成分子间的单齿或双齿氢键的相互作用，此前已被用于构筑寡聚脲折叠体。

而作为一类富含脲键的聚合物，聚脲已被广泛应用于弹性体、涂料、粘合剂和生物材料。但是，具备有序二级结构和构象介导功能性的聚脲，此前则少有报道。

基于此，丁明明课题组设计并合成一系列由天然氨基酸衍生物构建的、能够自发荧光的聚脲分子，其具备有序二级构象和聚集诱导发射等特性。

此外，通过构象介导多级自组装，该聚合物可以形成囊泡或纳米管，并表现出尺寸膨胀、收缩、变形和变色等行为。

同时，当聚合物作为药物载体时，也显示出超高稳定性和超快响应性，能实现灵敏的药物释放开关。

近日，相关论文以《用于构象辅助变形、变色和细胞内药物递送的本征荧光聚脲》（Intrinsically fluorescent polyureas toward conformation-assisted metamorphosis,discoloration and intracellular drug delivery）为题发表在 Nature Communications 上。周业强担任第一作者，丁明明担任通讯作者。

审稿人评价称，该团队描述了一种独特的由脲键构建的假聚氨基酸。通过聚合物的自体荧光，可以实现细胞摄取的可视化；而通过聚合物和包载染料之间的荧光共振能量的转移现象，则可用于药物释放的监测。

针对聚合物的设计合成、组装体形貌的表征、二级构象和荧光性质的分析，课题组均进行了动物实验，以证明此次材料确实可作为开关可切换的纳米载体，从而用于体内肿瘤治疗。其还使用了大量分析方法，很好地支持了这一结论。

基于此，其以天然氨基酸衍生物为单体，合成了一系列不同链段数的两亲性聚脲。

而在该研究中，他们先是研究了聚合物的自组装行为。通过透射电镜等表征手段，证实两亲性聚脲的自组装，确能形成囊泡和纳米管结构。其还发现，由于密集的氢键，粒径会随着链段数的增加而减小。

当加入三氟乙酸试剂之后，即可调控氢键的相互作用，实现囊泡的可逆“呼吸”。同时，囊泡的尺寸也能在 5-30 倍的范围内实现可逆变化。

接下来，课题组开始研究有序高级结构和荧光特性。他们对自组装体进行了圆二色谱测试，结果表明随着疏水链段数的增加，构象会从无规卷曲转变为折叠结构。

同时，当通过溶剂破坏聚合物的氢键时，即可破坏其构象，从而让形貌从纳米管转变为囊泡。

紧接着，其又通过荧光光谱证明了如下规律：两亲性聚脲具有优异的荧光性能和聚集诱导发光特性。

进一步地，他们发现荧光会对构象产生依赖性。当聚合物从无规则卷曲转变到折叠结构，研究人员观察到了荧光蓝移和荧光发射增强。

为核对这一现象，该团队通过三氟乙酸处理自组装体，结果发现聚合物的荧光减弱了，并且发生了红移。

而当去除三氟乙酸后，荧光和粒径又会恢复，并能进行多次循环。这种构象介导的变形现象和变色现象，与水母在呼吸时随着膨胀和收缩，所表现出的荧光转变行为十分相似。

在自然界中，水母将纯蓝色发光蛋白素的能量转移到绿色荧光蛋白，并产生绿色荧光。受此启发，该团队通过包载喹吖因盐酸盐，实现了聚合物从蓝色荧光到绿色荧光的转变。

最后，课题组探索了两亲性聚脲在生物医学中的应用潜力。凭借固有的荧光，它能以无标记的方式，跟踪自组装体纳米颗粒的细胞摄取以及细胞内药物释放过程。

他们还发现，当采用刚性折叠构象和纳米管形态时，可以产生更好的入胞效果。由于两亲性纳米载体具有超高响应性，故能在肿瘤细胞内快速释放有效药物，并可以将阿霉素有效递送到细胞核中。

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参考资料