冷冻透射电镜表征聚肽类嵌段共聚物的动态自组装转变

The self-assembly of polypeptide block copolymers (including polypeptide-based and polypeptoid-based) have obtained significant attentions because of their potential applications in drug delivery. Conventional TEM and AFM confined by the sample preparation, model-dependent scattering techniques and theory simulation cannot exactly depict the self-assembling mechanism of polypeptide block copolymers in solution. This project focuses on the dynamic self-assembling transformation of stimuli-responsive polypeptide block copolymers using Cryo-TEM, to disclose the relationship between molecular conformation and self-assembly structure and analyze self-assembling mechanism. Cryo-TEM can provide the whole dynamic self-assembling process by capturing the metastable states and short-lived intermediates by ultra-fast cooling. In recent years, Cryo-TEM has been a powerful method for direct imaging the self-assembling nanostructure in solution. Exploring the self-assembling mechanism of polypeptide block copolymers by Cryo-TEM provides a theoretical basis for deeply understanding the mechanism of drug-releasing and developing more effective functional polymers in the future. Meanwhile, we will explore and enhance Cryo-TEM technique for a variety of applications.

近年来，基于聚肽类(包括聚肽和聚类肽)嵌段共聚物的自组装引起了人们广泛的关注，其在药物控释领域有着潜在的应用前景。传统的透射电镜及原子力显微镜因制样条件的限制，散射技术对预设模型的依赖和理论模拟都不能准确的描述聚肽类嵌段共聚物在稀溶液中的自组装机理，本项目拟通过冷冻透射电镜（Cryo-TEM）研究环境刺激响应性的聚肽类嵌段共聚物在稀溶液中的动态自组装转变过程,揭露分子构象与自组装结构之间的关系并剖析自组装转变的机理。Cryo-TEM通过快速冷冻的方法来捕捉自组装转变过程中的亚稳态和短暂出现的中间态，勾勒自组装的完整动态过程。近年来，Cryo-TEM已成为原位表征溶液中自组装结构的有力手段。利用Cryo-TEM表征来探究聚肽类嵌段共聚物的自组装机理，为阐明药物控释机理，开发更有效的功能性高分子材料奠定有力的理论基础。我们还将同时探索并完善Cryo-TEM表征技术，使其应用在更广泛的研究领域。

聚肽类嵌段共聚物在选择性溶剂中能够形成丰富多样的自组装结构，在药物控释载体等领域具有广阔的应用前景，而纳米载体的载药释药等相关性能强烈依赖于自组装形成的机理。因此，研究聚肽类嵌段共聚物自组装结构的形成及动态转变对于剖析自组装机理，深刻理解其作为药物载体的药物释放机理具有重要意义。前期研究者们大多利用(SLS/DLS)结合TEM、SEM、AFM、SANS，SAXS等手段，但TEM、SEM和AFM的样品在制备过程中溶剂的挥发等导致的样品塌陷或变形，破坏了样品在溶液中的真实结构。液体模式的AFM由于基底和针尖对样品的黏附也会影响样品的真实结构。利用SLS等散射技术时，若出现多分散形貌（如环形、螺旋等），实验数据无法与预设定的模型相匹配，即无法给予合理解释。因此，大部分研究仅限于自组装始态与终态的结构表征，而对于整个自组装发展的动态过程如何，经历了怎样的中间状态，依然是聚肽类嵌段共聚物能否更有效的应用在药物控释领域所首要解决的问题。近年来理论模拟的引入，在一定程度上克服了实验的局限性，但理论模拟设置的参数与实际存在一定差距，并不能完整的给出溶液中发生的真实动态，迫切需要引入新的表征手段。Cryo-TEM将富含自组装结构的溶液迅速冷冻固定，直接观测含溶剂的样品，克服了因溶剂挥发及模型依赖等造成的限制，揭露样品在溶液中真实的结构信息。本项目主要通过改变溶剂选择性、温度及陈化时间等参数，利用Cryo-TEM跟踪观察聚肽类嵌段共聚物在溶液中自组装结构的动态转变过程。深刻理解聚肽类嵌段共聚物在不同环境下，分子构象、聚集态结构与最终导致的自组装结构之间的关系，剖析自组装转变的机理，为拓宽聚肽类嵌段共聚物在药物载释方面的应用，开发更有效的功能性高分子奠定一定的理论基础。