揭开立方相囊泡形成之谜

　　众所周知，脂质组装的双层膜构筑了球形囊泡，即细胞膜。在脂质组装原理的启发下，人们发明了表面活性剂并广泛应用在日用化学产品中。当前，脂质组装囊泡的研究正在拓展到药物缓释、纳米材料等前沿领域。脂质也能组装成双连续立方相结构，赋予线粒体膜高的通透性和蝴蝶翅膀特殊的光学功能。在人造材料里模仿这种结构创造了三维通透的传输膜和人工光子晶体，而包含这种结构的立方相囊泡则展现出特殊的药物缓释等功能。但是，迄今为止立方相囊泡形成的机理尚未被解析，这阻碍了应用研究的进一步发展。 

　　南开大学王维教授研究组与合作者对立方相囊泡的形成过程展开了研究，揭开了双连续立方相结构形成的机理，相关研究成果发表在JACS上（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 831-839）。 

　　王维研究组设计并合成了一系列哑铃形异质团簇。它们由一个强极性的多金属氧酸盐团簇（POM）与一个非极性的笼型倍半硅氧烷团簇（POSS）通过一个有机连接链（OL）而成，简写为POM-OL-POSS。由于两个团簇的极性差异，POM-OL-POSS具有类似脂质的特性，在溶液中能够自发组装成胶束、囊泡和立方相囊泡等组装体。实验结果显示在丙酮溶液中加入正癸烷，到丙酮/正癸烷的体积比为6/4时，溶液依然澄清。而后，使高挥发性的丙酮缓慢挥发，导致混合溶剂逐渐转变为亲POSS的正癸烷，溶液变浊说明分子组装了。 

　　图1.（A）：哑铃形POM-OL-POSS的分子。（B）和（C）：组装体的SEM和TEM照片。（D）和（E）：SAXS谱和SAXS数据的分析。（F）：双钻石立方相结构。（G）：组装体结构演变的一组TEM照片。（H）：建议的从囊泡到立方相囊泡的机理。 

　　由于POM间的强作用能稳定了组装结构，从溶液制备干燥样品的过程不会严重地改变组装体的结构特征。扫描射电子显微镜（SEM）观察显示组装体形状为截断的八面体。在高倍的条件下，透射电子显微镜（TEM）观察清楚地显示组装体内部存在排列规整的结构。由于TEM图像仅反映指定投影方向的结构，因此无法完全确认结构特征。小角X-光散射（SAXS）技术是现今确认真实结构的唯一方法，为此研究人员利用北京同步辐射装置1W2A-小角X射线散射实验站的SAXS装置对结构进行观测，确认组装体是立方相囊泡。在此基础上，利用TEM跟踪了组装体的演变过程，发现囊泡、堆积囊泡、海绵结构聚集体、在海绵结构聚集体中心形成的有序结构、球形和刻面立方相囊泡等，揭示了从分子到刻面立方相囊泡的形成机理包括分子自组装、囊泡堆积、拓扑学重组、结构有序化和生长等步骤。 

　　王维研究组独辟蹊径地设计并合成了异质团簇，在溶液中自组装构筑了立方相囊泡，并观察到它们的形成过程，由此阐明了双连续立方相结构形成的机理，揭开了在研究脂质组装中尚未解答的迷。这一基础研究的重要结论是，当立方相囊泡应用在药物缓释的前沿领域时，溶液中的药物首先通过分子组装包裹在囊泡内部，然后通过后续的结构演化后包裹在立方相囊泡中。这个研究的结果将促进立方相囊泡在纳米药物和其它前沿领域中广泛的应用。